DE10336962A1

DE10336962A1 - Vorrichtung zur konfokalen Abbildung eines Objektes in einer Bildebene

Info

Publication number: DE10336962A1
Application number: DE2003136962
Authority: DE
Inventors: Hans-Jochen Dr. Foth
Original assignee: KAISERSLAUTERN, University of; Universitat Kaiserslautern
Current assignee: KAISERSLAUTERN, University of; Universitat Kaiserslautern
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-13
Also published as: DE10336962B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur konfokalen Abbildung eines Objektes mit DOLLAR A - einer Lichtquelle zur Beleuchtung des Objektes und DOLLAR A - mit einem ersten Lichtleitfaserbündel, umfassend eine Vielzahl von Lichtleitfasern zur Aufnahme der vom Objekt reflektierten Strahlen. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung DOLLAR A - wenigstens ein zweites Lichtleitfaserbündel mit einer Vielzahl von Lichtleitfasern umfasst, die die Strahlen der Lichtleitfasern des ersten Lichtleitfaserbündels aufnimmt und zu einer Detektionseinrichtung weiterleitet, und DOLLAR A - ein optisches Element, das zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtleitfaserbündel angeordnet ist zurr Abbildung der Faserenden des ersten Lichtleitfaserbündels auf die Faserenden des zweiten Lichtleitfaserbündels.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur konfokalen Abbildung eines Objektes in eine Bildebene mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung des Objektes und einem ersten Lichtleitfaserbündel umfassend eine Vielzahl von Lichtleitfasern zur Aufnahme der vom Objekt reflektierten Lichtstrahlen.
Bei der konfokalen Mikroskopie erzielt man eine sehr geringe Schärfentiefe und diskriminiert Streulicht aus Ebenen unterhalb und oberhalb der Fokusebene sehr effizient, indem das Objekt über die Beobachtungsoptik, beispielsweise das Mikroskopobjektiv, beleuchtet und das Licht im Beobachtungsweg auf eine Lochblende abgebildet wird. Durch Rastern in der Fokusebene wird dann von dem beobachteten Objekt nur eine Schnittebene dargestellt. Dies hat den Vorteil, dass außerhalb der Fokusebene liegende Strukturen mit ihrem Streulicht das Bild des Objektes weit weniger stören als in der konventionellen Mikroskopie. Allerdings ist es dann, um das Objekt dreidimensional zu erfassen, notwendig, die beschriebene Rasterung in weiteren Ebenen zu wiederholen, wodurch die Datenaufnahme sehr zeitaufwendig wird.
Die Rolle der Lochblende zur konfokalen Abbildung kann in konfokalen Mikroskopen auch durch eine dünne Lichtleitfaser übernommen werden.

Aus der WO 91/15792 ist ein konfokales Mikroskop bekannt geworden, welches Lichtleitfasern enthält und mittels Spiegelsystemen die Abtastung eines Objektes ermöglicht. Zum Fokusieren des gesamten Lichtstrahls ist eine einzige Lochblende vorgesehen.

Aus der Zeitschrift „Optic's letter" April 15, 1993/Volume 18, No. 8, Seiten 565 bis 567 der Optical Society of America ist ein konfkales Mikroskop bekannt geworden, welches zwischen einer Lichtquelle und einem Objekt ein Bündel aus Lichtleitfasern enthält. Im Strahlengang ist eine X-Y-Ablenkeinheit zur Abtastung des Objektes in einer Ebene vorgesehen. Entsprechend der Abtastfrequenz gelangen eine Anzahl von Signalen zeitlich nacheinander zu einem Detektor zur weiteren Auswertung. Der Aufwand für die Ablenkung ist nicht unerheblich, und die Auswertung der Vielzahl von Signalen erfolgt mit einem erheblichen zeitlichen Aufwand. Im Strahlengang ist vor dem Detektor ein optisches System und eine Blende zwecks konfokaler Abbildung des abgetasteten Objektes auf den Detektor vorgesehen, wobei die reflektierten Strahlen immer durch die gleiche Blendenöffnung nacheinander auf den Detektor gelangen. Aus den zeitlich nacheinander erfassten Bildpunkten wird mit elektronischen Mitteln das Bild, beispielsweise einer Oberfläche, zusammengesetzt. Der diesbezügliche elektronische Aufwand ist nicht unerheblich.

Aus A. S. Gmitro und A. R. Rouse, „Development and use of a confocal microendoscope for in vivo histopathologic diagnosis", SPIE 4254-29, San José 2001, ist ein konfokaler Aufbau mit einem wackelnden Spiegel und Zwischenabbildung auf eine Schlitzblende bekannt geworden, um statt eines einzelnen Punktes eine Linie von Punkten gleichzeitig aufzunehmen. Ein derartiger Aufbau ist sehr aufwendig und voluminös. Er hat den Nachteil, dass er schwierig zu justieren und störanfällig ist, da bewegte Komponenten, wie der wackelnde Spiegel, in jeden optischen Aufbau Störungen eintragen.

Aus der DE 19537586 ist ein optischer Aufbau bekannt geworden, der eine konfokale Abbildung einer Vielzahl von Messpunkten in der gleichen Messebene auf einen Detektor ermöglicht. Eine Scan- oder Ablenkeinheit ist nicht vorhanden und das vom abzubildenden Objekt reflektierte Licht gelangt gleichzeitig durch einzelne Lichtleitfasern eines Lichtleitfaserbündels zu einem Detektor. Zur Streulichtunterdrückung ist vor dem Detektor im Strahlengang nach den Lichtleitfasern des Faserbündels eine Lochmaske angeordnet, deren einzelne Löcher den Enden der einzelnen Fasern des Lichtleitfaserbündels zugeordnet sind. Nachteilig am Aufbau gemäß dem Stand der Technik in Form der DE 19537586 ist, dass zwar jede Faser in einem Bündel paralleler Einzelfasern wie eine Lochblende wirkt, jedoch, wenn auf das Ende eines Lichtleitfaserbündels Licht gegeben wird, nur der geringe Anteil, der durch die Kerne der Faser eintritt, weitergeleitet wird. Die weitaus größere Fläche wird von den Mantelquerschnitten und den Zwischenräumen der Faser gebildet. Diese Flächen streuen oder reflektieren auftreffendes Licht und erzeugen einen hohen Untergrund an Streulicht, wenn dieses Licht in den Lichtweg gelangt. Das Problem des Streulichtes wurde in der DE 19537586 dadurch gelöst, dass die Löcher der Lochmaske den Enden der einzelnen Fasern des Lichtleitfaserbündels zugeordnet sind. Dies ist nur eingeschränkt möglich, da Fasern in Faserbündeln nie vollständig gleichmäßig angeordnet sind, so dass eine vollständige Streulichtunterdrückung mit einem Aufbau gemäß der DE 19537586 nicht erreicht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen gegenüber der DE 19537586 vereinfachten Aufbau einer Vorrichtung zur konfokalen Abbildung eines Objektes mit einer Lichtquelle und einem ersten Lichtleitfaserbündel umfassend eine Vielzahl von Lichtleitfasern zur Aufnahme der vom Objekt reflektierten Strahlen anzugeben, der sich durch eine hohe Streulichiunterdrückung auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, dass neben dem ersten Lichtleitfaserbündel ein zweites Lichtleitfaserbündel mit einer Vielzahl von Lichtleitfasern zur Leitung der vom ersten Lichtleitfaserbündel aufgenommenen Strahlen zu einer Detektionseinrichtung vorgesehen ist und dass zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtleitfaserbündel ein optisches Element zur Abbildung der Faserenden des ersten Lichtleitfaserbündels auf die Faserenden des zweiten Lichtleitfaserbündels vorgesehen ist.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Faserendflächen des ersten Lichtleitfaserbündels und des zweiten Lichtleitfaserbündels kongruent sind. Kongruent bedeutet in der vorliegenden Anmeldung, dass nicht nur die Anzahl der Einzelfasern der beiden Faserbündel gleich ist, sondern auch die Position jeder einzelnen Einzelfaser übereinstimmt. Besonders bevorzugt ist es, um zwei Faserbündelendflächen zu erhalten; die zueinander kongruent sind, wenn ein Faserbündel durchtrennt wird und zwar in ein erstes Lichtleitfaserbündel und ein zweites Lichtleitfaserbündel. In einem solchen Fall kann durch das erfindungsgemäße optische Element durch eine optische 1:1-Abbildung Licht aus dem ersten Lichtleitfaserbündel dem so genannten Objektfaserbündel in das zweite Lichtleitfaserbündel, das so genannte Detektionsfaserbündel, übertragen werden, wobei Streulicht durch eine derartige Anordnung vom Eintritt in das zweite Lichtleitfaserbündel abgehalten wird und insofern nicht zum Detektor gelangt.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das optische Element eine erste und eine zweite Komponente mit positiver Brechkraft. Zur Vermeidung von Abbildungsfehlern finden bevorzugt als erstes und zweites optisches Element mit positiver Brechkraft achromatischer Plankonvexlinsen Verwendung.

In einer weitergebildeten Ausführungsform wird das Licht, mit dem das abzubildende Objekt beleuchtet wird, ebenfalls durch das erste Lichtleitfaserbündel eingekoppelt. Hierzu wird bevorzugt ein Mikrospiegel verwandt, der im Strahlengang zwischen den beiden Fasernbündeln angeordnet ist. Durch das Einkoppeln des Lichtes mittels eines im Strahlengang zwischen dem ersten Lichtleitfaserbündel und dem zweiten Lichtleitfaserbündel angeordneten Mikrospiegels können Lichtverluste, beispielsweise gegenüber einer Anordnung wie sie aus der DE 19537586 bekannt ist, vermieden werden. In der DE 19537586 war hierfür ein halbdurchlässiger Spiegel vonnöten, der entsprechende Lichtverluste nach sich zog.

Um auch spektroskopisch ortsaufgelöste Abbildungen eines Objektes zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element ein Filterelement, beispielsweise ein Filterrad, eingebracht ist. Wird mit monochromatischer Laserstrahlung ein derartiger Aufbau betrieben, so kann mittels eines zwischen die erste und zweite optische Komponente eingebrachten Filterelementes beispielsweise Fluoreszenzspektroskopie betrieben werden. Mit Hilfe des Filterelementes wird sichergestellt, dass nur die Wellenlängen des Fluoreszenzlichtes in das Detektionsfaserbündel gelangen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, kann vorgesehen sein, zwischen die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente des optischen Elementes einen optischen Schalter einzubringen. Wird das Objekt mittels beispielsweise gepulster Laserstrahlung und damit Laserlicht mit einem zeitlichen Verlauf beleuchtet, so sind mit Hilfe des optischen Schalters zeitaufgelöste Messungen möglich.

Als Detektionseinrichtung zur Aufnahme der paralleloptisch über die Detektionslichtleitfaser zur Verfügung gestellten Daten wird besonders eine CCD-Kamera bevorzugt.

Bevorzugt beträgt der Durchmesser des Kerns einer Einzelfaser, der von einer Ummantelung umgeben ist, 10 μm. In einem solchen Fall ist es dann erforderlich, dass sowohl entlang der optischen Achse wie auch am Rand der Lichtleitfaser durch das optische Element eine auf 10 μm genaue Abbildung ermöglicht wird.

Bevorzugt beträgt die Anzahl der Lichtleitfasern eines Lichtleitfaserbündels mehr als 10 000 Lichtleitfasern.

Durch die parallele Datenakquisition gemäß der Erfindung entfällt das Rastern eines Einzelpunktes oder eines Schlitzes. Der gesamte optische Aufbau zeichnet sich dadurch aus, dass er sehr kompakt aufgebaut ist und keine bewegten Elemente, die Erschütterungen erzeugen könnten, enthält. Des Weiteren wird gegenüber dem Aufbau gemäß der DE 19537586 eine hohe Streulichtunterdrückung erreicht. Bevorzugt können sowohl die Einkoppel- wie auch die Abbildungseinheit hermetisch, beispielsweise durch Vakuum, abgeschlossen und somit staub- und wassergeschützt ausgeführt werden.

Bevorzugt findet die Vorrichtung gemäß der Erfindung im medizinischen Bereich Verwendung, insbesondere um mikroskopische Beobachtungen von Organoberflächen zu ermöglichen. Hierbei kann eine Auflösung bis in den zellulären Bereich erreicht werden, so dass mit Hilfe der vorliegenden Vorrichtung die Beobachtung des Entartungsgrades von Zellen möglich ist, ohne dass Biopsien entnommen werden müssen oder zeitaufwendige histologische Laboruntersuchungen notwendig sind. Für einen Einsatz im Bereich der Medizin ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass das erste Lichtleitfaserbündel sowie das Objektfaserbündel über Endoskope in natürliche Körperöffnungen beispielsweise zur Beobachtung der Bronchien oder des Darms eingesetzt werden können. Alternativ wäre auch eine Beobachtung anderer innerer Organe, wie der Leber, der Milz oder der Nieren, durch kleine künstliche Öffnungen möglich.

Für den Fachmann ist selbstverständlich, dass der erfindungsgemäße Aufbau, umfassend wenigstens zwei Lichtleitfaserbündel, nicht auf eine Verwendung im Bereich der Medizin beschränkt ist, sondern auch für Aufgaben in vielen technischen Bereichen eingesetzt werden kann, bei denen in kurzer Messzeit Oberflächenstrukturen mit mikroskopischer Auflösung darzustellen sind.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung der Erfindung mit einem als CCD-Kamera ausgebildeten Detektor,
2 einen Aufbau für spektroskopische Untersuchungen,
3 einen Aufbau für zeitaufgelöste Untersuchungen,
4a–b Faserenden zweier kongruenter Faserendflächen,
4c–d Faserenden zweier nicht kongruenter Faserendflächen,
5 geometrische Überdeckung des Kerns einer Faser mit der Abbildung der entsprechend konkruenten Faser,
6 Funktion des Überlappungsfaktores V in Abhängigkeit vom Verhältnis des Abstandes des Mittelpunktes zweier Faserkerne zum Radius des Faserkerne.
Die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält eine Lichtquelle 2, welche vorzugsweise als eine Laserlichtquelle ausgebildet ist und welche nachfolgend der Einfachheit halber als solche bezeichnet wird. Die ausgesandten Strahlen 4 gelangen auf einen Mikrospiegel 6. Mittels des Mikrospiegels 6 wird das Beleuchtungslicht auf das erste flexible Lichtleitfaserbündel 8 mit einer ersten Stirnfläche 10 geleitet und bestrahlt dieses vollständig. Die Länge des Lichtleitfaserbündels 8 aus lichtleitenden Fasern ist den Erfordernissen entsprechend vorgegeben. Das durch das Lichtleitfaserbündel geleitete Licht tritt an einer Endfläche 12 des flexiblen Lichtleitfaserbündels 8 heraus und gelangt von dort zu einer Optik 14, welche nachfolgend auch als Abbildungsoptik bezeichnet wird und schematisch durch eine Linse L3 angedeutet ist. Nur beispielhaft sind die Strahlen 16, 18 dargestellt, welche aus einer Lichtleitfaser austreten und auf das zu untersuchende Objekt, insbesondere eine Gewebeoberfläche, treffen. Lediglich von in der Bildebene 23 liegenden Oberflächenpunkten 22 wird ein Strahl 24 reflektiert und gelangt wiederum in das erste Lichtleitfaserbündel 8. Vom ersten Lichtleitfaserbündel 8 wird der reflektierte Strahl der ersten Stirnfläche 10 geleitet. Dort tritt der erste Strahl aus und wird über das optische Element 50 auf die entsprechende Faser des zweiten Faserbündels in Rahmen einer 1:1-Abbildung abgebildet. Die erste Faserendfläche des zweiten Faserbündels 60 ist mit 62 bezeichnet. Die erste Stirn- oder Faserendfläche 10 des ersten Faserbündels und die erste Stirnfläche 62 des zweiten Faserendbündels sind kongruent zueinander, so dass Streulichtverluste vermieden werden können. Kongruente Faserendflächen, die sich dadurch auszeichnen, dass sowohl die Anzahl wie die Position der Fasern im Faserbündel identisch ist, können dadurch erhalten werden, dass ein Faserbündel durchtrennt wird, wobei die Position jeder Einzelfaser fixiert wird. Derartige kongruente Faserendflächen erlauben es also, exakt die Endfläche der einen Faser auf die der anderen Faser abzubilden, wodurch beispielsweise von den Ummantelungen herrührendes Streulicht nicht in das zweite Lichtfaserbündel, das auch als Beobachtungsfaserbündel bezeichnet wird, eintreten kann. Der Begriff kongruente Faserendflächen wird in den 4a–4d sowie 5 näher erläutert.
Das in die zweite Lichtleitfaser eingekoppelte Licht wird über die Lichtleitfaser auf eine CCD-Kamera 70 geleitet, die die paralleloptische Datenakquisition beispielsweise von mehr als 10 000 Punkten, falls Lichtleitfaser mit mehr als 10 000 Punkten eingesetzt werden, ermöglicht. Um Licht, das aus der Faserendfläche des zweiten Lichtleitfaserbündels heraustritt, auf den Detektor, der hier als CCD-Kamera 70 ausgebildet ist, zu fokussieren, kann eine Optik 72 vorgesehen sein.
In 2 ist eine Anordnung gemäß der Erfindung gezeigt, die die spektroskopische Untersuchung von Oberflächen ermöglicht.
Gleiche Bauteile wie in 1 sind mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
Zwischen die beiden optischen Komponenten, die bevorzugt eine erste Plankonvexlinse 80 und eine zweite Plankonvexlinse 82 darstellen, ist ein optisches Filter 84 eingebracht. Wird nunmehr das zu untersuchende Objekt mit monochromatischem Licht beleuchtet, so kann durch das optische Filter 84, das beispielsweise als Filterrad ausgebildet sein kann, Fluoreszenzlicht herausgefiltert werden, so dass lediglich das Fluoreszenzanregungslicht in das zweite Lichtleitfaserbündel, das Beobachtungsfaserbündel, gelangt und damit auf die Detektionsvorrichtung 70. Das optische Filter 84 ist bevorzugt im Strahlengang von der Objekt zur Bildebene zwischen die erste Plankonvexlinse 80 und die zweite Plankonvexlinse 82 eingebracht.
Prinzipiell sind zwei mögliche Aufbauten für die Fluoreszenzspektroskopie mit Hilfe von zwischen die Plankonvexlinse 80 und die zweite Plankonvexlinse 82 eingebrachte optische Filter 84 möglich. Zunächst muss dafür gesorgt werden, dass das Anregungslicht der Lichtquelle 2 effektiv abgeblockt wird. Hierzu kann als Filterelement des optischen Filters ein schmalbandiger Interferenzfilter eingesetzt werden. Möchte man nur Fluoreszenzwellenlängen mit einer Wellenlänge, die größer als die des Anrechnungslichtes ist, beobachten, so wird hierzu beispielsweise ein Kantenfilter mit hoher Transmission im roten Spektralbereich eingesetzt.
Soll nur Fluoreszenzlicht mit einer Wellenlänge, die kleiner als die des Anregungslichtes ist, beobachtet werden, so wird hierfür ein Kantenfilter mit hoher Transmission im blauen Spektralbereich eingesetzt. Diese Methode ist insbesondere für Zwei-Photonen-Anregung geeignet. Hierdurch kann die räumliche Auflösung der konfokalen Mikroskopie um einen Faktor 2 gesteigert werden.
Da viele spektrale Filter den Nachteil haben, dass sie Streulicht erzeugen und teilweise stark fluoreszieren, ist es von Vorteil, einen derartigen Filter wie im gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen den Linsen 80 und 82 zu positionieren. Das Fluoreszenzlicht das dann beispielsweise durch die Beleuchtung des Filters entsteht, kann nicht direkt in den Detektor gelangen und ist folglich Streulicht, das nicht auf die Faserbündelendfläche 62 abgebildet wird und somit nicht das Messsignal überlagert.
Auf diese Art und Weise ist eine ortsaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie verschiedener Wellenlängen möglich, was insbesondere bei der Bestimmung von Entartungen von Krebszellen im medizinischen Bereich von Bedeutung ist.
Viele Messungen haben gezeigt, dass im Speziellen Tumorzellen Fluoreszenzlicht mit einer längeren Abklingkurve emittieren als gesunde Körperzellen. Verwendet man eine gepulste Anregung durch die Lichtquelle 2, so kann das Zeitverhalten des Fluoreszenzlichtes zur Erhöhung der Detektion von Tumorzellen eingesetzt werden.
Wie in 3 gezeigt, wird hierfür zwischen die Linsen 80 und 82 ein optischer Schalter 100 eingebracht, der vorzugsweise so gestaltet ist, dass er der bei Beleuchtung mit Anregungslicht zur Zeit T₀ die Lichttransmission auf die Faserbündelendfläche 62 abblockt. Zu einem späteren Zeitpunkt T₀ + ΔT, zu dem die Fluoreszenz des gesunden Gewebes bereits abgeklungen ist, öffnet der Schalter auf Lichttransmission und erlaubt so die Detektion des vom Tumor ausgesandten Fluoreszenzlicht. Die Zeitverzögerung ΔT kann beliebig eingestellt werden und zwar verschieden je nach Tumorart und Menge der Gesamtfluoreszenz. Aus der Halbwertszeit und der Abklingkurve des Fluoreszenzlichtes kann dann auf die Art der Tumorzellen rückgeschlossen werden. Erfindungsgemäß kann der optische Schalter 100 auch so genutzt werden, dass nur der Beginn des Fluoreszenzsignals detektiert und dieser damit gegenüber der späteren Fluoreszenz hervorgehoben wird.
In Abhängigkeit von der Zeitverzögerung ΔT, mit der vom Abblocken des Lichtes auf die Durchlässigkeit umgeschaltet werden soll, können verschiedene optische Schalter verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise schnelle elektro-optische Schalter wie Pockels-Zellen oder Kerr-Zellen. Alternativ hierzu können optisch sättigbare Absorber zum Einsatz kommen, bei denen durch einen ultrakurzen Laserpuls ein ansonsten absorbierendes Medium optisch gesättigt und damit transparent wird.
Wie schon beim vorangegangenen Ausführungsbeispiel, das in 2 dargestellt ist, ist es mit der Positionierung des optischen Schalters zwischen den beiden Linsen 80 und 82 möglich, Streulicht, das in dem optischen Schalter entsteht, zu unterdrücken, da das Streulicht nicht auf die Faserbündelflächen 62 abgebildet wird und damit nicht in den Detektor 70 gelangt.
In den 4a bis 4b ist näher erläutert, was in vorliegender Anmeldung unter dem Begriff kongruente Faserendflächen verstanden werden soll. Die 4a und 4b zeigen die Faserendfläche 10 und die Faserendfläche 62 zweier gemäß dieser Anmeldung kongruenten Faserendflächen. Wie in 10 und 62 deutlich zu erkennen ist, besteht jede Faserendfläche aus einer Vielzahl von Einzelfasern 200. Jede Einzelfaser weist einen Faserkern mit einem Mittelpunkt 202 sowie einen Fasermantel 204 auf, der Abstand zwischen den Mittelpunkten 202 zweier Faserkerne wird mit a bezeichnet. Der Radius vom Mittelpunkt 202 eines Faserkernes zum Rand des Fasermantels 204 mit r_F.
Da die einzelnen Fasern eines Faserbündels nie exakt aufeinander ausgerichtet sind, ergibt sich eine Versetzungslinie 210.1 der Einzelfasern beispielsweise in der Faserendfläche 10. Wird eine Glasfaser durch eine Trennscheibe sehr geringer Dicke durchgetrennt, so ändert sich an der Lage der einzelnen Fasern des Glasfaserbündels wenig. Dementsprechend ist die Versetzungslinie 210.1 der Faserendfläche 62 wie in 4b gezeichnet in ihrer Form nach im Wesentlichen gleich zur Versetzungslinie 210.2 der Faserendfläche 10. Die Lage der Mittelpunkte 202 der einzelnen Faserkerne entspricht somit bei der Faserendfläche 10 der Positionierung der Mittelpunkte 202 der Faserkerne bei der Faserendfläche 62. Die Faserendflächen sind dann kongruent zueinander. In den 4c und 4d sind zwei nicht zueinander kongruente Faserendflächen gezeigt. Wie deutlich zu erkennen ist, ist die Lage der Fasern 200, das heißt der Mittelpunkt 202 der Faserkerne, in der Endfläche 10 vollkommen unterschiedlich von der Lage der Mittelpunkte 202 der Faserkerne der Endfläche 62. Dann verläuft die Versetzungslinie 220 in der Endfläche 62 unterschiedlich zur Versetzungslinie 210 in der Endfläche 10. Die Faserendflächen 10 und 62 gemäß der 4c beziehungsweise 4d sind somit nicht kongruent zueinander.
5 erläutert in stark vereinfachter Art und Weise den Begriff des Überlappungsfaktors von zwei einander zugeordneten Fasern der Faserendflächen 10 und 62. Mit dem Bezugszeichen 220 wird der Kern einer der Fasern der Faserendfläche 62 bezeichnet, wobei mit r der Radius des Faserkerns angegeben ist. Die Fläche 221 stellt die von den Linsen 6 und 82 erzeugte Abbildung des zugeordneten Faserkerns aus der Faserendfläche 10 in der Ebene der Faserendfläche 62 dar. Der Einfachheit halber wird hier ebenfalls ein die Ausdehnung der Fläche 221 bestimmender Radius r angenommen. Dies ist auch die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Im Allgemeinen müssen die beiden Radien der Flächen 220 und 221 nicht übereinstimmen; auch Abweichungen von der Kreisform sind möglich. Mit 222 ist die Überlappungsfläche zwischen dem Faserkern 220 und dem Bild des zugeordneten Faserkerns 221 bezeichnet. Außerdem ist für die Abstände der kreisförmigen Flächen 220 und 221 der Mittelpunktsabstand a angegeben.
Quantitativ kann die Kongruenz von Faserendflächen durch den Überlappungsfaktor jeder Faser in der Faserendfläche 62 mit dem Bild der entsprechenden Faser der Faserendfläche 10 angegeben werden. Es gilt:
wobei x der als
definierte relative Versatz zwischen Faserkern und dem Bild des zugeordneten Faserkerns in der Faserendfläche 62 ist.
Hierbei werden mit
a: der Abstand zwischen den Mittelpunkten einer Faser der Faserendfläche 62 und der Abbildung der dazu entsprechenden Faser der Faserendfläche 10 und mit
r: der Radius des Faserkerns bezeichnet.
Generell kann der Überlappungsfaktor V zwischen 0 und 1 variieren. Hierbei bedeutet V = 1 eine vollständige Überlappung und V = 0, dass sich in einer Endfläche der Kern einer Glasfaser und das Bild des Kerns der zugeordneten Glasfaser der anderen Endfläche gerade noch berühren. Im Folgenden wird die Fläche des Kerns 220 einer beliebigen Faser in der Faserendfläche 62 als F₂₂₀ und die Fläche des Überlappungsbereichs 222 zwischen der Fläche F₂₂₀ und dem Bild des zugeordneten Faserkerns 221 aus der Faserendfläche 10 rückprojeziert in die Faserendfläche 62 als F₂₂₂ bezeichnet. Im Allgemeinen gilt dann für den Überlappungsfaktor mit Bezug auf 5:
Unter einer kongruenter Endfläche wird nun verstanden, dass sich Faserkern und die Fläche des Leuchtflecks der entsprechenden Faser der Faserendfläche 10 in der Ebene der Faserendfläche 62 gerade berühren. Vorteilhaft ist jedoch ein Überlappungsfaktor V größer als 0,5. Bevorzugt ist ein Überlappungsfaktor größer 0,7 und besonders bevorzugt größer 0,9.
In dem in 5 gezeigten Beispiel besteht ein relativer Versatz von x = 0,2. Somit nimmt der Überlappungsfaktor V einen Wert von 0,7 ein. Für den Fall eines relativen Versatzes von x = 0,4 ergibt sich ein V von ungefähr 0,5.
Jedem Einzelfaktor im Faserbündel 60 ist ein Überlappungsfaktor V_i zugeordnet mit i = 1..n (n = Anzahl der Fasern im Faserbündel 60). Aus der Summe dieser einzelnen Überlappungsfaktoren kann ein Gesamtüberlappungsfaktor berechnet werden, der ein Maß für die Bildtransmission und der Faserendfläche 10 in das Faserbündel 60 ist. Hierbei ist der Gesamtüberlappungsfaktor V_gesamt wie folgt definiert:
Als Voraussetzung für ein hinreichend helles Bild muss der Gesamtüberlappungsfaktor V_gesamt möglichst hoch sein. Bevorzugt wird ein Wert für den Gesamtüberlappungsfaktor V_gesamt, der > 0,5 und insbesondere > 0,7 und besonders bevorzugt > 0,9 ist.
Neben der Forderung eines möglichst lichtstarken Bildes besteht ein weiteres Erfordernis für die Überlappungsfaktoren V_i der Einzelfasern des Faserbündels 60 darin, dass die Streuung der einzelnen Überlappungsfaktoren V_i möglichst gering sein muss, um ein vollständiges bzw. gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild zu übertragen. Hierbei hat sich eine Bildübertragung dann als gut herausgestellt, wenn höchstens 10 % aller Einzelfasern einen Überlappungsfaktor V_i < 0,5 und mindestens 70 % aller Fasern einen Überlappungsfaktor von V_i ≥ 0,7 aufweisen. Bis zu einem gewissen Grad können die einzelnen Fasern bzw. Faserbereichen zugeordneten Unterschiede in der Bildübertragung sensorseitig korrigiert werden, dennoch sind insbesondere Einzelfasern mit Überlappungsfaktoren von V_i < 0,1 für die Qualität der Bildübertragung nachteilig.
6 zeigt den Verlauf der Überlappfläche bezogen auf die Kernfläche einer Einzelfaser – dies entspricht dem Überlappungsfaktor V_i – in Abhängigkeit des Verhältnisses vom Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter Fasern a zum doppelten Radius der Faserkerne r, wobei dieses Verhältnis als x bezeichnet wird.

Claims

Vorrichtung zur konfokalen Abbildung eines Objektes mit 1.1 einer Lichtquelle zur Beleuchtung des Objektes 1.2 mit einem ersten Lichtleitfaserbündel (8) umfassend eine Vielzahl von Lichtleitfasern zur Aufnahme der vom Objekt reflektierten Strahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung 1.3 wenigstens ein zweites Lichtleitfaserbündel (60) mit einer Vielzahl von Lichtleitfasern umfasst, die die Strahlen der Lichtleitfasern des ersten Lichtleitfaserbündels (8) aufnimmt und zu einer Detektionseinrichtung (70) weiterleitet und 1.4 einem optischen Element (50), das zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtleitfaserbündel (8, 60) angeordnet ist zur Abbildung der Faserenden des ersten Lichtleitfaserbündels (8) auf die Faserenden des zweiten Lichtleitfaserbündels (60).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faserendfläche (10) des ersten Lichtleitfaserbündels (8) zu einer Faserendfläche (62) des zweiten Lichtleitfaserbündels (60) kongruent ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (50) optische Komponenten umfasst, die das Ende des ersten Lichtleitfaserbündels (8) in einer 1:1-Abbildung auf das Ende des zweiten Faserbündels (60) abbildet.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (50) im Strahlengang vom Ende des ersten Lichtleitfaserbündels (8) zum Ende des zweiten Lichtleitfaserbündels (60) eine erste und eine zweite optische Komponente mit positiver Brechkraft (80, 82) umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite optische Komponente (80, 82) Plankonvexlinsen sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (50) Einrichtungen zum Einkoppeln des Lichtes der Lichtquelle (2) in das erste Lichtleitfaserbündel (8) zur Beleuchtung des Objektes umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Einkoppeln des Lichtes einen Spiegel (6) umfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (6) ein Mikrospiegel ist, der auf einer der beiden Seiten des ersten optischen Elementes (80) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem und zweitem optischen Element (80, 82) ein optischer Filter angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem und zweitem optischen Element (80, 82) ein optischer Schalter (84) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) eine monochromatische Laserlichtquelle ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) eine gepulste Laserlichtquelle ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Delektionseinrichtung (70) eine CCD-Kamera ist, die die von der Vielzahl von Lichtleitfasern des zweiten Lichtleitfaserbündels (60) zur Verfügung gestellten Informationen parallel optisch aufnimmt.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 in Bereich der Medizin.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 14 zur Beobachtung von Organoberflächen.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 15 zur Beobachtung von Organoberflächen mit einer Auflösung im zellulären Bereich.