Оптический микроскоп на основе метода фантомных изображений Российский патент 2025 года по МПК G02B21/00 

Изобретение относится к области оптической микроскопии и может быть использовано для визуализации микроструктуры образцов в биологии, медицине и клинических исследованиях.

Одной из основных целей оптической микроскопии является получение изображений объемных образцов. Данная цель может достигаться несколькими способами, например послойным сканированием среза образца посредством конфокального сканирующего микроскопа [1]. Основными элементами такого микроскопа являются точечная диафрагма и автоматизированный предметный столик, который перемещает образец по направлению вдоль оптической оси системы.

В последнее время ведется активная деятельность, связанная с увеличением глубины резкости оптической системы микроскопа. В работе [2] представлен оптический микроскоп c вариофокальным объективом (с переменным фокусным расстоянием), позволяющий осуществлять оптическое аксиальное сканирование образца при различной числовой апертуре и увеличении без каких-либо механических манипуляций. Также используются различные методы постобработки полученных изображений образцов посредством глубокого обучения [3, 4].

Известны оптические микроскопы на основе коррелированных (перепутанных) фотонов [5, 6]. Принцип работы указанных микроскопов основан на использовании коррелированных пар фотонов, полученных в результате спонтанного параметрического распада, и регистрации сигнала двухфотонной флуоресценции [5] или взаимных корреляций фотонов, один из которых взаимодействовал с исследуемым образцом [6].

Недостаток первого устройства [5] заключается в необходимости наличия люминесцентных свойств у исследуемых образцов. Существенным недостатком устройства [6] является наличие системы регистрации одиночных фотонов и анализа их корреляций. Общими недостатками устройств [5, 6] являются наличие в составе устройств источников коррелированных (перепутанных) фотонов, а также высокие требования к юстировке оптических схем.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является устройство на основе оптической микроскопии с использованием скоррелированных световых полей [7]. В данном устройстве исследуемый образец (объект) освещается с помощью пространственно-модулированного лазерного пучка. Прошедший через образец (рассеянный образцом) свет разделяется на два оптических канала, регистрация светового поля, в каждом из которых осуществляется соответствующим пространственным (матричным) детектором (возможно совмещение двух каналов на одном детекторе). Анализ корреляций интенсивности между оптическими каналами позволяет извлечь информацию об изображении объекта. Рассматриваемое устройство характеризуется увеличенной глубиной резкости.

Недостаток указанного устройства заключается в необходимости регистрации изображений в каждом оптическом канале, что требует наличия двух матричных фотоприёмников. Наличие у прототипа вращающегося диска из матового стекла в качестве модулирующего световое поле элемента ограничивает количество возможных реализаций, используемых для визуализации исследуемого образца.

Техническим результатом изобретения является увеличение глубины резкости, возможность получения четких изображений объектов при отстройках оптической системы из положения фокальной плоскости и снижение требований к юстировке оптической системы за счет использования комбинации одного матричного и одного интегрального детекторов и восстановления изображения с помощью метода фантомных изображений, предотвращение фотомодификации исследуемых образцов.

Технический результат достигается за счет того, что в оптическом микроскопе на основе метода фантомных изображений, включающем источник лазерного излучения, светоделитель, линзу или систему линз, два детектора, ЭВМ, новым является то, что устройство содержит пространственный модулятор света, на котором формируются фазовые или амплитудно-фазовые маски со случайным или неповторяющимся закономерным распределением фазы и/или амплитуды, светоделитель разделяет пучок на два оптических канала - объектный и вспомогательный, в объектном канале последовательно установлены объектив с конечной оптической длиной тубуса, держатель образца и интегрирующий по пространству детектор, регистрирующий прошедший через образец и рассеянный образцом свет, регистрация падающего на образец света осуществляется с помощью матричного детектора во вспомогательном канале, восстановление изображения образца осуществляется путем анализа корреляций сигналов с интегрального и матричного детекторов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что содержит пространственный модулятор света, на котором формируются фазовые или амплитудно-фазовые маски со случайным или неповторяющимся закономерным распределением фазы и/или амплитуды, светоделитель разделяет пучок на два оптических канала - объектный и вспомогательный, исследуемый образец помещается в объектный канал, и регистрация прошедшего через образец света (рассеянного образцом) осуществляется с помощью интегрального детектора. Наличие скоррелированных световых полей в объектном и вспомогательном каналах позволяет ослабить интенсивность света в объектном канале для предотвращения нежелательных эффектов, связанных с фотомодификацией вещества образца.

Сущность изобретения заключается в следующем. В методе получения фантомных изображений ключевыми требованиями являются взаимные корреляции между световыми полями в двух каналах:

- объектном, в котором размещается исследуемый образец, сигнал которого регистрируется интегрирующим по пространству детектором;

- вспомогательном, регистрация которого производится детектором с пространственным разрешением.

Наличие корреляций между световыми полями в объектном и вспомогательном каналах достигается за счёт разделения исходного светового потока. Указанное требование выполняется благодаря тому, что:

- перенос опорного светового поля осуществляется объективом с конечной оптической длиной тубуса в плоскость объекта и его детектирование производится интегрирующим по пространству приемником (интегральный детектор);

- перенос опорного светового поля осуществляется длиннофокусной линзой и его детектирование производится приемником с пространственным разрешением. Положение линзы и пространственного приёмника (матричный детектора) относительно опорной плоскости определяется из условия тонкой линзы (здесь l₁ - расстояние от опорной плоскости до линзы, l₂ - расстояние от линзы до приемника).

Изобретение поясняется чертежами:

На фиг.1 представлена принципиальная схема оптического микроскопа на основе метода фантомных изображений.

На фиг.2 представлены изображения объекта, полученные с помощью оптической микроскопии, в плоскости объекта (а), с отстройкой объектива на 600 мкм до плоскости объекта (б) и с отстройкой объектива на 600 мкм после плоскости объекта (в).

На фиг.3 представлены изображения, полученные в результате эксперимента по восстановлению изображения объекта с помощью фантомной микроскопии в плоскости объекта (а), с отстройкой объектива на 600 мкм до плоскости объекта (б) и с отстройкой объектива на 600 мкм после плоскости объекта (в).

Как показано на фиг.1, фантомный микроскоп содержит источник лазерного излучения 1, пространственный модулятор света 2, опорную плоскость 3, светоделитель 4, разделяющий пучок на два канала: объектный и вспомогательный. В объектном канале последовательно установлены объектив с конечной оптической длиной тубуса 5, держатель образца 6 и интегрирующий по пространству детектор 7. Во вспомогательном канале последовательно установлены линза или система линз 8, матричный детектор 9. Данные с интегрального детектора 7 и матричного детектора 9 поступают на ЭВМ 10, реализующей функцию коррелятора сигналов и отображение восстановленного изображения объекта.

Фантомный микроскоп работает следующим образом. На пространственном модуляторе света 2 формируются фазовые или амплитудно-фазовые маски со случайным или неповторяющимся закономерным распределением фазы и/или амплитуды. При прохождении через пространственный модулятор света 2 лазерного излучения от источника 1, формируется пространственно-модулированное световое поле в опорной плоскости 3 (опорное световое поле), которое представляет собой спекл-структуры. На светоделителе 4 пространственно-модулированное световое поле делится на два скоррелированных световых поля, распространяющихся соответственно во вспомогательном и объектном каналах. В объектном канале объектив 5 переносит опорное световое поле из плоскости 3 в плоскость держателя образца 6, уменьшая пространственный масштаб спекл-структуры для обеспечения высокого пространственного разрешения объекта, помещенного в держатель образца 6. Объект представляет собой амплитудную маску, геометрические размеры которой составляют 1×0,7 мм² (фиг.2а). Проходящее через объект световое поле регистрируется интегральным детектором 7. Размещенная во вспомогательном канале линза или система линз 8 переносит изображение из опорной плоскости 3 в плоскость матричного детектора 9. Матричный детектор 9 производит регистрацию сигнала согласованно с интегральным детектором 7.

Регистрация сигналов матричным и интегральным детекторами производится для заданного набора случайных (неповторяющихся закономерных) реализаций спекл-структур. По окончании измерений, данные, полученные с интегрального детектора 7 и матричного детектора 9 записываются ЭВМ 10. ЭВМ обрабатывает полученные данные и производит процесс восстановления изображения объекта с помощью формулы [8]:

где N - общее количество реализаций, B_n - интегральная интенсивность (по сечению объектного пучка), 〈B〉 - среднее значение B_n по N, In - распределение интенсивности во вспомогательном пучке. Процесс восстановления изображения объекта по формуле (1) является последовательным, то есть изображение будет постепенно восстанавливаться с увеличением количества реализаций n.

Для демонстрации возможностей заявленного изобретения были проведены эксперименты по получению изображения объекта с помощью фантомной микроскопии в сравнении со стандартной оптической микроскопией. Для этих целей в объектном канале за объектом был установлен дополнительный объектив, размещенный на автоматизированной подвижке с возможностью перемещения вдоль оптической оси. В случае оптической микроскопии дополнительный объектив переносит изображение из фокальной плоскости в плоскость матричного детектора, в то время как в случае фантомной микроскопии дополнительный детектор позволяет эффективно собрать свет для регистрации интегральным детектором.

Пример 1

Дополнительный объектив расположен таким образом, что его фокальная плоскость совпадает с плоскостью объекта. Оптическое изображение объекта представлено на фиг.2а.

Пример 2

Дополнительный объектив расположен таким образом, что его фокальная плоскость находится на расстоянии 600 мкм до плоскости объекта. Оптическое изображение объекта представлено на фиг.2б. В отличие от предыдущего примера изображение, полученное методом оптической микроскопии, имеет явные признаки размытия и потери качества.

Пример 3

Дополнительный объектив расположен таким образом, что его фокальная плоскость находится на расстоянии 600 мкм за плоскостью объекта. Оптическое изображение объекта представлено на фиг.2в. Как и в предыдущем примере, изображение, полученное методом оптической микроскопии, имеет явные признаки размытия и потери качества.

Для данных примеров был использован одинаковый набор масок со случайным распределением фазы в количестве 5000 штук, который формировался на пространственном модуляторе света для генерации соответствующего набора спекл-структур для освещения объекта.

Рассмотрим процесс восстановления изображения объекта на первом примере, когда дополнительный объектив располагался таким образом, что его фокальная плоскость совпадала с плоскостью объекта.

В процессе измерений был записан набор из 5000 массивов данных, полученных с матричного детектора и соответствующих значений с интегрального детектора. Используя формулу (1) производилось восстановление изображения объекта по 5000 реализаций. Полученный результат восстановления представлен на фиг.3а. Видно, что восстановленное изображение воспроизводит изображение рассматриваемого объекта (фиг.2а). В сравнении с изображением, полученным методом оптической микроскопии (фиг.2а), восстановленное изображение уступает в качестве.

В отличие от первого примера, соответствующие изображения для второго (фиг.2б) и третьего (фиг.2в) примеров, полученные методом оптической микроскопии, претерпевают деградацию. В то же время при использовании предлагаемого устройства на основе метода фантомных изображений, восстановленные изображения объекта полностью передают его фактический размер и структуру (фиг.3б, фиг.3в), равно как и в случае с первым примером (фиг.3а).

Сравнение изображений, полученные методами оптической (фиг.2а, фиг.2б, фиг.2в) и фантомной (фиг.3а, фиг.3б, фиг.3в) микроскопии, позволило сделать вывод о том, что предлагаемое устройство способно получать изображение объекта вне зависимости от расположения дополнительного объектива. Это связано с тем, что интегральный сигнал в объектном канале скоррелирован с пространственным сигналом во вспомогательном канале.

Характеристики технического элемента, такого как объектив, могут варьироваться. Основным требованием является согласованный выбор оптических элементов (объективов и линз) с точки зрения их размещения при условии сохранения корреляций между световыми полями в объектном и вспомогательном каналах.

Хотя настоящее изобретение описано с обращением к определенным примерам размещения интегрального детектора, должно быть понятно, что изобретение не ограничено раскрытыми примерными вариантами исполнения.

Ввиду удобства в использовании предложенный микроскоп на основе метода фантомных изображений расширяет область применения метода фантомных изображений в оптической микроскопии. Помимо этого, предложенное изобретение имеет потенциальную возможность трёхмерной визуализации образцов.

Источники информации

1. Патент РФ № 2018891, МПК G 02 B 21/00, опубл. 30.08.1994.

2. Y. Chen, H. Liu, Y. Zhou, Feng-Lin Kuang, L. Li Extended the depth of field and zoom microscope with varifocal lens // Sci.Rep. - 2022. - 12. - 11015.

3. T. Albuquerque, L. Rosado, R. Cruz, M.J.M. Vasconcelos, T. Oliveira, J.S. Cardoso Rethinking low-cost microscopy workflow: Image enhancement using deep based Extended Depth of Field methods // Intelligent Systems with Applications. - 2023. - V 17. - 200170.

4. Y. Wu, Y. Rivenson, Y. Zhang, Z. Wei, H. Günaydin, X. Lin, A. Ozcan. Extended depth-of-field in holographic imaging using deep-learning-based autofocusing and phase recovery // Optica. - 2018. - V 5. - 704-710.

5. Teich M.C. et al. Entangled-photon microscopy, spectroscopy, and display // United States Patent - 1998. - Patent No.: 5796477.

6. William B. Dress et al. Optical microscope using an interferometric source of two-color, two-beam entangled photons // United States Patent - 2003. - Patent No.: US 2003/0098979 A1.

7. G. Massaro, D. Giannella, A. Scagliola, F. Di Lena, G. Scarcelli, A. Garuccio, F.V. Pepe, M. D’Angelo. Light-field microscopy with correlated beams for high-resolution volumetric imaging // Sci. Rep. - 2022.

8. Y. Broomberg, O. Katz, Y. Silberberg. Ghost imaging with a single detector // Phys. Rev. - 2009. - A 79. - 053840.

Изобретение относится к области оптической микроскопии и может быть использовано для визуализации микроструктуры образцов в биологии, медицине и клинических исследованиях. Оптический микроскоп на основе метода фантомных изображений включает источник лазерного излучения, светоделитель, линзу или систему линз, два детектора, ЭВМ. Также устройство содержит пространственный модулятор света, на котором формируются фазовые или амплитудно-фазовые маски со случайным или неповторяющимся закономерным распределением фазы и/или амплитуды, светоделитель разделяет пучок на два оптических канала - объектный и вспомогательный, в объектном канале последовательно установлены объектив с конечной оптической длиной тубуса, держатель образца и интегрирующий по пространству детектор, регистрирующий прошедший через образец и рассеянный образцом свет. Регистрация падающего на образец света осуществляется с помощью матричного детектора во вспомогательном канале, восстановление изображения образца осуществляется путем анализа корреляций сигналов с интегрального и матричного детекторов. Техническим результатом является увеличение глубины резкости, возможность получения четких изображений объектов и снижение требований к юстировке оптической системы. 3 ил.

Оптический микроскоп на основе метода фантомных изображений, включающий источник лазерного излучения, светоделитель, линзу или систему линз, два детектора, ЭВМ, отличающийся тем, что устройство содержит пространственный модулятор света, на котором формируются фазовые или амплитудно-фазовые маски со случайным или неповторяющимся закономерным распределением фазы и/или амплитуды, светоделитель разделяет пучок на два оптических канала - объектный и вспомогательный, в объектном канале последовательно установлены объектив с конечной оптической длиной тубуса, держатель образца и интегрирующий по пространству детектор, регистрирующий прошедший через образец и рассеянный образцом свет, регистрация падающего на образец света осуществляется с помощью матричного детектора во вспомогательном канале, восстановление изображения образца осуществляется путем анализа корреляций сигналов с интегрального и матричного детекторов.