DE1942971B2 - Stereomikroskop - Google Patents
StereomikroskopInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Stereomikroskop.
Ein Stereomikroskop ermöglicht durch zwei unabhängige optische Systeme die stereokopische Betrachtung
eines Gegenstands mit beiden Augen. Da als Objektivlinse normalerweise eine sphärische Linse
benutzt wird, muß man in Folge der sphärischen Aberration eine Kombinationslinse anwenden. Infolgedessen
bedarf die Halterung der Objektivlinsen besonderer Maßnahmen.
In »Beil-Systems Technical Journal«, Bd. 44, November
65, S. 2017 bis 2030 ist ein durchsichtiger Körper mit
radial quadratisch abnehmendem Brechungsindex beschrieben, der Abbildungseigenschaften hat und infolgedessen
in abbildenden Geräten als Linse eingesetzt werden kann. Ein solcher durchsichtiger Körper hat
auch bei kleinem Durchmesser eine kurze Brennweite.
Bei einem Stereomikroskop sind die Objektivlinsen im bezug auf das Okular fest angeordnet, so daß
hierdurch die Betrachtungsmöglichkeiten festgelegt sind.
Aufgabe der Erfindung ist die Erweiterung der Betrachtungsmöglichkeiten mit einem Stereomikroskop,
insbesondere auch die Erweiterung der Betrachtungsmöglichkeiten an unzugänglichen Stellen, etwa in
Körperhöhlungen bei medizinischen Anwendungen.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Objektiv in Form eines faserartigen
durchsichtigen Körpers ausgebildet ist, dessen Brechungsindex radial quadratisch abnimmt, und daß die
Endflächen über das Objekt verschiebbar gehaltert sind.
Diese Ausbildung der Erfindung ermöglicht die Betrachtung verschiedener Teile eines Gegenstands,
ohne daß die Lage des Gegenstands oder des Okulars geändert wird. Stereomikroskope nach der Erfindung
verringern die Beschwerden für einen Patienten, wenn
das Stereomikroskop in das Körperinnere eingeführt und dorv gehandhabt wird, weil das Sondenrohr
nachgiebig ist. Durch Verstellung der Objektivlinsen kann man einen kranken Körperteil ohne Lageänderung
in unterschiedlicher Weise betrachten, so daß sich die Tiefe einer Verletzung oder der Zustand einer
Verformung leicht feststellen läßt.
Damit ein Gegenstand unter verschiedenen Winkeln betrachtet werden kann, schlägt die Erfindung vor. daß
;,o
40
45
50 zwei Einheiten aus mehreren faserartigen durchsichtigen Körpern unter solchen Winkeln vorgesehen sind,
daß ein Gegenstand gleichzeitig unter verschiedenen Winkeln betrachtet werden kann.
Schließlich schlägt die Erfindung vor, daß außer den beiden zur Beobachtung dienenden durchsichtigen
Körpern noch ein Lichtleiter vorgesehen ist, beispielsweise zur Beobachtung des Innern von engen Röhren.
Damit läßt sich innerhalb eines weiten Bereichs eine genaue Beobachtung sicherstellen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Stereomikroskops nach dei Erfindung.
Fi g. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines
Stereomikroskops als Endoskop,
F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie VI-Vl in F i g. 2,
Fig.4 und 5 Diagramme zur Erläuterung der Linsenwirkung eines durchsichtigen Faserkörpers.
Ein Faserkörper mit radial quadratisch abnehmbarem Brechungsindex hat folgenden Verlauf des Brechungsindex:
mit no als Brechungsindex im Zentrum auf einem
Achsenpunkt, η als Brechungsindex im radialen Abstand
rvom Zentrum und ~, als einer positiven Konstanten.
Ein durchsichtiger Körper mit dieser Verteilung des Brechungsindex hat eine Brennweite
I,
f —
2/i0 sin
wenn L die axiale Länge ist. Diese Gleichung ist in einer Arbeit von H. Kogelnik in Bell System Technical
Journal, März 1965, S. 455 bis 494 angegeben. Für
/ —
nb
"4
"4
erreicht die Brennweite einen Minimalwert
Wenn der Brechungsindex /?o in der Mittelachse den
Wert fio = 1,6 und b den Wert b = 1 mm hat, erhält man
eine minimale Brennweite f,mn ~ 0,3 mm. Damit kann
man eine Objektivlinse mit hoher Vergrößerung verwirklichen. Nach der obigen Gleichung für die
Brennweite ist /eine periodische Funktion von L, so daß bei Längenwerten in Vielfachen von nb keine Änderung
der optischen Verhältnisse erfolgt. Folglich erhält man ein langgestrecktes optisches Konvergenzsystem mit
kurzer Brennweite und ohne sphärische Aberration. Zwei solche Konvergenzsysteme kann man in einem
Stereomikroskop als Objektiv linsen einsetzen. Damit kann man mit dünnen Linsensystemen, die sich auch in
unmittelbarer Nähe voneinander befinden, ein Stereomikroskop mit kurzer Brennweite und starker Vergrößerung
erhalten. Wenn die Linsensysteme verlängert und damit biegsam werden, kann man auch Teile
beobachten, deren Untersuchung bisher schwierig war.
Eine Glasfaser, deren Brechungsindex quadratisch mit zunehmendem Abstand von der Mittelachse
IO
IS
abnimmt, kann leicht außerordentlich dünn mit einem
Durchmesser von weniger als 2 mm hergestellt werden. Wenn diese Glasfaser auf eine entsprechende Länge
senkrecht zur Längsachse abgeschnitten wird, erhält man eine Linse kurzer Länge mit sehr kleinem
Durchmesser, eine sogenannte Minilinse. Eine solche Glasfaser kann als lange Stablinse ausgebildet sein.
Wenn nur die Endabschnitte der beiden langen Stablinsen eingestellt und festgehalten werden, so daß
sich die optischen Achsen unter einem entsprechenden öffnungswinkel schneiden, ohne daß die Stablinsen über
ihre gesamte Länge durch die Fassungsrohre des Objektivlinsensystems festgelegt sind und die übrigen
Teile der Stablinsen frei biegbar sind, jeweils unabhän gig von der Verschiebung des Okularlinsensystems, läßt
sich leicht die Beobachtung von Gegenständen durchführen. Denn ohne Änderung der gegenseitigen Lage
von Gegenstand und Augen kann die Oberfläche eines Gegenstands mit vergleichsweise großen Unregelmäßigkeiten
ungehindert aus einer Richtung senkrecht zur 20
Oberfläche beobachtet werden, indem die Objektivlinse verschoben wird.
In F i g. 1 sind die Endabschnitte von zwei Stablinsen 13 und 13a unter einem Winkel θ fest ausgerichtet, so
daß sich die optischen Achsen der beiden Stablinsen in ^ der Nähe des Brennpunktes schneiden. Die Verschiebung
der Endabschnitte erfolgt mittels einer nicht dargestellten Verschiebeeinrichtung; ebenso wird die
Stellung oder Ausrichtung des zu beobachtenden Teils eingestellt. Die anderen Enden der Stablinsen 13 und
13a sind mit zwei Okularlinsensystemen 14 und 15 verbunden. Der gleiche Teil kann somit gleichzeitig
durch die beiden Stablinsen 13 und 13a unter unterschiedlichen Winkeln beobachtet werden. Ein
vergrößertes Bild wird in der Nähe des Brennpunktes -t der Okularlinsensysteme 14 und 15 fokussiert. Dieses
vergrößerte reelle Bild kann stereoskopisch mit beiden Augen betrachtet werden.
In herkömmlichen Stereomikroskopen können die beiden Objektivlinsen nicht unter eine bestimmte ^
Schranke einander genähert werden, weil die Objektivlinsen zu groß sind. Dadurch wird die Vergrößerung des
Geräts beschränkt. Im Gegensatz dazu läßt sich mit einem Stereomikroskop nach der Erfindung leicht eine
Untersuchung im Inneren eines engen Loches ausführen, weil die Objektivlinsen genügend schmal sind. Das
Mikroskop ist außerdem biegsam, so daß man ungehindert die Oberfläche eines Gegenstands mit
großen Unregelmäßigkeiten aus einer Richtung senkrecht zu dieser Oberfläche beobachten kanu. Dieses ist
besonders dann wichtig, wenn man berücksichtigt, daß die Brennweite bei einer starken Vergrößerung nicht
groß sein darf. Wenn der Beobachtungspunkt durch Verstellung der Lage der Enden der Stablinsen 11 und
13a verschoben wird, kann jeder Teil eines Gegenstands untersucht werden, ohne den Gegenstand und die
Augen zu verschieben.
Zweckmäßigerweise beschichtet man die Oberfläche der Stablinsen mit einem undurchsichtigen Stoff, damit
der Einfall von Streulicht in den Lichtweg /wischen den Endteilen der Stablinsen und den Okularlinsensystenien
ausgeschaltet ist.
Fig. 2 und 3 zeigen als weiteres Beispiel ein Endomikroskop. Glasfasern 18 und 18a mit Selbstfokuv
sierungswirkuru! und mit einer quadratisch zum Anstund
von der Mittelachse abnehmenden Verteilung des Brechungsindex werden in einen Rohrmantel 16 an
Stelle des üblichen Glasfaserbündels eingelegt. Ein Lichtleiter 19 liegt innerhalb des Rohrmantels 16 neben
den Glasfasern und leitet das Licht einer Lichtquelle 17 auf den zu beobachtenden Teil. In die Spalte 20
zwischen dem Rohrmantel 16 und den Glaskörpern ist ein Füllstoff eingefüllt, damit diese Teile gegenseitig
festgelegt sind. Der Lichtleiter 19 erleuchtet das Beobachtungsfeld durch das von der Lichtquelle 17
herkommende Licht. Der Lichtleiter 19 kann aus einem Glasfaserbündel bestehen, dessen eines Ende zu der
Lichtquelle 17 geführt ist, der Beleuchtungslichtleiter kann auch die selbstfokussierenden Glasfasern 18 und
18a umgeben. Wie bei dem oben beschriebenen Endomikroskop benötigt man eine Beleuchtung für ein
dunkles Beobachtungsfeld, doch zur Beobachtung eines hellen Gegenstands, ist eine Beleuchtungseinrichtung
nicht erforderlich. Das Beobachtungsfeld B kann gleichzeitig unter verschiedenen Winkeln durch die
Endabschnitte der Glasfasern 18 und 18a mit Selbstfo- kussierung beobachtet werden. Dabei liegen diese
Endabschnitte im gegenseitigen Abstand voneinander.
Das Bild wird durch die Glasfasern 18 und 18a zu den Endteilen 21 und 21a übertragen, die mit weiteren
Linsensystemen kombiniert sind, damit das jeweils vergrößerte Bild zu beiden Augen gelangt.
Das Endomikroskop benötigt keine Mehrfuchglasfasern
zur Bildübertragung. Zum Aufbau dieses Mikroskops sind nur zwei Glasfaserkörper mit Selbstfokussierung
erforderlich, so daß ein sehr dünnes Rohr ausreicht. Die Erfindung ermöglicht die Bereitstellung eines
ο Stereomikroskops, das infolge der Verwendung von Minilinsen, Stablinsen oder Faseranordnungen mit
einem innerhalb eines Querschnitts von der Mittelachse quadratisch abnehmenden Brechungsindex einem herkömmlichen
stereoskopischen Mikroskop überlegen ist. >5 Eine Mindestanzahl von zwei Linsenanordnungen reicht
nach der Erfindung aus. Wenn eine Mehrzahl von Glasfasern mit Selbstkassierung innerhalb eines
Systems gebündelt werden, indem man dieselben zu ein°r Verbundeinheit zusammenfaßt, und ein weiteres
System ebenfalls aus einer Mehrzahl solcher Glasfasern vorsieht, können diese beiden Systeme in ein Rohr
eingesetzt und dort so ausgerichtet werden, daß ein Gegenstand gleichzeitig unter verschiedenen Winkeln
betrachtet werden kann. Die Bilder der einzelnen 45 Systeme können dem rechten und linken Auge für eine
stereoskopische Betrachtung zugeführt werden.
Als Werkstoff für die durchsichtigen Körper mit der angegebenen Verteilung des Brechungsindex eignen
sich Glas oder Kunstharz. Bei Glas kann man die >n angegebene Verteilung des Brechungsindex durch
Änderung der Kationenkonzentration der Abwandlungsoxyde des Glases herstellen. Bei Kunstharzen läßt
sich eine solche Änderung des Brechungsindex durch Wärmebehandlung erreichen, nachdem mehrere
.v Schichten von Harzen mit verschiedenen Brechungsindices
aufeinandergeschichtet sind, wobei eine gegenseitige Diffusion der Schichtstoffe erfolgt.
Der durchsichtige Faserstoff mit der angegebenen Verteilung des Brechungsindex hat eine Linsenwirkung,
die der Kombination mehrerer Konvexlinsen gleichwertig ist. Nach F i g. 4 bewegen sich Lichtstrahlen in einem
durchsichtigen Körper 22 wellenförmig auf einer Sinuskurve um die Mittelachse in - mn mit einer
Wellenlänge .*>' - η i\ Das Licht eines Gegenstands P
wird in einem Bild Q nach Durchgang durch den
durchsichtigen Körper 22 fokussiert.
Die Glasfaser wird beispielsweise in folgender Weise hergestellt: Ein Glasstab mit einem Durchmesser von
mm und einer Zusammensetzung von 5fj Gew.-% SiO2,
14 Gew.-°/o Na2.20 Gew.-% TI20,10 Gew.-% PbO wird
24 Stunden lang bei einer Temperatur von 500° C in ein Kaliumnitratbad mit einem Thalliumnitratgehalt eingetaucht,
so daß man einen Glasstab mit einem zentralen Brechungsindex no gleich 1,56, einem Oberflächenbrechungsindex
von 1,53 und einer Verteilung des Brechungsindex
;i = H0 I 1 —A-
mit ^gleich 7,7 cm~2 erhält. Dieser Glasstab wird
zurechtgcschnitten und an beiden Stirnenden senkrecht zur Mittelachse geschliffen. Die Länge des Glasstabes
ist durch die Länge der Hohlnadel für das Nadelsondenmikroskop und die gewünschte Brennweite festgelegt.
Wenn die Mittelachse des durchsichtigen Körpers >
gebogen ist, stimmt die optische Achse als Grundachse der Wellenbewegung der Lichtstrahlausbreitung nicht
mit der geometrischen Stabachse überein. Wenn ein Abschnitt der Mittelachse unter einem Krümmungsradius
υ gebogen ist, weicht die optische Achse nach außer um einen Betrag ~" ab. Nach Fig.5 ist die optische
Achse h in dem gebogenen Teil des durchsichtiger Körpers 22 gegenüber der geometrischen Mittelachse,
verschoben.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Stereomikroskop, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv in Form eines
faserartigen durchsichtigen Körpers (13, \3a) ausgebildet ist, dessen Brechungsindex radial quadratisch
abnimmt, und daß die Endflächen über das Objekt verschiebbar gehaltert sind.
2. Stereomikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Einheiten aus mehreren
faserartigen durchsichtigen Körpern unter solchen Winkeln vorgesehen sind, daß ein Gegenstand
gleichzeitig unter verschiedener. Winkeln betrachtet werden kann.
3. Stereomikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer den beiden zur Beobachtung
dienenden durchsichtigen Körpern (18, Wa) noch ein Lichtleiter (19) vorgesehen ist, beispielsweise
zur Beobachtung des Innern von engen Röhren.
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