JP7414807B2 - ハイパースペクトル装置及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は、引用によって本明細書にその内容が組み込まれている2018年9月5日出願の米国仮特許出願第62/727,492号からの優先権を主張するものである。
眼球科学におけるような眼球生体内の生理機能及び形態構造を研究する用途に関して本発明を以下に説明する。しかし、皮膚検査、食品分析、及び高解像度顕微鏡のようなより広範な非眼球用途に本発明を適用することができることは認められるであろう。
再度図1Aを参照すると、本発明の第1の態様は、構造化光発生器108を用いたハイパースペクトル分散構造化照明の発生である。この照明の発生は、例えば、数十、数百、又は数千の点又は線の密度構造化照明パターンを発生させるためにLEDのような低コストで広スペクトル帯域かつ空間非コヒーレント光源の使用を可能にする。
本発明の第2の態様は、色スペクトル情報を抽出するためのサンプルのハイパースペクトル構造化共焦点撮像に関する。この撮像は、サンプルにわたる位置の関数として色相情報又は色スペクトル情報を抽出するためのサンプル上の複数の点での複数の波長の同時測定を伴う。
本発明の第3の態様は、白色光によるサンプルの照明を伴い、かつ反射又は後方散乱された色スペクトル情報と蛍光スペクトル情報との両方をサンプルから取得することを可能にする。第2の実施形態による装置700を図7に示している。装置700は、装置100と共通の要素を多く含み、簡略化の目的でこれらの共通要素を同じ参照番号で表している。
本発明の第3の実施形態を図8に装置800として例示している。装置800は、眼球移動を考慮するための正確な位置合わせを有する眼球102のようなサンプルのハイパースペクトル蛍光撮像を提供する。この機能は、本発明の第4の態様を表す。装置800は、装置100及び700と共通の要素を多く含み、簡略化の目的でこれらの共通要素を同じ参照番号で表している。
上述した本発明は、サンプルの複数の点から色スペクトル情報と蛍光スペクトル情報とを同時に撮像する機能を提供する。本発明は、サンプルから視野のフルカラースペクトル情報と蛍光スペクトル情報とを含む異なるスペクトル情報を取得するために異なるモードで作動させることができる。本発明は、更に、必要に応じてOCTシステムを組み込むことができる。
レーザビームの周波数と波長が次式によって関連付けられることは当業者によって理解されるであろう:
光の速度=波長*周波数
102 サンプル、眼球
110 構造化照明視野
111 ビームレット
149 網膜から反射、後方散乱、又は蛍光発光された光
Claims (43)
- サンプルを分析するための装置であって、
複数の波長から構成される波長帯域を有する入力照射視野を発生させるように構成された光源と、
前記入力照射視野をビームレットのアレイを含む構造化照明視野に変換するための構造化光発生器と、
前記構造化照明視野を該サンプルの領域の上に投影するための光学系であって、前記ビームレットを角度的に符号化することにより、各ビームレットが符号化された角度に対応する前記サンプルの位置の上に投影される、前記光学系と、
前記サンプルの前記領域から反射、後方散乱、又は蛍光発光された光の部分をスペクトル分析するように構成された2次元センサアレイを含む分光計と、
前記分光計と作動的に関連付けられたプロセッサと、を含み、
前記プロセッサが、
予め定められたマッピング関数に基づいて、前記センサアレイ上の位置を前記サンプル上の2次元位置にかつ前記光の波長を複数の予め定められた波長ビン内にマップするように構成されたスペクトルマッピングモジュールと、
前記サンプルの前記領域の2又は3以上の正面向き画像を含むハイパースペクトル画像を、前記センサアレイのセンサ信号及び前記予め定められたマッピング関数から発生させるように構成されたハイパースペクトル画像発生器であって、該2又は3以上の正面向き画像が、前記構造化照明視野の各ビームレットからの該サンプルのスペクトル応答情報を含む前記ハイパースペクトル画像発生器と、を含み、
前記光学系は、前記サンプルに対して前記構造化照明視野を平行移動するための手段を含み、前記手段は、傾斜可能ミラーを含む、装置。 - サンプルを分析するための装置であって、
複数の波長から構成される波長帯域を有する入力照射視野を発生させるように構成された光源と、
前記入力照射視野をビームレットのアレイを含む構造化照明視野に変換するための構造化光発生器と、
前記構造化照明視野を該サンプルの領域の上に投影するための光学系であって、前記ビームレットを角度的に符号化することにより、各ビームレットが符号化された角度に対応する前記サンプルの位置の上に投影される、前記光学系と、
前記サンプルの前記領域から反射、後方散乱、又は蛍光発光された光の部分をスペクトル分析するように構成された2次元センサアレイを含む分光計と、
前記分光計と作動的に関連付けられたプロセッサと、を含み、
前記プロセッサが、
予め定められたマッピング関数に基づいて、前記センサアレイ上の位置を前記サンプル上の2次元位置にかつ前記光の波長を複数の予め定められた波長ビン内にマップするように構成されたスペクトルマッピングモジュールと、
ハイパースペクトル画像を、前記センサアレイのセンサ信号及び前記予め定められたマッピング関数から発生させるように構成されたハイパースペクトル画像発生器であって、前記ハイパースペクトル画像が、前記構造化照明視野の各ビームレットからの該サンプルのスペクトル応答情報を含む前記ハイパースペクトル画像発生器と、を含み、
前記光学系は、
前記ビームレットの各々を前記複数の波長の各々に対応するビームレットスペクトル成分の細長帯域の中に角度的に分散させるための分散要素と、
前記ビームレットスペクトル成分をビームレットの前記アレイ内の元のビームレット位置と該ビームレットスペクトル成分の波長との両方に依存する位置で前記サンプルの上に投影するように、使用時に前記分散要素と該サンプルの間に配置されたレンズリレーと、を含み、
前記スペクトル応答情報は、前記サンプルの前記領域上の各点に対応する反射率パワースペクトルを含む、装置。 - サンプルを分析するための装置であって、
複数の波長から構成される波長帯域を有する入力照射視野を発生させるように構成された光源と、
前記入力照射視野をビームレットのアレイを含む構造化照明視野に変換するための構造化光発生器と、
前記構造化照明視野を該サンプルの領域の上に投影するための光学系であって、前記ビームレットを角度的に符号化することにより、各ビームレットが符号化された角度に対応する前記サンプルの位置の上に投影される、前記光学系と、
前記サンプルの前記領域から反射、後方散乱、又は蛍光発光された光の部分をスペクトル分析するように構成された2次元センサアレイを含む分光計と、
前記分光計と作動的に関連付けられたプロセッサと、を含み、
前記プロセッサが、
予め定められたマッピング関数に基づいて、前記センサアレイ上の位置を前記サンプル上の2次元位置にかつ前記光の波長を複数の予め定められた波長ビン内にマップするように構成されたスペクトルマッピングモジュールと、
前記サンプルの前記領域の2又は3以上の正面向き画像を含むハイパースペクトル画像を、前記センサアレイのセンサ信号及び前記予め定められたマッピング関数から発生させるように構成されたハイパースペクトル画像発生器であって、該2又は3以上の正面向き画像が、前記構造化照明視野の各ビームレットからの該サンプルのスペクトル応答情報を含む前記ハイパースペクトル画像発生器と、を含み、
前記光源は、対応する複数の波長から各々が構成された複数の波長帯域を有する入力照射視野を発生させるように構成されており、
前記光学系は、前記複数の波長帯域を互いに多重化するための多重化要素を含む、装置。 - 前記構造化光発生器は、前記入力照射視野をビームレットの2次元アレイを含む構造化照明視野に変換するように構成されている、請求項1~3の何れか1項に記載の装置。
- 前記光源は、空間的に非コヒーレントである、請求項1~3の何れか1項に記載の装置。
- 前記光学系は、前記サンプルに対して前記構造化照明視野を平行移動するための手段を含む、請求項2又は3に記載の装置。
- 前記サンプルに対して前記構造化照明視野を平行移動するための前記手段は、傾斜可能ミラーを含む、請求項6に記載の装置。
- 前記光学系は、前記ビームレットの各々を前記複数の波長の各々に対応するビームレットスペクトル成分の細長帯域の中に角度的に分散させるための分散要素を含む、請求項1又は3に記載の装置。
- 前記光学系は、前記ビームレットスペクトル成分をビームレットの前記アレイ内の元のビームレット位置と該ビームレットスペクトル成分の波長との両方に依存する位置で前記サンプルの上に投影するように、使用時に前記分散要素と該サンプルの間に配置されたレンズリレーを含む、請求項8に記載の装置。
- 複数の波長が前記サンプルの前記領域上の重複する区域内の各点で前記分光計によって撮像されるように、異なるビームレットのビームレットスペクトル成分が前記サンプルの前記領域上で重なる、請求項9に記載の装置。
- 前記スペクトル応答情報は、前記サンプルの前記領域上の各点に対応する反射率パワースペクトルを含む、請求項9に記載の装置。
- 前記分散要素は、光路から取り出されるように機械的に移動可能である、請求項8に記載の装置。
- 前記分散要素は、非分散光学誘導要素と交換可能である、請求項8に記載の装置。
- 前記プロセッサは、ビームレットスペクトル成分の前記細長帯域に対応する前記波長を前記波長ビンの中に分割するように構成され、波長ビン内の波長が前記サンプル上の共通位置から発するように指定され、異なる波長ビンの波長が該サンプル上の異なる位置から発するように指定される、請求項8に記載の装置。
- 前記サンプルの前記領域の上に投影された角度的に符号化された前記ビームレットの各々が、前記複数の波長の各々を含む、請求項1又は3に記載の装置。
- 前記スペクトル応答情報は、前記構造化照明視野の各ビームレットに対する前記サンプルの応答に対応する蛍光スペクトルを含む、請求項1又は3に記載の装置。
- 前記構造化光発生器は、光パワー要素の2次元アレイを有するビームレット発生デバイスを含み、該ビームレット発生デバイスは、使用時に前記入力照射視野が該光パワー要素のアレイの上に入射して少なくとも部分的に平行化されたビームレットの2次元アレイを発生させるように位置決めされる、請求項5に記載の装置。
- 前記ビームレット発生デバイスは、前記光パワー要素がマイクロレンズである第1のマイクロレンズアレイを含む、請求項17に記載の装置。
- 前記構造化光発生器(108)は、
少なくとも部分的に平行化されたビームレットの前記アレイを収束平面で予め定められた幅に空間的に収束させるための第1の光パワーデバイスと、
前記収束平面に配置され、該収束平面で少なくとも部分的に平行化されたビームレットの前記アレイの直径よりも小さい直径を有する開口と、
を更に含む、請求項17に記載の装置(100、700)。 - 前記第1の光パワーデバイスは高開口数レンズを含む、請求項19に記載の装置。
- 前記第1の光パワーデバイスは屈折率分布型レンズを含む、請求項19に記載の装置。
- 前記構造化光発生器は、
予め定められた焦点距離を有し、かつ前記収束平面から該予め定められた焦点距離に等しい距離に配置された第2の光パワーデバイスであって、少なくとも部分的に重なるビームレットの群を含む準平行化ビームを発生させる前記第2の光パワーデバイスと、
マイクロレンズの2次元アレイを有し、前記準平行化ビームを受光して前記サンプルを照明するためのビームレットの2次元アレイを発生させるように位置決めされた第2のマイクロレンズアレイと、
を更に含む、請求項19に記載の装置。 - 前記サンプルの前記領域から反射、後方散乱、又は蛍光発光された前記光を前記分光計の中に共焦点的に投影するように位置決めされ、前記ビームレットのアレイに対応するピッチを有する開口アレイを含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の装置。
- 前記光源は、対応する複数の波長から各々が構成された複数の波長帯域を有する入力照射視野を発生させるように構成されている、請求項1又は2に記載の装置。
- 第1の波長帯域が、電磁スペクトルの紫外線A、紫色、青色、又は緑色領域から選択される、請求項24に記載の装置。
- 第2の波長帯域が、電磁スペクトルの近赤外線領域にある、請求項24に記載の装置。
- 前記光学系は、前記複数の波長帯域を互いに多重化するための多重化要素を含む、請求項24に記載の装置。
- 前記多重化要素は体積位相格子を含む、請求項27に記載の装置。
- 前記体積位相格子は、前記波長帯域のうちの1つからの前記複数の波長を空間的に分散させ、一方で別の波長帯域の該複数の波長を空間的に拘束された状態に維持するように構成される、請求項28に記載の装置。
- 基準アームと、前記構造化照明視野の光パワーの一部分を該基準アームに沿って誘導し、かつ該構造化照明視野の該光パワーの残余を前記サンプルに誘導するように構成されたパワー分割要素と、を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の装置。
- 前記基準アームの長さが、前記分光計によって撮像されるコヒーレンスの波長を選択するように選択的に調節可能である、請求項30に記載の装置。
- 眼球を含むサンプルを分析するように構成されている、請求項1~3のいずれか1項に記載の装置。
- 構造化照明視野を発生させるためのシステムであって、
予め定められたスペクトル出力を有する入力照射視野を発生させるように構成された空間非コヒーレント光源と、
光パワー要素の2次元アレイを有し、前記入力照射視野が該光パワー要素のアレイの上に入射して少なくとも部分的に平行化されたビームレットの2次元アレイを発生させるように位置決めされたビームレット発生デバイスと、
前記少なくとも部分的に平行化されたビームレットのアレイを収束平面で予め定められた幅に空間的に収束させるための第1の光パワーデバイスと、
予め定められた焦点距離を有し、かつ前記収束平面から該焦点距離に等しい距離に配置された第2の光パワーデバイスであって、少なくとも部分的に重なるビームレットの群を含む準平行化ビームを発生させる前記第2の光パワーデバイスと、
マイクロレンズのアレイを有し、かつ前記準平行化ビームを受光してビームレットのアレイを含む構造化照明視野を発生させるように位置決めされたマイクロレンズアレイと、を含むシステム。 - 前記マイクロレンズアレイは、前記構造化照明視野がビームレットの2次元アレイを含むようにマイクロレンズの2次元アレイを含む、請求項33に記載のシステム。
- 前記収束平面に配置され、該収束平面で前記少なくとも部分的に平行化されたビームレットのアレイの前記予め定められた幅よりも小さい直径を有する開口を含む、請求項33に記載のシステム。
- 前記第1の光パワーデバイスは高開口数レンズを含む、請求項33に記載のシステム。
- 前記第1の光パワーデバイスは屈折率分布型レンズを含む、請求項33に記載のシステム。
- 前記ビームレット発生デバイスは、前記光パワー要素がマイクロレンズであるマイクロレンズアレイを含む、請求項33に記載のシステム。
- サンプルを分析する方法であって、
複数の波長から構成される波長帯域を有する入力照射視野から、ビームレットのアレイを含む構造化照明視野を発生させる段階と、
前記ビームレットを角度的に符号化して、各ビームレットが符号化された角度に対応する前記サンプルの位置の上に投影される段階を含む、前記構造化照明視野を該サンプルの領域の上に投影する段階と、
前記サンプルの前記領域から反射、後方散乱、又は蛍光発光された光の部分を、2次元センサアレイを用いてスペクトル分析する段階と、を含み、
前記スペクトル分析する段階が、
予め定められたマッピング関数に基づいて、前記センサアレイ上の位置を前記サンプル上の2次元位置にかつ前記光の波長を複数の予め定められた波長ビン内にマップする段階と、
前記サンプルの前記領域の2又は3以上の正面向き画像を含むハイパースペクトル画像を前記センサアレイのセンサ信号及び前記予め定められたマッピング関数から発生させる段階であって、該2又は3以上の正面向き画像が、前記構造化照明視野の各ビームレットからの該サンプルのスペクトル応答情報を含む前記発生させる段階と、を含み、
前記方法は、傾斜可能ミラーを用いて前記構造化照明視野を前記サンプルに対して平行移動させる段階を更に含む、方法。 - サンプルを分析する方法であって、
複数の波長から構成される波長帯域を有する入力照射視野から、ビームレットのアレイを含む構造化照明視野を発生させる段階と、
前記ビームレットを角度的に符号化して、各ビームレットが符号化された角度に対応する前記サンプルの位置の上に投影される段階を含む、前記構造化照明視野を該サンプルの領域の上に投影する段階と、
前記サンプルの前記領域から反射、後方散乱、又は蛍光発光された光の部分を、2次元センサアレイを用いてスペクトル分析する段階と、を含み、
前記スペクトル分析する段階が、
予め定められたマッピング関数に基づいて、前記センサアレイ上の位置を前記サンプル上の2次元位置にかつ前記光の波長を複数の予め定められた波長ビン内にマップする段階と、
ハイパースペクトル画像を前記センサアレイのセンサ信号及び前記予め定められたマッピング関数から発生させる段階であって、前記ハイパースペクトル画像が、前記構造化照明視野の各ビームレットからの該サンプルのスペクトル応答情報を含む前記発生させる段階と、を含み、
前記構造化照明視野を該サンプルの領域の上に投影する段階は、
前記ビームレットの各々を前記複数の波長の各々に対応するビームレットスペクトル成分の細長帯域の中に角度的に分散させる段階と、
前記ビームレットスペクトル成分をビームレットの前記アレイ内の元のビームレット位置と該ビームレットスペクトル成分の波長との両方に依存する位置で前記サンプルの上に投影する段階と、を含み、
前記スペクトル応答情報は、前記サンプルの前記領域上の各点に対応する反射率パワースペクトルを含む、方法。 - 前記構造化照明視野は、ビームレットの2次元アレイを含む、請求項39又は40に記載の方法。
- 請求項1~3のいずれか1項に記載の前記装置を作動するように構成されたコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能媒体を含む製造物品。
- 請求項39又は40に記載の前記方法を実施するように構成されたコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能媒体を含む製造物品。
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