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DE19923122A1 - Device for hand-operated microscopy or endoscopy with sub-micrometer limit of resolution utilizes electronic image sensor like miniaturized CCD camera or electronic camera with CCD chip to pick up image of object - Google Patents

Device for hand-operated microscopy or endoscopy with sub-micrometer limit of resolution utilizes electronic image sensor like miniaturized CCD camera or electronic camera with CCD chip to pick up image of object

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Publication number
DE19923122A1
DE19923122A1 DE1999123122 DE19923122A DE19923122A1 DE 19923122 A1 DE19923122 A1 DE 19923122A1 DE 1999123122 DE1999123122 DE 1999123122 DE 19923122 A DE19923122 A DE 19923122A DE 19923122 A1 DE19923122 A1 DE 19923122A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
light
hand
microscope
led
image
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE1999123122
Other languages
German (de)
Inventor
Hajo Suhr
Albrecht Claussen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KARL VOELKER STIFTUNG DER FTH
Original Assignee
KARL VOELKER STIFTUNG DER FTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KARL VOELKER STIFTUNG DER FTH filed Critical KARL VOELKER STIFTUNG DER FTH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/04—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
    • A61B1/042—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances characterised by a proximal camera, e.g. a CCD camera
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
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    • G02B21/0008—Microscopes having a simple construction, e.g. portable microscopes
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Abstract

By adjusting a lens, an object's zone (7) is sharply defined in front of a viewing window at the top of a microscope's tube (3). Resting this tube's front surface on a soft object causes automatic correct focussing of an image. An electronic image sensor (8) like a miniaturized CCD camera or an electronic camera with a CCD chip picks up the actual image generated by the object. Connectors inside the flexible tube pass on signals and image data to a computer for evaluation.

Description

Die optische Mikroskopie zur Abbildung von Strukturen im Bereich unter einem Mikrometer ist gewöhnlich nur mit beträchtlichem Aufwand für die mechanische Stabilität des optischen Aufbaus und der Präparatfixierung möglich.Optical microscopy for imaging structures in the area under one Micrometer is usually only with considerable effort for the mechanical Stability of the optical structure and specimen fixation possible.

Bei vielen Anwendungen, beispielsweise bei der Inspektion von Metalloberflächen zur Qualitätskontrolle, in der medizinischen intraoperativen Diagnostik oder in der Endoskopie sind aber bewegliche optisch bildgebende Aufnahmeinstrumente sehr nützlich, weil mit ihnen ohne präparativen Aufwand direkt an der Oberfläche des Objekts wichtige Informationen schnell gewonnen werden können.In many applications, for example in the inspection of metal surfaces for quality control, in medical intraoperative diagnostics or in Endoscopy, however, is a very flexible optical imaging instrument useful because with them without any preparation work directly on the surface of the Important information can be obtained quickly.

Für handgehaltene Mikroskope war jedoch bisher die hohe Auflösung von konventionellen Labormikroskopen unerreichbar, da infolge der instabilen Lage des Handmikroskops die Relativbewegung von Objektstruktur und Mikroskopoptik zu großer Bewegungsunschärfe in den Bildern führt. Eine Struktur von Mikrometergröße, die sich relativ zum Objektiv mit 10 cm pro Sekunde seitlich bewegt, hat bereits nach 10 Mikrosekunden vollständig ihre Position gewechselt. Bereits bei einer Belichtungszeit von zehn Mikrosekunden würde sie also vollkommen verschmieren.For hand-held microscopes, however, the high resolution of was previously conventional laboratory microscopes unreachable because of the unstable position of the Hand microscope the relative movement of object structure and microscope optics great motion blur in the images. A structure of Micrometer size that is laterally relative to the lens at 10 cm per second moved completely changed its position after just 10 microseconds. So it would already be with an exposure time of ten microseconds completely smear.

In dieser Erfindung wird erstmals ein Handmikroskop zur hochauflösenden Mikroskopie beschrieben, das auf einer extrem kurzen und intensiven Blitzbelichtung durch infrarotes, sichtbares oder ultraviolettes Licht basiert. Beispielsweise kann mit Nanosekundenblitzen von gepulsten Stickstofflasern belichtet werden, die im ultravioletten emittieren und Fluoreszenzmikroskopie ermöglichen. Mit dieser Methode läßt sich das optische Prinzip des hochauflösenden Mikroskops erstmals voll in den Bereich handgehaltener oder bewegter optischer bildgebender Sonden übertragen.In this invention, for the first time, a handheld microscope is used for high-resolution Microscopy described this on an extremely short and intense flash exposure based on infrared, visible or ultraviolet light. For example, with Nanosecond flashes of pulsed nitrogen lasers are exposed, which in the emit ultraviolet and enable fluorescence microscopy. With this The optical principle of the high-resolution microscope can be used for the first time fully in the area of hand-held or moving optical imaging probes transfer.

Ein besonders kompakter und einfacher Aufbau fußt auf der Belichtung mit extrem kurz und intensiv gepulsten Luminiszenzdioden. Die Luminiszenzdioden werden mit Pulszeiten von unter einer Mikrosekunde bei Pulsströmen von mehreren Ampère betrieben, mit Betriebsdaten also, die weit außerhalb der Herstellerspezifikationen liegen. Die Verwendung von Standard-Luminiszenzdioden erlaubt einen kompakten und leichten Aufbau, der gut kompatibel mit den Erfordernissen einer handgehaltenen Sonde oder mit den geringen Abmessungen einer endoskopischen Sonde ist.A particularly compact and simple structure is based on the exposure with extreme short and intense pulsed luminescent diodes. The luminescent diodes are with Pulse times of less than one microsecond with pulse currents of several amperes operated, with operating data that is far outside the manufacturer's specifications lie. The use of standard luminescent diodes allows a compact  and lightweight construction that is well compatible with the requirements of a hand-held probe or with the small dimensions of an endoscopic Probe is.

Da sich die Vermeidung der Bewegungsunschärfe auf jede Relativbewegung von Objektiv und Objekt auswirkt, hat das gepulste Handmikroskop eine zweite wichtige Anwendungsmöglichkeit: es bildet auch Strukturen scharf ab, die eine schnell Eigenbewegung aufweisen, wie beispielsweise Blutzellen in Körpergewebe.Since the avoidance of motion blur affects every relative movement of The pulsed hand microscope has a second important one Possible application: it also depicts structures sharply, which are quick Have self-movement, such as blood cells in body tissue.

Um bei Zellengewebe den Kontrast zu erhöhen, ist auch die Verwendung von Luminiszenzdioden möglich, die im Infraroten emittieren. Allerdings bedingt infrarotes Licht tendenziell eine geringere Auflösung, da die optische Auflösungsgrenze zur Wellenlänge umgekehrt proportional ist.In order to increase the contrast in cell tissue, the use of Luminous diodes possible that emit in the infrared. However, it requires infrared Light tends to have a lower resolution because the optical resolution limit for Wavelength is inversely proportional.

Für die Erzielung zulänglicher Belichtungsenergie trotz kurzer Pulsdauer ist vor allem eine möglichst intensive Einkopplung der Lichtleistung in die Objektebene wichtig. Andererseits ist der geometrischen Gegebenheit Rechnung zu tragen, daß bei hoher Auflösung und Vergrößerung des Objektivs wegen dessen geringer Brennweite zwangsläufig nur ein geringer Arbeitsabstandes von typisch weniger als einem Millimeter zwischen mikroskopierter Oberfläche und Objektiv für die Lichteinkopplung zur Verfügung steht.Above all for achieving adequate exposure energy despite a short pulse duration It is important that the light output is coupled as intensely as possible into the object plane. On the other hand, the geometrical situation must be taken into account, that at high Resolution and magnification of the lens due to its short focal length inevitably only a short working distance of typically less than one Millimeters between microscopic surface and lens for the Light coupling is available.

In der Abbildung wird als beispielhafte Ausführung ein handgehaltenes Mikroskop mit gepulster LED 1 in Auflicht-Strahlengang dargestellt. Das Auflichtprinzip ist für ein auf die Objektoberfläche aufzusetzendes Mikroskop ideal, weil das Licht von hinten durch das Mikroskopobjektiv 5 eingekoppelt wird und so keine Belichtungsoptiken vor dem Sichtfenster die Annäherung zwischen Objekt und Objektiv versperren. Die Optik wird so justiert, daß der Objektraum 7 direkt vor dem Sichtfenster am Kopf des Tubus scharf abgebildet wird. Durch leichtes Aufsetzen der Tubusstirnfläche auf eine weiche Objektoberfläche wird also automatisch die korrekte Fokussierung des Bildes ermöglicht. Das vom Objektiv erzeugte reelle Bild wird von einem elektronischen Bildsensor 8 aufgenommen, beispielsweise einer miniaturisierten CCD-Kamera oder einer elektronischen Kamera mit von der Elektronik abgesetzten CCD-Chip. Die Signalweiterleitung geschieht über entsprechende Verbindungen im Innern des flexiblen Tubus 9, der zur Elektronik für Kamera und LED-Pulsung führt. Die Bilddaten werden direkt einem Rechner 11 zugeleitet, um dort dokumentiert und automatisch ausgewertet zu werden.In the illustration, a hand-held microscope with pulsed LED 1 in the reflected light beam path is shown as an exemplary embodiment. The incident light principle is ideal for a microscope to be placed on the object surface because the light is coupled in from behind through the microscope objective 5 and so no exposure optics in front of the viewing window block the approach between the object and the objective. The optics are adjusted so that the object space 7 is sharply imaged directly in front of the viewing window on the head of the tube. By gently placing the tube face on a soft object surface, the correct focusing of the image is automatically made possible. The real image generated by the lens is recorded by an electronic image sensor 8 , for example a miniaturized CCD camera or an electronic camera with a CCD chip detached from the electronics. The signal is forwarded via corresponding connections inside the flexible tube 9 , which leads to electronics for the camera and LED pulsing. The image data are fed directly to a computer 11 in order to be documented and automatically evaluated there.

Claims (8)

1. Stativfreies bewegliches Lichtmikroskop zur Handmikroskopie oder Endoskopie
  • - mit Mikroskoptubus am vorderen Ende, der an der Stirn ein offenes oder mit transparentem Material geschlossenes Sichtfenster und dahinter ein Mikroskopobjektiv enthält,
  • - mit einem elektronischen Bildsensor am hinteren Ende des Mikroskoptubus zum Empfang des reellen Bildes,
  • - mit flexibler Verbindung von dem handgehaltenen Mikroskoptubus zur Geräteperipherie mit Kamera- und Belichtungselektronik, für Monitor und fallweise Computer,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Belichtung des Handmikroskops durch extrem kurz (unter einer Mikrosekunde) und intensiv gepulsten Blitzlampen mit sichtbarem, infraroten oder ultraviolettem Licht oder mit gepulsten Lasern zur Fluoreszenzmikroskopie durchgeführt wird,
  • - durch die Kürze der Lichtblitze von weniger als Mikrosekunden die Bewegungsunschärfe kleiner Objekte vermieden wird, die sonst durch die Relativbewegungen von Objektiv und Objektebene im Bild verursacht würde,
  • - durch diese elektronische Vermeidung der Bewegungsunschärfe trotz Handführung des Mikroskoptubus die Grenze der Höchstauflösung in den Sub-Mikrometerbereich geschoben wird, was bei handgehaltenen Mikroskopen wegen der Bildunruhe bisher unerreicht war.
1. Tripod-free, movable light microscope for hand microscopy or endoscopy
  • with a microscope tube at the front end, which contains an open viewing window on the forehead or a viewing window closed with transparent material and a microscope objective behind it,
  • with an electronic image sensor at the rear end of the microscope tube for receiving the real image,
  • - with flexible connection from the hand-held microscope tube to the device periphery with camera and exposure electronics, for monitors and occasionally computers,
characterized in that
  • - the exposure of the hand microscope is carried out by extremely short (under one microsecond) and intensely pulsed flash lamps with visible, infrared or ultraviolet light or with pulsed lasers for fluorescence microscopy,
  • - the shortness of the flashes of light of less than microseconds prevents the motion blur of small objects that would otherwise be caused by the relative movements of the lens and object plane in the image,
  • - This electronic avoidance of motion blur, despite the manual guidance of the microscope tube, pushes the limit of maximum resolution into the sub-micrometer range, which was previously unattainable in hand-held microscopes due to the uneven image.
2. Handmikroskop oder Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Belichtung des Handmikroskops durch extrem kurz und intensiv gepulste Elektroluminiszenz-Dioden (LED) durchgeführt wird,
  • - in die LED Strompulse eingeprägt werden, die gegenüber den Nennwerten des Herstellers weit überhöhte Werte von typisch 5 Ampère und mehr aufweisen,
  • - eine ausreichende Belichtungsstärke trotz geringer Belichtungszeit durch den Pulsbetrieb mit Strömen von mehreren Ampère erzielt wird, einer Stromstärke, die außerhalb der von den LED-Herstellern spezifiziertem Betriebsbereich liegt,
  • - die Pulsdauer so kurz bemessen wird, daß trotz der überhöhten Ströme die LED eine Lebensdauer von mindestens zehn Minuten besitzt, innerhalb derer ohne Austausch der LED hochauflösende mikroskopische Untersuchungen mit einer Bildfrequenz von ca. 30 Bildern pro Sekunde durchgeführt werden kann.
2. Hand microscope or endoscope according to claim 1, characterized in that
  • - the exposure of the hand microscope is carried out by extremely short and intensely pulsed electroluminescent diodes (LED),
  • - are embossed into the LED current pulses which have values of typically 5 amperes and more that are far too high compared to the manufacturer's nominal values,
  • - A sufficient exposure level is achieved despite the short exposure time by pulsed operation with currents of several amperes, a current level that lies outside the operating range specified by the LED manufacturers,
  • - The pulse duration is dimensioned so short that, despite the excessive currents, the LED has a lifespan of at least ten minutes, within which high-resolution microscopic examinations can be carried out at an image frequency of approximately 30 images per second without replacing the LED.
3. Ausführung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die LED oder mehrere LEDs als Lichtquelle in einem der üblichen Auflichtbelichtungsstrahlengänge nach dem Stand der Technik integriert sind, wobei das Licht aus dem Tubus heraus durch ein entsprechendes Dunkel- oder Hellfeld Auflichtobjektiv hindurch den Gegenstandsraum belichtet.
3. Execution according to claim 1 and 2, characterized in that
  • - The LED or several LEDs are integrated as a light source in one of the conventional incident light exposure beam paths according to the prior art, the light from the tube exposing the object space through a corresponding dark or bright field incident light objective.
4. Vorteilhafte Ausformung der Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das Licht der LED 1 zunächst durch einen starr am Tubus 3 befestigtem Kollimator 2 fällt, dann an einem halbdurchlässigen oder mittig gelochten schräggestellten Spiegel 4 auf das Objektiv 5 reflektiert wird und von diesem durch ein Sichtfenster 6 in den Objektraum 7 gebündelt wird.
4. Advantageous design of the device according to claim 3, characterized in that
  • - The light of the LED 1 first falls through a collimator 2 rigidly attached to the tube 3 , then is reflected onto the lens 5 on a semi-transparent or centrally perforated inclined mirror 4 and is bundled by the latter through a viewing window 6 into the object space 7 .
5. Eine Ausformung der Vorrichtungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - eine oder mehrere synchronisiert blitzende LED-Dioden in der Stirnwand des handgehaltenen Mikroskoptubus seitlich vom mikroskopierten Volumen so fixiert sind, daß sie die mikroskopierte Oberfläche schräg von der Seite her belichten,
  • - die Luminiszenzdioden so in die Stirnwandung eingebettet oder auf ihr fixiert sind, daß sie nur geringfügig um Millimeterbruchteile nach vorne in den Objektraum vorragen und daß die Dioden somit nicht die handgeführte Annäherung des hochauflösenden Objektivs an die Objektoberfläche bis zu deren Scharfeinstellung behindern.
5. A shaping of the devices according to claim 1 and 2, characterized in that
  • one or more synchronously flashing LED diodes in the end wall of the hand-held microscope tube are fixed to the side of the microscopic volume so that they expose the microscopic surface obliquely from the side,
  • - The luminescent diodes are so embedded in or fixed on the end wall that they protrude only slightly by a fraction of a millimeter into the object space and that the diodes do not hinder the hand-guided approach of the high-resolution lens to the object surface until it is focused.
6. Eine Ausführung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das LED-Licht durch flexible Lichtfasern zur Belichtung an das Objektfeld des Objektivs herangeführt wird,
  • - die Lichtfasern von den LED-Dioden aus im Inneren der Endoskoptuben bis zum Sichtfenster verlaufen
  • - die Fasern entweder direkt durch schräge Bohrungen nach außen zu Objektfeld geführt werden oder endseitig in den Eingang eines in der Stirnwandung eingebetteten starren Lichtleiters gekoppelt werden, der das Licht an das Objektfeld heranführt.
6. An embodiment according to claim 1 and 2, characterized in that
  • - The LED light is guided through flexible light fibers for exposure to the object field of the lens,
  • - The light fibers run from the LED diodes inside the endoscope tubes to the viewing window
  • - The fibers are either led directly through oblique holes to the outside of the object field or are coupled at the end into the entrance of a rigid light guide embedded in the end wall, which guides the light to the object field.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Oberfläche des Sichtfensters unmittelbar vor die scharf abgebildete Ebene einjustiert ist,
  • - die Scharfeinstellung einer weichen Oberflächenschicht eines Objektes sich demnach von selber einstellt, indem der Tubus mit dem Sichtfenster mit leichtem Druck auf die zu mikroskopierende Objektoberfläche aufgesetzt wird.
7. The device according to claim 1 and 2, characterized in that
  • the surface of the viewing window is adjusted directly in front of the sharply depicted level,
  • - The focus of a soft surface layer of an object is set automatically by placing the tube with the viewing window with light pressure on the object surface to be microscoped.
8. Verfahren zur Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - in der Frequenz der Bildaufnahme bei leicht bewegtem Handmikroskop nach dem Zufallsprinzip scharfe und unscharfe Bilder auf dem Bildsensor entstehen,
  • - von den zufällig scharfen und zufällig unscharfen Bildern nur die scharfen durch eine automatische Bildverarbeitung selektiert werden, indem beispielsweise ein numerisches Schärfekriterium an der gemessenen Kantensteilheit abgebildeter Objekte angelegt wird,
  • - nur die selektierten scharfen Bilder auf einem Monitor zur Sicht-Diagnose abgebildet werden und/oder einer automatischen Auswertung durch eine weitere Bildverarbeitung zugeführt werden.
8. The method for the device according to claim 1 and 2, characterized in that
  • - Randomly, sharp and blurred images are generated on the image sensor in the frequency of image acquisition with a slightly moved hand microscope,
  • of the randomly sharp and randomly blurred images, only the sharp ones are selected by automatic image processing, for example by applying a numerical sharpness criterion to the measured edge steepness of objects depicted,
  • - only the selected sharp images are displayed on a monitor for visual diagnosis and / or are fed to an automatic evaluation by further image processing.
DE1999123122 1999-05-13 1999-05-13 Device for hand-operated microscopy or endoscopy with sub-micrometer limit of resolution utilizes electronic image sensor like miniaturized CCD camera or electronic camera with CCD chip to pick up image of object Withdrawn DE19923122A1 (en)

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