Глава 1. Метод формирования гиперспектральных данных в микроскопии в видимом и ик диапазонах спектра

1. 1. Структурная схема микроскопа-гиперспектрофотометра

Рассмотрим устройство микроскопа-гиперспектрофотометра, с помощью которого осуществляется формирование гиперспектральных данных. Микроскоп-гиперспектрофотометр состоит из трех ключевых узлов: микроскоп, монохроматор с осветителем и монохромную цифровую видеокамеру. Схема устройства представлена на рис 1.

Рис. 1. Структурная схема гиперспектрального микроскопа

В роли источника излучения выступает галогеновая лампа, излучение от которой направляют на входную щель монохроматора, используя конденсор. Волоконный жгут, закрепленный на выходной щели, направляет излучение на исследуемый микрообъект. Прием прошедшего через микрообъект или отраженного от него излучения осуществляет монохромная видеокамера. Так как изучаемый микрообъект размещается в области между монохроматором и матрицей, то можно говорить о том, что прибор имеет структуру такую же, как и спектрофотометр. Проблема получения монохроматического излучения решена путем установки монохроматора к источнику излучения. Направление излучения от выходной щели монохроматора к микрообъекту осуществляется с помощью волоконного жгута [3].

В методе получения гиперспектральных данных, основанном на использовании микроскопа-гиперспектрофотометра, процесс записи представляется как освещение исследуемого микрообъекта монохроматическим излучением и регистрация изображения с помощью видеокамеры. Ниже приведен более детальный обзор некоторых частей микроскопа-гиперспектрофотометра [4].

Дифракционный монохроматор

Общая схема монохроматора приведена на рис 2. Монохроматор состоит объектива L_1, который расположен в фокусе входной щели S_1, объектива L₂, который расположен в фокусе выходной щели S₂. Так же ключевым элементом является диспергирующий элемент D, перестройкой которого осуществляют вывод изображения, соответствующего заданному участку спектра, входной щели на выходную [5].

Рис. 2. Общая схема монохроматора

Применительно к микроскопу-гиперспектрофотометру необходимо использовать монохроматор, который позволяет работать в видимом и ИК диапазонах спектра.

1. 2. Метод формирования гиперспектральных данных

Ниже приведен и рассмотрен метод формирования гиперспектральных данных в видимом и ИК областях спектра и некоторые его особенности.

Метод формирования гиперспектральных данных основан на получении набора изображений в узких спектральных интервалах. Результатом, которого является гиперспектральный куб или гиперспектральный параллелепипед. Ниже представлена иллюстрация (см. рис 3) структуры гиперспектральных данных [6].

Рис. 4. Структура гиперспектральных данных

Получение набора изображений осуществляется с помощью микроскопа-гиперспектрофотометра, выполняющего автоматическое сканирование по длинам волн. Длина волны задается спектральным диапазоном и шагом сканирования по длине волны. Следует отметить, что необходимо установить некоторую задержку перед записью изображения видеокамерой, чтобы придать ему устойчивость, т.к. при работе монохроматора возникают механические аберрации.

Процесс управления и синхронизации гиперспектрального микроскопа состоит из следующий шагов:

1. Установка параметров сканирования. Установка начальной длины волны и конечной.

2. Перемотка на текущую длину волны.

3. Задержка порядка нескольких секунд, для придания устойчивости изображению.

4. Захват кадра от видеокамеры.

5. Возвращение к п.2

Одним из главных условий получения точных измерений является равномерное спектральное распределение излучения, выходящего из монохроматора. Наблюдается значительное снижение точности получаемых измерений при несоблюдении данного условия. Имеется несколько способов устранения данного недостатка.

Одним из таких способов является получение спектра пропускания или отражения и определение их спектральных особенностей. Например, для определения распределения локальных особенностей микрообъекта проводят процедуру получения гиперспектральных данных, которая схожа с получением базовой линии в спектрофотометрии. Если объект прозрачный, то выполняют процедуру получения гиперспектральных данных при отсутствии объекта в области между объективом и осветителем микроскопа, что соответствует набору изображений, характеризующих распределение облученности в плоскости установки микрообъекта, в узких спектральных интервалах. Для непрозрачных объектов процедуру регистрации объектов проводят в отраженном свете [4].

При малых значениях интенсивности так же необходимо учитывать влияние темнового тока, который является источником погрешностей оценки коэффициента спектрального пропускания образца. Способ повышения качества получения гиперспектральных данных представляет из себя вычитание темнового тока для каждого элемента видеоматрицы из базовой линии и результатов, полученных при совершении сканирования микрообъекта.

Так же имеет место сказать об операции усреднения набора видеокадров, которая помогает уменьшить влияние шума матрицы видеокамеры. Суть метода состоит в том, чтобы зарегистрировать несколько изображений с последующий попиксельным усреднением после установки монохроматора на заданную длину волны.

Выводы по главе 1

1. Выбранный метод получения гиперспектральных данных об микрообъектах в видимой и ИК областях спектра обеспечивает регистрацию спектральных свойств локальных особенностей микрообъектов с высоким пространственным и спектральным разрешением.

2. Рассмотренный метод включает в себя использование некоторых процедур компенсации нежелательных процессов и явлений. В результате чего качество получаемых гиперспектральных данных существенно повышается.

3. Полученные с помощью выбранного метода данные могут быть в дальнейшей подвергнуты компьютерной обработки, для визуализации, получения изображения в псевдоцветах, цветового контрастирования, оценки распределения концентрации веществ по полю изображения.