高光谱设备和方法技术

本发明专利技术涉及高光谱设备和方法。本发明专利技术的一个方面提供了一种用于分析样本的设备。该设备包括被配置为生成宽带输入辐射场的光源。该设备还包括结构化光发生器，用于将输入辐射场转换成包括细光束阵列的结构化照明场。光学系统将结构化照明场投影到样本的区域(诸如视网膜)上。光谱仪被配置为光谱分析从样本的区域反射、后向散射或发荧光的光的一部分。处理器可操作地与光谱仪相关联并且被配置为生成包括眼睛区域的两个以上正面图像的高光谱图像。正面图像包括来自结构化照明场的每个细光束的样本的光谱响应信息。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高光谱设备和方法
本专利技术涉及用于询问样本的设备和方法，并且具体涉及用于执行样本的高光谱成像和荧光光谱的设备和方法。虽然本文将具体参考该申请来描述一些实施例，但是应当理解，本专利技术不限于此类使用领域，而是可应用于更广泛的上下文中。相关申请本申请要求于2018年9月5日提交的美国临时专利申请第62/727,492的优先权，其内容通过引用结合于此。
技术介绍
在整个说明书中对
技术介绍
的任何讨论绝不应被认为是承认该技术是本领域众所周知的或形成本领域公知常识的一部分。人眼的高光谱成像可用于提取关于眼睛的光谱信息和空间信息二者。然而，当前的技术通常涉及点扫描系统，该点扫描系统具有长的采集时间并且遭受运动模糊伪像的困扰。此外，当前的系统通常不受限制，并且因此可以捕获来自不同样本位置的杂散光。现有系统的另一个限制是成本。高光谱成像系统需要空间上相干的宽带光源来有效操作。此类光源通常很昂贵。视网膜自体荧光(AF)是一种对比指示剂，其可用于识别视网膜中，特别是视网膜色素上皮(RPE)中某些分子的建立或浓度。视网膜的蓝光激发的AF优选使用共焦检测而不是眼底照片来识别AF信号，以防止来自眼睛的其它部分的大信号使图像模糊。存在可以使用蓝光激发提供AF测量的可商购仪器，这在脂褐素对比中特别有价值，脂褐素是与RPE层以及感光体的老化和健康有关的重要分子。还受关注的是从眼睛的其它部分(诸如巩膜和晶状体)识别分子，诸如胶原蛋白。可替代地，可以从AF信号的寿命中获得关于荧光的性质的信息，但是这需要非常高的处理速度，并且仅逐点成像。这限制了在患者舒适的时间内可以扫描的眼睛区域。寿命测量的一种替代方法是基于荧光和/或吸收的光谱进行区分。然而，在该领域仅进行了有限的工作，并且许多研究是活体外的。专利技术人已经认识到，具有用于更有效和准确地执行眼睛的高光谱成像和荧光光谱的改进的设备和方法将是有利的。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服或改善现有技术的至少一个缺点，或提供一种有用的替代方案。根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于分析样本的设备，该设备包括：光源，被配置为生成具有由多个波长组成的波长带的输入辐射场；结构化光发生器，用于将输入辐射场转换成包括细光束阵列的结构化照明场；光学系统，用于将结构化照明场投影到样本的区域上，包括对细光束进行角度编码，使得每个细光束被投影到与编码角度相对应的样本的位置上；光谱仪，包括二维传感器阵列，该光谱仪被配置为光谱分析从样本的区域反射、后向散射或发荧光的光的一部分；以及可操作地与光谱仪相关联的处理器，该处理器包括：光谱映射模块，被配置为基于预定义映射函数将传感器阵列上的位置映射到样本上的二维位置以及多个预定义波长区间内的光的波长；以及高光谱图像发生器，被配置为根据传感器阵列的传感器信号和预定义映射函数生成高光谱图像，该高光谱图像包括样本的区域的两个以上正面图像，该两个以上正面图像包括来自结构化照明场的每个细光束的样本的光谱响应信息。优选地，结构化光发生器被配置为将输入辐射场转换成包括细光束的二维阵列的结构化照明场。在一些实施例中，光源在空间上是不相干的。在一些实施例中，光学系统包括用于相对于样本平移结构化照明场的部件。在一个实施例中，用于相对于样本平移结构化照明场的部件包括可倾斜镜。在一些实施例中，光学系统包括色散元件，该色散元件用于将细光束中的每个细光束成角度地分散到与多个波长中的每个波长相对应的细光束光谱分量的细长带中。光学系统优选地包括透镜中继器，该透镜中继器在使用中设置在色散元件和样本之间，以将细光束光谱分量投影到某个位置处的样本上，该位置取决于细光束阵列中原始细光束位置以及细光束光谱分量的波长二者。优选地，不同细光束的细光束光谱分量在样本的区域上重叠，使得由光谱仪在样本的区域上的重叠区域中的每个点处对多个波长成像。光谱响应信息优选地包括与样本的区域上的每个点相对应的反射功率谱。在一些实施例中，色散元件可机械地移动以从光路移除。在一些实施例中，色散元件与非色散光学引导元件可互换。在一些实施例中，处理器被配置为将与细光束光谱分量的细长带相对应的波长划分为波长区间，其中，波长区间内的波长被指定为源自样本上的公共位置，并且不同波长区间的波长被指定为源自样本上的不同位置。在一些实施例中，投影到样本的区域上的角度编码细光束中的每一个角度编码细光束包括多个波长中的每一个波长。在一些实施例中，光谱响应信息包括与样本对结构化照明场的每个细光束的响应相对应的荧光光谱。在一些实施例中，结构化光发生器包括具有光功率元件的二维阵列的细光束生成装置，该细光束生成装置被定位成使得在使用中，输入辐射场入射到光功率元件阵列上，以生成至少部分准直的细光束的二维阵列。优选地，细光束生成装置包括第一微透镜阵列，其中光功率元件是微透镜。在一些实施例中，结构化光发生器还包括：第一光功率装置，用于将至少部分准直的细光束的阵列在会聚平面处会聚到预定义宽度；以及设置在会聚平面处的光圈，该光圈的直径比会聚平面处至少部分准直的细光束的阵列的直径更小。在一个实施例中，第一光功率装置是高数值光圈透镜。在另一个实施例中，第一光功率装置是变折射率透镜。优选地，结构化光发生器还包括：第二光功率装置，具有预定义焦距并且设置在距会聚平面达与预定义焦距相等的距离处，该第二光功率装置生成包括一组至少部分重叠的细光束的近准直光束；以及第二微透镜阵列，具有微透镜的二维阵列并且被定位成接收近准直光束并生成用于照射样本的细光束的二维阵列。在一些实施例中，该设备包括光圈阵列，该光圈阵列被定位成将从样本的区域反射、后向散射或发荧光的光共焦地投影到光谱仪中，该光圈阵列具有与细光束阵列相对应的间距。在一些实施例中，光源被配置为生成具有多个波长带的输入辐射场，每个波长带由对应的多个波长组成。优选地，第一波长带选自电磁光谱的紫外线A、紫色、蓝色或绿色区域。优选地，第二波长带在电磁光谱的近红外区域中。在一些实施例中，光学系统包括用于将多个波长带多路复用在一起的多路复用元件。优选地，多路复用元件是体积相位光栅。体积相位光栅优选地被配置为在空间上分散来自一个波长带的多个波长，同时将另一个波长带的多个波长保持在空间受限状态。在一些实施例中，该设备包括参考臂和功率分配元件，该功率分配元件被配置为将结构化照明场的光功率的一部分沿着参考臂引导，并将结构化照明场的光功率的其余部分引向样本。在某些实施例中，参考臂的长度是选择性可调节的，以便选择要由光谱仪成像的相干波长。优选地，该设备被配置用于分析包括眼睛的样本。根据本专利技术的第二方面，提供了一种用于生成结构化照明场的系统，该系统包括：空间上不相干的光源，被配置为生成具有预定义光谱输出的输入辐射场；具有光功率元件的二维阵列的细光束生成装置，该细光束生成装置被定位成使得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于分析样本的设备，所述设备包括：/n光源，被配置为生成具有由多个波长组成的波长带的输入辐射场；/n结构化光发生器，用于将所述输入辐射场转换成包括细光束阵列的结构化照明场；/n光学系统，用于将所述结构化照明场投影到所述样本的区域上，包括对细光束进行角度编码，使得每个细光束被投影到所述样本的与编码角度相对应的位置上；/n光谱仪，包括二维的传感器阵列，所述光谱仪被配置为光谱分析从所述样本的所述区域反射、后向散射或发荧光的光的一部分；以及/n与所述光谱仪操作性关联的处理器，所述处理器包括：/n光谱映射模块，被配置为基于预定义映射函数，将所述传感器阵列上的位置映射到所述样本上的二维位置以及多个预定义的波长区间内的光的波长；以及/n高光谱图像发生器，被配置为根据所述传感器阵列的传感器信号和所述预定义映射函数生成高光谱图像，所述高光谱图像包括所述样本的所述区域的两个以上正面图像，所述两个以上正面图像包括来自所述结构化照明场的每个细光束的所述样本的光谱响应信息。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180905 US 62/727,4921.一种用于分析样本的设备，所述设备包括：
光源，被配置为生成具有由多个波长组成的波长带的输入辐射场；
结构化光发生器，用于将所述输入辐射场转换成包括细光束阵列的结构化照明场；
光学系统，用于将所述结构化照明场投影到所述样本的区域上，包括对细光束进行角度编码，使得每个细光束被投影到所述样本的与编码角度相对应的位置上；
光谱仪，包括二维的传感器阵列，所述光谱仪被配置为光谱分析从所述样本的所述区域反射、后向散射或发荧光的光的一部分；以及
与所述光谱仪操作性关联的处理器，所述处理器包括：
光谱映射模块，被配置为基于预定义映射函数，将所述传感器阵列上的位置映射到所述样本上的二维位置以及多个预定义的波长区间内的光的波长；以及
高光谱图像发生器，被配置为根据所述传感器阵列的传感器信号和所述预定义映射函数生成高光谱图像，所述高光谱图像包括所述样本的所述区域的两个以上正面图像，所述两个以上正面图像包括来自所述结构化照明场的每个细光束的所述样本的光谱响应信息。


2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述结构化光发生器被配置为将所述输入辐射场转换成包括二维的所述细光束阵列的所述结构化照明场。


3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源在空间上是不相干的。


4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学系统包括用于相对于所述样本平移所述结构化照明场的部件。


5.根据权利要求4所述的设备，其中，用于相对于所述样本平移所述结构化照明场的所述部件包括可倾斜镜。


6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学系统包括色散元件，用于将所述细光束中的每个细光束成角度地分散到与所述多个波长中的每个波长相对应的细光束光谱分量的细长带中。


7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述光学系统包括透镜中继器，所述透镜中继器在使用中设置在所述色散元件和所述样本之间，以将所述细光束光谱分量投影到所述样本上某个位置处，所述位置取决于所述细光束阵列中原始细光束的位置以及所述细光束光谱分量的波长二者。


8.根据权利要求7所述的设备，其中，不同细光束的所述细光束光谱分量在所述样本的所述区域上重叠，使得由所述光谱仪在所述样本的所述区域上的重叠区域中的每个点处对所述多个波长成像。


9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述光谱响应信息包括与所述样本的所述区域上的每个点相对应的反射功率谱。


10.根据权利要求6所述的设备，其中，所述色散元件能机械地移动以从光路移除。


11.根据权利要求6所述的设备，其中，所述色散元件与非色散光学引导元件能够互换。


12.根据权利要求6所述的设备，其中，所述处理器被配置为将与所述细光束光谱分量的所述细长带相对应的所述波长划分为所述波长区间，其中，所述波长区间内的波长被指定为源自所述样本上的公共位置，并且不同所述波长区间的波长被指定为源自所述样本上的不同位置。


13.根据权利要求1所述的设备，其中，投影到所述样本的所述区域上的角度编码的所述细光束中的每一个包括所述多个波长中的每一个波长。


14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光谱响应信息包括与所述样本对所述结构化照明场的每个细光束的响应相对应的荧光光谱。


15.根据权利要求3所述的设备，其中，所述结构化光发生器包括具有光功率元件的二维阵列的细光束生成装置，所述细光束生成装置被定位成使得在使用中，所述输入辐射场入射到所述光功率元件的阵列上，以生成至少部分准直的细光束的二维阵列。


16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述细光束生成装置包括第一微透镜阵列，其中所述光功率元件为微透镜。


17.根据权利要求15所述的设备(100、700)，其中，所述结构化光发生器(108)还包括：
第一光功率装置，用于将所述至少部分准直的细光束的阵列在空间上在会聚平面处会聚到预定义宽度；以及
设置在所述会聚平面处的光圈，所述光圈的直径比所述会聚平面处所述至少部分准直的细光束的所述阵列的直径更小。


18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述第一光功率装置包括高数值光圈透镜。


19.根据权利要求17所述的设备，其中，所述第一光功率装置包括变折射率透镜。


20.根据权利要求17所述的设备，其中，所述结构化光发生器还包括：
第二光功率装置，具有预定义焦距并且设置在距所述会聚平面达与所述预定义焦距相等的距离处，...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·詹姆斯·弗里斯肯，
申请(专利权)人：赛莱特私人有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU