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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Konfokaloptik, die in einer Abtasteinrichtung, z.B. einer konfokalen Endoskopeinrichtung, verwendbar ist, die im Stande ist, ein stark vergrößertes Objektbild mit hoher Auflösung anzuzeigen.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung 2005-80769 ist eine konfokale Endoskopeinrichtung beschrieben, die im Stande ist, ein stark vergrößertes Bild mit einer im Vergleich zu einem herkömmlichen Endoskop hohen Auflösung anzuzeigen. In der konfokalen Endoskopeinrichtung wird eine Abtastfaser längs einer vorbestimmten Bahn bewegt und sendet dabei Beleuchtungslicht auf einen Beobachtungsbereich aus. Reflexionslicht oder Autofluoreszenzstrahlung, das bzw. die von einem Punkt stammt, der mit dem Beleuchtungslicht beleuchtet wird, fällt auf die Abtastfaser. Die Abtastfaser leitet das reflektierte Licht oder die Autofluoreszenzstrahlung zu einer Lichtempfangseinheit, welche die empfangene Lichtmenge erfasst.
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Um mit einer konfokalen Endoskopeinrichtung, welchen den vorstehend beschriebenen Aufbau hat, eine konfokale Beobachtung vorzunehmen, ist es von Vorteil, einen Lichtstrahl mit einem großen Durchmesser zu verdichten. Zudem sollte eine Einmodenfaser als Abtastfaser in einer konfokalen Beobachtung verwendet werden. Es ist jedoch schwierig, einen Strahl mit einem ausreichend großen Durchmesser aus einer Einmodenfaser auszusenden. Eine Linseneinheit, die in dem Abstrahlende des Abtastlichtleichters montiert ist, muss deshalb ein optisches Vergrößerungssystem aufweisen.
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Durch die Aufnahme des optischen Vergrößerungssystems wird jedoch die Linseneinheit größer. Außerdem ist die Bewegung eines mit dem Beleuchtungslicht beleuchteten Punktes in Abhängigkeit der Bewegung des Abstrahlendes des Abtastfaser mit dem optischen Vergrößerungssystem sehr viel kleiner als diese relativ zu einer Abtastfaser ohne optisches Vergrößerungssystem ist. Um ein Bild eines Objektes beträchtlicher Größe aufzunehmen, muss deshalb das Abstrahlende erheblich bewegt werden. Es ist deshalb schwierig, ein dünnes Einführrohr zu fertigen, das die oben beschriebene Linseneinheit und eine Abtastfaser enthält.
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DE 10 2004 043 049 A1 offenbart eine Konfokaloptik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Lichtleiter wird mittels piezoelektrischer Elemente in einer X-Y-Ebene bewegt, so dass das aus dem Austrittsende abgegebene Strahlenbündel eine Fläche des Zielbereichs zweidimensional abtastet.
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Die
JP 2006 -
71 549 A ,
DE 695 12 347 T2 und
JP 2004 -
177 826 A offenbaren Einmodenlichtleitfasern, die jeweils ein zu einer gekrümmten Fläche geformtes Faserende aufweisen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Konfokaloptik anzugeben, die eine Verkleinerung der gesamten Linseneinheit ermöglicht, damit diese in ein dünnes Einführrohr passt.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Konfokaloptik mit einer Abtastfaser bereit. Die Abtastfaser ist eine Einmodenfaser, deren erstes Ende zu einer gekrümmten Fläche geformt ist. Die Abtastfaser leitet Beleuchtungslicht zum ersten Ende. Das Beleuchtungslicht wird auf einen Beobachtungsbereich ausgesendet. Das Beleuchtungslicht tritt aus dem ersten Ende aus. Das aus dem ersten Ende austretende Beleuchtungslicht fällt auf einen Zielbereich innerhalb des Beobachtungsbereichs. Das erste Ende empfängt reflektiertes Licht und/oder Fluoreszenzstrahlung aus dem Zielbereich. Das reflektierte Licht ist das an dem Zielbereich reflektierte Beleuchtungslicht. Die Fluoreszenzstrahlung wird in dem Zielbereich durch Beleuchten mit dem Beleuchtungslicht erzeugt.
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Ferner ist das Ende so geformt, dass eine numerische Apertur des ersten Endes größer als die der Einmodenfaser ist.
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Ferner ist ein Teil der Einmodenfaser innerhalb eines Modenfelddurchmessers an dem ersten Ende zu einer sphärischen Fläche geformt. Ein anderer Teil der Einmodenfaser zwischen dem Modenfelddurchmesser und einem Außendurchmesser ist an dem ersten Ende ist zu einer konischen Fläche geformt.
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Figurenliste
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Die Gegenstände und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen:
- 1 eine schematische Darstellung einer konfokalen Endoskopeinrichtung mit einer Konfokaloptik gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ist;
- 2 ein Blockdiagramm ist, das schematisch den inneren Aufbau des Konfokalendoskopprozessors zeigt;
- 3 ein Blockdiagramm ist, das schematisch den inneren Aufbau des Konfokalendoskops zeigt;
- 4 eine vergrößerte Darstellung des Abstrahlendes der Abtastfaser ist; und
- 5 eine Ausschnittsansicht ist, die den schematischen Aufbau in der Nähe des Abstrahlendes der Abtastfaser in einem herkömmlichen Konfokalendoskop zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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In 1 ist die Konfokalendoskopeinrichtung 10 gezeigt, die einen Konfokalendoskopprozessor 20, ein Konfokalendoskop 30 und einen Monitor 11 umfasst. Der Konfokalendoskopprozessor 20 ist mit dem Konfokalendoskop 30 und dem Monitor 11 verbunden.
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Der Konfokalendoskopprozessor 20 stellt Anregungslicht bereit, mit dem ein Beobachtungsbereich (vgl. „OA“ in 1) beleuchtet wird. Das von dem Konfokalendoskopprozessor 20 erzeugte Anregungslicht wird zum distalen Ende eines Einführrohrs 31 des Konfokalendoskops 30 geleitet und auf einen Punkt in dem Beobachtungsbereich ausgesendet. Fluoreszenzstrahlung, die von einem mit dem Anregungslicht beleuchteten Punkt stammt, wird von dem distalen Ende des Einführrohrs 31 zu dem Konfokalendoskopprozessor 20 geleitet.
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Eine Abstrahlrichtung, welche die Richtung ist, in die das Anregungslicht aus dem Einführrohr 31 ausgesendet wird, wird von einem Antrieb (in 1 nicht gezeigt) geändert, der in dem distalen Ende des Einführrohrs 31 montiert ist. Durch Ändern der Abstrahlrichtung wird der Beobachtungsbereich mit dem aus dem Beleuchtungslichtleiter ausgesendeten Anregungslicht abgetastet. Der Antrieb wird durch den Konfokalendoskopprozessor 20 gesteuert.
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Der Konfokalendoskopprozessor 20 bestimmt die Abstrahlrichtung anhand des Steuerzustands des Antriebs. Der Konfokalendoskopprozessor 20 empfängt Fluoreszenzstrahlung entsprechend der Abstrahlrichtung und erzeugt ein Pixelsignal entsprechend der empfangenen Fluoreszenzmenge. Aus den Pixelsignalen, die den über den Beobachtungsbereich verteilten beleuchteten Punkten entsprechen, wird ein Bildsignal entsprechend einem Einzelbild erzeugt. Das erzeugte Bildsignal wird an den Monitor 11 gesendet, auf dem ein dem empfangenen Bildsignal entsprechendes Bild angezeigt wird.
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Wie in 2 gezeigt, enthält der Konfokalendoskopprozessor 20 eine Laserlichtquelle 21, eine Speisefaser 22s, eine Verbindungsfaser 22c, eine Bildübertragungsfaser 22i, eine Erfassungsfaser 22d, einen Lichtkoppler 23, eine erste und eine zweite Lichtaufnahmeeinheit 24a und 24b, ein Anregungslicht-Sperrfilter 25, eine Bildverarbeitungsschaltung 26, einen Abtasttreiber 27, eine Systemsteuerung 28 sowie weitere Komponenten.
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Anregungslicht, das bestimmte Arten von Objekten, wie z.B. menschliche Organe, zur Fluoreszenz anregt, wird von der Laserlichtquelle 21 erzeugt. Die Laserlichtquelle 21 ist optisch mit der Speisefaser 22s gekoppelt. Das aus der Laserlichtquelle 21 stammende Anregungslicht wird zu der Speisefaser 22s geleitet.
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Die Speisefaser 22s ist sowohl mit der Verbindungsfaser 22c als auch der Erfassungsfaser 22d über den Lichtkoppler 23 optisch gekoppelt. Licht kann zwischen der Speisefaser 22s und der Verbindungsfaser 22c sowie der Erfassungsfaser 22d übertragen werden.
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Zudem sind die Verbindungsfaser 22c und die Erfassungsfaser 22d durch den Lichtkoppler 23 optisch mit der Bildübertragungsfaser 22i gekoppelt. Licht kann zwischen der Bildübertragungsfaser 22i und der Verbindungsfaser 22c sowie der Erfassungsfaser 22d übertragen werden.
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Der Lichtkoppler 23 ist ein Viertor-Richtkoppler. Das von der Speisefaser 22s übertragene Anregungslicht wird geteilt und in die Verbindungsfaser 22c und die Erfassungsfaser 22d weitergeleitet. Das Reflexionslicht und die Fluoreszenzstrahlung, die von der Verbindungsfaser 22c übertragen werden, werden geteilt und in die Bildübertragungsfaser 22i und die Speisefaser 22s weitergeleitet.
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Die Erfassungsfaser 22d ist optisch mit der zweiten Lichtaufnahmeeinheit 24b gekoppelt. Das in die Erfassungsfaser 22d weitergeleitete Anregungslicht wird zu der zweiten Lichtaufnahmeeinheit 24b geleitet.
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Die zweite Lichtaufnahmeeinheit 24b erfasst die Anregungslichtmenge. Die erfasste Anregungslichtmenge wird der Systemsteuerung 28 mitgeteilt, welche die von der Laserlichtquelle 21 erzeugte Anregungslichtmenge in Abhängigkeit der erfassten Lichtmenge steuert.
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Die Verbindungsfaser 22c ist mit dem poximalen Ende der Abtastfaser 32, das in dem Konfokalendoskop 30 montiert ist, optisch gekoppelt. Das in die Verbindungsfaser 22c weitergeleitete Anregungslicht wird durch die Abtastfaser 32 zum distalen Ende des Einführrohrs 31 geleitet, aus dem es ausgesendet wird. Wie später beschrieben, werden außerdem das reflektierte Licht und die Fluoreszenzstrahlung durch die Abtastfaser 32 von dem distalen Ende zur Verbindungsfaser 22c geleitet.
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Wie oben beschrieben, werden das reflektierte Licht und die Fluoreszenzstrahlung, die zu der Verbindungsfaser 22c geleitet werden, durch den Lichtkoppler 23 geteilt und in die Bildübertragungsfaser 22i und die Speisefaser 22s weitergeleitet. Die Bildübertragungsfaser 22i ist mit der ersten Lichtaufnahmeeinheit 24a optisch gekoppelt. Das Anregungslicht-Sperrfilter 25 ist zwischen der Bildübertragungsfaser 22i und der ersten Lichtaufnahmeeinheit 24a montiert.
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Das reflektierte Licht, welches das durch die Bildübertragungsfaser 22i übertragene Anregungslicht ist, wird durch das Anregungslicht-Sperrfilter 25 geschwächt und am Eintritt in die erste Lichtempfangseinheit 24a gehindert. Dagegen tritt die durch die Bildübertragungsfaser 22i geleitete Fluoreszenzstrahlung durch das Anregungslicht-Sperrfilter 25 und gelangt in die erste Lichtaufnahmeeinheit 24a.
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Die erste Lichtaufnahmeeinheit 24a erzeugt ein Pixelsignal entsprechend der erfassten Menge an Fluoreszenzstrahlung, die aus einem Punkt in dem Beobachtungsbereich stammt, der mit dem Anregungslicht beleuchtet worden ist. Das Pixelsignal wird an die Bildverarbeitungsschaltung 26 gesendet, die das Pixelsignal in einem Bildspeicher (nicht gezeigt) speichert.
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Wie weiter unten beschrieben, nimmt die Bildverarbeitungsschaltung 26, nachdem Pixelsignale entsprechend einer Folge von Punkten, die über den Beobachtungsbereich verteilt sind und durch Bewegen des Anregungslichtes beleuchtet worden sind, erzeugt und in dem Bildspeicher gespeichert worden sind, eine vorbestimmte Signalverarbeitung an den Pixelsignalen vor, worauf das einem Einzelbild entsprechende Bildsignal an den Monitor 11 gesendet wird.
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Im Folgenden wird der Aufbau des Konfokalendoskops 30 erläutert. Wie in 3 gezeigt, enthält das Konfokalendoskop 30 die Abtastfaser 32, eine Linseneinheit 33, den Antrieb 34 sowie weitere Komponenten.
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Die Abtastfaser 32 verläuft innerhalb des Konfokalendoskops 30 von einem Anschlussteil 35 zum distalen Ende des Einführrohrs 31. Wie oben beschrieben, wird das von der Laserlichtquelle 21 erzeugte Anregungslicht durch die Speisefaser 22s, den Lichtkoppler 23 und die Verbindungsfaser 22c zum poximalen Ende der Abtastfaser 32 geleitet. Das Anregungslicht, welches auf das poximale Ende fällt, wird zu dem distalen Ende geleitet, aus dem es auf ein Objekt ausgesendet wird.
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Als Abtastfaser wird eine Einmodenfaser verwendet. Das Abstrahlende der Abtastfaser 32, das sich innerhalb des distalen Endes des Einführrohrs 31 befindet, ist zudem so geschliffen, dass der Teil des Abstrahlendes innerhalb des Modenfelddurchmessers, dessen Zentrum mit einem Kern 32c zusammenfällt, eine sphärische Fläche aufweist, wie in 4 gezeigt ist. Diese sphärische Fläche ist zudem so geformt, dass die numerische Apertur am Abstrahlende größer als die der Einmodenfaser im Betrieb ist. Das Ende der Abtastfaser 32 stellt also eine „Linsen“-Faser dar.
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Üblicherweise ist der Durchmesser eines aus einer Einmodenfaser ausgesendeten Strahls nicht groß genug, um für die konfokale Beobachtung genutzt zu werden, da die numerische Apertur der Einmodenfaser zu klein ist. Da jedoch das Abstrahlende der Abtastfaser 32, wie oben beschrieben, in Form einer sphärischen Fläche ausgebildet ist, hat der ausgesendete Anregungslichtstrahl einen Durchmesser, der zur Verwendung in einer konfokalen Beobachtung groß genug ist.
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Der Antrieb 34 ist nahe dem Abstrahlende der Abtastfaser 32 montiert. Der Antrieb 34 bewegt das Abstrahlende der Abtastfaser 32 auf Grundlage eines Faseransteuersignals, das von Abtasttreiber 27 gesendet wird, derart, dass das Abstrahlende der Abtastfaser 32 einer vorbestimmten Bahn, z.B. einer Spiralbahn, folgt. Durch Aussenden des Anregungslichtes aus dem bewegten Abstrahlende der Abtastfaser 32 wird der Beobachtungsbereich mit dem Anregungslicht abgetastet.
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Die Linseneinheit 33 ist in Richtung stromabwärts des aus dem Abstrahlende der Abtastfaser 32 austretenden Anregungslichtes montiert. Die Linseneinheit 33 hat eine Kondensoroptik. Das aus dem Abstrahlende der Abtastfaser 32 ausgesendete Anregungslicht wird so durch die Linseneinheit 33 verdichtet und auf einen Punkt in dem Beobachtungsbereich gerichtet.
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Obgleich das Anregungslicht auf einen feinen Punkt gerichtet wird, wird ein den Punkt umgebender Bereich infolge der Beugungsbegrenzung so mit Anregungslicht beleuchtet, dass das Anregungslichtmenge einsprechend einer Gauss-Verteilung verteilt ist.
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An jedem Punkt, auf den Anregungslicht fällt, wird Anregungslicht reflektiert und Fluoreszenzstrahlung erzeugt, jedoch fällt nur derjenige Teil des reflektierten Lichtes und der Fluoreszenzstrahlung, der von den zentralen Zielbereichen der anvisierten Punkte stammt, die konfokale Punkte bezüglich des Abstrahlendes der Abtastfaser 32 darstellen, auf das Abstrahlende der Abtastfaser 32. Der übrige Teil des reflektierten Lichtes und der Fluoreszenzstrahlung, der aus dem Inneren der anvisierten Punkte, jedoch von außerhalb des zentralen Zielbereichs stammt, fällt nicht auf das Abstrahlende.
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Das reflektierte Licht und die Fluoreszenzstrahlung, die auf das Abstrahlende fallen, werden zum poximalen Ende der Abtastfaser 32 geleitet. Das reflektierte Licht und die Fluoreszenzstrahlung werden über die Verbindungsfaser 22c, den Lichtkoppler 23 und die Bildübertragungsfaser 22i zu der ersten Lichtaufnahmeeinheit 24a geleitet. Wie oben beschrieben, wird das reflektierte Licht, welches das Anregungslicht ist, durch das Anregungslicht-Sperrfilter 25 gesperrt, so dass nur die Fluoreszenzstrahlung auf die erste Lichtaufnahmeeinheit 24a fällt.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Linseneinheit 33 verkleinert, der Durchmesser des Einführrohrs 31 verringert und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Diese Wirkungen werden im Folgenden erläutert.
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In einer konfokalen Beobachtung muss optische Information nur aus einem Zielbereich des jeweiligen beleuchteten Punktes erfasst werden. Eine Einmodenfaser ist deshalb zur Verwendung als Abtastfaser 32 in der Konfokalendoskopeinrichtung geeignet. Außerdem muss in einer konfokalen Beobachtung ein Lichtstrahl mit einem großen Durchmesser durch eine Kondensoroptik verdichtet werden, die eine große numerische Apertur hat.
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Wie oben beschrieben, ist die numerische Apertur einer Standardeinmodenfaser klein und der Durchmesser des von der Einmodenfaser ausgesendeten Anregungslichtstrahls nicht groß genug. Wie in 5 gezeigt, muss deshalb üblicherweise ein optisches Vergrößerungssystem 33e, das den Durchmesser des Anregungslichtes aufweitet, in einer Linseneinheit 33 vorgesehen werden.
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Dagegen hat in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der von dem Abstrahlende der Abtastfaser 32 ausgesendete Anregungslichtstrahl einen geeigneten Durchmesser, so dass das optische Vergrößerungssystem 33e nicht benötigt wird. Die Linseneinheit 33 kann also durch Weglassen des optischen Vergrößerungssystems 33e verkleinert werden.
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Außerdem schränkt das eingebaute optische Vergrößerungssystem 33e den Blickwinkelbereich ein. Um ein Bild mit ausreichender Breite aufzunehmen, muss deshalb das Abstrahlende der Abtastfaser 32 einen großen Bewegungsbereich aufweisen. Der Durchmesser eines Rohres (nicht gezeigt), das die Abtastfaser 32 umgibt, muss groß genug sein, um einen großen Bewegungsbereich des Abstrahlendes zu ermöglichen. Deshalb ist es in diesem Fall schwierig, ein Einführrohr 31 mit kleinem Durchmesser vorzusehen.
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Da jedoch in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel das optische Vergrößerungssystem 33e weggelassen werden kann, wird der Blickwinkel verbreitert. Das Abstrahlende hat deshalb einen größeren Bewegungsbereich als in dem Fall, in dem ein optisches Vergrößerungssystem 33e vorgesehen ist. Deshalb kann ein dünneres Einführrohr 31 vorgesehen werden als bei einer Einrichtung, die mit dem optischen Vergrößerungssystem 33e ausgestattet ist.
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Um ein Bild mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis zu erzeugen, muss zudem verhindert werden, dass Licht, das andere Bänder als Fluoreszenzstrahlung aufweist, in die erste Lichtaufnahmeeinheit 24a gelangt. Jedoch wird von der Bildübertragungsfaser 22i nicht nur Fluoreszenzstrahlung, sondern auch Anregungslicht ausgesendet. Obgleich das Anregungslicht durch das Anregungslicht-Sperrfilter 25 gesperrt wird, ist es schwierig das Anregungslicht vollständig zu blockieren. Es ist wünschenswert, dass nur eine minimale Menge an Anregungslicht durch die Bildübertragungsfaser 22i geleitet wird.
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Im Allgemeinen beinhaltet das durch die Bildübertragungsfaser 22i geleitete Anregungslicht nicht nur das an dem beleuchteten Punkt in dem Beobachtungsbereich reflektierte Anregungslicht, das auf das Abstrahlende der Abtastfaser 32 fällt, sondern auch Anregungslicht, das an der Fläche des Abstrahlendes der Abtastfaser 32 teilweise reflektiert wird.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Teil des zum Abstrahlende geleiteten Anregungslichtes in eine Richtung reflektiert, die gegenüber der Achse der Abtastfaser 32 geneigt ist, da das Abstrahlende innerhalb des Modenfelddurchmessers als sphärische Fläche ausgebildet ist. Das Anregungslicht, das in eine gegenüber der Achse geneigten Richtung reflektiert wird, kann nicht zum poximalen Ende geleitet werden, da dieses reflektierte Anregungslicht nicht der Anforderung der Kernausbreitungsmode genügt. Die Menge an Anregungslicht, die zur Bildübertragungsfaser 22i geleitet wird, ist somit reduziert. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann so verbessert werden.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Abstrahlende der Abtastfaser innerhalb des Modenfelddurchmessers als sphärische Fläche geformt. Das Abstrahlende ist jedoch nicht auf eine solche sphärische Fläche beschränkt. Beispielsweise kann das Abstrahlende die Form einer gekrümmten Fläche, z.B. einer asphärischen Fläche, haben. Das Abstrahlende innerhalb des Feldmodendurchmessers kann eine beliebige Form aufweisen, sofern die numerische Apertur des so geformten Abstrahlendes größer als die der ursprünglichen Einmodenfaser ist.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Abstrahlende so geschliffen, dass es zu einer sphärischen Fläche geformt ist. Das Verfahren zur Formgebung des Abstrahlendes ist jedoch nicht auf Schleifen beschränkt. Selbstredend kann ein Ende durch Schleifen feingeformt werden und eine „Linsen“-Faser mit einer numerischen Apertur hergestellt werden, die bezogen auf die verwendete Linseneinheit 33 ausreichend groß ist.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Abstrahlende der Abtastfaser außerhalb des Modenfelddurchmessers zu einer konischen Fläche geformt. Dieser Teil kann jedoch ähnlich wie der Teil innerhalb des Modenfelddurchmessers zu einer sphärischen Fläche geformt sein.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Konfokaloptik für eine Konfokalendoskopeinrichtung verwendet. Die gleiche Wirkung kann jedoch auch erzielt werden, wenn die Konfokaloptik für ein anderes Abtastbeobachtungsgerät verwendet wird, z.B. eine konfokale Sonde, eine Multiphotonen-Fluoreszenzmikroskopeinrichtung oder eine Frequenzverdopplungs-Mikroskopeinrichtung.
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Obgleich vorstehend die Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben worden sind, können Fachleute offensichtlich eine Reihe von Abwandlungen und Änderungen vornehmen, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.