顯微掃描系統及其方法

2023-09-11 11:37:40 1

專利名稱：顯微掃描系統及其方法
技術領域：
本發明涉及一種光學影像擷取裝置及操作方法，尤其是涉及一種擷取二維影像的顯微掃描系統及其操作方法。
背景技術：
傳統的顯微鏡光譜量測系統通過點量測方式以取得待測物影像的光譜資訊，詳細而言，當要取得待測物的光譜影像時，顯微鏡光譜量測系統的掃描的方式是以「移動物體」 或者「移動裝置」的方式進行影像掃描及擷取。舉例而言，當要取得的待測物為生物活體的光譜影像時，為了取得微小生物活體的影像與光譜資訊，現有量測系統包含有一傳統的顯微鏡，以及一傳統的線性掃描型式超光譜儀。使用者需先將生物活體放置於傳統顯微鏡的一步進機構平臺上，通過一精密的步進馬達於二維方向(X方向與Y方向)控制步進機構平臺的位移量，即可取得生物活體的二維影像與相對應光譜資訊。然而，為精確掌握微小待測物的生化特性，納米級光電檢測技術因此已逐漸成為主要的發展趨勢，在生物活體一般觀察尺寸屬納米等級前提下，步進機構平臺於二維方向位移量的精密度因此需被高度要求。值得留意，現有採壓電致動器(Piezoelectric actuator)去步進機構平臺，具有不易校正及精確度不足的缺點，以致於製作具備更高精密位移量的機構平臺成本過高且技術瓶頸日益提高。又，當使用者依據待測物的尺寸而更換具有相對應放大倍率的物鏡後，也需配合物鏡的放大倍率更換具有相對應精密度的移動機構平臺。如此一來，當使用者需量測不同尺寸的待測物時，即需更換相對應倍率的物鏡以及相對應精密度的步進機構平臺，即整套量測系統的光路需重新校正，徒然增添操作的不便性。另一方面，在某些特殊情況下待測物不適合被移動或無法與傳統線掃描型式的超光譜儀進行相對移動，此時使用者需購置或架設另一套量測系統以克服此類特殊情況，大幅增加設備成本且降低量測效率。因此，現有擷取影像解析度品質決定在步進機構平臺的精密度，為克服上述缺點， 如何製作不同於現有主要依據機構平臺移動精密度來決定影像解析度的量測系統，並符合快速客制化需求，是業界亟力發展的目標。

發明內容
本發明的目的在於提供一種以一維掃描方式取得二維影像的顯微掃描系統及其操作方法，以解決上述的問題。為達上述目的，本發明揭露一種顯微掃描系統，其包含有一顯微鏡裝置，用來擷取並放大一待測物的一影像以形成一放大影像，放大影像延一第一方向及相異於第一方向的一第二方向呈二維分布；一繼光鏡裝置，設置於顯微鏡裝置之後，用來接收並傳遞顯微鏡裝置所輸出的放大影像；一步進馬達，電連接於繼光鏡裝置，用來漸次地沿第二方向直線地於第一方向上往復移動繼光鏡裝置；以及一超光譜儀裝置，設置於繼光鏡裝置之後，用來接收繼光鏡裝置沿第二方向依序傳遞待測物於第一方向的部分放大影像，並將其轉換成一相對應的光譜資訊。因此本發明的顯微掃描系統可以一維掃描方式移動繼光鏡裝置，用于于超光譜儀裝置取得待測物的二維成像。此外，本發明另揭露一種以一維掃描方式取得二維影像的顯微掃描方法，其包含有擷取並放大一待測物的一影像以形成一放大影像，放大影像延一第一方向及相異於第一方向的一第二方向呈二維分布；接收放大影像；漸次地沿第二方向直線地於第一方向上往復移動放大影像；接收沿第二方向依序傳遞待測物於第一方向的部分放大影像；以及轉換放大影像為一相對應的光譜資訊。本發明通過前述的顯微掃描系統獲得更高的影像解析度以及更短的掃描運作時間。另外，本發明的顯微掃描系統不但容易依使用需求進行客制化，還可有效地降低製造與組裝的設備成本，使產品更加符合市場的需求，由此，本發明便能有效地解決背景技術的問題。


圖1為本發明較佳實施例顯微掃描系統的架構圖；圖2為本發明較佳實施例超光譜儀裝置的架構圖；以及圖3為本發明較佳實施例顯微掃描方法的流程圖。主要元件符號說明10 顯微掃描系統12 顯微鏡裝置13:機構平臺14:待測物16 超光譜儀裝置161 狹縫單元163:稜鏡組165:分光柵167:物鏡18:繼光鏡裝置19a:第一影像平面19b:第二影像平面
20 卡合結構22 電荷耦合元件感測器24:步進馬達步驟101、102、103、104、105、10具體實施例方式由於本發明的特徵著重在顯微掃描系統的設計技術，因此以下所說明者僅以顯微掃描系統的元件為主，為使圖面簡潔且易於閱讀，其餘與顯微掃描系統無直接關聯的元件茲不贅述。需說明者，本發明的實施例並非用以限制本發明需在如實施例所述的任何特定環境、應用或特殊方式方能實施。此外，多個附圖均為簡化或稍誇大比例的示意圖，所顯示的元件並非實施時的數目、形狀及尺寸比例，而僅為一種選擇性設計，故實際元件布局形態可能更為複雜，在此合先敘明。請參閱圖1，圖1為本發明較佳實施例以一維掃描方式取得二維影像的一顯微掃描系統10的架構圖。顯微掃描系統10包含有一顯微鏡裝置12、一超光譜儀裝置16、一繼光鏡裝置18以及一步進馬達24。詳細而言，顯微鏡裝置12可為任一的直立式顯微鏡、倒立式顯微鏡、穿透式顯微鏡、反射式顯微鏡、螢光式顯微鏡等傳統顯微鏡，其功能用來擷取並放大待測物14的影像，並將放大處理該影像以形成一放大影像(圖未示)。顯微鏡裝置 12的光源可為一發光二極體光源、一雷射光源、一滷素燈源、一冷光光源、一螢光環型光源、 一白光環型光源其中之一。需說明的是，此放大影像為二維影像，該二維影像延一第一方向 Dl及相異於第一方向Dl的一第二方向D2呈二維分布，以利後續的光學元件對此放大影像進行放大掃描等光學處理。繼光鏡裝置18設置於顯微鏡裝置12與超光譜儀裝置16之間，用來接收並傳遞顯微鏡裝置12所輸出的放大影像。超光譜儀裝置16用來接收繼光鏡裝置18沿第二方向 D2依序傳遞待測物14於第一方向Dl的部分放大影像，並將其轉換成一相對應的光譜資訊 (超光譜儀裝置16的影像掃描方式詳述如後)。繼光鏡裝置18可由至少一凸透鏡以及至少一凹透鏡所組成，在此較佳實施例中，繼光鏡裝置18包含有兩個雙凸透鏡，其用來傳遞放大影像，但不以此為限。詳言之，當使用者將待測物14放置於顯微鏡裝置12的一機構平臺13上，顯微鏡裝置12首先擷取待測物14影像以將放大影像傳遞至繼光鏡裝置18，接著繼光鏡裝置18將放大影像傳遞至超光譜儀裝置16，使超光譜儀裝置16接收待測物14於第一方向Dl的部分放大影像，且將其轉換成相對應的光譜資訊。在本實施例中，繼光鏡裝置18較佳包含至少一有限共軛繼光鏡(finite conjugate relay lens)，用於將第一影像平面19a以1 1 比例轉換至第二影像平面1%，使放大影像得呈現於超光譜儀裝置16前端，便利超光譜儀裝置16精確接收待測物14的放大影像。此外，顯微掃描系統10另可包含有一卡合結構20，設置於顯微鏡裝置12與繼光鏡裝置18之間。繼光鏡裝置18通過卡合結構20緊密嵌合於顯微鏡裝置12上。舉例來說， 卡合結構20可為一 C型轉接環(C Mount)或一 F型轉接環(F Mount)，以作為影像傳送窗口，但並未加以局限。顯微掃描系統10另可包含一電荷耦合元件感測器22，其電連接於超光譜儀裝置 16。電荷耦合元件感測器22擷取並記錄超光譜儀裝置16以一維掃描方式所取得的放大影像的光譜資訊，例如是影像的波長及位置，以形成一放大二維影像。請參閱圖2，圖2為本發明較佳實施例超光譜儀裝置16的架構圖。超光譜儀裝置 16包含一狹縫單元161、一稜鏡組163、一分光柵165、及一物鏡167。其中，一狹縫單元161 具有一光學狹縫的光學屏幕，該光學狹縫實質平行於第一方向Dl。稜鏡組163設置於狹縫單元161的一側，分光柵165與稜鏡組163設置於狹縫單元161的相同側面，此外，物鏡167 則設置於狹縫單元161的另一側。物鏡167用來接收待測物14於第一方向Dl的部分放大影像，且將待測物14於第一方向Dl的部分放大影像經由狹縫單元161投射至稜鏡組163與分光柵165進行分光，用於取得待測物14的放大影像及其光譜資訊。為了使超光譜儀裝置16得以掃描方式擷取待測物14於第一方向Dl的部分放大影像，顯微掃描系統10另包含有一步進馬達M及包含一專用控制軟體的韌體(圖未示)， 電連接於繼光鏡裝置18，該專用軟體可對上述各裝置進行控制，特別是可驅動步進馬達 24、驅動超光譜儀裝置16、擷取影像及光譜進行光學分析。具體來說，步進馬達M得漸次地沿第二方向D2直線地於第一方向Dl上往復移動繼光鏡裝置18，以使繼光鏡裝置18可沿第二方向D2依序傳遞待測物14於第一方向Dl的部分放大影像至超光譜儀裝置16。例如，該專用軟體得控制步進馬達M使繼光鏡裝置18由下至上分多次的方式於第一方向Dl 上直線地往復移動，使呈現於第二影像平面1%的放大影像，以一維線性方式透過狹縫單元161的光學狹縫進入超光譜儀裝置16內部，最後由下而上逐漸地將完整的二維影像呈現於電荷耦合元件感測器22。需注意者，步進馬達M移動繼光鏡裝置18的速度可動態配合顯微鏡裝置12的放大倍率作最佳化調整。當電荷耦合元件感測器22沿第二方向D2依序擷取超光譜儀裝置16 所產生的待測物14於第一方向Dl的部分放大影像後，即可綜合所取得的放大影像資訊進行二維成像。其中，第一方向Dl實質上垂直第二方向D2。在本實施例中，若第一方向Dl為 X方向時，超光譜儀裝置16採用影像座標為(X，λ )，繼光鏡裝置18則於第二方向D2(即Y 方向)相對移動；同理，在本實施例變化態樣中，若第一方向Dl為Y方向時，超光譜儀裝置 16採用影像座標為(Y，λ )，繼光鏡裝置18則於第二方向D2(即X方向)相對移動。在本發明中，利用繼光鏡裝置18執行影像掃描可相較使用顯微鏡裝置12的機構平臺13執行影像掃描具有更高的解析度與較低的設備成本。舉例來說，當待測物14具有 ImmX Imm的待測面積，且顯微鏡裝置12的放大倍率為102倍時，顯微鏡裝置12所放大的待測物14的影像為IOmmX IOmm的影像。惟需說明的是，當η = 10時，顯微鏡裝置12需搭配具有0. Imm微步進精度的步進機構平臺，才可執行將ImmX Imm的待測面積切割為IOX 10 點影像的傳統式二維掃描。對比之下，當n= 10時，本發明的繼光鏡裝置18僅需搭配具有 Imm微步進精度的步進馬達24，即可執行將ImmX Imm的待測面積切割為10行影像的一維掃描，由上述說明可知，本發明繼光鏡裝置18直接處理經顯微鏡裝置12放大後的影像，例如是納米等級尺寸放大至微米等級的影像，因此用於控制繼光鏡裝置18的步進馬達無需具備極高精密度，本發明使用低精密度的步進馬達M即可容易達到傳統二維掃描技術需搭配高精度步進機構平臺才有的影像解析度，故可大幅節省設備成本。此外，由於本發明所使用低精密度的步進馬達M在移動速度可大幅提升，使得整體掃描時間因而下降。顯而易見地，在上述實施例中，有鑑於顯微鏡裝置12對細緻光學影像處理品質已發展相當穩定及卓越，因而經顯微鏡裝置12預先將待測物14的影像輕易結合放大，僅需再配合一低精密度步進馬達M即可獲得高影像解析度，此等高解析度影像品質為現有採取高精度步進機構平臺所難以實施達成。從另一角度來說再者，若本發明僅使用具有0. Imm微步進精度的步進馬達Μ，即可執行將待測物14的影像切割成100行影像的一維掃描，故在影像解析程度極限上將大幅超越傳統方法。詳細來說，當超光譜儀裝置16的物鏡167依序擷取多個待測物14於第一方向Dl 的η個部分影像後，即可通過狹縫單元161、稜鏡組163、與分光柵165等光學元件取得該影像的相對應光譜資訊，最後再將其傳遞至電荷耦合元件感測器22以進行二維成像。在本發明中，顯微掃描系統10使用專用軟體來驅動步進馬達Μ、超光譜儀裝置16、以及電荷耦合元件感測器22，用於使超光譜儀裝置16可依據步進馬達M的移動速度準確地擷取繼光鏡裝置18所傳遞的影像，並使電荷耦合元件感測器22可依據步進馬達M的移動速度整合超光譜儀裝置16所擷取的η個單行影像以產生二維影像。請參閱圖3，圖3為本發明較佳實施例以一維掃描方式取得二維影像的顯微掃描方法的流程圖。該方法如下所述步驟101 放置待測物14於顯微鏡裝置12的機構平臺13。
步驟102 顯微鏡裝置12擷取並放大待測物14的影像以形成放大影像。步驟103 繼光鏡裝置18接收並傳遞該放大影像。步驟104 步進馬達M漸次地沿第二方向D2直線地於第一方向Dl上往復移動繼光鏡裝置18，用於移動放大影像。步驟105 超光譜儀裝置16接收沿第二方向D2依序傳遞待測物11於第一方向Dl 的部分放大影像。步驟106 電荷耦合元件感測器22擷取放大影像並將其轉換為相對應的光譜資訊，用於形成放大二維影像。在此對上述步驟進行詳細說明。使用者首先將待測物14置於顯微鏡裝置12的機構平臺13，顯微鏡裝置12先擷取待測物14的放大影像至繼光鏡裝置18，接著繼光鏡裝置 18延長待測物14的影像光路以將放大影像傳遞至超光譜儀裝置16，由超光譜儀裝置16僅透過物鏡167擷取待測物14於第一方向Dl的單行影像，通過步進馬達M及專用軟體的控制，驅動步進馬達M沿第二方向D2精確地移動繼光鏡裝置18。舉例來說，在此較佳實施例
中，可依序將待測物14於第一方向Dl的第1行影像、第2行影像.....至第η行影像由下
至上或者由上至下地依序傳遞至超光譜儀裝置16。最後，超光譜儀裝置16再將所接收到的待測物14的放大影像轉換成相對應的光譜資訊。相比較於背景技術，本發明的顯微掃描系統及其操作方法以一維方式移動繼光鏡裝置，故繼光鏡裝置可沿該方向逐步掃描待測物的整體影像，用於依序分別傳遞待測物沿第一方向的多個部分放大影像至超光譜儀裝置，以使電荷耦合元件感測器可整合待測物的多個部分放大影像以進行二維成像。因此，本發明顯微掃描系統利用顯微鏡裝置提供的細緻放大光學影像，再巧妙地配合繼光鏡裝置動態的特殊設計，相較於傳統技術具備更高的影像解析度以及更短的掃描運作時間。本發明的顯微掃描系統不但容易依使用需求進行客制化，還可有效地降低製造與組裝的設備成本，使產品更加符合市場的需求。雖然本發明的實施例揭露如上所述，然而其並非用以限定本發明，任何具有本發明所屬技術領域的通常知識者，均可依本發明的實施例所揭露的內容，對本發明的形狀、結構或特徵做些許的變更。因此，本發明所主張的保護範圍，須視本說明書所附的權利要求所界定者為準。
權利要求
1.一種顯微掃描系統，其包含有顯微鏡裝置，用來擷取並放大一待測物的一影像以形成一放大影像，該放大影像延一第一方向及相異於該第一方向的一第二方向呈二維分布；繼光鏡裝置，設置於該顯微鏡裝置之後，用來接收並傳遞該顯微鏡裝置所輸出的該放大影像；步進馬達，電連接於該繼光鏡裝置，用來漸次地沿該第二方向直線地於該第一方向上往復移動該繼光鏡裝置；以及超光譜儀裝置，設置於該繼光鏡裝置之後，用來接收該繼光鏡裝置沿該第二方向依序傳遞該待測物於該第一方向的部分該放大影像，並將其轉換成一相對應的光譜資訊。
2.如權利要求1所述的顯微掃描系統，其中該第一方向實質上垂直該第二方向。
3.如權利要求1所述的顯微掃描系統，其中該超光譜儀裝置包含 狹縫單元；稜鏡組，設置於該狹縫單元的一側； 分光柵，設置於該狹縫單元的該側；以及物鏡，其設置於該狹縫單元的另一側，該物鏡用來接收該待測物的該放大影像，且將該放大影像經由該狹縫單元投射至該稜鏡組與該分光柵進行分光，用於取得該放大影像的該光譜資訊。
4.如權利要求1所述的顯微掃描系統，其中該繼光鏡裝置包含至少一凸透鏡以及至少一凹透鏡。
5.如權利要求1所述的顯微掃描系統，其中該繼光鏡裝置包含二雙凸透鏡，用來傳遞該放大影像。
6.如權利要求1所述的顯微掃描系統，還包含卡合結構，設置於該顯微鏡裝置與該繼光鏡裝置之間，該繼光鏡裝置通過該卡合結構緊密嵌合於該顯微鏡裝置。
7.如權利要求1所述的顯微掃描系統，還包含電荷耦合元件感測器，電連接於該超光譜儀裝置，用來擷取該超光譜儀裝置以一維掃描方式所取得的該放大影像的該光譜資訊以形成一放大二維影像。
8.如權利要求1所述的顯微掃描系統，其中該顯微鏡裝置為一直立式顯微鏡、一倒立式顯微鏡、一穿透式顯微鏡、一反射式顯微鏡、一螢光式顯微鏡其中之一。
9.如權利要求1所述的顯微掃描系統，其中該顯微鏡裝置的光源為一發光二極體光源、一雷射光源、一商素燈源、一冷光光源、一螢光環型光源、一白光環型光源其中之一。
10.一種顯微掃描方法，包含擷取並放大一待測物的一影像以形成一放大影像，該放大影像延一第一方向及相異於該第一方向的一第二方向呈二維分布； 接收該放大影像；漸次地沿該第二方向直線地於該第一方向上往復移動該放大影像； 接收沿該第二方向依序傳遞該待測物於該第一方向的部分該放大影像；以及轉換該放大影像為一相對應的光譜資訊。
11.如權利要求10所述的顯微掃描方法，還包含擷取該光譜資訊，以形成一放大二維影像。
全文摘要
本發明公開一種顯微掃描系統及其方法，該顯微掃描系統包含有一顯微鏡裝置、一繼光鏡裝置、一步進馬達以及一超光譜儀裝置。顯微鏡裝置，用來擷取並放大一待測物的一影像以形成一放大影像，放大影像延一第一方向及一第二方向呈二維分布。繼光鏡裝置，設置於顯微鏡裝置之後，用來接收並傳遞顯微鏡裝置所輸出的放大影像。步進馬達，電連接於繼光鏡裝置，用來漸次地沿第二方向直線地於第一方向上往復移動繼光鏡裝置。超光譜儀裝置設置於繼光鏡裝置之後，用來接收繼光鏡裝置沿第二方向依序傳遞待測物於第一方向的部分放大影像，並將其轉換成一相對應的光譜資訊。
文檔編號G02B21/36GK102466518SQ20111004858
公開日2012年5月23日 申請日期2011年3月1日 優先權日2010年11月15日
發明者吳順德, 林永峻, 歐陽盟, 蔡銘修, 謝耀方, 邱俊誠, 黃庭緯 申請人:中國醫藥大學