DE69118588T2

DE69118588T2 - Abbildungsvorrichtung und verfahren zur abtastung einer mikro-laser-quelle

Info

Publication number: DE69118588T2
Application number: DE69118588T
Authority: DE
Inventors: Francois Delori; George Timberlake; Robert Webb
Original assignee: Eye Research Institute of the Retina Foundation
Current assignee: Eye Research Institute of the Retina Foundation
Priority date: 1990-01-11
Filing date: 1991-01-09
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2011-01-10
Also published as: CA2048693A1; ATE136442T1; DE69118588D1; EP0462268B1; EP0462268A1; US5028802A; JPH04505061A; WO1991010394A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Instrumente und Verfahren, und betrifft insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zum Abtasten einer Oberfläche oder eines anderen Objekts mit Hilfe eines optischen Strahls, zum Erfassen des Lichts, das von dem Objekt ausgesandt oder durch dieses durchgelassen wird, und zum Erzeugen eines Bilds des Objekts.
Abtastende Abbildungstechniken werden bei abtastenden Lasermikroskopen bzw. Raster- Lasermikroskopen (SLM), konfokalen, abtastenden Lasermikroskopen (CSLM), konfokalen Mikroskopen mit Tandemabtastung (TSM), abtastenden Laser-Ophthalmoskopen (SLO), Fernsehsystemen mit fliegendem Punkt bzw. Lichtpunkt (FSTV) und bei weiteren Anwendungen eingesetzt. Konfokale Abbildungssysteme können Verbesserungen hinsichtlich des Kontrasts und des dynamischen Bereichs bereitstellen. Manche von diesen Abbildungssystemen enthalten sich bewegende optische Elemente für die Ablenkung eines Laserstrahls, so daß ein Leuchtpunkt über das abzutastende Objekt bewegt wird. Andere dieser Systeme arbeiten mit mechanischen Elementen für die Drehung eines beleuchteten Nadellochs bzw. sehr feinen Lochs zu dem gleichen Zweck. Bei den konfokalen Mikroskopen mit Tandemabtastung wird eine Mehrzahl von Leuchtpunkten gleichzeitig bewegt, damit eine Quellen-Multiplexbehandlung bereitgestellt wird, die deswegen notwendig ist, weil die Quelle nicht die höhere Strahlstärke (Helligkeit) eines Lasers aufweist.
Ein mit doppelter Abtastung arbeitendes optisches Gerät ist in der US-PS Nr.4 764 005 von Webb et al. offenbart. Das Gerät arbeitet mit mehreren Abtastelementen einschließlich eines Abtasters, der mit einem rotierenden polygonalen Reflektor mit mehreren Facetten ausgestattet ist, um eine Abtastung sowohl von einfallendem als auch von reflektiertem Licht bei Frequenzen mit Fernsehrate bereitzustellen. Auf Grund der Trägheitskräfte des Abtasters mit rotierendem, polygonalen Reflektor und von weiteren Abtastelementen kann durch dieses Gerät lediglich eine zeilenweise Abtastung erhalten werden.
Aus der US-PS Nr.3 590 248 ist eine Anordnung von unterschiedlichen Lasern bekannt, die jeweils mit einer aus einem Bündel von optischen Fasern gekoppelt sind. Licht, das von dem anderen Ende der Faser ausgesandt wird, wird zur Erzeugung eines Laserstrahls eingesetzt, der ein Ziel mit einem regulierten bzw. regelmäßigen Muster überstreicht. Die Anordnung ist jedoch auf Grund der Abmessungen der optischen Fasern und der separaten Laser sperrig und kostenaufwendig.
Darüber hinaus werden bei manchen, mit bewegtem Abtastpunkt arbeitenden Abbildungsgeräten eine Kathodenstrahlröhre (CRT) als eine Lichtquelle eingesetzt, wobei ein einziger beleuchteter Punkt über die Fläche der Kathodenstrahlröhre hinweg abgetastet wird. Die Röhrenfläche wird auf das Objekt abgebildet, damit ein Beleuchtungsraster erzeugt wird.
Ein konfokales Mikroskop mit Tandemabtastung ist in Petran et al: "Tandem-Scanning Reflected-Light Microscope", Journal of the Optical Society of America, Band 58, Nr.5, Seiten 661 bis 664, Mai 1968, beschrieben. Von Petran et al. wird bestätigt, daß eine mit reflektiertem Licht arbeitende Mikroskopie von halbtransparentem Material üblicherweise auf Grund des niedrigen Kontrasts und der Lichtstreuung nicht zufriedenstellend ist, und diese beschreiben das konfokale Mikroskop mit Tandemabtastung, bei dem sowohl die Objektebene als auch die Bildebene in Tandemform abgetastet werden. Als Ergebnis ist lediglich Licht, das von der Objektebene reflektiert wird, in dem Bild enthalten. Bei dem System von Petran et al wird das Objekt durch Licht beleuchtet, das durch Löcher in einem Sektor oder einer Seite einer rotierenden Abtastscheibe hindurch geht, die als eine Nipkow-Scheibe bekannt ist. Die Abtastscheibe wird durch das Objektiv auf die Bildebene abgebildet. Durch reflektiertes Licht gebildete Bilder dieser Punkte werden auf die diametral gegenüberliegende Seite der gleichen Scheibe gerichtet. Licht kann von der Quelle zu der Objektebene, sowie von der Objektebene zu der Bildebene, lediglich durch optisch kongruente Löcher auf den diametral gegenüberliegenden Seiten der rotierenden Scheibe hindurchgehen. Dies Ausgestaltung ruft ein Bild hervor, das einen verstärkten Kontrast und verbesserte Schärfe aufweist, verglichen mit einem herkömmlichen, mit reflektiertem Licht arbeitenden Mikroskop (Auflichtmikroskop).
Konfokale Anordnungen mit Tandemabtastung und Ausgestaltungen mit fliegendem Kathodenstrahlröhrenpunkt unterliegen jedoch auf Grund der begrenzten Helligkeit des Beleuchtungspunkts einem "Lichthunger" bzw. "Lichtmangel". Bei Mikroskopgestaltungen mit Tandemabtastung wird diese Beschränkung der Helligkeit teilweise durch den Multiplexbetrieb kompensiert. Jedoch werden Mikroskopsysteme mit Tandemabtastung durch Streulicht beeinflußt, das durch die Anordnung mit sich bewegendem Nadelloch bzw. Lichtpunkt gestreut wird.
Gegenwärtige Systeme mit fliegendem Abtastpunkt profitieren von dem Aufkommen des Lasers. Als Beispiel wird bei einer Anzahl von Raster-Laser-Ophthalmoskopen (SLO) ein Laserstrahl eingesetzt, der durch sich bewegende elektromechanische Elemente abgelenkt wird. Ein abtastendes Ophthalmoskop dieser Art ist in der US-PS Nr.4 213 678 von Pomerantzeff et al. offenbart. Bei dem dort diskutierten Ophthalmoskop wird eine Laserquelle zur Erzeugung eines schmalen Ausgangsstrahls, sowie eine mechanische Vorrichtung für die Ablenkung des Stahl über den Hintergrund eines Auges eingesetzt. Ein konfokal abtastendes Laser-Ophthalmoskop (CSLO) ist in Webb et al: "Confocal Scanning Laser Ophthalmoscope", Applied Optics, Band 26, Nr.8, 15. April 1987, S. 1492 bis 1499, offenbart. Bei dem konfokal abtastenden Laser-Ophthalmoskop wird ein Beleuchtungspunkt über das interessierende Objekt hinweg abgetastet und synchron hiermit ein Detektor über das Bild abgelenkt.
Andere konfokale Vorrichtungen einschließlich konfokal abtastenden Lasermikroskopen (CSLM) sind in "The Handbook of Biological Confocal Microscopy", Pawley, ed., IMR Press, 1989, erläutert.
Bei herkömmlichen Rasterlaservorrichtungen ist jedoch eine Vielzahl von mechanischen Komponenten erforderlich, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Diese sind üblicherweise sperrig, erfordern erhebliche Leistung für den Antrieb des Abtastmechanismus, und schaffen generell lediglich ein vorbestimmtes Abtastmuster.
Eine Mikrolaseranordnung mit getrennten, zylindrischen Mikrolasern, die einen Durchmesser von weniger als zehn Mikrometer aufweisen, ist in "New Micro-Lasers Make Debut" von C. Y. Ozberkmen, Optics News, Oktober 1989, Seite 30, gezeigt. Es wurden Anwendungen von diesen Mikrolaseranordnungen bei einer optischen Berechnung und bei einer optischen Informationsverarbeitung vorgeschlagen. Jedoch wurde kein Fingerzeig gegeben, diese Laser für Beleuchtungszwecke einzusetzen. Weiterhin war die große Anzahl von getrennten Mikrolasern, hinsichtlich derer die Tatsache bekannt ist, daß die Laserschwelle ein kritischer Parameter für die Intensität des ausgesendeten Lichts ist, ein Hindernis bei dem Einsatz solcher Anordnungen für Abbildungszwecke. Fachleute befürchteten, punktweise variierende Intensitäten des Beleuchtungslichts auf dem abzubildenden Objekt anzutreffen.
Es ist demgemäß eine Aufgabe dieser Erfindung, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zur abtastenden Abbildung bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, solche Methoden und Vorrichtungen zu schaffen, die eine hohe räumliche Auflösung, eine verbesserte Helligkeit, einen erhöhten dynamischen Bereich und ein wählbares oder nach Belieben zugreifbares Abtastmuster bereitstellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, solche Abbildungsmethoden und Vorrichtungen zu schaffen, die in Form einer kompakten und zuverlässigen Ausführungsform realisiert werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Anzeige- oder Beleuchtungsvorrichtungen mit hoher Helligkeit zu schaffen.
Weitere allgemeine und spezielle Aufgaben der Erfindung sind zum Teil offensichtlich und ergeben sich zum Teil aus der folgenden Offenbarung.

Kurzfassung der Erfindung

Die Erfindung löst die vorstehend genannten Aufgaben durch Verfahren und Vorrichtungen für die Erzeugung eines Bilds eines Objekts mit abgetasteter bzw. abtastender Beleuchtung. Ein Gesichtspunkt der Erfindung enthält eine Ausgestaltung von unabhängig voneinander erregbaren Lichtquellen, optischen Elementen für die Ausrichtung des Lichts, das durch die Lichtquellenanordnung erzeugt wird, auf das Objekt, und ein Erfassungsmodul für die Erfassung von Licht, das durch das Objekt hindurchgegangen ist, von dem Objekt reflektiert wurde oder durch dieses gestreut wurde, wenn das Objekt durch die Beleuchtungsanordnung und die optischen Elemente beleuchtet wird. Die Quellenanordnung, die optischen Elemente und das Erfassungsmodul können relativ zueinander und relativ zu dem Objekt stationär sein und sind dies vorzugsweise auch.
Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung ist das Anordnungselement bzw. Array-Element ein Array bzw. eine Matrixanordnung von Mikrolasern. Mindestens zwei der Mikrolaser können gleichzeitig bei einem Erregungsabtastmuster für die unabhängig voneinander erfolgende Erzeugung von Licht als Reaktion auf elektrische Ansteuerung in Form eines Rastermusters oder, bei einem anderen Ausführungsbeispiel, in Form eines Musters mit Zufallszugriff adressiert werden. Die Erfindung kann weiterhin ein Erregungselement enthalten, das mit den Mikrolasern in elektrischer Verbindung steht und zum Ansteuern der Mikrolaser in Form eines ausgewählten Abtastmusters dient. Das Erregungselement kann darüber hinaus gleichzeitig mehr als einen Mikrolaser ansteuern.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung enthält das Erfassungsmodul optische Elemente für das Sammeln von gestreutem, reflektiertem oder durchgelassenem Licht seitens des Objekts, und zum Ausrichten des gesammelten Lichts auf einen photoelektrischen Wandler oder ein Detektorelement, das das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Wandler kann z.B. eine Photovervielfacherröhre (PMT) oder eine Lawinenphotodiode (APD) sein. Der Wandler kann das gesammelte Licht in elektrische Signale mit Videopegel umwandeln, und die Erfindung kann weiterhin einen Videomonitor für die Anzeige eines Videobilds, das für das gesammelte Licht repräsentativ ist, als Reaktion auf die elektrischen Signale mit Videopegel enthalten. Die Erfindung kann auch mit anderen peripheren Vorrichtungen mit Videoausgabe einschließlich einer Computer-Bild-Greifvorrichtung für die Digitalisierung der von dem Wandler stammenden Bildinformation und für deren Speicherung in einem Computerspeicher in die Praxis umgesetzt werden.
Ein konfokal abtastendes Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet mit einer Bildzerlegungsröhre als Detektormodul. Diese Vorrichtung weist eine Mehrzahl von unabhängig voneinander wählbaren, photoempfindlichen Regionen auf. Die Regionen werden im wesentlichen synchron mit dem Erregungsabtastmuster ausgewählt.
Bei einer weiteren konfokal abtastenden Ausgestaltung in Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine Detektoranordnung eingesetzt, die unabhängig voneinander adressierbare, photoempfindliche Regionen aufweist. Diese photoempfindlichen Regionen werden individuell in einem Muster ausgelesen, das mit dem Abtasterregungsmuster synchronisiert ist. Detektoren dieser Art schließen Photodiodenanordnungen, MAMA- Arrays und nicht integrierende CCD-Arrays ein, die derart modifiziert sind, daß sie unabhängig voneinander adressierbare Regionen aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit manchen dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei es jedoch für die Fachleute klar sein sollte, daß verschiedene Abänderungen, Hinzufügungen und Weglassungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gegenstand der Ansprüche abzuweichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zur Erzielung eines noch vollständigeren Verständnisses der Natur und der Zielsetzungen der Erfindung soll auf die nachfolgende, detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden. Hierbei gilt:
Fig. 1A und 1B zeigen schematische Darstellungen, in denen eine abtastbare Mikrolaserquelle dargestellt ist, die in Übereinstimmung mit der Erfindung benutzt wird,
Fig. 1C zeigt ein Blockschaltbild, in dem ein abtastendes Lasergerät bzw. Rasterlasergerät dargestellt ist, das mit der in Fig. 1 gezeigten Mikrolaserquelle arbeitet,
Fig. 2 zeigt eine abtastende Lasermikroskopvorrichtung (SLM-Vorrichtung), die in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist und die in Fig. 1 gezeigte Mikrolaserquelle benutzt.
Fig. 3 zeigt ein konfokal abtastendes Mikroskop (CSM) als Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 4 zeigt eine Realisierung der Erfindung, wobei ein Lichtdurchgang bzw. Durchlicht eingesetzt wird,
Fig. 5 zeigt ein Rasterlaser-Ophthalmoskop (SLO), das in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist,
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abbildungsgeräts in Übereinstimmung mit der Erfindung, und
Fig. 7 zeigt eine Anzeigevorrichtung, bei der die abtastbare Mikrolaserquelle gemäß Fig. 1 eingesetzt wird.

Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele

Die Erfindung schafft mit Abtastung arbeitende Abbildungsverfahren und Vorrichtungen bei denen Mikrolaser mit einem Abtastbetrieb als Beleuchtungsquelle eingesetzt werden, wobei die hohe Helligkeit oder Strahlstärke des Lasers vorteilhafterweise ausgenutzt wird. Die Erfindung enthält vorzugsweise ein Array bzw. eine Matrixanordnung von Mikrolaserquellen wie etwa diejenige, die in den Figuren 1A und 1B dargestellt ist.
Es wird auf die Figuren 1A und 1B Bezug genommen. Eine bevorzugte Realisierung der Erfindung arbeitet mit einer N x M - Matrixanordnung 10 aus Mikrolasern 12, wobei N und M typischerweise in dem Bereich von 500 bis 1000 liegen, obwohl auch andere Werte benutzt werden können. Solche Mikrolaser können z.B. Diodenlaser mit niedriger Schwelle sein, die elektrisch gepumpt sind und vertikalen Hohlraum aufweisen sowie von der Oberfläche aus aussenden. Eine zweidimensionale Mikrolaser-Matrixanordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist auf einer integrierten Schaltung enthalten, die durch AT&T Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey, hergestellt wird. Die Laser senden Licht rechtwinklig zu der Oberfläche des Chips aus. Jeder Quadratzentimeter des Chips enthält ungefähr zwei Millionen einzelne Laser.
Gegenwärtige Mikrolaser-Matrixanordnungen bestehen aus zwei Interferenzspiegeln, die durch abwechselnde Schichten aus Aluminiumarsenid und Galliumarsenid um eine aktive Region aus Indiumgalliumarsenid mit einer Dicke von 10 Nanometer gebildet sind, wobei alle diese Komponenten auf einem Substrat aus Galliumarsenid aufgewachsen sind. Diese Gestaltung ist durch einen elektrischen Kontakt aus Gold abgedeckt und durch chemisch unterstützte Ionenstrahl-Lithographie zur Bildung von zylindrischen Lasern geätzt. Der Schwellenstrom,der zum Hervorrufen des Lasereffekts erforderlich ist, beträgt ungefähr drei Kiloampere je Quadratzentimeter. Siehe hierzu Ozberkmen: "New Micro-Lasers Make Debut", Optics News, Oktober 1989, Seite 30.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung arbeitet mit einer Mikrolaser-Quellen- Matrixanordnung 10, bei der die einzelnen Laser Durchmesser zwischen einem und fünf Mikrometer aufweisen, wie es in Fig. 1B bezeigt ist. Ein Laser mit einem Durchmesser von fünf Mikrometer ist für einen ophthalmoskopischen Einsatz für die Beleuchtung des Auges gut geeignet, während ein Durchmesser von einem Millimeter eine verbesserte Anpassung des Durchsatzes hinsichtlich der Auflösung der Mikroskopie bereitstellt. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel haben die Mikrolaser einen Durchmesser von zwei Mikrometern, wobei die Mitten zwei Mikrometer getrennt sind, so daß eine Matrixanordnung aus 512 auf 512 als Beispiel ungefähr einen Quadratmillimeter belegt. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß eine Matrixanordnung aus 512 auf 512 derart abgebildet werden kann, daß ein Auflösungsniveau bereitgestellt wird, das mit dem aktuellen Fernsehen kompatibel ist, und daß die vorgeschlagenen Fernsehstandards mit hoher Auflösung (HDTV) eine Matrixanordnung aus 1024 x 1024 erfordern werden.
Die Mikrolaseranordnung ist vozugsweise in Verbindung mit einer oder mehreren Linsen L gemäß der Darstellung in Fig. 1B in Rasterlaserausgestaltungen eingefügt, wie sie in den Figuren 1C bis 4 dargestellt sind. Das Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1C gezeigt ist, weist einen Laserabtasttreiber 16 für die Erregung der Laser der Anordnung 10 auf. Die Mikrolaser können z.B. aufeinanderfolgend mit Abtastraten der Fernsehabtastung angesteuert werden, so daß die Anordnung in einer herkömmlichen Fernseh-Rastermethode abgetastet wird. Die Anordnung wird auf dem zu beleuchtenden Objekt 18 abgebildet, wodurch eine Rasterbeleuchtung des Objekts erzielt wird. Licht 19, das von dem Objekt durch Reflexion, Streuung oder Durchgang ausgesandt wird, wird dann durch einen Detektor 20 erfaßt und es wird das Erfassungssignal, das auf der Leitung 21 geführt wird, synchron mit der Anordnungsabtastung angezeigt, um hierdurch ein Videobild auf einem Monitor oder einer anderen Bildausgabeeinrichtung 22 zu erzeugen, der bzw. die durch Synchronisationssignale angesteuert wird, die durch den Treiber 16 auf einer Leitung 24 bereitgestellt werden.
Eine Beleuchtungs- und Abbildungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung kann so ausgestaltet sein, daß sie im Reflexions- oder Durchleuchtungsbetrieb arbeitet.
Insbesondere sind in den Figuren 2 und 3 mit Reflexion arbeitende Ausführungsbeispiele dargestellt, während in Fig. 4 eine Realisierung gezeigt ist, bei der ein Lichtdurchgang eingesetzt wird.
Bei dem in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel richtet eine Linse L Licht von einer abgetasteten Quellenanordnung 10 auf die Objektebene OBO, und es wird Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, durch einen Strahlteiler S auf den Detektor 20 gerichtet. Die in Fig. 3 dargestellte, konfokale Konfiguration arbeitet mit einer Linse L' zur Leitung von Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, auf diskrete Regionen einer Detektoranordnung 20', die in einer nachstehend diskutierten Weise aufgebaut ist.
Das in Fig. 4 dargestellte, mit Transmission arbeitende Ausführungsbeispiel benutzt eine Linse L1 für die Leitung von Licht auf die Objektebene OBO, und es wird Licht, das durch das Objekt hindurchgegangen ist, durch eine Linse L2 gesammelt und auf die Detektoranordnung 20 gerichtet.
Es wird erneut auf Fig. 1C Bezug genommen. Die sequentielle Rasterabtastung, die durch den Abtasttreiber 16 hervorgerufen wird, kann in Übereinstimmung mit einer bevorzugten, praktischen Ausführung der Erfindung abgeändert werden, damit eine Erregung der Mikrolaser mit zufälligem Zugriff geschaffen wird, während die zuvor beschriebenen, optischen Eigenschaften des Systems beibehalten bleiben. Eine ausgewählte Erregung mit zufälligem Zugriff ermöglicht es, ausgewählte Objektpunkte häufiger als andere Objektpunkte zu beleuchten, wodurch der dynamische Bereich vergrößert wird, da hellere Bereiche vermieden werden, und Probleme hinsichtlich eines Lichtausbleichens behoben werden.
Verschiedene Arten und Größen von optischen Fokussierelementen können in Übereinstimmung mit der Erfindung in Abhängigkeit von der gewunschten Anwendung der Abbildungsvorrichtung eingesetzt werden. Bei einer ophthalmologischen Anwendung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, kann die Mikrolaseranordnung 10 auf die Retina eines Patienten abgebildet werden und zur Beleuchtung der Retina abgetastet werden, wodurch ein Laserscanner ohne bewegliche Teile für ein Raster-Laser-Ophthalmoskop (SLO) oder ein Raster- Laser-Mikroskop (SLM) geschaffen wird.
Für den Aufbau eines Raster-Laser-Ophthalmoskops, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, können die optischen Komponenten in Übereinstimmung mit der herkömmlichen Praxis zur Schaffung eines epitaxialen, optischen f/3-Systems ausgewählt werden. Die beleuchtende Mikrolaseranordnung 10 kann in einer konjugierten, retinalen Ebene R&sub2; ungefähr dreißig Millimeter vor der Relaislinse LR angeordnet werden, die an einer zur Pupille konjugierten Stelle P&sub1; angeordnet ist. Das Licht, das durch die Relaislinse R&sub3; gesammelt wird, läuft durch die Pupille des Auges bei PO hindurch, an der die Brillenlinse LO die Relaislinse abbildet. Das Auge selbst bildet die retinalen Konjugierten R&sub2; und R&sub1; auf der Retina R&sub0; ab. Alternativ kann die Quellenanordnung bei R&sub1; angeordnet werden und die Relaislinse kann entfallen. Die Relaislinse ist dazu vorgesehen, das Instrument an den unflexiblen Durchsatz des Auges anzupassen.
Gegenwärtig verfügbare Mikrolaserquellen erzeugen Licht, das eine Wellenlänge von ungefähr 983 Nanometer aufweist. Bei dieser Wellenlänge kann ein optisches f/2-System, das die Mikrolaseranordnung 10 abbildet, eine seitliche Auflösung von ungefähr 1,8 Mikrometer und eine axiale Auflösung von ungefähr 23,5 Mikrometer aufweisen. Eine höhere Auflösung kann dadurch erhalten werden, daß optische Standard-Mikroskopelemente eingesetzt werden, was auf Kosten einer verringerten Lichtausbeute (Lichtdurchsatz) möglich ist. Die Ausdehnung der Mikrolaser-Technologie zu kürzeren Wellenlängen wird dazu führen, daß die mikrolaser-beleuchteten Systeme, die in den Figuren 2 bis 5 dargestellt sind, eine höhere räumliche Auflösung bei einem gegebenen Satz von optischen Komponenten erreichen können.
Ein Gerät, das in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist, kann weiter dadurch verbessert werden, daß das herkömmliche Detektorelement 20 durch einen abtast- bzw. rasteradressierbaren Detektor 20' wie etwa eine Detektoranordnung ersetzt wird, die mit der gleichen Abfolge wie die Erregung der Beleuchtungsanordnung gelesen werden kann, wodurch eine konfokale Konfiguration geschaffen wird. Ein konfokales Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt.
Verschiedenartige Detektoren können in Übereinstimmung mit der Erfindung benutzt werden. Die Auswahl des Detektors hängt davon ab, ob die Vorrichtung als ein abtastendes Mikroskop oder als ein konfokales, abtastendes Mikroskop ausgestaltet ist. Bei einem abtastenden Mikroskop kann eine Photovervielfacherröhre (PMT) oder eine einzelne Lawinenphotodiode (APD) oder ein anderer photoelektrischer Detektor eingesetzt werden. Bei einem konfokal abtastenden Mikroskop kann eine Bildzerlegungsröhre oder eine der hierzu analogen Komponenten mit Festkörperausführung wie etwa eine abgetastete Photodiodenanordnung eingesetzt werden, was im folgenden diskutiert wird.
Insbesondere kann ein Detektor für ein nicht konfokales Gerät eine Photovervielfacherröhre (PMT) wie etwa vom Typ RCA 4526 ein Photodetektor des Typs mit pin-Diode wie etwa des Typs PIN-020A von United Detector Technology, oder eine Lawinenphotodiode wie etwa der Typ RCA C30950 sein. Die photoempfindliche Oberfläche der Photovervielfacherröhre ist mit dem abtastenden Laserstrahl in Übereinstimmung mit der herkömmlichen Detektortechnik ausgerichtet. Methoden für die Realisierung diesr Art des Erfassungssystems sind im Stand der Technik bekannt.
Ein konfokales Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, arbeitet mit einem konfokalen Detektor 20', der aus einer Bildzerlegungsröhre besteht, oder mit einer Energieerfassungseinrichtung mit niedriger räumlicher Auflösung wie etwa des Typs R-571 von Hammatsu, der in Japan hergestellt wird. Eine Bildzerlegungsröhre ist eine Photovervielfacherröhre, die einen wählbaren empfindlichen Punkt oder Fleck aufweist.
Bei einem konfokalen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die photoempfindliche Region synchron mit der abtastenden Beleuchtung des Objekts durch den abtastenden Laserstrahl ausgewählt. Folglich trägt Licht, das von den nicht beleuchteten Abschnitten des Objekts gestreut wird, nicht zu dem Ausgangssignal der Erfassungseinrichtung bei, es sei denn, daß es auf den ausgewählten Abschnitt des Detektors auffällt. Als Ergebnis sind Störungen bzw. Rauschen auf Grund von unerwunschtem, gestreutem Licht beträchtlich verringert.
Bei einer weiteren bevorzugten praktischen Ausführungsform ist der Detektor 20' eine Anordnung aus Photodioden mit Festkörperaufbau wie etwa Lawinenphotodioden (APD). Eine Lawinenphotodioden-Anordnung aus 25 Elementen befindet sich gegenwärtig bei einem konfokalen Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einsatz.
Alternativ kann der konfokale Detektor 20' eine Matrix mit im Multiplex betriebener Anordnung sein (MAMA-Anordnung; MAMA = multiplexed array matrix), oder kann mit CCD- oder SID-Anordnungen arbeiten, die derart modifiziert sind, daß sie nicht-integnerend oder zufällig ansteuerbar sind. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die zufällig adressierbaren Detektoranordnungen gemäß der Erfindung die Vorteile der konfokalen Mikroskopie in einem kompakten System mit Festkörperausführung bereitstellen können.
Weiterhin kann bei einem konfokalen Ausführungsbeispiel, das eine adressierbare Detektoranordnung in Übereinstimmung mit Fig. 3 aufweist, der Vorteil vollen Multiplexbetriebs des TSM erzielt werden, indem mehr als ein Mikrolaser gleichzeitig erregt wird. Als Beispiel steht bei der Erregung eines Prozents der Laser in der Anordnung zu einem beliebigen Punkt in dem Abtastzyklus; d.h. durch gleichzeitiges Erregen von 2500 Mikrolasem in einer Mikrolaseranordnung mit 250,000 Elementen (500 x 500); ein großer Teil der konfokalen Kontrastverstärkung zur Verfügung, und es kann die aktuelle Abtastung hundertmal schneller oder hundertmal heller durchgeführt werden. Folglich ist bei einem im Multiplex betriebenen, mittels Mikrolasern beleuchteten System gemäß der Erfindung der Nachteil, daß herkömmlich beleuchtete TSM-Systeme an einem Lichtmangel leiden, beseitigt und auch andere Probleme des TSM einschließlich von Streulicht, das von einer Anordnung mit sich bewegendem Nadelloch gestreut wird, sind ausgeräumt. Es weist somit sämtliche Vorteile einer SLM und eines TSM auf.
Wie vorstehend erläutert, werden bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung Mikrolaser mit einem Durchmesser von zwei Mikrometern und einem Abstand von zwei Mikrometern eingesetzt, so daß eine Anordnung aus 500 x 500 einen Quadratmillimeter belegt. Bei einer Abbildung bei einer Einheitsvergrößerung führt dies zu einem Mikroskop, das eine Auflösung von zwei Mikrometern aufweist. Bei einer zehnfachen Verkleinerung weist das Mikroskop eine Auflösung auf, die gleich groß ist wie diejenige eines gegenwärtig verfügbaren Licht-Mikroskops. Bei einer zehnfachen Vergrößerung wird mit der Anordnung ein exzellentes Biomikroskop oder ein Bearbeitungsmikroskop geschaffen. Bei einer Vergrößerung um das Hundertfache kann das System eine TV-Kamera sein, die ein Feld von zehn Zentimetern aufweist.
Da das gesamte System mittels einer Festkörpervorrichtung realisiert werden kann, kann ein Mikroskop, das in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist, eine sehr kleine Größe von nur wenigen Millimetern aufweisen. Insbesondere kann ein konfokal abtastendes Lasermikroskop in einem Behälter aufgenommen werden, der die Größe eines Behälters für einen 35-mm-Film oder weniger aufweist. Diese kompakte Größe macht die Erfindung insbesondere bei Einsätzen für Fernerfassung, bei der Endoskopie, bei kopfgetragenen SLO-Einsätzen, bei einem in der Hand gehaltenen Untersuchungsmikroskop und bei vielen anderen Anwendungen geeignet, die eine kleine Abbildungsvorrichtung benötigen. In Fig. 6 ist ein kompaktes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem eine Mikrolaserquellenanordnung 10 und eine Detektoranordnung 20' eingesetzt werden, die mit benachbarten Oberflächen eines Strahlteilerwürfels S' gekoppelt ist, und es ist eine Objektivlinse oder eine Relaislinse L mit der Objektivoberfläche des Strahlteilerwürfels gekoppelt. Die Linse L richtet Licht von der Quellenanordnung 10 auf das Objekt 18 und richtet in Zusammenwirkung mit dem Teiler S' 'Licht, das durch das Objekt 18 reflektiert wird, auf die Detektoranordnung 20', die synchron mit der Abtastung der Mikrolaseranordnung 10 abgetastet wird.
Bei einer anderen praktischen Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 7 gezeigt ist, kann eine Mikrolaserquelle 10 bei einer Konfiguration mit Anzeige "in Kopfhöhe" eingesetzt werden, bei der ein Objekt wie etwa das Auge E über eine Brillenlinse LO beleuchtet wird.
Für den Fachmann ist ersichtlich, daß Abänderungen der dargestellten Ausführungsbeispiele unter Heranziehung von anderen abtastbaren oder mit zufällig erfolgendem Zugriff zugreifbaren Beleuchtungsquellen aufgebaut werden können. Bei einer derartigen Abänderung wird ein Array aus Laserstrahlen eingesetzt, die durch mehrfache Reflexion (die z.B. durch einen Quellenstrahlteiler hervorgerufen wird) oder durch Beugung erzeugt werden. Die Strahlanordnung kann mechanisch in einem kleinen Abtastwinkel abgetastet bzw. abgelenkt werden. Bei dieser Konfiguration wird die Helligkeit von Laserquellen eingesetzt und es kann der Multiplex-Vorteil abhängig von dem ausgewählten Detektor bereitgestellt werden.
Es ist somit ersichtlich, daß mit der Erfindung die vorstehend vorgestellten Zielsetzungen einschließlich derjenigen, die aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sind, wirkungsvoll erreicht werden. Es versteht sich, daß Änderungen bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau und bei den vorstehend beschriebenen Betriebsabläufen vorgenommen werden können ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann die Erfindung auch mit anderen abtastbaren Lichtquellenanordnungen in der Praxis realisiert werden, auch wenn sie in Verbindung mit oberflächenemittierenden Diodenlasern beschrieben worden ist. Es ist demzufolge beabsichtigt, daß alle Dinge, die in der vorstehenden Beschreibung enthalten oder in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, eher als erläuternd denn als in beschränkendem Sinn interpretiert werden.
Es versteht sich weiterhin, daß die nachfolgenden Ansprüche alle allgemeinen und speziellen Merkmale der hier beschriebenen Erfindung sowie alle Feststellungen bezüglich des Umfangs der Erfindung, die aus sprachlichen Gründen zwischen diese Merkmale fallen sollten, abdecken sollen.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Bilds eines Objekts (18), mit

einer Beleuchtungseinrichtung (10, 12) für eine Rasterbeleuchtung des Objekts, wobei die Beleuchtungseinrichtung eine Anordnungseinrichtung (10) aus unabhängig voneinander adressierbaren Mikrolasern (12) für die jeweils unabhängige Erzeugung von Licht als Reaktion auf elektrische Erregungen, die an die Mikrolaser in einem Erregungsabtastmuster adressiert sind, aufweist,

einer Fokussiereinrichtung (L, L&sub1;, LR, L&sub0;) für das Richten des Lichts der Beleuchtungseinrichtung zu dem Objekt, und

einer Erfassungseinrichtung (20, 20') zur Erfassung von Licht, das von einer Lichtstreuung, einer Lichtreflexion oder einem Lichtdurchgang herrührt und von dem Objekt stammt, und zum Umwandeln des Lichts in ein elektrisches Signal synchron mit dem Abtastmuster.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine in elektrischer Verbindung mit den Mikrolasern (12) stehende Erregungseinrichtung (16) für die Erzeugung von zeitvariablen elektrischen Erregungen und zum Zuführen der elektrischen Erregungen zu einem oder einigen der Mikrolaser (12) in einem Erregungsabtastmuster enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Mikrolaser (12) in Form eines Rastererregungsmusters adressierbar sind, und bei der die Erregungseinrichtung (16) die elektrischen Erregungen zu einem oder einigen der Mikrolaser (12) in einem Rastererregungsmuster adressiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Mikrolaser (12) in Form eines Erregungsmusters mit zufälligem Zugriff adressierbar sind, und bei der die Erregungseinrichtung (16) die elektrischen Erregungen zu einem oder einigen der Mikrolaser (12) mit einem Rastererregungsmuster mit zufälligem Zugriff adressiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Erfassungseinrichtung (20) eine Lichtsammeleinrichtung (L', L&sub2;, L&sub0;, LR) zum Sammeln von Licht, das von dem Objekt (18) aufgrund einer Lichtstreuung oder einer Lichtreflexion oder eines Lichtdurchgangs herrührt, und zum Richten des gesammelten Lichts auf eine Bildebene, und

eine Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln des gesammelten Lichts in ein elektrisches Signal aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Umwandlungseinrichtung eine Photovervielfacher-Röhre aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Umwandlungseinrichtung eine Lawinen-Photodiode enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Umwandlungseinrichtung eine Mehrzahl von unabhängig voneinander auswählbaren photoempfindlichen Regionen und eine Einrichtung zum Auswählen der unabhängig voneinander auswählbaren photoempfindlichen Regionen im wesentlichen synchron mit dem Erregungsabtastmuster aufweist.

9. Verfahren zur Erzeugung eines Bilds eines Objekts (18), mit den Schritten;

Erzeugen von zeitlich veränderlichen elektrischen Erregungen,

Adressieren der elektrischen Erregungen zu Mikrolasern in einer Anordnung aus unabhängig voneinander adressierbaren Mikrolasern für die voneinander unabhängige Erzeugung von Licht als Reaktion auf die elektrischen, an die Mikrolaser in einem Erregungsabtastmuster adressierten Erregungen für eine Rasterbeleuchtung des Objekts,

Richten des Lichts auf das Objekt und

Erfassen von Licht, das von dem Objekt aufgrund einer Lichtstreuung oder einer Lichtreflexion oder eines Lichtdurchgangs herrührt, und

Umwandeln des Lichts in ein elektrisches Signal synchron mit dem Abtastmuster.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Erfassungseinrichtung (20, 20') eine Lichtsammeleinrichtung (L') zum Sammeln des Lichts, das von dem Objekt (18) aufgrund einer Lichtstreuung, einer Lichtreflexion oder eines Lichtdurchgangs herrührt, und zum Richten des gesamten Lichts auf eine Bildebene, und eine Wandlereinrichtung aufweist, die im wesentlichen in der Bildebene angeordnet ist und zum Umwandeln des gesammelten Lichts in ein elektrisches Signal dient.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Wandlereinrichtung eine Mehrzahl von unabhängig voneinander auswählbaren photoempfindlichen Regionen und eine Einrichtung zur Auswahl der unabhängig voneinander auswählbaren photoempfindlichen Regionen im wesentlichen synchron mit dem Erregungsabtastmuster aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Wandlereinrichtung eine Bildzerlegungseinrichtung aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Detektoranordnung eine Photodiodenanordnung enthält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Detektoranordnung eine Mikrokanal-Anordnung mit mehreren Anoden enthält.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Detektoranordnung eine nicht integrierende, ladungsspeichernde, photoelektrische Haibleiteranordnung mit unabhängig voneinander zum Lesen adressierbaren Regionen aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Wandlereinrichtung eine Einrichtung zum Umwandeln des gesammelten Lichts in elektrische Signale mit Videopegel enthält, und bei der weiterhin eine mit der Wandlereinrichtung in elektrischer Verbindung stehende Videoanzeigeeinrichtung für die Anzeige eines für das gesammelte Licht repräsentativen Videobilds in Abhängigkeit von den elektrischen Signalen mit Videopegel vorhanden ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Erregungseinrichtung (16) eine Einrichtung zur Steuerung des Erregungsmusters bezüglich einer Verringerung der Helligkeit von helleren Bereichen eines Bilds aufweist, so daß eine Lichtausbleichung in dem Fall, daß das Objekt durch die Retina eines zu untersuchenden Auges gebildet wird, verringert ist.

18. Vorrichtung zur Erzeugung eines Bilds eines Objekts gemäß Anspruch 2, mit

einer Multiplexeinrichtung, die mit der Erregungseinrichtung (16) und der abtastbaren Beleuchtungseinrichtung gekoppelt ist und zur Multiplexbehandlung des durch die Mikrolaser (12) erzeugten Lichts zur Erzeugung einer zeitlich veränderlichen Anordnung von Laserstrahlen dient, und

einer Fokussiereinrichtung (L, L&sub1;, LR, L&sub0;) zum Richten des durch die Beleuchtungseinrichtung erzeugten Lichts auf das Objekt (18).

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Multiplexeinrichtung eine Strahlteilereinrichtung (S') enthält, die optisch mit der Mikrolaseranordnung (10) gekoppelt ist und zum Erzeugen einer Mehrzahl von Laserstrahlen aus dem durch den Laser (12) erzeugten Licht dient.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Multiplexeinrichtung eine Beugungseinrichtung aufweist, die optisch mit der Beleuchtungseinrichtung (12) gekoppelt ist und zum Beugen des durch die Beleuchtungseinrichtung erzeugten Lichts mit einem ausgewählten Beugungswinkel dient.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, mit einer Anordnungsabtasteinrichtung, die mit der Multiplexeinrichtung gekoppelt ist und zum Abtasten der gebeugten Strahlen über einen ausgewählten Abtastwinkel der Anordnung dient.