СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ТРЕХМЕРНЫХ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ МИКРООБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G02B27/22 G01B9/02 A61B6/00 

Изобретение относится к технологиям получения оптических трехмерных изображений микрообъектов и спектральных изображений микрообъектов, которые позволяют контрастировать и визуализировать элементы микрообъектов с различными физико-химическими свойствами.

Известны приборы для регистрации спектральных изображений, которые позволяют визуализировать и за счет этого выделять элементы микрообъектов с различными физико-химическими свойствами [патент US 5377003; патент US 5841577]. При этом подобные устройства не дают возможность получить информацию о распределении свойств этих объектов по глубине. Известны оптические когерентные томографы, которые позволяют определить трехмерное распределение свойств оптически прозрачных объектов методами интерферометрии [патент US 5321501; патент US 7733497]. При этом спектральная регистрация используется для вычисления распределения по глубине.

Эти методы дают разную информацию об объекте и дополняют друг друга. Поэтому во многих исследованиях необходимо проводить оба вида анализа. Однако при последовательном исследовании объекта на двух разных установках не всегда возможно осуществить однозначную привязку двух изображений, что снижает эффективность такого двойного анализа. Кроме того, состояние объекта за время перемещения может измениться, что не позволяет исследовать нестационарные объекты и переходные процессы в них.

Известны устройства, объединяющие эти два вида исследования [Park J, Jo J., Shrestha S., Pande P., Wan Q., Applegate B. // Biomedical optics express, 2010. V. 1. №1. P. 186.]. Однако они имеют лишь один общий элемент - входной объектив, т.е. представляют собой фактически механическое объединение двух приборов, что отражается на размере, сложности, стоимости установки. Такая установка требует сложной калибровки и квалифицированного обслуживания. Поэтому вопрос создания простых и надежных систем, выполняющих функции и спектральной визуализации, и оптической когерентной томографии (ОКТ), которые могли бы эксплуатироваться в рядовых медико-биологических, аналитических и других лабораториях, является актуальным.

В качестве прототипа такого устройства целесообразно взять компактную установку для ОКТ, описанную в статье [Т. Bonin, G. Franke, М. Hagen-Eggert, P. Koch, G. Huttmann. In vivo Fourier-domain full-field OCT of the human retina with 1.5 million A-lines/s. // Optic Letters, 2010. V. 35. №20. P. 3432-3434], решающую задачу получения трехмерных томографических изображений.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.

Техническим результатом изобретения является возможность реализации режима ОКТ полного поля и режима регистрации спектральных изображений в произвольных спектральных интервалах в едином приборе при значительной унификации рабочих элементов и узлов, используемых в этих режимах, и без использования сложных, громоздких и дорогих оптико-электронных и механических компонентов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что применяется способ получения оптических трехмерных и спектральных изображений микрообъектов, состоящий в том, что широкополосное оптическое излучение источника коллимируют, делят на два пучка примерно равной интенсивности, которые направляют в два разных канала, причем в одном канале, называемом референтным, пучок фокусируют на зеркале, а в другом, называемом объектным, - на исследуемом объекте, и после отражения формируют два интерферирующих отраженных пучка, которые сводятся вместе, а интерференционная картина, создаваемая этими двумя пучками, регистрируется матричным приемником; отличающийся тем, что отраженные и сведенные вместе световые пучки фильтруют перестраиваемым спектральным акустооптическим монохроматором, сохраняющим изображение, а референтный канал оснащают съемным непрозрачным поглотителем, посредством которого излучение в референтном канале блокируется, и в этом положении в приемном канале производят регистрацию узкополосного спектрального изображения объекта.

Таким образом, в первом положении, когда поглотитель снят (выведен из канала), регистрируется картина интерференции двух пучков на длине волны, выделяемой акустооптическим монохроматором (фильтром). Перестраивая монохроматор последовательно в пределах рабочего спектрального диапазона, получают серию спектральных интерферометрических изображений, которые с использованием преобразования Фурье пересчитываются в трехмерное распределение коэффициента отражения по пространству. Во втором положении, когда поглотитель введен в канал, регистрируется отраженное в объектном канале излучение на длине волны, выделяемой акустооптическим монохроматором (фильтром). Настраивая монохроматор последовательно на разные длины волн, получают серию спектральных изображений, характеризующих распределение по полю зрения коэффициента отражения от объекта

Одной из проблем использования методов ОКТ является различие интенсивности интерферирующих пучков, что снижает контраст регистрируемой интерферограммы. Для этого при делении падающего светового потока обеспечивают примерно одинаковую интенсивность пучков, направляющихся в объектный и референтный каналы. Поскольку коэффициент отражения от объекта может меняться в значительных пределах, предпочтительно в референтный канал устанавливать нейтральный светофильтр, ослабляющий отраженный от референтного зеркала пучок до уровня пучка, отраженного от объекта.

Еще одной проблемой, с которой сталкиваются в ОКТ, является определение плоскости нулевой разности хода, т.е. середины интервала по глубине, в пределах которого вычисляется распределение характеристик объекта. Положение этой плоскости определяется разностью хода света в объектном и референтном каналах. Для смещения этой плоскости по глубине объекта перемещают референтное зеркало. Поскольку одновременно необходимо перемещать и микрообъектив референтного канала, предпочтительно микрообъектив и зеркало в референтном канале выполнить как единый подвижный модуль, имеющий единый механизм осевого перемещения.

Еще одним техническим результатом является способ однозначного высокоточного определения положения плоскости нулевой разности хода. Этот технический результат достигается за счет применения интерферометрического измерителя линейных перемещений, выполненного с возможностью контролировать перемещение подвижного модуля, что позволяет осуществить матричным приемником запись автокорреляционной функции излучения, по которой однозначно восстанавливается положение указанной плоскости.

Важной задачей при анализе изображений является привязка полученных трехмерных или спектральных двумерных изображений к поверхности объекта. Для этого предпочтительно в приемном канале установить переключатель светового потока, который в одном из положений позволяет направлять световой поток на цветную (RGB) видеокамеру до прохождения его через акустооптический монохроматор. Это позволяет, не перемещая объект, получать дополнительно его цветные изображения, к которым будут привязаны получаемые спектральные и трехмерные томографические изображения.

Изобретение поясняется чертежом.

На Фиг. 1 показана структурная оптическая схема прибора, где 1 - источник света, 2 - конденсор, 3 - светоделитель-компенсатор, 4, 7 - микрообъективы, 5 - исследуемый объект, 6 - подвижная рамка, 8 - референтное зеркало, 9 - подвижный зеркальный переключатель, 10 - акустооптический монохроматор, 11, 14 - выходные объективы, 12 - монохромный матричный приемник излучения, 13 - плоское зеркало; 15 - цветной матричный приемник излучения, 16 - интерферометрический измеритель линейных перемещений.

Каналы интерферометра: I - осветительный, II - объектный, III - референтный, IV - приемный; ИЛ - интерферометр Линника.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно широкополосного источника света 1, конденсора 2 и микроинтерферометра ИЛ, который включает светоделитель-компенсатор 3, идентичные микрообъективы 4, 7 и референтное зеркало 8, а в приемном канале микроинтерферометра устанавливают выходной объектив 11 и матричный приемник излучения 12.

Отличием изобретения является то, что в приемный канал IV между интерферометром ИЛ и выходным объективом 11 помещают акустооптический монохроматор изображений 10, а в референтный канал III интерферометра ИЛ помещают подвижный двухпозиционный элемент 6, в первом положении блокирующий свет в канале с помощью оптического поглотителя 6а, а во втором ослабляющий свет в канале с помощью сменного нейтрального светофильтра 6б. При этом элементы референтного канала III (микрообъектив 7 и зеркало 8), как целое, имеют механизм осевого перемещения.

В предпочтительном варианте осуществления в приемном канале IV перед акустооптическим монохроматором 10 устанавливают подвижный зеркальный переключатель 9, который в одном положении отражает световой поток на цветную (RGB) видеокамеру 15, а во втором не блокирует световой поток, допуская его прохождение через акустооптический монохроматор 10.

Предпочтительно в референтном плече может быть установлен интерферометрический измеритель линейных перемещений 16, который позволяет измерять перемещение подвижного модуля, состоящего из микрообъектива 7 и референтного зеркала 8, в референтном канале III. Это позволяет осуществить запись автокорреляционной функции излучения, регистрируемого матричным приемником 12, по которой однозначно восстанавливается положение плоскости нулевой разности хода.

Прибор работает следующим образом.

Излучение широкополосного источника света 1 с помощью конденсора 2 подается на светоделитель-компенсатор 3, который делит световой поток примерно пополам и направляет его в референтный III и объектный II каналы. В режиме ОКТ задвижка 6 содержит нейтральный светофильтр 6а, плотность которого в зависимости от отражательных характеристик исследуемого объекта 5 определяется из условия примерного равенства интенсивности отраженных интерферирующих световых пучков. Идентичные микрообъективы 4 и 7 фокусируют излучение на исследуемом объекте 5 и референтном зеркале 8 соответственно. После отражения от последних объективами 4 и 7 формируются интерферирующие пучки, которые далее подаются вновь на светоделитель-компенсатор 3. После светоделителя оба пучка фильтруются АО монохроматором 10 и фокусируются объективом 11 на матричном приемнике излучения 12.

В режиме спектрального микроскопа подвижка содержит непрозрачный поглотитель 6б, так что референтный канал III оказывается заблокированным. В этом случае в приемном канале IV производится регистрация широкополосного изображения (с помощью зеркал 9 и 13, объектива 14 и приемника излучения 15) и узкополосного спектрального изображения (с помощью зеркал АО монохроматора 10, объектива 11 и приемника излучения 12).

Исследуемый объект при смене режима работы прибора не подвергается какому-либо механическому воздействию, что позволяет эффективно производить совместную обработку данных, полученных во всех режимах.

В режиме калибровки на место образца устанавливается плоское зеркало, аналогичное зеркалу 8 в референтном канале. Матричным приемником 12 записывается автокорреляционная функция излучения, отфильтрованного акустооптическим фильтром 10 (интерферограмма). После выполнения преобразования Фурье получается аппаратная функция акустооптического фильтра 10. Это выполняется на каждом шаге перестройки акустооптического фильтра по длинам волн. Получаемая информация очень важна для использования в целях повышения точности последующих измерений в режиме ОКТ и спектрального микроскопа.

Способ получения оптических трёхмерных и спектральных изображений микрообъектов включает в себя коллимирование широкополосного оптического излучения источника, разделение на два пучка - референтный и объектный, формирование интерференционной картины за счёт сведения указанных пучков, регистрация её матричным приемником. Дополнительно проводят фильтрацию перестраиваемым спектральным акустооптическим монохроматором. Регистрацию узкополосного спектрального изображения объекта производят при блокировке референтного пучка съемным непрозрачным поглотителем. Технический результат заключается в возможности реализации режима оптической когерентной томографии полного поля и режима регистрации спектральных изображений в произвольных спектральных интервалах. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения оптических трехмерных и спектральных изображений микрообъектов, состоящий в том, что широкополосное оптическое излучение источника коллимируют, делят на два пучка примерно равной интенсивности, которые направляют в два разных канала, причем в одном канале, называемом референтным, пучок фокусируют на зеркале, а в другом, называемом объектным, - на исследуемом объекте и после отражения формируют два интерферирующих отраженных пучка, которые сводятся вместе, а интерференционная картина, создаваемая этими двумя пучками, регистрируется матричным приемником; отличающийся тем, что отраженные и сведенные вместе световые пучки фильтруют перестраиваемым спектральным акустооптическим монохроматором, сохраняющим изображение, а референтный канал оснащают съемным непрозрачным поглотителем, посредством которого излучение в референтном канале блокируется, и в этом положении в приемном канале производят регистрацию узкополосного спектрального изображения объекта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что излучение в референтном канале дополнительно ослабляют так, чтобы обеспечить примерное равенство интенсивности интерферирующих отраженных световых пучков.

3. Устройство для получения трехмерных оптических и спектральных изображений микрообъектов, состоящее из оптически связанных и расположенных последовательно широкополосного источника света, конденсора и интерферометра Линника, содержащего светоделитель-компенсатор, идентичные микрообъективы и референтное зеркало, в приемном канале которого располагается выходной объектив и матричный приемник излучения; отличающееся тем, что в приемном канале между интерферометром и выходным объективом установлен акустооптический монохроматор изображений; в референтный канал интерферометра помещен подвижный двухпозиционный элемент, выполненный с возможностью в первом положении блокировать свет в канале с помощью оптического поглотителя, а во втором - ослабляющий свет в канале с помощью сменного нейтрального светофильтра; причем элементы референтного канала - микрообъектив и зеркало - выполнены как единое целое в виде подвижного модуля и имеют единый механизм осевого перемещения.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в приемном канале перед акустооптическим монохроматором установлен подвижный зеркальный элемент, который выполнен с возможностью в одном положении отражать световой поток на цветную (RGB) видеокамеру, а во втором - не блокировать световой поток, допуская его прохождение через акустооптический монохроматор.

5. Устройство по п. 3 или 4, отличающееся тем, что в референтном плече установлен интерферометрический измеритель линейных перемещений для прецизионного контроля перемещения подвижного модуля, состоящего из микрообъектива и референтного зеркала.