DE60022546T2

DE60022546T2 - Abbildungsverfahren und -gerät mit lichtleiterbündel und räumlichem lichtmodulator

Info

Publication number: DE60022546T2
Application number: DE60022546T
Authority: DE
Inventors: E. Calum MACAULAY; L. Andrew DLUGAN; M. Pierre LANE
Original assignee: DIGITAL OPTICAL IMAGING CORP BELLINGHAM; Digital Optical Imaging Corp
Current assignee: Motic China Group Co Ltd Xiamen Cn
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: CA2395287C; EP1244927B1; EP1244927A2; ES2252083T3; JP2003517638A; WO2001044854A3; AU2099501A; CA2395287A1; ATE304184T1; DE60022546D1; WO2001044854A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Abbildung beziehungsweise Bildgebung unter Verwendung eines Lichtleiterbündels.
Hintergrund der Erfindung
Mikroskope vergrößern Objekte oder Proben, die stationär oder in Bewegung sein können. Ein Mikroskoptyp ist ein konfokales Mikroskop, das einen sehr kleinen Lichtpunkt oder ein sehr kleines Lichtloch zum Abbilden des Targets verwendet. Typischerweise tastet der Punkt das Ziel punktweise und digital ab, und das Bild wird durch Zusammensetzung der Punkte von zurückgegebenem Licht ausgebildet, das von dem Target stammt (das zurückgegebene Licht kann beispielsweise reflektiertes Licht, fluoreszierendes Licht, eine exotische Form von Licht wie ein Ramanspektrum sein, und kann in einem beliebigen gewünschten Bereich des elektromagnetischen Spektrums gefunden werden, wie ultraviolettes (UV) Licht, blaues Licht, sichtbares Licht, Nahes Infrarot- (NIR) Licht und Infrarot- (IR) Licht sein.
Die konfokale Geometrie der Beleuchtungslochblende, des Objekts und der Erfassungslochblende ergeben ein Bild höherer Auflösung als ein herkömmliches Weitbereichs- bzw. Weitfeldmikroskop. Bei manchen Ausführungsformen kann die konfokale Mikroskopie die Ortsauflösung um das 1,3-fache verbessern. Siehe beispielsweise das US-Patent Nr. 5,587,832. Die konfokale Mikroskopie verbessert auch die „aufwärts und abwärts" (d.h. z-Achsen- oder axiale) Auflösung, woraus sich eine sehr nützliche optische Schnittdarstellungsfähigkeit ergibt, was bedeutet, dass Bilder an verschiedenen Tiefen erhalten werden können, und somit dreidimensionale Bilder und Volumenrekonstruktionen erhalten werden können.
Zum Erhalten des punktweisen Bildes können konfokale Mikroskope entweder eine Probe bewegen und die Optik an Ort und Stelle halten, oder sie können die Probe an Ort und Stelle halten und den Lichtstrahl bewegen, beispielsweise durch Abtasten des Strahls unter Verwendung einer speziellen rotierenden Aperturplatte oder anderer Strahlabtasteinrichtungen. Siehe US-Patent Nr. 4,802,748, US Patent Nr. 5,067,805, US Patent Nr. 5,099,363, US Patent Nr. 5,162,941. Weitere konfokale Abtastsysteme verwenden einen Laserstrahl, der mit rotierenden Spiegeln zur Abtastung einer Probe gerastert ist, oder einen Laserstrahl, der anstelle eines Punkts einen Schlitz abtastet; eine derartige Schlitzabtastung erhöht die Bildgebungsgeschwindigkeit, verschlechtert aber ein wenig die Auflösung. Siehe US-Patent Nr. 5,587,832.
Konfokalmikroskope verwenden typischerweise einen sperrigen Aufbau, bei dem mehrere große Bestandteile - einschließlich eines Lasersystems als Lichtquelle, Erfassungslochblenden, x-y-Strahllenkeinrichtungen und einer optischen Erfassungseinrichtung – sorgfältig präzise ausgerichtet sein müssen. Bei diesen Systemen ist die abzubildende Probe oder das Target auf einer Plattform wie bei einem herkömmlichen Mikroskop platziert. Diese Einschränkungen machen das Konfokalmikroskop schwerfällig, unflexible und für die Abbildung von Proben unbequem, die nicht leicht zugänglich sind oder nicht einfach auf einer Mikroskopplattform zu platzieren sind. Das heißt, aktuelle Konfokalsysteme sind für eine in vitro-Abbildung biologischer Proben im Labor anstelle der Abbildung von Gewebe im lebenden (in vivo) Körper entwickelt.
Mehrere Ansätze wurden zum Zulassen einer Abbildung im lebenden Organismus (in vivo) vorgeschlagen. Siehe beispielsweise T. Dabbs und M. Glass, „Fiber-optic confocal microscope: FOCON, „Applied Optics, Band 31, Seiten 3030–3035, 1992; L. Giniunas, R. Juskatis, und S. V. Shatalin, „Scanning fiber-optic microscope, „Electronic Letters, Band 27, Seiten 724–725, 1991; L. Giniunas, R. Juskatis, und S. V. Shatalin, „Endoscope with optical sectioning capability," Applied optics, Band 32, Seiten 2888–2890, 1993; D. L. Dickensheets and G. S. Kino, „Micromachined scanning confocal optical microscope," Optics Letters, Band 21, Seiten 764–766, 1996; D. L. Dickensheets und G. S. Kino, „Miniature scanning confocal microscope," US-Patent 5,907,425 (Weiterführung der 5,742,419), Mai 1999; A. F. Gmitro und D. Aziz, „Confocal microscopy through a fiber-optic imaging bunde," Optics Letters, Band 18, Seiten 565–567, 1993; Y. S. Sabharwal, A. R. Rouse, L. Donaldson, M. F. Hopkins, und A. F. Gmitro, „Slit-scanning confocal microendoscope for high-resolution in vivo imaging, Applied Optics, Band 38, Seiten 7133–7144, 1999; R. Juskaitis, T. Wilson, und T. F. Watson, „Confocal microscopy using optical fibre imaging bundles," Proceedings of SPIE, Band 2655, Seiten 92–94, 1996; US-Patent 5,587,832; PCT/CA98/00993, Veröffentlichung-Nr. WO99/22262.
Keines dieser Systeme liefert ein Bild hoher Qualität, wie es für verschiedene Aspekte der Mikroskopie wünschenswert wäre.
Ferner offenbart die WO-A-9 940 471 eine Konfokalbildgebungseinrichtung mit einer Lichtquelle, die Licht in optischer Verbindung mit einer örtlichen Lichtmodulationseinrichtung zum Verändern des örtlichen und zeitlichen Musters des Lichts zum Abtasten über eine Probe emittiert, mit einer Strahlteilungseinrichtung zum Empfangen des abgetasteten Lichts und Richten des abgetasteten Lichts auf eine Probe und Leiten von Licht, das von der Probe reflektiert, gestreut und emittiert wird, zu einer Videoaufnahmeeinrichtung zum Empfangen des reflektierten, gestreuten und emittierten Lichts und Übertragen eines digitalen Bildes des reflektierten, gestreuten und emittierten Lichts zu einer Computereinrichtung zur Erzeugung einer virtuellen Apertur und Synthetisieren eines zusammengesetzten Konfokalbildes und Anzeigen des Konfokalbildes.
Des Weiteren offenbart die US-A-5 659 642 ein Konfokalmikroskop mit einer Lichtquelle, einem Glasfaserbündel zum Empfangen von Licht von der Lichtquelle und zum Übertragen des Lichts zu einem Objekt, und zum Ermöglichen, dass Licht von dem Objekt durch das Glasfaserbündel zurückkehrt, einer Schalteinrichtung zum wahlweisen Schalten ausgewählter Fasern in dem Glasfaserbündel, so dass Licht selektiv durch jeweilige Fasern in dem Glasfaserbündel übertragen und zurückgegeben werden kann, und einer Erfassungseinrichtung zum Empfangen von zurückgegebenem Licht von dem Glasfaserbündel, um das Erzeugen eines Bildes des Objekts zu ermöglichen. Die Verwendung der Schalteinrichtung, die das selektive Schalten einzelner Fasern in dem Bündel ermöglicht, um eine Übertragung von Licht durch diese zu ermöglichen, ermöglicht das Schalten ausgewählter Fasern in einer Folge derart, dass Licht über die Brennpunktebene auf oder in dem Objekt angetastet wird, und von dem Objekt konfokal zurückgegebenes Licht kann virtuell sofort bei seiner Rückkehr von dem Objekt erfasst werden. Die Schalteinrichtung umfasst vorzugsweise eine Vielzahl von umschaltbaren Glasfaser- oder Lichtwellenleiterbaumkoppler, wobei die Vielzahl der Baumkoppler ein erstes Ende, das Licht von einem ersten Lichtweg empfängt, und eine Vielzahl von zweiten Enden aufweisen, die mit jeweiligen Fasern des Faserbündels gekoppelt oder integriert mit diesen vorhanden sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schalteinrichtung eine Vielzahl von Schaltern in den jeweiligen Fasern des Glasfaserbündels. Bei dieser Ausführungsform ist ein optisches Element an einem Bildende des Glasfaserbündels vorgesehen, um gleichzeitig Licht in die individuellen Fasern des Glasfaserbündels einzukoppeln und zurückgegebenes Licht von dem Glasfaserbündeln zu sammeln.
Außerdem offenbart die EP-A-0 022 220 die Beobachtung eines Bildes eines Endoskops durch zwei Betrachter, beispielsweise einen Arzt und einen Praktikanten, wobei eine Mehrfachbetrachtungsanbringung verwendet wird. Bei diesem Aufbau schaut der Arzt in ein Hauptokular, während der Praktikant in ein Hilfsokular schaut. Auf diese Weise können zwei Betrachter das Bild gleichzeitig betrachten. Zur Bildausbildung beleuchtet ein durch einen Lichtleiter übertragenes Licht L ein Objekt, so dass reflektiertes Licht L1 von dem Objekt durch ein abzubildendes Objektiv am Einfallsende des Bildleiters als Bild des Objekts übertragen wird. Das Bild erscheint an der Endoberfläche des Bildleiters, so dass es dem Anordnungsmuster der Glasfasern des Bildleiters überlagert ist. Das zusammengesetzte Bild des Bildes des Objekts und das Lichtfaseranordnungsmuster werden auf dem Halbspiegel durch die Okularlinse abgebildet. In diesem Fall wird die Komponente des Anordnungsmusters aus dem zusammengesetzten Bild durch das Ortsfilter beseitigt. Anders ausgedrückt, ein Dunkelabschnitt des Anordnungsmusters der Lichtfasern, das heißt, ein Mantel-Bild im Abschnitt zwischen den angrenzenden Lichtfasern wird durch das Ortsfilter beseitigt, so dass das auf dem Halbspiegel durch das Ortsfilter gebildete Bild nicht das Anordnungsmuster der Lichtfaser enthält. Das Bild auf dem Halbspiegel wird vom Arzt durch die Okularlinse betrachtet, während gleichzeitig das gleiche Bild auf der Oberfläche des einfallenden Endes des ergänzenden Bildleiters mittels der Linse gebildet wird, und von einem Praktikanten über eine Hilfsokularlinse betrachtet wird. Wie vorstehend beschrieben wird das Faseranordnungsmuster des Bildleiters durch das Ortsfilter beseitigt. Infolgedessen ist keine Moirezone im vom Praktikanten beobachteten Bild enthalten.
Schließlich offenbart die WO-A-9 952 416 eine Konfokalabbildungsvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Lichtquelle, die an entgegengesetzten Enden eines Glasfaserbündels vorhanden sind. Ein Ende des Glasfaserbündels befindet sich angrenzend an das abzubildende Objekt, und das entgegengesetzte Ende des Glasfaserbündels befindet sich angrenzend an eine Kamera, die das von dem Glasfaserbündel empfangene Bild aufzeichnet. Eine Analyseeinrichtung wird zum Extrahieren eines Konfokalbildes aus dem Bild des Objekts, das unter Verwendung der Beleuchtung von der ersten Lichtquelle erzeugt wird, und dem Bild des Objekts verwendet, das unter Verwendung der Beleuchtung von der zweiten Lichtquelle erzeugt wird. Solange die geometrische Anordnung der Lichtleiter entlang der Länge des Bündels bewahrt wird, werden Bilder, die an einem Ende des Bündels empfangen werden, treu mit minimalem Informationsverlust zu dem entgegengesetzten Ende des Bündels übertragen. Auf die Mantelmatrix zwischen den Lichtleitern fallendes Licht wird nicht entlang dem Bündel geführt, und das Licht wird stattdessen durch Absorption durch die äußere Hülse gedämpft. Diese Dämpfung des auf die Mantelmatrix fallenden Lichts wird zum Aufrechterhalten des Kontrasts des durch die Kamera am entgegengesetzten Ende des Glasfaserbündels empfangenen Bildes verwendet.
Bisher wurde die Forderung nach verbesserten Mikroskopiesystemen einschließlich Konfokalmikroskopiesystemen nicht erfüllt, die Bilder gewünschter Targets an Orten mit hoher Qualität liefern können, wo die Positionierung des Targets nicht sorgfältig kontrolliert werden kann einschließlich Targets im lebenden Organismus. Die Erfindung stellt diese und weitere Vorteile bereit.
Kurzzusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die vorstehende Aufgabe durch ein Betrachtungssystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Betrachtungssystems nach Anspruch 23 gelöst.
Die Erfindung umfasst Mikroskope und Verfahren, die erhebliche Vorteile beim Steuern von Licht aufweisen, das eine Probe berührt und/oder das von einer Probe stammend erfasst wird. Die Mikroskope und Verfahren, die sich vorzugsweise auf Konfokalmikroskope und insbesondere auf Konfokalendoskope für eine Bildgebung im lebenden Organismus gerichtet sind, umfassen einen Ortslichtmodulator im Beleuchtungs- und/oder Erfassungslichtweg, so dass zu dem Target beispielsweise über ein Bündel von Lichtleitern übertragenes Licht im Wesentlichen lediglich in die Kerne des Lichtleiterbündels und nicht in Zwischenkernbereiche wie den Mantel übertragen wird, der die Lichtleiter umgibt, oder einen Füllstoff zwischen den Lichtleitern im Bündel. Dies kann Rauschen oder Streulicht im Bild vom Targetgewebe reduzieren, wodurch Empfindlichkeit, Kontrast oder Auflösung des Bildes in zumindest einer der x-y-Richtungen und der z-Richtung erhöht wird, und weitere damit verbundene Vorteile liefert. Die Erfindung kann auch Systeme mit lediglich einem einzelnen Lichtleiterbündel in einem Mikroendoskop bereitstellen und kann Übersprechen unter Lichtleitern reduzieren.
In einer Ausgestaltung stellt die Erfindung ein Betrachtungssystem mit einem Ortslichtmodulator und einem Lichtleiterbündel mit einem nahen Ende und einem entfernten Ende bereit, wobei der Ortslichtmodulator optisch mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels in derselben konjugierten Bildebene wie das nahe Ende verbunden ist, so dass der Ortslichtmodulator den Ort von am nahen Ende auftreffendem Licht steuert. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Betrachtungssystem ein Endoskop, oder das Lichtleiterbündel umfasst zumindest 100 Lichtleiter. Das Endoskop kann ein Konfokalmikroskopieendoskop sein. Der Ortslichtmodulator kann funktionsfähig mit einer Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung verbunden sein, um Bildelemente des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand zu versetzen, die Kernen entsprechender Lichtleiter in dem Lichtleiterbündel entsprechen, um eingeschaltete Bildelemente bereitzustellen, und um Bildelemente in einen Aus-Zustand zu versetzen, die Zwischenkernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Bildelemente bzw. Pixel bereitzustellen.
In anderen Ausführungsbeispielen befindet sich eine Vielzahl ausgewählter Gruppen der eingeschalteten Pixel im Ein-Zustand, wobei die ausgewählten Gruppen derart beabstandet sind, dass Licht, das aus dem entfernten Ende eines einer ersten ausgewählten Gruppe von eingeschalteten Pixeln entsprechenden ersten Lichtleiters austritt, mit Licht nicht wesentlich interferiert, das aus dem entfernten Ende eines einer zweiten ausgewählten Gruppe eingeschalteten Pixel entsprechenden zweiten Lichtleiters austritt, und wobei sich im Wesentlichen alle anderen Pixel des Ortslichtmodulators im Aus-Zustand befinden. Typischerweise entsprechen zumindest drei verschiedene Pixel des Ortslichtmodulators einem jeweiligen Kern im Wesentlichen aller entsprechenden Lichtleiter. Das Betrachtungssystem kann ferner eine pixelierte Erfassungseinrichtung aufweisen, die optisch zum Empfangen von Licht verbunden ist, das aus dem nahen Ende des Lichtleiterbündels austritt, wobei die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die zwischen Licht, das aus den eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechenden Lichtleitern austritt, und Licht unterscheidet, das aus anderen Lichtleitern austritt. Die computerimplementierte Programmierung kann außerdem Licht ignorieren, das aus den anderen Lichtleitern austritt.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Steuereinrichtung eine computerimplementierte Programmierung, die aus den anderen Lichtleitern austretendes Licht erfasst, um Daten außerhalb des Brennpunkts bereitzustellen, wobei die Programmierung die Daten außerhalb des Brennpunkts mit dem Licht verbindet, das aus dem den eingeschalteten Pixeln entsprechenden Lichtleitern austritt, um ein verbessertes Bild bereitzustellen. Die Daten außerhalb des Brennpunkts können unter Verwendung des Lichts, das aus den den eingeschalteten Pixeln entsprechenden Lichtleitern austritt, unter Verwendung einer zweidimensionalen Gaußverteilung oder unter Verwendung gewünschter Punktspreizfunktionen wie hier beschrieben ausgestattet werden.
Das Betrachtungssystem kann ein Betrachtungssystem mit einem Einfachdurchlauf oder ein Doppeldurchlaufbetrachtungssystem sein, und das Betrachtungssystem kann ferner eine Lichtquelle umfassen, die optisch mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels verbunden ist, wobei der Ortslichtmodulator optisch zwischen die Lichtquelle und das nahe Ende des Lichtleiterbündels geschaltet ist. Ist das Betrachtungssystem ein Doppeldurchlaufbetrachtungssystem, kann das Betrachtungssystem ferner eine Lichtquelle und eine Erfassungseinrichtung aufweisen, die Beide optisch mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels verbunden sind, wobei der Ortslichtmodulator optisch zwischen a) die Lichtquelle und die Erfassungseinrichtung und b) das nahe Ende des Lichtleiterbündels geschaltet ist. In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung, die Pixel des Ortslichtmodulators auf entsprechende Kerne entsprechender Lichtleiter im Lichtleiterbündel zur Bereitstellung einer Abbildung mit entsprechenden Pixeln und nicht-entsprechenden Pixel abbildet.
Das Betrachtungssystem kann ferner eine Abtasteinrichtung umfassen, die den Ort von zu dem Ortslichtmodulator und weiter zum nahen Ende des Lichtleiterbündels übertragenem Licht steuert, wobei die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die die Abtasteinrichtung zur Abtastung des Ortslichtmodulators anweist und gleichzeitig zumindest eines der entsprechenden Pixel in einen Ein-Zustand versetzt und andere Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand versetzt, wodurch die Übertragung von Licht von der Lichtquelle im Wesentlichen lediglich zu den Kernen entsprechenden Lichtleitern bewirkt wird. Das Betrachtungssystem kann auch eine Lichtquelle aufweisen, die optisch mit dem Ortslichtmodulator verbunden ist, so dass die Lichtquelle einen wesentlichen Abschnitt der Pixel des Ortslichtmodulators beleuchtet, wobei die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die ausgewählte entsprechende Pixel in einen Ein-Zustand versetzt und andere Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand versetzt, wodurch die Übertragung von Licht von der Lichtquelle im Wesentlichen lediglich zu den Kernen der den entsprechenden Pixeln entsprechenden Lichtleitern bewirkt wird. Die Steuereinrichtung kann ferner eine computerimplementierte Programmierung umfassen, die die ausgewählten entsprechenden Pixel, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, derart auswählt, dass Licht, das aus dem entfernten Ende eines einem ersten ausgewählten entsprechenden Pixel entsprechenden ersten Lichtleiters austritt, nicht wesentlich mit Licht interferiert, das aus dem entfernten Ende eines einem zweiten ausgewählten entsprechenden Pixel entsprechenden zweiten Lichtleiters austritt, wobei die ausgewählten entsprechenden Pixel, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, über die Zeit derart verändert werden, dass im Wesentlichen alle Lichtleiter im Lichtleiterbündel beleuchtet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung stellt die Erfindung ein flexibles Endoskopsystem bereit, das eine Konfokalmikroskopie eines Targetgewebes liefert, wobei das System ein Endoskop umfasst, das ein Lichtleiterbündel mit zumindest 100 Lichtleitern mit einem nahen Ende und einem entfernten Ende umfasst, wobei das System ferner einen Ortslichtmodulator umfasst, der optisch mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels in derselben konjugierten Bildebene wie das nahe Ende derart verbunden ist, dass der Ortslichtmodulator den Ort von an dem nahen Ende auftreffendem Licht steuert, wobei eine Steuereinrichtung eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die mit dem Ortslichtmodulator funktionsfähig verbunden ist, und zum Versetzen von Gruppen von Pixeln des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand, die Kernen entsprechender Lichtleiterbündel entsprechen, um Gruppen von eingeschalteten Pixeln bereitzustellen, und zum Versetzen von Pixeln in einen Aus-Zustand eingerichtet ist, die Zwischenkernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Pixel bereitzustellen. Eine Vielzahl ausgewählter Gruppen der eingeschalteten Pixel kann sich im Ein-Zustand befinden, wobei die ausgewählten Gruppen derart beabstandet sind, dass aus dem entfernten Ende eines ersten Lichtleiters austretendes Licht, der einer ersten ausgewählten Gruppe eingeschalteter Pixel entspricht, nicht wesentlich mit Licht interferiert, das aus dem entfernten Ende eines zweiten Lichtleiters austritt, der einer zweiten ausgewählten Gruppe eingeschalteter Pixel entspricht, wobei sich andere Pixel des Ortslichtmodulators im Aus-Zustand befinden.
Das Endoskop kann ferner eine pixelierte Erfassungseinrichtung umfassen, die optisch zum Empfangen von aus dem nahen Ende des Lichtleiterbündels austretendem Licht verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die zwischen Licht, das aus den Lichtleitern austritt, die eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechen, und Licht unterscheidet, das aus anderen Lichtleitern austritt.
Die Erfindung stellt auch Verfahren zum Bereitstellen eines Betrachtungssystems bereit, mit a) Bereitstellen eines Ortslichtmodulators, b) Bereitstellen eines Lichtleiterbündels mit einem nahen Ende und einem entfernten Ende und c) Platzieren des Ortslichtmodulators in optischer Verbindung mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels in derselben konjugierten Bildebene wie das nahe Ende derart, dass der Ortslichtmodulator den Ort von am nahen Ende auftreffendem Licht steuert. Das Betrachtungssystem kann ein Konfokalmikroskopieendoskop sein, und das Verfahren umfasst ferner die Bereitstellung des Lichtleiterbündels mit zumindest 100 Lichtleitern. Die Verfahren können ferner ein funktionsfähiges Verbinden des Ortslichtmodulators mit einer Steuerung mit einer computerimplementierten Programmierung zum Versetzen von Pixeln des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand, die Kernen entsprechender Lichtleiter im dem Lichtleiterbündel entsprechen, um eingeschaltete Pixel bereitzustellen, und zum Versetzen von Bildelementen in einen Aus-Zustand, die Zwischenkernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Pixel bereitzustellen.
Die Verfahren können ferner ein optisches Verbinden einer pixelierten Erfassungseinrichtung mit dem System zum Empfangen von aus dem nahen Ende des Lichtleiterbündels austretendem Licht und ferner das Versehen der Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung umfassen, die zwischen Licht, das aus den eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechenden Lichtleitern austritt, und Licht unterscheidet, das auf anderen Lichtleitern austritt. Das Verfahren kann sich auf die Ausbildung eines Betrachtungssystems mit einfachem Durchlauf oder auf ein Doppeldurchlaufbetrachtungssystem richten, und kann ferner die Bereitstellung einer Abtasteinrichtung umfassen, die den Ort von zu dem Ortslichtmodulator und weiter zum nahen Ende des Lichtleiterbündels übertragenem Licht steuert, oder eine optische Verbindung der Lichtquelle mit dem Ortslichtmodulator derart umfassen, dass die Lichtquelle einen wesentlichen Abschnitt der Pixel des Ortslichtmodulators beleuchtet.
Die Erfindung stellt ferner Verfahren zum Ausbilden eines flexiblen Endoskopsystems bereit, mit a) Bereitstellen eins Ortslichtmodulators, b) Bereitstellen eines Lichtleiterbündels mit zumindest 100 Lichtleitern mit einem nahen Ende und einem entfernten Ende, wobei zumindest das entfernte Ende des Lichtleiterbündels in einem Endoskop angeordnet ist, c) Platzieren des Ortslichtmodulators in optischer Verbindung mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels in derselben konjugierten Bildebene wie das nahe Ende derart, dass der Ortslichtmodulator den Ort von am nahen Ende auftreffendem Licht steuert, und d) funktionsfähiges Verbinden einer Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung mit dem Ortslichtmodulator, wobei die Steuereinrichtung zum Versetzen von Gruppen von Pixeln des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand, die Kernen entsprechenden Lichtleitern im Lichtleiterbündel entsprechen, um Gruppen von eingeschaltetem Pixeln bereitzustellen, und zum Versetzen von Pixeln in einen Aus-Zustand eingerichtet ist, die Zwischenkernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Pixel bereitzustellen. Derartige Verfahren können ferner ein optisches Verbinden einer pixelierten Erfassungseinrichtung mit dem System zum Empfangen von aus dem nahen Ende des Lichtleiterbündels austretendem Licht und ferner das Versehen der Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung umfassen, die zwischen Licht, das aus den eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechenden Lichtleitern austritt, und Licht unterscheidet, das aus anderen Lichtleitern austritt.
Die Erfindung stellt weiterhin Verfahren zum Beleuchten eines Target bereit, mit a) Übertragen von Licht von einer Lichtquelle zu einem nahen Ende eines Lichtleiterbündels über einen Ortslichtmodulator, wobei der Ortslichtmodulator das Licht im Wesentlichen lediglich zu Kernen von Lichtleitern im Lichtleiterbündel überträgt, b) Übertragen des Lichts vom nahen Ende des Lichtleiterbündels zu einem entfernten Ende des Lichtleiterbündels und Emittieren des Lichts aus dem entfernten Ende des Lichtleiterbündels und c) Beleuchten des Target mit dem aus dem entfernten Ende des Lichtleiterbündels emittierten Licht. Die Verfahren können eine Abtastung eines Lichtstrahls über den Ortslichtmodulator und ein gleichzeitiges Versetzen zumindest eines Pixels des Ortslichtmodulators, das einem Kern eines der Lichtleiter entspricht, in einen Ein-Zustand umfassen, um zumindest ein eingeschaltetes Pixel bereitzustellen, und das Versetzen anderer Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand umfassen, wodurch der Lichtstrahl im Wesentlichen lediglich zu dem Kern des Lichtleiters übertragen wird, wenn der Lichtstrahl das eingeschaltete Pixel berührt, und der Lichtstrahl nicht zu Zwischenkernbereichen des Lichtleiterbündels oder Lichtleitern übertragen wird, die zu dem Lichtleiter benachbart sind. Der Lichtstrahl kann ein Laserstrahl oder ein anderer gewünschter Lichtstrahl sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfassen die Verfahren das Abtasten des Lichtstrahls über im Wesentlichen alle Pixel, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, über die Zeit derart, dass im Wesentlichen alle Lichtleiter im Lichtleiterbündel beleuchtet werden, wodurch im Wesentlichen das gesamte Target in einem Bildfeld des Lichtleiterbündels ohne Bewegung des Lichtleiterbündels beleuchtet wird. Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfassen die Verfahren ein optisches Verbinden der Lichtquelle mit dem Ortslichtmodulator derart, dass die Lichtquelle einen wesentlichen Abschnitt der Pixel des Ortslichtmodulators beleuchtet, und ein Versetzen ausgewählter entsprechender Pixel in einen Ein-Zustand und Versetzen anderer Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand derart, dass Licht von der Lichtquelle im Wesentlichen lediglich zu den Kernen der Lichtleiter übertragen wird, die den entsprechenden Pixeln entsprechen. Das Verfahren kann ein Verändern der ausgewählten entsprechenden Pixel, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, über die Zeit derart umfassen, dass im Wesentlichen alle Lichtleiter im Lichtleiterbündel beleuchtet werden, wodurch im Wesentlich das gesamte Target in einem Bildfeld des Lichtleiterbündels ohne Bewegung des Lichtleiterbündels beleuchtet wird.
Die Verfahren können ein Auswählen der ausgewählten entsprechenden Pixel, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, derart umfassen, dass Licht, das aus dem entfernten Ende eines einem ersten ausgewählten entsprechenden Pixel entsprechenden ersten Lichtleiters austritt, nicht wesentlich mit Licht interferiert, das aus dem entfernten Ende eines einem zweiten ausgewählten entsprechenden Pixel entsprechenden zweiten Lichtleiters austritt.
Die Erfindung stellt auch Verfahren zum Erhalten eines Bildes eines Targets bereit, mit a) Übertragen von Licht von einer Lichtquelle über einen Ortslichtmodulator zu einem Lichtleiterbündel, dann Emittieren des Lichts aus einem entfernten Ende des Lichtleiterbündels zum Beleuchten des Targets, wodurch Licht zum Austreten aus dem Target zum Bereitstellen von austretendem Licht veranlasst wird, b) Sammeln des austretenden Lichts, das das entfernte Ende des Lichtleiterbündels berührt, und c) Übertragen des austretenden Lichts über das Lichtleiterbündel zu einer Erfassungseinrichtung zum Bereitstellen eines Bildes des Targets an der Erfassungseinrichtung. Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise ein Okular oder eine pixelierte Erfassungseinrichtung umfassen, und das Bild kann ein Konfokalbild sein.
Die Verfahren können das Versetzen von Pixeln des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand, die Kernen entsprechender Lichtleiter in dem Lichtleiterbündel entsprechen, um eingeschaltete Pixel bereitzustellen, und das Versetzen von Pixeln in einen Aus-Zustand umfassen, die Zwischenkernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Pixel bereitzustellen. Die Verfahren können auch das Versetzen einer Vielzahl ausgewählter Gruppen der eingeschalteten Pixel in einen Ein-Zustand umfassen, wobei die ausgewählten Gruppen derart beabstandet sind, dass Licht, das aus dem entfernten Ende eines ersten Lichtleiters austritt, der einer ersten ausgewählten Gruppe eingeschalteter Pixel entspricht, im Target nicht wesentlich mit Licht interferiert, das aus dem entfernten Ende zumindest eines zweiten Lichtleiters austritt, der zumindest einer zweiten ausgewählten Gruppe eingeschalteter Pixel entspricht, wobei im Wesentlichen alle anderen Pixel des Ortslichtmodulators sich im Aus-Zustand befinden. Die Verfahren können ferner ein Unterscheiden zwischen Licht, das aus den eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechenden Lichtleitern austritt, und Licht, das aus anderen Lichtleitern austritt, dann Ignorieren von Licht, das aus den anderen Lichtleitern austritt, oder Bewerten des aus den anderen Lichtleitern austretenden Lichts umfassen, um Daten außerhalb eines Brennpunkts bereitzustellen, und das Verbinden der Daten außerhalb des Brennpunkts mit dem Licht umfassen, das aus den den eingeschalteten Pixeln entsprechenden Lichtleitern austritt, um ein verbessertes Bild bereitzustellen.
Die Verfahren können unter Verwendung eines Einzeldurchlaufbetrachtungssystems derart verwendet werden, dass der Ortslichtmodulator als Beleuchtungsmaske derart dient, dass Beleuchtungslicht im Wesentlichen lediglich zu Lichtleiterkernen von Lichtleitern übertragen wird, die eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechen, oder eines Doppeldurchlaufbetrachtungssystems derart bewirkt werden, dass der Ortslichtmodulator als Beleuchtungsmaske derart dient, dass Beleuchtungslicht im Wesentlichen lediglich zu entsprechenden Lichtleitern übertragen wird, und als Erfassungsmaske dient, die im Wesentlichen verhindert, dass Licht von Lichtleitern, die von den entsprechenden Lichtleitern verschieden sind, die Erfassungseinrichtung erreicht.
Die Verfahren können ein Abbilden von Pixeln des Ortslichtmodulators auf entsprechende Kerne entsprechender Lichtleiter im Lichtleiterbündel umfassen, um eine Abbildung mit entsprechenden Pixeln und nichtentsprechenden Pixeln bereitzustellen.
Diese und weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Ausführungsbeispiele sind in dieser Anmeldung aufgeführt, die die folgende ausführliche Beschreibung und die beiliegende Zeichnung einschließt. Außerdem sind verschiedene Literaturhinweise aufgeführt, einschließlich einer Querverweisung auf verwandte Anmeldungen, die Zusammenstellungen, Vorrichtungen und Verfahren und weitere Informationen näher beschreiben (beispielsweise Ortslichtmodulatoren, usw.); all diese Hinweise sind hier durch vollständige Bezugnahme der gesamten Lehre und Offenbarung aufgenommen, ungeachtet dessen, wo die Bezugnahmen in dieser Anmeldung erscheinen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine schematische Darstellung mit vergrößerten schematischen Darstellungen eines Einzeldurchlaufbetrachtungssystems mit einem Ortslichtmodulator und einem Lichtleiterbündel.
2 zeigt eine schematische Darstellung mit vergrößerten schematischen Darstellungen eines Doppeldurchlaufbetrachtungssystems mit einem Ortslichtmodulator und einem Lichtleiterbündel.
3 zeigt eine schematische Darstellung mit vergrößerten schematischen Darstellungen eines Doppeldurchlaufbetrachtungssystems mit einem Ortslichtmodulator und einem Lichtleiterbündel, wobei das Beleuchtungslicht über den Ortslichtmodulator abgetastet wird.
4 zeigt eine schematische Darstellung mit einer vergrößerten schematischen Darstellung eines Systems, das im Wesentlichen wie die Systeme in den 1 bis 3 aufgebaut ist, von der Lichtquelle zum nahen Ende des Lichtleiterbündels, um Pixel und Lichtleiter abzubilden.
5 zeigt eine schematische Darstellung mit vergrößerten schematischen Darstellung eines Systems zum Abbilden von Pixeln eines Ortslichtmodulators und Lichtleitern.
6 zeigt eine schematische Darstellung kohärenter und nicht-kohärenter Lichtleiterbündel.
7 zeigt Mikroaufnahmen eines Mikroprozessors, die Weitbereichbilder ((a) bis (c)) umfassen, die unter Verwendung eines Weitbereichsmikroskops aufgenommen wurden, und Konfokalbilder ((d) bis (e)), die unter Verwendung eines Konfokalmikroskops gemäß der Erfindung aufgenommen wurden.
8 zeigt eine graphische Darstellung der Axialantwort eines Planspiegels, der durch den Brennpunkt mit einer FWHM von 1,6 μm abgetastet wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt Endoskope und andere Betrachtungseinrichtungen bereit, die das Licht steuern, das eine Probe berührt, und/oder das von einer Probe stammend erfasst wird. Die Betrachtungseinrichtungen sind insbesondere für eine Abbildung bzw. Bildgebung im lebenden Organismus (in vivo) gut geeignet, obwohl auch weitere Verwendungen umfasst sind. Die Betrachtungseinrichtungen und zugehörigen Verfahren umfassen einen Ortslichtmodulator im Beleuchtungs- und/oder Erfassungslichtweg, so dass zum Target über ein Lichtleiterbündel übertragenes Licht im Wesentlichen lediglich in die Kerne des Lichtleiterbündels und nicht in den den Lichtleiter umgebenden Mantel, eine Füllung zwischen den Lichtleitern im Bündel oder unerwünschte Lichtleiter übertragen wird. Dies verbessert die Auflösung des resultierenden Bildes lateral und axial (d.h., von links nach rechts und von oben nach unten), und liefert weitere damit verbundene Vorteile. Die Erfindung stellt auch Verfahren und Vorrichtungen zur Abbildung der Pixel des Ortslichtmodulators auf die Kerne der Lichtleiter im Bündel (vorzugsweise zumindest drei Pixel (beispielsweise zumindest drei Spiegel für eine digitale Mikrospiegeleinrichtung) für jeden Kern), sowie eine Abbildung der Lichtleiter eines Lichtleiterbündels untereinander bereit.
Definitionen
Die folgenden Absätze sind Definitionen einiger hier verwendeter Ausdrücke. Alle hier verwendeten Ausdrücke, die die nachstehend in diesem Abschnitt insbesondere beschriebenen enthalten, werden entsprechend ihrer üblichen Bedeutung verwendet, wenn nicht der Zusammenhang oder die Definition etwas anderes besagt. Wenn nichts anderes gesagt ist, umfasst die Verwendung von „oder" „und" und umgekehrt abgesehen von den Ansprüchen. Nicht beschränkende Ausdrücke sind nicht als einschränkend gedacht, wenn nicht etwas anderes gesagt wird (beispielsweise bedeutet „einschließen" „einschließen ohne Begrenzung", wenn nicht ausdrücklich etwas anderes gesagt ist).
Ein „Ortslichtmodulator" (SLM) ist eine Einrichtung, die Licht wahlweise modulieren kann. Die Erfindung umfasst einen oder mehrere Ortslichtmodulatoren, die im Lichtweg eines Betrachtungssystems angeordnet sind, im Allgemeinen ein Bildvergrößerungs- oder Übertragungssystem, wie ein Endoskop oder Mikroskop. Typischerweise umfasst ein Ortslichtmodulator ein Array einzelner Lichtübertragungspixel, bei denen es sich um eine Vielzahl von Punkten mit lichtdurchlässigen Eigenschaften handelt, so dass sie entweder Licht entlang des Lichtweges übertragen oder leiten oder Licht blockieren und es am Laufen entlang des Lichtweges hindern (beispielsweise durch Absorbieren des Lichts oder durch Reflektieren des Lichts aus dem Lichtweg hinaus). Derartige pixelierte Arrays sind bekannt, und werden auch als Mehrfachmusteraperaturarray bezeichnet, und können durch ein Array ferroelektrischer Flüssigkristalleinrichtungen, durch eine digitale Mikrospiegeleinrichtung oder durch elektrostatische Mikroverschlüsse gebildet werden. Siehe US-Patent Nr. 5,587,832, R. Vuelleumier, Novel Electromechanical Microshutter Display Device, Proc. Eurodisplay '84, Display Research Conference September 1984. Digitale Mikrospiegeleinrichtungen können von Texas Instruments, Inc., Dallas, Texas, U.S.A. erhalten werden. „Eingeschaltete Pixel" sind Pixel oder optische Elemente, entweder einzeln oder in Gruppen, die in einen „Ein-Zustand" versetzt wurden, und somit Licht entlang des Lichtweges zwischen einer Lichtquelle oder einer Probe oder zwischen einer Probe und einer Erfassungseinrichtung übertragen; „ausgeschaltete Pixel" sind Pixel, die in einen „Aus-Zustand" versetzt wurden, um so Licht aus einem Lichtweg/aus Lichtwegen heraus zu übertragen.
Ein „Beleuchtungslichtweg" ist der Lichtweg von einer Lichtquelle zu einem Target oder einer Probe, während ein „Erfassungslichtweg" für von einer Probe stammendem Licht zu einer Erfassungseinrichtung ist. Von einer Probe ausgehendes Licht umfasst Licht, das von einer Probe reflektiert wird, durch eine Probe übertragen wird oder in der Probe erzeugt wird, beispielsweise Raman-Spektrum- oder fluoreszierendes Licht, das in einer Probe aufgrund einer Anregung mit einer geeigneten Lichtwellenlänge (typischerweise IIV- oder blaues Licht) erzeugt wird. Das Beleuchtungs- und ausgehende Licht umfasst ultraviolettes (UV) Licht, blaues Licht, sichtbares Licht, Nahes Infrarot- (NIR) Licht und Infrarot- (IR) Licht.
Ein „Endoskop" in eine Einrichtung, die üblicherweise röhrenförmig ist, zum Einführen in einen Körper, typischerweise über Kanäle, Gefäße, Durchgänge oder Körperöffnungen aus vielerlei Gründen, einschließlich Operations- und Diagnosezwecken, sowie anderen Zwecken, wie das Injizieren oder Herausnehmen von Flüssigkeiten oder zum Offenhalten eines Durchgangs.
Ein „Lichtleiter" ist eine bekannte Einrichtung, die typischerweise flexible ist, und eine äußere Schicht und einen Lichtübertragungskern umfasst, der Licht von einem Ort zu einem anderen befördert, wie Glasfaser, ein flüssiger Lichtleiter oder eine hohler Reflektionslichtleiter. Die äußere Schicht kann die äußere Oberfläche desselben Materials sein, die den Kern bildet, oder kann ein separates oder zusätzliches Material sein. Ein Lichtleiter umfasst typischerweise auch einen lichtundurchlässigen Mantel. Ein „Lichtleiterbündel" umfasst eine Vielzahl derartiger Lichtleiter, die in einer einzelnen Ader kombiniert sind, und kann ein Bind- oder Füllmaterial zwischen den individuellen Lichtleitern des Bündels umfassen. Dieser Mantel und diese Füllung sowie Sonstiges, das zwischen den Lichtleiterkernen eines Lichtleiterbündels vorhanden sein kann, kann als Zwischenkernbereich bezeichnet werden.
Das „nahe Ende" eines Lichtleiters oder Endoskops ist das Ende des Lichtleiters oder Endoskops, das Licht von der Lichtquelle erhält. Das nahe Ende befindet sich typischerweise außerhalb des Körpers, und umfasst typischerweise einen oder mehrere Griffe, Knöpfe und/oder weitere Steuereinrichtungen, die es dem Benutzer erlauben, das entfernte Ende des Endoskops und/oder der Einrichtungen am entfernten Ende des Lichtleiters oder Endoskops zu manipulieren. Das „entfernte Ende" eines Lichtleiters oder Endoskops ist das Ende des Lichtleiters oder Endoskops, das typischerweise von der Lichtquelle weiter weg ist, und somit Licht von der Lichtquelle emittiert, das auf das nahe Ende des Lichtleiters oder Endoskops aufgetroffen ist und zum entfernten Ende übertragen wurde. Im Fall eines Endoskops oder einer anderen Einrichtung im lebenden Organismus ist das entfernte Ende das Ende, das in den Körper eingeführt wird und auf ein Target gerichtet wird. Hier umfasst das entfernte Ende des Endoskops die entfernte Spitze des Endoskops, das die entfernteste Oberfläche oder Öffnung des Endoskops darstellt, und den Abschnitt des Endoskops, der an die entfernte Spitze des Endoskops angrenzt.
Eine „Steuereinrichtung" ist eine Einrichtung, die einen Ortslichtmodulator, eine Erfassungseinrichtung oder weitere Elemente der Vorrichtungen und Verfahren der Erfindung steuern kann. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung die Übertragungseigenschaften der Pixel in einen Ortslichtmodulator steuern, den Ein-/Aus-Zustand von Pixeln einer pixelierten Lichterfassungseinrichtung (wie einer Ladungskopplungseinrichtung (CCD) oder Ladungsinjektionseinrichtung (CID)) steuern, und/oder von der Erfassungseinrichtung erhaltene Daten kombinieren, einschließlich der Verwendung dieser Daten, um Bilder auszubilden oder zu rekonstruieren, oder als Feedback zur Steuerung eines vorgeschalteten Ortslichtmodulators zu verwenden. Die Erfassungseinrichtung bzw. andere Komponenten der Erfindung können nach Wunsch auch mit einer Fotomultipliziererröhre (PMT) verwendet werden. Typischerweise ist eine Steuereinrichtung ein Computer oder eine andere Einrichtung mit einer Zentralverarbeitungseinheit (CPU), die eine computerlesbare Programmierung wie Algorithmen und Software implementieren kann. Steuereinrichtung sind bekannt und die Auswahl einer gewünschten Steuereinrichtung für eine bestimmte Ausgestaltung der Erfindung liegt im Schutzbereich dieser Offenbarung.
„Vorgeschaltet" und „nachgeschaltet" werden wie üblich verwendet, wobei vorgeschaltet angibt, dass eine gegebene Einrichtung näher an einer Lichtquelle ist, während nachgeschaltet angibt, dass ein gegebenes Objekt weiter von einer Lichtquelle entfernt ist.
Eine „konjugierte Bildebene einer Aperturblende der Objektivlinse" ist eine Ebene entweder im Beleuchtungs- oder im Erfassungslichtweg, wo ein Bild der Aperturblende der Objektivlinse nachgebildet wird. Bei einem Kohler-Beleuchtungssystem kann diese Bildebene auch eine Wiederherstellung des Bildes der Lichtquelle enthalten, die erfindungsgemäß eine beliebige Lichtquelle wie Weiß- Licht, eine Bogenlampe oder ein Laser sein kann. Die konjugierten Bildebenen der Aperaturblende der Objektivlinse definieren Orte, die den Winkel des Beleuchtungslichtes steuern, das schließlich auf eine Probe auftrifft, sowie den Winkel des Erfassungslichts steuern, das von einer Probe stammt (der „Beleuchtungswinkel" und „Erfassungswinkel" beziehen sich auf den Winkel des Lichts, das entweder auf einer Probe auftrifft oder aus dieser hervorgeht).
Eine „konjugierte Bildebene der Probe" ist eine Ebene entweder im Beleuchtungslichtweg oder dem Erfassungslichtweg, wo ein Bild der Probe wiederhergestellt wird. Die Lichterfassungseinrichtung(en) befinden sich typischerweise an einer derartigen Stelle im Erfassungslichtweg. Die konjugierten Bildebenen der Probe definieren Orte, die die Größe und den Ort von Punkten auf der Probe steuern können, die beleuchtet und/oder erfasst werden (in Abhängigkeit davon, ob die konjugierte Ebene im Beleuchtungslichtweg oder im Erfassungslichtweg liegt). Die Bildebene der Probe ist die Ebene, wo sich die Probe befindet, obwohl die Bildebene der Probe größer oder kleiner als die tatsächliche Probe sein kann, wenn entweder eine Vielzahl von Lichtwegen vorgesehen ist, oder wenn der Beleuchtungsbereich größer oder kleiner als die Größe der Probe ist.
Eine „selbe konjugierte Bildebene" ist eine Bildebene, die zu einer anderen Bildebene konjugiert ist. Somit sind die vielfachen Orte der konjugierten Bildebenen einer Aperturblende der Objektivlinse selber konjugierte Bildebenen, und die mehrfachen Orte der konjugierten Bildebene der Probe sind auch konjugierte Bildebenen. Beispielsweise ist in einigen Ausführungsbeispielen ein Ortslichtmodulator in derselben konjugierten Bildebene wie das nahe Ende des Lichtleiterbündels platziert, das ein Ort ist, der wie die konjugierte Bildebene der Probe ist und Orte definiert, die die Größe und den Ort von Licht steuern können, das auf das nahe Ende des Lichtleiterbündel trifft, und somit steuern können, welche Lichtleiter im Bündel beleuchtet und/oder erfasst werden (in Abhängigkeit davon, ob der Ortslichtmodulator im Beleuchtungslichtweg oder im Erfassungslichtweg ist); ein Lichtleiter, der einem Pixel oder einer Gruppe von Pixeln des Ortslichtmodulators im Ein-Zustand entspricht (Licht davon empfängt oder Licht dorthin emittiert), kann als „entsprechender Lichtleiter" bezeichnet werden. Ein individueller Lichtleiter kann von einem entsprechenden in einen nicht-entsprechenden Zustand durch Umschalten der Pixel vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand ohne Bewegung des individuellen Lichtleiters bezüglich des Ortslichtmodulators geschaltet werden.
Die in dieser Anmeldung verwendeten Ausdrücke sollen in den Ansprüchen nicht als „Einrichtung plus Funktion"-Beziehung interpretiert werden, wenn nicht das Wort „Einrichtung" in einem Anspruch speziell genannt wird, und sollen in den Ansprüchen als „Einrichtung plus Funktion"-Beziehung interpretiert werden, wo das Wort „Einrichtung" speziell in einem Anspruch aufgeführt ist. Gleichermaßen sollen die in dieser Anmeldung verwendeten Ausdrücke in Verfahrens- oder Prozessansprüchen nicht als „Schritt plus Funktion"-Beziehung interpretiert werden, wenn nicht das Wort „Schritt" speziell in den Ansprüchen angegeben ist, und sollen in den Ansprüchen als „Schritt plus Funktion"-Beziehung interpretiert werden, wo das Wort „Schritt" speziell in einem Anspruch angegeben ist. Die Erfindung umfasst vielerlei Ausgestaltungen, Merkmale und Ausführungsbeispiele einschließlich Verfahren, Vorrichtungen, Systemen und dergleichen; diese vielfachen Ausgestaltungen, Merkmale und Ausführungsbeispiele können auf jede gewünschte Weise kombiniert und vertauscht werden, wenn nicht etwas anderes klar aus dem Zusammenhang hervorgeht.
Weitere Ausdrücke und Phrasen dieser Anmeldung sind entsprechend den vorstehenden Definitionen und weiteren Abschnitten dieser Anmeldung definiert.
Die Zeichnung
In der Zeichnung zeigt 1 eine schematische Darstellung mit vergrößerten schematischen Darstellungen eines Einzeldurchlaufbetrachtungssystems 2 mit einer Lichtquelle 4, die Licht emittiert, das von einem Spiegel 6 reflektiert wird, dann über einen Ortslichtmodulator 8, einen Strahlenteiler 10 und eine Objektivlinse 12 zum Beleuchten des Kerns 26 eines Lichtleiters 15, hier eine Glasfaser, in einem Lichtleiterbündel 14 weiterläuft. Wie es durch die vergrößerte Darstellung in 1 gezeigt ist, beleuchtet das Licht am entfernten Ende 18 des Lichtleiterbündels 14 im Wesentlichen lediglich den Kern 26 eines entsprechenden Lichtleiters 28, jedoch nicht einen Zwischenkernbereich 27 oder angrenzende Lichtleiter 30. Das Licht wird dann zum Target 22 durch ein Linsensystem 20 weitergegeben. In 1 ist das Betrachtungssystem 2 ein Reflektionssystem, so dass zurückgegebenes Licht vom Target 22 stammt, das über das Betrachtungssystem vorbei am Strahlenteiler 10 zur Erfassungseinrichtung 32 zurück übertragen wird, die ein Okular, eine pixelierte Erfassungseinrichtung oder eine andere gewünschte Erfassungseinrichtung sein kann. Übertragungslichtmikroskope sind auch in der Erfindung umfasst. Der Strahlenteiler 10 kann ein Filter sein, das Licht mit einer ersten Wellenlänge reflektiert, wie Licht von der Lichtquelle 4, während Licht anderer Wellenlängen, wie von der Probe 22 ausgehendes zurückgegebenes Licht, durchgelassen wird.
Das Betrachtungssystem 2 in 1 ist ein Einzeldurchlaufbetrachtungssystem, was bedeutet, dass Licht den Ortslichtmodulator 8 lediglich einmal durchläuft, und der Ortslichtmodulator 8 somit optisch nur in den Beleuchtungslichtweg geschaltet ist. Nach Wunsch kann einer oder können mehrere zusätzlichen SLM's im Beleuchtungslichtweg oder im Erfassungslichtweg vorgesehen werden.
In 1 stellt der Ortslichtmodulator 8 eine Beleuchtungsmaske bereit. Beispielsweise beleuchtet Licht von der Lichtquelle 4 einen wesentlichen Abschnitt der Pixel des Ortslichtmodulators 8, und dann stellt der Ortslichtmodulator 8 die Beleuchtungsmaske bereit, da eine (nicht gezeigte) Steuereinrichtung ausgewählte Pixel entsprechend dem nahen Ende 16 gewünschter Lichtleiter 15 im Lichtleiterbündel 14 in einen Ein-Zustand versetzt, und andere Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand versetzt, wodurch eine Übertragung von Licht von der Lichtquelle 4 im Wesentlichen lediglich in die Kerne 26 der den entsprechenden Pixeln entsprechenden Lichtleitern bewirkt wird. Die Steuereinrichtung kann ferner entsprechende Pixel auswählen, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, so dass vom entfernten Ende 18 eines ersten entsprechenden Lichtleiters 28 ausgehendes Licht zu einem ersten Bereich des Targets 22 nicht wesentlich mit Licht interferiert, das vom entfernten Ende 18 eines zweiten entsprechenden Lichtleiters 28 eines zweiten Bereichs des Targets 22 ausgeht, was bedeutet, dass zu dem Target übertragene Lichtsignale zueinander derart beabstandet sind, dass die schließlich vom Target 22 erfassten oder analysierten Lichtsignale einander nicht erheblich beeinflussen.
Anders gesagt können mehrere Lichtleiter 15 parallel beleuchtet werden (was als Beleuchtung eines Musters von Lichtleitern bezeichnet wird). Vorzugsweise ist die minimale Mittelpunkt-Zu-Mittelpunkt-Beabstandung der Lichtleiter in dem Muster groß genug, dass die von den Lichtleitern erfassten Intensitätsverteilungen nicht merklich überlappen. Eine parallele Lichtleiterkernbeleuchtung liefert einen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber einer einzelnen Lichtleiterkernbeleuchtung. Die parallele Lichtleiterkernbeleuchtung kann ein Muster von Lichtleiterkernen beleuchten, die Intensitätsdaten für jeden Lichtleiter erfassen und aufzeichnen, was Konfokaldaten nach Wunsch beinhaltet, dann eine andere Gruppe von Lichtleiterkernen unter Verwendung eines anderen Beleuchtungsmusters beleuchten, die Daten erfassen und aufzeichnen, usw., bis alle gewünschten Lichtleiterkerne im Bündel (was nach Wunsch alle vorhandenen Lichtleiterkerne bedeuten kann) beleuchtet und die Daten aufgezeichnet sind. Die aufgezeichneten Daten können dann zur Erzeugung eines Bildes verarbeitet werden.
Außerdem kann der Ortslichtmodulator 8 eine dynamische Beleuchtungsmaske durch Verändern der ausgewählten entsprechenden Pixel über die Zeit bereitstellen, die in einen Ein-Zustand versetzt sind. Da im Wesentlichen alle Lichtleiter 15 im Lichtleiterbündel 14 ohne das Erfordernis einer Bewegung einer Lichtquelle 4, des Ortslichtmodulators 8 oder des Lichtleiterbündels 14 beleuchtet werden können, ist dies von Vorteil. Somit liefert der Ortslichtmodulator 8 eine Maske, die die selektive Beleuchtung individueller Lichtleiterkerne 26 (oder Musters von Lichtleiterkernen 26 in einem Lichtleiterbündel 14 erlaubt.
Zum besseren Verständnis ist das Lichtleiterbündel 14 in 1 mit nur 7 Kernen 26 gezeigt, während der Ortslichtmodulator 18 141 Pixel umfasst. Ein typisches Ausführungsbeispiel kann ein Faserbündel mit hunderten bis zehntausenden Fasern umfassen und einen Ortslichtmodulator mit tausenden bis hunderttausenden von Pixeln. Vorzugsweise bietet der Ortslichtmodulator 8 zumindest 3 Pixel für jeden Kern 26, vorzugsweise 4, 5, 6 oder mehr Pixel.
Am entfernten Ende 18 des Lichtleiterbündels 14 werden Photonen von einem beleuchteten Lichtleiter 14 zum Target 22 durch das Linsensystem 20 weitergegeben. Das Target 22 befindet sich in der Bildebene 24 der Probe, die auch als Objektebene bekannt ist. Typischerweise ist das entfernte Ende des Lichtleiterbündels 14 eine konjugierte Bildebene der Probe. Das Target kann eine beliebige gewünschte Struktur oder Probe sein, einschließlich beispielsweise industrieller Materialien, wie Computerchips auf einer Fertigungsstraße oder eine industrielle Prüfung und Qualitätskontrolle, beispielsweise in der Raumfahrt-, Flugzeug- oder Automobilindustrie. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Target ein Target im lebenden Organismus, vorzugsweise ein inneres Target im lebenden Organismus, was ein Target bedeutet, das nicht außerhalb des Körpers sondern innerhalb einer Körperöffnung gefunden wird, wie das Verdauungssystem, die Lungen, Ohren, oder das Fortpflanzungssystem, oder transkutan zugänglich ist, wie das Knie, Herz, das Gehirn oder die inneren Organe. Auf derartige Targets kann unter Verwendung einer langen Bohrnadel, eines Biopsiekanals eines Endoskops (in diesem Fall kann die Betrachtungseinrichtung der Erfindung tatsächlich innerhalb eines anderen Endoskops verwendet werden), eines Katheters oder einer unabhängigen zugeschnittenen Kapselkonfiguration wie eines Fühlers zugegriffen werden; all diese Elemente sind im Ausdruck Endoskop zum Zwecke der Erfindung mit dem Umfang enthalten, dass alle eine Bildgebung unter Verwendung der Einrichtungen und Verfahren dieser Erfindung ermöglichen. Strukturen im Brennpunkt im Target 22 in der Objektebene streuen Photonen zu dem Beleuchtungslichtleiter 26 zurück oder geben diese sonst aus, welcher Lichtleiter dann gleichzeitig als Erfassungsfaser fungiert. Strukturen außerhalb des Brennpunkts oberhalb oder unterhalb der Objektebene oder lateral zum beleuchteten Target streuen Photonen zu den angrenzenden Lichtleitern 30 zurück oder strahlen Photonen auf andere Art aus, die den entsprechenden Lichtleiter 28 umgeben.
Ein Konfokalbild kann durch Erfassung und bei Bedarf Analyse der Photonen im Brennpunkt (jene, die im selben Lichtleiter zurückgestrahlt werden, von dem sie eingekoppelt wurden) und Verwerfen oder Ignorieren (beispielsweise nicht Erfassung derartigen Lichts oder Erfassen und dann Löschen) der Photonen außerhalb des Brennpunkts gebildet werden. Alternativ dazu kann Licht von angrenzenden Lichtleitern 30 Daten außerhalb des Brennpunkts liefern, und die Programmierung kann die Daten außerhalb des Brennpunkts mit von dem entsprechenden Lichtleiter 28 stammendem Licht zum Ausbilden eines verbesserten Bildes zusammenschließen.
Beispielsweise können die Daten außerhalb des Brennpunkts und die Daten im Brennpunkt in eine zweidimensionale Gaußverteilung eingepasst oder entsprechend anderer geeigneter Anpassungsfunktionen angepasst werden. Siehe PCT/CA98/00993, PCT/US00/11548, US Provisional Patentanmeldung Nr. 60/244,427, eingereicht am 30. Oktober 2000.
Ein Konfokalbild mit Informationen außerhalb des Brennpunkts kann wie folgt konstruiert werden. Eine Betrachtung des Hintergrunds ist hilfreich.
Eine Annahme bei der allgemeinen Mikroskopie ist, dass ein Mikroskop ein lineares, verschiebungsinvariantes (LSI) System ist. Bei der Entfaltungsmikroskopie bedeutet die LSI-Annahme, dass die die PSF (Spreizungsfunktion) als unabhängig von der Position im Bildfeld (oder Verwendungsfeld) des Mikroskops angenommen wird. Somit kann das tatsächlich vom Mikroskop (entweder im Weitfeld- oder Konfokalmodus) erfasste Bild als Faltung der tatsächlichen physikalischen fluorophoren (bzw. reflektierten Licht-, übertragenen Licht- oder anderer austretenden Licht-) Verteilung (I_a(x, y, z)) mit der PSF h(x, y, z) der optischen Beleuchtungs- und Erfassungssysteme dargestellt werden.

h_I ☐ Punktspreizungsfunktion der Beleuchtungsoptik
h_D ☐ Punktspreizungsfunktion der Erfassungsoptik

Für eine Weitfeldbeleuchtung ist h_I(x,y,z) im Wesentlichen eine Konstante über das gemessene Volumen. Für eine korrekt aufgebaute herkömmliche Konfokalmikroskopie, bei der Wellenlängeneffekte ignoriert werden, ist h_I (x, y, z) ≡ h_D (x, y, z).
Für ein Konfokalmikroskop mit einem Ortslichtmodulator im Beleuchtungslichtweg ist die Bedingung h_I ≡ h_D im Allgemeinen für die Punkte des Target war, die direkt durch die eingeschalteten Pixel des Ortslichtmodulators beleuchtet werden. Für angrenzende Punkte des Target ist h_D ≠ h_I. Wird ein LSI-System betrachtet und die Wellenlängeneffekte ignoriert hD(x, y, z) ≡ hI (x – xi, y – yi, z – zi) 3
Auch ist für Orte in der x-y-Ebene der Probe z_i = 0. Somit kann Gleichung 3 wie folgt reduziert werden: hD(x, y, z) ≡ hI (x – xi, y – yi, z)
Da eine Vielzahl von Punkten für jeden durch die eingeschalteten Pixel des Ortslichtmodulators beleuchteten Punkt erfasst werden können, besteht das Meiste des Bildes aus Pixeln außerhalb des Brennpunkts, für die h_D ≠ h_I gilt. Somit gilt die folgende Gleichung im Allgemeinen für ein Konfokalsystem wie hier beschrieben:
ξ, β = 0 im Brennpunkt Im (x, y, z, ξ, β) ≡ ∫∫∫Ia(xiyi,zi)hi(x – xi, y – yi,z – zi)hD(x – xi, y – yi,z – zi, ξ, β)dxi,dyi,dzi ξ, β ≠ 0 außerhalb des Brennpunkts
Zusätzliche zwei Dimensionen (kolinear mit x und y), die das von der Probe erfasste Licht außerhalb des Brennpunkts darstellen und durch die Konfokalbeleuchtungseinrichtung erzeugt werden, die mit dem Konfokalpunkt assoziiert ist, sind mit jeder Gruppe von x,y,z-konfokal beleuchteten Orten verbunden. Im Allgemeinen laufen ξ und β für weitbeabstandete Punktintervalle, wie ein 10 × 10-Punktmuster, von –5 bis +5 Einheiten der projizierten DMD-Pixel in der Abstast- bzw. Probenebene.
Die Beabstandung der Punkte und der Bereich von ξ und β, der von angrenzenden Punktinformationen außerhalb des Brennpunkts nicht beeinflusst ist, kann von der Dicke der gemessenen Probe abhängen.
Im Allgemeinen vergleichen Entfaltungsverfahren, wie iterative Entfaltungsverfahren die Ergebnisse der Entfaltung mit dem gemessenen Bild durch Falten der Punktspreizungsfunktion mit dem entfalteten Bild zur Erzeugung eines Bildes.
I_m(x, y, z) soll die Faltung von I_{a guess} (x, y, z) mit der PSF sein.
I_{a guess} (x, y, z) gefaltet mit der PSF ergibt I_{m guess} (x, y, z) Somit wird der Unterschied zwischen I_{m guess} (x, y, z) und I_m (x, y, z) gemessen, I_a
guess (x, y, z) aktualisiert und solange iteriert, bis eine gewünschte Leistungsmessbedingung erfüllt ist.
Erfindungsgemäß kann zum Finden von I_a (x, y, z) I_m _guess (x, y, z) mit I_m(x, y, z) verglichen werden, und auch I_m _guess (x, y, z, ξ, β) mit I_m(x, y, z, ξ, β). Dies kann das Ergebnis teilweise verbessern, da I_m (x, y, z, ξ, β) für ξ, β ≠ 0 stark von der PSF abhängt und wahrscheinlich nicht mit der Konfokalinformation von I_m(x,y,z,0,0) gemischt ist. Somit umfasst die Erfindung Verfahren und Einrichtung, die einen Vorteil aus den zusätzlichen Messungen ziehen, die von der örtlichen Anordnung von I_a(x,y,z) abhängen. Zusätzlich verwenden diese Verfahren und Einrichtungen im Wesentlichen alle vom Target erfassten Photonen, nicht nur die direkt in den entsprechenden Lichtleiter austretenden Photonen, so dass das Signal zu Rauschverhältnis verbessert ist.
Konfokalinformationen im Brennpunkt und Informationen außerhalb des Brennpunkts können sowohl in den x-y-Richtungen als auch in der z-Richtung beispielsweise dann erhalten werden, wenn die Kamera oder der Ortslichtmodulator entlang der optischen (z-) Achse bewegt wird, oder indem eine Vielzahl von Kameras an verschiedenen primären Brennpunktebenen-Positionen unmittelbar oberhalb und unterhalb der Brennpunktebene der Beleuchtungsbrennpunktebene positioniert werden.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist folgendes. Bei der herkömmlichen Konfokalmikroskopie wird die Probe durch eine Punktquelle beleuchtet, die durch die Beleuchtungs-PSF in ein verteiltes Lichtquellenmuster innerhalb der Probe verbreitet wird. Das resultierende zurückgegebene Licht (wie Fluoreszenzlicht), das aus der Probe austritt, hat ein ähnliches Erfassungsempfindlichkeitsmuster (PSF). Die Unterschiede zwischen den zwei Mustern oder Verteilungen beispielsweise bei Fluoreszenzlicht können aufgrund der Stokes-Verschiebung im emittierten Licht auftreten, da Fluoreszenzlicht eine längere Wellenlänge als das Anregungslicht hat. Bei der herkömmlichen Konfokalbildgebung werden diese zwei Muster miteinander multipliziert, um eine Konfokal-PSF-Funktion zu erhalten. Während die meisten erfassten Informationen an der mittleren Spitze vorhanden sind, erstreckt sich die Verteilung sowohl in den x-y-Richtungen als auch der z-Richtung sehr merklich.
Die Interaktion der PSF der Beleuchtung mit der PSF für die Pixel der Erfassungseinrichtung und dem optischen System, das das austretende Licht zu der Erfassungseinrichtung überträgt, die das Licht außerhalb des Brennpunkts erfasst, ist komplex. Um die mittlere Spitze der herkömmlichen Konfokalverteilung erfassen verschobene (x-z) Erfassungspunkte Informationen von vorne und den Seiten der herkömmlichen mittleren Spitze, sowie von den Kegeln vor (kleine z's) und hinter (große z's) der herkömmlichen Spitze. Das Subtrahieren der Daten außerhalb des Brennpunkts von den Daten im Brennpunkt erzeugt Ergebnisse, in denen die Breite und Länge der zentralen Spitze viel kleiner als die herkömmliche konfokale PSF ist. Bei alternativen Ausführungsbeispielen werden lediglich die lateralen Daten außerhalb des Brennpunkts verwendet. Das heißt, die PSF wurde verengt, was bedeutet, dass die Auflösung verbessert wurde. Auch die von den Kegeln vor und nach (kleinere und größere z-Werte) erfassten Informationen sind viel weniger als bei der herkömmlichen konfokalen PSF. Ein weiteres Anzeichen für die Verbesserung ist die FWHM der modifizierten PSF, die erheblich kleiner als die FWHM der herkömmlichen konfokalen PSF ist. Dies zeigt eine höhere Ortsauflösungsleistung für die Verfahren und Systeme der Erfindung an.
Ein Vorteil der Verwendung von Informationen außerhalb des Brennpunkts, die beleuchtete Punkte umgeben, besteht darin, dass bei der Änderung der PSF von Ort zu Ort im Bildfeld (das System ist nicht LSI), die Verfahren und Systeme der Erfindung eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Ortsveränderungen in der PSF haben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die zur Ausnutzung der Informationen außerhalb des Brennpunkts erforderliche Nachverarbeitung bei einigen Ausführungsbeispielen vereinfacht werden kann, da lediglich eine Faltung eines Kerns mit den rohen Bildern der Beleuchtungspunktmuster erforderlich sein kann, und die Verfahren und Systeme zum Optimieren gewünschter Aspekte der PSF leicht rekonfigurierbar sind. Ist beispielsweise eine sehr enge PSF in der x-Richtung erforderlich, aber sind die y- und z-Richtungen nicht so kritisch, können die Informationen außerhalb des Brennpunkts zum Maximieren der x-Achsenauflösung auf Kosten der y- und z-Achsenauflösung verwendet werden. Dies kann dynamisch oder nach der Erfassung der Bilder ausgeführt werden.
Bei der Übertragungsmikroskopie ist es schwierig, eine Konfokalmikroskopie auszuführen, da das Licht durch die gesamte zu erfassenden Probe läuft. Somit sind lokalisierte z-Messungen des Absorptionsmaterials schwierig bei dicken Proben auszuführen. Allerdings werden unter Verwendung der Informationen außerhalb des Brennpunkts nach einer geeigneten logarithmischen Transformation der rohen Beleuchtungspunkt-(Spalten)-Bilder modifizierte PSFs erzeugt, die einen lokalisierten z-Informationsinhalt haben. Dies liefert eine modifizierte PSF und bei Bedarf z-Schnitte.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen werden die Verfahren und Vorrichtungen für eine Konfokalmikroskopie verwendet, bei der der optische Aufbau des Mikroskops nicht optimiert ist, was bedeutet, dass die optischen Elemente des Mikroskops nicht richtig ausgerichtet oder derart platziert sind, dass die tatsächliche Bildgebung eine Bildqualität von ungefähr 95 % weniger der theoretisch erreichbaren Auflösung für das gegebene System liefert, oder wo das Target erhebliche optische Artefakte verursacht, wie sphärische Abberationen aufgrund des Vorbereitungsverfahrens (wie Befestigung, Montage, Färbung, Beschriftung).
Wie weitere Merkmale der Erfindung können diese Ausführungsbeispiele und Ausgestaltungen unter Verwendung einer Steuereinrichtung und geeigneten computerimplementierten Programmierung implementiert werden.
Daten außerhalb des Brennpunkts können Eigenschaften über ein Target beinhalten, wie verringerte oder erhöhte Streukoeffizienten und Absorptionskoeffizienten.
2 zeigt eine schematische Darstellung mit vergrößerten schematischen Darstellungen eines Doppeldurchlaufausführungsbeispiels, bei dem der Ortslichtmodulator 8 gleichzeitig als Beleuchtungs- und Erfassungsmaske verwendet wird; bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ortslichtmodulator 8 eine dynamische Maske. Das gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst im Wesentlichen dieselben Komponenten plus einer Filterblockanordnung 34 und einer Weiterleitungslinse 36, die im Beleuchtungs-/Erfassungslichtweg angeordnet sind. Der Ortslichtmodulator 8 arbeitet als Maske, die die selektive Beleuchtung und Erfassung von Licht von den Kernen 26 entsprechender Lichtleiter 28 (oder Mustern oder Gruppen entsprechender Lichtleiter 28) im Lichtleiterbündel 14 ermöglicht. Das Ausführungsbeispiel wird als „Doppeldurchlauf" bezeichnet, da ein einzelner Ortslichtmodulator 8 sowohl im Beleuchtungs- (erster Durchlauf) als auch Erfassung- (zweiter Durchlauf) Lichtweg vorhanden ist.
Das Doppeldurchlaufausführungsbeispiel kann verglichen mit dem Einzeldurchlaufausführungsbeispiel eine weitere Funktionalität bieten. Zusätzlich zur Beleuchtung eines Kerns 26 eines entsprechenden Lichtleiters 28 (oder einer (d.h. Gruppe) derartiger Kerne) kann das Doppeldurchlaufausführungsbeispiel durch den Kern 26 desselben entsprechenden Lichtleiters 28 emittiertes Licht akzeptieren, während Licht verworfen (oder maskiert) wird, das von einer Region um den/die Lichtleiter emittiert wird. Dies ermöglicht, dass der Ortslichtmodulator 8 und die Kerne 26 entsprechender Lichtleiter 28 des Lichtleiterbündels, die zusammenarbeiten, sowohl als Beleuchtungs- als auch Erfassungslochblenden eines Konfokalsystems arbeiten. Bei einem Einzeldurchlaufausführungsbeispiel werden Informationen außerhalb des Brennpunkts typischerweise unter Verwendung einer computerimplementierten Programmierung verworfen, wie einen Softwarealgorithmus, der derartige Informationen aus jedem durch die Erfassungseinrichtung erfassten Bild herausmaskiert oder entfernt. Das Doppeldurchlaufausführungsbeispiel verschiebt die Last des Verwerfens von Informationen außerhalb des Brennpunkts von der Software (die relativ langsam und ressourcenintensiv ist) auf die Hardware (die relativ schnell ist und weniger Ressourcen verbraucht). Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können Konfokalbilder durch Summieren oder Integrieren des Satzes von Intensitätsverteilungen erzeugt werden, die durch das Lichtleiterbündel zurückgegeben werden, der dann durch den Ortslichtmodulator im Doppeldurchlaufausführungsbeispiel gefiltert werden kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung mit vergrößerten schematischen Darstellungen eines Doppeldurchlaufbetrachtungssystems, bei dem das Beleuchtungslicht über den Ortslichtmodulator 8 durch ein Galvanometer oder einen x-y-Abtastspiegel 38 oder eine ähnliche Abtasteinrichtung abgetastet wird; die Abtastung kann auch bei Einzeldurchlaufausführungsbeispielen angewendet werden. Gemäß 3 wird der Ortslichtmodulator 8 als statische Beleuchtungs- und Erfassungsmaske zum Beleuchten der Kerne 26 entsprechender Lichtleiter 28 des Lichtleiterbündels verwendet, und dann zur Erfassung von Licht, das lediglich von denselben entsprechenden Lichtleitern 28 emittiert wird. Die in 3 gezeigte Ortslichtmodulator-basierte statische Maske bietet Vorteile gegenüber einer einfachen Lochblendenanordnung. Beispielsweise kann ein typisches Lichtleiterbündel eine näherungsweise hexagonale Packungsstruktur verwenden. Dies verursacht eine Veränderung der Mittelpunkt-zu-Mittelpunkt-Beabstandung der Lichtleiter, und die Form jedes Kerns kann irregulär sein. Demnach ist es schwierig, ein ortsvariantes hexagonales Lochblendenarray unter Verwendung von Standardlaserbohrverfahren aufzubauen, da beispielsweise das Lochblendenarray ziemlich häufig neu ausgerichtet werden muss, und für jedes Bündel spezifisch sein kann. Das Aufbauen der hier beschriebenen statischen Maske unter Verwendung eines Ortslichtmodulators ist relativ einfach. Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere bei herkömmlichen Konfokalmikroskopen nützlich, wie einem Konfokallaserabtastmikroskop (CLSM) einem Tandemabtastmikroskop (TSM) oder einem programmierbaren Arraymikroskop (PAM), obwohl es auch bei anderen Betrachtungssystemen verwendet werden kann.
Viele der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten eine Abbildung der Pixel eines Ortslichtmodulators, der Kerne entsprechender Lichtleiter, zusätzlicher Lichtleiter und/oder einer Erfassungseinrichtung, beispielsweise wenn die Erfassungseinrichtung eine pixelierte Erfassungseinrichtung ist. Die Erfindung stellt außerdem Verfahren und Vorrichtungen für diese Abbildung bereit, sowohl als Teil anderer Aspekte der Erfindung als auch für die Abbildung selbst. Die Abbildung kann als Registrierung bezeichnet werden, insbesondere dann, wenn auf die Verbindung der Pixel eines Ortslichtmodulators oder von Lichtleitern in einem Lichtleiterbündel mit den Pixeln einer pixelierten Erfassungseinrichtung Bezug genommen wird. Bei einem Ausführungsbeispiel nimmt eine pixelierte Erfassungseinrichtung wie eine CCD-Kamera „Bilder" des Lichtleiterbündels und des Ortslichtmodulators auf. Die „Bilder" geben die Ortsanordnung der Pixel (d.h. der optischen Schalter) des Ortslichtmodulators und der Kerne der Lichtleiter relativ zu den Pixeln der pixelierten Erfassungseinrichtung an. Die Pixel des Ortslichtmodulators und die pixelierte Erfassungseinrichtung werden dann mit den Kernen der entsprechenden Lichtleiter registriert.
4 zeigt einen Systemaufbau, der von der Lichtquelle zum nahen Ende des Lichtleiterbündels im Wesentlichen derselbe wie in den 1 bis 3 ist. Zum Abbilden der Pixel des Ortslichtmodulators 8 auf die pixelierte Erfassungseinrichtung 32 wird das Lichtleiterbündel 14 in 4 mit einer reflektierenden Oberfläche wie einem ebenen bzw. Planspiegel (nicht gezeigt) ersetzt. Dann wird ein Registriermuster auf den Ortslichtmodulator geschrieben, typischerweise über eine computerimplementierte Programmierung in einer (nicht gezeigten) Steuereinrichtung, und dann wird ein Bild des Registriermusters unter Verwendung der pixelierten Erfassungseinrichtung erfasst. Dieses erste Registrierbild bildet die Pixel des Ortslichtmodulators auf die Pixel der pixelierten Erfassungseinrichtung ab. Ein zweites Registrierbild kann dann durch Ersetzen des ebenen Spiegels durch das Lichtleiterbündel 14 wie in 4 gezeigt erhalten werden, wobei das Lichtleiterbündel 14 an seinem entfernten Ende beleuchtet wird. Dies liefert ein entsprechendes Bild des Lichtleiterbündels 14 auf der pixelierten Erfassungseinrichtung. Dieses zweite Registrierbild bildet die Kerne 26 der Lichtleiter 15 im Lichtleiterbündel 14 auf die Pixel der pixelierten Erfassungseinrichtung ab. Diese zwei Registrierbilder können dann zur Abbildung des Ortslichtmodulators auf das Lichtleiterbündel kombiniert werden. Da insbesondere das erste Registrierbild die Pixel des Ortslichtmodulators auf die Pixel der pixelierten Erfassungseinrichtung abbildet, und das zweite Registrierbild Kerne der Lichtleiter auf die Pixel der pixelierten Erfassungseinrichtung abbildet, können die zwei zum Abbilden der Pixel des Ortslichtmodulators auf die Kerne der Lichtleiter verglichen werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung mit vergrößerten schematischen Darstellungen eines Systems zur Abbildung von Pixeln eines Ortslichtmodulators 8 auf einen oder mehrere Lichtleiter 15 und für eine Abbildung von Lichtleiter zu Lichtleiter. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Vielzahl von Registrierbildern, vorzugsweise zwei oder drei, zum Abbilden der Kerne der Lichtleiter in einem Lichtleiterbündel auf zumindest ein anderes Lichtleiterbündel, vorzugsweise zwei weitere Lichtleiterbündel wie in 5 gezeigt kombiniert. In 5 ist der beschriebene Ortslichtmodulator eine digitale Mikrospiegeleinrichtung. Allerdings sind auch andere Ortslichtmodulatoren geeignet.
Spiegel (Pixel) einer digitalen Mikrospiegeleinrichtung können flach, um +10° gekippt (wes einen Ein-Zustand darstellen kann) oder um –10° gekippt sein (was einen Aus-Zustand darstellen kann). Sind die Spiegel in der digitalen Mikrospiegeleinrichtung 8 flach oder geparkt, kann die pixelierte Erfassungseinrichtung ein Bild eines zweiten Lichtleiterbündels 52 erfassen (das ein Ausgabeoder Lichtemissionsbündel sein kann). Sind die Spiegel in der digitalen Mikrospiegeleinrichtung 8 um +10° gekippt, kann die pixelierte Erfassungseinrichtung ein Bild eines ersten Lichtleiterbündels 50 erfassen (das ein Eingabeoder Lichtaufnahmebündel sein kann). Sind die Spiegel in der digitalen Mikrospiegeleinrichtung 8 bei –10° gekippt, kann die pixelierte Erfassungseinrichtung ein Bild eines dritten Lichtleiterbündels 54 erfassen (das ein Eingabeoder Lichtaufnahmebündel sein kann). Dies liefert drei Abbildungen oder Registrierbilder. Die Faser-Auf-Spiegel-Auf-Faser-Abbildung kann für jeden optischen Weg bestimmt werden (beispielsweise zweites Lichtleiterbündel 52 auf erstes Lichtleiterbündel 50 auf drittes Lichtleiterbündel 54), indem die drei Registrierbilder kombiniert werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Abbildung wie folgt durchgeführt werden:

1. Beleuchten der Kerne der Lichtleiter des zweiten Lichtleiterbündels 52. Parken der Spiegel in der digitalen Mikrospiegeleinrichtung 8 und Erfassen eines Bildes der Faserkerne unter Verwendung der pixelierten Erfassungseinrichtung.
2. Beleuchten der Kerne der Lichtleiter des ersten Lichtleiterbündels 50. Schalten der Spiegel in der digitalen Mikrospiegeleinrichtung 8 in ihren Ein-Zustand von +10° und Erfassen eines Registrierbildes unter Verwendung der pixelierten Erfassungseinrichtung.
3. Beleuchten der Kerne der Lichtleiter des dritten Lichtleiterbündels 54: Schalten der Spiegel in der digitalen Mikrospiegeleinrichtung 8 in ihren Aus-Zustand von –10° und Erfassen eines Bildes unter Verwendung der pixelierten Erfassungseinrichtung.
4. Kombinieren der Registrierbilder zum Errichten einer Lichtleiter-Auf-Ortslichtmodulator-Auf-Lichtleiter-Abbildung, sowie beispielsweise einer Lichtleiter-Auf-Lichtleiter-Auf-Lichtleiter-Abbildung.

Somit stellt die Erfindung Verfahren und Systeme hinsichtlich einer Abbildung bereit, einschließlich einer Abbildung eines Lichtleiters auf einen anderen, eines Ortslichtmodulators auf einen anderen, eines Lichtleiters oder eines Ortslichtmodulators auf ein Target oder eine Erfassungseinrichtung, und Kombinationen daraus. Im Allgemeinen wird ein Registriermuster eines Lichtleiters, Ortslichtmodulators oder eines anderen gewünschten Elements erhalten, indem typischerweise eine pixelierte Erfassungseinrichtung oder eine andere Erfassungseinrichtung verwendet wird, die zwischen Pixeln von Licht unterscheiden kann, das auf der Erfassungseinrichtung auftrifft, wobei dann ein zweites Registriermuster eines zweiten Lichtleiters, Ortslichtmodulators oder eines anderen gewünschten Elements erhalten wird, wobei die beiden dann verglichen werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren ferner die Bewegung eines der abgebildeten Elemente hinsichtlich eines anderen derart, dass sie enger ausgerichtet sind, oder eine Anpassung der Pixel auf einem intervenierenden Ortslichtmodulator zum effektiven Bereitstellen einer verbesserten Ausrichtung, sowie Einrichtungen zur Durchführung derartiger Anpassungen der abgebildeten Elemente oder Pixel.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie auch bei einem nicht kohärenten Lichtleiterbündel verwendet werden kann. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines kohärenten und eines nicht kohärenten Lichtleiterbündels. Im kohärenten Bündel im Feld (a) ist der Ort individueller Lichtleiter 15 am nahen Ende des Lichtleiterbündels 14 im Wesentlichen der Gleiche wie am entfernten Ende; im nicht kohärenten Bündel im Feld (b) verändert sich der Ort individueller Lichtleiter 15 am nahen Ende des Lichtleiterbündels 14 hinsichtlich des Orts am entfernten Ende. Somit überträgt das Lichtleiterbündel im kohärenten Bündel im Feld (a) ein kohärentes Bild von einem Ende des Bündels zum anderen. Im nicht kohärenten Bündel im Feld (b) sind die beleuchteten Fasern derart angeordnet, dass sie am Beleuchtungsende zusammen gruppiert sind, jedoch über das gesamte Bündel am Emissionsende gleichförmig verteilt sind. Die Mittelpunkt-Zu-Mittelpunktbeabstandung der beleuchteten Fasern am entfernten, d.h., Emissionsende ist vorzugsweise groß genug, dass die erfassten Intensitätsverteilungen nicht wesentlich überlappen. Ein derartiges nicht kohärentes Bündel ermöglicht einem Lichtleiterbündel, das mit einem herkömmlichen Lichtpunkt abgetastet wird (beispielsweise einem von einem Galvanometer oder einer ähnlichen Abtasteinrichtung erzeugten Punkt), einen Satz geeignet beabstandeter paralleler Beleuchtungspunkte zu erzeugen, die im Wesentlichen eine Überlappunq in ihren erfassten Intensitätsverteilungen vermeiden, selbst wenn eingeschaltete Pixel der Beleuchtungsmaske nicht geeignet voneinander beabstandet sind. Das endgültige Bild kann gebildet werden, da die durch die Pixel der pixelierten Erfassungseinrichtung aufgenommenen Daten unter Verwendung der Abbildung rekonstruiert werden können, die unter Verwendung der hier beschriebenen Abbildungsansätze erzeugt wird. Somit können kohärente Bilder unter Verwendung weniger kostenintensiver nicht kohärenter Lichtleiterbündel erhalten werden.
Hinsichtlich allgemeiner Anmerkungen zu den Systemen und dem Fokus kann das entfernte Ende des Lichtleiterbündels in Verbindung mit einem Linsensystem angebracht werden (wie einer GRIN-Linse, einer kleinen Standardlinse oder einer Linsengruppe, einer geformten GRIN-Linse, einer Beugungslinse oder einer Kombination aus diesen), um das projizierte Beleuchtungsmuster in das Gewebe zu verkleinern und das zurückgestreute, fluoreszente oder anderes austretendes zu erfassendes Licht zu vergrößern.
Die Bewegung der Konfokalbildebene entlang der optischen Achse des Lichtleiterbündellinsensystems zum Abfragen unterschiedlicher Gewebetiefen kann erwünscht sein. Dies kann beispielsweise durch Befestigen eines piezoelektrischen Elements oder einer anderen Längenausdehnungseinrichtung oder Materials, das in der Form eines Zylinders ist oder einen anderen gewünschten Aufbau hat, am entfernten Ende des Lichtleiterbündels durchgeführt werden. Eine Änderung der Spannung am piezoelektrischen Element ändert dessen Länge, so dass die Entfernung zwischen dem Lichtleiterbündel und von Linsen, die entfernt am entfernten Ende platziert sind, sich auch ändert. Somit ändert sich die Position der Probenbrennpunktebene oder der Objektebene im Gewebe. Das piezoelektrische Element kann beispielsweise entlang dem entfernten Ende des Lichtleiters oder Lichtleiterbündels, zwischen dem Lichtleiterbündel und der Linse oder zwischen der/den Linsen und dem Ende der Betrachtungseinrichtung (wie einem Endoskop), wie eines Betrachtungsfensters platziert sein.
Außerdem kann die Verringerung der Rückstreuung von Brechungsindex-Fehlanpassungen an jedem Ende des Lichtleiterbündels erwünscht sein, die den Bildkontrast verringert und die Lichtmenge verringert, die in das Target übertragen oder von diesem empfangen wird. Bei einem Ausführungsbeispiel koppelt ein optisches Kopplungsfluid mit einem Brechungsindex ähnlich jenem der Kerne der Lichtleiter im Bündel und der Linse(n) das Licht vom Lichtleiter in die Linse und umgekehrt. Diese Indexübereinstimmung kann sowohl am nahen als auch entfernten Ende des Lichtleiterbündels angewendet werden.
Die Erfindung kann auch bei der herkömmlichen Mikroskopie und Endoskopie nützlich sein. Beispielsweise hat ein herkömmliches Endoskop ein für die Visualisierung innerer Organe geeignetes Bildfeld. Ein Mikroendoskop hat allerdings ein relativ kleines Bildfeld (typischerweise 100 bis 400 μm) zur Abbildung von Gewebe auf Zellenebene. Ein herkömmliches Endoskop verwendet separate Lichtleiterbündel zur Beleuchtung und Erfassung zum Erreichen von annehmbarem Kontrast. Ein Mikroendoskop verwendet typischerweise ein einzelnes Lichtleiterbündel zur Beleuchtung und Erfassung. Die hier beschriebenen Verfahren und Einrichtungen, wie jene, die die Pixel-Auf-Kern-Beleuchtung und Erfassung betreffen, sowie die Lichtleiter-Auf-Lichterleiterabbildung, können bei derartigen herkömmlichen Einrichtungen zum Erreichen von annehmbarem oder verbessertem Kontrast verwendet werden.
Ein herkömmliches Endoskop kann daher aufgebaut werden, das lediglich einen einzelnen Lichtleiter oder ein einzelnes Lichtleiterbündel zur Beleuchtung und Erfassung erfordert. Dies ermöglicht einen kleineren Außendurchmesser einer derartigen Einrichtung und somit den Zugang zu Teilen des Körpers, die gegenwärtig schwer erreicht werden können.
Die Erfindung kann auch für eine in vivo-Konfokalbildgebung von optischen Gewebeeigenschaften oder für andere gewünschte Zwecke unter Verwendung eines optischen Bildgebungssystems wie bei einem starren Endoskop verwendet werden. Beispielsweise kann ein zweiter Ortslichtmodulator in einer konjugierten Bildebene einer Aperturblende der Objektivlinse eines herkömmlichen Mikroskops oder anderen Betrachtungssystems zur Steuerung der Beleuchtungswinkel verwendet werden. Da das zu Beginn in das Gewebe eintretende Licht sich in seiner anfänglichen Richtung für zumindest ungefähr eine Mittelweg-freie Weglänge (ein gewebe- oder targetabhängiger Parameter) ausbreiten wird, können bei verschiedenen Beleuchtungswinkeln erzeugte Bilder zum Sammeln von Informationen über das Gewebe bei verschiedenen Tiefen kombiniert werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel erzeugt die Fokussierung oben auf dem Gewebe unter Verwendung verschiedener Beleuchtungswinkel, d.h. –45°, 0° und +45° in der x-z-Ebene, –45° und +45° in der y-z-Ebene und –45° und +45° jeweils in den zwei diagonalen x-y-Ebenen ein oberflächenverbessertes Bild, Q = 0° Bild (alle 45°-Bilder/Anzahl von 45° Bildern) für jedes Beleuchtungspunktmuster. Ein vollständiges Konfokalbild ist die Summe aller Q-Bilder. Die inverse Prozedur ergibt ein Bild, das mehr Informationen tiefer in dem Gewebe zeigt.
Somit liefert die Erfindung Verfahren und Systeme hinsichtlich der optischen Abfrage eines Targets wie Gewebe, einschließlich menschlichen Gewebes, sowie nichtlebender Targets, wie Computerkomponenten und Einrichtungen, die für die Verwendung bei anderen industriellen Schauplätzen geeignet sind, mit einer Beleuchtung und Erfassung unter Verwendung eines einzelnen Lichtleiters großer Bohrung zum Übertragung eines Lichtwinkels, entweder Beleuchtungslicht oder Erfassungslicht oder beides. Dieser Aspekt kann verbesserte Bilder des Targets an verschiedenen Tiefen erzeugen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die Verfahren eine Fokussierung auf einer gewünschten Ebene im Target unter Verwendung verschiedener Beleuchtungswinkel zur Erzeugung eines verbesserten Bildes, wobei ein Konfokalbild durch Summieren im Wesentlichen aller Bilder aus der gegebenen Tiefe erzeugt werden kann.
Die Erfindung stellt auch Verfahren zum Ausbilden und Verwenden der hier beschriebenen Einrichtungen und Systeme bereit, sowie Verfahren, die bei anderen Einrichtungen und Systemen angewendet werden können. Beispielsweise können Betrachtungssysteme durch optisches Verbinden eines Ortslichtmodulators mit dem nahen Ende eines Lichtleiterbündels in derselben konjugierten Bildebene wie das nahe Ende ausgebildet werden, so dass der Ortslichtmodulator den Ort von Licht steuert, das am nahen Ende auftrifft. Das Betrachtungssystem kann ein Konfokalmikroskopieendoskop sein, und das Lichtleiterbündel umfasst vorzugsweise mindestens 100 Lichtleiter. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Betrachtungssystem einen einzelnen Lichtleiter verwenden. Der Ortslichtmodulator kann entweder in derselben Bildebene wie das nahe Ende platziert sein, wobei dann der Ortslichtmodulator den Ort des Beleuchtungslichts auf dem/den Lichtleitern steuern kann, oder der Ortslichtmodulator kann in einer Bildebene platziert sein, die dem Ortslichtmodulator die Steuerung des Winkels des Beleuchtungslichts ermöglicht, wenn es auf das optische Bildgebungssystem trifft. Dieses und verschiedene andere Verfahren und Merkmale der Erfindung können unter Verwendung einer Steuereinrichtung und einer computerimplementierten Programmierung implementiert sein. Bei einem Ausführungsbeispiel versetzt die Programmierung Pixel des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand, die Kernen entsprechender Lichtleiter im Lichtleiterbündel entsprechen, um eingeschaltete Pixel bereitzustellen, und versetzt Pixel in einen Aus-Zustand, die Zwischenkernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Pixel bereitzustellen.
Das System kann ferner eine optisch verbundene Lichtquelle umfassen, die Licht für das Lichtleiterbündel bereitstellt, und eine pixelierte Erfassungseinrichtung umfassen, die von dem nahen Ende des Lichtleiterbündels austretendes Licht empfängt. Das System kann typischerweise über die Erfassungseinrichtung mit der Steuereinrichtung mit computerimplementierter Programmierung zum Ünterscheiden von Licht kombiniert werden, das aus den eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechenden Lichtleitern austritt, und Licht, das von anderen Lichtleitern austritt. Das System kann entweder ein Einzeldurchlaufbetrachtungssystem oder ein Doppeldurchlaufbetrachtungssystem sein, und der Ortslichtmodulator kann als dynamische Beleuchtungs- oder Erfassungsmaske dienen, oder eine Abtasteinrichtung kann vorgesehen sein, die den Ort von zu dem Ortslichtmodulator und weiter zum nahen Ende des Lichtleiterbündels übertragenem Licht steuert.
Ein Target kann durch Übertragen von Licht von einer Lichtquelle zu einem nahen Ende eines Lichtleiterbündels über einen Ortslichtmodulator beleuchtet werden, wobei der Ortslichtmodulator das Licht im Wesentlichen lediglich in Kerne von Lichtleitern im Lichtleiterbündel überträgt; durch Übertragen des Lichts von dem nahen Ende des Lichtleiterbündels zu einem entfernten Ende des Lichtleiterbündels und Emittieren des Lichts aus dem entfernten Ende des Lichtleiterbündels; und Beleuchten des Targets mit dem aus dem entfernten Ende des Lichtleiterbündels emittierten Licht. Die Verfahren können eine Abtastung eines Lichtstrahls über den Ortslichtmodulator und ein gleichzeitiges Versetzen zumindest eines Pixels des Ortslichtmodulators, das einem Kern eines der Lichtleiter entspricht, in einen Ein-Zustand zum Bereitstellen zumindest eines eingeschalteten Pixels und Versetzen anderer Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand umfassen, wodurch der Lichtstrahl im Wesentlichen lediglich in den Kern des Lichtleiters übertragen wird, wenn der Lichtstrahl das eingeschaltete Pixel berührt, und der Lichtstrahl nicht in Zwischenkernbereiche des Lichtleiterbündels oder in Lichtleiter übertragen wird, die an den Lichtleiter angrenzen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die Verfahren die Beleuchtung eines inneren in vivo-Targets.
Ein Bild eines Targets kann beispielsweise durch Übertragen von Licht von einer Lichtquelle über einen Ortslichtmodulator zu einem Lichtleiterbündel, dann Emittieren des Lichts aus einem entfernten Ende des Lichtleitbündels zum Beleuchten des Targets und dadurch Bewirken, dass Licht aus dem Target austritt, um austretendes Licht bereitzustellen, Erfassen des austretenden Lichts, das das entfernte Ende des Lichtleiterbündels berührt, und Übertragen des austretenden Lichts über das Lichtleiterbündel zu einer Erfassungseinrichtung zum Bereitstellen eines Bildes des Targets an der Erfassungseinrichtung erhalten werden. Das Bild kann beispielsweise entweder durch ein Okular oder eine pixelierte Erfassungseinrichtung betrachtet werden, und das Bild kann ein Weitfeld- oder Konfokalbild oder ein anderes gewünschtes Bild sein. Außerdem kann das Bild ein inneres Bild eines in vivo-Target sein und kann durch ein Endoskop erhalten werden.
BEISPIEL
Ein System gemäß 1 wurde zum Demonstrieren einer Konfokalbildgebung über ein Faserbündel aufgebaut. Eine digitale Mikrospiegeleinrichtung (DMD) von Texas Instruments (Dallas, TX) wurde als SLM aufgrund ihres hohen Kontrasts, hohen Pixelzählwerts und schneller Zeitantwort verwendet. Die DMD-Mikrospiegel hatten eine Mittelpunkt-Zu-Mittelpunkt-Beabstandung von 17 μm und eine mechanische Schaltzeit von 15 μs. L. J. Hornbeck, Proc. SPIE 3013,27 (1997). Eine 640 × 480-Auflösung-DMD mit vollem Ein-Aus-Kontrastverhältnis von 255:1 wurde dabei verwendet; nunmehr sind Einrichtungen höherer Auflösungen (1280 × 1024) und erhöhtem Kontrast (370:1) erhältlich.
Ein Bildleiter von Sumitomo IGN-08/30 (30000 Fasern, 2 μm Faserdurchmesser, 3 μm Mittelpunkt-Zu-Mittelpunkt-Beabstandung, 0,35 NA) wurde in der Objektebene eines herkömmlichen Mikroskops positioniert, das für eine reflektierte Licht-epi-Beleuchtung konfiguriert ist. Die DMD wurde im Beleuchtungsweg des Mikroskops derart positioniert, dass sie mit der Objektebene konjugiert war. Der Kontrast der DMD wurde maximiert, da die Bildseiten-NA eines Mikroskopobjektivs im Allgemeinen viel weniger als der Maximalwert von 0,18 war, wie er von Hornbeck, Proc. SPIE: 3013,27 (1997) für optimalen Kontrast vorgeschlagen ist. Eine CCD-Kamera wurde in der primären Bildebene des Mikroskops positioniert. Die DMD wurde gleichmäßig mit blauem (400 bis 500 nm) gefiltertem Licht von einer EFOS-(Mississauga, ON) X-Cite-Quecksilberdampflampe beleuchtet. Die Objektivlinse L1 war eine Nikon 20X Plan Apochromat.
Die DMD-Spiegel und CCD-Pixel wurden mit den Fasern des Bildbündels in einer zweistufigen Kalibrierungsprozedur registriert. Zuerst wurde ein Planspiegel in der Objektebene des Mikroskops positioniert (das nahe Ende des Bildbündels wie in 1 gezeigt wurde vorrübergehend durch einen Planspiegel ersetzt). Ein Registriermuster wurde auf die DMD geschrieben und ein Bild wurde unter Verwendung der CGD-Kamera erfasst. Dieses erste Registrierbild wurde zum Abbilden der DMD-Spiegel auf die CCD-Pixel verwendet. Das Bildbündel wurde dann in der Objektebene des Mikroskops platziert und an seinem entfernten Ende beleuchtet. Ein Bild des Faserbündels wurde erfasst. Dieses zweite Registrierbild wurde zum Abbilden von Fasern im Bündel auf CCD-Pixel verwendet. Zusammengenommen wurden die zwei Registrierbilder zum Abbilden von DMD-Spiegeln auf individuelle Fasern verwendet. Bei den hier berichteten Versuchsergebnissen wurden durchschnittlich 6 Spiegel auf jede Faser im Bündel abgebildet. Das Abbilden der Spiegel auf die Fasern für 7 typische Fasern ist in der Beleuchtungsmaske von 1 dargestellt.
Eine Faser im Bildbündel wurde durch Aktivieren solcher Spiegel in der DMD beleuchtet, die dieser Faser entsprachen. Am entfernten Ende der Faser wurden Photonen von einer beleuchteten Faser in die Probe durch ein Linsensystem weitergegeben. Dieses Doppelobjektivlinsensystem war aus zwei Nikon Plan Achromat-Linsen (20X 0,75 NA und 60X 1,40 NA in Öl getaucht) gebildet, die um eine Feldlinse zum Bereitstellen einer 3X-Vergrößerung Rücken an Rücken platziert waren. Strukturen im Brennpunkt in der Probe in der Objektebene streuten Photonen zu der beleuchteten Faser zurück. Strukturen aus dem Brennpunkt, über oder unter der Objektebene, streuten Photonen zu der Gruppe von Fasern zurück, die an die beleuchtende Faser angrenzten. Ein Konfokalbild wurde durch Aufbewahren der Photonen im Brennpunkt (solche, die in dieselbe Faser zurückgestreut wurden, aus der sie abgegeben wurden) und Verwerfen der Photonen aus dem Brennpunkt aufgebaut.
Der optische Wirkungsgrad des Beleuchtungswegs wurde durch Messen der am nahen Ende des Faserbündels einfallenden optischen Leistung und der aus ihrem entfernten Ende emittierten bestimmt. Wurden lediglich individuellen Faserkernen zugeordnete Spiegel aktiviert, betrug die optische Leistung 30%. Dieser Wirkungsgrad beinhaltet Verluste aufgrund von Faserdämpfung, Fresnel-Reflektionen an jedem Ende des Faserbündels und einer Faser-Zu-Spiegel-Fehlausrichtung. Wurde das gesamte Faserbündel durch Aktivieren aller Spiegel beleuchtet, fiel der optische Wirkungsgrad auf 19% zurück. Der Wirkungsgrad fiel unter vollständiger Beleuchtung, da auf das inaktive Material zwischen Faserkernen, bzw. Zwischenkernmaterial, fallendes Licht nicht wirksam durch das Faserbündel übertragen wurde. Dieses verschwendete Licht wurde entweder zurückgestreut, was den Kontrast des Systems verringerte, oder in den Mantel eingekoppelt und dann durch die Faserhülle absorbiert oder erneut in eine benachbarte Faser eingekoppelt.
Mit dem System erfasste Bilder sind in 7 gezeigt. Die Abschnitte (a) bis (c) zeigen herkömmliche (Weitfeld) Bilder eines Intel 80486 Mikroprozessors, die an drei verschiedenen Brennpunktebenen abgebildet sind. Die entsprechenden Konfokalbilder sind in den Abschnitten (d) bis (f) gezeigt. Der axiale Unterschied zwischen den Brennpunktebenen betrug 2 μm und das Maßstabgitter in jedem Bild betrug 10 μm in der Länge. In beiden Bildgruppen erschienen Merkmale im Brennpunkt; lediglich in den Weitfeldbildern erschienen Merkmale außerhalb des Brennpunkts, die in den Konfokalbildern im Allgemeinen fehlten. In den drei Weitfeldbildern waren die Faserstrukturen klar sichtbar. Im Konfokalfall war die Faserstruktur nicht so sichtbar, da die gesamte Intensität im Brennpunkt, integriert über den Kernbereich jeder Faser, in das endgültige Bild als glatter Gauß-Punkt geschrieben wurde. Ein mittlerer Graupegel von 25 wurde in den Faserkernen beobachtet, wenn das vom Target reflektierte Signal blockiert wurde. Strukturen im Brennpunkt, die veranlassten, dass die Fasern die 8-Bit-Erfassungseinrichtung sättigten, hatten daher einen Kontrast von 10:1. Weitaus höhere Kontraste werden erhalten, wenn das Faserbündel richtig mit den Objektivlinsen unter Verwendung einer Indexanpassungsflüssigkeit gekoppelt ist.
Die Axialantwort des Systems war durch Bewegen eines Planspiegels durch den Brennpunkt charakterisiert. 8 zeigt die Antwort, wenn eine einzelne Faser am Mittelpunkt des Feldes beleuchtet wurde. Die FWHM betrug 1,6 μm. Bei diesem Konfokalsystem liefert jede Faser im Bildgebungsbündel die Funktion einer Beleuchtungs- und Erfassungslochblende. Der effektive Durchmesser der Konfokallochblende wurde daher durch den mittleren Durchmesser der Fasern bestimmt. Der normalisierte Durchmesser der Lochblende, projiziert durch das Linsensystem in den Objektraum, war v_p = kd₀ NA/M, wobei k = 2π/λ, d₀ der Faserdurchmesser und M die Vergrößerung war. Hier wird angenommen, dass der Durchmesser des Faserkerns gleich der FWHM ihrer Intensitätsverteilung d₀ d_FWHM = 2,5 μm war. Der NA des Linsensystems war 3 0,35 = 1,05 (der effektive NA des Linsensystems war durch den NA des Bildgebungsbündels begrenzt, das durch die Linse projiziert wurde). Bei einer Wellenlänge von λ = 450 nm ist v_p = 6,11, und demnach war die theoretische Veränderung einer Intensität auf der Achse mit Defokus nicht gut durch die einfache sinc(z)-Achsenparallelformel beschrieben. Eine theoretische FWHM von 1,07 μm wurde für dieses Konfokalsystem nach dem Verfahren von Wilson und Carlini, Opt. Lett.: 12, 227 (1987) berechnet. Der Unterschied zwischen der theoretischen und der betrachteten FWHM beruhte hauptsächlich auf der nicht gleichförmigen Photonendichte über die Faserlochblende. Die theoretische Berechnung nimmt gleichförmige Beleuchtungs- und Erfassungslochblendenfunktionen an, was für eine Faserbeleuchtungslochblende mit einer Gaußähnlichen Intensitätsverteilung nicht gilt.
Die Verwendung eines SLM zum wahlweisen Beleuchten individueller Fasern anstelle einer einfachen Abtastung eines Punkts über das Faserbündel kann die optische Schnittdarstellungsfähigkeit eines faseroptischen Konfokalmikroskops verbessern. Bei einem herkömmlichen Abtastsystem können bis zu drei Fasern gleichzeitig beleuchtet werden (wenn eine hexagonale Faserpackung angenommen wird), da der Punkt über die Zwischen-Faser(Zwischen-Kern-)Region des Lichtbündels läuft. Da die Punktintensität beim Laufen des Lichts durch jede der drei Fasern neu verteilt werden kann, kann der effektive Lochblendendurchmesser um einen Faktor von bis zu 2 oder darüber hinaus erhöht werden. Die Erhöhung des Lochblendendurchmessers kann die optische Schnittdarstellungsfähigkeit des Systems verringern. Werden Lichtleiter individuell durch die Anwendung eines SLM beleuchtet, wird im Wesentlichen lediglich eine Faser (oder diskrete Fasern) auf einmal beleuchtet und der effektive Lochblendendurchmesser ist typischerweise gleich dem Durchmesser der Faser. Dies liefert eine kleinere FWHM und eine verbesserte optische Schnittdarstellung. Außerdem führt die Beleuchtung individueller Fasern mit einem SLM auch zu höherem Kontrast und verbessertem optischen Wirkungsgrad, da alle auf das Faserbündel einfallenden Photonen in einen bestimmten Faserkern gekoppelt werden, und sehr wenige Photonen von dem Zwischenraummaterial zwischen den Fasern zurückgestreut werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass, obwohl bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung zur Veranschaulichung beschrieben wurden, verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung gemacht werden können. Demnach ist die Erfindung lediglich durch die beigefügten Patentansprüche beschränkt.

Claims

Betrachtungssystem zur Steuerung von Licht, das eine Probe (22) berührt, mit einem pixelierten Ortslichtmodultor (8) mit einem Array individueller Lichtübertragungspixel, einem Lichtleiterbündel (14) mit einem nahen Ende (16) und einem entfernten Ende (18), wobei das Lichtleiterbündel eine Vielzahl von Lichtleitern (15) umfasst, die jeweils zumindest einem der individuellen Lichtübertragungspixel entsprechen, und einer Steuereinrichtung, mit der der pixelierte Ortslichtmodulator (8) funktionsfähig verbunden ist, wobei der Ortslichtmodulator (8) mit dem nahen Ende (16) des Lichtleiterbündels (14) in derselben konjugierten Bildebene wie die Probe (22) optisch verbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung den Ort des an dem nahen Ende (16) auftreffenden Lichts mittels des Arrays der individuellen Lichtübertragungspixel steuert, wodurch das Licht lediglich zu zumindest einem Lichtleiter übertragen wird, der zumindest einem Lichtübertragungspixel entspricht, das sich in einem Lichtübertragungszustand befindet.
Betrachtungssystem nach Anspruch 1, wobei das Betrachtungssystem ein Endoskop umfasst.
Betrachtungssystem nach Anspruch 2, wobei das Lichtleiterbündel zumindest 100 Lichtleiter umfasst, und das Endoskop ein konfokales Mikroskopieendoskop ist.
Betrachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Ortslichtmodulator funktionsfähig mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die eine computerimplementierte Programmierung zum Versetzen von Pixeln des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand umfasst, die Kernen entsprechender Lichtleiter in dem Lichtleiterbündel entsprechen, um eingeschaltete Pixel bereitzustellen, und zum Versetzen von Pixeln in einen Aus-Zustand umfasst, die Zwischen-Kernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Pixel bereitzustellen.
Betrachtungssystem nach Anspruch 4, wobei eine Vielzahl ausgewählter Gruppen der eingeschalteten Pixel sich im Ein-Zustand befinden, wobei die ausgewählten Gruppen derart beabstandet sind, dass Licht, das aus dem entfernten Ende eines einer ersten ausgewählten Gruppe von eingeschalteten Pixeln entsprechenden ersten Lichtleiters austritt, mit Licht nicht wesentlich interferiert, das aus dem entfernten Ende eines einer zweiten ausgewählten Gruppe eingeschalteter Pixel entsprechenden zweiten Lichtleiters austritt, und im Wesentlichen alle anderen Pixel des Ortslichtmodulators sich im Aus-Zustand befinden.
Betrachtungssystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei zumindest drei verschiedene Pixel des Ortslichtmodulators einem jeweiligen Kern im Wesentlichen aller entsprechenden Lichtleiter entsprechen.
Betrachtungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Betrachtungssystem ferner eine pixelierte Erfassungseinrichtung aufweist, die optisch zum Empfangen von Licht verbunden ist, das aus dem nahen Ende des Lichtleiterbündels austritt, und die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die zwischen Licht, das aus den eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechenden Lichtleitern austritt, und Licht unterscheidet, das aus anderen Lichtleitern austritt.
Betrachtungssystem nach Anspruch 7, wobei die computerimplementierte Programmierung außerdem Licht ignoriert, das aus den anderen Lichtleitern austritt.
Betrachtungssystem nach Anspruch 7, wobei die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die aus den anderen Lichtleitern austretendes Licht erfasst, um Daten außerhalb des Brennpunkts bereitzustellen, und die Programmierung die Daten außerhalb des Brennpunkts mit dem Licht verbindet, das aus den den eingeschalteten Pixeln entsprechenden Lichtleitern austritt, um ein verbessertes Bild bereitzustellen.
Betrachtungssystem nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung die Daten außerhalb des Brennpunkts mit dem Licht, das aus den den eingeschalteten Pixeln entsprechenden Lichtleitern austritt, unter Verwendung einer zweidimensionalen Gauß-Verteilung ausstattet.
Betrachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Betrachtungssystem ein Betrachtungssystem mit einem Einfachdurchlauf ist, und das Betrachtungssystem ferner eine optisch mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels verbundene Lichtquelle umfasst, und der Ortslichtmodulator optisch zwischen die Lichtquelle und das nahe Ende des Lichtleiterbündels geschaltet ist.
Betrachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Betrachtungssystem ein Betrachtungssystem mit Doppeldurchlauf ist, und das Betrachtungssystem ferner eine Lichtquelle und eine Erfassungseinrichtung umfasst, die beide optisch mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels verbunden sind, und der Ortslichtmodulator optisch zwischen a) sowohl die Lichtquelle als auch die Erfassungseinrichtung und b) das nahe Ende des Lichtleiterbündels geschaltet ist.
Betrachtungssystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die Pixel des Ortslichtmodulators auf entsprechende Kerne entsprechender Lichtleiter im Lichtleiterbündel zur Bereitstellung einer Abbildung mit entsprechenden Pixeln und nicht-entsprechenden Pixeln abbildet.
Betrachtungssystem nach Anspruch 13, wobei das Betrachtungssystem ferner eine Abtasteinrichtung umfasst, die den Ort von zu dem Ortslichtmodulator und weiter zum nahen Ende des Lichtleiterbündels übertragenem Licht steuert, und die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die die Abtasteinrichtung zur Abtastung des Ortslichtmodulators anweist und gleichzeitig zumindest eines der entsprechenden Pixel in einen Ein-Zustand versetzt und andere Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand versetzt, wodurch die Übertragung von Licht von der Lichtquelle im Wesentlichen lediglich zu den Kernen entsprechenden Lichtleiter bewirkt wird.
Betrachtungssystem nach Anspruch 13, wobei die Lichtquelle optisch mit dem Ortslichtmodulator derart verbunden ist, dass die Lichtquelle einen wesentlichen Abschnitt der Pixel des Ortslichtmodulators beleuchtet, und die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die ausgewählte entsprechende Pixel in einen Ein-Zustand versetzt und andere Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand versetzt, wodurch die Übertragung von Licht von der Lichtquelle im Wesentlichen lediglich zu den Kernen der den entsprechenden Pixeln entsprechenden Lichtleitern bewirkt wird.
Betrachtungssystem nach Anspruch 15, wobei die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die die ausgewählten entsprechenden Pixel, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, derart auswählt, dass Licht, das aus dem entfernten Ende eines einem ersten ausgewählten entsprechenden Pixel entsprechenden ersten Lichtleiters austritt, nicht wesentlich mit Licht interferiert, das aus dem entfernten Ende eines einem zweiten ausgewählten entsprechenden Pixel entsprechenden zweiten Lichtleiters austritt, und die ausgewählten entsprechenden Pixel, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, über die Zeit derart verändert werden, dass im Wesentlichen alle Lichtleiter im Lichtleiterbündel beleuchtet werden.
Betrachtungssystem nach Anspruch 1, wobei das Betrachtungssystem in einem flexiblen Endoskopsystem aufgenommen ist, das eine konfokale Mikroskopie eines Targetgewebes bereitstellt, wobei das System ein Endoskop mit einem Lichtleiterbündel mit zumindest 100 Lichtleitern und mit einem nahen Ende und einem entfernten Ende umfasst, wobei das System ferner einen pixelierten Ortslichtmodulator, der optisch mit dem nahen des Lichtleiterbündels in derselben konjugierten Bildebene wie das nahe Ende derart verbunden ist, dass der Ortslichtmodulator den Ort von an dem nahen Ende auftreffendem Licht steuert, und eine Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung umfasst, die mit dem Ortslichtmodulator funktionsfähig verbunden ist und zum Versetzen von Gruppen von Pixeln des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand, die Kernen entsprechender Lichtleiter im Lichtleiterbündel entsprechen, um Gruppen von eingeschalteten Pixeln bereitzustellen, und zum Versetzen von Pixeln in einen Aus-Zustand eingerichtet ist, die Zwischen-Kernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Pixel bereitzustellen.
Flexibles Endoskopsystem nach Anspruch 17, wobei sich eine Vielzahl ausgewählter Gruppen der eingeschalteten Pixel im Ein-Zustand befindet, wobei die ausgewählten Gruppen derart beabstandet sind, dass aus dem entfernten Ende eines ersten Lichtleiters austretendes Licht, der einer ersten ausgewählten Gruppe eingeschalteter Pixel entspricht, nicht wesentlich mit Licht interferiert, das aus dem entfernten Ende eines zweiten Lichtleiters austritt, der einer zweiten ausgewählten Gruppe eingeschalteter Pixel entspricht, und andere Pixel des Ortslichtmodulators sich im Aus-Zustand befinden.
Flexibles Endoskopsystem nach Anspruch 17 oder 18, wobei zumindest drei verschiedene Pixel des Ortslichtmodulators einem jeweiligen Kern im Wesentlichen aller entsprechenden Lichtleiter entsprechen.
Flexibles Endoskopsystem nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Endoskop ferner eine pixelierte Erfassungseinrichtung umfasst, die optisch zum Empfangen von Licht verbunden ist, das aus dem nahen Ende des Lichtleiterbündels austritt, und die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die zwischen Licht, das aus den Lichtleitern austritt, die eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechen, und Licht unterscheidet, das aus anderen Lichtleitern austritt.
Flexibles Endoskopsystem nach Anspruch 20, wobei die computerimplementierte Programmierung außerdem Licht ignoriert, das aus den anderen Lichtleitern austritt.
Flexibles Endoskopsystem nach Anspruch 20, wobei die Steuereinrichtung ferner eine computerimplementierte Programmierung umfasst, die aus den anderen Lichtleitern austretendes Licht erfasst, um Daten außerhalb eines Brennpunkts bereitzustellen, und die Programmierung die Daten außerhalb des Brennpunkts mit dem Licht verbindet, das aus den den eingeschalteten Pixeln entsprechenden Lichtleitern austritt, um ein verbessertes Bild bereitzustellen.
Verfahren zum Bereitstellen eines Betrachtungssystems zur Steuerung von Licht, das eine Probe (22) berührt, mit a) Bereitstellen eines pixelierten Ortslichtmodulators (8) mit einem Array individueller Lichtübertragungspixel, b) Bereitstellen eines Lichtleiterbündels (14) mit einem nahen Ende (16) und einem entfernten Ende (18), wobei das Lichtleiterbündel eine Vielzahl von Lichtleitern (15) umfasst, die jeweils zumindest einem der individuellen Lichtübertragungspixel entsprechen, c) Bereitstellen einer Steuereinrichtung, mit der der pixelierte Ortslichtmodulator (8) funktionsfähig verbunden ist, und d) Platzieren des Ortslichtmodulators (8) in optischer Verbindung mit dem nahen Ende (16) des Lichtleiterbündels (14) in derselben konjugierten Bildebene wie die Probe (22) derart, dass die Steuereinrichtung den Ort von am nahen Ende (16) auftreffendem Licht mittels des Arrays der individuellen Lichtübertragungspixel steuert, wodurch die Übertragung des Lichts lediglich zu zumindest einem Lichtleiter veranlasst wird, der zumindest einem Lichtübertragungspixel entsprich, das sich in einem Lichtübertragungszustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Betrachtungssystem ein konfokales Mikroskopieendoskop ist, und das Verfahren ferner die Bereitstellung des Lichtleiterbündels mit zumindest 100 Lichtleitern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, wobei das Verfahren ferner eine funktionsfähige Verbindung des Ortslichtmodulators mit einer Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung zum Versetzen von Pixeln des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand, die Kernen entsprechender Lichtleiter im Lichtleiterbündel entsprechen, um eingeschaltete Pixel bereitzustellen, und zum Versetzen von Pixeln in einen Aus-Zustand umfasst, die zwischen Kernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Pixel bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei das Verfahren ferner eine optische Verbindung einer pixelierten Erfassungseinrichtung mit dem System zum Empfangen von aus dem nahen Ende des Lichtleiterbündels austretendem Licht und ferner das Versehen der Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung umfasst, die zwischen Licht, das aus den eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechenden Lichtleitern austritt, und Licht unterscheidet, das aus anderen Lichtleitern austritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei das Verfahren auf dei Ausbildung eines Betrachtungssystems mit einfachem Durchlauf gerichtet ist, und das Verfahren ferner die Bereitstellung einer mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels optisch verbundenen Lichtquelle und Platzieren des Ortslichtmodulators in optischer Verbindung zwischen der Lichtquelle und dem nahen Ende des Lichtleiterbündels und nicht in optischer Verbindung zwischen der Lichtquelle und der pixelierten Erfassungseinrichtung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei das Verfahren auf die Ausbildung eines Betrachtungssystems mit doppeltem Durchlauf gerichtet ist, und das Verfahren ferner die Bereitstellung einer mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels optisch verbundenen Lichtquelle und Platzieren des Ortslichtmodulators in optischer Verbindung zwischen a) der Lichtquelle und der pixelierten Erfassungseinrichtung und b) dem nahen Ende des Lichtleiterbündels umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei das Verfahren ferner eine Bereitstellung einer Abtasteinrichtung, die den Ort von zu dem Ortslichtmodulator und weiter zum nahen Ende des Lichtleiterbündels übertragenem Licht steuert, und ferner das Versehen der Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung umfasst, die die Abtasteinrichtung zum Abtasten des Ortslichtmodulators anweist und gleichzeitig zumindest eines der entsprechenden Pixel in einen Ein-Zustand versetzt und andere Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand versetzt, um Licht von der Lichtquelle im Wesentlichen nur zu den Kernen entsprechender Lichtleiter zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei das Verfahren ferner eine optische Verbindung der Lichtquelle mit dem Ortslichtmodulator derart, dass die Lichtquelle einen wesentlichen Abschnitt der Pixel des Ortslichtmodulators beleuchtet, und ferner das Versehen der Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung umfasst, die ausgewählte entsprechende Pixel in einen Ein-Zustand versetzt und andere Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand versetzt, um Licht von der Lichtquelle im Wesentlichen lediglich zu den Kernen der Lichtleiter zu übertragen, die den entsprechenden Pixeln entsprechen.
Verfahren zum Ausbilden eines Betrachtungssystems nach Anspruch 23, wobei das Verfahren ferner die Ausbildung eines flexiblen Endoskopsystems umfasst, mit a) Bereitstellen eines pixelierten Ortslichtmodulators, b) Bereitstellen eines Lichtleiterbündels mit zumindest 100 Lichtleitern mit einem nahen Ende und einem entfernten Ende, wobei zumindest das entfernte Ende des Lichtleiterbündels in einem Endoskop angeordnet ist, c) Platzieren des Ortslichtmodulators in optischer Verbindung mit dem nahen Ende des Lichtleiterbündels in derselben konjugierten Bildebene wie das nahe Ende derart, dass der Ortslichtmodulator den Ort von am nahen Ende auftreffendem Licht steuert, und d) funktionsfähiges Verbinden einer Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung mit dem Ortslichtmodulator, wobei die Steuereinrichtung zum Versetzen von Gruppen von Pixeln des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand, die Kernen entsprechender Lichtleiter im Lichtleiterbündel entsprechen, um Gruppen von eingeschalteten Pixeln bereitzustellen, und zum Versetzen von Pixeln in einen Aus-Zustand eingerichtet ist, die Zwischen-Kernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Pixel bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Verfahren ferner eine optische Verbindung einer pixelierten Erfassungseinrichtung mit dem System zum Empfangen von aus dem nahen Ende des Lichtleiterbündels austretendem Licht und ferner das Versehen der Steuereinrichtung mit einer computerimplementierten Programmierung umfasst, die zwischen Licht, das aus den eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechenden Lichtleitern austritt, und Licht unterscheidet, das aus anderen Lichtleitern austritt.
Verfahren zur Verwendung des Betrachtungssystems nach Anspruch 1 zur Beleuchtung eines Target, mit a) Übertragen von Licht von einer Lichtquelle (4) zum nahen Ende des Lichtleiterbündels über den pixelierten Ortslichtmodulator, wobei der Ortslichtmodulator das Licht im Wesentlichen lediglich zu Kernen von Lichtleitern in Lichtleiterbündel überträgt, b) Übertragen des Lichts vom nahen Ende des Lichtleiterbündels zum entfernten Ende des Lichtleiterbündels und Emittieren des Lichts aus dem entfernten Ende des Lichtleiterbündels und c) Beleuchten des Target mit dem aus dem entfernten Ende des Lichtleiterbündels emittierten Licht.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Verfahren die Abtastung eines Lichtstrahls über den Ortslichtmodulator und ein gleichzeitiges Versetzen zumindest eines Pixels des Ortslichtmodulators, das einem Kern eines der Lichtleiter entspricht, in einen Ein-Zustand umfasst, um zumindest ein eingeschaltetes Pixel bereitzustellen, und das Versetzen anderer Pixel des Ortlichtmodulators in einen Aus-Zustand umfasst, wodurch der Lichtstrahl im Wesentlichen lediglich zu dem Kern des Lichtleiters übertragen wird, wenn der Lichtstrahl das eingeschaltete Pixel berührt, und der Lichtstrahl nicht zu Zwischen-Kernbereichen des Lichtleiterbündels oder zu Lichtleitern übertragen wird, die zu dem Lichtleiter benachbart sind.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Lichtstrahl ein Laserstrahl ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Verfahren eine Abtastung des Lichtstrahl über im Wesentlichen alle Pixel, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, über die Zeit derart umfasst, dass im Wesentlichen alle Lichtleiter im Lichtleiterbündel beleuchtet werden, wodurch im Wesentlichen das gesamte Target in einem Bildfeld des Lichtleiterbündels ohne Bewegung des Lichtleiterbündels beleuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Verfahren eine optische Verbindung der Lichtquelle mit dem Ortslichtmodulator derart, dass die Lichtquelle einen Wesentlichen Abschnitt der Pixel des Ortslichtmodulators beleuchtet, und Versetzen ausgewählter entsprechender Pixel in einen Ein-Zustand und Versetzen anderer Pixel des Ortslichtmodulators in einen Aus-Zustand derart umfasst, dass Licht von der Lichtquelle im Wesentlichen lediglich zu den Kernen der Lichtleiter übertragen wird, die den entsprechenden Pixeln entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei das Verfahren ein Verändern der ausgewählten entsprechenden Pixel, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, über die Zeit derart umfasst, dass im Wesentlichen alle Lichtleiter im Lichtleiterbündel beleuchtet werden, wodurch im Wesentlichen das gesamte Target in einem Bildfeld des Lichtleiterbündels ohne Bewegung des Lichtleiterbündels beleuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 37 oder 38, wobei das Verfahren die Auswahl der ausgewählten entsprechenden Pixel, die in einen Ein-Zustand versetzt sind, derart umfasst, dass Licht, das aus dem entfernten Ende eines einem ersten ausgewählten entsprechenden Pixel entsprechenden ersten Lichtleiters austritt, nicht wesentlich mit Licht interferiert, das aus dem entfernten Ende eines einem zweiten ausgewählten entsprechenden Pixel entsprechenden zweiten Lichtleiters austritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 38, wobei das Verfahren die Einstellung von zumindest drei verschiedenen Pixeln des Ortslichtmodulators zum Entsprechen eines jeweiligen Kerns im Wesentlichen aller entsprechenden Lichtleiter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei das Verfahren das Einstellen von zumindest drei verschiedenen Pixeln des Ortslichtmodulators zum Entsprechen eines jeweiligen Kerns im Wesentlichen aller entsprechenden Lichtleiter umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 41, wobei das Verfahren die Beleuchtung eines inwendigen Target im lebenden Organismus umfasst.
Verfahren zum Verwenden des Betrachtungssystems nach Anspruch 1 zum Erhalten eines Bildes eines Target, mit a) Übertragen von Licht von einer Lichtquelle (4) über den pixelierten Ortslichtmodulator zu dem Lichtleiterbündel, dann Emittieren des Lichts aus dem entfernten Endes des Lichtleiterbündels zum Beleuchten des Target, wodurch Licht zum Austreten aus dem Target zum Bereitstellen von austretendem Licht veranlasst wird, b) Sammeln des austretenden Lichts, das das entfernte Ende des Lichtleiterbündels berührt, und c) Übertragen des austretenden Lichts über das Lichtleiterbündel zu einer Erfassungseinrichtung zum Bereitstellen eines Bildes des Target an der Erfassungseinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Erfassungseinrichtung ein Okular umfasst.
Verfahren nach Anspruch 43 oder 44, wobei die Erfassungseinrichtunq eine pixelierte Erfassungseinrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das Verfahren den Erhalt eines konfokalen Bildes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das Verfahren den Erhalt eines konfokalen Bildes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei das Verfahren den Erhalt eines konfokalen Bildes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei das Lichtleiterbündel zumindest um die 100 Lichtleiter umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 49, wobei das Verfahren das Versetzen von Pixeln des Ortslichtmodulators in einen Ein-Zustand, die Kernen entsprechender Lichtleiter im Lichtleiterbündel entsprechen, um eingeschaltete Pixel bereitzustellen, und das Versetzen von Pixeln in einen Aus-Zustand umfasst, die Zwischen-Kernbereichen des Lichtleiterbündels entsprechen, um ausgeschaltete Pixel bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei das Verfahren das Versetzen einer Vielzahl ausgewählter Gruppen der eingeschalteten Pixel in einen Ein-Zustand umfasst, wobei die ausgewählten Gruppen derart beabstandet sind, dass Licht, das aus dem entfernten Ende eines ersten Lichtleiters austritt, der einer ersten ausgewählten Gruppe eingeschalteter Pixel entspricht, im Target nicht wesentlich mit Licht interferiert, das aus dem entfernten Ende zumindest eines zweiten Lichtleiters austritt, der zumindest einer zweiten ausgewählten Gruppe eingeschalteter Pixel entspricht, und im Wesentlichen alle anderen Pixel des Ortslichtmodulators sich im Aus-Zustand befinden.
Verfahren nach Anspruch 50 oder 51, wobei zumindest drei verschiedene Pixel des Ortslichtmodulators einem jeweiligen Kern im Wesentlichen aller entsprechender Lichtleiter entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 52, wobei das Verfahren ferner zwischen Licht, das aus den eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechenden Lichtleitern austritt, und Licht unterscheidet, das aus anderen Lichtleitern austritt.
Verfahren nach Anspruch 53, wobei das Verfahren ferner das Ignorieren von Licht umfasst, das aus den anderen Lichtleitern austritt.
Verfahren nach Anspruch 53, wobei das Verfahren ferner eine Bewertung des aus den anderen Lichtleitern austretenden Lichts, um Daten außerhalb eines Brennpunkts bereitzustellen, und das Verbinden der Daten außerhalb des Brennpunkts mit dem Licht umfasst, das aus den den eingeschalteten Pixeln entsprechenden Lichtleitern austritt, um ein verbessertes Bild bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 55, wobei das Verfahren ferner ein Ausstatten der Daten außerhalb des Brennpunkts mit dem Licht, das aus den den eingeschalteten Pixeln entsprechenden Lichtleitern austritt, gemäß einer zweidimensionalen Gauß-Verteilung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 56, wobei das Verfahren das Übertragen des Lichts vorbei am Ortslichtmodulator lediglich in einem Beleuchtungslichtweg umfasst, um ein Betrachtungssystem mit Einzeldurchlauf bereitzustellen, so dass der Ortslichtmodulator als Beleuchtungsmaske derart dient, dass Beleuchtungslicht im Wesentlichen lediglich zu Lichtleiterkernen von Lichtleitern übertragen wird, die eingeschalteten Pixeln des Ortslichtmodulators entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 56, wobei das Verfahren eine Übertragung des Lichts vorbei am Ortslichtmodulator sowohl in einem Beleuchtungslichtweg als auch einem Erfassungslichtweg umfasst, um ein Betrachtungssystem mit Doppeldurchlauf bereitzustellen, so dass der Ortslichtmodulator als Beleuchtungsmaske derart dient, dass Beleuchtungslicht im Wesentlichen lediglich zu entsprechenden Lichtleitern übertragen wird, und als Erfassungsmaske dient, die im Wesentlichen verhindert, dass Licht von Lichtleitern, die von den entsprechenden Lichtleitern verschieden sind, die Erfassungseinrichtung erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 58, wobei das Verfahren eine Abbildung von Pixeln des Ortslichtmodulators auf entsprechende Kerne entsprechender Lichtleiter im Lichtleiterbündel umfasst, um eine Abbildung mit entsprechenden Pixeln und nichtentsprechenden Pixeln bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 59, wobei das Verfahren das Erhalten eines Bildes eines inwendigen Target im lebenden Organismus umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 60, wobei das Bild über ein Endoskop erhalten wird.