JP3474883B2 - Spectral imaging device for moving objects based on interference - Google Patents
Spectral imaging device for moving objects based on interferenceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の分野及び背景
本発明は、物体のスペクトル分析装置、すなわち、ス
ペクトル結像に関し、特に、可動物の各ピクセルのスペ
クトル輝度を測定するスペクトル結像を目的とした干渉
計に基づく装置に関する。本発明によれば、スペクトル
輝度は、可動物から発光(自然発生あるいは誘発蛍光)
した、あるいは可動物によって反射あるいは散乱した、
そして/あるいは可動物を介して伝達した光によるもの
である。これらのすべては、以下に、物体から発光した
光として言及される。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for spectral analysis of an object, namely spectral imaging, and in particular to interference for the purpose of spectral imaging for measuring the spectral brightness of each pixel of a movable object. A meter-based device. According to the present invention, the spectral brightness is emitted from a movable object (natural or induced fluorescence).
Or reflected or scattered by a moving object,
And / or the light transmitted through the movable object. All of these are referred to below as light emitted from an object.
分光分析法は、科学の分野及び産業の分野において、
化学成分のスペクトルの特徴に基づいて物質及びその処
理を特徴づけるために何十年もの間用いられてきたよく
知られた分析手段である。分光分析法の物理的な基礎
は、光と物質との相互作用にある。伝統的に、分光分析
法は、波長の関数として、高スペクトル解像度におい
て、しかし立体的な情報がない状態において、物体から
発光、伝達、散乱あるいは反射する光の輝度測定を行う
ものである。他方、スペクトル結像は、高解像度分光分
析法と高解像度結像との組合せである(すなわち、立体
的な情報)。Spectroscopy, in the fields of science and industry,
It is a well-known analytical tool that has been used for decades to characterize substances and their treatments based on the spectral characteristics of chemical constituents. The physical basis of spectroscopic methods lies in the interaction of light with matter. Traditionally, spectroscopic methods measure the brightness of light emitted, transmitted, scattered or reflected from an object as a function of wavelength, at high spectral resolution, but in the absence of stereoscopic information. Spectral imaging, on the other hand, is a combination of high resolution spectroscopy and high resolution imaging (ie stereoscopic information).
分光計は、光を受け入れ、それを構成波長へ分散し、
そして波長の関数としての光の輝度であるスペクトルを
測定するようにデザインされた装置である。結像分光計
(ここでは、スペクトル映像装置とも呼ばれる)は、視
野から入射光を集め、各ピクセル(すなわち、画素)の
スペクトルを測るものである。The spectrometer accepts light and disperses it into its constituent wavelengths,
And a device designed to measure the spectrum, which is the brightness of light as a function of wavelength. An imaging spectrometer (also referred to herein as a spectral imager) collects incident light from a field of view and measures the spectrum of each pixel (ie, pixel).
したがって、スペクトル結像は、物体のすべての個所
(ピクセル)からの発光スペクトルの測定を可能にする
技術である。スペクトル映像装置は、視野内にある物体
の各ポイントから発光したスペクトルを測定し、その後
の検索及び分析のために、測定データをメモリに保存す
ることが可能な計測器である。スペクトル画像は、スペ
クトル映像装置によって測定された物体のスペクトルの
コレクションであり、通常、二次元がイメージ(x及び
y)で一次元がスペクトル軸(λ)である三次元におい
て定義される輝度関数として組み立てられる。ゆえに、
スペクトル画像は、通常、データの「立方体」すなわち
「スペクトル・キューブ」として言及される。Spectral imaging is thus a technique that allows the measurement of emission spectra from all points (pixels) of an object. A spectrum imaging device is a measuring instrument capable of measuring the spectrum emitted from each point of an object in the field of view and storing the measurement data in memory for subsequent retrieval and analysis. A spectral image is a collection of the spectrum of an object measured by a spectral imager, usually as a luminance function defined in three dimensions with the image (x and y) in two dimensions and the spectral axis (λ) in one dimension. Can be assembled. therefore,
Spectral images are commonly referred to as "cubes" or "spectral cubes" of data.
三つの基本的なタイプのスペクトル結像方法がある。
これらは、(i)格子に基づくスペクトル結像、(ii)
フィルターに基づくスペクトル結像及び(iii)干渉計
に基づくスペクトル結像である。There are three basic types of spectral imaging methods.
These are (i) spectral imaging based on the grating, (ii)
Filter-based spectral imaging and (iii) interferometer-based spectral imaging.
スリット・タイプの結像分光計としても知られる、格
子に基づくスペクトル結像システムにおいては、例えば
DILORシステム等(バリサ氏らの文献を参照:Valisa et
al.(Sep.1995)presentation at the SPIE Conference
European Medical Optics Week,BiOS Europe '95,Barc
elona,Spain)、CCD(電荷結合素子)配列検出器の単一
軸(空間軸)が実像データを提供し、第二の(スペクト
ル)軸は、波長の関数として格子によって分散された光
の輝度をサンプリングするために用いられている。ま
た、システムは、第一の焦点面にスリットが設けられて
おり、一時点における視野がピクセルの1ラインに限定
されている。したがって、ライン走査として知られる方
法で、CCDのスペクトル軸に平行な方向に格子すなわち
入射光線を走査した後にのみ、全画像が得られる。全測
定体が完了するまで二次元画像を得ることができないた
め、測定前に、視野内の所望の領域を選択する、そして
/あるいはシステムの焦点、露光時間等を最適化するこ
とは不可能である。格子に基づくスペクトル映像装置
は、地球の表面上を航空する飛行機(あるいはサテライ
ト)によって、ライン走査メカニズムが自然にシステム
に備わるため、遠隔測定に用いられている。In a grating-based spectral imaging system, also known as a slit-type imaging spectrometer, for example,
DILOR system, etc. (see Barisa et al .: Valisa et.
al. (Sep. 1995) presentation at the SPIE Conference
European Medical Optics Week, BiOS Europe '95, Barc
elona, Spain), the single axis (space axis) of a CCD (charge coupled device) array detector provides the real image data, and the second (spectral) axis is the intensity of the light dispersed by the grating as a function of wavelength. Used for sampling. The system is also provided with a slit in the first focal plane, limiting the field of view at one point to one line of pixels. Therefore, the full image is only obtained after scanning the grating or incident light in a direction parallel to the spectral axis of the CCD, in what is known as line scanning. It is not possible to select the desired area in the field of view and / or optimize the system focus, exposure time, etc. prior to measurement, since the two-dimensional image cannot be obtained until the whole body is completed. is there. Grating-based spectral imagers are used for telemetry because planes (or satellites) flying over the surface of the earth naturally provide the system with a line scanning mechanism.
計測器の前部光学素子が全入射光を事実同時に集める
のだが、一つのフレームの大部分のピクセルが、一時点
において測定されるものではない点が、スリット・タイ
プの結像分光計の大きな欠点である。その結果、任意の
SN比(感度)で必要な情報を得ようとすると比較的に長
い測定時間が要求される、あるいは逆に任意の測定時間
に対してはSN比がかなり減少する。さらに、スリット・
タイプのスペクトル映像装置は、視野全体の必要な情報
を集めるのにライン走査が必要であるため、得られた測
定結果に誤差が生じる可能性がある。Although the front optics of the instrument collect all of the incident light at the same time, most of the pixels in a frame are not measured at one point, which is a major advantage of slit-type imaging spectrometers. It is a drawback. As a result, any
In order to obtain necessary information from the SN ratio (sensitivity), a relatively long measurement time is required, or conversely, the SN ratio considerably decreases for any measurement time. In addition, slits
Spectral imagers of the type require line scans to gather the required information across the field of view, which can lead to errors in the obtained measurement results.
フィルターに基づくスペクトル結像方法は、さらに、
分離フィルターとチューナブル・フィルターとに分類で
きる。これらのタイプの結像分光計においては、ある時
点において、光路に狭帯域フィルターを連続的に差し込
むことによって、あるいは超音波光学チューナブル・フ
ィルター(AOTF)あるいは液晶チューナブル・フィルタ
ー(LCTF)を用いて周波数帯を電子的に走査することに
よって、視野のすべてのピクセルの光を異なる波長のフ
ィルターに同時に通過させてスペクトル画像を作る(下
記を参照)。上記に説明した格子が設けられたスリット
・タイプの結像分光計と同じように、フィルターに基づ
くスペクトル結像方法を用いた場合、どの時点において
も光の大部分が拒絶されている。実際、測定瞬間波長
(バンド)外のすべての光子が拒絶されてCCDに到達し
ないために、特定な波長におけるイメージ全体の測定が
可能となっている。The filter-based spectral imaging method further comprises:
It can be classified into a separation filter and a tunable filter. In these types of imaging spectrometers, at some point, a narrow band filter is continuously inserted in the optical path or an ultrasonic optical tunable filter (AOTF) or liquid crystal tunable filter (LCTF) is used. Electronically scanning the frequency band by passing light from all pixels in the field of view simultaneously through filters of different wavelengths to produce a spectral image (see below). As with the slit-type imaging spectrometer described above, the majority of the light is rejected at any time when using the filter-based spectral imaging method. In fact, all photons outside the instantaneous wavelength (band) of the measurement are rejected and do not reach the CCD, making it possible to measure the entire image at a particular wavelength.
AOTFS及びLCTFS等のチューナブル・フィルターは、可
動部分を持たないが、装置のスペクトル範囲内の特定な
波長へ調整が可能である。スペクトル結像のためにチュ
ーナブル・フィルターを用いることの一つの利点は、任
意波長アクセス、すなわち、フィルター・ホイールを用
いることなく、所望のシーケンスで複数の波長において
イメージの輝度を測ることができる点にある。しかし、
AOTFS及びLCTFSには(i)スペクトル範囲に制限があり
(通常、λmax=2λmin)、このスペクトル範囲外の他
の光を遮る必要がある、(ii)感温性がある、(iii)
伝達が低い、(iv)感偏光性がある、(v)AOTFSの場
合には、波長走査中にイメージずれがある、等の欠点が
ある。Tunable filters such as AOTFS and LCTFS have no moving parts, but can be tuned to specific wavelengths within the spectral range of the instrument. One advantage of using tunable filters for spectral imaging is the ability to measure image intensity at multiple wavelengths in a desired sequence without arbitrary wavelength access, i.e., without using a filter wheel. It is in. But,
AOTFS and LCTFS have (i) limited spectral range (usually λmax = 2λmin) and need to block other light outside this spectral range, (ii) temperature sensitive, (iii)
There are drawbacks such as low transmission, (iv) polarization sensitive property, and (v) AOTFS having image shift during wavelength scanning.
これらすべてのタイプのフィルター及びチューナブル
・フィルターに基づくシステムは、スペクトル解像度に
制限がある、感度が低い、収集データを解釈して表示す
るアルゴリズムが洗練されていないため使い難い、等の
理由により、何年もの間、スペクトル結像に大規模に用
いられることはなかった。Systems based on all these types of filters and tunable filters are limited in spectral resolution, insensitive, and difficult to use due to the lack of sophisticated algorithms for interpreting and displaying collected data. It has not been used extensively for spectral imaging for many years.
干渉計に基づく分光分析法がフィルター及び格子法に
優る感度を持つことによる利点は、この技術において、
マルチプレックスあるいはフェルゲット(Fellgett)利
点として知られている(「干渉分光分析法の原理」Cham
berlain(1979)The principles of interferometric s
pectroscopy,John Wiley and Sons,pp.16−18 and p.26
3を参照)。The advantage of interferometer-based spectroscopic methods being more sensitive than filters and grating methods is that in this technique:
Known as the multiplex or Fellgett advantage ("Interferometry Principles" Cham
berlain (1979) The principles of interferometric s
pectroscopy, John Wiley and Sons, pp.16-18 and p.26
See 3).
上記の点で利点を持つスペクトル結像方法及びその装
置が、1996年7月23日に発行の、カビブ(Cabib)氏ら
の米国特許第5,539,517号に開示されている。従来のス
リットあるいはフィルター・タイプの結像分光計に比べ
て、必要フレーム時間をかなり減少させるために、そし
て/あるいはSN比をかなり増すために、イメージからの
入射光から利用可能なすべての情報をより良く用いるス
ペクトル結像の方法及び装置を提供する目的で、この特
許に言及する。A spectral imaging method and apparatus having the above advantages is disclosed in U.S. Pat. No. 5,539,517 issued to Cabib et al. On July 23, 1996. Compared to conventional slit or filter type imaging spectrometers, all available information from the incident light from the image is used to significantly reduce the required frame time and / or significantly increase the signal to noise ratio. Reference is made to this patent for the purpose of providing a better used method and apparatus for spectral imaging.
この発明によれば、各ピクセルのスペクトル輝度を測
定するために、視野にある光学的イメージを分析する方
法が提供される。この方法は、視野から入射光を集め
て、各ピクセルから発光するスペクトル輝度の一次結合
の所定セットに対応する被変調光を出力する干渉計を介
してこの光を通し、干渉計から出力された光を検出アレ
イ上に集束させ、すべてのピクセルに対して干渉計内に
生じる光路差(OPD)を独立に、また同時に走査し、検
出アレイからの出力を処理して(すべてのピクセルの干
渉写真を別々に)、各ピクセルのスペクトル輝度を測定
する。According to the present invention, there is provided a method of analyzing an optical image in the field of view to measure the spectral intensity of each pixel. The method collects incident light from the field of view and passes this light through an interferometer that outputs modulated light that corresponds to a predetermined set of linear combinations of spectral luminance emitted from each pixel and is output from the interferometer. The light is focused on the detector array, and the optical path difference (OPD) that occurs in the interferometer for all pixels is scanned independently and simultaneously, and the output from the detector array is processed (interferogram of all pixels. Separately) and measure the spectral intensity of each pixel.
この方法は、種々のタイプの干渉計を用いて行うこと
ができ、干渉計全体、干渉計内の構成部品あるいは入射
光の入射角を移動することによってOPDを変化させてイ
ンターフェログラム(干渉写真、ただし平面に限らな
い)を作成する。これら全てのケースにおいては、スキ
ャナーが干渉計一回の走査を完了すると、視野内のすべ
てのピクセルに対するインターフェログラムが完成す
る。This method can be performed using various types of interferometers, and the OPD can be changed by moving the entire interferometer, the components in the interferometer, or the incident angle of the incident light to change the interferogram (interferogram). , But not limited to planes). In all of these cases, once the scanner has completed one interferometer scan, the interferogram for every pixel in the field of view is complete.
これらの特徴がある装置は、上記のように、干渉計を
用いる点で従来のスリット及びフィルター・タイプの結
像分光計とは異なり、収集エネルギーを孔あるいはスリ
ットで制限せず、また、狭帯域干渉あるいはチューナブ
ル・フィルターで入力波長を制限することもなく、シス
テムの全処理能力がかなり向上している。したがって、
これら干渉計に基づくスペクトル結像システムは、分析
すべき視野の入射光から利用可能なすべての情報をより
良く利用するものであり、測定時間がかなり減少する、
そして/あるいはSN比(すなわち、感度)がかなり向上
する。As described above, the device with these characteristics is different from the conventional slit-and-filter type imaging spectrometer in that an interferometer is used. The total throughput of the system is significantly improved without limiting the input wavelength with interference or tunable filters. Therefore,
Spectral imaging systems based on these interferometers make better use of all the information available from the incident light in the field of view to be analyzed, which significantly reduces the measurement time,
And / or the signal-to-noise ratio (ie sensitivity) is significantly improved.
図1は、米国特許第5,539,517号に開示された従来の
技術における、干渉計に基づく結像分光計の主構成部品
を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing the main components of an interferometer-based imaging spectrometer in the prior art disclosed in US Pat. No. 5,539,517.
この結像分光計は、高スペクトル解像度(波長に応じ
て約4から16nm)及び空間解像度(約30/Mμm、Mは顕
微鏡あるいは前部光学素子の有効な拡大率である)を持
ち、本発明の装置を適用するのに最適である。This imaging spectrometer has a high spectral resolution (about 4 to 16 nm depending on the wavelength) and spatial resolution (about 30 / Mμm, where M is the effective magnification of the microscope or front optics), It is most suitable to apply the device.
したがって、図1に示す従来の技術の結像分光計は、
概して20と符号が付いた採光光学系、ブロック22で示さ
れた1次元スキャナー、ブロック24で示された光路差
(OPD)発生器あるいは干渉計、ブロック26で示された
一次元の、好ましくは二次元の検出アレイ、そしてブロ
ック28で示されたシグナル・プロセッサ及びディスプレ
イを含む。Therefore, the prior art imaging spectrometer shown in FIG.
Illumination optics, generally designated at 20, a one-dimensional scanner shown at block 22, an optical path difference (OPD) generator or interferometer shown at block 24, a one-dimensional, preferably at block 26, preferably It includes a two-dimensional detection array, and a signal processor and display, shown at block 28.
システム20における重要な素子は、分析視野の各ピク
セルからの発光スペクトル輝度の一次結合の所定セット
に対応する被変調光を出力するOPD発生器あるいは干渉
計24である。干渉計からの出力は検出アレイ26に集束さ
れる。したがって、視野のすべてのピクセルに対して、
すべての必要な光学的位相差が同時に走査され、スペク
トルの再構築に必要なすべての情報が得られる。視野内
のすべてのピクセルのスペクトルが結像情報と共に同時
に収集されるため、リアル・タイムでの画像分析が可能
となる。A key element in system 20 is an OPD generator or interferometer 24 that outputs a modulated light corresponding to a predetermined set of linear combinations of emission spectral intensities from each pixel in the analysis field of view. The output from the interferometer is focused on the detector array 26. So for every pixel in the field of view,
All the required optical phase differences are scanned simultaneously to obtain all the information needed to reconstruct the spectrum. Real time image analysis is possible because the spectra of all pixels in the field of view are collected simultaneously with the imaging information.
米国特許第5,539,517号による装置は、多種多様に構
成でき、特に、干渉計を、米国特許第5,539,517号の関
連図面に表されたような他の鏡と組み合わせてもよい。The device according to U.S. Pat. No. 5,539,517 can be configured in a wide variety, and in particular the interferometer may be combined with other mirrors such as those depicted in the relevant drawings of U.S. Pat. No. 5,539,517.
したがって、米国特許第5,539,517号によれば、代替
的なタイプの干渉計を用いることも可能である。これら
には次のものが含まれるが、限定するものではない。
(i)OPDを変えることによって光を変調する可動型干
渉計、すなわち走査厚を持つファブリ−ペロ干渉計、
(ii)採光光学及びスキャナーから光線を受け取り、そ
それを二つの光路に分けるビーム・スプリッタを持つマ
イケルソン型干渉計及び(iii)四つの鏡とビーム・ス
プリッタとからなる干渉計等、引用中の米国特許に詳し
く説明された(例えば、その特許の図14を参照)、オプ
ション的に他の光学的手段と組合せが可能なサグナック
干渉計。なお、この干渉計においては、入射光の入射角
に応じてOPDが変化する。Thus, according to US Pat. No. 5,539,517, it is possible to use alternative types of interferometers. These include, but are not limited to:
(I) A movable interferometer that modulates light by changing the OPD, ie a Fabry-Perot interferometer with a scanning thickness,
(Ii) Michelson interferometer with a beam splitter that receives light from the optics and scanner and splits it into two optical paths, and (iii) an interferometer consisting of four mirrors and a beam splitter, etc. A Sagnac interferometer, which is optionally described in the U.S. patent (see, e.g., Figure 14 of that patent), optionally in combination with other optical means. In addition, in this interferometer, OPD changes according to the incident angle of incident light.
図2は、OPDが入射光の入射角に応じて変化する干渉
計を用いて、米国特許第5,539,517号に従って製作され
た結像分光計を示す。光軸に対して小さな角度で干渉計
に入射するビームは、この角度に対してかなり直線的に
変化するOPDを生じる。FIG. 2 shows an imaging spectrometer made according to US Pat. No. 5,539,517 with an interferometer whose OPD varies with the angle of incidence of the incident light. A beam entering the interferometer at a small angle to the optical axis produces an OPD that varies fairly linearly with this angle.
図2の干渉計においては、すべてのピクセルにおける
ソース(源)30からのすべての光は、採光光学系31によ
って一直線にされた後、メカニカル・スキャナー32によ
って走査される。光は、ビーム・スプリッタ33を介して
第一の反射鏡34へ、そして第二の反射鏡35へと進み、こ
の反射鏡によって反射され、ビーム・スプリッタ33、そ
して集束レンズ36を介して検出器37のアレイ(例えばCC
D)に入射する。このビームは、ビーム・スプリッタ3
3、第二の反射鏡35、そして最終的に第一の反射鏡34に
よって反射されるビームと干渉する。In the interferometer of FIG. 2, all light from all sources 30 at all pixels is aligned by the daylighting optics 31 and then scanned by the mechanical scanner 32. The light travels through the beam splitter 33 to the first reflecting mirror 34 and then to the second reflecting mirror 35, which is reflected by the beam splitter 33 and then through the focusing lens 36 to the detector. 37 arrays (eg CC
Incident on D). This beam is a beam splitter 3
3, interferes with the beam reflected by the second reflector 35, and finally the first reflector 34.
一走査の終了時には、すべてのOPDを介してすべての
ピクセルの測定が完了しているため、視野内の各ピクセ
ルのスペクトルをフーリエ変換によって再構築すること
ができる。光軸へ平行なビームは補正され、光軸に対し
て角度(θ)を持つビームは、ビーム・スプリッタ33の
厚さ、屈折率及び角度θの関数であるOPDを生じる。小
さな角度においては、OPDはθに比例する。At the end of one scan, all pixels have been measured through all OPDs, so the spectrum of each pixel in the field of view can be reconstructed by a Fourier transform. The beam parallel to the optical axis is corrected, and the beam having an angle (θ) with respect to the optical axis produces an OPD that is a function of the thickness of the beam splitter 33, the refractive index, and the angle θ. At small angles, OPD is proportional to θ.
適切な逆変換を適用し、注意深く記録をとることによっ
て、すべてのピクセルのスペクトルが計算できる。By applying the appropriate inverse transforms and taking careful records, the spectra of all pixels can be calculated.
図2の構成においては、角度βでビーム・スプリッタ
に入射する光線(図2においてβ=45゜)は、OPD=0
で干渉計を通過するが、一般的な角度β−θで入射する
光線は、式1によるOPDを生じる。In the configuration of FIG. 2, a ray incident on the beam splitter at an angle β (β = 45 ° in FIG. 2) has an OPD = 0.
A ray that passes through the interferometer at, but is incident at a typical angle β-θ causes OPD according to equation 1.
(1) OPD(β,θ,t,n)=t[(n2−sin2(β+θ))0.5
−(n2−sin2(β−θ))0.5+2sinβsinθ]
この場合、βはビーム・スプリッタへの光線入射角であ
り、θは、光軸からの光線の角距、すなわち中心位置に
対する干渉計回転角であり、tはビーム・スプリッタの
厚さであり、そしてnはビーム・スプリッタの屈折率で
ある。(1) OPD (β, θ, t, n) = t [(n 2 −sin 2 (β + θ)) 0.5 − (n 2 −sin 2 (β−θ)) 0.5 + 2sin βsinθ] In this case, β is the beam Is the ray incident angle on the splitter, θ is the angular distance of the ray from the optical axis, ie the interferometer rotation angle with respect to the center position, t is the thickness of the beam splitter, and n is the beam splitter's thickness. Is the refractive index.
式1から、中心位置に対して正及び負の両方の角度を
走査することによって、すべてのピクセルに対する両面
インターフェログラムを得ることが可能であることが分
かる。これによって、位相誤差が排除でき、フーリエ変
換の計算からより正確な結果が得られる。From equation 1 it can be seen that it is possible to obtain a double-sided interferogram for all pixels by scanning both positive and negative angles with respect to the center position. This eliminates the phase error and gives a more accurate result from the Fourier transform calculation.
走査振幅が、測定スペクトル解像度に係る到達可能な
最大OPDを決定する。角度のステップの大きさによってO
PDのステップが決まるが、このOPDのステップは、シス
テム感度で決まる最短波長によって規定されるものであ
る。実際、試料採取の定理(「干渉分光分析法の原理」
Chamberlain(1979)The principles of interferometr
ic spectroscopy,John Wiley and Sons,pp.53−55)に
よれば、このOPDステップは、システム感度における最
短波長の半分よりも小さくなければならない。The scan amplitude determines the maximum achievable OPD for the measured spectral resolution. O depending on the size of the angle step
The PD step is determined, and the OPD step is defined by the shortest wavelength determined by the system sensitivity. In fact, the sampling theorem ("Principles of interferometry")
Chamberlain (1979) The principles of interferometr
According to ic spectroscopy, John Wiley and Sons, pp.53-55), this OPD step must be less than half the shortest wavelength in system sensitivity.
考慮すべきもう一つのパラメータは、マトリックスの
状態にある検出素子の大きさが有限であることである。
検出素子は、集束光学素子を介して、干渉計におけるOP
Dを制限するため、インターフェログラムに長方形関数
の影響が生じる。その結果、短い波長におけるシステム
感度が減少し、制限OPD以下の波長に対してはゼロにま
で落ちる。このため、変調伝達関数(MTF)の条件が満
足していることを保証しなければならない、すなわち、
干渉計の、検出素子によって定まるOPDが、計測器感度
の最短波長よりも小さくなければならない。Another parameter to consider is the finite size of the detector elements in the matrix.
The detection element is connected to the OP in the interferometer via the focusing optical element.
Since the D is limited, the interferogram is affected by the rectangular function. As a result, system sensitivity is reduced at short wavelengths, dropping to zero for wavelengths below the limiting OPD. Therefore, we must ensure that the conditions of the modulation transfer function (MTF) are met, ie,
The OPD of the interferometer, which is determined by the detection element, must be smaller than the shortest wavelength of the instrument sensitivity.
したがって、米国特許第5,539,517号に開示された発
明に従って製作された結像分光計は、単に、視野内のす
べてのピクセルから来る光の輝度を測定するというもの
ではなく、予め定められた波長範囲で各ピクセルのスペ
クトルを測定するものである。また、一時点において視
野内の各々ピクセルからの発光のすべてをうまく利用す
るため、上記に説明したように、フレーム時間がかなり
減少し、そして/あるいは分光計の感度がかなり向上す
る。このような結像分光計は、種々のタイプの干渉計や
採光及び集束光学系を含むことができるため、例えば、
医学的な診断及び治療や生物学的な研究等の、種々様々
の用途に使用可能であり、地質学的な調査や農業におけ
る調査等の遠隔測定にも用いることができる。Therefore, an imaging spectrometer made in accordance with the invention disclosed in U.S. Pat.No. 5,539,517 does not simply measure the brightness of the light coming from every pixel in the field of view, but at a predetermined wavelength range. The spectrum of each pixel is measured. It also takes advantage of all of the emission from each pixel in the field of view at a point in time, thus significantly reducing frame time and / or significantly improving the sensitivity of the spectrometer, as explained above. Such an imaging spectrometer can include various types of interferometers and daylighting and focusing optics, for example,
It can be used for various purposes such as medical diagnosis and treatment and biological research, and can also be used for remote measurement such as geological survey and agricultural survey.
米国特許第5,539,517号に開示された発明による結像
分光計は、イスラエルのアプライド・スペクトル・イメ
ージング社(Applied Spectral Imaging Ltd.,Industri
al Park,Migdal Haemek,Israel)によって開発され、ス
ペクトラキューブ(SpectraCube)という商標の下で販
売されている。The imaging spectrometer according to the invention disclosed in US Pat. No. 5,539,517 is an application of Applied Spectral Imaging Ltd., Industry of Israel.
Developed by al Park, Migdal Haemek, Israel) and sold under the trademark SpectraCube.
種々の光学装置に光学的に連結したスペクトラキュー
ブ・システムを、本発明の装置に用いる。スペクトラキ
ューブ・システムには、次の表1に示す特性がある。A SpectraCube system optically coupled to various optical devices is used in the device of the present invention. The SpectraCube system has the properties shown in Table 1 below.
しかし、干渉計に基づくスペクトル映像装置は、測定
を行うために、カメラあるいはビデオカメラのスナップ
写真に比べかなり長時間である、約5から60秒で測定物
についての数フレームの収集を行わなければならない。
このため、可動物のスペクトル結像における物体のイメ
ージがぼやけて、各ピクセルのスペクトルを計算するア
ルゴリズムに混乱が生じる。 However, an interferometer-based spectral imager must collect a few frames of the object in about 5 to 60 seconds, which is significantly longer than a camera or video camera snapshot to make a measurement. I won't.
This blurs the image of the object in the spectral imaging of the moving object and causes confusion in the algorithm that calculates the spectrum for each pixel.
実際、米国特許第5,539,517号に開示された装置を用
いる場合は、最も良い結果を得るために被測定物をほぼ
静止状態に保つ必要がある。これは、多くのアプリケー
ションについても同様であり、シュレキ氏らが開示した
染色体のカラー核型分析及びカラーバンド形成にスペク
トル結像が用いられる場合もそうである(「人間の染色
体の多色スペクトル核型分析」Schroeck et al.(199
6)Multicolor spectral karyotyping of human chromo
somes.Science 273:494を参照)。しかし、他の用途に
おいては、可動物のスペクトル結像が必要なものもあ
る。例えば、被測定物が生体の器官である場合がそうで
ある(例えば、人間の眼あるいは具体的な場所すなわち
組織)。In fact, when using the device disclosed in U.S. Pat. No. 5,539,517, it is necessary to keep the DUT approximately stationary for best results. This is also the case for many applications, and also when spectral imaging is used for color karyotyping and color banding of chromosomes as disclosed by Shreki et al. Type analysis ”Schroeck et al. (199
6) Multicolor spectral karyotyping of human chromo
See somes.Science 273: 494). However, in some other applications, spectral imaging of moving objects is required. This is the case, for example, when the object to be measured is an organ of a living body (for example, the human eye or a specific place or tissue).
生体の器官及び組織のスペクトル画像は、器官あるい
は組織の化学物質の構成に関する重要な情報を提供する
ため、例えば、生体の新陳代謝機能に関する情報が得ら
れる。これは、分光分析法の物理的な基礎が物質と光と
の相互作用にあるため、分光分析法によって化学成分の
スペクトルの特徴に基づいて物体を特徴づけることが可
能であることによる。Spectral images of organs and tissues of a living body provide important information on the composition of chemical substances in the organs or tissues, and thus, for example, information on metabolic functions of the living body can be obtained. This is because the physical basis of spectroscopic methods lies in the interaction of light with substances, which makes it possible to characterize objects based on the spectral characteristics of the chemical constituents.
例えば、限定せずに、種々の生体物質、ヘモグロビ
ン、チトクローム、フラビン、ニコチンアミドアデニン
ジヌクレオチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチ
ドリン酸等の、還元あるいは酸化体は、各々、識別可能
な独特なスペクトルを持つ。このような物質の酸化レベ
ル(すなわち、酸化体と還元体との比)は、多くの場
合、器官に到達する酸素量及び代謝レベルに相関関係が
あり、ある場合には、酸化レベルの変化が病的な状態を
示唆するため、病的な状態の重症度を測定し推定するた
めに、ポイント分光分析法を用いて、このような物質の
酸化レベルの測定が行われている。一例としては、ポイ
ント分光光度計を眼底の悲観血的測定に用いることがで
きる(「応用光学」Delori(1994)Applied Optics33:7
439−7452を参照)。しかし、ポイント分光分析法は、
スペクトル結像による方法で得られるような立体的な情
報には無関係なスペクトル情報を提供するため、その応
用には限界がある。For example, without limitation, various biological substances, such as hemoglobin, cytochrome, flavin, nicotinamide adenine dinucleotide, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, etc., each of which has a unique and distinguishable spectrum. . The oxidative level (ie, the ratio of oxidant to reductant) of such substances is often correlated with the amount of oxygen reaching the organ and the level of metabolism, and in some cases, changes in oxidative level. In order to suggest a pathological condition, and to measure and estimate the severity of the pathological condition, point spectroscopy has been used to measure the level of oxidation of such substances. As an example, a point spectrophotometer can be used for pessimistic measurements of the fundus ("Applied Optics" Delori (1994) Applied Optics 33: 7).
439-7452). But point spectroscopy is
Its application is limited because it provides spectral information that is unrelated to stereoscopic information such as that obtained by the method of spectral imaging.
このため、生体器官のスペクトル画像測定において
は、器官が静物ではないので、アーチファクトが生じ、
歪んだ特にノイズが多いスペクトル画像データが生じ
る。このような画像をフィルターあるいは格子に基づく
スペクトル映像装置を用いて得た場合は、最良の結果を
得るために、立体的な画像位置決め処理が必要となる。
しかし、これらのスペクトル映像装置には先に述べた限
界がある。他方、他のスペクトル結像システムに優って
多数の利点を持つ、干渉計に基づくスペクトル映像装置
によってこのような画像を得る場合は、空間的な位置決
めだけではなく、スペクトル補正も必要となる。Therefore, in the spectral image measurement of the biological organ, since the organ is not a still life, an artifact occurs,
Distorted, especially noisy, spectral image data results. If such an image is obtained using a spectral imager based on filters or gratings, a stereoscopic image positioning process is required for best results.
However, these spectral imagers have the previously mentioned limitations. On the other hand, obtaining such images with an interferometer-based spectral imager, which has a number of advantages over other spectral imaging systems, requires not only spatial positioning, but also spectral correction.
したがって、本発明の目的は、物体が静止状態にない
場合でもスペクトル画像の測定が可能な、干渉計に基づ
くスペクトル結像装置を提供することにある。この装置
に必要な改良の多くは、可動物からの収集データを処理
するために用いられる数学的アルゴリズムにあるが、あ
る場合には、被測定可動物に対する装置の配置も大切で
ある。これらの改良は、空間的な位置決め及びスペクト
ル補正の両方を提供するものである。It is therefore an object of the present invention to provide an interferometer-based spectral imaging device capable of measuring spectral images even when the object is not stationary. Much of the improvement needed for this device lies in the mathematical algorithms used to process the data collected from the moving object, but in some cases the placement of the device relative to the measured moving object is also important. These improvements provide both spatial positioning and spectral correction.
発明の要約
本発明によれば、干渉計に基づくスペクトル結像の、
空間的な位置決め及びスペクトル補正を行う装置が提供
される。この装置は、可動物のスペクトル画像を得るた
めに用いることができる。SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, interferometric based spectral imaging of
An apparatus for spatial positioning and spectral correction is provided. This device can be used to obtain spectral images of moving objects.
さらに、下記の、本発明の実施例における特徴によれ
ば、(a)干渉計に基づくスペクトル映像装置を用いて
可動物の立体的な情報及びスペクトル情報を得る手段及
び(b)立体的な情報及びスペクトル情報を、空間的な
位置決め処理及びスペクトル補正処理を介して可動物の
動きに対して補正し、補正された立体的な情報及びスペ
クトル情報を得る手段、および(c)可動物が第一の方
向に沿ってのみ移動し、干渉計が、フレーム内の光路差
が単一方向に沿って変化するタイプであり、可動物に対
してスペクトル映像装置を、光路差勾配が第1の方向に
対して直角になるように配置する手段からなる可動物の
スペクトル結像装置が提供される。Further, according to the following features in the embodiments of the present invention, (a) means for obtaining stereoscopic information and spectral information of a movable object by using a spectrum imaging device based on an interferometer, and (b) stereoscopic information. And means for correcting the spectrum information with respect to the movement of the movable object through the spatial positioning processing and the spectrum correction processing, and (c) the movable object is first. , The interferometer is a type in which the optical path difference in the frame changes along a single direction, and the spectrum imager with respect to the movable object, the optical path difference gradient in the first direction. There is provided a movable object spectral imaging device comprising means arranged at right angles to one another.
なお、補正された立体的な情報及びスペクトル情報を
得る手段が、(a−1)可動物からの入射光を収集し、
(a−2)この収集光を、干渉計を通過させて、可動物
の各ピクセルからの発光スペクトル輝度の一次結合に対
応する被変調光にして出光させ、(a−3)干渉計から
出力された被変調光を検出アレイ上に集束させ、(a−
4)干渉計内に生じた光路差を、可動物の前記すべての
ピクセルについて、独立に、そして同時に走査し、(a
−5)検出アレイの出力を処理して可動物のピクセルの
各々のスペクトルを測定するように構成される。また、
補正された立体的な情報及びスペクトル情報を得る手段
による空間的な位置決め処理及びスペクトル補正処理
が、(b−1)可動物の基準フレームを選択し、(b−
2)この基準フレームを用いて可動物の他のフレームに
対して変換ベクトルを計算し、(b−3)これらの変換
ベクトルを用いて空間的な位置決め及びスペクトル補正
処理を行うことによって行われる。The means for obtaining the corrected three-dimensional information and spectral information collects the incident light from the movable object (a-1),
(A-2) The collected light is passed through an interferometer to be modulated light corresponding to the primary combination of the emission spectrum luminance from each pixel of the movable object, and emitted (a-3) output from the interferometer. The modulated light thus focused is focused on the detection array, and (a−
4) Scan the optical path difference created in the interferometer independently and simultaneously for all said pixels of the movable object, (a
-5) configured to process the output of the detector array to measure the spectrum of each of the pixels of the moveable object. Also,
Spatial positioning processing and spectrum correction processing by means of obtaining corrected three-dimensional information and spectral information select (b-1) the reference frame of the movable object, and (b-
2) This reference frame is used to calculate a transformation vector for another frame of the movable object, and (b-3) spatial transformation and spectrum correction processing is performed using these transformation vectors.
好適実施例における特徴によれば、この装置は、さら
に(d)補正された立体的な情報及びスペクトル情報を
画像として示す手段を有する。According to a feature in the preferred embodiment, the apparatus further comprises (d) means for displaying the corrected stereoscopic and spectral information as an image.
さらに、好適実施例における特徴によれば、この画像
による表示は、補正された立体的な情報に応じた補正ス
ペクトル情報のRGB表示である。Further, according to a feature in the preferred embodiment, the display by this image is an RGB display of the corrected spectrum information according to the corrected stereoscopic information.
さらに、好適実施例における特徴によれば、変換ベク
トルの計算が、基準フレームを他のフレームの一つに重
ね合わせ、輝度減算処理を行う減算画像を生成する位置
を見いだすことによって行われる。Furthermore, according to a feature in the preferred embodiment, the calculation of the transform vector is performed by superimposing the reference frame on one of the other frames and finding the position to produce the subtracted image for the luminance subtraction process.
なお、好ましくは、可動物が生体器官あるいはその一
部であり、さらに好ましくは、この生体器官が眼であ
る。The movable object is preferably a living body organ or a part thereof, and more preferably the living body organ is an eye.
もう一つの本発明に係るスペクトル結像装置は、
(a)可動物に対して、干渉計に基づくスペクトル映像
装置の照準及び焦点を合わせる手段と、(b)干渉計を
一定速度で走査しながら検出アレイによって可動物の連
続的なフレームを捕らえ、干渉計の連続的な光路差は可
動物が動くために等間隔にならない状態のままで保存す
る手段と、(c)可動物のすべてのピクセルに対する連
続的なフレームの各々の収集データをインターフェログ
ラム関数へ送ると同時に、連続的なフレームの一つを基
準フレームとして、これに対して連続的なフレームの各
々の立体的な変換ベクトルを計算して、連続的なフレー
ムの各々におけるすべてのピクセルに対する実際の光路
差を見つける手段と、(d)インターフェログラムの各
々にフーリエ変換アルゴリズムを適用することによっ
て、可動物の各ピクセルに対してフーリエ変換を計算す
る手段と、(e)可動物のすべてのピクセルに対するス
ペクトルを計算する手段と、(f)可動物が第一の方向
に沿ってのみ移動し、干渉計が、フレーム内の光路差が
単一方向に沿って変化するタイプのものであり、可動物
に対してスペクトル映像装置を、光路差勾配が第一の方
向に対して直角になるように位置づける手段とからな
る。Another spectral imaging apparatus according to the present invention is
(A) a means for aiming and focusing an interferometer-based spectral imager with respect to the moving object, and (b) capturing a continuous frame of the moving object by means of a detection array while scanning the interferometer at a constant speed, A means for storing the continuous optical path difference of the interferometer in a state in which the movable object does not become evenly spaced due to the movement of the movable object. At the same time as sending to the Gram function, using one of the consecutive frames as a reference frame, the three-dimensional transformation vector of each of the consecutive frames is calculated for this, and all pixels in each of the consecutive frames are calculated. And (d) applying a Fourier transform algorithm to each of the interferograms, by means of finding the actual optical path difference for , A means for calculating a Fourier transform of the movable object, (e) a means for calculating a spectrum for all pixels of the movable object, and (f) the movable object moving only along the first direction, and the interferometer, The optical path difference in the frame is of a type that changes along a single direction, and means for positioning the spectral imager with respect to the movable object so that the optical path difference gradient is perpendicular to the first direction. Become.
好適実施例における特徴によれば、上記装置は可動物
の画像を示す手段をさらに有する。According to features in preferred embodiments, the apparatus further comprises means for displaying an image of the moving object.
好ましくは、画像の表示が計算スペクトルのRGB表示
である。Preferably, the image display is an RGB representation of the calculated spectrum.
さらに好ましくは、基準フレームである連続的なフレ
ームの一つに対する連続的なフレームの各々の立体的な
変換ベクトルの計算が、輝度減算処理を行う減算画像を
生成する位置を見つけるために、基準フレームと他のフ
レームの一つとを重ね合わせることによって行われる。More preferably, the calculation of the three-dimensional transformation vector of each of the successive frames relative to the one of the successive frames that is the reference frame is performed in order to find the position where the subtraction image for performing the luminance subtraction process is generated. And one of the other frames are overlapped.
なお、好ましくは、可動物が生体器官あるいはその一
部であり、さらに好ましくは、この生体器官が眼であ
る。The movable object is preferably a living body organ or a part thereof, and more preferably the living body organ is an eye.
さらにもう一つの本発明に係るスペクトル結像装置
は、(a)可動物に対して、干渉計に基づくスペクトル
映像装置の照準及び焦点を合わせる手段と、(b)干渉
計を一定速度で走査しながら検出アレイによって可動物
の連続的なフレームを捕らえ、干渉計の連続的な光路差
は可動物が動くために等間隔にならない状態のままで保
存する手段と、(c)可動物のすべてのピクセルに対す
る連続的なフレームの各々の収集データをインターフェ
ログラム関数へ送ると同時に、連続的なフレームの一つ
を基準フレームとして、これに対して連続的なフレーム
の各々の立体的な変換ベクトルを計算し、連続的なフレ
ームの各々のすべてのピクセルに対する実際の光路差を
見つける手段と、(d)可動物のピクセルの各々のイン
ターフェログラムを補間して等間隔な光路差値を得る手
段と、(e)インターフェログラムの各々にフーリエ変
換アルゴリズムを適用することによって、可動物のピク
セルの各々に対するフーリエ変換を計算する手段と、
(f)可動物のすべてのピクセルに対するスペクトルを
計算する手段と、(g)可動物が第一の方向に沿っての
み移動し、干渉計が、フレーム内の光路差が単一方向に
沿って変化するタイプのものであり、可動物に対してス
ペクトル映像装置を、光路差勾配が第一の方向に対して
直角になるように位置づける手段とからなる。Still another aspect of the present invention is a spectrum imaging apparatus, which includes (a) means for focusing and focusing an interferometer-based spectrum imaging apparatus on a movable object, and (b) scanning the interferometer at a constant speed. While the detection array captures a continuous frame of the movable object, and the continuous optical path difference of the interferometer is stored in a state where the movable object does not become equidistant due to the movement of the movable object. The collected data of each continuous frame for a pixel is sent to the interferogram function, and at the same time, one of the continuous frames is used as a reference frame, and the stereoscopic transformation vector of each continuous frame is set to this. A means for calculating and finding the actual optical path difference for every pixel of each successive frame, and (d) complementing the interferogram of each pixel of the moving object. Means for obtaining equally spaced optical path difference values to the means for calculating the Fourier transform for each of the (e) by applying a Fourier transform algorithm to each of the interferogram, the movable object pixels,
(F) a means for calculating the spectrum for all pixels of the moveable object, and (g) the moveable object moving only along the first direction, the interferometer measuring the optical path difference within the frame along a single direction. It is of a variable type and comprises means for positioning the spectral imager with respect to the movable object such that the optical path difference gradient is perpendicular to the first direction.
好適実施例における特徴によれば、上記装置は可動物
の画像を示す手段をさらに有する。According to features in preferred embodiments, the apparatus further comprises means for displaying an image of the moving object.
別の好適実施例における特徴によれば、画像の表示が
計算スペクトルのRGB表示である。According to a feature in another preferred embodiment, the representation of the image is an RGB representation of the calculated spectrum.
さらに別の好適実施例における特徴によれば、基準フ
レームである連続的なフレームの一つに対しての連続的
なフレームの各々の立体的な変換ベクトルの計算が、輝
度減算処理を行って減算画像を生成する位置を見つける
ために、基準フレームと他のフレームの一つとを重ね合
わせることによって行われる。According to another feature in the preferred embodiment, the calculation of the three-dimensional conversion vector of each of the continuous frames with respect to one of the continuous frames which is the reference frame is performed by performing a luminance subtraction process to perform subtraction. This is done by overlaying the reference frame with one of the other frames to find the location where the image is generated.
なお、好ましくは、可動物が生体器官あるいはその一
部であり、さらに好ましくは、この生体器官が眼であ
る。The movable object is preferably a living body organ or a part thereof, and more preferably the living body organ is an eye.
図面の簡単な説明
一例として添付図面を参照して、本発明をここに説明
する。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.
図1は、米国特許第5,539,517号(従来の技術)に従
って製作された結像分光計の主構成要素を示すブロック
図である。FIG. 1 is a block diagram showing the main components of an imaging spectrometer made according to US Pat. No. 5,539,517 (prior art).
図2は、米国特許第5,539,517号(従来の技術)によ
る結像分光計に用いられるサグナック干渉計を示す。FIG. 2 shows a Sagnac interferometer used in an imaging spectrometer according to US Pat. No. 5,539,517 (prior art).
図3aは、スペクトラキューブ・システムを用いた、人
間の右眼のスペクトル画像である。FIG. 3a is a spectral image of the human right eye using the SpectraCube system.
図3bは、本発明の装置を用いて空間的な位置決め及び
スペクトル補正を行った後の、図3aの人間の右眼のスペ
クトル画像である。FIG. 3b is a spectral image of the human right eye of FIG. 3a after spatial positioning and spectral correction using the apparatus of the present invention.
図4aは、図3aのスペクトル画像から得た任意のピクセ
ルのインターフェログラム関数の一部を示すものであ
る。FIG. 4a shows a portion of the interferogram function for any pixel obtained from the spectral image of FIG. 3a.
図4bは、図3bのスペクトル画像から得た図4aと同じピ
クセルのインターフェログラム関数の一部を示す。FIG. 4b shows a portion of the same pixel interferogram function as in FIG. 4a taken from the spectral image of FIG. 3b.
図5aは、図3aのスペクトル画像から得た五つの隣接す
るピクセルのスペクトルを示すものであり、各ピクセル
の位置が示されている。FIG. 5a shows the spectrum of five adjacent pixels from the spectral image of FIG. 3a, where the position of each pixel is shown.
図5bは、図3bのスペクトル画像から得た五つの隣接す
るピクセルのスペクトルを示すものであり、各ピクセル
の位置が示されている。FIG. 5b shows the spectrum of five adjacent pixels from the spectral image of FIG. 3b, where the position of each pixel is shown.
図6aからfは、本発明による干渉縞抑制アルゴリズム
の演算を示す。6a to f show the operation of the interference fringe suppression algorithm according to the invention.
好適実施例の説明
本発明は、可動物のスペクトル画像を得るために用い
ることが可能な、干渉計に基づくスペクトル結像の空間
的な位置決め及びスペクトル補正のための装置に関す
る。特に、本発明は、眼等の生体器官そして/あるいは
組織のスペクトル画像を得るために用いることができ
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention relates to an apparatus for spatial positioning and spectral correction of interferometric spectral imaging that can be used to obtain spectral images of moving objects. In particular, the invention can be used to obtain spectral images of living organs and / or tissues such as the eye.
図面及びその説明から、本発明による装置の原理及び
作用を理解することができる。The principle and operation of the device according to the invention can be understood from the drawings and their description.
米国特許第5,539,517号及び他の公報(例えば、
(i)「人間の染色体の多色スペクトル核型分析」Schr
oeck et al.(1996)Multicolor spectral karyotyping
of human chromosomes,Science 273:494−497、(ii)
「量的細胞学のためのフーリエ変換マルチピクセル分光
分析法」Malik et al.(1996)Fourier transform mult
ipixel spectroscopy for quantitative cyiology.J.of
Microscopy 182:133−140、(iii)「黒色腫のALA媒介
PDT:新規なスペクトル結像システムによって測定される
光感作物質の相互作用、腫瘍治療及び発見のための光学
的方法についての会報:光力学性治療のメカニズム及び
技術」Malik and Dishi(1995)ALA mediated PDT of m
elanoma tumors:Inght−sensitizer interactions dete
rmined by a novel spectral imaging system.Proceedi
ngs of optical methods for tumor treatment and det
ection:Mechanisms and techniques in photodynamic t
herapy IV,Feb.4−5,1995,San Jose,CA,SPIE Vol.2392,
pp.152−158、(iii)「分光分析法と画像処理との組合
せによる生物学のための新規なスペクトル結像システ
ム、生体臨床医学における光学的結像技術についての会
報」Malik et al.(1994)A novel spectral imaging s
ystem combining spectroscopy with imaging−applica
tion for biology.Proceedings of optical and imagin
g techniques in biomedicine,Sep.8−9,1994,Lille,Fr
ance,SPIE Vol.2329,pp.180−184、(iv)「単一黒色腫
細胞におけるフーリエ変換マルチプレックス分光分析法
及びフォトポルフィリンのスペクトル結像、光化学と光
生物学」Malik et al.(1996)Fourier transform mult
iplex spectroscopy and spectral imaging"of photopo
rphyrin in single melanoma cells.Photochemistry an
d photobiology 63:608−614、(v)「無傷のネズミの
脳における結像酸素膿度計としての新規な生体画像シス
テムの使用、腫瘍及び他の病気の診断のためのレーザ及
び光分光分析法における進歩についての会報」Soenksen
et al.(1996)Use of novel bio−imaging system as
an imaging oximeter in intact rat brain.Proceedin
gs of advances in laser and light spectroscopy to
diagnose cancer and other diseases III,Jan.29−30,
1996,San Jose CA,SPIE Vol.2679,pp.182−189を参照)
は、被測定物の表面からの光を光学的な開口あるいは視
野レンズによって収集し、干渉計を介して通過させるこ
とによって、二つのコヒーレント光に分けてから集束光
学素子によって、検出素子面を持つ二次元検出アレイ装
置(例えば、紫外線から可視光線の範囲でのCCD)に集
束させることで、検出器の表面が物体の表面の実像を代
表するスペクトル結像装置及び結像方法を教えている。US Pat. No. 5,539,517 and other publications (eg,
(I) "Multicolor spectral karyotype analysis of human chromosomes" Schr
oeck et al. (1996) Multicolor spectral karyotyping
of human chromosomes, Science 273: 494-497, (ii)
"Fourier transform multipixel spectroscopy for quantitative cytology" Malik et al. (1996) Fourier transform mult
ipixel spectroscopy for quantitative cyiology.J.of
Microscopy 182: 133-140, (iii) "Mediation of ALA in melanoma.
PDT: A Report on Photosensitizer Interactions Measured by a Novel Spectral Imaging System, Optical Methods for Tumor Treatment and Discovery: Mechanisms and Techniques of Photodynamic Therapy "Malik and Dishi (1995) ALA mediated PDT of m
elanoma tumors: Inght−sensitizer interactions dete
rmined by a novel spectral imaging system.Proceedi
ngs of optical methods for tumor treatment and det
ection: Mechanisms and techniques in photodynamic t
herapy IV, Feb.4-5,1995, San Jose, CA, SPIE Vol.2392,
pp.152-158, (iii) "New Spectral Imaging System for Biology by Combining Spectroscopic Analysis and Image Processing, Bulletin on Optical Imaging Technology in Biomedical Medicine" Malik et al. ( 1994) A novel spectral imaging s
ystem combining spectroscopy with imaging-applica
tion for biology.Proceedings of optical and imagin
g techniques in biomedicine, Sep.8-9,1994, Lille, Fr
ance, SPIE Vol.2329, pp.180-184, (iv) "Fourier Transform Multiplex Spectroscopy in Single Melanoma Cells and Spectral Imaging of Photoporphyrins, Photochemistry and Photobiology," Malik et al. (1996). ) Fourier transform mult
iplex spectroscopy and spectral imaging "of photopo
rphyrin in single melanoma cells.Photochemistry an
d photobiology 63: 608-614, (v) "Use of a novel bioimaging system as an imaging oximetry in the intact mouse brain, laser and optical spectroscopy for the diagnosis of tumors and other diseases. Bulletin on Progress in Soenksen
et al. (1996) Use of novel bio-imaging system as
an imaging oximeter in intact rat brain.Proceedin
gs of advances in laser and light spectroscopy to
diagnose cancer and other diseases III, Jan.29-30,
1996, San Jose CA, SPIE Vol.2679, pp.182-189)
Collects light from the surface of the object to be measured by an optical aperture or field lens and passes it through an interferometer to divide it into two coherent light beams, and then a focusing optical element is used to have a detection element surface. It teaches a spectral imaging device and imaging method in which the surface of the detector represents a real image of the surface of the object by focusing on a two-dimensional detection array device (eg CCD in the UV to visible range).
検出器フレームに同期して干渉計が走査されるとき、
検出アレイの多くの連続的なフレームから得られる検出
アレイの各々そしてすべての検出素子からの信号が記録
される。When the interferometer is scanned synchronously with the detector frame,
The signals from each and every detector element of the detector array obtained from many successive frames of the detector array are recorded.
干渉計の各位置においては、検出素子が対応する画素
(ピクセル)を識別するための二つの分離ビーム間の光
路差(OPD)が既知の状態へと変化するため、走査の終
わりに、各ピクセルから収集された信号は、その特定な
ピクセルに対する光路差(OPD)の関数としての光の輝
度であるインターフェログラムと呼ばれる関数を形成す
る。干渉計スピードが一定であるため、CCDフレーム時
間は一定であり、OPDは干渉計の角度位置に比例し、OPD
サンプルは等間隔になる。At each position of the interferometer, the optical path difference (OPD) between the two separated beams for identifying the corresponding pixel (pixel) by the detection element changes to a known state, so that at the end of scanning, each pixel The signal collected from forms a function called the interferogram, which is the intensity of light as a function of the optical path difference (OPD) for that particular pixel. Since the interferometer speed is constant, the CCD frame time is constant and the OPD is proportional to the angular position of the interferometer.
The samples are evenly spaced.
フーリエ変換分光分析法の周知の手法によれば、この
インターフェログラム関数に適用される数理的なフーリ
エ変換演算は、スペクトル、すなわち、対象となるピク
セルから発光したすべての波長における光の輝度を算出
する。According to the well-known technique of Fourier transform spectroscopy, the mathematical Fourier transform operation applied to this interferogram function calculates the spectrum, ie the brightness of the light at all wavelengths emitted from the pixel of interest. To do.
物体の表面のすべてのピクセルに対するインターフェ
ログラム関数が分かっているため、収集した全インター
フェログラムにフーリエ変換を適用することによって、
すべてのピクセルに対するスペクトルを計算して明らか
にすることができる。By knowing the interferogram function for every pixel on the surface of the object, by applying the Fourier transform to the total interferogram collected,
The spectra for all pixels can be calculated and revealed.
米国特許第5,539,517号には、スペクトル結像装置及
び方法についてのいくつかの実施例が示されている。各
装置に用いられた干渉計のタイプはそれぞれ異なるが、
各装置は物体のスペクトル画像を測定することが可能で
ある。US Pat. No. 5,539,517 shows several embodiments of spectral imaging apparatus and methods. The type of interferometer used for each device is different,
Each device is capable of measuring a spectral image of the object.
一般的に、干渉計がどのように用いられようとも、干
渉計によるどの走査位置においても、軸上の光線及び軸
から離れた光線に対するOPDは異なるため、同じフレー
ム内におけるOPDはピクセル毎に異なることはよく知ら
れている。In general, no matter how the interferometer is used, at any scan position by the interferometer, the OPD for rays on and off the axis is different, so the OPD in the same frame is different for each pixel. It is well known.
例えば、(「干渉分光分析法の原理」“The principl
es of interferometric spectroscopy"by John Chamber
lain,John Wiley & Sons,1979,page 220.Equations 8.
3 and 8.4b)に説明されているように、マイケルソン干
渉計においては、OPDは次式(2)に従って変化する。For example, ("The principle of interferometry""The principl
es of interferometric spectroscopy "by John Chamber
lain, John Wiley & Sons, 1979, page 220.Equations 8.
As explained in 3 and 8.4b), in Michelson interferometer, OPD changes according to the following equation (2).
この場合、λは光の波長であり、αは軸上の光線と軸か
ら離れた光線との間の角である。 In this case, λ is the wavelength of the light and α is the angle between the rays on and off the axis.
式2によれば、特定のピクセルへのOPDの依存度は比
較的に低い。実際、式2におけるαは小さな角であるた
め、条件(1−cosα)はα2と同じようにゆっくりと
変化する。According to Equation 2, the dependence of OPD on a particular pixel is relatively low. In fact, since α in Eq. 2 is a small angle, condition (1-cosα) changes slowly as does α 2 .
しかし、図2に示すような三角形の干渉計において
は、米国特許第5,539,517号の欄13の式31に示すよう
に、OPDはもっと速く、すなわち、光線入射角の水平方
向における投影(画像の中心から対応するピクセルまで
の距離の水平方向における投影に等しい)に応じて直線
的に変化する。However, in a triangular interferometer as shown in FIG. 2, the OPD is much faster, ie, the projection of the ray incidence angle in the horizontal direction (center of the image), as shown in equation 31 of column 13 of US Pat. No. 5,539,517. Is equal to the horizontal projection of the distance from to the corresponding pixel).
この事実は、干渉計に基づくスペクトル映像装置に対
して二つの重要な結果を招くものである。This fact has two important consequences for interferometer-based spectral imagers.
第一に、走査の終了時点で、フーリエ変換アルゴリズ
ムを介してスペクトルを再構築可能なように、すべての
ピクセル及びすべての検出器フレームに対するOPDの軌
道を記録しなければならない。これは(i)すべてのフ
レームに対する干渉計の位置と、(ii)画像におけるピ
クセル位置とを知ることによって可能になる。First, at the end of the scan, the OPD trajectory for every pixel and every detector frame must be recorded so that the spectrum can be reconstructed via the Fourier transform algorithm. This is possible by knowing (i) the position of the interferometer for every frame and (ii) the pixel position in the image.
第二に、もし被測定物が測定中に動くなら、種々のフ
レームの空間的な位置決めは失われ、各フレーム内の各
ピクセルの実際のOPDは、物体が静止していたならば得
られたであろうところと異なるものになってしまう。し
たがって、もし測定中の移動を無視してその物体のスペ
クトル画像を計算し、収集データを用い、いくつかの、
あるいはすべてのスペクトル範囲に渡って定義される例
えば、赤、緑、青(RGB)機能を介して物体を表示する
なら、(i)画像は、測定中に空間的な位置決めを失
い、ぼやけてしまうし、(ii)計算されたスペクトルは
実際のスペクトルを表わさず、そのスペクトルは、ノイ
ズが多く、また、フーリエ変換に不正確な(すなわち、
登録されていない)OPDSを用いるため一貫性がないもの
になってしまう。これらの現象ついては、下記の例にお
いてさらに例証する。Second, if the DUT moves during the measurement, the spatial positioning of the various frames is lost, and the actual OPD of each pixel in each frame was obtained if the object was stationary. It will be different from what it would be. Therefore, if we ignore the movement during the measurement, calculate the spectral image of the object, use the collected data,
Or if the object is displayed via eg red, green, blue (RGB) functions defined over the whole spectral range, (i) the image loses its spatial positioning during measurement and becomes blurry. (Ii) the calculated spectrum does not represent the actual spectrum, which is noisy and inaccurate to the Fourier transform (ie,
Since it uses OPDS (which is not registered), it becomes inconsistent. These phenomena are further illustrated in the examples below.
可動物のスペクトル画像を得るための、本発明による
干渉計に基づくスペクトル結像の空間的な位置決め及び
スペクトル補正のための装置の説明を始める前に、静止
物体を測定する従来の技術による方法を説明する。Before starting the description of the device for the spatial positioning and spectral correction of interferometric spectral imaging according to the invention for obtaining a spectral image of a moving object, a prior art method for measuring stationary objects is described. explain.
静止物体の測定は次のステップを含む。 Measurement of a stationary object includes the following steps.
第一に、スペクトル結像装置を位置決めし被測定物に
焦点を合わせる。First, the spectral imager is positioned and focused on the DUT.
第二に、干渉計を等間隔なOPDステップで走査しなが
ら、CCDによって物体の連続的なフレームを捕らえて保
存する。Second, the CCD captures and stores successive frames of the object while scanning the interferometer in evenly spaced OPD steps.
第三に、そのデータをインターフェログラム関数へ
(例えば、ソフトウェアによって)送り、物体の画像の
すべてのピクセルを得る。Third, send that data (eg, by software) to the interferogram function to get every pixel of the image of the object.
第四に、データを組織化するために、ウインドー処理
あるいはアポダイゼーション(apodization)と呼ばれ
る、よく知られた前処理ステップを行うのが好ましい
(「干渉分光分析法の原理」Chamberlain(1979)The p
rinciples of interferometric spectroscopy,John Wil
ey and Sons,pp.131 and following pagesを参照)。そ
うすることにより、理論上の連続的なインターフェログ
ラム関数を用いる代わりに、個別の有限なデータセット
である測定データを用いることが可能になる。Fourth, it is preferable to carry out a well-known pretreatment step called windowing or apodization to organize the data ("Principles of Interferometry" Chamberlain (1979) The p.
rinciples of interferometric spectroscopy, John Wil
ey and Sons, pp.131 and following pages). By doing so, it is possible to use the measured data, which is a discrete finite data set, instead of using the theoretical continuous interferogram function.
第五に、通常、各インターフェログラムに対するデー
タ数が、元のデータ数の二乗に等しい複数のポイントに
なるように「ゼロを満たす」処理を行って、スペクトル
に補間ポイントを挿入し高速フーリエ変換アルゴリズム
を用いる(「干渉分光分析法の原理」Chamberlain(197
9)The principles of interferometric spectroscopy,
John Wiley and Sons,pp.311 and following pagesを参
照)。Fifth, usually, by performing "fill zero" processing so that the number of data for each interferogram becomes a plurality of points equal to the square of the original number of data, interpolation points are inserted into the spectrum and the fast Fourier transform is performed. Using an algorithm ("Principles of interferometry" Chamberlain (197
9) The principles of interferometric spectroscopy,
See John Wiley and Sons, pp. 311 and following pages).
第六に、インターフェログラムの各々に高速フーリエ
変換アルゴリズムを適用して複雑な(実数部及び虚数部
の)フーリエ変換を計算する。択一的に、好ましくはな
いが、「ゼロを満たす」ことを行わないで、直接にフー
リエ変換アルゴリズムを適用することもできる。Sixth, applying a fast Fourier transform algorithm to each of the interferograms to compute a complex (real and imaginary) Fourier transform. Alternatively, but not preferred, the Fourier Transform algorithm may be applied directly without "filling to zero".
第七に、そのように得られた複雑な関数のモジュール
(長さ)として、すべてのピクセルのスペクトルを計算
する。なお、この関数は、OPDへの共役パラメータ、す
なわち波長の逆数である(σ=1/λ)波数σの離散的な
値の上に定義されるものである。Seventh, calculate the spectrum of all pixels as a module (length) of the complex function so obtained. It should be noted that this function is defined on the discrete parameter of the conjugate parameter to the OPD, that is, the reciprocal of the wavelength (σ = 1 / λ) wave number σ.
高速フーリエ変換アルゴリズムは、かなり計算時間を
減少させるが、OPDが等間隔である場合及び、インター
フェログラムを形成するポイント数が二乗に等しい場合
にのみ用いることが可能である。このため、概して、こ
の単純なフーリエ変換アルゴリズムは用いられない。The fast Fourier transform algorithm significantly reduces the computation time, but can only be used when the OPDs are evenly spaced and when the number of points forming the interferogram is equal to the square. Therefore, this simple Fourier transform algorithm is generally not used.
さて、可動物のスペクトル画像を得るために用いるこ
とが可能な、本発明による干渉計に基づくスペクトル結
像の空間的な位置決め及びスペクトル補正のための装置
を説明する。Now, an apparatus for the spatial positioning and spectral correction of interferometric based spectral imaging according to the invention which can be used to obtain a spectral image of a moving object is described.
次の説明は、映像装置の照準線にかなり直角な平面上
において、固く直線的に、ランダムあるいは非ランダム
に運動する物体に関する。言い替えれば、スペクトル映
像装置を介して見た場合に、物体は、そのすべての部分
が形状及び大きさと相対的な距離とを保持しながら運動
する。The following description relates to objects that move in a rigid, linear, random or non-random manner in a plane that is fairly perpendicular to the line of sight of the imager. In other words, when viewed through a spectral imager, the object moves with all its parts retaining shape and size and relative distance.
したがって、平面を変えることなく無作為の方向にし
っかりと動く物体の場合(すなわち、計測器に近づくこ
とも、また、遠のくこともなく物体は焦点距離内に留ま
る場合)には、本発明の装置による測定ステップは、次
の通りである。Thus, for an object that moves firmly in a random direction without changing the plane (i.e., the object stays within the focal length without approaching or leaving the instrument). The measurement steps by are as follows.
第一に、被測定物に対してスペクトル結像装置の照準
を合わせると共に焦点を合わせる。First, the spectral imager is aimed and focused on the object to be measured.
第二に、一定のスピードでCCDフレームに同期させな
がら干渉計を走査し、CCDによって物体の連続的なフレ
ームを捕らえて保存する。しかし、物体が動くため、上
記の従来の技術における説明とは正反対に、OPDステッ
プは、本質的に上記の説明のような等間隔にはならな
い。連続的なOPD間の差はランダムである。これは、干
渉計と物体との相対的な移動の結果であり、干渉計の位
置及び速度に対する物体の瞬間的な位置及び速度に応じ
て増加あるいは減少し、負になることさえあり得る(次
のデータ・ポイントではOPDが減少することを意味す
る)。そして、この移動が視野を超える場合、あるい
は、この移動が、視野よりも大きな突然の変位で起こり
すぐに以前の位置へ戻る場合は、データ・ポイントは消
失する。OPD軸のいくつかの領域においては、データ・
ポイントは高密度になり、他の領域では低密度になる。Second, the interferometer is scanned at a constant speed, synchronized with the CCD frame, and the CCD captures and stores successive frames of the object. However, contrary to the description in the prior art above, the OPD steps are not essentially evenly spaced as in the above description because the object moves. The difference between consecutive OPDs is random. This is a result of the relative movement of the interferometer and the object, increasing or decreasing depending on the instantaneous position and velocity of the object relative to the position and velocity of the interferometer, and can even become negative (next Data points mean that OPD is reduced). Then, if the movement exceeds the field of view, or if the movement occurs with a sudden displacement greater than the field of view and immediately returns to the previous position, the data point disappears. In some areas of the OPD axis, data
The points are dense and in other areas are less dense.
第三に、このデータを、画像のすべてのピクセルに対
するインターフェログラム関数へ(例えばソフトウェア
によって)変換する。しかし、ブックキーピング操作は
かなり複雑である。このステップを達成するには、第一
に、基準として採ったフレームに対して、すべての測定
フレームの立体的な変換ベクトルを見いださなければな
らない。この方法によれば、各々フレームにおけるすべ
てのピクセルに対する実際のOPDを見いだすことができ
る。これは、本発明による装置を用いた方法の重大なス
テップであるので、下記にさらに詳細に説明する。Third, this data is converted (eg by software) into an interferogram function for every pixel of the image. However, the bookkeeping operation is rather complicated. To achieve this step, first of all, the stereoscopic transformation vector of all measurement frames must be found with respect to the frame taken as the reference. With this method, the actual OPD for all pixels in each frame can be found. This is a critical step of the method using the device according to the invention and is therefore explained in more detail below.
第四に、データを組織化し、理論上の連続的なインタ
ーフェログラム関数の代わりに、離散データである測定
データを用いることができるように、ウインドー処理あ
るいはアポダイゼーションと呼ばれるいくつかのよく知
られた前処理ステップを行うことが好ましい。Fourth, some well-known methods called windowing or apodization so that data can be organized and measured data that is discrete data can be used in place of the theoretical continuous interferogram function. It is preferable to carry out a pretreatment step.
第五に、ここで、この方法は二つの代替的なやり方に
分かれる。第一のものによれば、各ピクセルの測定イン
ターフェログラムをさらに補間することなく、簡単なフ
ーリエ変換アルゴリズムを用いて、対応するフーリエ変
換を計算する。これに対して、第二のものによれば、各
ピクセルの測定インターフェログラムを補間して等間隔
なOPD値を得てから、高速フーリエ変換アルゴリズムを
用いてフーリエ変換を計算する。代替的な各々のステッ
プには利点及び欠点が伴う。スピードは後者が速いが、
内挿法によって誤差が導入されるので、データの信頼性
は前者が高い。Fifth, here the method is divided into two alternative ways. According to the first, a simple Fourier transform algorithm is used to calculate the corresponding Fourier transform without further interpolating the measured interferogram of each pixel. On the other hand, according to the second method, the measured interferograms of each pixel are interpolated to obtain equidistant OPD values, and then the Fourier transform is calculated using the fast Fourier transform algorithm. Each alternative step has advantages and disadvantages. The latter is faster,
The former is more reliable because the error is introduced by the interpolation method.
第六に、上記第五のステップにおける代替的な選択に
応じて、インターフェログラムの各々に簡単なフーリエ
変換アルゴリズムあるいは高速フーリエ変換アルゴリズ
ムを適用して各ピクセルに対する複雑な(虚数及び実
数)フーリエ変換を計算する。Sixth, depending on the alternative choice in the fifth step, a simple Fourier transform algorithm or a fast Fourier transform algorithm is applied to each of the interferograms to generate a complex (imaginary and real) Fourier transform for each pixel. To calculate.
第七に、得られた複雑な関数のモジュール(長さ)と
してすべてのピクセルのスペクトルを計算する。この関
数は、OPDへの共役パラメータ、すなわち波数σの離散
的な値の上に定義されるものである。Seventh, calculate the spectrum of all pixels as a module (length) of the obtained complex function. This function is defined on the conjugate parameter to OPD, that is, the discrete value of wave number σ.
測定インターフェログラムから始まる、真の物理的な
スペクトルへの近似として数理的なスペクトルを計算す
るための、フーリエ変換の理論及び数理的なステップの
詳細については、この説明文でも採り上げている「干渉
分光分析法の原理」(Chamberlain(1979)The princip
les of interferometric spectroscopy,John Wiley and
Sons)のような教科書を参照することを勧める。Details of the theory and mathematical steps of the Fourier transform for calculating the mathematical spectrum as an approximation to the true physical spectrum, starting from the measured interferogram, are also included in this description. Principles of Spectroscopy ”(Chamberlain (1979) The princip
les of interferometric spectroscopy, John Wiley and
It is recommended to refer to textbooks such as Sons).
チェンバリン(1979年)の2、4、5及び6章のいく
つかのハイライトとして、次のフーリエ変換処理及び関
連事項の基本が説明されている。関数f(k)とそのフ
ーリエ変換F(x)との間のフーリエ積分の関係が31ペ
ージに示されている。原理的には、f(k)及びF
(x)は、各々の変数の連続的な関数であるが、実際
は、常に離散的な値に対して用いられるため、フーリエ
積分は、55ページに示すように無限の和によって概算さ
れる。次に、この無限の和は、ページ57に示すように有
限の和で置換される。電磁放射の場合における完ぺき
な、そして実用的な干渉関数は、96及び104ページに示
すように導かれる。物理的なスペクトルと数理的なスペ
クトルの間の関係は、127ページに示されており、試料
採取の理論及び位相誤差の補正が6.7から6.11の段落に
示されている。最終的に、高速フーリエ変換アルゴリズ
ムが10章に詳細に述べられており、各々の間隔がすべて
等しいときにのみ演算が可能であることが示される。な
お、この演算は直線的なフーリエ総和よりも高速であ
る。Some of the highlights of Chamberlin (1979) chapters 2, 4, 5 and 6 explain the basics of the following Fourier transform process and related matters. The relationship of the Fourier integral between the function f (k) and its Fourier transform F (x) is shown on page 31. In principle, f (k) and F
(X) is a continuous function of each variable, but in practice it is always used for discrete values, so the Fourier integral is approximated by an infinite sum, as shown on page 55. This infinite sum is then replaced with a finite sum as shown on page 57. The perfect and practical interference function in the case of electromagnetic radiation is derived as shown on pages 96 and 104. The relationship between physical and mathematical spectra is shown on page 127, and the theory of sampling and correction of phase error is given in paragraphs 6.7 to 6.11. Finally, the Fast Fourier Transform algorithm is described in detail in Chapter 10 and it is shown that the operation is only possible when all the intervals are equal. Note that this calculation is faster than linear Fourier summation.
上記の本発明の装置を用いた方法の第三ステップは、
多くの代替的な方法でも達成が可能であることは同業者
には明らかである。これらの選択肢の一つとして次の方
法がある。The third step of the method using the device of the present invention described above is
It will be apparent to those skilled in the art that many alternatives can be achieved. One of these options is as follows.
第一に、フレームの一つを基準系として定義する。原
理的には、基準としてどのフレームを選ぶかは重要では
ないが、実際は、選択フレームとすべての他のフレーム
との空間的な重なりが全体的に最も大きくなるように、
変換ベクトルのセットに対してほぼ真中に位置するフレ
ームを選択するのがよい。基準系を選択することによっ
て、測定フレームの各々のに対する変換ベクトルを見い
だすことが容易になる。First, one of the frames is defined as the reference system. In principle, it does not matter which frame is chosen as a criterion, but in practice, the overall spatial overlap of the selected frame with all other frames is the largest,
It is good to choose a frame located approximately in the middle for the set of transform vectors. Choosing a reference system facilitates finding the transformation vector for each of the measurement frames.
第二に、第一のフレームと基準系との間の輝度におけ
る差である減算画像を表示する。Second, it displays the subtracted image, which is the difference in brightness between the first frame and the reference system.
第三に、表示減算画像が、どの部分においてもほぼゼ
ロになる、すなわちほとんど特徴がなくなる位置を見い
だすまで、常に輝度差を表示しながら、第一のフレーム
を、小さなステップで左右及び上下の方向に移動する。
移動が完全に直線的である理想的なケースにおいては、
減算画像は、重なり合うすべてのピクセルにおいてゼロ
に等しくなるが、実際は、常に僅かなパターンが残るの
で、このパターンが輝度において最小になる位置が最良
な位置である。経験から、肉眼によってほぼゼロの位置
を見いだすことは容易であることが証明されている。こ
れは、空間的な位置決めの僅かな欠如が二つのフレーム
間の差を強調するために検出が容易だからである。この
処理は、種々の既知のアルゴリズムを用いて自動化する
ことが可能である(例えば、「デジタル画像処理の基
本」Anil K.Jain(1989)Fundamentals of digital im
age processing.Prentice−Hall International and s
ystem sciences science,pp.400−402を参照)。しか
し、フレームに重なる干渉縞があるので、フレームの自
動的な空間位置決め処理の前に、干渉縞抑制アルゴリズ
ムを適用するのが好ましい。これについては、下記例4
においてさらに説明及び例示する。Thirdly, the first frame is displayed in left and right and up and down directions in small steps while always displaying the brightness difference until the display subtraction image becomes almost zero in any part, that is, a position where almost no features are found. Move to.
In the ideal case where the movement is perfectly linear,
The subtracted image is equal to zero in all overlapping pixels, but in practice there is always a slight pattern, so the position where this pattern is minimal in brightness is the best position. Experience has shown that it is easy to find a near zero position with the unaided eye. This is because the slight lack of spatial positioning emphasizes the difference between the two frames and is therefore easy to detect. This process can be automated using various known algorithms (eg, "Basics of Digital Image Processing" Anil K. Jain (1989) Fundamentals of digital im).
age processing.Prentice-Hall International and s
ystem sciences science, pp. 400-402). However, since there are overlapping interference fringes in the frame, it is preferable to apply the interference fringe suppression algorithm before the automatic spatial positioning processing of the frame. For this, see Example 4 below.
Will be further described and illustrated in.
第四に、第一のフレームに対する変換ベクトルを記録
する。Fourth, record the transform vector for the first frame.
第五に、この処理を、すべての測定フレームに対して
繰り返す。Fifth, this process is repeated for every measurement frame.
そして最終的に、位置に対するOPDの依存(各干渉計
の特定な依存)が分かったなら、すべてのフレームにお
けるすべてのピクセルに対するOPDベクトルを計算して
保存する。And finally, once the OPD dependence on position (specific dependence of each interferometer) is known, the OPD vector for every pixel in every frame is calculated and saved.
測定中に発生する問題、また、最終結果に影響を与え
る問題のほとんどは、物体の移動振幅に関係がある。本
発明の装置を用いた方法が有効であるためには、移動振
幅はあまり大きくない方が好ましい。下記のような、複
数の問題が起こる可能性がある。Most of the problems that occur during measurement and that affect the final result are related to the amplitude of movement of the object. In order for the method using the device of the present invention to be effective, it is preferable that the movement amplitude is not so large. Multiple problems can occur, including:
第一に、インターフェログラムの全領域が欠けてしま
い、(内挿法のケースにおいて)補間が非常に難しい場
合がある。First, the entire area of the interferogram may be missing, making interpolation very difficult (in the case of interpolation).
第二に、もしインターフェログラムの中央部分が完全
に欠落したなら、フーリエ変換を計算することは不可能
である。Second, if the central part of the interferogram is completely missing, it is impossible to calculate the Fourier transform.
そして最後に、被測定物の動きのために、(移動に対
する補正後の)実際のOPDステップがナイキスト条件
(計測器の感度の最低波長の2分の1)よりも大きい場
合は、不正確な結果が生じるかもしれない。And finally, it is inaccurate if the actual OPD step (corrected for movement) is greater than the Nyquist condition (1/2 the lowest wavelength of the instrument's sensitivity) due to the movement of the DUT. Results may occur.
しかし、修正処置を採ることができる。下記にいくつ
かをリストアップする。However, corrective action can be taken. Below is a list of some.
第一に、中央部分が存在する場合は、通常、インター
フェログラムの中心を見いだすことは容易である。この
場合、もしインターフェログラムが対称的であるなら、
片側のデータ・ポイントを他の側に反映して空きを満た
すことができる。First, it is usually easy to find the center of the interferogram if the central part is present. In this case, if the interferogram is symmetric,
Data points on one side can be reflected on the other side to fill the void.
第二に、必要なスペクトル解像度及び測定時間に適し
た最も小さなOPDステップを採用する。これは、インタ
ーフェログラム内に大きな空白を残さないという効果が
ある。Second, it adopts the smallest OPD step suitable for the required spectral resolution and measurement time. This has the effect of leaving no large gaps in the interferogram.
第三に、干渉計の走査を二、三回繰り返し、あたかも
一回の測定で得られたかのようにデータを組合せる。も
しOPDが一回の走査で欠けていても、(ランダムな移動
のために)もう一つの走査においては存在する可能性が
ある。Third, repeat the interferometer scan a few times and combine the data as if it had been obtained in one measurement. If the OPD is missing in one scan, it may be present in another (due to random movement).
第四に、一つのフレームにおけるOPDが一方向にだけ
(例えば水平に)異なる干渉計において、もし物体の動
きが単に一方向であるなら(例えば、人間の眼は水平不
随意運動を起こす)、OPD勾配が物体の移動方向に直角
になるように、計測器を光軸の周囲に回転させる。この
ようにすれば、移動からは、フレームの空間的な位置決
めのみが影響を受け、インターフェログラムはほとんど
影響されないため、誤差の原因をかなり減らすことがで
きる。Fourth, in an interferometer where the OPDs in one frame differ only in one direction (eg horizontally), if the motion of the object is only one direction (eg the human eye undergoes horizontal involuntary movements), then Rotate the instrument around the optical axis so that the OPD gradient is perpendicular to the direction of movement of the object. In this way, only the spatial positioning of the frame is affected by the movement, and the interferogram is hardly affected, so that the cause of the error can be considerably reduced.
第五に、特色がない物体の場合には、すべてのピクセ
ルは同等であるため、移動からの結果への影響はあまり
ないと予想される。Fifth, in the case of a featureless object, all pixels are equivalent, so it is expected that movement will have less effect on the result.
最後に、次の区別をすべきである。(i)一つの平面
上を固く直線的に移動する物体。すなわち、物体は、す
べての部分が形状及び大きさを保持しながら動き、スペ
クトル映像装置を介して見た場合、すべての部分の相対
的な距離が一定に保持される。(ii)平面上を直線的に
移動する物体。この場合、すべての部分は形状及び大き
さを保持するが、それらの部分の相対的な距離は時間の
経過と共に変化する。前者のケースは後者よりも単純で
あることは明らかである。さらに、前者に対して許容可
能な解決方法が見つかったなら、通常、後者は、物体
を、互いに相対的に動く複数のエリアへと分割すること
によって解決することができる。各々が別々にしっかり
と移動するとしても、個々のエリアに前者のケースの解
決方法を適用できる。Finally, the following distinctions should be made. (I) An object that moves firmly and linearly on one plane. That is, the object moves while all parts retain their shape and size, and when viewed through a spectral imager, the relative distances of all parts are held constant. (Ii) An object that moves linearly on a plane. In this case, all parts retain their shape and size, but the relative distances of those parts change over time. Clearly, the former case is simpler than the latter. Furthermore, if an acceptable solution is found for the former, the latter can usually be solved by dividing the object into areas that move relative to each other. The former case solution can be applied to individual areas, even if each moves separately and firmly.
上記の考慮は、ある特定のタイプの運動、特に(ラン
ダムあるいはランダムでない)固い直線的な動きに対し
て正当である。上記のいくつかの考慮は、他のタイプの
動きに対しても一般化することができ、例えば、固くな
い、そして/あるいは非線形の動きにも適用可能であ
る。どの場合でも、本発明は、原理的に、計測器の照準
線に直角な軸の回りに物体が回転するケースを扱うこと
はできない。その理由は、測定中に物体の各部分が形状
を変えて視野から姿を消してしまうためであり、そうな
ると測定が不完全になってしまうことは明らかである。
また、移動がなくとも、測定中にスペクトルに対して影
響を持つ、物体内の化学変化があるケースについては、
本発明は言及しない。The above considerations are valid for certain types of movements, especially hard linear movements (random or non-random). Some of the above considerations can be generalized to other types of motion as well, eg, applicable to non-stiff and / or non-linear motions. In any case, the invention cannot, in principle, handle the case where the object rotates about an axis perpendicular to the instrument's line of sight. The reason is that each part of the object changes its shape and disappears from the field of view during the measurement, and it is obvious that the measurement becomes incomplete.
In addition, even if there is no movement, there is a chemical change in the object that has an effect on the spectrum during measurement,
The present invention is not mentioned.
可動物の問題を解決することは、本来等間隔でない値
に対して定義されたインターフェログラムのフーリエ変
換を計算することと同じであるということは、同業者に
は明らかである。この問題は放射線天文学において既知
である(「合成結像」Synthesis Imaging(1986)Perle
y,Schwab and Bridle,Report of Summer School of the
National Radio Astronomy Observatory,p.72,Greenba
nk W.Virginiaを参照)。この分野では、低いOPD範囲に
おけるデータの凝集によって、画像輝度に大きな波動が
導入されるため、弱い点源を検出することが難しくなる
ことが知られている。It will be apparent to those skilled in the art that solving the problem of moving objects is the same as computing the Fourier transform of the interferogram defined for values that are not equidistant in nature. This problem is known in radiation astronomy ("Synthesis Imaging" (1986) Perle
y, Schwab and Bridle, Report of Summer School of the
National Radio Astronomy Observatory, p.72, Greenba
nk W. Virginia)). In this field, it is known that the aggregation of data in the low OPD range introduces a large wave in the image brightness, which makes it difficult to detect a weak point source.
可動物のスペクトル画像を測定可能なスペクトル映像
装置には、多くの用途が考えられる。以前の公報(例え
ば、(i)「人間の染色体の多色スペクトル核型分析」
Schroeck et al.(1996)Multicolor spectral karyoty
ping of human chromosomes,Science 273:494−497、
(ii)「量的細胞学のためのフーリエ変換マルチピクセ
ル分光分析法」Malik et al.(1996)Fourier transfor
m multipixel spectroscopy for quantitative cyiolog
y.J.of Microscopy 182:133−140、(iii)「黒色腫のA
LA媒介PDT:新規なスペクトル結像システムによって測定
される光感作物質の相互作用、腫瘍治療及び発見のため
の光学的方法についての会報:光力学性治療のメカニズ
ム及び技術」Malik and Dishi(1995)ALA mediated PD
T of melanoma tumors:Iight−sensitizer interaction
s determined by a novel spectral imaging system.Pr
oceedings of optical methods for tumor treatment a
nd detection:Mechanisms and dechniques in photodyn
amic therapy IV,Feb.4−5,1995,San Jose,CA,SPIE Vo
l.2392,pp.152−158、(iii)「分光分析法と画像処理
との組合せによる生物学のための新規なスペクトル結像
システム、生体臨床医学における光学的結像技術につい
ての会報」Malik et al.(1994)A novel spectral ima
ging system combining spectroscopy with imaging−a
pplication for biology.Proceedings of optical and
imaging techniques in biomedicine,Sep.8−9,1994,Li
lle,France,SPIE Vol.2329,pp.180−184、(iv)「単一
黒色腫細胞におけるフーリエ変換マルチプレックス分光
分析法及びフォトポリフィリンのスペクトル結像、光化
学と光生物学」Malik et al.(1996)Fourier transfor
m multiplex spectroscopy and spectral imaging"of p
hotoporphyrin in single melanoma cells.Photochemis
try and photobiology 63:608−614、(v)「無傷のネ
ズミの脳における結像酸素膿度計としての新規な生体画
像システムの使用、腫瘍及び他の病気の診断のためのレ
ーザ及び光分光分析法における進歩についての会報」So
enksen et al.(1996)Use of novel bio−imaging sys
tem as an imaging oximeter in intact rat brain.Pro
ceedings of advances in laser and light spectrosco
py to diagnose cancer and other diseases III,Jan.2
9−30,1996,San Jose CA,SPIE Vol.2679,pp.182−189を
参照)においては、スペクトル結像を用いるいくつかの
生体医学への応用が教えられている。これには、核型分
析等のDNA分析、網膜の病気の初期診断、従来の結像技
術によって表面が観察可能な生体組織における腫瘍の発
見等が含まれる。Many applications are conceivable for a spectrum imaging device capable of measuring a spectrum image of a movable object. Previous publications (eg (i) "Multicolor spectral karyotype analysis of human chromosomes")
Schroeck et al. (1996) Multicolor spectral karyoty
ping of human chromosomes, Science 273: 494-497,
(Ii) "Fourier transform multi-pixel spectroscopy for quantitative cytology" Malik et al. (1996) Fourier transfor
m multipixel spectroscopy for quantitative cyiolog
yJof Microscopy 182: 133-140, (iii) "Melanoma A
LA-Mediated PDT: A Report on Photosensitizer Interactions Measured by a Novel Spectral Imaging System, Optical Methods for Tumor Treatment and Discovery: Mechanisms and Techniques of Photodynamic Therapy "Malik and Dishi (1995 ) ALA mediated PD
T of melanoma tumors: Iight−sensitizer interaction
s determined by a novel spectral imaging system.Pr
oceedings of optical methods for tumor treatment a
nd detection: Mechanisms and dechniques in photodyn
amic therapy IV, Feb.4-5,1995, San Jose, CA, SPIE Vo
l.2392, pp.152-158, (iii) "New Spectral Imaging System for Biology by Combination of Spectroscopy and Image Processing, Bulletin on Optical Imaging Technology in Biomedical Medicine" Malik et al. (1994) A novel spectral ima
ging system combining spectroscopy with imaging−a
pplication for biology.Proceedings of optical and
imaging techniques in biomedicine, Sep.8-9,1994, Li
lle, France, SPIE Vol.2329, pp.180-184, (iv) "Fourier transform multiplex spectroscopy in single melanoma cells and spectral imaging of photoporphyrin, photochemistry and photobiology" Malik et al. (1996) Fourier transfor
m multiplex spectroscopy and spectral imaging "of p
hotoporphyrin in single melanoma cells.Photochemis
try and photobiology 63: 608-614, (v) "Use of a novel bioimaging system as an imaging oximetry in the intact mouse brain, laser and optical spectroscopy for the diagnosis of tumors and other diseases. Newsletter on Progress in Law "So
enksen et al. (1996) Use of novel bio-imaging sys
tem as an imaging oximeter in intact rat brain.Pro
ceedings of advances in laser and light spectrosco
py to diagnose cancer and other diseases III, Jan.2
9-30, 1996, San Jose CA, SPIE Vol. 2679, pp. 182-189), some biomedical applications using spectral imaging are taught. This includes DNA analysis such as karyotype analysis, early diagnosis of retinal disease, and detection of tumors in living tissue whose surface can be observed by conventional imaging techniques.
このような装置から、多くの他の分野の種々の用途も
利益を得ることは明らかである。事実、分光分析法は光
の物質との相互作用によるため、光のスペクトルの測定
によって物質の成分に関する情報が得られる。今日、ほ
とんどの医学用画像装置は、分析あるいは治療される組
織のリアルタイム表示のために、また、患者の記録とし
ての組織画像の保存及び後の検索のためにビデオカメラ
用アタッチメントが設けられている。これらには、
(i)外科医に治療すべき組織を表示する、手術台の内
視鏡あるいは顕微鏡に付けられたビデオカメラ、(ii)
患者の網膜を眼科医を表示する眼底カメラに付けられた
ビデオカメラが含まれるが、限定するものではない。Obviously, various applications in many other fields would also benefit from such a device. In fact, spectroscopic methods rely on the interaction of light with matter, so measuring the spectrum of light provides information about the composition of matter. Most medical imaging devices today are equipped with video camera attachments for real-time display of the tissue being analyzed or treated, and for storing and later retrieving the tissue image as a record of the patient. . These include
(I) A video camera attached to the endoscope or microscope of the operating table that displays to the surgeon the tissue to be treated, (ii)
Includes, but is not limited to, a video camera attached to the fundus camera that displays the patient's retina to the ophthalmologist.
米国特許第5,539,517号によるスペクトル映像装置
は、映像化にスペクトルの次元を付加する洗練されたビ
デオカメラに等しいものであり、これらすべての生体医
学用結像計測器に機械的に、そして光学的に適合するよ
うに製造されている。このため、いずれの生体医学用結
像計測器にも取付が容易であり、従来の結像方法で表示
可能などの組織のスペクトル画像でも測定することがで
きる。The spectral imager according to U.S. Pat.No. 5,539,517 equates to a sophisticated video camera that adds spectral dimensions to the imaging, mechanically and optically to all these biomedical imaging instruments. Manufactured to fit. Therefore, it can be easily attached to any biomedical imaging instrument, and a spectral image of any tissue that can be displayed by the conventional imaging method can be measured.
用途の個々の事例としては、皮膚癌や、肺、胃、結
腸、直腸、子宮頸、膀胱、前立腺等の多くの内部器官の
癌の早期発見、例えば糖尿病の結果として起こる網膜内
の虚血の早期発見、網膜症、糖尿病性網膜症、網膜ジス
トロフィー、緑内障、黄斑変性等の早期発見がある。ま
た、ヘモグロビン、チトクローム、フラビン、ニコチン
アミドアデニンジヌクレオチド、ニコチンアミドアデニ
ンジヌクレオチドリン酸等(限定せず)の新陳代謝に関
連する分子は、還元体あるいは酸化体において特有のス
ペクトルを持つため、このような化学物質の濃度を測定
することによって、血液灌流、そして組織の新陳代謝機
能についての活力そして/あるいは代謝マッピングとそ
の査定にも適用可能である。Specific examples of applications include early detection of skin cancer and cancer of many internal organs such as lungs, stomach, colon, rectum, cervix, bladder, prostate, for example ischemia in the retina resulting from diabetes. Early detection, early detection of retinopathy, diabetic retinopathy, retinal dystrophy, glaucoma, macular degeneration, etc. In addition, since molecules related to metabolism such as hemoglobin, cytochrome, flavin, nicotinamide adenine dinucleotide, and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (without limitation) have a unique spectrum in the reduced form or the oxidized form, By measuring the concentration of various chemicals, it is also applicable to blood perfusion, and vitality and / or metabolic mapping and assessment of metabolic function of tissues.
もし不可能でないとしても、分析される組織を完全に
静止させることは、生体組織の場合、概して難しいこと
は明らかである。これは、呼吸、心拍動、患者の無意識
の動き等に起因するものである。組織自体を外部の機械
的な手段(例えば、角膜の外科手術で用いられる眼を動
かないようにする特別なホルダ)によって強制的に静止
させたとしても、血液が血管を循環しているという単純
な事実によって診断組織に小さな動きが誘発される。特
に物体が顕微鏡を介して拡大される場合、分析領域の動
きも拡大される。Obviously, if not impossible, it is generally difficult in the case of living tissue to bring the analyzed tissue to a complete rest. This is due to breathing, heartbeat, unconscious movement of the patient, and the like. Even if the tissue itself is forced to rest by external mechanical means (for example, a special holder that holds the eye stationary during corneal surgery), the simple fact that blood is circulating in blood vessels These facts induce small movements in the diagnostic system. The movement of the analysis area is also magnified, especially when the object is magnified through the microscope.
治療する医師に、このような大量の情報を提供する能
力を持つスペクトル映像装置は、もし可動物を全く測定
することができないとしたら、ひどく制限されてしま
う。したがって、本発明は、可動物のスペクトル結像の
ための手段を提供するものである。Spectral imagers capable of providing such a large amount of information to the treating physician are severely limited if they cannot measure moving objects at all. Accordingly, the present invention provides a means for spectral imaging of moving objects.
したがって、本発明の目的は、生物の構成要素(例え
ば、網膜血管内の酸素及び脱酸素ヘモグロビン及び/あ
るいは網膜内のメラニン色素沈着レベル)からの、白色
光、紫外線あるいはレーザによって誘発された発光スペ
クトルを量的にマッピングし、そして生体器官内の健康
な、または病んだ組織あるいは細胞から腫瘍を識別する
ことである。したがって、誘発された発光分光分析法に
よって生成される信号を、生体組織あるいは器官の異な
る成分を特徴づけるために用いる。さらに、この方法
は、タンパク質、糖類、NAD+及びHADH、コラーゲン、
エラスチン及びフラビン、そして細胞そして/あるいは
組織内にの種々の代謝媒介物の識別及び立体的なマッピ
ングを可能にする。特定の波長における発光を用い、そ
して種々のアルゴリズムによって分析することで、生体
内において、組織(あるいは細胞)のアルカリ度あるい
は酸性度、血液灌流、さらには組織内における新生物の
存在を調べ、マッピングし、そして特徴づけをおこなう
ことができる。生物試料からの放射光線を検出する種々
の実験システムが世界中にある。これらの診断検出シス
テムからの信号及び画像を分析する方法が、最近の、医
学の分野における重大な課題の一つになっており、本発
明はこの問題を扱うものである。Therefore, it is an object of the present invention that white light, ultraviolet light or laser-induced emission spectra from biological components such as oxygen and deoxygenated hemoglobin in retinal blood vessels and / or melanin pigmentation levels in the retina. To quantitatively map and identify tumors from healthy or diseased tissues or cells within a living organ. Therefore, the signals generated by the induced emission spectroscopy are used to characterize different components of living tissues or organs. In addition, this method uses proteins, sugars, NAD + and HADH, collagen,
It allows the identification and steric mapping of elastin and flavin, and various metabolic mediators within cells and / or tissues. By using the emission at a specific wavelength and analyzing by various algorithms, the alkalinity or acidity of a tissue (or cell), blood perfusion, and the presence of a neoplasm in a tissue can be investigated and mapped in vivo. And can be characterized. There are various experimental systems around the world that detect emitted light from biological samples. The method of analyzing the signals and images from these diagnostic detection systems has become one of the recent significant challenges in the medical field and the present invention addresses this issue.
糖尿病性網膜症は、潜在的に視覚を破壊するが、多く
の場合、早期のレーザ治療によって抑制できる病気であ
る(Ferris(1993)(commentary)JAMA 269:1290−129
1を参照)。米国眼科学会は、治療を要する症状を持つ
患者に対するスクリーニング・スケジュールを提案して
いる(「糖尿病性網膜症:米国眼科学会が推薦する処
置」Diabetic Retinopathy:American Academy of Ophth
almology Preferred Practice Patterns.San Francisc
o,Cal.:American Academy of Ophthalmology Quality o
f Care Committee Retinal Pane,American Academy of
Ophthalmology,1989)。Diabetic retinopathy is a disease that potentially destroys vision, but can often be suppressed by early laser treatment (Ferris (1993) (commentary) JAMA 269: 1290-129).
See 1). The American Academy of Ophthalmology proposes a screening schedule for patients with conditions that require treatment ("Diabetic Retinopathy: American Academy of Ophth").
almology Preferred Practice Patterns.San Francisc
o, Cal .: American Academy of Ophthalmology Quality o
f Care Committee Retinal Pane, American Academy of
Ophthalmology, 1989).
しかしながら、提案されたスクリーニング・スケジュ
ールは費用がかかるものであり、また、時折患者は、予
定検査日までの期間に深刻な網膜症を患うため、幾人か
の人々にとっては、現在の費用がかかるスクリーニング
でさえも十分とは言えない。それにも拘らず、このスク
リーニングは、費用効果が高いことが示されている(Ja
vitt et al.(1989)Ophthalmology 96:255−64を参
照)。この研究は、危険性が高い患者及び低い患者がよ
り効率的に確認できるなら、高額のヘルスケア・コスト
が削減できることを示している。したがって、糖尿病性
網膜症のスクリーニングの精度を増し、そしてコストを
減らす方法は、臨床的価値が高い。However, the proposed screening schedules are expensive and, at times, patients suffer from severe retinopathy by the time of the scheduled exam, which in some cases is currently expensive. Even screening is not enough. Nevertheless, this screening has been shown to be cost-effective (Ja
vitt et al. (1989) Ophthalmology 96: 255-64.). This study shows that higher-cost and lower-risk patients can be identified more efficiently, resulting in higher healthcare cost savings. Therefore, methods that increase the accuracy and reduce the cost of screening for diabetic retinopathy have great clinical value.
現在、糖尿病性網膜症の推薦スクリーニングには、網
膜の詳細な測定が含まれる。また、特別なケースに対し
てはカラー網膜写真が撮られる(「糖尿病性網膜症:米
国眼科学会が推薦する処置」Diabetic Retinopathy:Ame
rican Academy of Ophthalmology Preferred Practice
Patterns.San Francisco,Cal.:American Academy of Op
hthalmology Quality of Care Committee Retinal Pan
e,American Academy of Ophthalmology,1989を参照)。
網膜のフルオレセン血管造影は、今日日常的に行われる
が、外科的で、不快で、そして死に至る危険性もある。
さらに、フルオレセン血管造影によって得られた追加的
な情報は、即時のレーザ治療が患者に有効か、あるいは
無効か、患者を分類する助けにはならない(Ferris(19
93)(commentary)JAMA 269:1290−1を参照)。Currently, the recommended screening for diabetic retinopathy includes detailed measurements of the retina. In addition, color retinal photographs are taken for special cases ("Diabetic Retinopathy: A Treatment Recommended by the American Academy of Ophthalmology" Diabetic Retinopathy: Ame).
rican Academy of Ophthalmology Preferred Practice
Patterns.San Francisco, Cal.:American Academy of Op
hthalmology Quality of Care Committee Retinal Pan
e, American Academy of Ophthalmology, 1989).
Retinal fluorescein angiography, which is routine today, is also surgical, uncomfortable, and potentially fatal.
Moreover, the additional information obtained with fluorescein angiography does not help classify patients as to whether immediate laser therapy is effective or ineffective for patients (Ferris (19
93) (commentary) JAMA 269: 1290-1).
本発明によれば、特別に開発されたアルゴリズムとの
組合せによる干渉計に基づくスペクトル映像装置は、測
定中に診断対象器官あるいは組織が動く場合、同時に分
光学的なデータ及び画像情報を用いて、網膜の虚血の症
状を段階に分類することが可能であるため、臨床家が糖
尿病の患者を局所貧血あるいは非局所貧血に分類できる
ので、臨床的に有用な手段であることが分かる。According to the invention, an interferometer-based spectral imager in combination with a specially developed algorithm uses spectroscopic data and image information at the same time when the diagnostic target organ or tissue moves during the measurement, Since it is possible to classify the symptoms of ischemia of the retina into stages, the clinician can classify diabetic patients into local anemia or non-local anemia, which proves to be a clinically useful means.
網膜への酸素供給は、脈絡膜及び網膜の両方の循環に
よって提供される。脈絡膜は、無血管性外網膜内の光受
容体に対する酸素源として機能し、網膜の循環は、内網
膜内の神経要素及び神経繊維に酸素供給を維持する重大
な役割を演ずる。網膜の酸素需要が大きいため、糖尿病
性網膜症、高血圧、鎌状赤血球血症及び血管閉塞症等に
見られる循環機能の変化は、機能障害をもたらすと共に
網膜組織を拡張する。Oxygen supply to the retina is provided by both choroidal and retinal circulation. The choroid functions as a source of oxygen for photoreceptors in the avascular outer retina, and retinal circulation plays a critical role in maintaining oxygen supply to neural elements and fibers within the inner retina. Due to the large oxygen demand of the retina, changes in circulatory function such as diabetic retinopathy, hypertension, sickle cell disease, and vascular occlusion cause dysfunction and expand retinal tissue.
ヒッカム氏ら(Hickham et al.)が、初めて、網膜血
管内における血液の酸素飽和の悲観血的な測定を提案し
た(「循環」Hickham et al.(1963)Circulation 27:3
75を参照)。これは、視神経円板に交差する網膜血管
(視神経が網膜に結合する領域)に対して二つの波長
(560及び640nm)を用いる写真技術によるものである。
ピットマン(Pittman)氏及びデューリング(Duling)
氏による、三つの波長を用いる方法に基づく、より高度
なアプローチが、「光学の応用」(Delori(1988)Appl
ied Optics 27:1113−1125を参照)に示されている。For the first time, Hickham et al. Proposed a pessimistic measurement of oxygen saturation of blood in the retinal vessels (“circulation” Hickham et al. (1963) Circulation 27: 3).
See 75). This is due to a photographic technique that uses two wavelengths (560 and 640 nm) for a retinal blood vessel (the area where the optic nerve connects to the retina) that intersects the optic disc.
Mr. Pittman and Duling
A more sophisticated approach, based on the method of using three wavelengths, is described in "Application of Optics" (Delori (1988) Appl.
ied Optics 27: 1113-1125).
空間的な位置決め及びスペクトル補正を可能にする本
発明の装置と組合せた、米国特許第5,539,517号による
干渉計に基づくスペクトル映像装置、言い替えれば、装
置が提供するスペクトル情報に基づいて、被測定物の動
きに対して空間的に、そしてスペクトル的に補正が行わ
れることは、網膜血管内のヘモグロビンの酸素飽和レベ
ルの悲観血的な測定を可能にするだけではなく、装置が
提供する結像情報によって、網膜の虚血の発見及びマッ
ピングをも可能にする。さらに、主成分アルゴリズムあ
るいは神経網アルゴリズム等(限定せず)の高度なスペ
クトル分析アルゴリズムと組合せることで、網膜症の程
度の分類にも、そして例えば糖尿病患者の治療分類にも
用いることができる。An interferometer-based spectral imaging device according to U.S. Pat.No. 5,539,517, in combination with a device of the present invention that enables spatial positioning and spectral correction, in other words, based on the spectral information provided by the device, the object to be measured. Spatial and spectral corrections to motion not only allow a pessimistic measurement of the oxygen saturation level of hemoglobin in the retinal vessels, but also by the imaging information provided by the device. It also enables discovery and mapping of retinal ischemia. Further, by combining with a sophisticated spectrum analysis algorithm such as a principal component algorithm or a neural network algorithm (without limitation), it can be used for classification of the degree of retinopathy, and for treatment classification of diabetic patients, for example.
生体組織の多くの化学物質は、血管機能と代謝とに関
係があるため、網膜虚血の主要な要因は、オキシ及びデ
オキシ形態にあるヘモグロビンの濃度を介して測定され
得る酸素であるが、NAD+、NADH、フラビン、チトクロ
ーム等の他の成分の濃度を測定することによっても重要
な情報が得られる。Since many chemicals in living tissues are involved in vascular function and metabolism, a major factor in retinal ischemia is oxygen, which can be measured through the concentration of hemoglobin in its oxy and deoxy forms, but NAD + Important information can also be obtained by measuring the concentrations of other components such as, NADH, flavins and cytochromes.
反射率における吸収ピーク、紫外線あるいは青色光に
おける蛍光ピーク、単一あるいは複数波長による励起の
集中に相関する、このような組織の化学成分のスペクト
ル検出を説明する多くの従来の技術を考慮すると、本発
明の装置と組合せた、米国特許第5,539,517号による干
渉計に基づくスペクトル映像装置は、生体の非静止器官
/組織における一つ以上のこのような成分の濃度を同時
にマッピングするために用いることもできる。この場
合、この映像装置を用いる特定のハードウェア構成に応
じて、得られる情報のタイプ及び量が決まる。Considering many conventional techniques that describe the spectral detection of such chemical constituents of tissue, which correlates with absorption peaks in reflectance, fluorescence peaks in ultraviolet or blue light, and concentration of excitation by single or multiple wavelengths, the book The interferometer-based spectral imaging device according to US Pat. No. 5,539,517 in combination with the device of the invention can also be used to simultaneously map the concentration of one or more such components in a non-resting organ / tissue of a living body. . In this case, the type and amount of information obtained will depend on the particular hardware configuration using this video device.
例えば、最も質素で最も簡単な構成は、映像装置を眼
底カメラのCCDポートに付けることである。この構成に
よれば、網膜が映像化されるだけではなく、眼底カメラ
の広帯域白色光源は、以前と同様、網膜からの反射光の
測定に用いることができる。この場合、酸素濃度は、映
像化される網膜のすべてのピクセルに対して、デロリ
(Delori)のアルゴリズムあるいはそれに類似するアル
ゴリズムを適用して測定される(「光学の応用」Delori
(1995)Appl.Optics 27:1113−1188,and Appl Optics,
Vol.28,1061,and,Delori et al.(1980)Vision Resear
ch 20:1099を参照)。干渉計に基づくスペクトル映像装
置に基礎を置く、より複雑なシステムとしては、(i)
自己蛍光スペクトル結像、(ii)紫外線あるいは青色光
蛍光励起を用いるスペクトル結像、(iii)単独に、同
時に、あるいは連続的に、次に列記する波長におけるレ
ーザ励起による蛍光を用いるスペクトル結像がある。65
0、442、378、337、325、400、448、308、378、370、35
5、あるいは同様な情報が得られる同等な波長をも含
む。For example, the simplest and simplest configuration is to attach the imager to the CCD port of the fundus camera. With this configuration, not only is the retina imaged, but the broadband white light source of the fundus camera can be used to measure the reflected light from the retina as before. In this case, the oxygen concentration is measured by applying Delori's algorithm or a similar algorithm to all pixels of the retina to be imaged (“Optical Application” Delori).
(1995) Appl.Optics 27: 1113-1188, and Appl Optics,
Vol.28,1061, and, Delori et al. (1980) Vision Resear
ch 20: 1099). A more complex system based on an interferometer-based spectral imager includes (i)
Autofluorescence spectral imaging, (ii) spectral imaging with ultraviolet or blue light fluorescence excitation, (iii) alone, simultaneously or sequentially, spectral imaging with laser excitation at the wavelengths listed below. is there. 65
0, 442, 378, 337, 325, 400, 448, 308, 378, 370, 35
5 or equivalent wavelengths at which similar information is obtained.
これらの機器構成は、個別に、あるいは同じ計測器内
に複数の組合せで、いくつかのやり方で作成できる。計
測器は、コンピュータと、データを解釈し眼科医に有用
な方法でそれを表示するソフトウェアとを含み、光源、
眼底カメラ及びスペクトル映像装置から形成される。These configurations can be created in several ways, either individually or in multiple combinations within the same instrument. The instrument includes a computer and software that interprets the data and displays it in a manner useful to the ophthalmologist, a light source,
Formed from a fundus camera and a spectral imager.
白色光反射、自己蛍光、単一波長連続波レーザ励起蛍
光、あるいは多波長レーザ励起蛍光における全ての場合
では、サンプルを照射してスペクトル画像を測定する。In all cases in white light reflection, autofluorescence, single wavelength continuous wave laser excited fluorescence, or multiwavelength laser excited fluorescence, the sample is illuminated and the spectral image is measured.
パルス・レーザ照射の場合には、スペクトル映像装置
の作動方法が僅かに修正され、根本的でなく大掛かりで
はないが、計測器の作動にとって重要な、ハードウェア
のいくらかの変更が必要となる。これらの変更は次の通
りである。In the case of pulsed laser irradiation, the method of operation of the spectral imager is slightly modified, necessitating some changes in the hardware, which are not fundamental or major, but important to the operation of the instrument. These changes are as follows:
単一パルス・レーザ励起蛍光スペクトル結像に対して
は、レーザ・パルスと、映像装置のCCDのフレーム採取
は、干渉計の走査角に同期される。これによって、各パ
ルスにおいて、干渉計は1ステップを行い、新しいフレ
ームがコンピュータによって収集される(フレーム毎に
パルス数が変化しない限り、通常、いくつかのパルスを
各フレームに対して用いることができる)。このように
することで、各OPD値における、インターフェログラム
値は、同数のレーザ・パルスに対応する(しかし異な
る)。これは、各フレームを同じ総照射輝度で採ること
を保証するために必要である。さもなければ、各フレー
ムは、異数のレーザ・パルスから生じる蛍光を測定する
こととなり、インターフェログラムは歪んでしまう。For single-pulse laser-excited fluorescence spectral imaging, the laser pulse and imager CCD framing are synchronized to the interferometer scan angle. This causes the interferometer to take one step at each pulse and a new frame is collected by the computer (usually several pulses can be used for each frame as long as the number of pulses does not change from frame to frame). ). In this way, the interferogram value at each OPD value corresponds (but is different) to the same number of laser pulses. This is necessary to ensure that each frame is taken with the same total illumination intensity. Otherwise, each frame would measure fluorescence resulting from a different number of laser pulses and the interferogram would be distorted.
複数のパルス・レーザに誘発された蛍光スペクトル結
像に対しては、操作方法が二通りある。(i)連続的
に、上記と同様に各レーザ別にスペクトル・キューブ全
体を収集する。これは、測定中に一つのレーザだけが作
動し、終了時に各レーザ波長に対する一つのスペクトル
・キューブの測定が完了することを意味する。(ii)干
渉計の次のステップ及び次のフレームを採る前にすべて
のレーザが連続的に取り替えられるように、干渉計とフ
レーム採取とに同期させて連続的に各レーザをパルスさ
せる。この場合は、終了時に、単に一つのスペクトル・
キューブが得られる。There are two methods of operation for fluorescence spectral imaging induced by multiple pulsed lasers. (I) Sequentially, collect the entire spectral cube for each laser as above. This means that only one laser is active during the measurement and at the end the measurement of one spectral cube for each laser wavelength is completed. (Ii) Pulse each laser in synchronism with the interferometer and framing so that all lasers are continuously replaced before taking the next step of the interferometer and the next frame. In this case, at the end, just one spectrum
You get a cube.
すべての情報を分析して解釈しなければならない。最
も重要なアルゴリズムは、異なる波長間、そして画像内
の異なるピクセル間で輝度を比較するものである。これ
らのアルゴリズムは、輝度の変分と、組織内の異なる領
域間及び異なる波長間の比を考慮すべきである。この方
法は、非常に高感度で、大量の情報を提供するもので、
スリット・ランプ結像(白色光あるいはフィルター光)
に取って代わるものである。All information must be analyzed and interpreted. The most important algorithm is to compare intensities between different wavelengths and different pixels in the image. These algorithms should take into account the variation in brightness and the ratio between different regions and different wavelengths within the tissue. This method is very sensitive and provides a large amount of information,
Slit lamp image formation (white light or filtered light)
It replaces.
他の用途に関しては同業者には明らかである。これら
は、脈絡膜の虚血による視力喪失、虚血性視神経障害、
角膜及び虹彩の問題等、そして、白色光あるいは異なる
光源による蛍光を用いる映像化技術によって今日分析さ
れ得る多くの他のものを含む。Other uses will be apparent to those skilled in the art. These are visual loss due to choroidal ischemia, ischemic optic neuropathy,
It includes corneal and iris problems, and many others that can be analyzed today by imaging techniques using white light or fluorescence from different light sources.
米国特許第5,539,517号によるスペクトル映像装置
は、内視鏡及び腹腔鏡を含む多くの結像光学素子に付け
ることができるため、取り除くべき病んだ組織を正確に
定める、どこから切開しどこで止めるかを決定する、そ
して手術中にすべての病んだ組織が摘出されたかどうか
を判断する外科医への助けとして、外科手術前、手術中
あるいは手術後に用いることも可能である。これらのス
ペクトル映像装置は、本質的に、スペクトル特性に関連
する化学成分を介して組織の性質を分析し、ユーザーが
把握、決定、そして行動をとる助けとなる(通常、強調
された)視覚的なマップを提供するのに適している。The spectral imager according to U.S. Pat.No. 5,539,517 can be attached to many imaging optics, including endoscopes and laparoscopes, to accurately define the diseased tissue to be removed, where to cut and where to stop. It can also be used before, during or after surgery to assist the surgeon in determining and determining whether all diseased tissue has been removed during surgery. These spectral imagers, by their nature, analyze the properties of tissues through chemical components related to their spectral properties and provide a (usually emphasized) visual aid that helps the user to understand, make decisions, and act. It is suitable for providing various maps.
生体における癌組織検出の場合のハードウェア構成
と、それに伴う分析及び表示アルゴリズムの種類は、上
記の眼科学的な例に非常に類似するもので、違いは採光
光学系にある(例えば、眼底カメラの代わりに種々の内
視鏡)。この検出に係るいくつかの基本的な分子成分と
しては、酸素濃度等の一般的なもの、他には、コラーゲ
ン及びエラスチン、DNA染色質等の細胞核内の遺伝物質
がある。複数波長あるいはパルス励起の場合の照射及び
同期化条件も同様である(Pitris et al.,Paper presen
ted at European Biomedical Optics Week by SPIE,1 2
−16 September 1995,Barcelona Spainを参照)。The hardware configuration for cancer tissue detection in a living body and the types of analysis and display algorithms accompanying it are very similar to the above ophthalmological examples, and the difference lies in the daylighting optical system (for example, a fundus camera). Instead of various endoscopes). Some basic molecular components involved in this detection are general ones such as oxygen concentration, and others include genetic materials in the cell nucleus such as collagen and elastin, and DNA chromatin. The irradiation and synchronization conditions for multiple wavelengths or pulsed excitation are similar (Pitris et al., Paper presen.
ted at European Biomedical Optics Week by SPIE, 1 2
-16 September 1995, Barcelona Spain).
これらすべての例において、空間的な位置決め及びス
ペクトル補正が必要とされるが、それらは本発明の装置
を用いた方法によって提供されるものである。In all these examples spatial positioning and spectral correction are required, which are provided by the method using the device of the invention.
本発明による装置の目的、利点及び新規の特徴が、次
の例を理解することで同業者には明らかになるが、それ
らの例によって発明を限定するものではない。The purpose, advantages and novel features of the device according to the invention will be apparent to those skilled in the art upon understanding the following examples, which are not intended to limit the invention.
例1
空間的な位置決め及びスペクトル補正−画像に対する影
響
さて、図3a及びbを参照する。図3aは、本発明による
装置の空間的な位置決め処理及びスペクトル補正処理を
用いないで、スペクトラキューブ・システムによって得
た、健康な人の右目の網膜の視神経円板のスペクトル画
像を示す。他方、図3bは、本発明による空間的な位置決
め処理及びスペクトル補正処理後の同じ像を示す。Example 1 Spatial Positioning and Spectral Correction-Implications for Images Reference is now made to Figures 3a and b. FIG. 3a shows a spectral image of the optic nerve disc of the right human retina of the right eye obtained by the SpectraCube system without the spatial positioning and spectral correction processes of the device according to the invention. On the other hand, FIG. 3b shows the same image after the spatial positioning process and the spectral correction process according to the invention.
両画像内には、視神経に酸素及び他の栄養素を供給す
る血管(細動脈)と、代謝中に生じた老廃物及び二酸化
炭素を取り除く血管(静脈)といっしょに、画像の真ん
中の部分に視神経円板が明るく見える。しかし、二つの
画像を比較すれば明らかであるが、測定中の眼の動きの
ために、図3aの画像はかなりかすんでいる。しかし、空
間的な位置決め及びスペクトル補正が適用される、本発
明の装置による修正処置によって、図3bに示す明瞭な画
像が生成された。In both images, the optic nerve in the middle of the image is shown with blood vessels (arterioles) that supply oxygen and other nutrients to the optic nerve, and blood vessels (veins) that remove waste products and carbon dioxide generated during metabolism. The disk looks bright. However, as is clear from a comparison of the two images, the image of Figure 3a is quite blurred due to eye movement during the measurement. However, the corrective action by the device of the invention, in which spatial positioning and spectral correction were applied, produced the clear image shown in Figure 3b.
さらに、図3a及び3bの画像は、組織の立体的な構成を
示すばかりではなく、直接的にではないけれども、スペ
クトル情報をも示している。言い替えれば、画像で存在
する異なる色は、画像の各ピクセルのスペクトルへRGB
アルゴリズムを適用した結果生じたものである。各ピク
セルは、スペクトルに応じ、また、予め選択されたRGB
関数に応じて、対応する輝度を持つRGB色で示されてい
る。図3aの画像のピクセルのように、歪んだスペクトル
が原因で、下記の例2及び例3でさらに明示されるが、
RGB関数は、いずれの画像に適用されても異なる結果を
もたらす。Furthermore, the images of Figures 3a and 3b not only show the stereoscopic organization of the tissue, but also, if not directly, the spectral information. In other words, the different colors present in the image are RGB to the spectrum of each pixel in the image.
It is the result of applying the algorithm. Each pixel has a preselected RGB depending on its spectrum.
Depending on the function, it is shown in RGB color with corresponding brightness. Like the pixels in the image of FIG. 3a, due to the distorted spectrum, it is further demonstrated in Examples 2 and 3 below,
The RGB function gives different results when applied to either image.
この例は、この場合は眼であるが、被測定可動物の明
瞭な、そして教育的な画像を得るための、空間的な位置
決め及びスペクトル補正の重要性を強調するものであ
る。This example, which in this case is the eye, emphasizes the importance of spatial positioning and spectral correction to obtain a clear and educational image of the moving object under test.
次の例は、特に、被測定物の選択された領域から、組
織等の新陳代謝の状態についての情報を得るために用い
ることができる有意義なスペクトル情報を得るためのス
ペクトル補正の重要性を明示するものである。The following example demonstrates the importance of spectral correction to obtain meaningful spectral information that can be used, among other things, to obtain information about the metabolic status of tissues, etc., from selected areas of the DUT. It is a thing.
例2
スペクトル補正−インターフェログラムに対する影響
さて、図4a及び4bを参照する。図4aは、図3aに示す画
像の単一ピクセル(x=112、y=151)に対して計算さ
れたインターフェログラムの一部を示す。したがって、
本発明の装置による空間的な位置決め処理及びスペクト
ル補正処理は適用されていない。他方、図4bは、本発明
による空間的な位置決め処理及びスペクトル補正処理後
の、同一ピクセルのインターフェログラムの対応する部
分を示す。Example 2 Spectral Correction-Influence on Interferogram Reference is now made to Figures 4a and 4b. FIG. 4a shows a portion of the interferogram calculated for a single pixel (x = 112, y = 151) of the image shown in FIG. 3a. Therefore,
The spatial positioning process and the spectral correction process by the device of the present invention are not applied. On the other hand, FIG. 4b shows the corresponding part of the interferogram of the same pixel after the spatial positioning process and the spectral correction process according to the invention.
図4aのインターフェログラムを調べると、(等間隔の
時間で測定された)関数の左方及び中央の部分が典型的
なインターフェログラムに似ているが、それに対して関
数の右の部分は全く変則的であることが明らかになる。
矢印によって示された局所的な最大は、被測定物の突然
の動き(例えば、眼の断続的な運動)によるものであ
る。特徴がない信号の増加は、被測定物の異なるポイン
トが急に元の位置から外れて現われ、インターフェログ
ラム関数に対して、物体が静止した状態から離れた異な
る値を与えたという事実が原因となっている。Examining the interferogram of Figure 4a, the left and center parts of the function (measured at evenly spaced times) resemble a typical interferogram, while the right part of the function shows It turns out to be quite anomalous.
The local maxima indicated by the arrows are due to sudden movements of the measured object (eg, intermittent eye movements). The increase in featureless signal is due to the fact that different points on the DUT suddenly appear to deviate from their original position, giving the interferogram function different values away from the stationary state of the object. Has become.
しかし、本発明による空間的な位置決め処理及びスペ
クトル補正処理が適用された後、図4bに示すように、同
じピクセルのインターフェログラム関数は典型的なもの
になる。However, after the spatial registration process and the spectral correction process according to the present invention have been applied, the interferogram function of the same pixel becomes typical, as shown in FIG. 4b.
図4bから明らかなように、補正インターフェログラム
は整っており、補正されていないインターフェログラム
を特徴づける図4aのような、目に付く中断あるいは奇妙
な部分はない。As can be seen from Figure 4b, the corrected interferogram is in place and there are no noticeable interruptions or quirks as in Figure 4a that characterize the uncorrected interferogram.
しかし、図4bの補正インターフェログラムは非均一的
な間隔で定義されている。例えば、フレーム番号107の
周りにおいては、データ密度が低いが、これは、干渉計
の走査方向に対して反対方向に眼が動いて、その周りの
OPD間隔が増えたことを示している。他方、干渉計の走
査方向と同方向へ眼が大きく動いたために形成された不
自然なフレーム番号であるフレーム番号109.5の周りに
おいては、データ密度が比較的に高く、その周りのOPD
間隔が減少している。However, the corrected interferogram of Figure 4b is defined with non-uniform spacing. For example, around frame number 107, the data density is low, which means that the eye moves in the opposite direction to the scanning direction of the interferometer and
This indicates that the OPD interval has increased. On the other hand, around frame number 109.5, which is an unnatural frame number formed due to the large movement of the eye in the same direction as the scanning direction of the interferometer, the data density is relatively high, and the OPD around it is relatively high.
The intervals are decreasing.
したがって、特定のピクセルの物理的なスペクトルを
概算するフーリエ積分を行ういくつかのやり方がある。
一つの方法は、任意の複数のOPD値の間に補間を行った
後、等間隔なOPD値を持つ新しいインターフェログラム
を形成し、そのピクセルの物理的なスペクトルを概算す
る高速フーリエ変換アルゴリズムの使用を可能にする。
もう一つの方法は、間隔に応じて重みを持つインターフ
ェログラム値の和として、式(3)を用いてフーリエ積
分を計算することができる。Therefore, there are several ways to do a Fourier integral that approximates the physical spectrum of a particular pixel.
One method is a fast Fourier transform algorithm that approximates the physical spectrum of the pixel by forming a new interferogram with evenly spaced OPD values after interpolating between any number of OPD values. Enable use.
Alternatively, the Fourier integral can be calculated using equation (3) as the sum of the interferogram values with weights according to the intervals.
(3) f(σ)=1/K・ΣF(xi)Δie(iσxi)
この場合、Kは定数であり、f(σ)は波長λ=1/σに
おけるスペクトルの値であり、Δiは、xiにおけるOPD
と、xi+1におけるOPDとの間の違いである。物理的な
スペクトルを概算する他の方法、例えば、「合成映像」
(Synthesis Imaging(1986)Perley,Schwab and Bridl
e,Report of Summer School of the National Radio As
tronomy Observatory,p.72,Greenbank W.Virginia.を参
照)等は同業者には明らかである。(3) f (σ) = 1 / K · ΣF (xi) Δie (iσxi) In this case, K is a constant, f (σ) is a spectrum value at the wavelength λ = 1 / σ, and Δi is OPD in xi
, And the OPD at xi + 1. Other methods of approximating the physical spectrum, eg "composite video"
(Synthesis Imaging (1986) Perley, Schwab and Bridl
e, Report of Summer School of the National Radio As
tronomy Observatory, p.72, Greenbank W. Virginia.) etc. are obvious to those skilled in the art.
例3
スペクトル補正−スペクトルに対する影響
さて、図5a及び5bを参照する。図5aは、本発明の装置
による空間的な位置決め処理及びスペクトル補正処理を
用いない図3aの画像から引き出した五つの隣接するピク
セルのスペクトルを示す。これらのピクセルの四つは、
図4aにインターフェログラムが示されたピクセルである
第五のピクセルの周囲に位置する。他方、図5bは、本発
明による空間的な位置決め処理及びスペクトル補正処理
の適用後の同じ五つのピクセルのスペクトルを示す。57
5nm周辺の窪みはオキシヘモグロビン吸収の特徴を示し
ている。Example 3 Spectral Correction-Influence on Spectra Reference is now made to Figures 5a and 5b. FIG. 5a shows the spectrum of five adjacent pixels extracted from the image of FIG. 3a without the spatial positioning and spectral correction processes of the inventive device. Four of these pixels are
The interferogram is located around the fifth pixel, which is the pixel shown in Figure 4a. On the other hand, FIG. 5b shows the spectrum of the same five pixels after the application of the spatial positioning process and the spectral correction process according to the invention. 57
The depression around 5 nm is characteristic of oxyhemoglobin absorption.
図5a及び5bのスペクトルを比較すると、二つの現象が
目に付く。第一に、図5bに比較して、図5aの対応するス
ペクトルはかなりノイズがある。第二に、図5bに示すよ
うに、ピクセルからピクセルへと本発明の装置を実行す
るとき、スペクトルは均一なパターンで変化し、全スペ
クトル範囲に渡って期待通りの平滑な様相を示すが、そ
のような様相は、図5aのスペクトルでは全く見られな
い。Two phenomena are noticeable when comparing the spectra of FIGS. 5a and 5b. First, compared to FIG. 5b, the corresponding spectrum in FIG. 5a is quite noisy. Second, as shown in Figure 5b, when the device of the invention is run from pixel to pixel, the spectrum changes in a uniform pattern, showing the expected smooth appearance over the entire spectral range, No such aspect is seen in the spectrum of Figure 5a.
したがって、例2及び例3は、被測定可動物からの有
意義なインターフェログラム及びスペクトルを得るため
のスペクトル補正の重要性を強調している。Therefore, Examples 2 and 3 emphasize the importance of spectral correction to obtain meaningful interferograms and spectra from the measured object.
例4
干渉縞抑圧によって支援されるフレームの空間的な位置
決め
ピクセルのインターフェログラムに対してフーリエ変
換演算を行う前に、干渉スペクトル映像装置によって測
定されたランダムに動く物体の生のデータを前処理する
ことで、最良な最終スペクトル・キューブを得ることが
できる。Example 4 Spatial Positioning of Frame Assisted by Interference Suppression Suppressing Raw Data of Randomly Moving Objects Measured by Interferometric Spectral Imager Before Performing Fourier Transform Operation on Interferogram of Pixels By doing so, the best final spectral cube can be obtained.
これは、サグナックあるいはそれに類似の干渉計に基
づくスペクトル映像装置においては、ここに説明したよ
うに、インターフェログラムのデータ・ポイントに対応
する瞬間的な光路差(OPD)は、単に特定のCCDフレーム
にだけに依存するものではなく、データ・ポイントが係
る特定のピクセルにも依存するという事実による。This is because in a spectral imager based on a Sagnac or similar interferometer, the instantaneous optical path difference (OPD) corresponding to the interferogram data point is simply a particular CCD frame, as described here. Due to the fact that the data points also depend on the particular pixel concerned.
その結果、もし測定中に物体が移動するなら、物体上
のポイントに拘束されたピクセルは、物体が静止してい
る状態の場合とは異なるため、もし補正が行われないな
ら、フーリエ変換アルゴリズムは、そのデータ・ポイン
トに対して誤ったOPDを用いることになる。ある手段に
よって、アルゴリズムが各データ・ポイントに対して不
適切な値の代わりに適切なOPDを用いるようにできるな
ら、得られるスペクトル・イメージの立方体はかなり補
正が可能である。各インターフェログラムのデータ・ポ
イントに対する適切なOPDを見いだすには、(i)各測
定フレームの空間的な位置決めとその位置決めベクトル
の記録及び(ii)位置決めベクトルとOPDの位置依存性
とに基づく各データ・ポイントに対する実際のOPDの計
算を必要とする。As a result, if the object moves during the measurement, the pixels constrained to points on the object are different than if the object was stationary, so if no correction is made, the Fourier transform algorithm is , Will use the wrong OPD for that data point. If, by some means, the algorithm can be made to use the appropriate OPD instead of an incorrect value for each data point, the resulting spectral image cube can be significantly corrected. In order to find the appropriate OPD for each interferogram data point, one is based on (i) the spatial positioning of each measurement frame and its recording of the positioning vector, and (ii) the positioning vector and the position dependence of the OPD. Requires the calculation of the actual OPD for the data points.
しかし、この位置決めを自動的に行おうとするとき、
不可能ではないが、フレームの位置決めをかなり難しく
する干渉縞の出現という、一つの物理的な現象がある。
図6aに示すように、干渉縞は、干渉計の走査位置に応じ
てフレーム毎に僅かに位置を変える、フレーム上に重な
った輝度変調の直線縞である。縞の原因は、干渉計を通
過するときに起こる、光線の建設的な(光の縞)及び破
壊的な(暗い縞)干渉である。縞の形状(光学的位置合
わせに応じて垂直あるいは水平な直線)は、垂直(ある
いは、水平)線上のすべてのピクセルが、各走査フレー
ムにおいて同じOPDを通過し(同じ波長の光に対して)
同じ量の干渉が起こるという事実によるものである。フ
レーム毎の位置変化は、特定なピクセルに対する干渉の
建設的な、あるいは破壊的なレベルが、走査中に、干渉
計の位置に応じて変化するという事実による。走査され
たフレームを、一方のフレームを他方の上に肉眼によっ
て位置合わせを行う場合、干渉縞があっても、他の特徴
(例えば、眼の血管パターン)が各フレーム内に明瞭に
写るため、縞はそれほど厄介なものではなく、縞の出現
が、観察者による最良な空間的な位置決め、すなわちフ
レームの重ね合わせを妨げることはないが、アルゴリズ
ムを用いる場合、フレームの特徴に重なった非均一的な
光の輝度変化であるこれらの縞は、自動処理を難しくす
る。既に述べた通り、干渉縞は、干渉計の鏡の回転に応
じて、縞に直角な方向に、フレームからフレームへと移
動する垂直な(あるいは水平な)縞である。However, when trying to do this positioning automatically,
There is one physical phenomenon, which is not impossible, but the appearance of interference fringes that make frame positioning quite difficult.
As shown in FIG. 6a, the interference fringes are brightness-modulated linear fringes overlapping on the frame, the positions of which change slightly for each frame according to the scanning position of the interferometer. The cause of the fringes is the constructive (light fringes) and destructive (dark fringes) interference of the rays as they pass through the interferometer. The fringe shape (vertical or horizontal line depending on the optical alignment) is such that every pixel on the vertical (or horizontal) line passes through the same OPD in each scan frame (for light of the same wavelength).
Due to the fact that the same amount of interference occurs. The position change from frame to frame is due to the fact that the constructive or destructive level of interference for a particular pixel changes during scanning depending on the position of the interferometer. When the scanned frame is aligned with the naked eye, one frame on top of the other, other features (such as the blood vessel pattern of the eye) are clearly visible in each frame, even with interference fringes. The fringes are less annoying and the appearance of the fringes does not interfere with the observer's best spatial positioning, i.e. frame superposition, but with the algorithm the non-uniformity overlaid on the features of the frame These streaks, which are changes in the intensity of various lights, make automatic processing difficult. As already mentioned, the interference fringes are vertical (or horizontal) fringes that move from frame to frame in a direction perpendicular to the fringes in response to rotation of the interferometer mirror.
干渉縞抑制アルゴリズムの入力は、干渉縞を持つイン
ターフェログラムのフレームの立方体であり、出力は干
渉縞がないフレームの立方体である。これについては、
下記にさらに詳しく説明する。The input of the interference fringe suppression algorithm is the cube of the frame of the interferogram with the interference fringes, and the output is the cube of the frame without the interference fringes. For this,
Further details will be described below.
干渉縞抑制アルゴリズムの演算に関して、いくつかの
仮定を設ける。仮定の一つは、干渉縞「周波数」のおよ
その値が分かっているとする。言い替えれば、隣接する
干渉縞間の、ピクセルにおける距離がどれくらいである
か想定する。特定の種類の試料に対するインターフェロ
グラム立方体自体の各フレームから、あるいは較正過程
から以前の経験に基づいてこの知識を得てもよい。Some assumptions are made regarding the operation of the interference fringe suppression algorithm. One of the assumptions is that the approximate value of the interference fringe "frequency" is known. In other words, assume the distance in pixels between adjacent fringes. This knowledge may be obtained from each frame of the interferogram cube itself for a particular type of sample or from the calibration process based on previous experience.
図6aから明らかなように、干渉縞の情報は、周波数ド
メインに非常に緻密に配置されている。このため、干渉
縞の中心周波数を見つけることは容易であり、周波数ド
メインにおける干渉縞情報の幅は、全走査フレームにお
いて一定あるいはほとんど一定であると見なす。As is clear from FIG. 6a, the interference fringe information is very closely arranged in the frequency domain. Therefore, it is easy to find the center frequency of the interference fringes, and the width of the interference fringe information in the frequency domain is considered to be constant or almost constant in all scanning frames.
したがって、干渉縞抑制アルゴリズムは、各走査フレ
ームに対して、干渉縞情報が存在する立体的な周波数ド
メインの周波数範囲にある信号を人工的にゼロで置き換
える、あるいは補間しながら取り除いて干渉縞を抑制す
る。Therefore, the interference fringe suppression algorithm suppresses the interference fringes by artificially replacing the signal in the frequency range of the three-dimensional frequency domain where the interference fringe information is present with zero or interpolating and removing it for each scanning frame. To do.
干渉縞は一つの軸(例えばx軸)にほぼ平行であるた
め、干渉縞に直角な軸(例えばy軸)に沿ってフレーム
をベクトルへと分解する。図6bは、このようなベクトル
である200個のピクセル輝度を示す。第100番目のピクセ
ルと第150番目のピクセルとの間に干渉縞がはっきりと
現れている。その後、図6cに示すように、例えば、高速
フーリエ変換アルゴリズム(FFT)を用いて、各ベクト
ルを周波数ドメインへ変換する。この場合、約0.15から
約0.35ピクセル−1の範囲に干渉縞情報のピークが存在
する。図6dに示すように、各ベクトルに対して、干渉縞
情報が位置する周波数領域を零点調整し、図6eに示すよ
うに、例えば、高速逆フーリエ変換アルゴリズム(IFF
T)を用いて、空間的なドメインに変換し直す。干渉計
の走査中にスペクトル映像装置が得る各フレームのベク
トルの各々に対してこの処理を行うと、図6fに示すよう
に、干渉縞が抑制されたフレームが得られる。Since the fringes are approximately parallel to one axis (eg, the x-axis), the frame is decomposed into vectors along an axis (eg, the y-axis) orthogonal to the fringes. FIG. 6b shows the intensity of 200 pixels, which is such a vector. Interference fringes clearly appear between the 100th pixel and the 150th pixel. Then, as shown in FIG. 6c, each vector is transformed into the frequency domain using, for example, a fast Fourier transform algorithm (FFT). In this case, there is a peak of interference fringe information in the range of about 0.15 to about 0.35 pixel-1. As shown in FIG. 6d, for each vector, the frequency domain in which the interference fringe information is located is zero-adjusted, and as shown in FIG. 6e, for example, the fast inverse Fourier transform algorithm (IFF
T) to convert back to the spatial domain. Performing this process on each of the vectors of each frame obtained by the spectral imager during scanning of the interferometer results in a frame with suppressed interference fringes, as shown in FIG. 6f.
何らかの原因によって干渉縞が角度的にずれる、すな
わち垂直あるいは水平方向に正確に配列しない場合は、
干渉縞情報の周波数が少し減少する。この問題は、干渉
縞情報が存在する立体的な周波数ドメインにおける信号
の零点調整あるいは補間の領域幅を増すことによって解
決できる。If for some reason the interference fringes are angularly offset, that is, they are not aligned vertically or horizontally,
The frequency of the interference fringe information is slightly reduced. This problem can be solved by increasing the zero adjustment or interpolation region width of the signal in the three-dimensional frequency domain where the interference fringe information exists.
図6cから明白であるが、フレームのエネルギーの大部
分は、周波数ドメインの低周波数帯に位置する。高周波
数帯のエネルギーは減衰しないため、バンド・ストップ
・フィルターを用いることで、各走査フレームの情報を
維持しながら、フレームのぶれを除くことができ、縁の
情報も維持される。As is clear from FIG. 6c, most of the energy of the frame is located in the low frequency band of the frequency domain. Since the energy in the high frequency band is not attenuated, by using a band stop filter, it is possible to remove the blurring of the frame while maintaining the information of each scan frame, and also to maintain the edge information.
ハク変換(「複雑なパターンを認識するための方法と
手段」Paul V.C,Hough,“Methods and means for recog
nizing complex patterns及び米国特許第3,069,654号を
参照)を用いることで、干渉縞情報の周波数位置を引き
出し、そして干渉縞抑制アルゴリズムに対してそれを用
いることができることは同業者には明らかである。ま
た、ハク変換によって、干渉縞の方向を見つけ、必要な
調整を行うことも可能である。Haku transformation ("Methods and means for recog" by Paul VC, Hough, "Methods and means for recog"
It will be apparent to those skilled in the art that the frequency location of the interference fringe information can be derived and used for interference fringe suppression algorithms by using nizing complex patterns and US Pat. No. 3,069,654). It is also possible to find the direction of the interference fringes by Haku transform and make necessary adjustments.
IFFT後の信号を実数に保つために、立体的な周波数軸
の原点に対して対称的に零点調整処理を行うのが好まし
い(図に示さないが、周波数ドメインの信号は、周波数
fの正及び負の両方の値に対して定義されるもので、f
の偶関数あるいは対称関数である)。演算結果の絶対的
な(あるいは実的な)部分を用いて排除するため、IFFT
後の信号には、図6eに示すように、干渉縞はほとんど残
らない。In order to keep the signal after the IFFT as a real number, it is preferable to perform zero adjustment processing symmetrically with respect to the origin of the three-dimensional frequency axis (not shown in the figure, the frequency domain signal is positive and negative at the frequency f). Defined for both negative values, f
Is an even or symmetric function). IFFT is used to exclude using the absolute (or actual) part of the operation result.
In the latter signal, almost no interference fringes remain, as shown in Fig. 6e.
図6b及びeに戻るが、FFPを行う代わりに、上記に説
明した零点調整及びIFFT処理を行うことで、図6bのプロ
ットの干渉縞領域における符号I(交差)によって示さ
れるように、干渉縞の輝度ピークの各々をそれらの中央
で横切る相対的な輝度として単純に補間プロットを得る
ことができる。これは、図6eに示すものと非常に類似し
たものになる。Returning to FIGS. 6b and 6e, instead of performing FFP, performing the zero adjustment and the IFFT process described above results in interference fringes, as indicated by the symbol I (intersection) in the interference fringe region of the plot of FIG. 6b. One can simply obtain an interpolated plot as the relative intensities across each of the intensity peaks in the. This will be very similar to that shown in Figure 6e.
他の選択としては、立体的な周波数ドメインにおける
干渉縞情報が存在する領域に対して、(図6eに示すよう
に)ピークの零点調整を行う代わりに、ピークの終点間
に直線を引くこともできる。Another option is to draw a straight line between the end points of the peaks instead of adjusting the zeros of the peaks (as shown in Figure 6e) for areas where interference fringe information is present in the stereoscopic frequency domain. it can.
本発明の望ましい干渉縞抑制アルゴリズムを数理的に
下記に表す。The preferred interference fringe suppression algorithm of the present invention is mathematically represented below.
X(x、y)を(例えば、図6aに示すような)入力フ
レームとし、Y(x、y)を(例えば、図6aに示すよう
な)対応する出力フレームとする。x及びyは、フレー
ムにおける一つのピクセルの固有座標であり、fCFは干
渉縞情報の中心周波数であり、fLFは干渉縞情報の低周
波数であり、fHFは干渉縞情報の高周波であり、Δfは
干渉縞抑制周波数帯の幅であり、そしてu(f)はステ
ップ関数である。Let X (x, y) be the input frame (eg as shown in FIG. 6a) and Y (x, y) be the corresponding output frame (eg as shown in FIG. 6a). x and y are the intrinsic coordinates of one pixel in the frame, fCF is the center frequency of the interference fringe information, fLF is the low frequency of the interference fringe information, fHF is the high frequency of the interference fringe information, and Δf is The width of the interference fringe suppression frequency band, and u (f) is a step function.
定義により、
fLF=fCF−0.5Δf (4)
fHF=fCF+0.5Δf (5)
「零点調整周波数帯」関数は、下記のように定義され
る。By definition, fLF = fCF−0.5Δf (4) fHF = fCF + 0.5Δf (5) The “zero adjustment frequency band” function is defined as follows.
W(f)={1−[u(f−fLF)−u(f−fHF)]
−[u(f+fLF)−u(f+fHF)]} (6)
W(f)(「零点調整周波数帯」関数)は、周波数fの
関数と定義できるため、周波数fのもう一つの関数を掛
け合わせるとき、fLFより低い、そしてfHFより高いfの
値に対しては変化がなく、fLFより高い、そしてfHFより
低いfの値に対してはゼロに変化する。W (f) = {1- [u (f-fLF) -u (f-fHF)]-[u (f + fLF) -u (f + fHF)]} (6) W (f) ("zero adjustment frequency band" Function) can be defined as a function of frequency f, so when multiplied by another function of frequency f, there is no change for values of f lower than fLF and higher than fHF, higher than fLF, and fHF It changes to zero for lower values of f.
干渉縞がない出力フレームは、次のように表現でき
る。An output frame without interference fringes can be expressed as follows.
Y(x,y)=Re{IFFT{W(f)*FFT{x(:,y)}}} (7)
干渉縞抑制フレームを用いることで、フレームに重な
る干渉縞の反復パターンが取り除かれ、自動位置決め処
理が容易になる。Y (x, y) = Re {IFFT {W (f) * FFT {x (:, y)}}} (7) By using the interference fringe suppression frame, the repeated pattern of interference fringes overlapping the frame is removed. , Automatic positioning process becomes easy.
本発明は、限られた数の実施例に関して説明したが、
本発明について多くの変形、改良及び他の適用が行なわ
れ得ることは明らかである。Although the present invention has been described with respect to a limited number of embodiments,
Obviously, many variations, modifications and other applications of the invention can be made.
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−251474(JP,A) 特開 平7−301562(JP,A) 特開 平5−231939(JP,A) 特開 平5−14559(JP,A) 特開 平4−339476(JP,A) 特表 平5−507225(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01J 3/00 - 3/52 G01N 21/00 - 21/61 A61B 3/00 - 3/16 G06T 1/00 - 9/40 Continuation of the front page (56) Reference JP-A-8-251474 (JP, A) JP-A-7-301562 (JP, A) JP-A-5-231939 (JP, A) JP-A-5-14559 (JP , A) JP-A-4-339476 (JP, A) JP-A-5-507225 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01J 3/00-3/52 G01N 21/00-21/61 A61B 3/00-3/16 G06T 1/00-9/40
Claims (19)
を用いて可動物の立体的な情報及びスペクトル情報を得
る手段と、 (b)前記立体的な情報及びスペクトル情報を、空間的
な位置決め処理及びスペクトル補正処理を介して前記可
動物の動きに対して補正し、補正された立体的な情報及
びスペクトル情報を得る手段とからなり、 前記補正された立体的な情報及びスペクトル情報を得る
手段が、 (a−1)前記可動物からの入射光を収集し、 (a−2)この収集光を、前記干渉計を通過させて、前
記可動物の各ピクセルからの発光スペクトル輝度の一次
結合に対応する被変調光にして出光させ、 (a−3)前記干渉計から出力された前記被変調光を検
出アレイ上に集束させ、 (a−4)前記干渉計内に生じた光路差を、前記可動物
の前記すべてのピクセルについて、独立に、そして同時
に走査し、 (a−5)前記検出アレイの出力を処理して前記可動物
の前記ピクセルの各々のスペクトルを測定するように構
成され、 前記補正された立体的な情報及びスペクトル情報を得る
手段による前記空間的な位置決め処理及びスペクトル補
正処理が、 (b−1)前記可動物の基準フレームを選択し、 (b−2)この基準フレームを用いて前記可動物の他の
フレームに対して変換ベクトルを計算し、 (b−3)これらの変換ベクトルを用いて前記空間的な
位置決め及びスペクトル補正処理を行うことによって行
われ、 前記可動物が第一の方向に沿ってのみ移動し、前記干渉
計が、フレーム内の光路差が単一方向に沿って変化する
タイプであり、 (c)前記可動物に対して前記スペクトル映像装置を、
光路差勾配が前記第一の方向に対して直角になるように
配置する手段を有する 可動物のスペクトル結像装置。1. A means for obtaining stereoscopic information and spectral information of a movable object by using a spectrum imaging device based on an interferometer, and (b) spatial positioning of the stereoscopic information and spectral information. Means for correcting the movement of the movable object through processing and spectrum correction processing to obtain corrected stereoscopic information and spectrum information, and means for obtaining the corrected stereoscopic information and spectrum information. (A-1) collects incident light from the movable object, and (a-2) allows the collected light to pass through the interferometer to linearly combine the emission spectrum luminance from each pixel of the movable object. (A-3) focus the modulated light output from the interferometer on a detection array, and (a-4) reduce an optical path difference generated in the interferometer. , In front of the movable object Scanning all pixels independently and simultaneously, and (a-5) processing the output of the detection array to measure the spectrum of each of the pixels of the movable object, The spatial positioning process and the spectral correction process by the means for obtaining physical information and spectral information are as follows: (b-1) selecting a reference frame of the movable object, and (b-2) using the reference frame. The transformation vector is calculated with respect to another frame of the animal, and (b-3) the spatial positioning and spectrum correction processing is performed using these transformation vectors. Moving only along the interferometer, the interferometer is of a type in which the optical path difference in the frame changes along a single direction, (c) The imaging device,
A spectral imaging device for a movable object, comprising means for arranging the optical path difference gradient so as to be perpendicular to the first direction.
ペクトル情報を画像として示す手段をさらに有する請求
項1に記載の装置。2. The apparatus according to claim 1, further comprising (d) means for displaying the corrected stereoscopic information and spectral information as an image.
体的な情報に従った前記補正されたスペクトル情報のRG
B表示である請求項2に記載の装置。3. The RG of the corrected spectral information according to the corrected three-dimensional information is displayed by the image.
The device according to claim 2, which is a B display.
ームを前記他のフレームの一つに重ね合わせ、輝度減算
処理を行う減算画像を生成する位置を見いだすことによ
って行われる請求項1に記載の装置。4. The calculation of the transform vector is performed by superimposing the reference frame on one of the other frames and finding a position for generating a subtraction image for performing luminance subtraction processing. apparatus.
ある請求項1に記載の装置。5. The device according to claim 1, wherein the movable object is a living body organ or a part thereof.
装置。6. The device according to claim 5, wherein the body organ is the eye.
ルゴリズムを用いて行われる請求項1に記載の装置。7. The apparatus of claim 1, wherein the spatial positioning process is performed using an interference fringe suppression algorithm.
ペクトル映像装置の照準及び焦点を合わせる手段と、 (b)前記干渉計を一定速度で走査しながら検出アレイ
によって前記可動物の連続的なフレームを捕らえ、前記
干渉計の連続的な光路差は前記可動物が動くために等間
隔にならない状態のままで保存する手段と、 (c)前記可動物のすべてのピクセルに対する前記連続
的なフレームの各々の収集データをインターフェログラ
ム関数へ送ると同時に、前記連続的なフレームの一つを
基準フレームとして、これに対して前記連続的なフレー
ムの各々の立体的な変換ベクトルを計算して、前記連続
的なフレームの各々におけるすべてのピクセルに対する
実際の光路差を見つける手段と、 (d)前記インターフェログラムの各々にフーリエ変換
アルゴリズムを適用することによって、前記可動物の各
ピクセルに対してフーリエ変換を計算する手段と、 (e)前記可動物のすべてのピクセルに対するスペクト
ルを計算する手段と、 (f)前記可動物が第一の方向に沿ってのみ移動し、前
記干渉計が、フレーム内の前記光路差が単一方向に沿っ
て変化するタイプのものであり、前記可動物に対して前
記スペクトル映像装置を、光路差勾配が前記第一の方向
に対して直角になるように位置づける手段とからなる 可動物のスペクトル結像装置。8. (a) means for aiming and focusing an interferometer-based spectral imager with respect to the movable object; and (b) scanning the interferometer at a constant speed while detecting the movable object by the detection array. Means for capturing successive frames and storing the successive optical path differences of the interferometer in a state where they are not equidistant due to movement of the movable object; (c) the continuation for all pixels of the movable object. The collected data of each successive frame to the interferogram function, and at the same time, using one of the successive frames as a reference frame, the three-dimensional conversion vector of each of the successive frames is calculated. Means for finding the actual optical path difference for all pixels in each of the successive frames; and (d) Fourier transforming each of the interferograms. Means for calculating a Fourier transform for each pixel of the moveable object by applying a conversion algorithm; (e) means for calculating a spectrum for all pixels of the moveable object; Moving only along a first direction, the interferometer is of the type in which the optical path difference within a frame changes along a single direction, the spectral imaging device relative to the movable object And a means for positioning the difference gradient so as to be perpendicular to the first direction.
る請求項8記載の装置。9. The apparatus according to claim 8, further comprising means for displaying an image of the movable object.
RGB表示である請求項9に記載の装置。10. The display of the image is of the calculated spectrum.
The device according to claim 9, which is an RGB display.
レームの一つに対する前記連続的なフレームの各々の前
記立体的な変換ベクトルの前記計算が、輝度減算処理を
行う減算画像を生成する位置を見つけるために、前記基
準フレームと前記他のフレームの一つとを重ね合わせる
ことによって行われる請求項8に記載の装置。11. The position where the calculation of the three-dimensional conversion vector of each of the continuous frames with respect to one of the continuous frames, which is the reference frame, generates a subtraction image for performing luminance subtraction processing. 9. The apparatus of claim 8, which is done by superposing the reference frame and one of the other frames to find.
である請求項8に記載の装置。12. The device according to claim 8, wherein the movable object is a living body organ or a part thereof.
の装置。13. The device according to claim 12, wherein the body organ is the eye.
スペクトル映像装置の照準及び焦点を合わせる手段と、 (b)前記干渉計を一定速度で走査しながら検出アレイ
によって前記可動物の連続的なフレームを捕らえ、前記
干渉計の連続的な光路差は前記可動物が動くために等間
隔にならない状態のままで保存する手段と、 (c)前記可動物のすべてのピクセルに対する前記連続
的なフレームの各々の収集データをインターフェログラ
ム関数へ送ると同時に、前記連続的なフレームの一つを
基準フレームとして、これに対して前記連続的なフレー
ムの各々の立体的な変換ベクトルを計算し、前記連続的
なフレームの各々のすべてのピクセルに対する実際の光
路差を見つける手段と、 (d)前記可動物の前記ピクセルの各々の前記インター
フェログラムを補間して等間隔な光路差値を得る手段
と、 (e)前記インターフェログラムの各々にフーリエ変換
アルゴリズムを適用することによって、前記可動物の前
記ピクセルの各々に対するフーリエ変換を計算する手段
と、 (f)前記可動物のすべてのピクセルに対するスペクト
ルを計算する手段と、 (g)前記可動物が第一の方向に沿ってのみ移動し、前
記干渉計が、フレーム内の前記光路差が単一方向に沿っ
て変化するタイプのものであり、前記可動物に対して前
記スペクトル映像装置を、光路差勾配が前記第一の方向
に対して直角になるように位置づける手段とからなる、 可動物のスペクトル結像装置。14. (a) A means for aiming and focusing an interferometer-based spectrum imaging device with respect to a movable object, and (b) the movable object by a detection array while scanning the interferometer at a constant speed. Means for capturing successive frames and storing the successive optical path differences of the interferometer in a state where they are not equidistant due to movement of the movable object; (c) the continuation for all pixels of the movable object. The collected data of each successive frame to the interferogram function, and at the same time, using one of the successive frames as a reference frame, the three-dimensional conversion vector of each of the successive frames is calculated. And (d) means for finding the actual optical path difference for every pixel of each of the successive frames, and (d) the interface of each of the pixels of the movable object. Means for interpolating the program to obtain evenly spaced optical path difference values; and (e) means for calculating a Fourier transform for each of the pixels of the movable object by applying a Fourier transform algorithm to each of the interferograms. (F) means for calculating a spectrum for all pixels of the moveable object, (g) the moveable object moving only along a first direction, and the interferometer measuring the optical path difference in the frame. A type that varies along a single direction, and means for positioning the spectral imaging device with respect to the movable object such that the optical path difference gradient is perpendicular to the first direction. Animal spectral imager.
する請求項14に記載の装置。15. The apparatus of claim 14, further comprising means for displaying an image of the moveable object.
RGB表示である請求項15に記載の装置。16. The display of the image is of the calculated spectrum.
16. The device according to claim 15, which is an RGB display.
レームの一つに対しての前記連続的なフレームの各々の
前記立体的な変換ベクトルの計算が、輝度減算処理を行
って減算画像を生成する位置を見つけるために、前記基
準フレームと前記他のフレームの一つとを重ね合わせる
ことによって行われる請求項14に記載の装置。17. The calculation of the three-dimensional conversion vector of each of the continuous frames with respect to one of the continuous frames, which is the reference frame, performs luminance subtraction processing to generate a subtracted image. 15. The apparatus according to claim 14, which is performed by superposing the reference frame and one of the other frames to find a position to be used.
である請求項14に記載の装置。18. The device according to claim 14, wherein the movable object is a living body organ or a part thereof.
の装置。19. The device according to claim 18, wherein the body organ is the eye.
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