DE1942971C3

DE1942971C3 - Stereomikroskop

Info

Publication number: DE1942971C3
Application number: DE1942971A
Authority: DE
Inventors: Jiro Kobe Hyogo Hirano; Tsuneshige Amagasaki Miyauchi; Kunihiko Tsu Mie Mukai; Ryuji Tatsumi; Atsufumi Ueki; Shogo Yoshikawa
Original assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Current assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Priority date: 1968-08-24
Filing date: 1969-08-23
Publication date: 1978-05-11
Also published as: DE1967105A1; FR2016348A1; DE1942971B2; NL6912750A; GB1268855A; US3655259A; DE1942971A1

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 dort 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 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 der Erfindung,

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Stereomikroskops als Endoskop,

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie VI-VI 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 πα als Brechungsindex im Zentrum auf einem Achsenpunkt, π als Brechungsindex im radialen Abstand rvom Zentrum und -^, als einer positiven Konstanten.

Ein durchsichtiger Körper mit dieser Verteilung des Brechungsindex hat eine Brennweite

u f =

wenn L die axiale Länge ist. Diese Gleichung ist in einer Arbeit von ri. K ο g e 1 η i k in Bell System Technical Journal, März 1965, S. 455 bis 494 angegeben. Für

erreicht die Brennweite einen Minimalwert

./ min

Wenn der Brechungsindex n₀ in der Mittelachse den

Wert /Jo = 1,6 und b den Wert b = 1 mm hat, erhält man eine minimale Brennweite /„„„ = 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 Objektivlinsen 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

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 laugen 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 unabhängig 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 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 Endabschniite erfolgt mittels einer nicht dargestellten Verschiebeeinrichtung; ebenso wird die Stellung oder Ausrichtung des zu beobachtenden Teils eingestellt Die anderen Enden der Stablinsen 113 und 13a sind mit zwei Okularlinsensystemen 14 und IS 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 der Okularllinsensysteme 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 kann. 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 13 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 zwischen den Endteilen der Stablinsen und den Okularlinsensystemen ausgeschaltet ist.

Fig.2 und 3 zeigen als weiteres Beispiel ein Endomikroskop. Glasfasern 18 und 18a mit Selbstfokussierungswirkung und mit einer quadratisch zum Abstand 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

s 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

ίο 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

rs hellen Gegenstands, ist eine Beleuchtungseinrichtung nicht erforderlich. Das Beobachtungsfeld B kann gleichzeitig unter verschiedenen Winkeln durch die Endabschnitte der Glasfasern 18 und 18a mit Selbstfokussierung 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 Mehrfachglasfasern 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 Stereomikrjskops, das infolge der Verwendung von Minilinsen, Stabiinsen oder Faseranordnungen mit einem innerhalb eines Querschnitts von der Mittelachse quadratisch abnehmenden Brechungsindex einem herkömmlichen stereoskopischen Mikroskop überlegen ist Eine Mindestanzahl von zwei Linsenanordnungen reicht nach der Erfindung aus. Wenn eine Mehrzahl von Glasfasern mit Selbstfokussierung innerhalb eines Systems gebündelt werden, indem man dieselben zu einer 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 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

5c 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 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 m-ma mit einer Wellenlänge S = π b. Das Licht eines Gegenstands P

f>5 wird in einem Bild Q nach Durchgang durch den durchsichtigen Körper 22 fokussiert.

Die Glasfaser wird beispielsweise in folgender Weise hergestellt: Ein Glasstab mi¹ einem Durchmesser von 1

mm und einer Zusammensetzung von 56 Gew.-% SiO₂, 14 Gew.-% Na₂,20 Gew.-°/o TI₂0,10 Gew.-% PbO wird 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 500⁰C in ein Kaliumnitratbad mit einem Thalliumnitratgehalt eingetaucht, so daß man einen Glasstab mit einem zentralen Brechungsindex /Jo gleich 1,56, einem Oberflächenbrechungsindex von 1,53 und einer Verteilung des Brechungsindex

mit A gleich 7,7 cm-² erhält. Dieser Glasstab wird zurechtgeschnitten und an beiden Stirnenden senkrecht zur Mittelachse geschliffen. Die Länge des Glasstabes ist durch die Länge der Hohlnadel für das Nadelsondenmikroskop und die gewünschte Brennweile 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 u gebogen ist, weicht die optische Achse nach außen um einen Betrag ^ ab. Nach Fig.5 ist die optische

4 h

Achse h in dem gebogenen Teil des durchsichtigen Körpers 22 gegenüber der geometrischen Mittelachse j verschoben.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stereomikroskop, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv in Form eines faserartigen durchsichtigen Körpers (13,13aJ ausgebildet ist. dessen Brechungsindex radial quadratisch abnimmt, und daB 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 verschiedenen Winkeln betrachtet werden kann.

3. Stereomikroskop nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß außer den beiden zur Beobachtung dienenden durchsichtigen Körpern (18, ISa) noch ein Lichtleiter (19) vorgesehen ist, beispielsweise zur Beobachtung des Innern von engen Röhren.