DE68929464T2

DE68929464T2 - Rastermikroskop

Info

Publication number: DE68929464T2
Application number: DE68929464T
Authority: DE
Inventors: Timothy Peter Dabbs; 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: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2009-07-14
Also published as: EP0393165B1; DE68928345T2; DE68929464D1; EP0393165A1; EP1245987B1; EP0393165B2; US5120953A; EP1245987A3; DE68929553T2; EP0782027A2; EP1245987A2; EP0782027A3; DE02012428T1; EP0782027B1; ATE158659T1; EP0393165A4; DE68929553D1; DE68928345D1; WO1990000754A1; DE68928345T3

Description

Technisches Feld

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Mikroskopie und insbesondere Abtastmikroskope.
Die Prinzipien eines konfokalen Abtastmikroskops sind im US-Patent 3 013 467 von Marvin Minsky offenbart. Das Grundprinzip besteht darin, die Beleuchtung der zu beobachtenden Probe oder des zu beobachtenden Objekts auf ein einzelnes Punktbeobachtungsfeld zu begrenzen und die Beobachtung oder Erfassung auf dieses beleuchtete Punktfeld zu begrenzen. Ein vollständiges Bild wird durch punktweises Abtasten der zu beobachtenden Probe oder des zu beobachtenden Objekts über ein ganzes Gesichtsfeld des Mikroskops gewonnen.
In früheren konfokalen Mikroskopen, einschließlich dem im Minsky-Patent vorgeschlagenen, blieb das optische System ortsfest und ein Abtasten wurde erreicht, indem die zu beobachtende Probe oder das zu beobachtenden Objekt in einem Abtastmuster transversal zum Brennpunkt der Beleuchtung bewegt wurde. Neuere Hochgeschwindigkeitsabtastmikroskope verwenden statt der Bewegung der Probe Strahlabtastverfahren. Im allgemeinen verwenden diese Mikroskope einen Laser als stark leuchtende Lichtquelle und haben ein Computer- oder Videosystem, um die erfaßten Bildsignale zu verarbeiten und zu speichern oder anzuzeigen.
Konfokale Mikroskope haben eine bessere Auflösung als herkömmliche Mikroskope und eine höhere Scharfzeichnung, da außerhalb des Fokus liegende Signale und Interferenzen stark verringert sind. Sie haben eine spezielle Anwendung bei der Untersuchung von biologischen Proben mittels Epifluoreszenz gefunden, wo die Verringerung der außerhalb des Fokus liegenden Interferenz ein Hauptvorteil ist.
Die Herstellung eines konfokalen Mikroskops durch Anbringen eines konfokalen Bilderzeugungssystems an ein herkömmliches Mikroskop, das die Kondensor- oder Fokussierungslinse für das System bereitstellt, ist bekannt. In jeder bekannten konfokalen Einrichtung müssen jedoch der Lichtkondensor, die Lichtquelle und der Detektor und alle Komponenten, die den optischen Pfad des Mikroskops definieren, exakt zueinander positioniert sein und sie sind daher alle an einer massiven gemeinsamen Körperstruktur angebracht. Die vorliegende Erfindung stellt eine modifizierte Konstruktion bereit, durch welche einige der Komponenten räumlich völlig unabhängig, ohne die üblichen starren geometrischen Einschränkungen der relativen Lage und Orientierung, angeordnet werden können. Insbesondere ermöglicht sie, die Lichtquelle und den Photodetektor in jeder gewünschten Position anzuordnen, ohne daß eine starre mechanische Verbindung zwischen diesen und dem Rest der Einrichtung erforderlich ist. Andere Vorteile der von der Erfindung bereitgestellten Konstruktion werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.
Die US-A-4 500 204 enthält keine Beschränkung hinsichtlich der "Lichtauftrenneinrichtung" und der Lichtfokussierungseinrichtung, die eingerichtet ist, um vom Punktbeobachtungsfeld abgestrahltes Licht auf "die Spitze" zu fokussieren, wie ausdrücklich in Anspruch 1 zitiert ist, sondern sie enthält eine frühere Offenbarung einer Abtast-Auflichtmikroskopkonstruktion, welche alle der anderen Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Sie verwendet eine Gruppe von einzelnen Lichtleiterfasern, um einen Lichtstrahl von einer Spitze zu einer Lichtfokussierungseinrichtung zu übertragen und um von der Lichtfokussierungseinrichtung her Licht zu empfangen, das vom Objekt abgestrahlt und auf eine andere Spitze fokussiert wird. Die Spitzen der einzelnen Fasern können in Richtung der Lichtausbreitung versetzt angeordnet sein.
Gemäß der Erfindung wird ein Abtast-Auflichtmikroskop zum Erzeugen eines Bildes eines Objekts nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Die flexible Lichtübertragungseinrichtung kann eine erste Lichtleiterfaser, die sich von der Lichtquelle zur Lichttrenneinrichtung erstreckt, und eine zweite Lichtleiterfaser aufweisen, die sich von der Lichttrenneinrichtung zum Detektor erstreckt. Die Lichttrenneinrichtung kann dann einen Lichtleiterkoppler aufweisen, der die erste und zweite Faser an eine dritte Lichtleiterfaser koppelt, wodurch ein optischer Pfad zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zum Kondensor und zum Übertragen des vom Objekt abgestrahlten Lichts vom Kondensor zum Koppler bereitgestellt wird. In diesem Fall kann die Abtasteinrichtung dazu dienen, den von der dritten Lichtleiterfaser zum Kondensor übertragenen Lichtstrahl zu bewegen. Die Abtasteinrichtung kann betrieben werden, um die dritte Lichtleiterfaser zu bewegen, um den hierdurch zum Kondensor übertragenen Strahl zu bewegen, wodurch die Abtastbewegung des Lichtstrahls erzeugt wird.
In einer alternativen Anordnung kann die Lichttrenneinrichtung einen Strahlteiler aufweisen, der zwischen der Lichtquelle und der flexiblen optischen Übertragungseinrichtung oder zwischen der flexiblen optischen Übertragungseinrichtung und dem Lichtkondensor angeordnet ist.
Die Verwendung der flexiblen Lichtleiterfasereinrichtung ermöglicht, die Lichtquelle (üblicherweise ein Laser) und den Detektor fern vom Rest der Vorrichtung, ohne eine starre Verbindung mit dieser, anzuordnen. Dieses Merkmal der Vorrichtung hat zwei wichtige Folgen. Erstens ermöglicht es die Herstellung einer Einrichtung, die einem herkömmlichen Mikroskop, das Standardmikroskopoptiken und mechanische Einstellungen verwendet, hinzugefügt werden kann, um ein Bilderzeugungssystem herzustellen, bei welchem der Lasergenerator und der Detektor weit weg vom Mikroskop angeordnet werden können. Zweitens ermöglicht es die Konstruktion eines Bilderzeugungssystems unter Verwendung eines sehr kompakten, fern angeordneten Kopfstücks, das für Spezialzwecke angepaßt werden kann, wie zum Beispiel für eine Verwendung als Endoskop oder implantierbares Fernkopfmikroskop für medizinische Anwendungen.
Zur vollständigeren Erklärung der Erfindung und ihrer verschiedenen Anwendungen werden mehrere spezielle Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Vergleichsbeispiel eines Mikroskopsystems, in welchem eine Trennung des auslaufenden und des zurückkehrenden Lichts mittels eines Lichtleiter-Richtkopplers erreicht wird;
Fig. 2 zeigt ein modifiziertes Mikroskopsystem, in welchem eine Lichttrennung mittels eines Strahlteilers erreicht wird, der zwischen der Lichtquelle und der flexiblen optischen Übertragungseinrichtung des Systems angeordnet ist;
Fig. 3 ist ein weiteres modifiziertes System, in welchem eine Lichttrennung mittels eines Strahlteilers erreicht wird, der zwischen der flexiblen optischen Übertragungseinrichtung und dem Lichtkondensor des Systems angeordnet ist;
Fig. 4, 5A und 5B zeigen ein erfindungsgemäßes Mikroskopsystem, das dem in Fig. 1 gezeigten ähnlich ist, in welchem jedoch eine Abtastung durch Bewegung einer Spitze einer Lichtleiterfaser der flexiblen optischen Übertragungseinrichtung erreicht wird;
Fig. 6 zeigt ein modifiziertes System, das einen kompakten optischen Kopf verwendet, der speziell für die Untersuchung von Zähnen konstruiert ist;
Fig. 7 zeigt ein System, das anstelle eines Linsensystems einen konkaven sphärischen Spiegel als Lichtkondensor verwendet; und
Fig. 8 zeigt ein weiteres Vergleichsbeispiel mit zwei Mikroskopköpfen.

Beste Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Abtast-Auflichtmikroskopsystem. Dieses System weist eine starke Lichtquelle in Form eines Lasergenerators 1 auf, um einen Lichtstrahl 2 bereitzustellen, der durch eine Linse 3 auf ein Ende einer flexiblen Lichtleiterfaser 4 fokussiert wird. Das andere Ende der Lichtleiterfaser 4 läuft in eine Seite eines Richtkopplers 5, der ein verschmolzener Doppelkegelkoppler oder ein anderer Koppler sein kann, um Lichtstrahlen in entgegengesetzte Richtungen zu trennen. Das Licht, das in den einen der abführenden Schenkel 6 an der anderen Seite des Kopplers hineinläuft, wird mit minimaler Fresnelreflexion von einem Körper 7 mit angepaßtem Brechungsindex absorbiert, während Licht, das in das andere Bein des Kopplers an dieser Seite hineinläuft, von einer flexiblen Lichtleiterfaser 8 übertragen wird, von dessen Ende 9 aus es zum optischen Zug bzw. Strahlengang eines optischen Mikroskops, allgemein mit 10 bezeichnet, übertragen wird.
Das optische Mikroskop 10 weist eine Basis 11 auf, an welcher eine mechanisch einstellbare Probenträgerplattform 12 und ein Mikroskopkörper 13 angebracht sind, der die Komponenten enthält, die den optischen Strahlengang des Mikroskops definieren. Diese optischen Komponenten umfassen eine Linse 14, um das vom Ende 9 der Faser 8 auseinander laufende Licht 15 zu empfangen, zwei Spiegel 16, 17, welche nacheinander das durch die Linse 14 hindurch gegangene Licht über eine Strahlkonvergenzlinse 19 zu einem Lichtkondensor in Form einer Linse 18 reflektieren, welche das Licht auf einen Fleck oder ein Punktbeobachtungsfeld in einer auf der Plattform 12 getragenen Probe konzentriert oder fokussiert.
Die Spiegel 16, 17 können als Antwort auf Signale, die durch elektrische Anschlüsse 23, 24 von einem elektronischen Abtastsignalgenerator 25 zugeführt werden, von Wandlern 21, 22 so bewegt werden, daß sich der reflektierte Lichtstrahl in X- und Y-Richtung bewegt, um zu bewirken, daß der Leuchtfleck in einem Abtastmuster über die Probe wandert. Die Abtasteinrichtung dieser Art wird in herkömmlichen konfokalen Mikroskopen verwendet.
Die Kondensorlinse 18 fokussiert nicht nur Licht hoher Intensität auf die Probe, um einen Leuchtfleck zu erzeugen, sondern empfängt auch von der Probe abgestrahltes Licht, das über den optischen Strahlengang des Mikroskops 10 zur Lichtleiterfaser 8 zurück übertragen wird. Abhängig von der Art der Probe kann dieses von der Probe abgestrahlte Licht reflektiertes Licht, mittels Raman-Streuung gestreutes Licht oder Fluoreszenzlicht aufweisen. Es sollte selbstverständlich sein, daß der Ausdruck "abgestrahlt", so wie in dieser Beschreibung verwendet, in einem weiten Sinn so aufzufassen ist, daß er jedes vom Objekt herkommende, über den Kondensor zurück übertragene Licht umfaßt. Dieses Licht konvergiert wieder zurück zu einem Brennpunkt an der Spitze 9 der Lichtleiterfaser 8 und läuft in dieser Faser entlang zurück zum Koppler 5, wo ein Teil dieses Lichts über das vierte Bein des Kopplers und eine weitere flexible Lichtleiterfaser 31, dann über ein Filter 32 und eine Linse 33 zu einem Photodetektor 34 übertragen wird. Das Signal vom Photodetektor 34 läuft über eine elektrische Verbindung 35 zum Signalprozessor 36 eines Videoanzeigesystems, das auf einem Anzeigebildschirm 37 ein Bild erzeugt. Das Signal vom Photodetektor 34 moduliert die Intensität des von der Verarbeitungsschaltung 36 über die Ausgabeleitung 38 zum Anzeigebildschirm 37 übertragenen Bildsignals und durch eine Verbindung 39 zwischen dem elektronischen Abtastsignalgenerator 25 und der Signalverarbeitungseinrichtung 36 der Videoanzeigeeinheit 37 werden die mechanischen Abtastbewegungen der Spiegel 16, 17 mit den elektronischen Raster-Abtastbewegungen des Anzeigesystems synchronisiert.
Fig. 2 zeigt ein modifiziertes Abtast-Auflichtmikroskopsystem. Dieses System ist dem in Fig. 1 gezeigten ähnlich, es verwendet jedoch einen Strahlteiler als Einrichtung zum Auftrennen des zurückkehrenden Lichts vom auslaufenden Licht anstelle des verschmolzenen Doppelkegelkopplers der Vorrichtung in Fig. 1. Viele Komponenten der Vorrichtung sind mit denjenigen des in Fig. 1 gezeigten Systems identisch und arbeiten auf dieselbe Weise. Diese Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen mit dem Zusatz A bezeichnet. In diesem Fall sind der verschmolzene Doppelkegelkoppler und die zugehörigen mehreren Lichtleiterfasern durch eine einzige Lichtleiterfaser 41 ersetzt, wobei auf das eine Ende derselben Licht aus dem Laser 1A mittels der Linse 3A fokussiert wird und sich vom anderen Ende derselben aus das Licht zur Linse 14A des Mikroskopkopfes 10A ausbreitet, um den optischen Pfad im Kopf des Mikroskops zu durchlaufen und die Probe, so wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, zu beleuchten. Das vom Kondensor 18A des Mikroskopkopfs gesammelte zurückkehrende Licht läuft über den gleichen optischen Pfad und über die Faser 41 zur Linse 3A zurück. Dieses zurückkehrende Licht wird mittels eines Strahlteilerwürfels 42 getrennt, der zwischen der Laserquelle 1A und der Linse 3A angeordnet ist und der das zurückkehrende Licht in einen Strahl 43 abzweigt, der vom Photodetektor 34A erfaßt wird.
Fig. 3 zeigt ein alternatives modifiziertes System, in welchem das zurückkehrende Licht mittels eines Strahlteilers getrennt wird, der innerhalb des Mikroskopkopfs selbst angeordnet ist. Wieder sind Komponenten, die denjenigen des in Fig. 1 gezeigten Systems entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, aber dieses Mal mit dem Zusatz 8. In dieser Vorrichtung wird Licht aus der Laserquelle 1B von der Linse 3B auf das eine Ende einer Lichtleiterfaser 51 fokussiert, die das Licht zum Mikroskopkopf 108 überträgt, wo es über den optischen Strahlengang des Mikroskopkopfs übertragen wird, um auf einen Fleck an der zu untersuchenden Probe fokussiert zu werden. Das vom gleichen Fleck an der Probe abgestrahlte Licht wird vom Kondensor 188 des Mikroskopkopfs gesammelt und wird über den optischen Strahlengang des Mikroskops zurück übertragen. In diesem Fall ist der Mikroskopkopf durch Hinzufügen eines Strahlteilers 52 modifiziert, der das zurückkehrende Licht im Mikroskopkopf trennt und es über eine Linse 54 auf ein Ende einer zweiten Lichtleiterfaser 53 fokussiert, über welche es zum Photodetektor 34B des Systems übertragen wird.
Fig. 4, 5A und 5B zeigen ein gemäß der Erfindung konstruiertes Abtastmikroskopsystem. Dieses System ist dem in Fig. 1 gezeigten ziemlich ähnlich und gleiche Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen mit dem Zusatz C bezeichnet. Die Modifikation, die an der vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung vorgenommen wurde, ist, daß die Abtastung nun mittels Bewegen der Spitze 9C der Lichtleiterfaser 80, durch welche Licht aus dem Lasergenerator 1C zum Mikroskopkopf 10C übertragen wird, erreicht wird. Abtastbewegungen der Faserspitze werden mittels eines Bewegungsgenerators 61 erzeugt. Der Bewegungsgenerator kann günstigerweise ein elektromechanischer Wandler sein, der elektrische Signale aus dem Abtastmustergenerator 25C empfängt. Dieser Wandler kann irgendeiner der herkömmlichen Art zur Erzeugung geeigneter Abtastbewegungen in X- und Y-Richtung sein. Eine solche Vorrichtung ist in den Fig. 5A und 5B gezeigt, die eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer typischen Vorrichtung sind.
In dem Faserbewegungsgenerator 61, wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt, werden die Abtastbewegungen der Faserspitze 9C von einer Kombination aus elektromagnetisch induzierter Resonanzschwingung und hydraulischer Bewegung erreicht. Ein an einem flexiblen Schutzrohr 63 angebrachter Permanentmagnet 62 wird vom Elektromagneten 64 unter dem Einfluß von elektrischen Pulsen periodisch angezogen, die von der Abtaststeuereinheit 25C erzeugt und mittels Leitungen 65 zum optischen Kopf übertragen werden.
Die Lichtleiterfaser 8C steht entlang des flexiblen Schutzrohrs hervor und wird durch dieses in Schwingungen versetzt, wodurch die Abtastung in eine Richtung (zum Beispiel in die X-Richtung) erzeugt wird. Um sicherzustellen, daß die elektronische Bildabtastung mit der mechanischen Bildabtastung synchron ist, ist eine Positionsrückkopplung über einen piezoelektrischen Sensor 66 vorgesehen, der über die Leitungen 67 zur Bildverarbeitungseinheit 36C rückkoppelt.
Die andere Abtastachsenbewegung wird durch eine langsamere quasi-lineare Bewegung erzeugt, die durch Einströmen oder Ausströmen von Flüssigkeit aus einem Versorgungsrohr 70 in einen Zylinder 68 erzeugt wird, wodurch ein Kolben 69, der die gesamte elektromagnetische Abtasteinheit trägt, betätigt wird, so daß die Faser auf diese Weise in Y-Richtung bewegt wird.
Es ist ersichtlich, daß in allen der bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung die Lichtquelle, der Detektor und das Anzeigesystem an irgendeiner Position fernab von den anderen Komponenten, wie beispielsweise den normalerweise in einem optischen Mikroskop eingebauten optomechanischen Komponenten, angeordnet sein können. Diese Systeme ermöglichen deshalb die Herstellung einer Laserbilderzeugungseinrichtung, die an bestehende herkömmliche Mikroskope angebracht werden kann, um so die Standardmikroskopoptiken und mechanischen Einstellungen zu verwenden. Die Möglichkeit, unter Verwendung von Lichtleiterverbindungen den optischen Kopf vom Rest des Systems zu trennen, eröffnet die Möglichkeit der Miniaturisierung des optischen Kopfes, insbesondere wenn das Abtasten durch Faserbewegungen erreicht wird. Es ist somit möglich, die Erfindung auf Endoskopie und andere Gebiete anzuwenden, wo ein kompakter Fernkopf erforderlich ist.
Fig. 6 zeigt ein gemäß der Erfindung konstruiertes modifiziertes System, in welchem Komponenten, die denjenigen des in Fig. 1 gezeigten Systems entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen mit dem Zusatz F bezeichnet sind. In diesem Fall ist der Mikroskopkopf 10 durch einen kompakten optischen Kopf 10F für die Untersuchung von Zähnen ersetzt, insbesondere für die Erkennung von frühen Kariestaschen im Dentin unterhalb des Zahnschmelzes. Der optische Kopf 20F weist ein starres Gehäuse 101 auf, welches das Ende der Lichtleiterfaser 8F aufnimmt, dessen Spitze 9F mittels eines elektromechanischen Wandlers 102 bewegt wird, um die erwünschte Abtastung zu erzeugen. Das Gehäuse 101 enthält die Kondensorlinse 103 des Systems und eine Linse 110 und einen Spiegel 105, um den optischen Pfad zwischen der Faser 8E und der Kondensorlinse 103 bereitzustellen.
Eine "Sandwich"-Schicht 104 aus einem schwammigen oder weichen flexiblen Material ist an die der Kondensorlinse 103 gegenüberliegende Seite des Gehäuses 101 geklebt und von einer relativ harten Platte 106 bedeckt.
Der optische Kopf 10F ist zwischen einem zu untersuchenden Zahn 107 und einem gegenüberliegenden Zahn 108 im Eingriff, so daß der zu untersuchende Zahn oberhalb der Kondensorlinse 103 angeordnet ist und der gegenüberliegende Zahn mit der Platte 106 im Eingriff ist. Die Sandwichschicht 104 erlaubt ein kleine Relativbewegung zwischen den Zähnen ohne eine Bewegung zwischen dem optischen Kopf und dem abzutastenden Zahn hervorzurufen. Ein Rohr 109 kann vorgesehen sein, um ein Gel oder viskoses Fluid mit passendem Brechungsindex in den Raum zwischen der Objektivlinse und dem zu untersuchenden Zahn einzuführen.
Fig. 7 zeigt ein weiteres gemäß der Erfindung konstruiertes Mikroskopsystem. Dieses System verwendet anstelle eines Linsensystems einen konkaven sphärischen Spiegel als Lichtkondensor. Komponenten des Systems, die denjenigen von Fig. 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen mit dem Zusatz G bezeichnet.
In dem in Fig. 7 gezeigten System ist die Spitze 9G der Lichtleiterfaser 8G nahe an einem Tisch 111 angeordnet, der eine zu untersuchende Probe 112 trägt. Die Faserspitze und der Tisch sind in der Nähe und an gegenüberliegenden Seiten des Krümmungsmittelpunkts eines konkaven sphärischen Spiegels 113 angeordnet. Das von der Faserspitze ausgesandte Licht wird vom Spiegel auf einen Brennpunkt an der Probe zurückgeworfen. Licht, das aufgrund von Reflexion oder Fluoreszenz von der Probe abgestrahlt wird, kehrt dann konfokal zurück zur Faserspitze und somit zum Photodetektor 34G.
Ein elektromagnetischer Wandler 114 ist an der Faserspitze angebracht und empfängt Signale aus dem Abtastsignalgenerator 25G, um Abtastbewegungen der Faserspitze hervorzurufen. Es ist ersichtlich, daß das Abtasten alternativ durch Bewegen des Probenhaltertisches 115 oder durch eine kombinierte Bewegung sowohl des Probenhaltertisches als auch der Faserspitze erreicht werden könnte.
Das in Fig. 7 gezeigte System wird nicht durch chromatische Aberration beeinträchtigt sein. Die sphärische Aberration wird klein sein, falls die Faserspitze und die Probe nahe aneinander angeordnet sind. Es ist möglich, eine sphärische Aberration dadurch zu kompensieren, daß die sphärische Spiegeloberfläche mechanisch ein wenig in ein Rotationsellipsoid verzerrt wird, das zwei Brennpunkte hat, in welchen die Faserspitze und der Fleck an der zu untersuchenden Probe liegen. Eine solche Verzerrung kann durch mechanisches Klemmen oder andere Mittel herbeigeführt werden. Es würde auch möglich sein, ein kleines zylindrisches Element nahe an der Faserspitze anzuordnen, um einen Astigmatismus in entgegengesetzte Richtung einzubringen und somit das Bild wieder zu einem Fleck für die auslaufenden und zurückkehrenden Strahlen zurück zu verwandeln.
Fig. 8 zeigt ein System, das die wechselweise Verwendung von Mikroskopköpfen ermöglicht. Das System ist eine Modifikation des in Fig. 1 gezeigten Systems und die Komponenten, die denjenigen des Systems von Fig. 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen mit dem Zusatz H bezeichnet. In diesem Fall ist der Schenkel 6H des Kopplers 5H nicht durch eine Verbindung mit einem Absorberkörper blind abgeschlossen, sondern ist mittels einer Faser 121 mit einem zweiten Mikroskopkopf 10H' verbunden, der mit dem ersten Mikroskopkopf 10H (bau)gleich sein kann und dessen Abtastspiegelwandler 23H' und 24H' ebenfalls mit dem Abtastsignalgenerator 25H verbunden sind.
Mit der in Fig. 8 gezeigten Anordnung kann ein Mikroskopkopf montiert und auf eine Probe fokussiert werden, während der andere für ein konfokales Betrachten verwendet wird, und kann dann in den Betrieb für konfokales Betrachten gebracht werden, sobald das Betrachten mit dem anderen Kopf beendet worden ist. Auf diese Weise kann das System praktisch im Dauerbetrieb laufen.
Die gezeigten Ausführungsformen der Erfindung sind nur anhand von Beispielen vorgebracht worden und sie könnten modifiziert und weiter entwickelt werden, um aus der Lichtleitertechnologie Nutzen zu ziehen. Obwohl beispielsweise in allen gezeigten Ausführungsformen für die Übertragung des Lichtstrahls einzelne Lichtleiterfasern verwendet werden, ist klar, daß mehrere Fasern verwendet werden können. Wo die Abtastung mittels Faserbewegung erreicht wird, kann das ganze Bündel aus Fasern am Wandler oder an einem anderen Faserbewegungserzeuger angebracht sein, um so zusammen bewegt zu werden. Die Verwendung von mehreren Fasern wird auch ein gleichzeitiges Abtasten bei verschiedenen Wellenlängen ermöglichen.
In einer anderen Modifikation könnte der optische Koppler in Fig. 1 in seiner Mitte quer gespalten sein, um so ein Ende oder eine Spitze zu erzeugen, von wo aus Licht zum Mikroskopkopf übertragen wird und wohin vom Objekt abgestrahltes Licht fokussiert wird, um das konfokale Bild zu erzeugen. Die Faser 8 wäre dann überflüssig und das Ende des gespaltenen Kopplers würde die Stelle des Faserendes oder der Faserspitze 9 einnehmen.
In einer weiteren Modifikation könnte der gespaltene Koppler drei zusammenlaufende Schenkel mit dem zusätzlichen Schenkel haben, der aus einer Laserquelle Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge zuführt, um ein Abtasten mit verschiedenen Wellenlängen zu ermöglichen.

Industrielle Anwendung

Die Erfindung läßt sich besonders auf konfokale Abtastmikroskope fürs Labor und auf konfokale Mikroskopsysteme anwenden, die kompakte Fernköpfe haben, die sich für eine Verwendung bei endoskopischen oder anderen Untersuchungen von lebendem biologischem Gewebe eignen.

Claims

1. Abtastungs-Auflichtmikroskop zum Erhalten eines Bildes eines Objekts, wobei das Mikroskop umfaßt:

eine Lichtquelle (1) zum Zuführen eines Lichtstrahls (2); eine Lichtfokussierungseinrichtung (14, 18, 19, 14A, 18A, 14B, 18B, 60, 151, 152, 157, 103, 110, 113) zum Aufnehmen des Lichtstrahls und zum Fokussieren des Lichts auf das Objekt (20, 20A, 20B, 20C, 159, 108, 112), um ein Punktbeobachtungsfeld auf oder innerhalb des Objekts zu beleuchten, und zum Aufnehmen zum Licht, das von diesem Punktbeobachtungsfeld auf oder innerhalb des Objekts abgestrahlt wird;

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

eine optische Übertragungseinheit (3, 4, 5, 6, 8, 31, 32, 33, 3A, 41, 42, 32A, 3B, 51, 14B, 52, 54, 53, 32B, 3C, 4C, 5C, 6C, 8C, 67, 4F, 5F, 8F, 31F, 32F, 4G, 5G, 6G, 8G, 31G, 4H, 5H, 6H, 8H, 31H, 32H) 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 (16, 17, 21, 22, 61, 64, 63, 66, 68, 69, 76, 166, 102, 114, 23H, 24H, 23H', 24H'), die so betrieben werden kann, daß sie eine relative Bewegung zwischen dem Objekt und dem Punktbeobachtungsfeld verursacht, so daß das Punktbeobachtungsfeld das Objekt in einem Abtastmuster überquert; sowie eine Lichtseparatoreinrichtung (5, 42, 52, 5C, 5E, 5F, 5G, 5H) zum Separieren des vom Objekt abgestrahlten Lichts vom Lichtstrahl;

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Übertragungseinheit eine flexible optische Übertragungseinheit in der Form von Lichtleitfasereinrichtungen (4, 5, 8, 41, 51, 4C, 5C, 8C, 4F, 5F, 8F, 4G, 5G, 8G, 4H, 5H, 8H, 6H) zum Übertragen des Lichtstrahls zwischen der Lichtquelle der Lichtfokussierungseinrichtung aufweist, wobei die Lichtleitfasereinrichtung eine Spitze (a) aufweist, von der Licht zu der Lichtfokussierungseinrichtung ausgestrahlt wird, wobei die Lichtfokussierungseinrichtung geeignet ist, Licht, das von dem Punktbeobachtungsfeld abgestrahlt wird, an der Spitze zu fokussieren, und

ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung eine Einrichtung (61, 64, 62, 63, 66, 68, 69, 102, 114) zum Bewegen eines Teils der flexiblen optischen Übertragungseinheit umfaßt, um den an die Lichtfokussierungseinrichtung übertragenen Lichtstrahl zu bewegen, wodurch die relative Bewegung zwischen dem Objekt und dem Punktbeobachtungsfeld erzeugt wird.

2. Mikroskop nach Anspruch 1, 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.

3. Mikroskop nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die flexible optische Übertragungseinheit eine erste Lichtleitfasereinrichtung (4, 51, 4C, 4H), die sich von der Lichtquelle zur Lichtseparatoreinrichtung erstreckt, sowie eine zweite Lichtleitfasereinrichtung (31, 53, 31H) enthält, die sich von der Lichtseparatoreinrichtung zum Detektor erstreckt.

4. Mikroskop nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtseparatoreinrichtung einen Lichtleitfaserkoppler (5, 5C, 5H) enthält, der die ersten und zweiten Fasereinrichtungen mit einer dritten Lichtleitfasereinrichtung (8, 8C, 6H, 8H) 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.

5. Mikroskop nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung so betrieben wird, daß sie den von der dritten Lichtleitfasereinrichtung zur Lichtfokussierungseinrichtung übertragenen Lichtstrahl bewegt.

6. Mikroskop nach Anspruch 5, 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.

7. Mikroskop nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Lichtleitfaserübertragungseinheit eine erste Lichtleitfasereinrichtung (4C, 4F, 4G), die sich von der Lichtquelle zur Lichtseparatoreinrichtung erstreckt, und eine zweite Lichtleitfasereinrichtung (31F, 31G) enthält, die sich von der Lichtseparatoreinrichtung zum Detektor erstreckt, wobei die Lichtseparatoreinrichtung einen Lichtleitfaserkoppler enthält, der die ersten und zweiten Fasereinrichtungen mit einer dritten Lichtleitfasereinrichtung (8C, 8F, 8G) 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 (64, 102, 114) enthält, der an der dritten Fasereinrichtung so angebracht ist, daß er ein Ende (9C, 9F, 9G) dieser Fasereinrichtung, von der Licht an die Lichtfokussierungseinrichtung übertragen wird, als Antwort auf elektrische Signale, die von einem Abtastsignalgenerator (25C, 25F, 25G) erzeugt werden, bewegt.

8. Mikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtseparatoreinrichtung einen Strahlenteiler (42) aufweist, der zwischen der Lichtquelle und der flexiblen Lichtleitfaserübertragungseinheit angeordnet ist.

9. Mikroskop nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtseparatoreinrichtung einen Strahlteiler (52) aufweist, der zwischen der Lichtfokussierungseinrichtung und der ersten und zweiten Lichtleitereinrichtung angeordnet ist.

10. Mikroskop nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die flexible optische Übertragungseinheit eine Lichtleitfasereinrichtung (8D, 8E, 155, 8F) zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt ausgestrahlten Lichts von der Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt ausgestrahlten Lichts von der Lichtfokussierungseinrichtung zum Lichtseparator aufweist, daß die Abtasteinrichtung eine Faserbewegungseinrichtung (102) zum Bewegen der Fasereinrichtung aufweist, derart, daß der hierdurch zur Lichtfokussierungseinrichtung übertragene Strahl bewegt wird, wodurch die Abtastbewegungen des Lichtstrahls erzeugt werden, und daß sich die Fasereinrichtung bis zu einem Mikroskopkopf (150, 101) erstreckt, der einen Körper besitzt, der die Lichtfokussierungseinrichtung und die Faserbewegungseinrichtung aufnimmt.

11. Mikroskop nach Anspruch 10, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbewegungseinrichtung ein elektromechanischer Wandler ist, der an einem Ende der Fasereinrichtung innerhalb des Mikroskopkopfes angebracht ist.

12. Mikroskop nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die flexible optische Übertragungseinheit eine Lichtleitfasereinrichtung (8G) zum Übertragen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zu der Lichtfokussierungseinrichtung und zum Übertragen des vom Objekt abgestrahlten Lichts von der Lichtfokussierungseinrichtung zu der Lichtseparatoreinrichtung aufweist und daß die Lichtfokussierungseinrichtung einen konkaven Reflektor (113) aufweist, der um eine Spitze des Lichtleiters angeordnet ist, so daß das Licht, das von der Lichtleiterspitze an einen Punkt nahe der Lichtleiterspitze übertragen wird, fokussiert wird, wobei das Mikroskop ferner eine Einrichtung aufweist, die ein zu untersuchendes Objekt unterstützt, so daß es durch das Licht, das durch den Spiegel fokussiert wird, beleuchtet wird, und so daß das vom Objekt abgestrahlte Licht durch den Reflektor auf die Lichtleiterspitze fokussiert wird.

13. Mikroskop nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die flexible optische Übertragungseinheit eine Gruppe einzelner Lichtleitfasern zum Übertragen des Lichtstrahls zu der Lichtfokussierungseinrichtung und zum Empfangen von dem vom Objekt ausgestrahlten Licht, das von der Lichtfokussierungseinrichtung aus einem Ende der Lichtleitfasergruppe fokussiert wird, aufweist, wobei die Spitzen der einzelnen Lichtleitfasern an dem Ende der Gruppe in der Richtung der Lichtausbreitung gestaffelt sind, wodurch die Tiefe des Beobachtungsbereiches verbessert wird.

14. Mikroskop nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine eines Paars von Lichtquellen zum Zuführen eines Paares von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge ist, und daß die optische Übertragungseinheit in der Lage ist, diese Strahlen zur Übertragung zu der Lichtfokussierungseinrichtung zu kombinieren, um eine Beleuchtung des Punktbeobachtungsfelds mit Licht dieser unterschiedlichen Wellenlängen zu bewirken.

15. Mikroskop nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, das ferner ein mit dem Detektor verbundenes Anzeigesystem zum Erzeugen eines Bildes des Objekts als Antwort auf Signale von dem Detektor aufweist.