DE68928345T3 - Confokales abtast-endoskop - Google Patents
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Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der konfokalen Abtastsysteme.
- Die Prinzipien eines konfokalen Abtastmikroskops sind im
US-Patent 3.013.467 von Mavrin Minsky offenbart. Das Grundprinzip besteht darin, die Beleuchtung der zu beobachtenden Probe oder des Objekts auf ein einzelnes Punktbeobachtungsfeld zu konzentrieren und die Beobachtung oder Erfassung auf dieses beleuchtete Punktfeld zu konzentrieren. Ein vollständiges Bild wird erhalten durch punktweises Abtasten der beobachteten Probe oder des Objekts über ein komplettes Sichtfeld des Mikroskops. - Bei früheren konfokalen Mikroskopen, einschließlich demjenigen, das im Minsky-Patent vorgeschlagen wird, blieb das optische System fest, wobei die Abtastung erreicht wurde durch Bewegen der zu beobachteten Probe oder des Objekts in einem Abtastmuster quer zum Brennpunkt der Beleuchtung. Seit kurzem verwenden Hochgeschwindigkeitsabtastmikroskope statt der Bewegung der Probe Strahlabtasttechniken. Im allgemeinen verwenden diese Mikroskope einen Laser als starke leuchtende Lichtquelle und besitzen einen Computer oder ein Videosystem zum Verarbeiten und Speichern oder Anzeigen der erfaßten Bildsignale. Ein Beispiel einer solchen neueren Vorrichtung ist beschrieben in
US-Re-32.660 . - Konfokale Mikroskope haben eine bessere Auflösung als herkömmliche Mikroskope und eine schärfere Scharfzeichnung, da die Signale außerhalb des Fokus und die Störun gen stark reduziert werden. Sie haben insbesondere Anwendung gefunden bei der Untersuchung biologischer Proben mittels Auflicht-Fluoreszenz, bei der die Reduktion der Störungen außerhalb des Fokus ein wichtiger Vorteil ist.
- Die Herstellung eines konfokalen Mikroskops mittels Anbringen eines konfokalen Abbildungssystems an einem herkömmlichen Mikroskop, das den Kondensator oder die Fokussierungslinse für das System zur Verfügung stellt, ist allgemein bekannt. In allen bekannten konfokalen Ausrüstungen müssen jedoch der Lichtfokussierer, die Lichtquelle und der Detektor sowie alle Komponenten, die den optischen Pfad für das Mikroskop definieren, relativ zueinander genau positioniert sein, weshalb alle auf einer massiven gemeinsamen Körperstruktur montiert sind. Die vorliegende Erfindung schafft eine modifizierte Konstruktion, mit der einige dieser Komponenten vollständig unabhängig im Raum positioniert werden können, ohne die normalen starren geometrischen Einschränkungen der relativen Anordnung und Orientierung. Genauer ermöglicht sie, daß die Lichtquelle und der Photodetektor in irgendeiner gewünschten Position angeordnet werden, ohne daß eine starre mechanische Verbindung zwischen diesen und dem Rest der Ausrüstung erforderlich ist. Weitere Vorteile der Konstruktion, die durch die Erfindung geschaffen werden, werden aus der folgenden Beschreibung deutlich.
- OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
- Gemäß der Erfindung wird ein konfokales Abtast-Auflichtsystem gemäß Anspruch 1 geschaffen.
- Die flexible Lichtübertragungseinrichtung kann eine erste Glasfaser enthalten, die sich von der Lichtquelle zur Lichttrenneinrichtung erstreckt, sowie eine zweite Glas faser, die sich von der Lichttrenneinrichtung zum Detektor erstreckt. Die Lichttrenneinrichtung kann einen Glasfaserkoppler enthalten, der die ersten und zweiten Fasern mit einer dritten Glasfaser koppelt, wodurch ein optischer Pfad zur Übertragung des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Fokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt ausgesendeten Lichts zur Fokussierungseinrichtung des Kopplers geschaffen wird. In diesem Fall kann die Abtasteinrichtung dazu dienen, den von der dritten Glasfaser zur Fokussierungseinrichtung übertragenen Strahl zu bewegen. Die Abtasteinrichtung kann z. B. einen optischen Pfad für den Lichtstrahl von der dritten Glasfaser zur Fokussierungseinrichtung schaffen und ein Transmissionselement enthalten, das beweglich ist, um die Abtastbewegung des Lichtstrahls zu bewirken. Alternativ kann die Abtasteinrichtung so betrieben werden, daß sie die dritte Glasfaser bewegt, um den hierdurch zur Fokussierungseinrichtung übertragenen Strahl zu bewegen, wodurch die Abtastbewegung des Lichtstrahls erzeugt wird.
- Die Verwendung der flexiblen Glasfaserübertragungseinrichtung ermöglicht der Lichtquelle (üblicherweise einem Laser) und dem Detektor, daß sie entfernt vom Rest der Vorrichtung ohne eine starre Verbindung zu diesem angeordnet sind. Sie ermöglicht den Entwurf eines konfokalen Abbildungssystems, das ein sehr kompaktes entferntes Kopfelement verwendet, das an Spezialzwecke angepaßt sein kann, wie z. B. für die Verwendung als Endoskop oder als implantierbares Fernkopfmikroskop für medizinische Anwendungen.
- Für eine vollständige Erläuterung der Erfindung und ihrer verschiedenen Anwendungen werden mehrere spezifische Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt ein Vergleichsbeispiel in Form eines konfokalen Mikroskopsystems, bei dem die Trennung zwischen abgehendem und ankommendem Licht mittels eines Glasfaser-Richtkopplers erreicht wird; -
2 zeigt ein modifiziertes Vergleichsbeispiel eines Mikroskopsystems, bei dem die Lichttrennung erreicht wird durch einen Strahlteiler, der zwischen der Lichtquelle und der flexiblen Glasfaserübertragungseinrichtung des Systems angeordnet ist; -
3 ist ein weiteres modifiziertes Vergleichsbeispiel eines Systems, bei dem die Lichttrennung erreicht wird durch einen Strahlteiler, der zwischen der flexiblen Glasfaserübertragungseinrichtung und der Lichtfokussierungseinrichtung des Systems angeordnet ist; -
4 ,5A und5B zeigen ein alternatives Vergleichsbeispiel eines konfokalen Mikroskopsystems, das dem in1 gezeigten System ähnlich ist, bei dem jedoch die Abtastung erreicht wird durch Bewegen einer Spitze einer Glasfaser in der flexiblen Glasfaserübertragungseinrichtung des Systems; -
6 bis8 zeigen ein Beispiel eines konfokalen Systems gemäß der Erfindung, das einen kleinen Fernkopf verwendet, der für eine spezielle Verwendung als Endoskop ausgelegt ist; und -
9 zeigt ein weiteres System gemäß der Erfindung, das demjenigen der6 bis8 ähnlich ist, jedoch einen modifizierten Endoskopkopf verwendet. - BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
-
1 zeigt ein Vergleichsbeispiel eines konfokalen Abtast-Auflichtmikroskopsystems. Dieses System umfaßt eine starke Lichtquelle in Form eines Lasergenerators1 zum Zuführen eines Lichtstrahls2 , der mittels einer Linse3 auf ein Ende einer flexiblen Glasfaser4 fokussiert wird. Es kann jedes bekannte Verfahren zum Koppeln des Lasers an die Faser verwendet werden, wie z. B. beschrieben ist in "Laser-to-fibre couplers in optical recording applications" von W. G. Ophey u. a., SPIE Bd. 839, "Components for Fiber Optic Applications II" (1987). Es ist jedoch erforderlich, daß die Kopplungseffizienz gegenüber herkömmlichen konfokalen Mikroskopen verbessert ist, da die Kopplungseffizienz bei herkömmlichen konfokalen Mikroskopanwendungen im allgemeinen nicht problematisch ist. Das andere Ende der Glasfaser4 führt in eine Seite eines Richtkopplers5 , der ein verschmolzener, bikonischer Kegelkoppler oder ein anderer Koppler zum Trennen von n entgegengesetzte Richtungen laufenden Lichtstrahlen ist. Das in eines der abführenden Schenkel6 eintretende Licht an der anderen Seite des Kopplers wird mit minimaler Fresnel-Reflexion durch einen indexan-gepaßten Medienkörper7 absorbiert, während das in den anderen Schenkel des Kopplers eintretende Licht auf dieser Seite von der flexiblen Glasfaser8 vom Ende9 übertragen wird, von dem es zum optischen Zug eines optischen Mikroskops übertragen wird, das allgemein mit10 bezeichnet ist. - Das optische Mikroskop
10 umfaßt eine Basis11 , auf der eine mechanisch einstellbare Probenträgerplattform12 montiert ist, sowie einen Mikroskopkörper13 , der die Komponenten enthält, die den optischen Zug des Mikroskops definieren. Diese optischen Komponenten umfassen eine Linse14 zum Empfangen des Lichts15 , das vom Ende9 der Faser8 divergiert, zwei Spiegel16 ,17 , mit denen das durch die Linse14 übertragene Licht schrittweise über eine Strahlsammellinse19 zu einer Lichtfokussierungseinrichtung in Form einer Linse18 reflektiert wird, die das Licht auf einem Punkt oder ein Punktbeobachtungsfeld auf einer Probe20 , die von der Plattform12 unterstützt wird, sammelt oder fokussiert. - Die Spiegel
16 ,17 können mittels der Wandler21 ,22 als Antwort auf Signale bewegt werden, die über elektrische Verbindungen23 ,24 von einem elektronischen Abtastsignalgenerator25 zugeführt werden, so daß der reflektierte Lichtstrahl in den Richtungen X und Y bewegt wird, um zu bewirken, daß der beleuchtete Fleck in einem Abtastmuster über die Probe wandert. Die Abtasteinrichtung dieser Art wird in herkömmlichen konfokalen Abtastmikroskopen verwendet. - Wie beim Fokussieren von starkem Licht auf die Probe zum Erzeugen eines beleuchteten Flecks empfängt die Fokussierungslinse
18 ebenfalls das von der Probe ausgesendete Licht, das durch den optischen Zug des Mikroskops10 zurück zur Glasfaser8 übertragen wird. In Abhängigkeit von der Art der Probe kann dieses von der Probe ausgehende Licht reflektiertes Licht, mittels Raman-Streuung gestreutes Licht oder Fluoreszenzlicht enthalten. Es ist klar, daß der Ausdruck "aussenden", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, in einem weiten Sinn so aufzufassen ist, daß er alles Licht umfaßt, das vom Objekt durch die Fokussierungseinrichtung zurückübertragen wird. Dieses Licht konvergiert zu einem Brennpunkt an der Spitze9 der Glasfaser8 und läuft diese Faser entlang zurück bis zum Koppler5 , wo ein Teil dieses Lichts über den vierten Schenkel des Kopplers und eine weitere flexible Glasfaser31 und anschließend über ein Filter32 und eine Linse33 zu einem Photodetektor34 übertragen wird. Das Signal vom Photodetektor34 läuft durch eine elektrische Verbindung35 zum Signalprozessor36 eines Videoanzeigesystems, das auf dem Anzeigebildschirm37 ein Bild erzeugt. Das Signal vom Photodetektor34 moduliert die Intensität des von der Verarbeitungsschaltung36 über die Ausgangsleitung38 zum Anzeigebildschirm37 übertragenen Signals, wobei die mechanischen Abtastbewegungen der Spiegel16 ,17 mit den elektronischen Abtastbewegungen des Anzeigesystems über eine Verbindung39 zwischen dem elektronischen Abtastsignalgenerator25 und der Signalverarbeitungseinrichtung36 der Videoanzeigeeinheit37 synchronisiert sind. -
2 zeigt ein modifiziertes Vergleichsbeispiel eines konfokalen Abtast-Auflicht-Mikroskopsystems. Dieses System ist dem System der1 ähnlich, verwendet jedoch einen Strahlteiler als Einrichtung zum Trennen des zurückkehrenden Lichts vom abgehenden Licht anstelle des verschmolzenen bikonischen Kegelkopplers der Vorrichtung in1 . Viele der Komponenten der Vorrichtung sind mit denjenigen des in1 gezeigten Systems identisch und arbeiten auf dieselbe Weise. Diese Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen und dem Zusatz A bezeichnet. In diesem Fall sind der verschmolzene bikonische Kegelkoppler und die zugehörigen mehreren Glasfasern durch eine einzelne Glasfaser41 ersetzt, wobei auf ein Ende derselben das Licht vom Laser1A mittels der Linse3A fokussiert wird und vom anderen Ende derselben das Licht auf die Linse14A des Mikroskopkopfes10A divergiert, um den optischen Pfad im Kopf des Mikroskops zu durchlaufen und die Probe wie oben mit Bezug auf1 beschrieben zu beleuchten. Das von der Lichtfokussierungseinrichtung18A des Mikroskopkopfes eingefangene zurückkehrende Licht läuft zurück durch denselben optischen Pfad über die Faser41 zur Linse3A . Dieses zurückkehrende Licht wird mittels eines Strahlteilerwürfels42 abgespalten, der zwischen der Laserquelle1A und der Linse3A angeordnet ist und das zurückkehrende Licht in einen vom Photodetektor34A detektierten Rückkehrstrahl ableitet. - Die
3 zeigt ein alternatives Vergleichsbeispiel eines modifizierten Systems, bei dem das zurückkehrende Licht mittels eines Strahlteilers abgetrennt wird, der innerhalb des Mikroskopkopfes selbst angeordnet ist. Die Komponenten, die denjenigen des in1 gezeigten Systems entsprechen, sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei jedoch dieses Mal der Zusatz B angehängt ist. Bei dieser Vorrichtung wird das Licht von der Laserquelle1B durch die Linse3B auf ein Ende einer Glasfaser51 fokussiert, die das Licht zum Mikroskopkopf10B überträgt, wo es durch den optischen Zug des Mikroskopkopfes übertragen wird, um auf einen Fleck auf der zu untersuchenden Probe fokussiert zu werden. Das von diesem Fleck auf der Probe ausgesendete Licht wird vom Kondensator18B des Mikroskopkopfes eingefangen und durch den optischen Zug des Mikroskops zurückübertragen. In diesem Fall ist der Mikroskopkopf durch Hinzufügen eines Strahlteilers52 modifiziert, der das zurückkehrende Licht im Mikroskopkopf abtrennt und es über eine Linse54 auf ein Ende einer zweiten Glasfaser53 fokussiert, über die es zum Photodetektor34B des Systems übertragen wird. - Die
4 ,5A und5B zeigen ein weiteres modifiziertes Vergleichsbeispiel eines konfokalen Abtastmikroskopsystems. Dieses System ist demjenigen der1 sehr ähnlich, wobei ähnliche Komponenten mit denselben Bezugszeichen unter Hinzufügung des Zusatzes C bezeichnet sind. Die Modifikation, die an der Vorrichtung, die oben mit Bezug auf1 beschrieben worden ist, vorgenommen wurde, besteht darin, daß das Abtasten hier durch die Bewegung der Spitze9C der Glasfaser8C erreicht wird, durch die Licht vom Lasergenerator1C zum Mikroskopkopf10C übertragen wird. Die Abtastbewegungen der Faserspitze werden mittels eines Bewegungsgenerators61 erzeugt. Der Bewegungsgenerator kann günstigerweise ein elektromechanischer Wandler sein, der die elektrischen Signale vom Abtastmustergenerator25C empfängt. Dieser Wandler kann irgendeiner herkömmlichen Art zum Erzeugen geeigneter Abtastbewegungen in den Richtungen X und Y entsprechen. Eine solche Vorrichtung ist in den5A und5B gezeigt, die eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer typischen Vorrichtung zeigen. - Im Faserbewegungsgenerator
61 werden, wie in den5A und5B gezeigt, die Abtastbewegungen der Faserspitze9C durch eine Kombination einer elektromagnetisch induzierten Resonanzschwingung und einer hydraulischen Bewegung erreicht. Ein Permanentmagnet62 , der an einem flexiblen Kontakt63 angebracht ist, wird vom Elektromagneten64 unter dem Einfluß der elektrischen Impulse, die von der Abtaststeuereinheit25C erzeugt werden und zum optischen Kopf mittels der Leitungen65 übertragen werden, periodisch angezogen. - Die Glasfaser
8C steht längs des flexiblen Kontaktes hervor und wird durch diesen in Schwingung versetzt, wodurch die Abtastung in einer Richtung (z. B. in X-Richtung) erzeugt wird. Um sicherzustellen, daß die elektronische, Bildabtastung mit der mechanischen Abtastung synchronisiert ist, ist eine Positionsrückkopplung über einen piezoelektrischen Sensor66 vorgesehen, die über die Leitungen67 zur Bildverarbeitungseinheit36C zurückgeführt wird. - Die andere Abtastachsenbewegung wird erzeugt durch eine langsamere, quasi-lineare Bewegung, die durch das Einströmen oder Ausströmen von Flüssigkeit aus einer Versor gungsröhre
70 in einen Zylinder68 erzeugt wird, wodurch ein Kolben69 , der die gesamte elektromagnetische Abtasteinheit trägt, betätigt wird, so daß die Faserspitze in Y-Richtung bewegt wird. - Es ist klar, daß in allen bisher beschriebenen Beispielen die Lichtquelle, der Detektor und das Anzeigesystem in einer beliebigen Position entfernt von den anderen Komponenten, wie z. B. den optomechanischen Komponenten, die üblicherweise in einem optischen Mikroskop enthalten sind, angeordnet sein können. Diese Systeme ermöglichen somit die Herstellung einer Laserabbildungsausrüstung, die an bestehende herkömmliche Mikroskope angebracht werden kann, um die Standardmikroskopoptik und die mechanischen Einstellungen zu nutzen. Die Möglichkeit des Trennens des optischen Kopfes vom Rest des Systems unter Verwendung der Glasfaserverbindungen eröffnet ferner die Möglichkeit zur Miniaturisierung des optischen Kopfes, insbesondere wenn die Abtastung durch Faserbewegungen erreicht wird. Es ist somit möglich, die Erfindung auf die Endoskopie und andere Gebiete anzuwenden, in denen ein kompakter abgesetzter Kopf erforderlich ist.
- Die
6 bis8 zeigen ein System, das gemäß der Erfindung konstruiert ist und das einen Endoskopkopf zur Untersuchung eines weichen Gewebes innerhalb von Körperhohlräumen enthält. Dieses System basiert allgemein auf dem in1 gezeigten System, wobei ähnliche Komponenten mit denselben Bezugszeichen und einem angehängten Zusatz D bezeichnet sind. In diesem Fall ist das Mikroskop10 des in1 gezeigten Systems durch einen Endoskopkopf10D ersetzt, der mit der Glasfaser8D des Systems verbunden ist. In diesem Fall wird die Abtastung erreicht durch die Bewegung der Spitze9D der Faser8D , die durch einen elektromechanischen Wandler71 erzeugt wird, der innerhalb des Endoskopkopfes angeordnet ist und Signale vom Abtastsignalgenerator25D über die Verbindungen23D ,24D empfängt. Der Wandler71 kann dem Wandler61 ähnlich sein, der in der vorangehenden Ausführungsform verwendet und mit Bezug auf5 beschrieben worden ist. - Der Endoskopkopf
10D ist so beschaffen, daß er verwendet werden kann, um eine vorläufige Erkundungsuntersuchung eines allgemeinen Bereichs des weichen Gewebes72 mit geringer Leistung durchzuführen, bevor auf einem bestimmten Fleck für einer Untersuchung mit hoher Leistung fokussiert wird. Der Endoskopkopf umfaßt eine innere Trommel73 , die aus den Röhren74 ,75 besteht, sowie eine äußere Trommel76 , die auf der inneren Trommel zwischen einer in7 gezeigten zurückgezogenen Position und einer in8 gezeigten ausgefahrenen Position verschoben werden kann. - Die innere Trommel
73 enthält ein Sammellinsensystem77 zum Empfangen des von der Faser8D übertragenen Lichts, um einen leicht konvergenten Strahl zu erzeugen, der auf einen Spiegel78 gerichtet ist, der am Ende der inneren Trommel montiert ist. Wenn sich die äußere Trommel in der in7 gezeigten zurückgezogenen Position befindet, wird dieser Strahl durch eine transparente Öffnung79 in der Trommel direkt auf die Fläche des zu untersuchenden weichen Gewebes72 reflektiert. - Die Trommel
76 besitzt einen nach außen hervorstehenden Rohrzapfen81 , der ein Fokussierungslinsensystem82 enthält. Der Zapfen definiert eine Tasse80 , die an ihrer Basis durch das Linsensystem82 verschlossen ist, wobei dann, wenn die äußere Trommel in ihre in8 gezeigte ausgefahrene Stellung bewegt wird, der Lichtstrahl von der Sammellinse77 durch den Spiegel78 auf das Fokussierungslinsensystem82 reflektiert wird. Zwei flexible Röhren83 ,84 erstrecken sich längs der Außenseite des Endoskopkopfes und sind mit der Tasse80 über einen Durchlaß in der Seite des Zapfens81 verbunden. Diese Röhren erlauben, daß das Innere der Tasse mit einer Saugkraft beaufschlagt wird, um das weiche zu untersuchende Gewebe in die Tasse zu saugen, wie in8 gezeigt ist, und um ferner eine Reinigungsflüssigkeit zuzuführen, um den zu sichtenden Bereich zu spülen und irgendwelche störenden Verunreinigungen aus dem optischen Pfad zu entfernen. - Wenn der Endoskopkopf
10D zuerst nahe an den zu untersuchenden Weichgewebebereich herangebracht wird, wird die äußere Trommel in ihrer zurückgezogenen Stellung gehalten, so daß das Fokussierungslinsensystem82 außerhalb des optischen Pfades gehalten wird und der leicht konvergente Strahl von der Sammellinse77 als Fleck auf den weichen Gewebebereich gerichtet wird, wie in7 gezeigt ist. Der Fleck wird anschließend mittels der Bewegungen der Spitze9D der Faser8D , die vom Bewegungsgenerator71 erzeugt werden, über einen relativ großen Feldbereich verschoben. Wenn ein bestimmter Fleck für eine nähere Untersuchung festgelegt ist, wird die äußere Trommel in die ausgefahrene Position bewegt, wie in8 gezeigt, um das Fokussierungslinsensystem82 in den optischen Pfad einzubringen, wobei das zu untersuchende Gewebe in das Ende des Zapfens81 gesaugt wird, indem eine Saugkraft an eine der Röhren83 angelegt wird, so daß dieses geeignet positioniert und für eine konfokale Mikroskopuntersuchung mit hoher Leistung ruhig gehalten wird. Durch die andere Röhre83 kann Spülflüssigkeit zugeführt werden, um den zu untersuchenden Bereich zu spülen, und kann anschließend durch die Unterdruckröhre abgesaugt werden. - Wenn sich der Endoskopkopf in dem in
7 gezeigten Zustand zum Abbilden eines relativ großen Feldbereichs eines entfernten Objekts befindet, kann die konfokale Rückgabe des Systems schlecht sein. In diesem Fall kann das Licht zum Erzeugen der Modulation des Rasterbildes von der Spitze85 eines inkohärenten Faserbündels86 aufgenommen werden, das längs des Endoskopkopfes und zurück zum Photodetektor verläuft. Mit dem in diesem Modus betriebenen System ist es ferner möglich, eine Ansicht des entfernten Feldobjekts ohne Verwendung eines Lasers zu erhalten. Um dies zu bewerkstelligen, kann durch das inkohärente Glasfaserbündel Licht mit hoher Intensität zur Spitze übertragen werden, um das Objekt zu beleuchten. Die abtastende Faserspitze9D nimmt dann das Licht auf, wenn sie den Bildraum abtastet, und führt es zum Photodetektor zurück, so daß aus dem Photodetektorausgangssignal ein Bild aufgebaut wird. Alternativ kann das Objekt direkt von einer Glühlampe beleuchtet werden, die am äußeren Ende des Endoskopkopfes angebracht ist. - Die
9 zeigt ein alternatives System gemäß der Erfindung, die das Betrachten entfernter Objekte und ferner eine konfokale Betrachtung mit hoher Leistung erlaubt. Die Komponenten, die zu denjenigen des in1 gezeigten Systems äquivalent sind, sind mit denselben Bezugszeichen und dem Zusatz E bezeichnet. Bei diesem System führt die Faser8E zu einem optischen Kopf150 , wobei sie über eine Sammellinse151 und eine Fokussierungslinse152 führt, um Betrachtungen der im Punktbeobachtungsfeld153 angeordneten Objekte mittels des durch das optische System konfokal zum Photodetektor34E zurückübertragenen Lichts zu ermöglichen. Die Faser155 , die in den vorangehenden Beschreibungen als Faser6 bezeichnet worden ist und in einem nichtabsorbierenden Medium endete, führt in dieser Ausführungsform zu einer Spitze156 , die auf demselben Bewegungserzeugungskopf gehalten wird wie die Faser8E . Dies ermöglicht, daß die zwei Faserspitzen durch das Bewegungserzeugungssystem164 synchron abtasten. - Das aus der Spitze
156 der Faser155 austretende Licht wird mittels der Linse157 auf einen entfernten Fleck158 fokussiert, der das zu betrachtende Objekt159 abtastet. Ein Teil des vom abgtasteten Fleck158 ausgehenden Lichts tritt in das Ende eines Faseroptikbündels162 ein und wird zum Photodetektor34E zurückgeführt. Die Entscheidung, welches Betrachtungsverfahren auszuwählen ist, wird gefällt mittels einer Platte160 , die eine Öffnung161 enthält, die so bewegt werden kann, daß sie ermöglicht, daß entweder das Licht von der Faser31E oder das Licht vom Faseroptikbündel159 auf den Photodetektor fällt. - Die Abtaststeuersignale werden von den Leitungen
162 und163 geführt, während die Positionsrückmeldesignale von den Leitungen164 und165 geführt werden. - Die dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wurden nur beispielhaft beschrieben und können modifiziert und weiterentwickelt werden, um die Glasfasertechnik auszunutzen.
- INDUSTRIELLE ANWENDUNG
- Die Erfindung wird insbesondere angewendet auf konfokale Systeme, die kompakte abgesetzte Köpfe besitzen, die zur Verwendung bei endoskopischen oder anderen Untersuchungen von lebendem biologischen Gewebe geeignet sind.
Claims (17)
- Konvokales Abtastungs-Auflichtsystem zum Erhalten eines Bildes eines Objekts, wobei das System umfasst: eine Lichtquelle (
1 ) zum Zuführen eines Lichtstrahls (2 ); eine Lichtfokussierungseinrichtung (77 ,82 ) zum Aufnehmen des Lichtstrahls und zum Fokussieren des Lichts zu einem einzelnen konvergenten Strahl auf das Objekt (72 ), um ein Punktbeobachtungsfeld auf oder innerhalb des Objekts zu beleuchten, und zum Aufnehmen von Licht, das von diesem Punktbeobachtungsfeld auf oder innerhalb des Objekts abgestrahlt wird; einen Detektor (34D ) zum Erzeugen eines Signals, das die abgestrahlte Intensität des Lichts anzeigt, das vom Punktbeobachtungsfeld abgestrahlt wird; eine optische Übertragungseinheit (3D ,4D ,5D ,31D ,32D ,8D ,4E ,5E ,8E ,155 ,31E ) zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle an die Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt abgestrahlten und von der Lichtfokussierungseinrichtung aufgenommenen Lichts an den Detektor; eine Abtasteinrichtung (71 ), die so betrieben werden kann, dass sie eine relative Bewegung zwischen dem Objekt und dem Punktbeobachtungsfeld verursacht, so dass das Punktbeobachtungsfeld das Objekt in einem Abtastmuster überquert; sowie eine Lichtseparatoreinrichtung (5D ) zum Separieren des vom Objekt abgestrahlten Lichts vom Lichtstrahl; dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfokussierungseinrichtung in einem Endoskopkopf (10D ) vorgesehen ist; und dass die optische Übertragungseinrichtung eine flexible Lichtleitfaserübertragungseinrichtung (4D ,5D ,8D ,4E ,5E ,8E ,155 ) zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Licht fokussierungseinrichtung enthält, wobei die Lichtfokussierungseinrichtung den aus einem Ende (9D ) der Faser austretenden Lichtstrahl aufnimmt und den Lichtstrahl auf das Punktbeobachtungsfeld fokussiert. - System nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung eine Einrichtung enthält zum Bewegen des von der Übertragungseinrichtung an die Lichtfokussierungseinrichtung übertragenen Lichtstrahls, um die relative Bewegung zwischen dem Objekt und dem Punktbeobachtungsfeld zu erzeugen.
- System nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung eine Einrichtung (
71 ) umfasst zum Bewegen eines Teils der flexiblen Lichtleitfaserübertragungseinrichtung, um den an die Lichtfokussierungseinrichtung übertragenen Lichtstrahl zu bewegen, wodurch die relative Bewegung zwischen dem Objekt und dem Punktbeobachtungsfeld erzeugt wird. - System nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung einen elektromechanischen Wandler umfasst, der an dem Abschnitt der flexiblen Lichtleitfaserübertragungseinrichtung angebracht ist, so dass diese als Antwort auf elektrische Signale, die von einem Abtastgenerator erzeugt werden, bewegt wird.
- System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Lichtleitfaserübertragungseinrichtung eine erste Lichtleitfasereinrichtung (
4D ,4E ), die sich von der Lichtquelle zur Lichtseparatoreinrichtung erstreckt, sowie eine zweite Lichtleitfasereinrichtung (31D ,31E ) enthält, die sich von der Lichtseparatoreinrichtung zum Detektor erstreckt. - System nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtseparatoreinrichtung einen Lichtleitfaserkoppler (
5D ,5E ) enthält, der die ersten und zweiten Fasereinrichtungen mit einer dritten Lichtleitfasereinrichtung (8D ,8E ,155 ) koppelt, so dass ein Lichtweg zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt ausgestrahlten Lichts von der Lichtfokussierungseinrichtung zum Koppler geschaffen wird. - System nach Anspruch 6, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung so betrieben wird, dass sie den von der dritten Lichtleitfasereinrichtung zur Lichtfokussierungseinrichtung übertragenen Lichtstrahl bewegt.
- System nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung einen Lichtweg für den Lichtstrahl von der dritten Lichtleitfasereinrichtung zur Lichtfokussierungseinrichtung schafft und eine Einrichtung enthält, die Verschiebungen in diesem Lichtweg bewirkt, wodurch die Abtastbewegung des Lichtstrahls verursacht wird.
- System nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung so betrieben werden kann, dass sie die dritte Lichtleitfasereinrichtung so bewegt, dass der hierdurch zur Lichtfokussierungseinrichtung übertragene Lichtstrahl bewegt wird, wodurch die Abtastbewegung des Lichtstrahls erzeugt wird.
- System nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Lichtleitfaserübertragungseinrichtung eine erste Lichtleitfasereinrichtung (
4D ,4E ), die sich von der Lichtquelle zur Lichtseparatoreinrichtung erstreckt, und eine zweite Lichtleitfasereinrichtung (31D ,31E ) enthält, die sich von der Lichtseparatoreinrichtung zum Detektor erstreckt, wobei die Lichtseparatoreinrichtung einen Lichtleitfaserkoppler enthält, der die ersten und zweiten Fasereinrichtungen mit einer dritten Fasereinrichtung (8D ,8E ,155 ) koppelt, um einen Lichtweg zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt ausgestrahlten Lichts von der Lichtfokussierungseinrichtung zum Koppler zu schaffen, und wobei die Abtasteinrichtung einen elektromechanischen Wandler (71 ,166 ) enthält, der an der dritten Fasereinrichtung so angebracht ist, dass er ein Ende (9D ,156 ) dieser Fasereinrichtung, von der Licht an die Lichtfokussierungseinrichtung übertragen wird, als Antwort auf elektrische Signale, die von einem Abtastsignalgenerator (25D ,25E ) erzeugt werden, bewegt. - System nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Lichtleitfaserübertragungseinrichtung eine Lichtleitfasereinrichtung (
8D ,8E ,155 ) enthält zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt ausgestrahlten Lichts von der Lichtfokussierungseinrichtung zum Lichtseparator, die Abtasteinrichtung eine Faserbewegungseinrichtung (71 ,166 ) enthält zum Bewegen der Fasereinrichtung derart, dass der hierdurch zur Lichtfokussierungseinrichtung übertragene Strahl bewegt wird, wodurch die Abtastbewegungen des Lichtstrahls erzeugt werden, und wobei sich die Fasereinrichtung bis zu dem Endoskopkopf (10D ) erstreckt, der einen Körper besitzt, der die Lichtfokussierungseinrichtung und die Faserbewegungseinrichtung aufnimmt. - System nach Anspruch 11, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbewegungseinrichtung ein elektromechanischer Wandler ist, der an einem Ende der Fasereinrichtung innerhalb des Endoskopkopfes angebracht ist.
- System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfokussierungseinrichtung eine erste Fokussierungseinrichtung (
77 ,157 ) zum Fokussieren des Lichtstrahls in eine konvergente Form und eine zweite Fokussierungseinrichtung (82 ,151 ,152 ) zum weiteren Fokussieren des Lichtstrahls in eine zweite, stärker konvergente Form enthält, wobei die zweite Fokussierungseinrichtung in eine inaktive Stellung bewegt werden kann, um dem Endoskop zu ermöglichen, ein Objekt in einem Abstand über einen relativ großen Feldbereich abzutasten und ein Bild aus dem vom Objekt abgestrahlten Licht, das von der ersten Fokussierungseinrichtung eingefangen wird, zu erzeugen, und anschließend in eine aktive Stellung bewegt werden kann, um eine stärkere Abtastung des Objekts mit geringerem Abstand über eine relativ kleine Feldfläche zu ermöglichen. - System nach Anspruch 13, ferner gekennzeichnet durch eine Lichtleitfaserübertragungsvorrichtung (
162 ) zum Empfangen des direkt vom untersuchten Objekt ausgestrahlten Lichts, wobei die zweite Fokussierungseinrichtung sich in ihrer inaktiven Stellung befindet, und zum Übertragen dieses Lichts an den Detektor zur Modulation des Bildes. - System nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur direkten Beleuchtung des untersuchten Objekts, wobei sich die zweite Fokussierungseinrichtung in ihrer inaktiven Stellung befindet.
- System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfokussierungseinrichtung auf einem Körper montiert ist, der eine Tasse (
81 ) zur Anwendung auf ein zu untersuchendes Objekt (72 ) definiert, und dass eine Einrichtung vorhanden ist zum Ausüben einer Saugwirkung (83 ,84 ) auf die Tasse, wobei das System dazu dient, weiches Gewebe zu untersuchen, das durch die Saugwirkung in die Tasse gezogen werden kann und dadurch in einer festen Position relativ zur Lichtfokussierungseinrichtung gehalten wird. - System nach Anspruch 16, ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung (
83 ,84 ) zum Einleiten von Fluid in die Tasse, um das zu untersuchende Objekt zu reinigen.
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