RU2723890C1 - Multichannel confocal image spectrum analyzer - Google Patents
Multichannel confocal image spectrum analyzer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723890C1 RU2723890C1 RU2019135927A RU2019135927A RU2723890C1 RU 2723890 C1 RU2723890 C1 RU 2723890C1 RU 2019135927 A RU2019135927 A RU 2019135927A RU 2019135927 A RU2019135927 A RU 2019135927A RU 2723890 C1 RU2723890 C1 RU 2723890C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- laser
- plane
- confocal
- slit
- Prior art date
Links
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 30
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 21
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 2
- 238000001454 recorded image Methods 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000004624 confocal microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000012921 fluorescence analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002073 fluorescence micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 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
-
- 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
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам регистрации спектров поверхностей методом фотолюминесценции или рассеяния при лазерном возбуждении. Данные сканирования поверхности могут быть представлены 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 recording spectra of surfaces by photoluminescence or scattering by laser excitation. Surface scan data can be represented as 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 для физических исследований и в медицинских целях для спектральной диагностики поверхностных областей различных биологических сред, включая флуоресцентный анализ трехмерной динамики переменных структур среды.The invention can be used for physical research and for medical purposes for spectral diagnostics of surface areas of various biological environments, including fluorescence analysis of three-dimensional dynamics of variable structures of the environment.
В конфокальной микроскопии при исследовании динамических объектов трехмерное изображение создается реконструкцией последовательно сканируемых точек оптической системой с точечной конфокальной диафрагмой. Скорость реконструкции - решающий фактор, определяющий возможность регистрации быстро меняющихся процессов. Одно из направления решения этой задачи - создание многоканального сканирующего устройства и распараллеливание процесса обработки данных.In confocal microscopy, when studying dynamic objects, a three-dimensional image is created by reconstructing sequentially scanned points with an optical system with a point confocal diaphragm. The speed of reconstruction is a decisive factor determining the possibility of registering rapidly changing processes. One of the directions for solving this problem is the creation of a multi-channel scanning device and parallelization of the data processing process.
Известен «Многоканальный конфокальный микроскоп» (Патент RU 2574863 от 10.12.2016), содержащий источник излучения, фокусирующую оптику, дисперсионный акустооптический элемент, направляющий лучи на матрицу конфокальных диафрагм и, через светоделитель, модуль сканирования, на объект. Отраженные от объекта лучи возвращаются в обратном направлении, через светоделитель попадают в регистрирующий блок на матрицу фотодетекторов через дополнительную матрицу конфокальных диафрагм, модуль сканирования и фокусирующую оптику.The well-known "Multichannel confocal microscope" (Patent RU 2574863 from 12/10/2016) containing a radiation source, focusing optics, a dispersive acousto-optic element directing rays to the matrix of confocal diaphragms and, through a beam splitter, a scanning module, to the object. The rays reflected from the object are returned in the opposite direction, through the beam splitter they enter the recording unit to the photodetector array through an additional matrix of confocal apertures, a scanning module and focusing optics.
Недостатки устройства, прежде всего, в сложности - наличии нескольких механических систем, требующих взаимной синхронизации с оптической точностью: двухкоординатных дефлекторов, установленных на ортогональных осях роторов системы сканирования. При этом движение пластин дефлекторов синхронизировано с движением пластин аналогичного модуля сканирования регистрирующего блока. Все это привело к ограничению потенциально достижимой разрешающей способности микроскопа. По данным авторов, для количества лазерных лучей 25×25 расстояние между соседними пятнами лучей в плоскости объекта - 5 мкм. Следует отметить, что для современных конфокальных микроскопов достижимое разрешение находится в субмикронной области.The disadvantages of the device, primarily in complexity, are the presence of several mechanical systems requiring mutual synchronization with optical accuracy: two-coordinate deflectors mounted on the orthogonal axes of the rotors of the scanning system. In this case, the movement of the deflector plates is synchronized with the movement of the plates of a similar scanning module of the recording unit. All this led to a limitation of the potentially achievable resolution of the microscope. According to the authors, for the number of laser beams 25 × 25, the distance between adjacent spots of rays in the plane of the object is 5 μm. It should be noted that for modern confocal microscopes, the achievable resolution is in the submicron region.
Распараллеливание на аппаратном уровне, применяя матрицу точечных конфокальных диафрагм, в данном случае не является эффективным. В теории пространственных методов обработки оптической информации рассмотрен иной метод построения многоканального устройства для обработки сигналов [Л.М. Сороко Основы голографии и когерентной оптики, «Наука», М., 1971]. В предлагаемом изобретении данный метод применен в устройстве для построения многоканальной системы обработки двухмерных оптических сигналов.Parallelization at the hardware level, using a matrix of point confocal apertures, is not effective in this case. In the theory of spatial methods for processing optical information, another method for constructing a multi-channel device for processing signals is considered [L.M. Soroko Fundamentals of Holography and Coherent Optics, "Science", M., 1971]. In the present invention, this method is used in a device for constructing a multi-channel system for processing two-dimensional optical signals.
Наиболее близким по совокупности признаков является «Конфокальный спектроанализатор изображений» (Патент RU 2579640 от 10.04.2016, Бюл. №10), содержащий лазерный источник излучения, устройство пространственного сканирования, объектив, линейную конфокальную диафрагму, содержащий также линзовую оптику, фильтры селекции лазерного освещения, дифракционную решетку и монохромную камеру, регистрирующую спектральное разложение на двухмерной матрице, содержащий также цифровую систему, управляющую процессом формирования данных видеокамеры и осуществляющую синтез изображений объекта в выбранных спектральных интервалах на основе видеоряда спектров линейных участков объекта.The closest in combination of features is “Confocal Image Spectrum Analyzer” (Patent RU 2579640 dated 04/10/2016, Bull. No. 10), containing a laser radiation source, spatial scanning device, lens, linear confocal aperture, also containing lens optics, laser lighting selection filters , a diffraction grating and a monochrome camera recording spectral decomposition on a two-dimensional matrix, also containing a digital system that controls the process of generating video camera data and synthesizes images of the object in the selected spectral intervals based on the video sequence of the spectra of linear sections of the object.
Достижимый технический эффект устройства по патенту RU 2579640 основан на компьютерной реконструкции изображения, сформированного из видеоряда покадровой съемки линейных освещенных областей в процессе сканирования поверхности объекта через объектив, в сопряженной плоскости которого расположена конфокальная диафрагма в виде щели. Щель является также элементом спектроанализатора при разложении изображения линейной области в спектр. Распределение по интенсивности этой области, регистрируемое монохромной двухмерной матрицей, представлено в координатах пикселей строки. Фазовая дифракционная решетка формирует разложение множества точек линии в спектр по длинам волн в ортогональном измерении кадра. Сканирование спектроанализатора вдоль плоскости объекта, ограниченной предметным стеклом, осуществляется ортогонально линии лазерного освещения и синхронизировано с видеозаписью. Изображения всей поверхности объекта в выбранных диапазонах спектра реконструируются из соответствующих спектральных интервалов видеоряда кадров зарегистрированных спектров.The achievable technical effect of the device according to the patent RU 2579640 is based on a computer reconstruction of the image formed from the video sequence of single-frame shooting of linear illuminated areas during scanning of the surface of an object through a lens, in the conjugate plane of which there is a confocal aperture in the form of a slit. The slit is also an element of the spectrum analyzer when decomposing an image of a linear region into a spectrum. The intensity distribution of this region, recorded by a monochrome two-dimensional matrix, is presented in the pixel coordinates of the row. The phase diffraction grating forms the decomposition of many points of the line into a spectrum according to the wavelengths in the orthogonal measurement of the frame. The spectrum analyzer is scanned along the object plane bounded by a slide, orthogonally to the laser light line and synchronized with the video recording. Images of the entire surface of the object in the selected spectral ranges are reconstructed from the corresponding spectral intervals of the video sequence of frames of the recorded spectra.
Недостатки устройства в следующем. Линейное лазерное освещение формируется оптической системой, не связанной с объективом, регистрирующим флуоресцентный спектр. Это требует точной взаимной юстировки осветителя и линейной конфокальной диафрагмы, что усложняет устройство и работу с ним. Сканирование осуществляется смещением объекта. Для систем высокого разрешения это является ограничивающим точность фактором.The disadvantages of the device are as follows. Linear laser illumination is formed by an optical system that is not connected to a lens that registers the fluorescence spectrum. This requires accurate mutual alignment of the illuminator and the linear confocal diaphragm, which complicates the device and work with it. Scanning is performed by moving the object. For high resolution systems, this is a limiting factor in accuracy.
Заявляемое изобретение предназначено, прежде всего, для получения флуоресцентных изображений при анализе биологических структур и для создания экспертных систем постановки диагноза в медицинских приложениях.The claimed invention is intended primarily for obtaining fluorescence images in the analysis of biological structures and for creating expert diagnosis systems in medical applications.
Применяя заявленное изобретение, можно существенно увеличить информативность регистрируемого изображения, упростить конструкцию, увеличить скорость достижения конечного результата.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.
Технический результат заключается в существенном увеличении информативности регистрируемого изображения, упрощении конструкции, увеличении скорости сканирования объекта за счет распараллеливания обработки информации по многим точкам (каналам), формирующим линию. Множество линий объединяются в спектральное изображение.The technical result consists in a significant increase in the information content of the recorded image, simplification of the design, increase in the scanning speed of the object due to parallelization of information processing at many points (channels) that form the line. Many lines are combined into a spectral image.
Технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что в многоканальном конфокальном спектроанализаторе изображений содержащем лазерный источник излучения, устройство пространственного сканирования, объектив, линейную конфокальную диафрагму, содержащем также линзовую оптику, фильтры селекции лазерного освещения, дифракционную решетку и монохромную камеру, регистрирующую спектральное разложение на двухмерной матрице, содержащем также цифровую систему, управляющую процессом формирования данных видеокамеры и осуществляющую синтез изображений объекта в выбранных спектральных интервалах на основе видеоряда спектров линейных участков объекта, согласно изобретению, содержится диодный лазер с протяженной излучающей областью, первая цилиндрическая линза, образующая которой ортогональна плоскости быстрой оси лазера, формирующая коллимированный пучок излучения, рассеиваемый дифракционной решеткой на пропускание, содержится также вторая цилиндрическая линза, локализующая интерференционные порядки спектрального разложения в фокальной плоскости этой линзы, в которой расположена щелевая диафрагма, пропускающая нулевой порядок дифракции, и расположена предметная плоскость объектива, формирующего в сопряженной плоскости, совпадающей с объектом, сфокусированное лазерное излучение в виде линии в заданном масштабе, а флуоресцентное или рассеянное объектом излучение возвращается через объектив в пределах его числовой апертуры, проходит через щель конфокальной диафрагмы, преобразуется второй линзой в коллимированный пучок, разлагается в спектр дифракционной решеткой, и первый порядок дифракции, под углом блеска дифракционной решетки, камерным объективом локализуется на двухмерной матрице видеокамеры, а результаты пошагового сканирования объективом освещения объекта ортогонально лазерной линии регистрируются видеокамерой в виде видеоряда спектральных изображений каждой линии в координатах: линейное положение точки линии изображения - развертка спектра точек по длине волны, из которых синтезируется изображение поверхности объекта в каждом из заданных спектральных интервалов; в плоскости медленной оси диодного лазера содержится третья цилиндрическая линза, образующая которой ортогональна плоскости медленной оси, расположенная таким образом, чтобы излучающая площадка лазера и щель конфокальной диафрагмы находились в сопряженных плоскостях этой линзы, обеспечивая необходимый масштаб изображений в координатах длины линии.The technical result in the claimed invention is achieved by the fact that in a multi-channel confocal spectral image analyzer containing a laser radiation source, a spatial scanning device, a lens, a linear confocal aperture, also containing lens optics, laser illumination selection filters, a diffraction grating and a monochrome camera recording spectral decomposition into two-dimensional According to the invention, there is a diode laser with an extended emitting region, the first cylindrical lens, which is orthogonal to the plane of the fast axis, contains a matrix that also contains a digital system that controls the process of generating video camera data and synthesizes images of an object in selected spectral intervals The laser, which forms a collimated beam of radiation scattered by the diffraction grating for transmission, also contains a second cylindrical lens that localizes interference These are the orders of spectral decomposition in the focal plane of this lens, in which there is a slit aperture that transmits the zero diffraction order, and the object plane of the lens is located, forming in the conjugate plane coinciding with the object, focused laser radiation in the form of a line at a given scale, and fluorescent or scattered The radiation returns through the lens within the numerical aperture of the object, passes through the slit of the confocal diaphragm, is converted by the second lens into a collimated beam, decomposed into a spectrum by the diffraction grating, and the first diffraction order, at the angle of light of the diffraction grating, is located on the two-dimensional matrix of the video camera, and the results of a step-by-step scanning by the lens of illumination of an object orthogonally to a laser line are recorded by a video camera in the form of a video sequence of spectral images of each line in the coordinates: the linear position of the image line point is the scan of the spectrum of points along the wavelength, from which synthesizes the image of the surface of the object in each of the specified spectral intervals; a third cylindrical lens is contained in the plane of the slow axis of the diode laser, which forms orthogonal to the plane of the slow axis, so that the laser emitting area and the slit of the confocal diaphragm are in the conjugate planes of this lens, providing the necessary image scale in line length coordinates.
Технический эффект, достижимый при использовании данного изобретения, в сравнении с известным техническим решением, основан на использовании диодных лазеров повышенной мощности, имеющих протяженную излучающую площадку с отношением сторон, достигающим двух порядков. Возникают ограничения при их использовании в лазерном конфокальном сканирующем микроскопе с точечной конфокальной диафрагмой (КД) и сферической оптикой. В данном случае применение цилиндрической оптики, линейной КД и наличие протяженной излучающей области диодного лазера представляют собой оптимальное сочетание для выполнения независимых преобразований двухмерных сигналов на плоскости. Возникает возможность разделения координат по х и у. Сигнал ƒ(x) в плоскости изображений превращается с помощью цилиндрической линзы в фурье-образ F(ω) в плоскости пространственных частот в многоканальное устройство [Л.М. Сороко Основы голографии и когерентной оптики, «Наука», М., 1971, с. 503-504]:The technical effect achieved by using the present invention, in comparison with the known technical solution, is based on the use of high power diode lasers having an extended emitting area with an aspect ratio reaching two orders of magnitude. There are limitations when using them in a laser confocal scanning microscope with a point confocal diaphragm (CD) and spherical optics. In this case, the use of cylindrical optics, linear CD, and the presence of an extended emitting region of a diode laser are the optimal combination for performing independent transformations of two-dimensional signals on a plane. There is a possibility of separation of coordinates by x and y. The signal ƒ (x) in the plane of images is transformed using a cylindrical lens into the Fourier transform of F (ω) in the plane of spatial frequencies into a multi-channel device [L.M. Soroko Bases of holography and coherent optics, "Science", M., 1971, p. 503-504]:
где F(x, ωy) преобразование Фурье, преобразующее цилиндрической линзой функцию ƒ(x, у) плоскости изображений по координате у в плоскость пространственных частот F(x, ωу) по данной координате. Здесь параметр х служит индексом (номером) данного канала. По координате у все каналы могут быть обработаны одновременно. Изображение линии по х может быть преобразовано по другому алгоритму.where F (x, ω y ) is the Fourier transform that transforms with a cylindrical lens the function плоскости (x, y) of the image plane along the y coordinate into the spatial frequency plane F (x, ω y ) along this coordinate. Here, the parameter x serves as the index (number) of this channel. By coordinate, all channels can be processed simultaneously. The line image along x can be converted by another algorithm.
Элементом большинства известных флуоресцентных конфокальных микроскопов является светоделитель, выполняющий функцию 3-х портового Y-циркулятора, основанного на известном принципе спектрального разделения световых пучков дихроичным зеркалом или акустооптическим дефлектором. Т.е. излучение лазерного источника (порт 1) отражается от дихроичного зеркала и направляется на объект (порт 2), а излучение объекта из порта 2 с другой длинной волны проходит через дихроичное зеркало в фотоприемник (порт 3). Альтернативой спектральному разделению является пространственное разделение оптических пучков [Э.К. Алгазинов, В.А. Шульгин, И.А. Лавриненко, А.А. Сирота Анализатор спектра флуоресценции на основе оптоволоконного Y-циркулятора, Письма в ЖТФ, 2018, том 44, вып. 14, с. 50-57]. В данном изобретении предлагается функцию Y-циркулятора выполнить с использованием новой пространственной структуры - комбинации дифракционной решетки на пропускание и линейной КД. Коллимированное излучение диодного лазера с протяженной излучающей областью (порт 1) разлагается дифракционной решеткой на пропускание на дифракционные порядки и цилиндрической линзой собирается в фокальной плоскости этой линзы, совпадающей с плоскостью линейной КД. Линейная КД пропускает нулевой порядок лазерного излучения, направляемого на объект (порт 2). Остальные порядки блокируются данным пространственным фильтром. Флуоресцентное или рассеянное излучение объекта с измененным спектром из порта 2 возвращается обратно через диафрагму и разлагается дифракционной решеткой. Первый порядок разложения, под углом блеска решетки, отклоняется и фокусируется камерным объективом на видеосенсоре (порт 3). В данном случае линейная КД является излучателем и приемником излучения, блокирующим внефокусные лучи. Такая конструкция исключает процесс динамической юстировки взаимного положения сфокусированного на объекте излучения и КД в процессе сканирования. При сканировании объективом всегда выполняется взаимное их соответствие в пространстве.An element of most known fluorescence confocal microscopes is a beam splitter that acts as a 3-port Y-circulator based on the well-known principle of spectral separation of light beams by a dichroic mirror or an acousto-optic deflector. Those. the radiation from the laser source (port 1) is reflected from the dichroic mirror and sent to the object (port 2), and the radiation from the
Второе назначение КД - выполнение функции пространственного фильтра, блокирующего внефокусные лучи, излучаемые освещенной областью. Точечная диафрагма конфокального микроскопа, блокирующая внефокусные лучи, ничем не отличается от линейной конфокальной диафрагмы. Для первой внефокусные лучи пропускаются лишь окрестностью точки (диска Эйри) и в пределе блокируются полностью. Окрестности точки и линии, пропускающие внефокусные лучи, в пределе стремятся к нулю, то есть КД в виде точки или линия эквивалентны, так как нульмерный и одномерный объекты не имеют площади.The second purpose of the CD is to perform the function of a spatial filter that blocks out-of-focus rays emitted by the illuminated region. The point diaphragm of a confocal microscope that blocks out-of-focus rays is no different from a linear confocal diaphragm. For the first, out-of-focus rays are transmitted only by the vicinity of the point (Airy disk) and are completely blocked in the limit. The neighborhoods of a point and a line transmitting out-of-focus rays tend to zero in the limit, that is, a CD in the form of a point or a line is equivalent, since zero-dimensional and one-dimensional objects have no area.
На Фиг. 1 изображена схема многоканального конфокального спектроанализатора изображений с диодным лазером 1', имеющим протяженную излучающую площадку. Рисунок изображен в плоскости быстрой оси лазера, в которой размер излучателя минимален.In FIG. 1 shows a diagram of a multi-channel confocal image analyzer with a diode laser 1 'having an extended emitting area. The figure is shown in the plane of the fast axis of the laser, in which the size of the emitter is minimal.
Пучок излучения лазера с расходимостью, соответствующей дифракции на апертуре, цилиндрической линзой 2', расположенной на расстоянии фокуса от источника, преобразуется в коллимированное излучение в плоскости быстрой оси. Далее расположены bay-pass фильтр 3' и дифракционная решетка 4'. Разложение в плоскости быстрой оси излучения лазера по порядкам дифракции второй цилиндрической линзой 5' собирается в фокальной плоскости этой линзы. В этой плоскости расположена КД 6', щель которой ортогональна плоскости быстрой оси лазера, которая выделяет нулевой порядок дифракции. Далее это излучение объективом 7' фокусируется на объекте 8' в виде линии, длина которой вдоль медленной оси лазера формируется третьей цилиндрической линзой 9 (показана на фиг. 2). Образующая третьей линзы 9 параллельна плоскости быстрой оси, а в ее сопряженных плоскостях расположены излучающая площадка лазера 1' и плоскость КД 6'. Изображение, излучающей области диодного лазера 1', сформированное в щели КД 6', объективом масштабируется в сопряженную плоскость на объекте 8'. Сканирование этого изображения может осуществляться перемещением объектива 7'. При этом рассеянный или флуоресцентный сигнал области фокусировки 8' лазерного излучения в силу «взаимности» объектива 7', будут возвращаться, и формировать соответствующее изображение в плоскости щели КД 6'. Второй линзой 5' из излучения возвратного сигнала будет сформирован коллимированный пучок, рассеиваемый дифракционной решеткой 4'. В первом порядке интерференции, под углом блеска ϕ3' решетки 4', будет сформировано разложение в угловой спектр по длинам волн, которое long-pass фильтром 10' будет преобразовано к соответствующему виду и камерным объективом 11' зафиксировано на двухмерном видеосенсоре 12'. Изображение кадра будет построено в координатах линии фокусировки освещенной области объекта и развертки спектра по длинам волн каждой из точек этой линии.A laser beam with a divergence corresponding to diffraction at the aperture by a cylindrical lens 2 'located at a focal distance from the source is converted to collimated radiation in the plane of the fast axis. Next up are a bay-pass filter 3 'and a diffraction grating 4'. The expansion in the plane of the fast axis of the laser radiation in diffraction orders by the second cylindrical lens 5 'is collected in the focal plane of this lens. In this plane is located KD 6 ', the gap of which is orthogonal to the plane of the fast axis of the laser, which emits a zero diffraction order. Further, this radiation by the lens 7 'is focused on the object 8' in the form of a line, the length of which along the slow axis of the laser is formed by the third cylindrical lens 9 (shown in Fig. 2). The generatrix of the
На Фиг. 2 изображена трехмерная схема многоканального конфокального спектроанализатора изображений. Работа конфокального спектроанализатора изображений осуществляется следующим образом. В плоскости «быстрой оси» диодного лазера 1, источник можно считать точечным (~1 мкм в направлении у). Излучение, соответственно, имеет большую угловую расходимость из-за дифракции на апертуре (угол ϕ1). В этой плоскости выполняется коллимирование пучка линзой 2, фильтрация лазерного источника фильтром 3 и дисперсионное рассеяние излучения дифракционной решеткой на пропускание 4. Далее, цилиндрическая линза 5 в фокальной плоскости локализует изображение порядков дифракции. В этой плоскости расположена линейная по х КД 6, пропускающая только нулевой порядок дифракции. Линия изображения источника, выделенная щелью диафрагмы, объективом 7 преобразуется в сопряженную плоскость 8 объектива в соответствующем масштабе. Сканирование линии освещения 8 на объекте может осуществляется смещением объектива в плоскости х, у и по оси z.In FIG. 2 shows a three-dimensional diagram of a multi-channel confocal image spectrum analyzer. The work of the confocal spectrum analyzer of images is as follows. In the plane of the “fast axis” of
Излучающая площадка в плоскости «медленной оси» x диодного лазера имеет линейную геометрию и меньший угол ϕ2 дифракционной расходимости излучения. Формирование изображения линейного источника в плоскости щелевой диафрагмы осуществляется линзой 9. Апертура линии источника а и требуемая апертура А изображения в сопряженной плоскости, совпадающей с плоскостью линейной КД задают увеличение этого оптического каскада. По формуле линзы для фокусного расстояния ƒ при А>а рассчитываются соответствующие расстояния L1 и L2 до сопряженных плоскостей линзы 9:The radiating area in the plane of the “slow axis” x of the diode laser has a linear geometry and a smaller angle ϕ 2 of the diffraction divergence of radiation. The image of the linear source in the plane of the slit diaphragm is formed by the
Изображение, излучающей области диодного лазера, сформированное в щели линейной КД, объективом масштабируется в сопряженную плоскость на объекте. При этом рассеянный или флуоресцентный сигнал области фокусировки лазерного излучения в пределах числовой апертуры объектива 7, будут возвращаться в обратном направлении, и формировать соответствующее изображение в плоскости щели линейной КД 6. Линзой 5 из излучения возвращаемого сигнала будет сформирован коллимированный пучок, рассеиваемый дифракционной решеткой. В первом порядке интерференции, под углом блеска решетки ϕ3, будет сформировано разложение в угловой спектр по длинам волн, которое long-pass фильтром 10 будет преобразовано к соответствующему виду и камерным объективом 11 зафиксировано на двухмерном видеосенсоре 12. Изображение кадра будет построено в координатах линии фокусировки освещенной области объекта и развертки спектра по длинам волн каждой из выбранных точек этой линии.The image emitting the diode laser region, formed in the slit of a linear CD, is scaled by the objective into the conjugate plane on the object. In this case, the scattered or fluorescent signal of the focus area of the laser radiation within the numerical aperture of the
Число независимых каналов многоканального конфокального спектроанализатора изображений будет соответствовать числу разрешаемых на видеоматрице 12 камеры точек по координате x, каждая из которых имеет спектральное разложение по координате у.The number of independent channels of the multichannel confocal spectrum analyzer of images will correspond to the number of points resolved on the
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019135927A RU2723890C1 (en) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | Multichannel confocal image spectrum analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019135927A RU2723890C1 (en) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | Multichannel confocal image spectrum analyzer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2723890C1 true RU2723890C1 (en) | 2020-06-18 |
Family
ID=71096226
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019135927A RU2723890C1 (en) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | Multichannel confocal image spectrum analyzer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2723890C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6134002A (en) * | 1999-01-14 | 2000-10-17 | Duke University | Apparatus and method for the rapid spectral resolution of confocal images |
| RU2579640C1 (en) * | 2014-10-14 | 2016-04-10 | Владимир Алексеевич Шульгин | Confocal image spectrum analyser |
| US20170176338A1 (en) * | 2015-12-21 | 2017-06-22 | Verily Life Sciences Llc | Spectrally And Spatially Multiplexed Fluorescent Probes For In Situ Cell Labeling |
| 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 |
-
2019
- 2019-11-07 RU RU2019135927A patent/RU2723890C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6134002A (en) * | 1999-01-14 | 2000-10-17 | Duke University | Apparatus and method for the rapid spectral resolution of confocal images |
| RU2579640C1 (en) * | 2014-10-14 | 2016-04-10 | Владимир Алексеевич Шульгин | Confocal image spectrum analyser |
| US20170176338A1 (en) * | 2015-12-21 | 2017-06-22 | Verily Life Sciences Llc | Spectrally And Spatially Multiplexed Fluorescent Probes For In Situ Cell Labeling |
| 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 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6810025B2 (en) | High-resolution scanning electron microscopy that distinguishes between at least two wavelength ranges | |
| US7274446B2 (en) | Method and arrangement for the deep resolved optical recording of a sample | |
| CN108680544B (en) | Structured illumination light slice fluorescence microscopic imaging method and device | |
| CN110082900B (en) | Variable illumination fourier ptychographic imaging apparatus, system and method | |
| US8619237B2 (en) | Laser-scanning intersecting plane tomography such as for high speed volumetric optical imaging | |
| US9243888B2 (en) | Image mapped optical coherence tomography | |
| US20160377546A1 (en) | Multi-foci multiphoton imaging systems and methods | |
| EP2685304A1 (en) | Spectroscopic confocal microscope with aperture stop for increased spatial resolution and parallelized data acquisition | |
| US11029506B2 (en) | Scanning microscope with multiplexed light sources | |
| CN103278919A (en) | Confocal microscopic imaging method for colored three-dimensional area | |
| US7463344B2 (en) | Arrangement for the optical detection of light radiation which is excited and/or backscattered in a specimen with a double-objective arrangement | |
| JP2017524995A (en) | Line scan, specimen scan, multimode confocal microscope | |
| JP6918395B1 (en) | Imaging device | |
| US20130250088A1 (en) | Multi-color confocal microscope and imaging methods | |
| US20100264294A1 (en) | Multi-focal spot generator and multi-focal multi-spot scanning microscope | |
| CN109870441B (en) | Frequency shift-based three-dimensional super-resolution optical section fluorescence microscopic imaging method and device | |
| JP6006053B2 (en) | Laser scanning fluorescence microscope | |
| RU2579640C1 (en) | Confocal image spectrum analyser | |
| KR101888924B1 (en) | Time-Multiplexed Structured Illumination with Digital Micromirror Device for Structured Illumination Microscopy and Method of Operating the same | |
| RU2723890C1 (en) | Multichannel confocal image spectrum analyzer | |
| JP2016524192A (en) | Equipment for confocal observation of samples | |
| KR100612219B1 (en) | Confocal LASER?Line Scanning Microscope with Acousto-optic Deflector and Line scan camera | |
| RU2658140C1 (en) | Confocal fluorescent image spectrum analyser | |
| CN214374304U (en) | Composite super-resolution imaging device | |
| CN109085137B (en) | Three-dimensional imaging device based on K space transformation and imaging method thereof |