УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДВУМЕРНЫХ ОБРАЗЦОВ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1997 года по МПК G06K9/82 

Изобретение относится к установке для обработки двумерных образцов объектов.

Изобретение может применяться в биологии и медицине, а также в областях, относящихся как к биологии, так и к медицине например в биомедицине, для оценки и контроля биологических и медицинских препаратов.

В особенности можно пользоваться данным изобретением в медицинской технике для анализа клеточных проб, для обнаружения и выделения аномальных клеток, раковых клеток и т.п. а в микроскопии для обработки микроскопических изображений. Кроме того изобретение может применяться в робототехнике для управления промышленными роботами, для контроля качества и позиционирования обрабатываемых деталей, а также в спектрометрии для рационального анализа спектров.

Обработка информации с помощью процессов обработки изображения приобрела все большее значение в областях биологических и медицинских наук. При этом когерентно-оптическое преобразование Фурье для обработки изображений особенно оправдало себя. Анализ полученных с его помощью спектров пространственных частот решительно способствует объективизации и повышению эффективности сбора информации.

Особенно выгодными являются особые свойства спектра пространственных частот. Они дают возможность рационально получить релевантную информацию и без знания всего спектра пространственных частот или без необходимости комплектной точечной обработки спектра. Вследствие центральной симметрии спектра пространственных частот для многих функций достаточна обработка, например, только одной полуплоскости. Тем становится возможным сократить обрабатываемый объем данных без потери информации.

Выгодными оказались структурозональные обработки спектра. Это значит, что на каждую определенную зону спектра пространственных частот устанавливается только одно интегральное значение, которое обрабатывается в устройстве для обработки изображений. (B. Pernick et al. в APPL. OPT. 17 (1) 1978, 21 и R.P. Kruger et al B APPL. OPT. 16 (10) 1977, 2637).

Для реализации этих установок требуются опто-электронные приемные матрицы со специальными геометрическими формами, как, например, с клинообразной, с кольцевой или с кольцевой-клинообразной активной приемной поверхностью. Недостаток таких приемных установок состоит в том, что они очень дорогостоящие, потому что для их изготовления необходимы специальные технологии.

Во избежании этих сложных приемников, Давыдов В.Т. и Нежевенко Е.С. предлагают ("АВТОМЕТРИЯ" 1977 (5) 13) такую установку, при которой может применяться простой детектор, но требуется специально оформленная голограмма в виде колец или клиньев. Однако и при этой установке следует предусмотреть требуемые затраты менее для детектора, а более для разработки голограммы и необходимых для ее применения дополнительных устройств (например, вращающаяся диафрагма).

Дополнительное решение предлагается в описании SU-UR 388279. Применяется специальная голограмма, действующая как делитель луча и связанная с некоторыми подключенными одиночными приемниками.

Недостаток этого решения состоит тоже в больших затратах, необходимых для реализации специальной голограммы и большого количества нужных детекторов. Кроме описанных до сих пор недостатков все раньше названные решения имеют дополнительный значительный недостаток. Когерентный шум, возникающий на основании когерентно-оптических методов работы, дополнительно кроме различных значений шумового напряжения отдельных детекторов осложняет структурозональную обработку образцов объектов. Имеющиеся в уровне техники, способствующие заглушению или уменьшению этого когерентного шума решения, которые называются, например, в описаниях GB-PS 1409731, US-PS 3482102 и US-PS 3977771, тоже требуют повышенных затрат. Требуются дополнительные управляющие устройства, сложные приводные механизмы и установки для проведения трансляции, а также специальные оптические элементы (например, качающиеся стеклопанели).

Кроме когерентно-оптических процессов обработки изображений приобрели все большее значение некогерентно-оптические решения по обработке изображений. Были разработаны варианты, в особенности, по некогерентно-оптическому преобразованию Фурье и фильтрации, например, предлагаемые в описаниях GB-PS 1281075, US-PS 3288018 и US-PS 3390257 установки. Однако, эти установки требуют значительного оптического расхода и дополнительных специальных элементов.

Применение структурозонального анализа в некогерентно-оптическом режиме работы требует обширных математических расчетов, в особенности применения эвристических методов. Структурозональный анализ вообще обеспечивает надежные результаты только в случае применения одномерных образцов объектов (Cartwright et al. в Proc. of SPIE Vol. 422, N. Y. 1983).

Целью изобретения является эффективный анализ и обработка входящей в двумерные образцы объектов информации с небольшими затратами и при помощи простых технических средств.

В основу изобретения положена задача достигнуть новых оптических методов работы для структурозональной обработки спектров пространственных частот двумерных образцов объектов.

Это решается установкой для обработки двумерных образцов объектов, при которой вдоль оптической оси перед образцом объекта расположено устройство освещения, а за образцом объекта расположены устройство для оптического преобразования Фурье и приемное устройство с последующей системой обработки, посредством того, что устройство освещения имеет излучающий блок с некогерентным освещающим лучом заданной площади и формы на выходе излучающего блока, причем этот выход расположен на оптической оси и для всех последующих изображающих оптических элементов до, включительно, устройства для оптического преобразования Фурье находится в позиции, которая представляет собой плоскость объекта для изображения в плоскость пространственных частот устройства оптического преобразования Фурье, и что приемное устройство представляет собой находящийся на оптической оси одиночный приемник в плоскости пространственных частот устройства для оптического преобразования Фурье. Выгодная форма осуществления изобретения получается, если предусматривается соответствующая заданной площади и форме освещающего луча самосветящаяся маска для функции излучающего блока. Но возможна и конструкция излучающего блока из некогерентного источника излучения и маски, задающей площадь и форму освещающему лучу. Целесообразно при этом предусмотреть ирисовую диафрагму для функции маски или пользоваться переключаемой оптической средой.

В другой форме осуществления изобретения маска расположена в держателе для масок, причем в качестве держателя предусмотрено сменяющее устройство с несколькими дополнительными масками. Переменное устройство может быть выполнено в виде устройства револьверного типа. Для равномерного высвечивания маски возможно расположить между некогерентным источником излучения и маской матовое стекло. Далее, есть возможность если требуется монохроматический освещающий луч расположить внутри устройства освещения цветной светофильтр, так что излучающий блок имеет монохроматический освещающий луч. Данное изобретение дает возможность эффективного анализа и обработки входящей в двумерные образцы объектов информации при помощи простых технических средств и с небольшими затратами. Некогерентно-оптические методы работы дают преимущество, что можно избежать ошибочных интерпретаций и дополнительных затрат для уменьшения возникающего при когерентно-оптических методах работы шума. К конструкции устройства для оптического преобразования Фурье не ставятся особые требования, так что возможно без дополнительных средств и затрат переоборудовать имеющиеся установки для обработки образцов объекта согласно изобретению. Дополнительные существенные преимущества предложенной установки заключаются в том, что есть возможность применения некогерентного источника излучения внутри излучающего блока. Возможно избежать применения лазеров, которые всегда связаны с чувствительной техникой и требуют дорогостоящих средств для производства энергии. Кроме того, есть возможность пользоваться одиночными приемниками с маленькой приемной поверхностью. Благодаря здесь приведенной новой некогерентно-оптической структурозональной обработке больше не требуются сложные геометрические формы приемников. Выбирая соответствующую форму и величину маски, можно приспособить изобретение к соответствующей постановке задачи для обработки. Эти постановки задач могут доходить от классификации объектов до распознавания объектов на образце объекта. Интересующая информация может быть достигнута в релевантной части образца объекта надежно, просто и быстро.

На фиг. 1 представлена установка для обработки двумерных образцов объектов; на фиг. 2 дополнительная установка для обработки двумерных образцов объектов, при которой плоскость объекта находится за устройством Фурье, а в качестве излучающего блока имеется самосветящаяся маска; на фиг. 3 дополнительная установка для обработок двумерных образцов объектов, при которой имеется сменяющее устройство для масок.

В соответствии с фиг. 1 установка для обработки двумерных образцов объектов 1 путем структурозонального анализа состоит из устройства освещения 2 перед образцом объекта 1 и устройства 3 для оптического преобразования Фурье и приемного устройства 4 за образцом объекта. Образец объекта 1, устройство освещения 2, устройство 3 для оптического преобразования Фурье и приемное устройство 4 расположены вдоль оптической оси 5. Освещаемый устройством освещения 2 образец объекта 1 находится в плоскости объекта 6 устройства 3 для оптического преобразования Фурье. В плоскости пространственных частот 7 устройства 3 для оптического преобразования Фурье предусматривается в оптической оси 5 одиночный приемник 8 для выполнения функции приемного устройства 4. Устройство освещения 2 содержит излучающий блок 9 с не представленным в эскизе некогерентным освещающим лучом заданной площади и формы на выходе 10 излучающего блока 9. Для этой цели излучающий блок 9 имеет некогерентный источник излучения 11 и маску 12, которые задают освещающему лучу площадь и форму. Далее, устройство освещения 2 содержит оптику, формирующую изображение 13 с изображающими оптическими элементами. Выход 10 излучающего блока 9 расположен на оптической оси 5 и для всех последующих изображающих оптических элементов до, включительно, устройства для оптического преобразования Фурье находится в позиции, которая представляет собой плоскость объекта для изображения в плоскость пространственных частот 7 устройства 3 оптического преобразования Фурье.

В избранном примере осуществления выполняется это условие тем, что маска 12 расположена на выходе 10 излучающего блока, а оптика, формирующая изображение 13 в связи с устройством 3 для оптического преобразования Фурье, производит изображение маски 12 в плоскость пространственных частот 7. При этом выход 10 является плоскостью объекта для всех последующих изображающих оптических элементов, то есть для оптики, формирующей изображение 13, и для устройства 3 оптического преобразования Фурье. Для реализации некогерентного источника излучения 11 есть разные возможности осуществления. Можно применять лампу накаливания, газоразрядную лампу, лампу с разрядом в парах металлах, люминесцентную лампу или спектральную лампу и т.п. Кроме того, для равномерного высвечивания маски 12 целесообразно расположить между некогерентным источником излучения 11 и маской 12 матовое стекло. В дополнительных вариантах осуществления цветной светофильтр, расположенный, например, внутри устройства освещения 2, обеспечивает выгодную работу с помощью монохроматического освещающего луча. Далее, пригодно предусмотреть для некогерентного источника излучения 11 лазер с подключенным матовым стеклом и, при необходимости, системой расширения луча. Так монохроматические методы работы здесь тоже обеспечиваются. Для многих целей оказывается полезным предусмотреть для маски 12 излучающего блока 9 ирисовую диафрагму или переключаемую соответственно заданной площади и форме освещающего луча оптическую среду. При этом ирисовая диафрагма и переключаемая среда дают дополнительное преимущество, что размер площади и форма освещающего луча могут быть варьированы.

Возникает следующая функция установки.

В соответствии с методами работы при обработке образцов объектов посредством структурозонального анализа спектра пространственных частот образца объекта необходимо получить и регистрировать интегральное значение по определенной области интегрирования, заданной согласно постановке задачи для обработки, в спектре пространственных частот. Эта область интегрирования соответствует области пространственных частот в оптически произведенном спектре пространственных частот. Так как для каждой области интегрирования устанавливается только одно интегральное значение, можно уменьшить обрабатываемый объем информации. Эти области интегрирования могут существовать рядом и даже быть соединены внахлестку, в зависимости от цели обработки. Можно задавать и различающиеся по форме и размеру области интегрирования по очереди и регистрировать присвоенное им интегральное значение. С помощью сравнения так полученного ряда интегральных значений с интегральными значениями известных структур объекта в аналогичных областях интегрирования можно сделать выводы из различий или общностей об имеющихся в образце объекта структурах объекта. При этом реализуется большое количество целей обработки, которое может доходить от классификации до распознавания объектов. Таким образом, например, можно классифицировать пробы клеток и тканей по наличию в пробах аномальных клеток наряду с нормальными.

Сравнение интегральных значений из разных областей интегрирования по спектру пространственных частот клеточной пробы с интегральными значениями отдельных нормальных и аномальных клеток в тех же самых областях интегрирования спектра пространственных частот позволяет с большой надежностью сделать выводы о качестве пробы.

Сравнение дает надежную информацию потому, что нормальные клетки имеют спектры пространственных частот другого рода, чем, например, раковые клетки. При удачном выборе размера и формы областей интегрирования, например при выборе круговых секторов, эти различия между спектрами пространственных частот нормальных и аномальных клеток могут быть четко отмечены при помощи интегральных значений. В соответствии с установкой согласно изобретению маска 12 на выходе 10 излучающего блока 9 задает освещающему лучу форму и площадь, соответствующие форме и площади маски 12. Эта форма и площадь соответствует области интегрирования спектра пространственных частот, по которой устанавливается интегральное значение спектра пространственных частот, и определяется по имеющейся постановке задачи для обработки. При освещении образца объекта 1 некогерентным освещающим лучом получается в плоскости пространственных частот 7 в оптической оси 5 (W=0) с функцией объекта образца объекта 1:0 (x,y) следующее значение для регистрации одиночным приемником 8:

если маска 12 имеет функцию пропускания P (w_x, w_y).

Это значение представляется как

Это полученное одиночным приемником 8 значение представляет собой непосредственно интегральное значение спектра пространственных частот в заданной области интегрирования. Характерным для имуществ предложенной установки является тот факт, что собственный спектр пространственных частот вообще не производится или регистрируется. В оптической оси 5 непосредственно возникает желательное, значительное для дальнейшей обработки интегральное значение. Так можно обойтись без всяких затрат для разработки и отдельного интегрирования спектра пространственных частот. Дальнейшая обработка полученных интегральных значений по вышеуказанному способу может проводиться, например, в последующей системе обработки (например, вычислительное устройство).

На фиг. 2 представлена дополнительная установка для обработки двумерных образцов объектов в схематическом разрезе. Расположение отдельных элементов осуществляется аналогично устройству, описанному на фиг.1.

Особенность этого варианта осуществления состоит в том, что плоскость объекта 6 устройства 3 оптического преобразования Фурье находится по направлению освещающего луча за устройством 3 для оптического преобразования Фурье.

Дополнительное различие с фиг. 1 возникает на основании осуществления устройства освещения 2. Оно содержит излучающий блок 9, образуемый самосветящейся маской. Эта самосветящаяся маска по форме и площади соответствует заданной форме и площади освещающего луча. Она расположена в позиции, представлет собой аналогично предыдущему примеру плоскость объекта для изображения самосветящейся маски в плоскость пространственных частот 7 устройства 3 для оптического преобразования Фурье. Это изображение проводится посредством устройства 3 для оптического преобразования Фурье. Самосветящаяся маска в качестве излучающего блока 9 просто осуществляется тем, что применяется любой некогерентный источник излучения с подходящей в избранном примере кольцеобразной формы излучающейся поверхности. Кроме того, оказывается выгодным, если эта самосветящаяся маска выполнена так, что возможно реализовать несколько различных форм и площадей посредством соответствующего управления. Это, например, реализуется с помощью нескольких концентрических колец, управляемых по очереди. Но сразу же возможны и другие формы и площади (различные клинья или т.п.).

Принцип действия установки по фиг.2 идентичен с принципом действия, более подробно поясненным на фиг.1.

На фиг. 3 представлен дополнительный пример осуществления для обработки двумерных образцов объектов. Здесь принципиальная конструкция тоже соответствует описанной на фиг. 1 установке. Особенность этого варианта осуществления состоит в том, что и здесь, как показано уже на фиг.2, изображение расположенной на выходе 10 излучающего блока 9 маски 12 в плоскость пространственных частот 7 проводится устройством 3 для оптического преобразования Фурье. При помощи такой установки выгодно сокращается количество оптических элементов и дальше уменьшаются затраты для составления установки. Установка по фиг.3 является особенной и потому, что она снабжена сменяющим устройством 14 для нескольких дополнительных масок 12 различных площадей и форм. Эти маски 12 расположены в держателе для масок, так что просто возможно задавать по очереди несколько различных площадей и форм для некогерентного освещающего луча. Так существует возможность, как показано в связи с фиг. 1, регистрировать ряд интегральных значений и соответствующим образом обработать образец объекта 1. Приведенные на фиг.3 образцы масок служат примерами возможных вариантов. Любые, даже несимметричные образцы очень просто задаются. Есть тоже возможность оформить сменяющее устройство 14 в виде револьвера для масок, что приводит к дополнительному упрощению конструкции. Требуется соблюдать поясненную уже фиг.1 необходимость изображать применяемую в каждом случае маску 12 в плоскость пространственных частот 7 устройства 3 для оптического преобразования Фурье. В примере согласно фиг.3 это изображение осуществляется, как выше показано, посредством оптики для оптического преобразования Фурье. Выход 10, то есть плоскость маски, служит при этом плоскостью объекта для этого изображения. Принцип действия установки согласно фиг.3 соответствует описанному на фиг.1 принципу.

У всех трех примеров осуществления возникает еще дополнительный вариант конструкции. Некоторые постановки задач для обработки требуют пользоваться монохроматическим освещающим лучом; например, если образец объекта представляет собой дифракционную решетку и оказывается желательным избежать возможных цветных окантовок. При полихроматическом источнике излучения для этой цели может применяться цветной светофильтр. Но возможно и не пользоваться цветным светофильтром, а применять специально хроматически прокорректированное устройство 3 для оптического преобразования Фурье. Это устройство соответствующим образом хроматически перекорректировано, так что компенсируются хроматические абберации фокусов.

Изобретение относится к установке для обработки двумерных образцов объектов. Его использование позволяет упростить и удешевить обработку информации с таких объектов. Установка содержит расположенные вдоль одной оптической оси 5 устройство 2 освещения, образец 1 объекта, устройство 3 для оптического преобразования Фурье и приемное устройство 4. Технический результат достигается благодаря тому, что устройство 2 освещения содержит излучающий блок 9 с некогерентным освещающим лучом заданной площади и формы, выход излучающего блока 9 расположен на оптической оси 5 и для элементов 1 и 3 находится в позиции, которая представляет собой плоскость объекта для изображения в плоскости 7 пространственных частот устройства 3, а приемное устройство 4 представляет собой находящийся на оптической оси 5 одиночный приемник 8 в плоскости 7 пространственных частот устройства 3. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка для обработки двумерных образцов объектов, содержащая расположенные вдоль одной оптической оси устройство освещения, образец объекта, устройство для оптического преобразования Фурье и приемное устройство с последующей системой обработки, отличающаяся тем, что устройство освещения содержит излучающий блок с некогерентным освещающим лучом заданной площади и формы на выходе излучающего блока, причем этот выход расположен на оптической оси и для всех последующих изображающих оптических элементов, включая устройство для оптического преобразования Фурье, находится в позиции, которая представляет собой плоскость объекта для изображения в плоскости пространственных частот устройства для оптического преобразования Фурье, а приемное устройство представляет собой находящийся на оптической оси одиночный приемник в плоскости пространственных частот устройства для оптического преобразования Фурье. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве излучающего блока предусмотрена соответствующая заданной площади и форме освещающего луча самосветящаяся маска. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что излучающий блок содержит некогерентный источник излучения и маску, задающую освещающему лучу площадь и форму. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в качестве маски предусмотрена ирисовая диафрагма. 5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в качестве маски предусмотрена переключаемая оптическая среда. 6. Установка по п.3, отличающаяся тем, что маска расположена в держателе для масок, причем в качестве держателя предусмотрено сменяющее устройство с несколькими дополнительными масками. 7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что в качестве сменяющего устройства предусмотрено устройство револьверного типа. 8. Установка по любому из пп.3 7, отличающаяся тем, что между некогерентным источником излучения и маской расположено матовое стекло. 9. Установка по любому из пп.1 8, отличающаяся тем, что предусмотрен излучаюший блок с монохроматическим освещающим лучом.