ハイパースペクトルイメージングシステム

Complete Hyperspectral Imaging Rig Based on Liquid Crystal Tunable Filter
Built on Our Cerna^® Microscope Platform

CM401

Hyperspectral Imaging System
Includes Computer with ThorImage^®LS

(Table Not Included)

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特長

波長毎のイメージングで同位置の複数の特性を検出
420～730 nmで振動なく波長が切替可能な当社のKurios^®液晶チューナブルバンドパスフィルタ
低ノイズ4メガピクセルモノクロサイエンティフィックCMOSカメラ
画像取得用ThorImage^®LSソフトウェア搭載のPCを含むシステム

当社のハイパースペクトルイメージング用Cernaシステムは、同位置に複数の光学特性を持つ試料の研究用プラットフォームとしてご提供しております。多様な波長のシグナルを高速で得ることが可能です。一般的なカラータイプのカメラは比較的幅広の3種類のスペクトルチャンネル(赤、緑、青)を用いて、画像のスペクトル範囲全体を表示します。一方、ハイパースペクトルイメージングシステムはチューナブルバンドパスフィルタを使用し、モノクロカメラとの組み合わせで狭いスペクトル域を次々とイメージングします。その結果、各ピクセルにつき定量的なスペクトルデータを持つ画像を取得します。

当社のハイパースペクトルイメージングシステムには数多くの利点があります。角度調整タイプのフィルタを使用する場合や手動でフィルタ交換を行う場合とは異なり、当社のKuriosフィルタは可動部品を使用していないため、ミリ秒単位で振動の無い波長切り替えが可能です。これは、測定中にフィルタを動かしたり、交換したりしないため、画像を登録する際にデータが「画素ずれ」しないからです。当社のシステムは、全自動波長切り替えと、付属のDAQならびにThorImage^®LSソフトウェアを使用した画像取得が特長です。

この明視野ハイパースペクトル装置の特長と仕様については「仕様」タブをご覧ください。当社では幅広い実験パラメータに対応するために、様々なCerna顕微鏡構成をご用意しております。お客様独自のニーズに応じた顕微鏡の構築をお手伝いすることも可能です。詳しくは当社までご連絡ください。

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ハイパースペクトルイメージングシステムは、当社のKuriosチューナブルフィルタを使用し、お客様が指定する波長域で画像スタックを記録します。左のタイル画像は各波長で取得しました(識別しやすいよう画像加工で色付けしました)。右の画像は再構成されたヒトの腺上皮のフルカラー画像です。ハイパースペクトルイメージングの詳細については「技術」のタブをご覧ください。

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当社のハイパースペクトルイメージングシステムCM401は、各ピクセルで1種類のスペクトルを記録します。スペクトルは試料の組成を示すために用いることができます。画像上で同じスペクトルを持つ領域は同じ組成で構成されていることを意味します。こちらの写真はヒトの腺上皮のハイパースペクトルの画像スタックです。Scyvenソフトウェアパッケージを使用し、スペクトル特性ごとに異なる疑似色を与え、試料のどの部分が同じ物質を含んでいるのかを示しました。詳細については「ソフトウェア」と「技術」のタブをご参照ください。

Specifications
Microscope	Cerna^®Series Microscope
Objective	Nikon 10X Plan Fluorite Objecitve (Item # N10X-PF)
Condenser	0.9 NA Air Condenser (Item # CSC1002)
Tunable Filter Specifications
Item #	KURIOS-VB1
Wavelength Range	420 - 730 nm
Bandwidth, CWL = 550 nm^a	Narrow: 10 nm FWHM Medium: 18 nm FWHM Wide: 32 nm FWHM
Minimum Incremental Step Size	1 nm
Tuning Accuracy	±FWHM/10
Switching Speed^b	Narrow: < 230 ms Medium: < 150 ms Wide: < 100 ms
Tunable FIter Performance Plots	Setting
Tunable FIter Performance Plots	Narrow	Medium	Wide
Transmission Spectrum
Bandwidth
Transmission at Center Wavelength
Scientific Camera Specifications
Item #	CS126MU
Sensor Type	Monochrome CMOS
Number of Active Pixels	4096 x 3000 (Horizontal x Vertical)
Pixel Size	3.45 µm x 3.45 µm
Imaging Area	14.131 mm x 10.350 mm (Horizontal x Vertical)
Host PC Interface	USB 3.0
Vertical Digital Binning	Continuous Integer Values from 1 to 16
Horizontal Digital Binning	Continuous Integer Values from 1 to 16
Exposure Time	0.028 ms to 14700.9 ms in ~0.014 ms Increments
Region of Interest (ROI)	Frame Rate^c
Full Sensor (4096 x 3000)	21.7 fps
Half Sensor (2048 x 1500)	46.1 fps
~1/10th Sensor (410 x 300)	206.1 fps
Min ROI (260 x 4)	914.4 fps
Light Source Specifications
Item #	MNWHL4
Type	Neutral White Mounted LED
Correlated Color Temperature	4900 K
Output Power^d	880 mW (Typical) 740 mW (Minimum)
Forward Voltage	2.9 V (Typical)
Maximum Irradiance^e	7.7 µW/mm²
Automated Stage Specifications
1" (25.4 mm) Motorized Z-Axis Travel Nosepiece and Condenser Holders
1" (25.4 mm) Motorized XY Travel Sample Holder
Bidirectional Repeatability	1 µm
Backlash	1 µm
Minimum Achievable Incremental Movement	100 nm
Minimum Repeatable Incremental Movement	200 nm
Included Software
ThorImageLS 3.1 with Lifetime Support

透過帯域幅は波長に対して線型的に増加します。
切り替え速度は透過帯域幅の設定と、切り替える波長の初期値と最終値に依存します。
カメラのフレームレートはパラメータ「Vertical Digital Binning」の影響を受けます。
最大電流で駆動した場合の値
距離200 mmの位置で測定

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ハイパースペクトルイメージング顕微鏡の概略図

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当社のハイパースペクトルイメージングシステムCM401は、当社のCerna顕微鏡プラットフォームをベースに構築されています。主要な部品にはチューナブルバンドパスフィルタ KURIOS-VB1、モノクロサイエンティフィックカメラCS126MU、そしてマウント付き白色LED MNWHL4などがあります。

ハイパースペクトルイメージング

ハイパースペクトルイメージングでは、波長毎に分けられた2次元画像のスタックが取得されます。この手法は試料の素早い同定と分析に利用できるため、顕微鏡法、バイオ医学イメージング、マシンビジョンの用途によく使用されています。

ハイパースペクトルイメージングで得られる画像のスペクトル分解能は、カラータイプのカメラを単独で使用した場合に比べて格段に優れています。カラータイプのカメラは3種類の比較的幅広のスペクトルチャンネル(赤、緑、青)を使用して、画像のスペクトル範囲全体を表示します。これに対し、ハイパースペクトルイメージングシステムには液晶チューナブルバンドパスフィルタや回折格子のような光学素子が内蔵されているため、非常に狭い帯域幅のスペクトルチャンネルを発生させます。

当社では、当社のCerna^®顕微鏡プラットフォーム、Kurios^®チューナブルフィルタ、そしてサイエンティフィックカメラを組み合わせ、ハイパースペクトルイメージングに特化した装置を構築しました。

画像スタックの例
下の画像および動画内のデータはハイパースペクトルイメージング技術によるものです。図1は、成熟したナズナの胚の2枚の画像で、中心波長500 nmおよび650 nmに設定したチューナブルフィルタで取得しています。これら2つの画像は、それぞれのスペクトルチャンネル毎に得た全体視野を示しています。図2は同じ試料の31枚の画像を合わせた動画で、10 nm毎に中心波長420 nm～730 nmで取得しています (10 nmはスペクトル分解能ではありません。スペクトル分解能は各波長毎の FWHM帯域幅によって決まります。)。図3では、各スペクトルチャンネルの画像を使用して、各ピクセルの色が決定され、カラー画像が合成されています。また、各ピクセルにおける広帯域スペクトルを取得し、視野内の試料が持つ特長の異なる部位を分光学的に同定しています。

Kuriosチューナブルフィルタはハイパースペクトルイメージングに多くの利点をもたらしています。角度調整タイプのフィルタを使用した場合や手動でフィルタ交換を行った場合とは異なり、Kuriosフィルタは可動部品を使用していないため、ミリ秒単位で振動の無い波長切り替えが可能です。これは、測定中にフィルタを動かしたり、交換したりしないため、画像を登録する際にデータが「画素ずれ」しないからです。当社のフィルタにはソフトウェアと外部トリガ付きのベンチトップ型コントローラも付属しており、データの取得および分析プログラムへの統合が容易です。

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図3: 各スペクトルチャンネルで取得した視野全体の画像(図1参照)を統合した、成熟したナズナの胚のカラー画像。画像内の各ピクセルのスペクトルを複数のチャンネルに渡って取得しています。

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図1: 2種類の異なる中心波長でそれぞれ取得した成熟したナズナの胚の画像。各スペクトルチャンネルごとに視野全体の画像を取得しています。

図2: この動画はチューナブルフィルタKURIOS-WB1(/M)の中心波長ごとに取得した試料の画像です。420 nm～730 nmまでの中心波長を10 nm毎に増加させました (10 nmはスペクトル分解能ではありません。スペクトル分解能は各波長毎の FWHM帯域幅によって決まります。)。

Scyvenソフトウェアパッケージを使用した組成成分の特定
各ピクセルのスペクトルデータが保存されているため、画像は同様のスペクトルを持つ領域を疑似色で加工することができます。スペクトルは画像のその領域内の成分を示さなければならないため、これらの画像は、試料内でどの領域が同じ物質を含むのかを示します。この分析にはScyvenソフトウェアパッケージをお勧めしております。ソフトウェアの詳細やハイパースペクトル画像スタックの取得、分析については「ソフトウェア」のタブをご覧ください。

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Multispectral Imaging Reconstructed Image

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当社のハイパースペクトルイメージングシステムで取得したアブラナ科植物のつぼみの断面画像。左の画像はScyvenソフトウェアを使用し、試料内で同様の物質を含む領域が示されるよう加工されました。右の画像はハイパースペクトル画像スタックをベースに再構成されたフルカラー画像です。

ThorImage^®LSのソースコードは、Bergamo、Cerna、または共焦点顕微鏡をお持ちのお客様にご提供可能です。当社までメールでご連絡ください。

ThorImage^®LSソフトウェア

下記の包括的なイメージングプラットフォーム:

ハイパースペクトルイメージング(ハイパースペクトルイメージングシステムCM401)
多光子イメージング(Bergamo^® II)
共焦点イメージング
マルチモーダル画像制御

高機能ソフトウェア

複数の欄がカスタマイズ可能なワークスペース
ハードウェア入力とタイミングに同期した画像取得
ライブ画像の補正と関心領域の解析
ワークステーション共有時にもマルチユーザの設定を保存

ThorImageLSはオープンソースの画像取得プログラムで、当社のCerna^®ベースのハイパースペクトルイメージングシステムのほか、Bergamo IIならびに共焦点顕微鏡を制御します。また外付けの付属ハードウェアも制御可能です。 ThorImageLSはお客様1人1人のニーズに合わせて統合されたモジュール式作業環境をご提供します。そのワークフロー指向のインターフェイスは、単一画像、Zスタック、タイムシリーズ、そしてストリーミング画像の取得、可視化ならびに解析をサポートします。ThorImageLSは当社の顕微鏡をお買い求めいただくと付属しています。またオープンソースのため、ソフトウェア機能や性能の完全カスタマイズが可能です。ThorImageLSには当社のカスタマーサポートならびに定期的なソフトウェア更新サービスが付帯しており、常にイメージングの需要に合うよう心がけております。ハイパースペクトルイメージングシステム使用時の機能の概要が下記に記載されています。ThorImageLSの一般的な機能の詳細については当社のパンフレットがダウンロードいただけます。

取得画像

Captureタブのスクリーンショットでご覧いただけるように、Kuriosチューナブルフィルタの開始波長、終了波長、そして波長のステップサイズが実験ニーズに合わせて設定可能です。

チューナブルフィルタの波長で透過量が異なるため、ソフトウェアで各波長で異なる露光時間を使用することができます。プロット図の赤い点が示されている通り、いくつかの露光レベルを手動で設定可能です。この曲線の波長間の露光時間は補間されています。

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Reviewタブ

結果のレビューと分析

ThorImageLSのReview枠では記録されたハイパースペクトルのデータセットが表示されます。ここでは画面左のコントロール枠内のスライダにより現在の画像の波長が表示されるので、見たいモノクロ画像の波長をスクロールして選択することができます。「Info」パネルでは、実験で使用する画像取得の設定すべてが素早く閲覧可能です。これらの機能により、画像取得直後に画像や設定を簡単に確認できます。

画像はTIFF形式のスタックで保存し、ImageJまたはMATLABでの分析も可能です。RAW画像フォーマットを選択した場合、データはフリーソフトウェアのScyvenで分析できます。Scyvenの特長として、ピクセル単位あるいは領域でのスペクトル閲覧や、試料内の物質検出(詳細については「技術」タブをご覧ください)、そしてユーザ定義のスペクトルライブラリを使用した試料の分類などがあげられます。