DE68928345T2

DE68928345T2 - Confokales abtast-endoskop

Info

Publication number: DE68928345T2
Application number: DE68928345T
Authority: DE
Inventors: Martin Russell Harris
Original assignee: Optiscan Pty Ltd
Current assignee: Optiscan Pty Ltd
Priority date: 1988-07-13
Filing date: 1989-07-13
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2009-07-14
Also published as: EP0782027A2; DE68929553T2; DE68929553D1; WO1990000754A1; US5120953A; DE68928345D1; EP1245987A3; DE68929464T2; DE02012428T1; DE68928345T3; DE68929464D1; EP0393165A1; EP0782027A3; EP0393165B1; EP1245987B1; EP1245987A2; EP0393165B2; EP0393165A4; EP0782027B1; ATE158659T1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der konfokalen Abtastsysteme.
Die Prinzipien eines konfokalen Abtastmikroskops sind im US-Patent 3.013.467 von Mavrin Minsky offenbart. Das Grundprinzip besteht darin, die Beleuchtung der zu beobachtenden Probe oder des Objekts auf ein einzelnes Punktbeobachtungsfeld zu konzentrieren und die Beobachtung oder Erfassung auf dieses beleuchtete Punktfeld zu konzentrieren. Ein vollständiges Bild wird erhalten durch punktweises Abtasten der beobachteten Probe oder des Objekts über ein komplettes Sichtfeld des Mikroskops.
Bei früheren konfokalen Mikroskopen, einschließlich demjenigen, das im Minsky-Patent vorgeschlagen wird, blieb das optische System fest, wobei die Abtastung erreicht wurde durch Bewegen der zu beobachteten Probe oder des Objekts in einem Abtastmuster quer zum Brennpunkt der Beleuchtung. Seit kurzem verwenden Hochgeschwindigkeitsabtastmikroskope statt der Bewegung der Probe Strahlabtasttechniken. Im allgemeinen verwenden diese Mikroskope einen Laser als starke leuchtende Lichtquelle und besitzen einen Computer oder ein Videosystem zum Verarbeiten und Speichern oder Anzeigen der erfaßten Bildsignale. Ein Beispiel einer solchen neueren Vorrichtung ist beschrieben in US-Re-32.660.
Konfokale Mikroskope haben eine bessere Auflösung als herkömmliche Mikroskope und eine schärfere Scharfzeichnung, da die Signale außerhalb des Fokus und die Störungen stark reduziert werden. Sie haben insbesondere Anwendung gefunden bei der Untersuchung biologischer Proben mittels Auflicht-Fluoreszenz, bei der die Reduktion der Störungen außerhalb des Fokus ein wichtiger Vorteil ist.
Die Herstellung eines konfokalen Mikroskops mittels Anbringen eines konfokalen Abbildungssystems an einem herkömmlichen Mikroskop, das den Kondensator oder die Fokussierungslinse für das System zur Verfügung stellt, ist allgemein bekannt. In allen bekannten konfokalen Ausrüstungen müssen jedoch der Lichtfokussierer, die Lichtquelle und der Detektor sowie alle Komponenten, die den optischen Pfad für das Mikroskop definieren, relativ zueinander genau positioniert sein, weshalb alle auf einer massiven gemeinsamen Körperstruktur montiert sind. Die vorliegende Erfindung schafft eine modifizierte Konstruktion, mit der einige dieser Komponenten vollständig unabhängig im Raum positioniert werden können, ohne die normalen starren geometrischen Einschränkungen der relativen Anordnung und Orientierung. Genauer ermöglicht sie, daß die Lichtquelle und der Photodetektor in irgendeiner gewünschten Position angeordnet werden, ohne daß eine starre mechanische Verbindung zwischen diesen und dem Rest der Ausrüstung erforderlich ist. Weitere Vorteile der Konstruktion, die durch die Erfindung geschaffen werden, werden aus der folgenden Beschreibung deutlich.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung wird ein konfokales Abtast-Auflichtsystem gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Die flexible Lichtübertragungseinrichtung kann eine erste Glasfaser enthalten, die sich von der Lichtquelle zur Lichttrenneinrichtung erstreckt, sowie eine zweite Glasfaser, die sich von der Lichttrenneinrichtung zum Detektor erstreckt. Die Lichttrenneinrichtung kann einen Glasfaserkoppier enthalten, der die ersten und zweiten Fasern mit einer dritten Glasfaser koppelt, wodurch ein optischer Pfad zur Übertragung des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Fokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt ausgesendeten Lichts zur Fokussierungseinrichtung des Kopplers geschaffen wird. In diesem Fall kann die Abtasteinrichtung dazu dienen, den von der dritten Glasfaser zur Fokussierungseinrichtung übertragenen Strahl zu bewegen. Die Abtasteinrichtung kann z. B. einen optischen Pfad für den Lichtstrahl von der dritten Glasfaser zur Fokussierungseinrichtung schaffen und ein Transmissionselement enthalten, das beweglich ist, um die Abtastbewegung des Lichtstrahls zu bewirken. Alternativ kann die Abtasteinrichtung so betrieben werden, daß sie die dritte Glasfaser bewegt, um den hierdurch zur Fokussierungseinrichtung übertragenen Strahl zu bewegen, wodurch die Abtastbewegung des Lichtstrahls erzeugt wird.
Die Verwendung der flexiblen Glasfaserübertragungseinrichtung ermöglicht der Lichtquelle (üblicherweise einem Laser) und dem Detektor, daß sie entfernt vom Rest der Vorrichtung ohne eine starre Verbindung zu diesem angeordnet sind. Sie ermöglicht den Entwurf eines konfokalen Abbildungssystems, das ein sehr kompaktes entferntes Kopfelement verwendet, das an Spezialzwecke angepaßt sein kann, wie z. B. für die Verwendung als Endoskop oder als implantierbares Fernkopfmikroskop für medizinische Anwendungen.
Für eine vollständige Erläuterung der Erfindung und ihrer verschiedenen Anwendungen werden mehrere spezifische Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt ein Vergleichsbeispiel in Form eines konfokalen Mikroskopsystems, bei dem die Trennung zwischen abgehendem und ankommendem Licht mittels eines Glasfaser- Richtkopplers erreicht wird;
Fig. 2 zeigt ein modifiziertes Vergleichsbeispiel eines Mikroskopsystems, bei dem die Lichttrennung erreicht wird durch einen Strahlteiler, der zwischen der Lichtquelle und der flexiblen Glasfaserübertragungseinrichtung des Systems angeordnet ist;
Fig. 3 ist ein weiteres modifiziertes Vergleichsbeispiel eines Systems, bei dem die Lichttrennung erreicht wird durch einen Strahlteiler, der zwischen der flexiblen Glasfaserübertragungseinrichtung und der Lichtfokussierungseinrichtung des Systems angeordnet ist;
Fig. 4, 5A und 5B zeigen ein alternatives Vergleichsbeispiel eines konfokalen Mikroskopsystems, das dem in Fig. 1 gezeigten System ähnlich ist, bei dem jedoch die Abtastung erreicht wird durch Bewegen einer Spitze einer - Glasfaser in der flexiblen Glasfaserübertragungseinrichtung des Systems;
Fig. 6 bis 8 zeigen ein Beispiel eines konfokalen Systems gemäß der Erfindung, das einen kleinen Fernkopf verwendet, der für eine spezielle Verwendung als Endoskop ausgelegt ist; und
Fig. 9 zeigt ein weiteres System gemäß der Erfindung, das demjenigen der Fig. 6 bis 8 ähnlich ist, jedoch einen modifizierten Endoskopkopf verwendet.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt ein Vergleichsbeispiel eines konfokalen Abtast-Auflichtmikroskopsystems. Dieses System umfaßt eine starke Lichtquelle in Form eines Lasergenerators 1 zum Zuführen eines Lichtstrahls 2, der mittels einer Linse 3 auf ein Ende einer flexiblen Glasfaser 4 fokussiert wird. Es kann jedes bekannte Verfahren zum Koppeln des Lasers an die Faser verwendet werden, wie z. B. beschrieben ist in "Laser-to-fibre couplers in optical recording applications" von W. G. Ophey u. a.,. SPIE Bd. 839, "Components for Fiber Optic Applications II" (1987). Es ist jedoch erforderlich, daß die Kopplungseffizienz gegenüber herkömmlichen konfokalen Mikroskopen verbessert ist, da die Kopplungseffizienz bei herkömmlichen konfokalen Mikroskopanwendungen im allgemeinen nicht problematisch ist. Das andere Ende der Glasfaser 4 führt in eine Seite eines Richtkopplers 5, der ein verschmolzener, bikonischer Kegelkoppler oder ein anderer Koppler zum Trennen von n entgegengesetzte Richtungen laufenden Lichtstrahlen ist. Das in eines der abführenden Schenkel 6 eintretende Licht an der anderen Seite des Kopplers wird mit minimaler Fresnel-Reflexion durch einen indexangepaßten Medienkörper 7 absorbiert, während das in den anderen Schenkel des Kopplers eintretende Licht auf dieser Seite von der flexiblen Glasfaser 8 vom Ende 9 übertragen wird, von dem es zum optischen Zug eines optischen Mikroskops übertragen wird, das allgemein mit 10 bezeichnet ist.
Das optische Mikroskop 10 umfaßt eine Basis 11, auf der eine mechanisch einstellbare Probenträgerplattform 12 montiert ist, sowie einen Mikroskopkörper 13, der die Komponenten enthält, die den optischen Zug des Mikroskops definieren. Diese optischen Komponenten umfassen eine Linse 14 zum Empfangen des Lichts 15, das vom Ende 9 der Faser 8 divergiert, zwei Spiegel 16, 17, mit denen das durch die Linse 14 übertragene Licht schrittweise über eine Strahlsammellinse 19 zu einer Lichtfokussierungseinrichtung in Form einer Linse 18 reflektiert wird, die das Licht auf einem Punkt oder ein Punktbeobachtungsfeld auf einer Probe 20, die von der Plattform 12 unterstützt wird, sammelt oder fokussiert.
Die Spiegel 16, 17 können mittels der Wandler 21, 22 als Antwort auf Signale bewegt werden, die über elektrische Verbindungen 23, 24 von einem elektronischen Abtastsignalgenerator 25 zugeführt werden, so daß der reflektierte Lichtstrahl in den Richtungen X und Y bewegt wird, um zu bewirken, daß der beleuchtete Fleck in einem Abtastmuster über die Probe wandert. Die Abtasteinrichtung dieser Art wird in herkömmlichen konfokalen Abtastmikroskopen verwendet.
Wie beim Fokussieren von starkem Licht auf die Probe zum Erzeugen eines beleuchteten Flecks empfängt die Fokussierungslinse 18 ebenfalls das von der Probe ausgesendete Licht, das durch den optischen Zug des Mikroskops 10 zurück zur Glasfaser 8 übertragen wird. In Abhängigkeit von der Art der Probe kann dieses von der Probe ausgehende Licht reflektiertes Licht, mittels Raman-Streuung gestreutes Licht oder Fluoreszenzlicht enthalten. Es ist klar, daß der Ausdruck "aussenden", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, in einem weiten Sinn so aufzufassen ist, daß er alles Licht umfaßt, das vom Objekt durch die Fokussierungseinrichtung zurückübertragen wird. Dieses Licht konvergiert zu einem Brennpunkt an der Spitze 9 der Glasfaser 8 und läuft diese Faser entlang zurück bis zum Koppler 5, wo ein Teil dieses Lichts über den vierten Schenkel des Kopplers und eine weitere flexible Glasfaser 31 und anschließend über ein Filter 32 und eine Linse 33 zu einem Photodetektor 34 übertragen wird. Das Signal vom Photodetektor 34 läuft durch eine elektrische Verbindung 35 zum Signalprozessor 36 eines Videoanzeigesystems, das auf dem Anzeigebildschirm 37 ein Bild erzeugt. Das Signal vom Photodetektor 34 moduliert die Intensität des von der Verarbeitungsschaltung 36 über die Ausgangsleitung 38 zum Anzeigebildschirm 37 übertragenen Signals, wobei die mechanischen Abtastbewegungen der Spiegel 16, 17 mit den elektronischen Abtastbewegungen des Anzeigesystems über eine Verbindung 39 zwischen dem elektronischen Abtastsignalgenerator 25 und der Signalverarbeitungseinrichtung 36 der Videoanzeigeeinheit 37 synchronisiert sind.
Fig. 2 zeigt ein modifiziertes Vergleichsbeispiel eines konfokalen Abtast-Auflicht-Mikroskopsystems. Dieses System ist dem System der Fig. 1 ähnlich, verwendet jedoch einen Strahlteiler als Einrichtung zum Trennen des zurückkehrenden Lichts vom abgehenden Licht anstelle des verschmolzenen bikonischen Kegelkopplers der Vorrichtung in Fig. 1. Viele der Komponenten der Vorrichtung sind mit denjenigen des in Fig. 1 gezeigten Systems identisch und arbeiten auf dieselbe Weise. Diese Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen und dem Zusatz A bezeichnet. In diesem Fall sind der verschmolzene bikonische Kegelkopp-1er und die zugehörigen mehreren Glasfasern durch eine einzelne Glasfaser 41 ersetzt, wobei auf ein Ende derselben das Licht vom Laser 1A mittels der Linse 3A fokussiert wird und vom anderen Ende derselben das Licht auf die Linse 14A des Mikroskopkopfes 10A divergiert, um den optischen Pfad im Kopf des Mikroskops zu durchlaufen und die Probe wie oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben zu beleuchten. Das von der Lichtfokussierungseinrichtung 18A des Mikroskopkopfes eingefangene zurückkehrende Licht läuft zurück durch denselben optischen Pfad über die Faser 41 zur Linse 3A. Dieses zurückkehrende Licht wird mittels eines Strahlteilerwürfels 42 abgespalten, der zwischen der Laserquelle 1A und der Linse 3A angeordnet ist und das zurückkehrende Licht in einen vom Photodetektor 34A detektierten Rückkehrstrahl ableitet.
Die Fig. 3 zeigt ein alternatives Vergleichsbeispiel eines modifizierten Systems, bei dem das zurückkehrende Licht mittels eines Strahlteilers abgetrennt wird, der innerhalb des Mikroskopkopfes selbst angeordnet ist. Die Komponenten, die denjenigen des in Fig. 1 gezeigten Systems entsprechen, sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei jedoch dieses Mal der Zusatz B angehängt ist. Bei dieser Vorrichtung wird das Licht von der Laserquelle 1B durch die Linse 38 auf ein Ende einer Glasfaser 51 fokussiert, die das Licht zum Mikroskopkopf 10B überträgt, wo es durch den optischen Zug des Mikroskopkopfes übertragen wird, um auf einen Fleck auf der zu untersuchenden Probe fokussiert zu werden. Das von diesem Fleck auf der Probe ausgesendete Licht wird vom Kondensator 188 des Mikroskopkopfes eingefangen und durch den optischen Zug des Mikroskops zurückübertragen. In diesem Fall ist der Mikroskopkopf durch Hinzufügen eines Strahlteilers 52 modifiziert, der das zurückkehrende Licht im Mikroskopkopf abtrennt und es über eine Linse 54 auf ein Ende einer zweiten Glasfaser 53 fokussiert, über die es zum Photodetektor 34B des Systems übertragen wird.
Die Fig. 4, 5A und 5B zeigen ein weiteres modifiziertes Vergleichsbeispiel eines konfokalen Abtastmikroskopsystems. Dieses System ist demjenigen der Fig. 1 sehr ähnlich, wobei ähnliche Komponenten mit denselben Bezugszeichen unter Hinzufügung des Zusatzes C bezeichnet sind. Die Modifikation, die an der Vorrichtung, die oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden ist, vorgenommen wurde, besteht darin, daß das Abtasten hier durch die Bewegung der Spitze 9C der Glasfaser 8C erreicht wird, durch die Licht vom Lasergenerator 1C zum Mikroskopkopf 10C übertragen wird. Die Abtastbewegungen der Faserspitze werden mittels eines Bewegungsgenerators 61 erzeugt. Der Bewegungsgenerator kann günstigerweise ein elektromechanischer Wandler sein, der die elektrischen Signale vom Abtastmustergenerator 25C empfängt. Dieser Wandler kann irgendeiner herkömmlichen Art zum Erzeugen geeigneter Abtastbewegungen in den Richtungen X und Y entsprechen. Eine solche Vorrichtung ist in den Fig. 5A und 5B gezeigt, die eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer typischen Vorrichtung zeigen.
Im Faserbewegungsgenerator 61 werden, wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt, die Abtastbewegungen der Faserspitze 9C durch eine Kombination einer elektromagnetisch induzierten Resonanzschwingung und einer hydraulischen Bewegung erreicht. Ein Permanentmagnet 62, der an einem flexiblen Kontakt 63 angebracht ist, wird vom Elektromagneten 64 unter dem Einfluß der elektrischen Impulse, die von der Abtaststeuereinheit 25C erzeugt werden und zum optischen Kopf mittels der Leitungen 65 übertragen werden, periodisch angezogen.
Die Glasfaser 8C steht längs des flexiblen Kontaktes hervor und wird durch diesen in Schwingung versetzt, wodurch die Abtastung in einer Richtung (z. B. in X- Richtung) erzeugt wird. Um sicherzustellen, daß die elektronische Bildabtastung mit der mechanischen Abtastung synchronisiert ist, ist eine Positionsrückkopplung über einen piezoelektrischen Sensor 66 vorgesehen, die über die Leitungen 67 zur Bildverarbeitungseinheit 36 C zurückgeführt wird.
Die andere Abtastachsenbewegung wird erzeugt durch eine langsamere, quasi-lineare Bewegung, die durch das Einströmen oder Ausströmen von Flüssigkeit aus einer Versorgungsröhre 70 in einen Zylinder 68 erzeugt wird, wodurch ein Kolben 69, der die gesamte elektromagnetische Abtasteinheit trägt, betätigt wird, so daß die Faserspitze in Y-Richtung bewegt wird.
Es ist klar, daß in allen bisher beschriebenen Beispielen die Lichtquelle, der Detektor und das Anzeigesystem in einer beliebigen Position entfernt von den anderen Komponenten, wie z. B. den optomechanischen Komponenten, die üblicherweise in einem optischen Mikroskop enthalten sind, angeordnet sein können. Diese Systeme ermöglichen somit die Herstellung einer Laserabbildungsausrüstung, die an bestehende herkömmliche Mikroskope angebracht werden kann, um die Standardmikroskopoptik und die mechanischen Einstellungen zu nutzen. Die Möglichkeit des Trennens des optischen Kopfes vom Rest des Systems unter Verwendung der Glasfaserverbindungen eröffnet ferner die Möglichkeit zur Miniaturisierung des optischen Kopfes, insbesondere wenn die Abtastung durch Faserbewegungen erreicht wird. Es ist somit möglich, die Erfindung auf die Endoskopie und andere Gebiete anzuwenden, in denen ein kompakter abgesetzter Kopf erforderlich ist.
Die Fig. 6 bis 8 zeigen ein System, das gemäß der Erfindung konstruiert ist und das einen Endoskopkopf zur Untersuchung eines weichen Gewebes innerhalb von Körperhohlräumen enthält. Dieses System basiert allgemein auf dem in Fig. 1 gezeigten System, wobei ähnliche Komponenten mit denselben Bezugszeichen und einem angehängten Zusatz D bezeichnet sind. In diesem Fall ist das Mikroskop 10 des in Fig. 1 gezeigten Systems durch einen Endoskopkopf 10D ersetzt, der mit der Glasfaser 8D des Systems verbunden ist. In diesem Fall wird die Abtastung erreicht durch die Bewegung der Spitze 9D der Faser 8D, die durch einen elektromechanischen Wandler 71 erzeugt wird, der innerhalb des Endoskopkopfes angeordnet ist und Signale vom Abtastsignalgenerator 25D über die Verbindungen 23D, 24D empfängt. Der Wandler 71 kann dem Wandler 61 ähnlich sein, der in der vorangehenden Ausführungsform verwendet und mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben worden ist.
Der Endoskopkopf 10D ist so beschaffen, daß er verwendet werden kann, um eine vorläufige Erkundungsuntersuchung eines allgemeinen Bereichs des weichen Gewebes 72 mit geringer Leistung durchzuführen, bevor auf einem bestimmten Fleck für einer Untersuchung mit hoher Leistung fokussiert wird. Der Endoskopkopf umfaßt eine innere Trommel 73, die aus den Röhren 74, 75 besteht, sowie eine äußere Trommel 76, die auf der inneren Trommel zwischen einer in Fig. 7 gezeigten zurückgezogenen Position und einer in Fig. 8 gezeigten ausgefahrenen Position verschoben werden kann.
Die innere Trommel 73 enthält ein Sammellinsensystem 77 zum Empfangen des von der Faser 8D übertragenen Lichts, um einen leicht konvergenten Strahl zu erzeugen, der auf einen Spiegel 78 gerichtet ist, der am Ende der inneren Trommel montiert ist. Wenn sich die äußere Trommel in der in Fig. 7 gezeigten zurückgezogenen Position befindet, wird dieser Strahl durch eine transparente Öffnung 79 in der Trommel direkt auf die Fläche des zu untersuchenden weichen Gewebes 72 reflektiert.
Die Trommel 76 besitzt einen nach außen hervorstehenden Rohrzapfen 81, der ein Fokussierungslinsensystem 82 enthält. Der Zapfen definiert eine Tasse 80, die an ihrer Basis durch das Linsensystem 82 verschlossen ist, wobei dann, wenn die äußere Trommel in ihre in Fig. 8 gezeigte ausgefahrene Stellung bewegt wird, der Lichtstrahl von der Sammellinse 77 durch den Spiegel 78 auf das Fokussierungslinsensystem 82 reflektiert wird. Zwei flexible Röhren 83, 84 erstrecken sich längs der Außenseite des Endoskopkopfes und sind mit der Tasse 80 über einen Durchlaß in der Seite des Zapfens 81 verbunden. Diese Röhren erlauben, daß das Innere der Tasse mit einer Saugkraft beaufschlagt wird, um das weiche zu untersuchende Gewebe in die Tasse zu saugen, wie in Fig. 8 gezeigt ist, und um ferner eine Reinigungsflüssigkeit zuzuführen, um den zu sichtenden Bereich zu spülen und irgendwelche störenden Verunreinigungen aus dem optischen Pfad zu entfernen.
Wenn der Endoskopkopf 10D zuerst nahe an den zu untersuchenden Weichgewebebereich herangebracht wird, wird die äußere Trommel in ihrer zurückgezogenen Stellung gehalten, so daß das Fokussierungslinsensystem 82 außerhalb des optischen Pfades gehalten wird und der leicht konvergente Strahl von der Sammellinse 77 als Fleck auf den weichen Gewebebereich gerichtet wird, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Der Fleck wird anschließend mittels der Bewegungen der Spitze 9D der Faser 8D, die vom Bewegungsgenerator 71 erzeugt werden, über einen relativ großen Feldbereich verschoben. Wenn ein bestimmter Fleck für eine nähere Untersuchung festgelegt ist, wird die äußere Trommel in die ausgefahrene Position bewegt, wie in Fig. 8 gezeigt, um das Fokussierungslinsensystem 82 in den optischen Pfad einzubringen, wobei das zu untersuchende Gewebe in das Ende des Zapfens 81 gesaugt wird, indem eine Saugkraft an eine der Röhren 83 angelegt wird, so daß dieses geeignet positioniert und für eine konfokale Mikroskopuntersuchung mit hoher Leistung ruhig gehalten wird. Durch die andere Röhre 83 kann Spülflüssigkeit zugeführt werden, um den zu untersuchenden Bereich zu spülen, und kann anschließend durch die Unterdruckröhre abgesaugt werden.
Wenn sich der Endoskopkopf in dem in Fig. 7 gezeigten Zustand zum Abbilden eines relativ großen Feldbereichs eines entfernten Objekts befindet, kann die konfokale Rückgabe des Systems schlecht sein. In diesem Fall kann das Licht zum Erzeugen der Modulation des Rasterbildes von der Spitze 85 eines inkohärenten Faserbündels 86 aufgenommen werden, das längs des Endoskopkopfes und zurück zum Photodetektor verläuft. Mit dem in diesem Modus betriebenen System ist es ferner möglich, eine Ansicht des entfernten Feldobjekts ohne Verwendung eines Lasers zu erhalten. Um dies zu bewerkstelligen, kann durch das inkohärente Glasfaserbündel Licht mit hoher Intensität zur Spitze übertragen werden, um das Objekt zu beleuchten. Die abtastende Faserspitze 9D nimmt dann das Licht auf, wenn sie den Bildraum abtastet, und führt es zum Photodetektor zurück, so daß aus dem Photodetektorausgangssignal ein Bild aufgebaut wird. Alternativ kann das Objekt direkt von einer Glühlampe beleuchtet werden, die am äußeren Ende des Endoskopkopfes angebracht ist.
Die Fig. 9 zeigt ein alternatives System gemäß der Erfindung, die das Betrachten entfernter Objekte und ferner eine konfokale Betrachtung mit hoher Leistung erlaubt. Die Komponenten, die zu denjenigen des in Fig. 1 gezeigten Systems äquivalent sind, sind mit denselben Bezugszeichen und dem Zusatz E bezeichnet. Bei diesem System führt die Faser 8E zu einem optischen Kopf 150, wobei sie über eine Sammellinse 151 und eine Fokussierungslinse 152 führt, um Betrachtungen der im Punktbeobachtungsfeld 153 angeordneten Objekte mittels des durch das optische System konfokal zum Photodetektor 34E zurückübertragenen Lichts zu ermöglichen. Die Faser 155, die in den vorangehenden Beschreibungen als Faser 6 bezeichnet worden ist und in einem nichtabsorbierenden Medium endete, führt in dieser Ausführungsform zu einer Spitze 156, die auf demselben Bewegungserzeugungskopf gehalten wird wie die Faser 8E. Dies ermöglicht, daß die zwei Faserspitzen durch das Bewegungserzeugungssystem 164 synchron abtasten.
Das aus der Spitze 156 der Faser 155 austretende Licht wird mittels der Linse 157 auf einen entfernten Fleck 158 fokussiert, der das zu betrachtende Objekt 159 abtastet. Ein Teil des vom abgtasteten Fleck 158 ausgehenden Lichts tritt in das Ende eines Faseroptikbündels 162 ein und wird zum Photodetektor 34E zurückgeführt. Die Entscheidung, welches Betrachtungsverfahren auszuwählen ist, wird gefällt mittels einer Platte 160, die eine Öffnung 161 enthält, die so bewegt werden kann, daß sie ermöglicht, daß entweder das Licht von der Faser 31E oder das Licht vom Faseroptikbündel 159 auf den Photodetektor fällt.
Die Abtaststeuersignale werden von den Leitungen 162 und 163 geführt, während die Positionsrückmeldesignale von den Leitungen 164 und 165 geführt werden.
Die dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wurden nur beispielhaft beschrieben und können modifiziert und weiterentwickelt werden, um die Glasfasertechnik auszunutzen.

INDUSTRIELLE ANWENDUNG

Die Erfindung wird insbesondere angewendet auf konfokale Systeme, die kompakte abgesetzte Köpfe besitzen, die zur Verwendung bei endoskopischen oder anderen Untersuchungen von lebendem biologischen Gewebe geeignet sind.

Claims

1. Konvokales Abtastungs-Auflichtsystem zum Erhalten eines Bildes eines Objekts, wobei das System umfaßt:

eine Lichtquelle (1) zum Zuführen eines Lichtstrahls (2);

eine Lichtfokussierungseinrichtung (77, 82) zum Aufnehmen des Lichtstrahls und zum Fokussieren des Lichts zu einem einzelnen konvergenten Strahl auf das Objekt (72), um ein Punktbeobachtungsfeld auf oder innerhalb des Objekts zu beleuchten, und zum Aufnehmen von Licht, das von diesem Punktbeobachtungsfeld auf oder innerhalb des Objekts abgestrahlt wird;

einen Detektor (34D) zum Erzeugen eines Signals, das die abgestrahlte Intensität des Lichts anzeigt, das vom Punktbeobachtungsfeld abgestrahlt wird;

eine optische Übertragungseinheit (3D, 4D, 5D, 31D, 32D, 8D, 4E, 5E, 8E, 155, 31E) zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle an die Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt abgestrahlten und von der Lichtfokussierungseinrichtung aufgenommenen Lichts an den Detektor; eine Abtasteinrichtung (71), die so betrieben werden kann, daß sie eine relative Bewegung zwischen dem Objekt und dem Funktbeobachtungsfeld verursacht, so daß das Funktbeobachtungsfeld das Objekt in einem Abtastmuster überquert; sowie eine Lichtseparatoreinrichtung (5D) zum Separieren des vom Objekt abgestrahlten Lichts vom Lichtstrahl;

dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfokussierungseinrichtung in einem Endoskopkopf (10D) vorgesehen ist; und daß die optische Übertragungseinrichtung eine flexible Lichtleitfaserübertragungseinrichtung (4D, 5D, 8D, 4E, 5E, 8E, 155) zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Lichtfokussierungseinrichtung enthält, wobei die Lichtfokussierungseinrichtung den aus einem Ende (9D) der Faser austretenden Lichtstrahl aufnimmt und den Lichtstrahl auf das Punktbeobachtungsfeld fokussiert.

2. System nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung eine Einrichtung enthält zum Bewegen des von der Übertragungseinrichtung an die Lichtfokussierungseinrichtung übertragenen Lichtstrahls, um die relative Bewegung zwischen dem Objekt und dem Punktbeobachtungsfeld zu erzeugen.

3. System nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung eine Einrichtung (71) umfaßt zum Bewegen eines Teils der flexiblen Lichtleitfaserübertragungseinrichtung, um den an die Lichtfokussierungseinrichtung übertragenen Lichtstrahl zu bewegen, wodurch die relative Bewegung zwischen dem Objekt und dem Punktbeobachtungsfeld erzeugt wird.

4. System nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung einen elektromechanischen Wandler umfaßt, der an dem Abschnitt der flexiblen Lichtleitfaserübertragungseinrichtung angebracht ist, so daß diese als Antwort auf elektrische Signale, die von einem Abtastgenerator erzeugt werden, bewegt wird.

5. System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaserübertragungseinrichtung eine erste Lichtleitfasereinrichtung (4D, 4E), die sich von der Lichtquelle zur Lichtseparatoreinrichtung erstreckt, sowie eine zweite Lichtleitfasereinrichtung (31D, 31E) enthält, die sich von der Lichtseparatoreinrichtung zum Detektor erstreckt.

6. System nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtseparatoreinrichtung einen Lichtleitfaserkoppler (5D, 5E) enthält, der die ersten und zweiten Fasereinrichtungen mit einer dritten Lichtleitfasereinrichtung (8D, 8E, 155) koppelt, so daß ein Lichtweg zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt ausgestrahlten Lichts von der Lichtfokussierungseinrichtung zum Koppler geschaffen wird.

7. System nach Anspruch 6, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung so betrieben wird, daß sie den von der dritten Lichtleitfasereinrichtung zur Lichtfokussierungseinrichtung übertragenen Lichtstrahl bewegt.

8. System nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung einen Lichtweg für den Lichtstrahl von der dritten Lichtleitfasereinrichtung zur Lichtfokussierungseinrichtung schafft und eine Einrichtung enthält, die Verschiebungen in diesem Lichtweg bewirkt, wodurch die Abtastbewegung des Lichtstrahls verursacht wird.

9. System nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung so betrieben werden kann, daß sie die dritte Lichtleitfasereinrichtung so bewegt, daß der hierdurch zur Lichtfokussierungseinrichtung übertragene Lichtstrahl bewegt wird, wodurch die Abtastbewegung des Lichtstrahls erzeugt wird.

10. System nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaserübertragungseinrichtung eine erste Lichtleitfasereinrichtung (4D, 4E), die sich von der Lichtquelle zur Lichtseparatoreinrichtung erstreckt, und eine zweite Lichtleitfasereinrichtung (31D, 31E) enthält, die sich von der Lichtseparatoreinrichtung zum Detektor erstreckt, wobei die Lichtseparatoreinrichtung einen Lichtleitfaserkoppler enthält, der die ersten und zweiten Fasereinrichtungen mit einer dritten Fasereinrichtung (8D, 8E, 155) koppelt, um einen Lichtweg zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt ausgestrahlten Lichts von der Lichtfokussierungseinrichtung zum Koppler zu schaffen, und wobei die Abtasteinrichtung einen elektromechanischen Wandler (71, 166) enthält, der an der dritten Fasereinrichtung so angebracht ist, daß er ein Ende (9D, 156) dieser Fasereinrichtung, von der Licht an die Lichtfokussierungseinrichtung übertragen wird, als Antwort auf elektrische Signale, die von einem Abtastsignalgenerator (25D, 25E) erzeugt werden, bewegt.

11. System nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaserübertragungseinrichtung eine Lichtleitfasereinrichtung (8D, 8E, 155) enthält zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt ausgestrahlten Lichts von der Lichtfokussierungseinrichtung zum Lichtseparator, die Abtasteinrichtung eine Faserbewegungseinrichtung (71, 166) enthält zum Bewegen der Fasereinrichtung derart, daß der hierdurch zur Lichtfokussierungseinrichtung übertragene Strahl bewegt wird, wodurch die Abtastbewegungen des Lichtstrahls erzeugt werden, und wobei sich die Fasereinrichtung bis zu einem Mikroskopkopf (10D) erstreckt, der einen Körper besitzt, der die Lichtfokussierungseinrichtung und die Faserbewegungseinrichtung aufnimmt.

12. System nach Anspruch 11, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbewegungseinrichtung ein elektromechanischer Wandler ist, der an einem Ende der Fasereinrichtung innerhalb des Mikroskopkopfes angebracht ist.

13. System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfokussierungseinrichtung eine erste Fokussierungseinrichtung (77, 157) zum Fokussieren des Lichtstrahls in eine konvergente Form und eine zweite Fokussierungseinrichtung (82, 151, 152) zum weiteren Fokussieren des Lichtstrahls in eine zweite, stärker konvergente Form enthält, wobei die zweite Fokussierungseinrichtung in eine inaktive Stellung bewegt werden kann, um dem Endoskop zu ermöglichen, ein Objekt in einem Abstand über einen relativ großen Feldbereich abzutasten und ein Bild aus dem vom Objekt abgestrahlten Licht, das von der ersten Fokussierungseinrichtung eingefangen wird, zu erzeugen, und anschließend in eine aktive Stellung bewegt werden kann, um eine stärkere Abtastung des Objekts mit geringerem Abstand über eine relativ kleine Feldfläche zu ermöglichen.

14. System nach Anspruch 13, ferner gekennzeichnet durch eine Lichtleitfaserübertragungsvorrichtung (162) zum Empfangen des direkt vom untersuchten Objekt ausgestrahlten Lichts, wobei die zweite Fokussierungseinrichtung sich in ihrer inaktiven Stellung befindet, und zum Übertragen dieses Lichts an den Detektor zur Modulation des Bildes.

15. System nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur direkten Beleuchtung des untersuchten Objekts, wobei sich die zweite Fokussierungseinrichtung in ihrer inaktiven Stellung befindet.

16. System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfokussierungseinrichtung auf einem Körper montiert ist, der eine Tasse (81) zur Anwendung auf ein zu untersuchendes Objekt (72) definiert, und daß eine Einrichtung vorhanden ist zum Ausüben einer Saugwirkung (83, 84) auf die Tasse, wobei das System dazu dient, weiches Gewebe zu untersuchen, das durch die Saugwirkung in die Tasse gezogen werden kann und dadurch in einer festen Position relativ zur Lichtfokussierungseinrichtung gehalten wird.

17. System nach Anspruch 16, ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung (83, 84) zum Einleiten von Fluid in die Tasse, um das zu untersuchende Objekt zu reinigen.