Appareil de microscopie à haut pouvoir de résolution avec télévision
en couleurs.
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visualisation et l'observation de spécimens biologiques et se rapporte plus spécialement à une visualisation et une observation utilisant des techniques de télévision en couleurs simplifiées dans un appareil de microscopie avec télévision.
Il est connu que la visualisation d'images en couleur par la télévision pose des problèmes différents de ceux que l'on rencontre en photographie en couleurs. En outre, l'exploration électronique d'un objet en vue de sa visualisation en télévision en couleurs 1 implique généralement l'utilisation de circuits électroniques complexes comparativement à ceux utilisés, par exemple, en télévision monochrome. Si les circuits sont un peu moins complexes lorsque les images de télévision en couleurs sont produites par un système de télévision en circuit fermé n'exigeant ni transmission, ni réception au moyen d'antennes de télévision, les techniques de télévision en couleurs de qualité commerciale sont inutilement compliquées si l'on se limite à l'examen visuel et à la visualisation de spécimens biologiques.
La présente invention procure un appareil de microscopie optique pleinement en couleurs, à haut pouvoir de résolution et haute définition utilisant des techniques de télévision en couleurs simplifiées. Dans le cas de la présente invention, le spécimen biologique ou encore n'importe quelle scène, objet ou image réfléchissant ou transmettant de la lumière, est éclairé au moyen d'une séquence à variation rapide de différents spectres de lumière monochromatique sélectionnés à largeur de bande étroite. Par exemple,
on produit différentes largeurs de bandes étroites dans chacune des couleurs rouge, verte, bleue et jaune, ces spectres étant projetés sur le spécimen ou objet. En éclairant le spécimen, par exemple, à _ l'aide d'un spectre étroit dans la bande des couleurs rouge, on neutralise toutes les couleurs couvertes par cette bande, soustrayant ainsi l'information appartenant à cette bande particulière de toute la couleur du spécimen. Des soustractions à bande étroite sont
aussi effectuées pour les couleurs verte, bleue et jaune.
Dans les systèmes de télévision en couleurs commerciaux bien connus, on utilise simultanément trois caméras pour reproduire respectivement les couleurs rouge, vert� et bleue. Les spectres de couleur respectifs de chacune des caméras se chevauchent légèrement de sorte que dans le spectre rouge il y a un certain mélange du spectre vert, tandis que, de même, le spectre vert comprend une <EMI ID=2.1>
une partie du spectre vert.
Dans le microscope avec télévision en couleurs de la présente invention pour ne pas devoir utiliser trois caméras ou vidicons distincts, on projette de manière séquentielle et répétée les différents spectres à bandes étroites de chacune des quatre couleurs. Les différents spectres qui sont projetés sur le spécimen et réfléchis ou transmis par celui-ci, sont visualisés par un moniteur approprié. L'oeil humain intègre les spectres visualisés ce qui permet d'obtenir la recomposition désirée de l'image du spécimen.
Le nouvel appareil spectro-analytique de la présente invention permet des analyses in vivo et, en limitant les spectres de chacune des quatre couleurs à, par exemple, 1 A, on peut même obtenir in vivo des spectres de raies d'absorption pendant qu'un patient est sur la table d'opération. Par conséquent, un médecin ou un chirurgien peut obtenir pratiquement instantanément une analyse complète d'un spécimen biologique en cours d'opération. Ceci constitue un perfectionnement important des analyses; il fallait en effet jusqu'ici porter le spécimen biologique jusqu'à un laboratoire séparé de la salle d'opération en vue de son examen au microscope.
Dans tous les appareils de microscopie avec télévision en couleurs connus, le spécimen ou la scène est observé au travers de filtres appropriés. Dans la présente invention, le procédé est inversé du fait qu'on éclaire le spécimen ou la scène à l'aide de bandes successives de lumière monochromatique pure. Les bandes de lumière monochromatique sont produites à l'aide de prismes, de réseaux de diffraction transparents de réseaux, de diffraction normaux ou de filtres interférentiels. Tous ces générateurs de lumière monochromatique sont bien connus.
Le système de la présente invention diffère aussi fondamentalement des systèmes connus en ce qu'on obtient un haut pouvoir de résolution en diminuant la largeur de bande d'une source de lumière monochromatique et/ou en utilisant des techniques impulsionnelles
en vue de pulser la source de lumière monochromatique en synchronisme avec la fréquence d'images du système de télévision. Comme cela est généralement connu, la formule permettant de déterminer la limite
de résolution optique est la suivante
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ou [pound] est la plus petite distance entre deux points de l'objet qui <EMI ID=4.1>
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n est l'indice de réfraction de la matière à l'intérieur de l'espace-objet,
u est l'angle que fait le rayon extrême pénétrant dans l'objectif avec l'axe de l'appareil.
Il ressort de la précédente formule qu'il est évident que la largeur de bande de la source éclairante joue un rôle important dans l'obtention d'un pouvoir de résolution optimum. Par conséquent, par exemple, l'utilisation d'un monochromateur réglable en combinaison avec une source de lumière à large bande permet de régler à volonté la largeur de bande de la lumière éclairante.
Un autre aspect de la présente invention est que la source de lumière monochromatique s'éteint pendant l'émission des impulsions de synchronisation afin d'éliminer la production de bruit électronique indésiré, ce qui permet d'obtenir une image de grande qualité. Le fait que le sujet ou le spécimen est éclairé à l'aide de bandes étroites de couleur, ces bandes étroites de couleur étant soustraites des couleurs du sujet, permet d'augmenter encore le pouvoir de résolution.
De façon classique, le système de télévision en couleurs connu utilise trois couleurs fondamentales et deux facteurs pour obtenir une bonne visualisation de l'image. Un facteur qui est la luminance compense la sensibilité de l'oeil aux différents degrés de luminosité tandis que le second facteur, la chrominance, détermine la résolution des couleurs. Par exemple, un récepteur de télévision en couleurs reçoit le signal de luminance consistant en trois couleurs principales, notamment le rouge, le vert et le bleu, ainsi que deux signaux de chrominance qui modulent la fréquence sous-porteuse. Un signal rouge est obtenu en additionnant les signaux de chrominance et de luminance dans le récepteur, c'est-à-dire en additionnant, par exemple, le rouge, le vert et le bleu avec (le rouge moins (le rouge plus le vert plus le bleu)), ce qui donne le rouge.
Un signal bleu est obtenu en additionnant le rouge, le vert et le bleu avec (le bleu moins (le rouge plus le vert plus le bleu)), ce qui donne le bleu. Un signal vert est obtenu en soustrayant la somme des deux signaux de chrominance (le rouge plus le bleu) du signal de luminance (le rouge plus le vert plus le bleu) moins(le rouge plus le bleu), ce qui donne le vert.
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leurs multiples comprenant le rouge, le vert, le jaune et le bleu. On peut utiliser le système de balayage de télévision à entrelacement bien connu comprenant trente demi-images et soixante images, une demi-image étant balayée dans une bande étroite, par exemple le rouge, l'autre demi-image étant balayée en vert. Le balayage du jaune et du bleu se fait alors dans les demi-images respectives de l'image suivante. L'invention envisage aussi cependant d'augmenter le nombre de demi-images jusqu'à 90 par seconde, ce qui correspond
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un meilleur mélange des quatre couleurs.
L'utilisation d'un balayage séquentiel des demi-images et des images permet de ne faire appel qu'à une seule caméra vidicon associée, par exemple, à un monochromateur et une source de lumière pulsée afin d'obtenir un mélange parfait des couleurs avec l'intensité de signal suffisante pour obtenir la luminance et la chrominance voulues sans devoir recourir à des systèmes à ligne à retard compliqués ou sans avoir recours à plusieurs caméras vidicon du côté captation.
La présente invention a pour but principal de procurer un microscope à haut pouvoir de résolution avec télévision en couleurs utilisant des circuits électroniques moins complexes que les systèmes de télévision en couleurs normaux.
La présente invention a aussi pour but de procurer un système de visualisation pour microscope avec télévision en couleurs utilisant des techniques de synchronisation par impulsions en vue de synchroniser la source de lumière éclairant le spécimen tout en synchronisant aussi le moniteur à tube de visualisation et/ou une caméra vidicon utilisée pour l'enregistrement des images du spécimen.
Ces buts, particularités et avantages de l'invention ainsi que d'autres encore ressortiront clairement de la description donnée ci-après avec référence aux dessins annexés dans lesquels:
la Fig. 1 est un schéma synoptique d'une première forme d'exécution de la présente invention;
la Fig. 2a est un schéma synoptique de l'oscillateur de base et du générateur de synchronisation de la Fig. 1;
la Fig. 2b est un graphique simplifié montrant la relation entre les impulsions de synchronisation verticale destinées à une image produite par le microscope avec télévision en couleurs;
la Fig. 3a est un vue schématique et figurative combinée <EMI ID=8.1>
tion, et
la Fig. 3b représente une modification de l'appareil d'éclairement du spécimen utilisé dans la forme d'exécution de la Fig. 3a.
Un oscillateur stable 10 fournit les signaux de fréquence de base stabilisés en température et servant à commander le fonctionnement de l'appareil. La sortie stable à la fréquence de
92.160 Hz de l'oscillateur 10 alimente le générateur de synchronisation 12 qui fournit les fréquences stables de base pour la production des signaux de fréquence de ligne et de trame pour le circuit de <EMI ID=9.1>
caméra vidicon 20 et le moniteur de visualisation 24. Le générateur de synchronisation 12 réalise la coïncidence entre les impulsions
de synchronisation précitées et les impulsions commandant la source de lumière pulsée 16, le moment de production d'une image correspondant à la production d'une impulsion de lumière. De façon semblable, les impulsions de synchronisation commandent le monochromateur 18
de façon qu'une image du système de télévision corresponde à l'émission par le monochromateur d'une bande de lumière étroite. La production des impulsions de synchronisation est décrite ci-après plus en détail avec référence à la Fig. 2a.
La source de lumière 16 peut consister en une lampe au xénon de forte Intensité qui débite son spectre énergétique total dans le monochromateur 18 qui consiste, comme cela est bien connu, en un certain nombre de réseaux, chaque réseau ayant une largeur de bande et une caractéristique de transmission à longueur d'onde déterminées. La sortie du monochromateur 18 est envoyée sur le spécimen 19 et l'image lumineuse résultante qui peut être soit réfléchie, soit transmise par le spécimen 19, est dirigée sur la face de la caméra vidicon 20. Celle-ci transforme les images lumineuses en signaux électroniques correspondants. De telles caméras vidicon
sont bien connues en télévision et ne doivent donc pas être décrites en détail. L'amplificateur 22 amplifie le signal électronique de sortie de la caméra vidicon 20 en vue de visualiser les images lumineu-
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La largeur de bande requise dans un système vidéo de haute qualité est généralement connue. On sait également que la largeur de bande dudit système vidéo constitue aussi un facteur de limitation du point de vue du pouvoir de résolution des images lumineuses <EMI ID=11.1>
tème vidéo à haut pouvoir de résolution utilisant 1.000 lignes verticales et un nombre égal de lignes horizontales avec une fréquence d'images de trente images par seconde, une largeur de bande de
30 Hz est nécessaire si on veut recueillir toute l'information fournie par le circuit de balayage. Dans le cas de la présente invention, on peut utiliser une fréquence d'images de trente ou de quarantecinq s'accompagnant d'une fréquence de demi-images correspondante
de soixante ou de quatrevingt-dix par seconde. Cependant, le nombre
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l'information vidéo puisse être manipulée par un amplificateur 22 à largeur de bande de 32 MHz. L'amplificateur vidéo 22 doit être
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ractéristique de fréquence s'étendant de préférence en substance jusqu'aux plus basses fréquences se rapprochant du courant continu. De tels amplificateurs vidéo sont bien connus dans l'industrie de la télévision et il n'est donc pas nécessaire de les décrire en détail.
Les spectres de lumière à largeur de bande étroite sont produits de la manière suivante. Par exemple, la couleur bleue est obtenue à partir de différentes largeurs de bandes de la région bleue du spectre, par exemple à partir de deux nuances de couleur bleue successives entamant l'éclairement à 4.225 A et le terminant
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0
50 A après laquelle il y a un nouvel éclairement à partir d'une
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sée et ceci pour n'importe quel nombre désiré d'éclairements à partir du spectre bleu. De façon semblable, des éclairements pulsés répétés sont produits à partir des autres couleurs rouge, verte et bleue. La durée d'éclairement de chaque couleur est minutée de telle façon à l'aide du générateur de synchronisation que cette durée se limite à la durée d'une image de la trame d'analyse de la caméra et de la trame correspondante du moniteur. Les impulsions de synchronisation verticale et les signaux correspondant à une image sont donnés à la Fig. 2b. La largeur de l'impulsion de synchronisation verticale est approximativement égale à 1/10 d'une image ou 1/900 d'une seconde.
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présente invention.
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Système de couleurs monochromatiques s Séquence "A"
Séquences de couleurs
R = Rouge G = Vert Y = Jaune B = Bleu
Les longueurs d'ondes sont données en A. et les largeurs de bandes
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Système de couleurs monochromatiques Séquence "B"
Séquences de couleurs
R = Rouge G = Vert Y = Jaune B = Bleu
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Il ressort de ce qui précède que tout le spectre de couleur visible peut être couvert par un certain nombre d'éclairements à largeur de bande étroite interrompus et séparés les uns des autres par une courte période noire ce qui permet d'obtenir un éclairement pulsé. Le début de chaque largeur de bande est commandé par les im-
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lateur 10, comme cela est représenté à la Fig. 2a.
Comme la Fig. 2a le montre, la sortie à 92.160 Hz de l'oscillateur de base stabilisé 10 est appliquée à un diviseur de fréquence 30 en vue de la production des signaux de commande de séquences de couleurs nécessaires 31 et d'un signal de sortie à 180 H:
Le diviseur de fréquence 30 se compose d'un certain nombre de circuits diviseurs séquentiels qui sont de type bien connu. Le signal dé commande séquentiel de couleur 31 est appliqué à la source de lumière pulsée 16 et au monochromateur 18 de façon que celui-ci pro' duise les séquences de couleurs nécessaires représentées au tableau I ou au tableau II.
La source de lumière pulsée 16 peut consister en une lam- <EMI ID=26.1>
de synchronisation verticale produites par le générateur synchrone
12. Le monochromateur 18 peut consister en un réseau de diffraction bien connu qui démarre en synchronisme avec l'impulsion de synchronisation verticale.
Il est clair que le signal de commande séquentiel de couleur provenant du diviseur de fréquence 30 peut être modifié de manière à obtenir d'autres fréquences de couleurs que celles des
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ce 30. Les signaux de commande séquentiels de couleur 31 comprennent des.signaux de démarrage et d'extinction de la source lumineuse 16 en synchronisme avec la commande du monochromateur 18 afin d'obtenir les séquences de couleur désirées.
Il va de soi aussi que l'oscillateur de base et/ou le générateur de synchronisation 12 peuvent être modifiés de manière à produire des signaux de commande appropriés à d'autres dispositifs spécifiés ici et qui peuvent être substitués à la source de lumière puisée 16 et/ou au monochromateur 18, y compris la source d'éclairement monochromatique de la Fig. 3a.
Le signal à 180 Hz provenant du diviseur de fréquence 30 est appliqué aux diviseurs 32, 34 afin d'obtenir des signaux de sortie à 60 Hz et 90 Hz. Le signal à 90 Hz provenant du diviseur 34 est appliqué au circuit de balayage 14 en vue de la production des signaux d'images et de demi-images nécessaires en vue du fonctionnement de la caméra vidicon 20 et du moniteur de visualisation 24 qui comprennent les circuits de balayage vertical et de balayage horizontal correspondants.
Le moniteur de visualisation 24 comprend un tube de télévision en couleurs ainsi que ses circuits portes de synchronisation et l'amplificateur vidéo final. Les circuits portes de synchronisation et l'amplificateur vidéo sont commandés par les signaux provenant du circuit de balayage 14 sous la commande des impulsions de synchronisation provenant du générateur de synchronisation 12. Le
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bande d'éclairement à l'aide d'un dispositif photo-électrique qui détecte les éclairements et applique une impulsion de synchronisation à une électrode de commande du moniteur.
Le signal à 60 Hz provenant du diviseur 32 est appliqué à un comparateur de phase 36 qui compare ce signal de sortie à la fréquence à 60 Hz de l'alimentation, ce qui permet d'appliquer à <EMI ID=29.1>
servant à stabiliser la fréquence de l'oscillateur de base à
92.160 Hz. La production du signal rétrocouplé de synchronisation par le comparateur de phases 36 est de type bien connu et ne doit
pas être décrite dans le détail. En outre, le diviseur de fréquence
30 et les divisées 32, 34 sont bien connus et ne doivent pas être décrits davantage.
La source de lumière monochromatique fait apparaître la scène ou le spécimen 19 sur l'écran du moniteur, ce qui évite l'utilisation de filtres à l'avant de la surface photo-conductrice du
tube de la caméra vidicon ou du tube d'image orthicon ou semblable, comme cela est généralement nécessaire en télévision. En outre, du fait qu'on éclaire le spécimen avec de la lumière monochromatique,
on obtient un gain considérable du point de vue du pouvoir de résolution comparativement à l'utilisation de filtres à large bande à l'avant d'un dispositif de détection photo-conducteur. Il est clair que le pouvoir de résolution est augmenté proportionnellement à la diminution de la largeur de bande des différentes couleurs éclairantes. Par exemple, l'utilisation de quatre largeurs de bande d'éclairement différentes dans chacune des quatre couleurs permet d'obtenir une au gmentation remarquable du pouvoir de résolution comparativement à ce qui est obtenu uniquement avec trois largeurs de bande de couleur plus larges comme le rouge, le vert et le bleu, qui sont normalement utilisées dans les systèmes de télévision en couleurs.
La Fig. 3a représente une forme d'exécution préférée du microscope avec télévision en couleurs de la présente invention. La lampe 40 est une lampe au xénon de 500 watts qui est alimentée sans interruption par l'alimentation 42. Des lentilles de collimatica, 44 projettent les spectres de lumière à large bande de la lampe 40 sur l'appareil d'éclairé ment monochromatique 45 et plus spécifiquement
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nombre de filtres représentant individuellement chacun la largeur de bande étroite désirée pour les quatre couleurs utilisées dans le
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filtres, le filtre 46a et le filtre 46b. Les filtres sont montés sur le disque 46 dans l'ordre de couleur désirée, par exemple conformément à la séquence de couleurs donnée au tableau I ou au tableau II. Il y a quinze filtres également espacés, chaque filtre correspondant respectivement à un spectre de lumière donné ayant la largeur de bande indiquée, par exemple, aux tableaux I et II <EMI ID=32.1>
couleur ordinaires ou des filtres interférentiels comme cela est bien connu. Le disque 46 présente une ouverture servant à produire un signal périodique et répété qui sera décrit en détail ci-après.
Le générateur de synchronisation 62 est semblable au générateur de synchronisation 12 déjà décrit. Cependant, ses signaux synchrones de sortie sont appliqués à la commande 50 de l'appareil d'éclairement mono chroma tique 45 qui agit sur le moteur 48. Le moteur 48 peut tourner en synchronisme avec la fréquence d'image et de demi-image du système de télévision soit par rotation continue soit par rotation pas à pas. Dans le cas d'une rotation continue, il est clair que la vitesse du moteur 48 doit être réglée de telle
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lumière collimatée à hauteur de l'ouverture 47 pendant la durée d'une seule image du système de télévision. Il est clair aussi que l'espacement des filtres doit tenir compte des impulsions de synchronisation verticale se présentant entre les demi-images de chaque image du signal de télévision. C'est ainsi que, si l'impulsion de synchronisation verticale a une largeur égale au 1/10 de la durée d'une demi-image, il faut que le "blanc" entre chaque filtre du disque 46 occupe 1/10 de l'espace entre les filtres respectifs.
Lorsque le moteur 48 est à rotation continue, la commande
50 comporte les circuits de conformation d'impulsions nécessaires pour une alimentation appropriée du moteur utilisant ce signal même ou bien la commande 50 peut modifier le signal de synchronisation provenant du générateur de synchronisation 62 de manière à produire d'autres signaux de synchronisation servant à stabiliser une source de tension alternative séparée .
Le moteur 48 peut être un moteur pas à pas et, dans ce cas,
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le moteur pas à pas et de façon synchrone de telle manière qu'un filtre donné sur le disque 46 passe entre les fentes 47 et 49 pendant une demi-image donnée du système de télévision.
Les spectres séquentiels de lumière à bande étroite sont émis par l'appareil d'éclairement monochrome 45 au travers l'ouverture 49 et sont projetés au moyen d'un faisceau de fibres optiques
52 sur la surface du spécimen 19, ceci sous un angle tel que la lu-
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Celles-ci provoquent un agrandissement de l'image lumineuse qui est ainsi projetée sur la surface photo-conductrice de la caméra vidicon <EMI ID=36.1>
iessus ainsi qu'une lampe au xénon de 500 watts, le débit à hauteur ie l'ouverture 49 est d'environ 14 watts.
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l'éclairement monochrome 45, le faisceau de fibres optiques 52 et Les lentilles de caméra 53 sont montés sur un microscope stéréo
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spectroscopique .
Comme la Fig. 3a le montre, les signaux électriques de la caméra vidéo 20 qui représente des images lumineuses projetées sur sa face photo-conductrice, peuvent être appliqués au moniteur 24 en vue d'une visualisation instantanée du spécimen. En outre, la sortie ie la caméra vidéo peut être appliquée à un enregistreur à plume 58
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�oraire .
Comme précité, le moniteur 24 consiste en un tube de télévision en couleurs commercial classique à trois canons électroniques correspondant respectivement aux couleurs rouge, verte et bleue :omme on en utilise normalement dans les systèmes de télévision en :ouleurs courants. Le signal de synchronisation décrit et provenant le l'ouverture du disque à filtres 46 est utilisé à un des trois
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sant ensuite successivement les faisceaux nécessaires pour faire apparaître l'image en couleurs sur l'écran du moniteur. Par exemple,
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Lieu le canon électronique rouge et, si les filtres de couleur se :rouvant sur le disque à filtres 46 sont disposés sur le disque lans l'ordre voulu représenté au tableau I (avec le spectre bleu lémarrant à �.225 A immédiatement après l'ouverture dans le sens
le rotation du disque à filtres et de telle façon que le dernier spectre, notamment le spectre rouge dont la largeur de bande initiale démarre à 6.850 Ã,soit voisin de l'autre côté de l'ouverture par rapport au premier spectre bleu), la séquence de couleurs du tableau I provoquera le chevauchement des couleurs exactement comme tans le cas d'un système de télévision en couleurs connu. Le canon électronique rouge sera actionné au premier spectre bleu, le canon électronique vert étant actionné avec le second spectre bleu, le =on électronique bleu étant actionné avec le troisième spectre bleu, le canon électronique rouge étant actionné avec le quatrième spectre bleu, le canon électronique vert étant actionné par le pre- <EMI ID=42.1> second spectre vert, etc.
Il est donc clair qu'il y aura un chevauchement des couleurs rouge, verte et bleue sur l'écran du tube moni-
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La séquence de couleurs peut être modifiée, par exemple comme cela est représenté au tableau II ci-dessus, de façon que l'un quelconque des canons électroniques rouge, bleu ou vert soit excité par un autre spectre de couleur de manière à obtenir d'autres résultats, c'est-à-dire le renforcement de certaines couleurs, l'élimination de certaines couleurs, un autre mélange des couleurs, etc.
Le compteur numérique 54 répond à l'ouverture précitée du disque 46, ce qui permet d'obtenir une indication relative au nombre de balayages ou de séquences de couleurs produites, par exemple dans une période de temps donnée, ceci constituant une facilité pour l'analyse spectroscopique du spécimen.
En outre, les sorties de la caméra vidéo 20 peuvent être utilisées dans un système de récupération de données 56 dans lequel les images lumineuses peuvent être enregistrées et ensuite récupérées à partir de cet enregistrement au gré de l'analyste spectroscopique.
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tiques 52 est envoyée au travers du spécimen 19 sur des lentilles de caméra 53 de manière à être réfléchie par le spécimen sur l'ap-
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Comme la présente invention n'est pas concernée par la compatibilité entre la télévision en couleurs et la télévision en noir et blanc, les signaux de luminance normalement utilisés dans le système classique de télévision en couleurs en vue de la compatibilité ne sont pas nécessaires, ce qui simplifie le système de télévision en couleurs. En outre, l'absence des signaux de luminance permet au système d'être un système séquentiel de couleurs pures utilisant une fréquence de demi-images accrue de 100 demi-images par seconde au lieu des 50 demi-images par seconde normales et une fréquence d'images accrue de 45 images par seconde au lieu des 25 images par seconde normales. La combinaison de tous ces facteurs augmente le pouvoir de résolution puisqu'elle permet une fréquence de balayage accrue.
Le système de télévision en couleurs conforme à l'invention a été développé comme microscope d'observation afin d'augmenter .......
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des fréquences des demi-images et d'images et utilisation de bandes étroites d'éclairement dans chacune des bandes de couleur qui sont créées de façon séquentielle à partir d'une source de lumière ou d'éclairement pulsée. L'éclairement monochromatique du spécimen supprime les inconvénients des systèmes à filtres classiques utilisés dans les systèmes de télévision en couleurs. Les contrastes de couleurs et le bruit électronique sont réduits dans le système de l'invention en créant délibérément des intervalles noirs entre chaque bande de chaque couleur produite séquentiellement.
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1.- Système de télévision en couleurs à bande étroite pour la visualisation microscopique en couleur d'un objet, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour produire une série de spectres répétitifs à largeur de bande étroite dans un nombre de spectres de couleurs différents, des moyens pour visualiser les différents spectres successifs à largeur de bande étroite rayonnés par l'objet, et des moyens pour produire des signaux de synchronisation du moyen de production et du moyen de visualisation.
High-resolution microscopy machine with television
in colors.
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viewing and observation of biological specimens and more particularly relates to viewing and observation using simplified color television techniques in a television microscopy apparatus.
It is known that the display of color images by television poses different problems from those encountered in color photography. In addition, the electronic exploration of an object with a view to its visualization in color television 1 generally involves the use of complex electronic circuits compared to those used, for example, in monochrome television. While circuits are somewhat less complex when color television images are produced by a closed circuit television system that does not require transmission or reception through television antennas, commercial-grade color television techniques are unnecessarily complicated if one limits oneself to visual examination and visualization of biological specimens.
The present invention provides a full color, high resolving power, high definition optical microscopy apparatus using simplified color television techniques. In the case of the present invention, the biological specimen or any scene, object or image reflecting or transmitting light, is illuminated by means of a rapidly varying sequence of different monochromatic light spectra selected at width of narrow band. For example,
different widths of narrow bands are produced in each of the colors red, green, blue and yellow, these spectra being projected onto the specimen or object. By illuminating the specimen, for example, with the aid of a narrow spectrum in the red color band, all the colors covered by that band are neutralized, thus subtracting the information belonging to that particular band from all the color of the specimen. Narrowband subtractions are
also performed for the colors green, blue and yellow.
In well-known commercial color television systems, three cameras are used simultaneously to reproduce the colors red, green, respectively. and blue. The respective color spectra of each of the cameras overlap slightly so that in the red spectrum there is some mixing of the green spectrum, while, likewise, the green spectrum includes an <EMI ID = 2.1>
part of the green spectrum.
In the color television microscope of the present invention, so as not to have to use three separate cameras or vidicons, the different narrow band spectra of each of the four colors are sequentially and repeatedly projected. The different spectra which are projected onto the specimen and reflected or transmitted by it, are visualized by an appropriate monitor. The human eye integrates the visualized spectra which makes it possible to obtain the desired recomposition of the image of the specimen.
The novel spectro-analytical apparatus of the present invention allows in vivo analyzes and by limiting the spectra of each of the four colors to, for example, 1 A, one can even obtain in vivo absorption line spectra while a patient is on the operating table. Therefore, a doctor or surgeon can obtain a complete analysis of a biological specimen almost instantly during surgery. This constitutes an important improvement of the analyzes; until now, the biological specimen had to be taken to a laboratory separate from the operating room for examination under a microscope.
In all known color television microscopy apparatus, the specimen or scene is observed through appropriate filters. In the present invention, the process is reversed by illuminating the specimen or scene with successive bands of pure monochromatic light. Monochromatic light bands are produced using prisms, transparent diffraction gratings, normal grating, diffraction, or interference filters. All of these monochromatic light generators are well known.
The system of the present invention also differs fundamentally from known systems in that high resolving power is obtained by decreasing the bandwidth of a monochromatic light source and / or by using pulse techniques.
to pulse the monochromatic light source in synchronism with the frame rate of the television system. As is generally known, the formula for determining the limit
optical resolution is as follows
<EMI ID = 3.1>
where [pound] is the smallest distance between two points of the object which <EMI ID = 4.1>
<EMI ID = 5.1>
n is the refractive index of matter inside the model space,
u is the angle made by the extreme ray entering the objective with the axis of the apparatus.
It emerges from the preceding formula that it is obvious that the bandwidth of the illuminating source plays an important role in obtaining optimum resolving power. Therefore, for example, the use of an adjustable monochromator in combination with a broadband light source allows the bandwidth of the illuminating light to be adjusted at will.
Another aspect of the present invention is that the monochromatic light source turns off during the emission of the sync pulses in order to eliminate the generation of unwanted electronic noise, thereby obtaining a high quality image. Having the subject or specimen illuminated with narrow bands of color, these narrow bands of color being subtracted from the subject's colors, further increases the resolving power.
Conventionally, the known color television system uses three basic colors and two factors to obtain good viewing of the picture. One factor, luminance, compensates for the sensitivity of the eye to different degrees of brightness while the second factor, chroma, determines color resolution. For example, a color television receiver receives the luminance signal consisting of three main colors, including red, green, and blue, as well as two chrominance signals that modulate the subcarrier frequency. A red signal is obtained by adding the chrominance and luminance signals in the receiver, i.e. by adding, for example, red, green and blue with (red minus (red plus green plus blue)), resulting in red.
A blue signal is obtained by adding red, green and blue with (blue minus (red plus green plus blue)), which gives blue. A green signal is obtained by subtracting the sum of the two chrominance signals (red plus blue) from the luminance signal (red plus green plus blue) minus (red plus blue), resulting in green.
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their multiples including red, green, yellow and blue. The well-known interlaced television scanning system comprising thirty half pictures and sixty pictures can be used, one half picture being scanned in a narrow band, for example red, the other half picture being scanned in green. The scanning of yellow and blue is then done in the respective half-images of the following image. However, the invention also envisages increasing the number of half-images up to 90 per second, which corresponds to
<EMI ID = 7.1>
a better mix of the four colors.
The use of a sequential scan of the half-images and the images makes it possible to use only a single vidicon camera associated, for example, with a monochromator and a pulsed light source in order to obtain a perfect mixture of colors with sufficient signal strength to achieve the desired luminance and chroma without having to resort to complicated delay line systems or without the need for multiple vidicon cameras on the pickup side.
The main object of the present invention is to provide a high resolving power microscope with color television using less complex electronic circuits than normal color television systems.
It is also an object of the present invention to provide a color television microscope viewing system using pulse synchronization techniques to synchronize the light source illuminating the specimen while also synchronizing the viewing tube monitor and / or a vidicon camera used for recording images of the specimen.
These aims, features and advantages of the invention as well as others will emerge clearly from the description given below with reference to the accompanying drawings in which:
Fig. 1 is a block diagram of a first embodiment of the present invention;
Fig. 2a is a block diagram of the basic oscillator and the synchronization generator of FIG. 1;
Fig. 2b is a simplified graph showing the relationship between the vertical sync pulses intended for an image produced by the microscope with color television;
Fig. 3a is a combined schematic and figurative view <EMI ID = 8.1>
tion, and
Fig. 3b shows a modification of the specimen illumination apparatus used in the embodiment of FIG. 3a.
A stable oscillator 10 supplies the base frequency signals stabilized in temperature and used to control the operation of the apparatus. The output stable at the frequency of
92.160 Hz from oscillator 10 powers synchronization generator 12 which provides the basic stable frequencies for the production of line and field frequency signals for the <EMI ID = 9.1> circuit.
vidicon camera 20 and the viewing monitor 24. The synchronization generator 12 realizes the coincidence between the pulses
aforementioned synchronization and the pulses controlling the pulsed light source 16, the moment of production of an image corresponding to the production of a light pulse. Similarly, the synchronization pulses drive the monochromator 18
so that an image of the television system corresponds to the emission by the monochromator of a narrow band of light. The production of the synchronization pulses is hereinafter described in more detail with reference to FIG. 2a.
The light source 16 may consist of a High Intensity xenon lamp which delivers its total energy spectrum into the monochromator 18 which consists, as is well known, of a number of gratings, each grating having a bandwidth and a transmission characteristic at determined wavelengths. The output of the monochromator 18 is sent to the specimen 19 and the resulting light image which can either be reflected or transmitted by the specimen 19 is directed onto the face of the vidicon 20 camera. This transforms the light images into signals. corresponding electronics. Such vidicon cameras
are well known in television and therefore need not be described in detail. The amplifier 22 amplifies the electronic output signal of the vidicon camera 20 with a view to viewing the bright images.
<EMI ID = 10.1>
The bandwidth required in a high quality video system is generally known. It is also known that the bandwidth of said video system is also a limiting factor from the point of view of the resolving power of light images <EMI ID = 11.1>
High resolving power video tem using 1,000 vertical lines and an equal number of horizontal lines with a frame rate of thirty frames per second, a bandwidth of
30 Hz is necessary if we want to collect all the information supplied by the scanning circuit. In the case of the present invention, it is possible to use a frame rate of thirty or forty-five accompanied by a corresponding half frame rate.
sixty or ninety per second. However, the number
<EMI ID = 12.1>
the video information can be manipulated by a 32 MHz bandwidth amplifier 22. Video amplifier 22 must be
<EMI ID = 13.1>
A frequency characteristic preferably extending substantially to the lowest frequencies approaching direct current. Such video amplifiers are well known in the television industry and therefore need not be described in detail.
Narrow bandwidth light spectra are produced as follows. For example, the color blue is obtained from different bandwidths of the blue region of the spectrum, for example from two successive shades of blue color starting the illumination at 4.225 A and ending it
<EMI ID = 14.1>
0
50 A after which there is a new illumination from a
<EMI ID = 15.1>
<EMI ID = 16.1>
and this for any desired number of illuminations from the blue spectrum. Likewise, repeated pulsed illumination is produced from the other colors red, green and blue. The duration of illumination of each color is timed in such a way with the aid of the synchronization generator that this duration is limited to the duration of an image of the analysis frame of the camera and of the corresponding frame of the monitor. The vertical sync pulses and the signals corresponding to an image are given in Fig. 2b. The width of the vertical sync pulse is approximately 1/10 of an image or 1/900 of a second.
<EMI ID = 17.1> <EMI ID = 18.1>
present invention.
<EMI ID = 19.1>
Monochromatic color system s Sequence "A"
Color sequences
R = Red G = Green Y = Yellow B = Blue
The wavelengths are given in A. and the bandwidths
<EMI ID = 20.1>
<EMI ID = 21.1>
<EMI ID = 22.1>
Monochromatic color system Sequence "B"
Color sequences
R = Red G = Green Y = Yellow B = Blue
<EMI ID = 23.1>
<EMI ID = 24.1>
It emerges from the above that the whole visible color spectrum can be covered by a certain number of narrow bandwidth illuminations interrupted and separated from each other by a short dark period, which makes it possible to obtain pulsed illuminance. The start of each bandwidth is controlled by the im-
<EMI ID = 25.1>
lator 10, as shown in FIG. 2a.
As in Fig. 2a shows, the 92.160 Hz output of the stabilized basic oscillator 10 is applied to a frequency divider 30 to produce the necessary color sequence control signals 31 and a 180 H output signal. :
The frequency divider 30 consists of a number of sequential divider circuits which are of a well known type. The color sequential control signal 31 is applied to the pulsed light source 16 and to the monochromator 18 so that the latter produces the necessary color sequences shown in Table I or Table II.
The pulsed light source 16 may consist of a lam- <EMI ID = 26.1>
of vertical synchronization produced by the synchronous generator
12. Monochromator 18 may consist of a well known diffraction grating which starts in synchronism with the vertical sync pulse.
It is clear that the color sequential control signal from the frequency divider 30 can be changed so as to obtain other color frequencies than those of the
<EMI ID = 27.1>
This 30. The color sequential control signals 31 include start and stop signals of the light source 16 in synchronism with the control of the monochromator 18 in order to obtain the desired color sequences.
It also goes without saying that the basic oscillator and / or the synchronization generator 12 can be modified so as to produce control signals suitable for other devices specified here and which can be substituted for the pulsed light source 16. and / or to the monochromator 18, including the monochromatic illumination source of FIG. 3a.
The 180 Hz signal from the frequency divider 30 is applied to the dividers 32, 34 to obtain output signals at 60 Hz and 90 Hz. The 90 Hz signal from the divider 34 is applied to the scanning circuit 14 in view of the production of the image and half-image signals necessary for the operation of the vidicon camera 20 and the viewing monitor 24 which include the corresponding vertical scanning and horizontal scanning circuits.
The viewing monitor 24 includes a color television tube as well as its synchronization gate circuits and the final video amplifier. The synchronization gate circuits and the video amplifier are controlled by the signals from the scanning circuit 14 under the control of the synchronization pulses from the synchronization generator 12.
<EMI ID = 28.1>
illuminance strip using a photoelectric device which detects illuminations and applies a synchronization pulse to a control electrode of the monitor.
The 60Hz signal from divider 32 is applied to a phase comparator 36 which compares this output signal to the 60Hz frequency of the power supply, which makes it possible to apply to <EMI ID = 29.1>
used to stabilize the frequency of the basic oscillator at
92.160 Hz. The production of the back-coupled synchronization signal by the phase comparator 36 is of a well-known type and should not
not be described in detail. In addition, the frequency divider
30 and parts 32, 34 are well known and need not be described further.
The monochromatic light source makes the scene or specimen 19 appear on the monitor screen, eliminating the need for filters in front of the photo-conductive surface of the
vidicon camera tube or orthicon picture tube or similar, as is usually required in television. In addition, since the specimen is illuminated with monochromatic light,
a considerable gain in resolving power is obtained compared to the use of broadband filters in front of a photo-conductive detection device. It is clear that the resolving power is increased in proportion to the decrease in the bandwidth of the different illuminating colors. For example, using four different illumination bandwidths in each of the four colors results in a remarkable increase in resolving power compared to what is achieved only with three wider color bandwidths such as red, green and blue, which are normally used in color television systems.
Fig. 3a shows a preferred embodiment of the color television microscope of the present invention. Lamp 40 is a 500 watt xenon lamp which is supplied uninterruptedly by power supply 42. Collimatica lenses, 44 project the broadband light spectra of lamp 40 onto the monochromatic illumination apparatus 45 and more specifically
<EMI ID = 30.1>
number of filters individually each representing the desired narrow bandwidth for the four colors used in the
<EMI ID = 31.1>
filters, filter 46a and filter 46b. The filters are mounted on disc 46 in the desired color order, for example according to the color sequence given in Table I or Table II. There are fifteen equally spaced filters, each filter corresponding respectively to a given spectrum of light having the bandwidth shown, for example, in Tables I and II <EMI ID = 32.1>
ordinary color or interference filters as is well known. The disc 46 has an opening for producing a periodic and repeated signal which will be described in detail hereinafter.
The synchronization generator 62 is similar to the synchronization generator 12 already described. However, its synchronous output signals are applied to the control 50 of the mono chroma tic illuminator 45 which acts on the motor 48. The motor 48 can rotate in synchronism with the frame and half frame frequency of the. television system either by continuous rotation or by step rotation. In the case of continuous rotation, it is clear that the speed of the motor 48 must be adjusted so
<EMI ID = 33.1>
light collimated at aperture 47 for the duration of a single image of the television system. It is also clear that the spacing of the filters must take account of the vertical synchronization pulses occurring between the half-frames of each frame of the television signal. Thus, if the vertical synchronization pulse has a width equal to 1/10 of the duration of a half-frame, it is necessary that the "white" between each filter of the disc 46 occupies 1/10 of l. 'space between the respective filters.
When the motor 48 is continuously rotating, the control
50 has the pulse shaping circuitry necessary for proper power to the motor using that same signal, or the controller 50 may modify the sync signal from sync generator 62 to produce other sync signals to stabilize a separate AC voltage source.
Motor 48 may be a stepping motor and, in this case,
<EMI ID = 34.1>
stepping motor and synchronously such that a given filter on disk 46 passes between slots 47 and 49 for a given half frame of the television system.
Narrow-band sequential spectra of light are emitted by monochrome illumination apparatus 45 through aperture 49 and are projected by means of a bundle of optical fibers
52 on the surface of specimen 19, this at an angle such that the lu-
<EMI ID = 35.1>
These cause an enlargement of the light image which is thus projected onto the photo-conductive surface of the vidicon camera <EMI ID = 36.1>
Above, as well as a 500 watt xenon lamp, the output at aperture 49 is about 14 watts.
<EMI ID = 37.1>
monochrome illumination 45, fiber optic bundle 52 and 53 camera lenses are mounted on a stereo microscope
<EMI ID = 38.1>
spectroscopic.
As in Fig. 3a shows, the electrical signals of the video camera 20 which represents light images projected on its photoconductive face, can be applied to the monitor 24 for instant visualization of the specimen. Also, the output ie the video camera can be applied to a pen recorder 58
<EMI ID = 39.1>
� Oral.
As mentioned above, the monitor 24 consists of a conventional commercial color television tube with three electronic guns corresponding to the colors red, green and blue, respectively, as are normally used in television systems in common use. The described sync signal from the opening of the filter disc 46 is used at one of three
<EMI ID = 40.1>
then successively taking the necessary beams to display the color image on the monitor screen. For example,
<EMI ID = 41.1>
Place the red electron gun and, if the color filters reopening on the filter disc 46 are arranged on the disc in the desired order shown in Table I (with the blue spectrum starting at �. 225 A immediately after opening in the direction
the rotation of the filter disc and in such a way that the last spectrum, in particular the red spectrum whose initial bandwidth starts at 6.850 Ã, is close to the other side of the opening compared to the first blue spectrum), the color sequence of Table I will cause the colors to overlap just as in the case of a known color television system. The red electron gun will be fired at the first blue spectrum, the green electron gun being fired with the second blue spectrum, the blue electron = on being fired with the third blue spectrum, the red electron gun being fired with the fourth blue spectrum, the gun green electronics being actuated by the first <EMI ID = 42.1> second green spectrum, etc.
So it is clear that there will be an overlap of red, green and blue colors on the moni- tube screen.
<EMI ID = 43.1>
The sequence of colors can be changed, for example as shown in Table II above, so that any one of the red, blue or green electron guns is excited by another color spectrum so as to obtain other results, i.e. strengthening of certain colors, elimination of certain colors, other mixing of colors, etc.
The digital counter 54 responds to the aforementioned opening of the disc 46, which makes it possible to obtain an indication relating to the number of scans or color sequences produced, for example in a given period of time, this constituting a facility for the spectroscopic analysis of the specimen.
Further, the outputs of video camera 20 can be used in a data recovery system 56 in which light images can be recorded and then retrieved from this recording at the discretion of the spectroscopic analyst.
<EMI ID = 44.1>
<EMI ID = 45.1>
tick 52 is sent through specimen 19 onto camera lenses 53 so as to be reflected by the specimen onto the device.
<EMI ID = 46.1>
Since the present invention is not concerned with the compatibility between color television and black and white television, the luminance signals normally used in the conventional color television system for compatibility are not necessary. which simplifies the color television system. In addition, the absence of the luminance signals allows the system to be a pure color sequential system using an increased half-frame rate of 100 half-frames per second instead of the normal 50 half-frames per second and frequency images increased by 45 frames per second instead of the normal 25 frames per second. The combination of all these factors increases the resolving power since it allows an increased scanning frequency.
The color television system according to the invention was developed as an observation microscope in order to increase .......
<EMI ID = 47.1>
half-frame and frame frequencies and use of narrow bands of illumination in each of the color bands which are created sequentially from a pulsed light or illumination source. The monochromatic illumination of the specimen overcomes the drawbacks of conventional filter systems used in color television systems. Color contrasts and electronic noise are reduced in the system of the invention by deliberately creating black gaps between each band of each color produced sequentially.
<EMI ID = 48.1>
1.- Narrow band color television system for the color microscopic visualization of an object, characterized in that it comprises a means for producing a series of repeating narrow bandwidth spectra in a number of color spectra different, means for viewing the different successive narrow-bandwidth spectra radiated by the object, and means for producing synchronization signals of the production means and of the display means.