JP2020190557A - 時間分解ハイパースペクトル単一画素撮像 - Google Patents

時間分解ハイパースペクトル単一画素撮像 Download PDF

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Abstract

【課題】時間分解ハイパースペクトル単一画素撮像を提供する。【解決手段】サンプル３を反復可能に照明するのに適した放射源１と、透過又は反射マスクＰを形成する空間光変調器６上にサンプルの画像Ｉを形成する第１の光学システム５と、透過又は反射マスクＰを変化させるように構成されたプロセッサ１２と、自らの画像焦点面に部分画像を形成する第２の光学システム７とを含み、撮像システム１０が透過又は反射された放射の波長を空間的に分割する分散装置８と、サンプル３の複数の時間分解部分画像を取得するように構成されたストリークカメラ１１とをを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、４次元（２Ｄ空間分解能、時間分解能、及びスペクトル分解能）における撮像、並びに特にピコ秒分解能を備えたハイパースペクトル撮像を実行するのに適した撮像システムに関する。
時間分解ハイパースペクトル撮像は、生物組織の特徴から環境の研究に及ぶ多くの相異なる分野における多数の用途を有する。例えば、時間分解蛍光撮像又は蛍光寿命撮像顕微鏡検査（ＦＬＩＭ）などの光学技法は、広範囲なエリアの画像をサブナノ秒の時間分解能で取得することを要求する。具体的には、ＦＬＩＭにおいて、蛍光効果の立ち下がり時間は、蛍光寿命のマップを取得するために、ピコ秒又はナノ秒スケールで測定されなければならない。蛍光撮像は、生物学及び材料の研究において最も使用される撮像技法の１つである。何故なら、それは、研究されるサンプルのｐＨ、温度、及びイオン濃度における変動に関する情報を取得できるようにするからである。
時間分解能を超え、サンプルの発光スペクトルの取得は、サンプルの光物理特性の研究にとって極めて重要である。例えば、スペクトル情報は、生体マーキングを用いる場合に、サンプル内の或る発色団を区別するために用いられてもよい。
現在、約１０ピコ秒から１ナノ秒に及ぶ時間分解能でスペクトル的に且つ時間的に分解される撮像システムは、ほとんど存在しない。分光計及び時間相関単一光子計数法（又はＴＣＳＰＣ）システムに結合された線形検出器を用いることが、周知の慣行である。しかしながら、画像を構成するために、サンプルを走査することが必要である。分光計の波長チャネル数ゆえに、この技法は、ハイパースペクトルではなく、マルチスペクトル撮像だけを実行できるようにする。
ここで、明確にするために、撮像システムは、それが、２０を超える別個の波長を観察できるようにする場合に、ハイパースペクトルと見なされる。
高速シャッタ速度を可能にする電子ゲートを用いる強化ＣＣＤカメラを使用して、ナノ秒時間分解能で単一の２Ｄ画像を生成することが周知の慣行である。それらの時間分解能は、器具の固有の応答時間によって制限される。加えて、カメラの読み出し時間が、時間サンプリングを制限する。次に、スペクトル情報は、様々な発光波長における順次的な測定を介して取得されてもよい。同様に、単一光子アバランシェダイオードのストリップは、約５０ピコ秒の時間分解能を取得できるようにする。しかしながら、それらは、少ない画素数（約３２×３２画素）、低いフィルファクタ（約５％）、及び高い読み出し時間ゆえに、限られた空間分解能を有する。
従って、反復可能なイベントを観察するために、ピコ秒時間分解能で、時間分解ハイパースペクトル撮像を実行できるようにする満足な撮像システムは存在しない。
先行技術における問題の幾つかを解決するために、本発明の１つの主題は、分散システム及びストリークカメラと組み合わされた単一画素撮像を用いて、反復可能なイベントをピコ秒分解能で撮像するための時間分解ハイパースペクトル撮像システムである。
単一画素（ＳＰ）撮像は、多様な空間パターンを連続的に適用することによって構造化された光でシーンを照明することによって、且つ各空間パターンと対応する、シーンによって反射又は透過された全光強度を測定することによって画像を生成する技法である。変形として、構造光を用いないが、同じ空間パターンを用いて、シーンによって反射又は透過された光を空間的に変調することが可能である。単一画素撮像は、ＳＬＭパターンを生成するために、空間分解能のない検出器と組み合わされた空間光変調器（ＳＬＭ）を用いる。この方法は、シーンの、且つＳＬＭパターンのシーケンスの内積を測定することに実質的に存する。取得データを後処理するための方法を用いて、シーンの画像を再構成することが可能である。シーンを再構成するために用いられる戦略は、例えば、圧縮取得技法、基底走査、又は適応基底走査である。圧縮取得技法は、理論的には、より優れた再構成分解能を取得できるようにするが、しかしながら高い計算時間を要求する。予め設定された（アダマール、フーリエ、ウェーブレット、離散コサイン変換）基底の走査は、高速逆変換を介して画像を再構成できるようにするが、非常に多くのＳＬＭパターン及び従って長い取得時間を要求する。ちょうど基底走査のように、適応基底走査は、画像を急速に再構成できるようにし、且つ最も多くの情報を含むＳＬＭパターンだけを選択することによって、要求される取得時間を低減する。
この撮像技法は、優れた空間分解能で画像を再構成できるようにする。加えて、それは、ＣＣＤカメラの読み出し時間の固有の限界を克服できるようにするストリークカメラに関連付けられた場合に、時間分解撮像に特に適している（例えば、Ｌｉａｎｇ，Ｊｉｎｙａｎｇ，ｅｔ ａｌ．“Ｅｎｃｒｙｐｔｅｄ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｓｎａｐｓｈｏｔ ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ．” Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｐｏｒｔｓ ５（２０１５）：１５５０４を参照されたい）。それは、約１０ピコ秒の分解能で過渡効果を撮像できるようにする（例えば、Ｇａｏ，Ｌｉａｎｇ，ｅｔ ａｌ．“Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ ａｔ ｏｎｅ ｈｕｎｄｒｅｄ ｂｉｌｌｉｏｎ ｆｒａｍｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ．”Ｎａｔｕｒｅ ５１６．７５２９（２０１４）：７４を参照されたい）。ＴＣＳＰＣシステム及びＳＰ撮像セットアップに結合された分光計を用いれば、サブナノ秒分解能で時間分解マルチスペクトルＳＰ撮像を実行することがまた可能である（Ｒｏｕｓｓｅｔ，Ｆｌｏｒｉａｎ，ｅｔ ａｌ．“Ｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｉｎｇｌｅ−ｐｉｘｅｌ ｃａｍｅｒａ．”Ｏｐｔｉｃｓ ｅｘｐｒｅｓｓ ２６．８（２０１８）：１０５５０−１０５５８を参照されたい）。しかしながら、現在、どんなＳＰ撮像装置も、ピコ秒時間分解能でハイパースペクトル撮像を実行することはできない。
様々なＳＬＭパターンを用いる測定が、シーンの画像を再構成するために反復を必要とするので、ＳＰ撮像が、反復可能な発光効果又はイベントの観察に特に適していることは明らかである。従って、ＦＬＩＭ撮像は、十分に優れた時間分解能が取得される限り、ＳＰを撮像用の理想的な候補である。
加えて、上記で言及されたように、スペクトル分解能の取得は、研究サンプルの或る臨界パラメータを決定する鍵である。
また、本発明のピコ秒分解能を備えた時間分解ハイパースペクトル撮像システムは、スペクトル分解能を取得するための分散システム及び時間分解能を取得するためのストリークカメラと組み合わされた単一画素撮像を用いる。
時間分解能を取得するためにストリークカメラを設けられた共焦点顕微鏡検査システムと比較して、本発明のストリークカメラに関連するＳＰ撮像システムは、サンプルによって放出された放射の全体を使用できるようにする。
Ｌｉａｎｇ，Ｊｉｎｙａｎｇ，ｅｔ ａｌ．"Ｅｎｃｒｙｐｔｅｄ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｓｎａｐｓｈｏｔ ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ．"Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｐｏｒｔｓ ５（２０１５）：１５５０４ Ｇａｏ，Ｌｉａｎｇ，ｅｔ ａｌ．"Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ ａｔ ｏｎｅ ｈｕｎｄｒｅｄ ｂｉｌｌｉｏｎ ｆｒａｍｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ．"Ｎａｔｕｒｅ ５１６．７５２９（２０１４）：７４ Ｒｏｕｓｓｅｔ，Ｆｌｏｒｉａｎ，ｅｔ ａｌ．"Ｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｉｎｇｌｅ−ｐｉｘｅｌ ｃａｍｅｒａ．"Ｏｐｔｉｃｓ ｅｘｐｒｅｓｓ ２６．８（２０１８）：１０５５０−１０５５８
従って、本発明の１つの主題は、サンプルを撮像するための時間分解ハイパースペクトル撮像システムであって、サンプルを反復可能に照明するのに適した放射源と、透過又は反射マスクＰを形成する空間光変調器上にサンプルの画像Ｉを形成するように構成された第１の光学システムと、空間光変調器に接続された、且つ照明の各反復用に透過又は反射マスクＰを変化させるように構成されたプロセッサと、自らの画像焦点面に部分画像Ｓ＝Ｐ．Ｉを形成するために、空間光変調器によって透過又は反射された放射を合焦させるのに適した第２の光学システムと、を含み、
前記撮像システムが、
第２の光学システムの画像焦点面に配置されたスリットを含む分散装置であって、空間光変調器によって透過又は反射された放射の様々な波長を空間的に分割するのに適した分散装置と、
分散装置から出る放射によって照明されるように配置された、且つサンプルの複数の時間分解部分画像を取得するように構成されたストリークカメラであって、前記画像が、それぞれの相異なる透過又は反射マスクと関連付けられ、前記ストリークカメラが、プロセッサに接続され、前記プロセッサがまた、サンプルの時間及び波長において分解された画像を形成する４Ｄ画像キューブを構成するために、サンプルの前記部分画像を組み合わせるように構成されるストリークカメラと、
を含む点で特徴付けられる時間分解ハイパースペクトル撮像システムである。
本発明の特定の実施形態に従って、
撮像システムは、放射源から来る放射をサンプル上に合焦させるのに、且つサンプルから出る放射を収集するのに適した第３の光学システムを含み、前記撮像システムは、サンプルから来る放射及び放射源から来る放射を分割するように配置されたビームスプリッタを更に含み、
撮像システムは、第３の光学システムの光学軸に沿ってサンプルを移動するのに適した線形ステージを含み、
分散装置は、回折格子を含み、
ストリークカメラ及び分散システムは、２０を超える相異なる波長チャネルで部分画像を同時に取得するのに適し、
放射源は、放射源によって放出された照明の反復が、空間光変調器の透過又は反射マスクの変更と同期されるように、プロセッサに接続され、
空間光変調器は、２値反射強度マスクを形成するデジタルマイクロミラー装置であり、
プロセッサは、サンプルの時間及び波長において分解された画像を形成するために組み合わされるサンプルの部分画像に関連付けられるデジタルマイクロミラー装置の２値反射マスクが、アダマール、フーリエ、又はウェーブレット基底を形成するように構成され、
プロセッサは、マッチング追跡又は基底追跡アルゴリズムを実行することによって、サンプルの時間及び波長において分解された画像を形成する４Ｄキューブを構成するために、サンプルの前記部分画像を組み合わせるように構成され、
放射源は、パルス線源であり、
放射源は、レーザ源、例えばレーザダイオードである。
本発明の別の主題は、サンプルを撮像するための時間分解ハイパースペクトル撮像方法であって、以下のステップ、
ａ．放射源でサンプルを照明するステップと、
ｂ．透過又は反射マスクＰを形成する空間光変調器上に、第１の光学システムを用いてサンプルの画像を形成するステップと、
ｃ．第２の光学システムを用いて、空間光変調器によって透過又は反射された放射を分散装置上に合焦させるステップ、及び前記分散装置を用いて、空間光変調器によって透過又は反射された放射の様々な波長を空間的に分割するステップと、
ｄ．分散装置から出る放射によって照明されるように配置されたストリークカメラを用いて、サンプルの時間分解部分画像Ｓ＝Ｐ．Ｉを取得するステップであって、その画像が、１つの透過又は反射マスクＰに関連付けられるステップと、
ｅ．サンプルの複数の時間分解部分画像をストリークカメラで取得するために、空間光変調器に接続されたプロセッサを用いて、空間光変調器の２値透過又は反射マスクＰを変化させている間にステップａ）〜ｃ）を反復するステップであって、前記画像が、それぞれの透過又は反射マスクＰと関連付けられるステップと、
ｆ．サンプルの時間及び波長において分解された画像を形成する４Ｄキューブを構成するために、ストリークカメラに接続されたプロセッサを用いて、サンプルの前記それぞれの時間分解部分画像を組み合わせるステップと、
を含む時間分解ハイパースペクトル撮像方法である。
本発明の他の特徴、詳細及び利点は、説明を読めば明らかになろう。説明は、添付の図面に関連して与えられ、添付の図面は、例として与えられ、それぞれ以下のものを示す。
本発明の第１の実施形態による、サンプルを撮像するための時間分解ハイパースペクトル撮像システムの概略図である。 図１の撮像システムの分散装置及びストリークカメラの概略図である。 本発明の第２の実施形態による、サンプルを撮像するための時間分解ハイパースペクトル撮像システムの概略図である。 点光源のフォトルミネッセンス輝度の信号の波長及び時間に関して統合された画像である。 図４Ａの最も明るい画素のフォトルミネッセンス信号における時間分解及び波長分解変動の画像である。
以下で、同じ参照符号が、１つを超える図において用いられる場合に、それらは、同じ要素を表す。
図１は、本発明の第１の実施形態に従って、反復可能なイベントを撮像するための時間分解ハイパースペクトル撮像システム１０の概略図を示す。システムは、放射源１を含む。図１の実施形態において、この放射源は、固体レーザなど、単色放射のパルス線源である。レーザ源は、システムの残部とのレーザパルスの同期を制御するように構成されるプロセッサに接続される。別の実施形態において、放射源は、連続波であり、強度変調される。別の実施形態において、放射源は、蒸気ランプであってもよい。
放射源１によって生成された放射２は、サンプル３を照明する。このサンプルは、入射放射２を吸収し、且つフォトルミネッセンス信号４を放出するか、又は入射放射２の幾らかを極めて単純に反射若しくは透過してもよい。図１の実施形態において、サンプルは、入射放射２の幾らかを吸収した後で、多色フォトルミネッセンス信号又は放射４を放出する。
以下で、時間的且つスペクトル的に分解することが望ましいイベントは、反復可能なイベントであると見なされ、結果は、例えば新しいレーザパルスと共に再びトリガされる。
以下で、サンプルによって放出された放射、サンプルによって透過された放射、及びサンプルによって反射された放射という表現は、等価であると見なされる。
サンプル４によって放出された放射は、第１の光学システム４によって、空間光変調器（ＳＬＭ）６上に合焦され、空間光変調器（ＳＬＭ）６は、光学システムの画像焦点面に位置する。この光学システム４は、光学対物レンズである。好ましくは、それは、高開口数を有する。それは、単レンズ、例えば収束両凸レンズ又は収束複合レンズセットであってもよい。従って、光学システムは、その画像焦点面にサンプル３の画像Ｉを形成する。
ＳＬＭは、２値反射又は透過強度マスクＰを形成するように構成される。図１の実施形態において、このＳＬＭ６は、デジタルマイクロミラー装置（ＤＭＤ）である。
例として、撮像システム１０のＤＭＤは、１０２４×７６８の並んだマイクロミラーからなり、各ミラーの辺長は、約１３μｍである。ミラーは、静電気的に制御可能であり、且つＤＭＤへの垂線に対して固定角だけ、一般に１２°の角度だけ傾斜されてもよく（状態「１」）又は傾斜されなくてもよく（状態「０」）、状態１においてミラーによって反射された放射は、入射放射４に対して２４°の角度を作る。
状態１におけるミラーが、光学セットアップの残部に結合されるので、ミラーは、１に等しい反射係数を有し、状態０におけるミラーは、ゼロの反射係数に対応する。従って、ＤＭＤは、制御可能な２値強度マスクを形成する。
ＤＭＤにおけるマイクロミラーの傾斜及び従って２値マスクＰのパターンは、ＤＭＤに接続されたプロセッサ１２によって制御可能である。
別の実施形態において、ＳＬＭは、透過又は反射において動作できる液晶に基づいた、且つ２値強度マスクＰを形成する装置である。
撮像システム１０は、第２の光学システム７の画像焦点面にサンプルの部分画像Ｓ＝Ｐ．Ｉを形成するために、空間光変調器によって透過又は反射された放射を合焦させるのに適した、焦点距離ｆの第２の光学システム７を含む。
第２の光学システムの画像焦点面において、撮像システム１０は、放射の様々な波長を空間的に分割できるようにする、従ってスペクトル分解能を取得できるようにする分散装置８を含む。この分散装置は、時間分解能を取得できるようにするストリークカメラ１１に結合される。
図１の実施形態において、この分散システムは、第２の光学システムの、複数のミラーの、且つ回折格子の画像焦点面に置かれたスリットから構成され、スリットは、定義されたｘｚ平面において放射の様々な波長を空間的に分割するように配置される。ｚ方向は、第１の光学システムの光学軸である。従って、分散システムを出ると、放射９の各波長は、ｘｚ平面に位置する相異なる方向に同時に伝搬する。分散装置８及びストリークカメラ１１の概略図が、図２に示されている。
スリット２１（その方向はｙ方向である）は、第２の光学システム７の焦点面に配置され、空間フィルタとして働き、且つ放射源１によって放出された放射の散乱を取り除くことによって、ビームをクリーンにできるようにする。第１のコリメートミラー２２は、反射回折格子２３の方へ放射を導くことができるようにする。回折格子は、反射放射９における放射の様々な波長を空間的に分割できるようにし、各波長は、同じ水平ｘｚ平面に位置する相異なる伝搬方向を有する。第２のミラー２４は、ストリークカメラ１１の方へ放射を導くことができるようにする。
図２に示されているように、ストリークカメラは、光電陰極２５を含む。光電陰極に当たる放射９は、電圧発生装置２７に接続される２つの偏向板２６間で生成された電界によって加速される電子を光電効果を介して生成する。電子は、可変電界の下で、偏向板の垂線と平行な方向ｙに垂直に方向転換される。偏向板２６間の電圧差を調整することによって、電界は、急速に変化し、このようにして経時的に変化する電子の偏向を提供する。電子が、偏向板間に到着する時間が遅ければ、それだけ電界は高く、従ってそれは、より大きな垂直移動を生成する。電子の偏向は、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）（偏向される電子の数を倍増できるようにする）及びリンスクリーン２９を用いて撮像される。リンスクリーンに対する電子の影響は、２次元センサ２０、例えばＣＣＤセンサを用いて観察される。
電圧発生装置２７は、ストリークカメラの偏向板間の電界における変動をレーザ放射の放射源１によって放出されたレーザパルスと同期させるためにプロセッサに接続される。
従って、ＣＣＤカメラの垂直軸は、サンプルの部分画像Ｓの動的挙動を可能にし、その画像は、時間的に分解されるために、２値反射マスクＰと関連付けられ、水平軸は、部分画像を波長的に分割できるようにし、従ってサンプル又は発光イベントをハイパースペクトル的に観察できるようにする。
時間分解能は、ＣＣＤセンサ、及びストリークカメラの電圧の走査周波数によって設定される。それは、典型的には、設定された走査周波数で約１ピコ秒であり、可変走査周波数で約１５ピコ秒である。レーザパルスの幅が、ストリークカメラの時間分解能より大きい場合に、撮像システムの時間分解能を設定するのがこの幅であることが注目される。
スペクトル分解能は、ＣＣＤカメラの画素サイズが、回折格子の最小波長分解能より小さい限り、回折格子によって設定される。
撮像システム１０によって検出可能な時間チャネルＴの数は、ＣＣＤセンサの垂直寸法によって設定される。撮像システム１０によって同時に検出可能な波長チャネルの数Λは、ＣＣＤセンサの水平寸法によって設定される。従って、センサを適切に選択することによって、ハイパースペクトル撮像を実行すること、即ち、サンプルから出るフォトルミネッセンス放射の波長の２０以上のチャネルを同時に撮像することが可能である。
上記で簡単に説明されたように、反復可能なイベント又はサンプルの画像の完全な再構成は、ストリークカメラ１１を用いて、複数Ｍの部分画像Ｓ１，．．．，ＳＭを取得するために、複数Ｍの測定が実行されることを要求し、複数Ｍの部分画像Ｓ１，．．．，ＳＭは、同じイベント又はサンプルの別個のそれぞれの２値透過又は反射マスクＰ１，．．．，ＰＭに関連付けられる。部分画像Ｓ１，．．．，ＳＭは、放射源１によって放出された新しい光パルスでサンプルを照明することによって、プロセッサを用いて、各パルス間のＤＭＤの２値マスクＰを変更することによって、且つストリークカメラで新しい取得を実行することによって取得される。上記で言及されたように、放射源、ＤＭＤ、及びストリークカメラは、全てプロセッサに接続され、プロセッサは、光パルス、ＤＭＤの２値マスクの変更、及びストリークカメラによる取得を適切に同期させるように構成される。
別個の２値パターンに関連する十分な数の部分画像が取得された場合に、後処理によってサンプルの完成画像Ｉｔｏｔを再構成することが可能である。再構成画像は、画像の（ｘ，ｙ）空間座標、λ波長、及びｔ時間を備えた４Ｄ画像キューブＩ（ｘ，ｙ，λ，ｔ）である。Ｎ×Ｎ画素の画像キューブ
Figure 2020190557
 が定義され、Ｔは、ストリークカメラで検出された時間チャネルの数であり、Λは、ストリークカメラで検出された波長チャネルの数であり、
Figure 2020190557
 は、測定されたλ番目のスペクトルチャネル及びｔ番目の時間チャネルに対応する再構成画像である。ｍ番目の２値パターンによって測定された部分画像又は信号は、
Figure 2020190557
 と表示される。サンプルフォームの部分画像Ｓ１，．．．，ＳＭを提供するＭ測定に関連する２値パターンＰ１，．．．，ＰＭは、
Figure 2020190557
 を備えたマトリックスＰｔｏｔ＝（Ｐ１；．．．；ＰＭ）を形成する。
Figure 2020190557
 と書くと、
［数学的計算１］
Ｓｔｏｔ＝Ｐｔｏｔ．Ｉｔｏｔ．
実施形態において、プロセッサ１２は、サンプルの時間分解及び波長分解画像を形成する４Ｄ画像キューブＩｔｏｔを構成するために、即ち式［数学的計算１］を反転するために、この後処理ステップを実行するように且つサンプルの部分画像を組み合わせるように構成される。
ＳＰ撮像に適した複数の画像再構成方法が知られており、本発明に適用されてもよい。例えば、Ｄｕａｒｔｅ，Ｍａｒｃｏ Ｆ．，ｅｔ ａｌ．“Ｓｉｎｇｌｅ−ｐｉｘｅｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｖｉａ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ．”ＩＥＥＥ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍａｇａｚｉｎｅ ２５．２（２００８）：８３−９１又は実にＥｄｇａｒ，Ｍａｔｔｈｅｗ Ｐ．，Ｇｒａｈａｍ Ｍ．Ｇｉｂｓｏｎ，ａｎｄ Ｍｉｌｅｓ Ｊ．Ｐａｄｇｅｔｔ．“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｐｉｘｅｌ ｉｍａｇｉｎｇ．”Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ（２０１８）：１を参照されたい。
図１の実施形態において、サンプルの部分画像Ｓ１；．．．；ＳＭ（それらの画像は、完全な時間分解及び波長分解画像Ｉｔｏｔ＝（Ｉ１，１，，．．．，Ｉλ，ｔ，．．．，ＩΛ，Ｔ）を形成するために組み合わされる）を提供するＭ測定に関連する２値パターンＰ１，．．．，ＰＭは、有利なことに、アダマール、フーリエ、又はウェーブレット基底を形成するように選択される。次に、プロセッサは、サンプルが、定義済みの基底又は適応基底を用いて２値パターンによって走査されるように、構成される。適応基底を用いて走査を実行することの利点は、それが、最も多くの空間的情報を含む２値パターンだけを選択することによって、必要とされる取得時間を低減させるということである。適応基底を用いた走査の場合に、プロセッサは、どの２値パターンが、サンプルを表現するのに適しているかを決定するために、部分画像の取得中にサンプルから空間情報を抽出するように構成される。次に、完成画像は、適切な逆変換を介し、プロセッサを用いて再構成される。これらの方法は、画像が、適切な逆変換を用いて、迅速にアルゴリズム的に再構成されるという利点を有するが、一般に非常に多くのパターン及び従って長い取得時間を必要とする。
別の実施形態において、プロセッサは、部分画像に関連する２値パターンが擬似ランダムであるように、構成されてもよく、プロセッサは、マッチング追跡又は基底追跡などの圧縮取得アルゴリズム（ｌ１最小化）を実行することによって、完全な時間分解画像を再構成することができる。これらの方法は、定義済みの基底又は適応基底に基づいた走査方法より少ない数のパターンを用いて再構成を可能にするという利点を有し、従って、より短い取得時間を必要とする。しかしながら、それらは、より大きな計算能力及びかなりの計算時間を必要とする。
適応擬似ランダム２値パターンを用いてサンプルにおける興味のある所与のポイントを追跡することもまた可能である。これは、例えば光電池の特徴付けにおいて有用であり、光電池において、フォトルミネッセンス（ＰＬ）照明源は、点状であり、且つ放射対称であると見なされてもよい。２値パターンの放射基底を用いることによって、実行される取得数が低減され得る。サンプルにおけるＰＬ源の中心は、ストリークカメラにより取得された強度における変動を観察することによって、波長及び時間に対して画像を統合することによって、且つ２分システムを用いることによりＤＭＤの相異なる領域を順番に活性化することによって、決定される。
従って、サンプルが特定の特性（中心対称、小さい全変動ノルム等）を有する場合に、Ｎ×Ｎ画素の画像を再構成するために、
Figure 2020190557
 を備えた別個の２値パターンＰ１，．．．，ＰＭで約Ｍ＝Ｎ×ｌｏｇ（Ｎ）測定を実行することが必要であり、画素サイズは、ＤＭＤによって設定される。そうでなければ、Ｎ×Ｎ測定を実行することが一般に必要である。
図３は、サンプルから来る放射及び放射源から来る放射を分割するように配置されたビームスプリッタ１４を含むことを例外として、図１の実施形態に似た本発明の第２の実施形態に従って撮像システム３０を示す。ビームスプリッタは、プレートビームスプリッタであってもよい。
撮像システム３０は、加えて、放射源から来る放射をサンプル上に合焦させるのに適した第３の光学システム１３を含み、サンプルは、第３の光学システムの焦点面に配置される。第３の光学システムの焦点面におけるサンプルの位置を容易に制御するために、サンプルは、第３の光学システムの光学軸（図３において方向ｚによって表される）に沿ってサンプルを移動するのに適した線形ステージに固定される。第３の光学システムは、例えば、共焦点顕微鏡検査において用いられるものに似た対物光学システムである。図３の実施形態において、それは、高開口数を有する。それは、単レンズ、例えば収束両凸レンズ又は複数のレンズの収束複合セットであってもよい。
図１の実施形態の撮像システムと比較して、図３の実施形態の撮像システムは、サンプルによって放出／透過／反射されたより多量の光束を収集できるようにする。
図４Ａは、図３の実施形態における撮像システムで取得された、且つ波長及び時間に関して統合された点光源から生じるＰＬ信号の画像を示す。点光源の中心を決定することによって、且つこの点のまわりを走査することによって、点光源の４Ｄ画像が再構成されてもよい。観察をより簡単にするために、図４Ａは、波長及び時間に関して統合された点光源の再構成画像を示す。図４Ｂは、図４Ａの最も明るい画素用の時間の関数及び波長の関数として、ＰＬ信号における変動を示す。この画素は、点光源の中心に対応する。様々な時間値用に図４Ｂを通して水平断面を切断することによって、中心画素の信号のスペクトルにおける変動を経時的に観察することが可能である。
別の実施形態において、ＳＬＭは、非２値反射又は透過強度マスクを形成するように構成される。非２値マスクは、サンプルの画像を再構成するステップを加速できるようにする。代替として、マスクは、位相マスクであってもよい。
１ 放射源
２ 放射
３ サンプル
４ フォトルミネッセンス信号
５ 第１の光学システム
６ 空間光変調器
７ 第２の光学システム
８ 分散装置
９ 放射
１０ 撮像システム
１１ ストリークカメラ
１２ プロセッサ
１３ 第３の光学システム
１４ ビームスプリッタ
２０ ２次元センサ
２１ スリット
２２ 第１のコリメートミラー
２３ 回折格子
２４ 第２のミラー
２５ 光電陰極
２６ 偏向板
２７ 電圧発生装置
２９ リンスクリーン
３０ 撮像システム

Claims (12)

  1. サンプル（３）を撮像するための時間分解ハイパースペクトル撮像システム（１０、３０）であって、前記サンプルを反復可能に照明するのに適した放射源と、透過又は反射マスクＰを形成する空間光変調器（６）と、前記空間光変調器（６）上に前記サンプルの画像Ｉを形成するように構成された第１の光学システム（５）と、前記空間光変調器に接続された、且つ前記照明の各反復用に前記透過又は反射マスクＰを変化させるように構成されたプロセッサ（１２）と、自らの画像焦点面に部分画像Ｓ＝Ｐ．Ｉを形成するために、前記空間光変調器によって透過又は反射された放射を合焦させるのに適した第２の光学システム（７）と、を含み、
    前記撮像システムが、
    前記第２の光学システムの前記画像焦点面に配置されたスリットを含む分散装置（８）であって、前記空間光変調器によって透過又は反射された放射の様々な波長を空間的に分割するのに適した分散装置（８）と、
    前記分散装置（９）から出る放射によって照明されるように配置された、且つ前記サンプルの時間及び波長において分解される複数の部分画像を取得するように構成されたストリークカメラであって、前記画像が、それぞれの相異なる透過又は反射マスクＰと関連付けられ、前記ストリークカメラが、前記プロセッサ（１２）に接続され、前記プロセッサがまた、前記サンプルの時間及び波長において分解された画像を形成する４Ｄ画像キューブＩｔｏｔを構成するために、前記サンプルの前記部分画像を組み合わせるように構成されるストリークカメラと、
    を含む点で特徴付けられる時間分解ハイパースペクトル撮像システム（１０、３０）。
  2. 前記放射源から来る放射（２）を前記サンプル上に合焦させるのに、且つ前記サンプル（４）から出る放射を収集するのに適した第３の光学システム（１３）を含み、前記サンプル（４）から来る放射及び前記放射源（１）から来る放射を分割するように配置されたビームスプリッタ（１４）を更に含む、請求項１に記載の撮像システム（３０）。
  3. 前記第３の光学システムの光学軸に沿って前記サンプルを移動するのに適した線形ステージ（１３）を含む、請求項２に記載の撮像システム（３０）。
  4. 前記分散装置（８）が、回折格子（２３）を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像システム。
  5. 前記ストリークカメラ（１１）及び前記分散システム（８）が、２０を超える相異なる波長チャネルで部分画像を同時に取得するのに適している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像システム。
  6. 前記放射源によって放出された前記照明の反復が、前記空間光変調器（６）の前記透過又は反射マスクの変更と同期されるように、前記放射源（１）が、前記プロセッサ（１２）に接続される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像システム。
  7. 前記空間光変調器が、２値反射強度マスクを形成するデジタルマイクロミラー装置である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像システム。
  8. 前記サンプルの時間及び波長において分解された前記画像を形成するために組み合わされる前記サンプルの前記部分画像に関連付けられる前記デジタルマイクロミラー装置の前記２値反射マスクが、アダマール、フーリエ、又はウェーブレット基底を形成するように、前記プロセッサが構成される、請求項７に記載の撮像システム。
  9. 前記プロセッサが、マッチング追跡又は基底追跡アルゴリズムを実行することによって、前記サンプルの時間及び波長において分解された画像を形成する４Ｄキューブを構成するために、前記サンプルの前記部分画像を組み合わせるように構成される、請求項８に記載の撮像システム。
  10. 前記放射源が、パルス線源である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の撮像システム。
  11. 前記放射源が、レーザ源、例えばレーザダイオードである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の撮像システム。
  12. サンプル（３）を撮像するための時間分解ハイパースペクトル撮像方法であって、以下のステップ、
    ａ．放射源（１）で前記サンプルを照明するステップと、
    ｂ．透過又は反射マスクＰを形成する空間光変調器（６）上に、第１の光学システム（５）を用いて前記サンプルの画像を形成するステップと、
    ｃ．第２の光学システム（７）を用いて、前記空間光変調器によって透過又は反射された放射を分散装置（８）上に合焦させるステップ、及び前記分散装置を用いて、前記空間光変調器によって透過又は反射された放射の様々な波長を空間的に分割するステップと、
    ｄ．前記分散装置から出る放射（９）によって照明されるように配置されたストリークカメラを用いて、前記サンプルの時間分解部分画像Ｓ＝Ｐ．Ｉを取得するステップであって、その画像が、１つの透過又は反射マスクＰに関連付けられるステップと、
    ｅ．前記サンプルの複数の時間分解部分画像を前記ストリークカメラで取得するために、前記空間光変調器に接続されたプロセッサ（１２）を用いて、前記空間光変調器の２値透過又は反射マスクＰを変化させている間にａ）〜ｃ）を反復するステップであって、前記画像が、それぞれの透過又は反射マスクＰと関連付けられるステップと、
    ｆ．前記サンプルの時間及び波長において分解された画像を形成する４ＤキューブＩｔｏｔを構成するために、前記ストリークカメラに接続されたプロセッサを用いて、前記サンプルの前記それぞれの時間分解部分画像を組み合わせるステップと、
    を含む時間分解ハイパースペクトル撮像方法。
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