КОНФОКАЛЬНЫЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
CONFOCAL FLUORESCENT IMAGE SPECTRUM ANALYSER

Изобретение относится к устройствам сканирования возбуждаемого лазерным источником излучения спектра флуоресценции поверхности объекта исследований и представления результата в виде изображений в видимом и ИК-диапазонах.
Изобретение может быть использовано в качестве флуоресцентной сканирующей видеокамеры фотосепаратора или экспресс-анализатора сельскохозяйственной продукции, а также в медицинских целях для флуоресцентной диагностики поверхностных областей различных биологических сред в качестве датчика экспертной системы постановки диагноза. В системах регистрации и машинного зрения фотосепараторов устройство предназначено, прежде всего, для работы в режиме реального времени в качестве быстродействующей сканирующей камеры, регистрирующей флуоресцентные изображения неоднородного потока элементов зерновых смесей или других объектов анализируемого продукта в заданных спектральных интервалах.
Известен сканирующий анализатор фирмы Dilor (Франция), ориентированный на проведение измерений с высоким спектральным разрешением, в котором флуоресцентные изображения объектов реконструируются на основе записанных спектров множества точечных областей (А.В. Феофанов «Спектральная лазерная сканирующая конфокальная микроскопия в биологических исследованиях». Успехи биологической химии - т. 47, 2007, с. 371-410, рис. на с. 381). Анализатор содержит лазерное устройство для возбуждения флуоресценции, освещающее исследуемый объект, объектив, передающий изображение линейной освещенной области объекта в сопряженную плоскость, содержащую конфокальную диафрагму, содержащий также коллимирующий объектив, в фокальной плоскости которого находится конфокальная диафрагма, дифракционную решетку, монохромный видеосенсор, процессор, управляющий формированием данных видеосенсора и синтезирующий ряд флуоресцентных изображений поверхности объекта. Недостатками данного устройства являются: во-первых, сложная система формирования линии освещения и регистрации изображения линии. Лазерная линия формируется поворотом зеркала и линия освещения создается движением сфокусированного луча по поверхности объекта. Соответственно, через точечную конфокальную диафрагму передается информация о нульмерном объекте из области точечного освещения, а одномерное изображение, развернутое в спектр по второй координате, регистрируется двухмерной CCD матрицей за счет синхронного поворота второго зеркала. Во-вторых, синтез изображения осуществляется из нульмерных регистрируемых объектов. Этим определяются дополнительные затраты времени на формирование двухмерного изображения в выбранном спектральном интервале.
Наиболее близким по совокупности признаков является «Конфокальный спектроанализатор изображений» (патент RU 2579640 от 14.10.2014, опубл. 10.04.2016, МПК G01J 3/02, G01N 21/01). Спектроанализатор содержит лазерное устройство для возбуждения флуоресценции, освещающее движущийся за предметным стеклом исследуемый объект, объектив, передающий изображение линейной освещенной области объекта в сопряженную плоскость, содержащую конфокальную щелевую диафрагму, содержащий также коллимирующий объектив, в фокальной плоскости которого находится щель диафрагмы, дифракционную решетку, камерный объектив, формирующий в фокальной плоскости двухмерное изображение спектра первого порядка флуоресценции освещенной линейной области объекта, монохромный видеосенсор, процессор, управляющий формированием данных видеосенсора и синтезирующий ряд флуоресцентных изображений поверхности объекта. Недостаток данного устройства состоит в том, что регистрация последовательности линейных участков предметной области в виде ряда двумерных изображений спектров позволяет зарегистрировать максимально возможный объем информации, а при реконструкции изображений в отдельных спектральных интервалах весь объем данных не используется. Затрачиваются большое время и дополнительные вычислительные ресурсы на регистрацию информации и ее обработку. Это ограничивает возможности работы устройства в режиме реального времени, в частности, в системах машинного зрения фотосепараторов.
Заявляемое изобретение предназначено, прежде всего, для применения в системах машинного зрения фотосепараторов в качестве быстродействующей сканирующей видеокамеры, формирующей изображение в спектральных интервалах автофлуоресценции движущегося потока сельскохозяйственной продукции. Флуоресцентная диагностика является эффективным инструментом оценки состава и качественных показателей биологических сред. Заявляемое изобретение также может быть использовано для решения задач флуоресцентной диагностики в медицине. Применяя заявленное изобретение, можно существенно увеличить скорость получения и обработки информации, увеличить производительность процесса сепарации сельскохозяйственной продукции по результатам флуоресцентного анализа.
Технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что в известном конфокальном сканере, содержащем лазерное устройство для возбуждения флуоресценции, освещающее движущийся за предметным стеклом исследуемый объект, объектив, передающий изображение линейной освещенной области объекта в сопряженную плоскость, содержащую конфокальную щелевую диафрагму, содержащий также коллимирующий объектив, в фокальной плоскости которого находится щель диафрагмы, дифракционную решетку, камерный объектив, формирующий в фокальной плоскости двухмерное изображение спектра первого порядка флуоресценции освещенной линейной области объекта, монохромный видеосенсор, процессор, управляющий формированием данных видеосенсора и синтезирующий ряд флуоресцентных изображений поверхности объекта, согласно изобретению, содержится диодный лазер с коллимирующей цилиндрической линзой, формирующей плоский пучок освещения объекта лазерным излучением, причем оптическая ось объектива, ось цилиндрической линзы и линия освещения объекта лежат в одной плоскости, содержится, как минимум, один оптоволоконный световод, преобразующий линейные фрагменты двухмерного изображения спектра в одномерное, содержится монохромный линейный видеосенсор, причем входные торцы каждого оптического волокна световода расположены в фокальной плоскости камерного объектива на выбранном участке спектрального разложения линии флуоресцентного излучения объекта, а выходные торцы волокон расположены вдоль линии пикселей видеосенсора и ориентированы параллельно его поверхности.
Технический результат, достижимый при использовании данного изобретения, в сравнении с известным техническим решением, основан на оптической выборке необходимых данных двухмерного изображения и их преобразования в одномерный формат, что позволяет исключить неиспользуемую избыточную информацию и существенно увеличить скорость обработки данных.
В устройстве использован оптоволоконный световод, преобразующий линейные фрагменты двухмерного изображения спектра линии флуоресцентного излучения объекта в одномерное, передаваемое на монохромный линейный видеосенсор, обладающий высоким быстродействием в сравнении с матричным видеосенсором. Кроме того, применение микро-цилиндрической линзы - коллиматора быстрой оси диодного лазера, вследствие малой апертуры линзы, позволяет создать плоский пучок с большой глубиной резкости в области предметного стекла и большой плотности мощности по всей апертуре линии освещения. Конфокальная щелевая диафрагма выполняет роль пространственного фильтра, заграждающего внефокусные лучи. Это приводит к повышению контрастности изображения и исключает влияние внешнего освещения на работу устройства.
Расположение двух лазерных источников симметрично относительно оптической оси объективов в одной плоскости с этой осью позволяет повысить плотность мощности в линии освещения объекта. В результате расширяется динамический диапазон регистрируемого флуоресцентного сигнала, сокращается время экспозиции видеосенсора и, соответственно, увеличивается скорость работы системы машинного зрения. Освещение двумя плоскими пучками лазерного излучения, расположенными в одной плоскости под углом друг к другу, позволяет избежать теневых областей в изображении объекта.
Оптоволоконный световод, представляющий собой группу волокон, выполнен в виде плоского шлейфа. С целью минимизации потерь информации, полезное сечение световода должно быть максимальным. Поэтому световод состоит из многомодовых волокон с минимальной толщиной отражающей оболочки.
Количество и ширина спектральных интервалов, передаваемых световодом на линейный видеосенсор, определяется числом волокон в световоде и апертурой волокон по отношению к размерам двухмерного изображения спектра в фокальной плоскости камерного объектива. Оптическая выборка может быть представлена как разложение в спектр флуоресценции локального участка линии освещения, так и выделение выбранной спектральной области или нескольких областей всего объекта.
Для увеличения объема регистрируемой информации при сохранении скорости работы устройства может быть применен принцип распараллеливания данных. Для этого, согласно изобретению, выходные торцы регулярной последовательности волокон нескольких световодов смонтированы вдоль линии пикселей одного видеосенсора или нескольких линейных видеосенсоров, объединенных в единую систему формирования флуоресцентных изображений поверхности объекта.
На Фиг. 1 изображена схема конфокального спектроанализатора флуоресцентных изображений.
Устройство содержит диодный лазер 1, цилиндрическую линзу 2, формирующую плоский пучок 3, проходящий через предметное стекло 4 и сфокусированный в виде линии 5 на объекте. Объектив 6 изображение линии передает в сопряженную плоскость, содержащую щелевую диафрагму 7. Устройство также содержит коллимирующий объектив 8, дифракционную решетку 9, камерный объектив 10, формирующий изображение спектра в фокальной плоскости 11, оптическая ось которого расположена под «углом блеска» 12 к ортогонали решетки. Содержит один или несколько световодов 13 процессор 14, управляющий линейным видеосенсором 15.
Работа конфокального спектроанализатора флуоресцентных изображений осуществляется следующим образом. Излучение диодного лазера 1 в направлении «быстрой оси» - направлении максимальной дифракционной расходимости оптического пучка - сжимается коллимирующей цилиндрической линзой 2 с малой апертурой. Плоский пучок 3 лазера, возбуждающего флуоресценцию, проходит через предметное стекло 4 и фокусируется на контактирующем с противоположной стороной стекла объекте исследований в виде линии 5. Освещенная область объекта излучает широкополосный спектр флуоресцентного отклика и изображение рассеянного флуоресцентного излучения линейной области объективом 6 передается в сопряженную плоскость, в которой расположена конфокальная щелевая диафрагма 7, через которую проходит только угловой спектр освещенного участка предметной области. Фокальная плоскость объектива 8 расположена в плоскости диафрагмы 7 и этот объектив преобразует излучение щели в параллельный световой пучок, падающий ортогонально на пропускающую дифракционную решетку 9. Дифракция на решетке в направлении «угла блеска» 12 формирует первый порядок спектрального разложения с максимальной дифракционной эффективностью. Дифракция Фраунгофера в параллельных лучах преобразуется в изображение объективом 10. Это изображение формируется в фокальной плоскости 11 объектива 10, в которой располагаются входные торцы волокон световодов 13. В зависимости от решаемой задачи торцы волокон могут располагаться по направлению разложения в спектр локального участка или локальных участков движения сепарируемого продукта поперек линии зрения (показано на фиг. 1) или в ортогональном направлении (функция цветной камеры потока в целом). Выходные торцы волокон световодов располагаются по направлению линии пикселей линейного видеосенсора 15 и передают излучение соответствующим группам пикселей. Процессор 14 в режиме реального времени управляет работой видеосенсора и реализует обработку данных по соответствующей программе.