RU2579640C1 - Confocal image spectrum analyser - Google Patents
Confocal image spectrum analyser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2579640C1 RU2579640C1 RU2014141434/28A RU2014141434A RU2579640C1 RU 2579640 C1 RU2579640 C1 RU 2579640C1 RU 2014141434/28 A RU2014141434/28 A RU 2014141434/28A RU 2014141434 A RU2014141434 A RU 2014141434A RU 2579640 C1 RU2579640 C1 RU 2579640C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- confocal
- spectral
- spectrum
- laser
- Prior art date
Links
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 43
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 35
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 30
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 27
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 12
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 7
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 3
- 230000013011 mating Effects 0.000 claims description 2
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 claims description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 claims description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000002073 fluorescence micrograph Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000001454 recorded image Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000004624 confocal microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000013523 data management Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000368 destabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- KSCFJBIXMNOVSH-UHFFFAOYSA-N dyphylline Chemical compound O=C1N(C)C(=O)N(C)C2=C1N(CC(O)CO)C=N2 KSCFJBIXMNOVSH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/024—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using means for illuminating a slit efficiently (e.g. entrance slit of a spectrometer or entrance face of fiber)
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам сканирования двухмерного изображения поверхности и его представления в виде ряда изображений в разных диапазонах спектра, интервалы по длинам волн которых задаются системой управления и обработки данных.The invention relates to devices for scanning a two-dimensional image of a surface and its representation in the form of a series of images in different spectral ranges, the wavelength intervals of which are set by the control and data processing system.
Изобретение может быть использовано в медицинских целях для спектральной диагностики поверхностных областей различных биологических сред, включая флуоресцентную диагностику. Устройство предназначено, прежде всего, для оперативного получения результатов диагностического анализа.The invention can be used for medical purposes for spectral diagnostics of surface areas of various biological media, including fluorescence diagnostics. The device is intended, first of all, for the prompt receipt of the results of diagnostic analysis.
Известно устройство для создания изображения в выбранном спектральном интервале посредством двухмерного и трехмерного сканирования биологических сред - лазерный сканирующий флуоресцентный микроскоп (LASER SCANNING MICROSCOPY LSM 510, Carl Zeiss). Микроскоп содержит устройство лазерного освещения исследуемого объекта, устройство пространственного сканирования объекта, объектив, передающий изображение освещенного участка объекта в сопряженную плоскость, содержащую конфокальную диафрагму, содержащий также коллимирующую линзу, фильтры селекции лазерного освещения, дифракционную решетку и спектральный детектор, систему управления и обработки данных, синтезирующий изображение поверхности в исследуемом спектральном интервале.A device is known for creating an image in a selected spectral range by means of two-dimensional and three-dimensional scanning of biological media — a laser scanning fluorescence microscope (LASER SCANNING MICROSCOPY LSM 510, Carl Zeiss). The microscope contains a laser illumination device for the studied object, a device for spatial scanning of the object, a lens that transmits the image of the illuminated portion of the object into the conjugate plane containing a confocal aperture, which also contains a collimating lens, laser illumination filters, a diffraction grating and a spectral detector, a data management and processing system, synthesizing a surface image in the studied spectral range.
Недостатками данного устройства являются ограниченные возможности построения изображений относительно больших участков поверхностей во многих спектральных диапазонах одновременно, сложность механической системы сканирования, сравнительно большие временные затраты на синтез изображений в разных спектральных диапазонах по данным локальных (нульмерных) регистрируемых объектов.The disadvantages of this device are the limited ability to construct images of relatively large areas of surfaces in many spectral ranges at the same time, the complexity of the mechanical scanning system, the relatively large time spent on the synthesis of images in different spectral ranges according to local (zero-dimensional) recorded objects.
Наиболее близким по совокупности признаков является прибор фирмы Dilor (Франция), ориентированный на проведение измерений с высоким спектральным разрешением, в котором флуоресцентные изображения объектов реконструируются только на основе записанных спектров (А.В. Феофанов. «Спектральная лазерная сканирующая конфокальная микроскопия в биологических исследованиях». - Успехи биологической химии. Т. 47, 2007, с. 371-410, рис. на с. 381). Прибор содержит устройство формирования линии лазерного освещения исследуемого объекта, устройство пространственного сканирования объекта, объектив, передающий изображение освещенного участка объекта в сопряженную плоскость, содержащую конфокальную диафрагму, содержащий также коллимирующую линзу, фильтры селекции лазерного освещения, дифракционную решетку и монохромную камеру, регистрирующую спектральное разложение на двухмерной матрице, содержащий также компьютер, управляющий процессом формирования данных видеокамеры и синтезирующий изображение поверхности.The closest set of features is the instrument of Dilor (France), focused on measurements with high spectral resolution, in which the fluorescence images of objects are reconstructed only on the basis of the recorded spectra (A.V. Feofanov. “Spectral laser scanning confocal microscopy in biological research” - Advances in Biological Chemistry, Vol. 47, 2007, p. 371-410, fig. On p. 381). The device comprises a device for forming a laser illumination line of the object under study, a device for spatial scanning of an object, a lens that transmits an image of the illuminated portion of the object into a conjugate plane containing a confocal aperture, which also contains a collimating lens, laser illumination filters, a diffraction grating, and a monochrome camera recording spectral decomposition into a two-dimensional matrix, also containing a computer that controls the process of generating data from the camera and synthesizer iruyuschy image of the surface.
Недостатками данного устройства являются: во-первых, сложная система сканирования. Лазерная линия формируется поворотом зеркала, и линия освещения создается движением сфокусированного луча по поверхности объекта. Соответственно, через конфокальную диафрагму передается информация о нульмерном объекте из области точечного освещения, а одномерное изображение, развернутое в спектр по второй координате, регистрируется двухмерной CCD матрицей за счет синхронного поворота второго зеркала. Во-вторых, синтез изображения осуществляется, фактически, из нульмерных регистрируемых объектов. Этим определяются дополнительные затраты времени на формирование двухмерного изображения в выбранном спектральном интервале. Кроме того, для возбуждения используется только одна длина волны лазера, а ее смена требует перенастройки прибора.The disadvantages of this device are: firstly, a complex scanning system. The laser line is formed by turning the mirror, and the lighting line is created by the movement of the focused beam over the surface of the object. Accordingly, information about a zero-dimensional object from the area of spot lighting is transmitted through the confocal aperture, and a one-dimensional image expanded in the spectrum along the second coordinate is recorded by a two-dimensional CCD matrix due to the synchronous rotation of the second mirror. Secondly, image synthesis is carried out, in fact, from zero-dimensional recorded objects. This determines the additional time spent on the formation of a two-dimensional image in the selected spectral range. In addition, only one laser wavelength is used for excitation, and its change requires reconfiguration of the device.
Заявляемое изобретение предназначено, прежде всего, для медицинских применений. В условиях диспансеризации, за короткое время, могут быть получены флуоресцентные изображения поверхности заданной площади во всех выбранных спектральных интервалах одновременно. Совместная обработка изображений с применением нейросетевых алгоритмов позволит классифицировать результат по диагностической базе данных. Применяя заявленное изобретение, можно существенно увеличить информативность регистрируемого изображения, упростить конструкцию, увеличить скорость достижения конечного результата. В отличие от известного конструктивного решения, заявленное изобретение позволяет оперативно менять спектральный состав лазерного излучения, возбуждающего флуоресценцию.The claimed invention is intended primarily for medical applications. Under the conditions of clinical examination, in a short time, fluorescence images of the surface of a given area can be obtained in all selected spectral intervals simultaneously. Joint image processing using neural network algorithms will allow classifying the result according to the diagnostic database. Using the claimed invention, it is possible to significantly increase the information content of the recorded image, simplify the design, increase the speed of achieving the final result. In contrast to the known constructive solution, the claimed invention allows you to quickly change the spectral composition of laser radiation that excites fluorescence.
Технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что в известном конфокальном сканере, содержащем устройство лазерного освещения исследуемого объекта, устройство пространственного сканирования объекта, объектив, передающий изображение освещенного участка объекта в сопряженную плоскость, содержащую конфокальную диафрагму, содержащий также коллимирующую линзу, фильтры селекции лазерного освещения, дифракционную решетку и монохромную камеру, регистрирующую спектральное разложение на двухмерной матрице, содержащий также компьютер, управляющий процессом формирования данных видеокамеры и синтезирующий изображение поверхности, согласно изобретению содержит несколько лазеров, сопряженных с оптическим волокном, систему суммирования излучений оптоволоконных выходов лазеров в одно волокно, систему управления работой лазеров, линзовую систему формирования линии освещения объекта, фильтр выделения спектрального интервала лазерного освещения, предметное стекло, контактирующее с объектом, содержит объектив, в сопряженных плоскостях которого находятся поверхность объекта и конфокальная диафрагма в виде щели, на которую проецируется освещенная область объекта, содержит линзу, в фокальной плоскости которой расположена щель, содержит фильтр, подавляющий спектр возбуждающего лазерного освещения, дифракционную решетку и видеокамеру, работа которой синхронизирована с механическим сканированием спектроанализатора относительно объекта и предметного стекла, содержит компьютер, осуществляющий синтез изображений объекта в выбранных спектральных интервалах на основе видеоряда спектров линейных участков объекта.The technical result in the claimed invention is achieved by the fact that in a known confocal scanner containing a laser illumination device of the object under study, a device for spatial scanning of an object, a lens that transmits an image of the illuminated portion of the object into a mating plane containing a confocal aperture also containing a collimating lens, laser lighting selection filters , a diffraction grating and a monochrome camera recording spectral decomposition on a two-dimensional matrix containing t also a computer that controls the process of generating video camera data and synthesizes a surface image, according to the invention, comprises several lasers coupled to an optical fiber, a system for summing the emissions of fiber optic laser outputs into a single fiber, a laser control system, a lens system for generating an object illumination line, a spectral interval filter laser lighting, a glass slide in contact with the object contains a lens in the conjugate planes of which are the surface of the object and the confocal diaphragm in the form of a slit onto which the illuminated region of the object is projected, contains a lens in the focal plane of which a slit is located, contains a filter that suppresses the spectrum of exciting laser light, a diffraction grating and a video camera whose operation is synchronized with mechanical scanning of the spectrum analyzer relative to the object and a glass slide, contains a computer that performs the synthesis of images of the object in the selected spectral intervals based on the video sequence of the spectra linear areas of the facility.
Технический эффект, достижимый при использовании данного изобретения, в сравнении с известным техническим решением, основан, прежде всего, на использовании конфокальной диафрагмы в виде щели, что позволяет регистрировать изображение участка поверхности в виде линии, то есть выполнять последующие операции реконструкции флуоресцентного изображения, используя объект с размерностью единица. Вследствие этого исключается сложная и дорогая система сканирования, применяемая в различных вариантах конструкции сканирующего конфокального микроскопа. В заявленном изобретении сканирование сводится только к операции линейного перемещения спектроанализатора относительно объекта.The technical effect achievable when using the present invention, in comparison with the known technical solution, is based primarily on the use of a confocal aperture in the form of a slit, which makes it possible to register an image of a surface area in the form of a line, that is, perform subsequent reconstruction operations of a fluorescent image using an object with dimension one. As a result, the complex and expensive scanning system used in various designs of the scanning confocal microscope is eliminated. In the claimed invention, scanning is reduced only to the operation of linear movement of the spectrum analyzer relative to the object.
Конфокальная диафрагма выполняет функцию пространственного фильтра, ограничивающего угловой спектр, излучаемый освещенной областью. Ее применение необходимо, в основном, для достижения высокого контраста изображения. Замена точечной диафрагмы на щелевую не приводит к существенному снижению качества фильтрации. Кроме того, щелевая диафрагма необходима для обеспечения высокого разрешения в спектральном разложении изображения линии по длинам волн.The confocal diaphragm serves as a spatial filter, limiting the angular spectrum emitted by the illuminated region. Its use is necessary mainly to achieve high image contrast. Replacing a point diaphragm with a slotted one does not lead to a significant decrease in the quality of filtration. In addition, a slit diaphragm is necessary to ensure high resolution in the spectral decomposition of the line image at wavelengths.
Линейное сканирующее освещение применено для того, чтобы реализовать высокую достижимую плотность мощности освещения в области фиксации изображения линейной области с целью увеличения уровня флуоресцентного отклика и, в то же время, применено с целью ограничения интегральной лучевой нагрузки на поверхность биологического объекта.Linear scanning illumination is applied in order to realize a high achievable illumination power density in the region of image capture of a linear region in order to increase the level of fluorescence response and, at the same time, is used to limit the integral radiation load on the surface of a biological object.
В аксиальной системе ввода излучения в волновод, применяемой при стыковке лазера с волокном, возбуждаются, в основном, аксиальные моды, формирующие, при несфокусированном в точку освещении, спекловую структуру распределения освещенности. Спекловая структура аксиальных мод подвержена низкочастотному пространственному дрейфу вследствие высокой чувствительности картины интерференции мод к изменению температуры и механическим деформациям волокна. В сформированном с помощью цилиндрической оптики освещении в виде линии также, из-за медленных вариаций аксиальных мод, свойственна зависимость распределения падающей мощности излучения вдоль линии от дестабилизирующих факторов. Для того, чтобы исключить этот эффект, в данном изобретении в качестве оптоволоконной системы суммирования излучений оптоволоконных выходов лазеров в одно волокно используется подложка, в направляющие канавки которой вклеиваются выходные торцы излучающих и входной торец приемного волокна, причем направление осей излучающих волокон находится в пределах апертурного угла приемного волокна. Ввод излучения в волновод под углом к оси волновода характеризуется тем, что возбуждаются только кольцевые моды, характеризующиеся высокими пространственными частотами спекловой структуры. Такой спекловый шум вследствие быстрых вариаций интенсивности излучения вдоль линии освещения интегрируется фотоприемником и не искажает регистрируемого распределения освещенности поверхности объекта. Ввод излучения под углом, кроме функции фильтрации спеклового шума, позволяет реализовать функцию суммирования излучения оптоволоконных выходов двух и более лазерных источников. Угловое распределение мощности излучения выходного торца приемного волокна наряду со спекловым шумом приводит к неравномерности освещенности линии по длине. Возникающая неравномерность имеет стационарный характер и, соответственно, может быть скомпенсирована после дифракционного разложения изображения линейной области объекта в спектр - на этапе программного синтеза изображений в различных диапазонах спектра.In the axial system for introducing radiation into the waveguide, which is used when the laser joins the fiber, mainly axial modes are excited, which form, under illumination unfocused at the point, the speckle structure of the illumination distribution. The speckle structure of axial modes is subject to low-frequency spatial drift due to the high sensitivity of the mode interference pattern to temperature changes and mechanical deformations of the fiber. In the line-shaped illumination formed using cylindrical optics, also, due to slow variations in axial modes, the distribution of the incident radiation power along the line is dependent on destabilizing factors. In order to eliminate this effect, in this invention, as a fiber optic system for summing the radiation of fiber optic laser outputs into a single fiber, a substrate is used, in the guide grooves of which the output ends of the emitting and the input end of the receiving fiber are glued, and the direction of the axes of the emitting fibers is within the aperture angle receiving fiber. The input of radiation into the waveguide at an angle to the axis of the waveguide is characterized by the fact that only ring modes are excited, which are characterized by high spatial frequencies of the speckle structure. Such speckle noise due to rapid variations in the radiation intensity along the illumination line is integrated by the photodetector and does not distort the recorded distribution of illumination of the surface of the object. The input of radiation at an angle, in addition to the function of filtering speckle noise, allows you to implement the function of summing the radiation of the fiber optic outputs of two or more laser sources. The angular distribution of the radiation power of the output end of the receiving fiber along with speckle noise leads to uneven illumination of the line along the length. The resulting non-uniformity has a stationary character and, accordingly, can be compensated after the diffraction decomposition of the image of the linear region of the object into a spectrum - at the stage of program synthesis of images in different ranges of the spectrum.
Система управления работой каждого лазера предусматривает наличие обратной связи по оптическому каналу с целью стабилизации мощности излучения и задания уровня излучаемой мощности. Компьютерное управление мощностью нескольких лазеров позволяет оперативно менять длину волны возбуждающего излучения, включая и выключая лазерные источники, или формировать спектральный состав излучения при одновременной их работе.The control system of each laser provides feedback on the optical channel in order to stabilize the radiation power and set the level of radiated power. Computer control of the power of several lasers allows you to quickly change the wavelength of the exciting radiation, turning the laser sources on and off, or to form the spectral composition of the radiation while they work.
В качестве линзовой системы формирования линии освещения объекта используется одна или несколько цилиндрических линз, формирующих на поверхности объекта изображение выходного торца излучающего волокна поперек линии освещения и растянутого изображения торца волокна вдоль линии, причем ось линзовой системы формирования линии освещения направлена под углом к оси объектива.As the lens system for forming the illumination line of the object, one or several cylindrical lenses are used, forming on the surface of the object an image of the output end of the emitting fiber across the line of illumination and a stretched image of the end of the fiber along the line, the axis of the lens system of forming the line of illumination pointing at an angle to the axis of the lens.
В прикладных задачах флуоресцентной диагностики фильтр выделения спектрального интервала возбуждающего излучения предназначен для подавления всех спектральных составляющих лазерного освещения за исключением основной линии, возбуждающей флуоресценцию. В противном случае дополнительный спектр войдет в спектральный состав флуоресцентного отклика и это приведет к искажению регистрируемой информации.In applied problems of fluorescence diagnostics, the filter for separating the spectral interval of exciting radiation is designed to suppress all spectral components of laser illumination except for the main line that excites fluorescence. Otherwise, the additional spectrum will enter the spectral composition of the fluorescence response and this will lead to a distortion of the recorded information.
Предметное стекло в данном изобретении предназначено для придания биологическому объекту плоской поверхности, расположенной на расстоянии формирования изображения предметной области в плоскости диафрагмы.The slide in this invention is intended to give the biological object a flat surface located at a distance of imaging of the subject area in the plane of the diaphragm.
Щель конфокальной диафрагмы ориентирована параллельно линии освещения. В этом же направлении ориентированы штрихи дифракционной решетки, расположенной ортогонально оси коллимирующего объектива, в фокальной плоскости которого расположена диафрагма.The slit of the confocal diaphragm is oriented parallel to the illumination line. In the same direction, the strokes of the diffraction grating are oriented, which is located orthogonal to the axis of the collimating lens, in the focal plane of which the diaphragm is located.
Фильтр, расположенный после коллимирующей линзы, в задачах флуоресцентной диагностики предназначен для подавления спектра отраженного возбуждающего лазерного освещения, уровень которого в сравнении с флуоресцентным сигналом может быть достаточно высоким.The filter located after the collimating lens in fluorescence diagnostics is designed to suppress the spectrum of the reflected exciting laser light, the level of which can be quite high in comparison with the fluorescent signal.
Фазовая дифракционная решетка с синусоидальным профилем фазовой задержки содержит, кроме нулевого, только первые порядки дифракционного разложения в спектр по длинам волн. Высокая дифракционная эффективность такой решетки позволяет получить максимум энергии в первом порядке спектра. Постоянная решетки и ширина щели диафрагмы рассчитываются таким образом, чтобы получить достаточное спектральное разрешение и развертку спектра по всей площади кадра.A phase diffraction grating with a sinusoidal phase delay profile contains, in addition to zero, only the first orders of diffraction expansion in the spectrum according to wavelengths. The high diffraction efficiency of such a grating allows one to obtain a maximum of energy in the first order of the spectrum. The lattice constant and the width of the slit of the aperture are calculated in such a way as to obtain sufficient spectral resolution and a sweep of the spectrum over the entire area of the frame.
Видеокамера, работа которой синхронизирована с механическим сканированием спектроанализатора относительно объекта и предметного стекла, локализует дифракцию Фраунгофера в параллельных лучах в фокальной плоскости камерного объектива на двухмерной монохромной матрице. Кадры видеоряда представляют собой изображения последовательно регистрируемых линейных участков объекта, расположенных по одной из координат кадра и разложение каждого линейного участка в спектр по другой координате.The video camera, whose operation is synchronized with the mechanical scanning of the spectrum analyzer relative to the object and the slide, localizes the Fraunhofer diffraction in parallel rays in the focal plane of the camera lens on a two-dimensional monochrome matrix. Footage frames are images of sequentially recorded linear sections of an object located along one of the coordinates of the frame and the decomposition of each linear section into the spectrum at a different coordinate.
В конфокальном спектроанализаторе изображений, согласно изобретению, в качестве линзовой системы формирования линии освещения объекта используется одна или несколько цилиндрических линз, причем ось линзовой системы формирования линии освещения направлена под углом к оси объектива. В этом случае в регистрируемом изображении снижается уровень зеркальной составляющей отраженного сигнала. Преимущество оптоволоконной системы освещения заключается, в частности, в том, что могут быть пространственно разнесены лазерные осветители, и линзовая система освещения.In the confocal image spectrum analyzer according to the invention, one or more cylindrical lenses are used as the lens system for forming the object illumination line, the axis of the lens system for forming the illumination line being angled to the axis of the lens. In this case, the level of the mirror component of the reflected signal decreases in the recorded image. An advantage of a fiber optic lighting system is, in particular, that laser illuminators and a lens lighting system can be spatially separated.
Линзовая система формирования линии освещения объекта через объектив дополнительно содержит полупрозрачное зеркало, направляющее световой пучок через объектив и расположенное между объективом и конфокальной диафрагмой. Такое освещение целесообразно применять для регистрации изображений с высоким разрешением, когда параметры объектива не предусматривают непосредственного освещения объекта.The lens system for forming an object illumination line through the lens further comprises a translucent mirror directing the light beam through the lens and located between the lens and the confocal diaphragm. Such lighting is advisable to use for recording high-resolution images when the lens parameters do not provide for direct illumination of the object.
Заявляемое изобретение, содержащее конфокальную диафрагму, не пропускающую внефокусные лучи, позволяет регистрировать изображение сопряженной с конфокальной диафрагмой линейной области внутри объема полупрозрачной среды. Поэтому для регистрации изображений подповерхностного слоя изобретение содержит устройство изменения расстояния от объектива до предметного стекла.The claimed invention, containing a confocal diaphragm that does not transmit out-of-focus rays, allows you to register an image of a linear region conjugated with a confocal diaphragm within the volume of a translucent medium. Therefore, to register images of the subsurface layer, the invention comprises a device for changing the distance from the lens to the glass slide.
Спектроанализатором регистрируется излучение, формируемое дифракционной решеткой в одном из первых порядков спектрального разложения, поэтому согласно изобретению ось объектива камеры расположена в пределах угла дифракционного разложения в спектр в первом порядке.The spectrum analyzer records the radiation generated by the diffraction grating in one of the first orders of spectral decomposition, therefore, according to the invention, the axis of the camera lens is located in the first order within the angle of diffraction decomposition into the spectrum.
С целью исключения нежелательного воздействия при контакте с биологической средой предметное стекло, прижимаемое к исследуемой поверхности, изолировано от нее полимерной пленкой разового применения или иной средой, прозрачной для возбуждающего и анализируемого излучений.In order to exclude undesirable effects in contact with the biological medium, a glass slide pressed to the test surface is isolated from it by a single-use polymer film or other medium transparent to the exciting and analyzed radiation.
В процессе механического перемещения спектроанализатора параллельно поверхности объекта, видеокамерой регистрируется видеоряд кадров спектра различных линейных участков объекта. Число кадров видеоряда соответствует числу градаций спектра, из которых, в последующем, синтезируется видеоряд спектральных изображений.In the process of mechanical movement of the spectrum analyzer parallel to the surface of the object, the video camera records the video sequence of the frames of the spectrum of various linear sections of the object. The number of frames of the video sequence corresponds to the number of gradations of the spectrum, from which, subsequently, the video sequence of spectral images is synthesized.
Каждый кадр видеоряда спектральных изображений формируется из идентичных спектральных интервалов видеоряда кадров спектра. При этом кадр формируется в соответствие с последовательностью регистрации различных линейных участков объекта в процессе сканирования.Each frame of the sequence of spectral images is formed from identical spectral intervals of the sequence of frames of the spectrum. In this case, the frame is formed in accordance with the sequence of registration of various linear sections of the object during the scanning process.
На Фиг. 1 изображена схема конфокального спектроанализатора изображений. Лазеры 1 с системой ввода излучения в оптические волокна 2 связаны с компьютером 3 системой управления работой лазеров. Система суммирования излучения оптоволоконных выходов лазеров 4 в выходное волокно 5 формирует излучение, расходимость которого определяется числовой апертурой волокна и спектром кольцевых мод. Это излучение проходит через фильтр 6 выделения спектрального интервала возбуждающего излучения. Линзовая система 7 формирует линию освещения объекта через предметное стекло 8. Объектив 9 формирует изображение освещенной линейной области 10 поверхности объекта в плоскости щелевой конфокальной диафрагмы 11. Коллимирующая линза 12, в фокальной плоскости которой расположено изображение щели, формирует оптический пучок, проходящий через фильтр 13, подавляющий спектр возбуждающего излучения. Прошедший через фильтр пучок дифракционной решеткой 14 разлагается в спектр. Первый порядок этого разложения регистрируется видеокамерой 15, работа которой синхронизирована с системой 16 механического сканирования спектроанализатора относительно объекта и предметного стекла. Объектив 17 камеры локализует первый порядок дифракции пучка в параллельных лучах на матрице 18.In FIG. 1 shows a diagram of a confocal image spectrum analyzer. Lasers 1 with a system for introducing radiation into
На Фиг. 2 изображена схема реконструкции видеоряда спектральных изображений объекта в конфокальном спектроанализаторе изображений. Кадры 1 - последовательность изображений линейных областей объекта и их разложения в спектр в процессе смещения освещенной области по координате х, 2 - спектральные интервалы, выбранные для реконструкции спектральных изображений объекта. Кадры 3 - изображения объекта, сформированные в выбранных спектральных интервалах.In FIG. 2 shows a reconstruction scheme of a video sequence of spectral images of an object in a confocal image spectrum analyzer. Frames 1 - a sequence of images of linear regions of an object and their decomposition into a spectrum during the shift of the illuminated region along the x coordinate, 2 - spectral intervals selected for reconstruction of spectral images of an object. Frames 3 - images of the object formed in the selected spectral intervals.
Работа конфокального спектроанализатора изображений осуществляется следующим образом. Несколько различных по излучаемому спектру лазеров 1 с вводом излучения в оптическое волокно 2 связаны по цепям управления с компьютером 3. Программным обеспечением компьютера 3 формируются управляющие сигналы, активизирующие работу лазеров 1. Лазерное излучение одного лазера или двух и более лазеров объединяются сумматором 4 в оптическом волноводе 5. Расходящийся пучок из волновода 5 проходит через оптическую систему, включающую фильтр 6, пропускающий заданный устройством 3 спектральный состав излучения, и проходит через систему цилиндрических линз 7. Положительная линза преобразует расходящийся пучок в линию 10 на поверхности объекта. Для дополнительного увеличения длины линии может быть применена отрицательная линза, ориентированная ортогонально относительно положительной. Для медицинских применений устройство содержит предметное стекло 8. Внешняя плоскость предметного стекла 8 контактирует с исследуемым объектом и является рабочей областью настройки объектива 9. Предметное стекло конструктивно связано с остальной частью спектроанализатора посредством механической системы сканера 16, осуществляющего смещение спектроанализатора в плоскости предметного стекла ортогонально линии освещения 10. Процессом сканирования по заданной программе управляет компьютер 3. При этом положение линии освещения 10 фиксировано относительно спектроанализатора и в процессе сканирования освещенный участок перемещается в диапазоне регистрации изображения. Изображение освещенной линейной области объекта проецируется в сопряженную плоскость щелевой конфокальной диафрагмы 11, фильтрующей угловой спектр падающего на нее пучка. Ширина диафрагмы 11 определяет размер освещенной области объекта, которая станет частью изображения. Прошедший через диафрагму пучок попадает на коллимирующую линзу 12, в фокальной плоскости которой расположена диафрагма 11. Линза 12 необходима для осуществления дифракции Фраунгофера в параллельных лучах на дифракционной решетке 14. На пути пучка, перед решеткой 14, расположен фильтр 13 для подавления отраженного от объекта лазерного излучения источников 1, возбуждающих флуоресценцию. Видеокамера 15 ориентирована таким образом, чтобы первый порядок спектрального разложения был локализован объективом 17 камеры на двухмерной монохромной матрице 18. Процесс регистрации последовательности кадров разложения в спектр синхронизирован со сканером 16 системой программного управления компьютера 3.The work of the confocal spectrum analyzer of images is as follows. Several lasers 1 different in the emitted spectrum with radiation input into the
Реконструкция изображений в различных диапазонах спектра представлена на Фиг. 2. В памяти компьютера сохраняются данные видеоряда кадров 1 со спектрами, записанными через интервалы смещения 2 при сканировании линии освещения. В каждом элементе 2 содержится информация о распределении яркости изображения зарегистрированного линейного участка объекта в соответствующем спектральном интервале. Величина этого интервала выбирается исходя из заданных параметров спектрального разрешения и энергетических характеристик дифракционного разложения в спектр. Изображения 3 в выбранных спектральных интервалах составляются из элементов 2 видеоряда 1. Последующая обработка изображений 3 с использованием информационных технологий позволяет сделать заключение о степени соответствия параметров исследуемого объекта признакам объектов диагностической базы данных.Reconstruction of images in different spectral ranges is shown in FIG. 2. The data of the video sequence of frames 1 with spectra recorded at offset
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014141434/28A RU2579640C1 (en) | 2014-10-14 | 2014-10-14 | Confocal image spectrum analyser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014141434/28A RU2579640C1 (en) | 2014-10-14 | 2014-10-14 | Confocal image spectrum analyser |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2579640C1 true RU2579640C1 (en) | 2016-04-10 |
Family
ID=55793622
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014141434/28A RU2579640C1 (en) | 2014-10-14 | 2014-10-14 | Confocal image spectrum analyser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2579640C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107290286A (en) * | 2016-04-12 | 2017-10-24 | 北京世纪桑尼科技有限公司 | A kind of high-velocity scanning confocal imaging system available for spectrum analysis |
| RU2658140C1 (en) * | 2017-05-24 | 2018-06-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Confocal fluorescent image spectrum analyser |
| RU2723890C1 (en) * | 2019-11-07 | 2020-06-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Multichannel confocal image spectrum analyzer |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2685304A1 (en) * | 2012-07-10 | 2014-01-15 | Jasco Corporation | Spectroscopic confocal microscope with aperture stop for increased spatial resolution and parallelized data acquisition |
-
2014
- 2014-10-14 RU RU2014141434/28A patent/RU2579640C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2685304A1 (en) * | 2012-07-10 | 2014-01-15 | Jasco Corporation | Spectroscopic confocal microscope with aperture stop for increased spatial resolution and parallelized data acquisition |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.В. Феофанов "Спектральная лазерная сканирующая конфокальная микроскопия в биологических исследованиях", УСПЕХИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ, т. 47, 2007, стр.381. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107290286A (en) * | 2016-04-12 | 2017-10-24 | 北京世纪桑尼科技有限公司 | A kind of high-velocity scanning confocal imaging system available for spectrum analysis |
| RU2658140C1 (en) * | 2017-05-24 | 2018-06-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Confocal fluorescent image spectrum analyser |
| RU2723890C1 (en) * | 2019-11-07 | 2020-06-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Multichannel confocal image spectrum analyzer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20210373311A1 (en) | Microscopy Devices, Methods and Systems | |
| US7274446B2 (en) | Method and arrangement for the deep resolved optical recording of a sample | |
| US8019136B2 (en) | Optical sectioning microscopy | |
| JP5536650B2 (en) | System and method for self-interfering fluorescence microscopy and associated computer-accessible media | |
| US10310246B2 (en) | Converter, illuminator, and light sheet fluorescence microscope | |
| JP2016530567A (en) | Variable illumination Fourier typographic imaging apparatus, system, and method | |
| JP6914241B2 (en) | Systems and methods for 3D imaging | |
| CN107192702B (en) | Spectroscopic pupil laser confocal CARS (coherent anti-Raman scattering) microspectroscopy testing method and device | |
| CN106441571A (en) | Light source module and line scanning multispectral imaging system using the same | |
| CN108267445A (en) | Three-dimensional two-photon mating plate is micro- and spectrum multi-modal imaging device and method | |
| JP7357385B2 (en) | Optical coherence tomography device and image generation method using the same | |
| CN112798564A (en) | Random optical reconstruction and structured light illumination composite super-resolution imaging system | |
| RU2579640C1 (en) | Confocal image spectrum analyser | |
| CN115308184A (en) | Active structured light illuminated super-resolution microscopic imaging method and system | |
| US20130250088A1 (en) | Multi-color confocal microscope and imaging methods | |
| CN110824684B (en) | High-speed three-dimensional multi-modal imaging system and method | |
| KR101888924B1 (en) | Time-Multiplexed Structured Illumination with Digital Micromirror Device for Structured Illumination Microscopy and Method of Operating the same | |
| JP6818487B2 (en) | Spectrum measurement method | |
| CN117007187A (en) | Broad spectrum microscopic Raman ghost imaging device and imaging method based on structured light illumination | |
| KR101938110B1 (en) | Apparatus for measuring thermal image in multi modes and method thereof | |
| WO2020087998A1 (en) | Lattice light sheet microscope and method for tiling lattice light sheet in lattice light sheet microscope | |
| CN115656130A (en) | Fluorescence emission ratio three-dimensional super-resolution imaging method | |
| CN214374304U (en) | Composite super-resolution imaging device | |
| CN111855639B (en) | Spectrum acquisition system and spectrum acquisition method | |
| CN212031304U (en) | Novel Raman spectrometer based on optical field coupling device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161015 |