CN102466518A - 显微扫描系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种显微扫描系统及其方法，该显微扫描系统包含有一显微镜装置、一继光镜装置、一步进马达以及一超光谱仪装置。显微镜装置，用来撷取并放大一待测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维分布。继光镜装置，设置于显微镜装置之后，用来接收并传递显微镜装置所输出的放大影像。步进马达，电连接于继光镜装置，用来渐次地沿第二方向直线地于第一方向上往复移动继光镜装置。超光谱仪装置设置于继光镜装置之后，用来接收继光镜装置沿第二方向依序传递待测物于第一方向的部分放大影像，并将其转换成一相对应的光谱资讯。

Description

显微扫描系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种光学影像撷取装置及操作方法，尤其是涉及一种撷取二维影像的显微扫描系统及其操作方法。

背景技术

传统的显微镜光谱量测系统通过点量测方式以取得待测物影像的光谱资讯，详细而言，当要取得待测物的光谱影像时，显微镜光谱量测系统的扫描的方式是以“移动物体”或者“移动装置”的方式进行影像扫描及撷取。

举例而言，当要取得的待测物为生物活体的光谱影像时，为了取得微小生物活体的影像与光谱资讯，现有量测系统包含有一传统的显微镜，以及一传统的线性扫描型式超光谱仪。使用者需先将生物活体放置于传统显微镜的一步进机构平台上，通过一精密的步进马达于二维方向(X方向与Y方向)控制步进机构平台的位移量，即可取得生物活体的二维影像与相对应光谱资讯。

然而，为精确掌握微小待测物的生化特性，纳米级光电检测技术因此已逐渐成为主要的发展趋势，在生物活体一般观察尺寸属纳米等级前提下，步进机构平台于二维方向位移量的精密度因此需被高度要求。值得留意，现有采压电致动器(Piezoelectric actuator)去步进机构平台，具有不易校正及精确度不足的缺点，以致于制作具备更高精密位移量的机构平台成本过高且技术瓶颈日益提高。又，当使用者依据待测物的尺寸而更换具有相对应放大倍率的物镜后，也需配合物镜的放大倍率更换具有相对应精密度的移动机构平台。如此一来，当使用者需量测不同尺寸的待测物时，即需更换相对应倍率的物镜以及相对应精密度的步进机构平台，即整套量测系统的光路需重新校正，徒然增添操作的不便性。另一方面，在某些特殊情况下待测物不适合被移动或无法与传统线扫描型式的超光谱仪进行相对移动，此时使用者需购置或架设另一套量测系统以克服此类特殊情况，大幅增加设备成本且降低量测效率。

因此，现有撷取影像分辨率品质决定在步进机构平台的精密度，为克服上述缺点，如何制作不同于现有主要依据机构平台移动精密度来决定影像分辨率的量测系统，并符合快速客制化需求，是业界亟力发展的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以一维扫描方式取得二维影像的显微扫描系统及其操作方法，以解决上述的问题。

为达上述目的，本发明揭露一种显微扫描系统，其包含有一显微镜装置，用来撷取并放大一待测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异于第一方向的一第二方向呈二维分布；一继光镜装置，设置于显微镜装置之后，用来接收并传递显微镜装置所输出的放大影像；一步进马达，电连接于继光镜装置，用来渐次地沿第二方向直线地于第一方向上往复移动继光镜装置；以及一超光谱仪装置，设置于继光镜装置之后，用来接收继光镜装置沿第二方向依序传递待测物于第一方向的部分放大影像，并将其转换成一相对应的光谱资讯。因此本发明的显微扫描系统可以一维扫描方式移动继光镜装置，用于于超光谱仪装置取得待测物的二维成像。

此外，本发明另揭露一种以一维扫描方式取得二维影像的显微扫描方法，其包含有撷取并放大一待测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异于第一方向的一第二方向呈二维分布；接收放大影像；渐次地沿第二方向直线地于第一方向上往复移动放大影像；接收沿第二方向依序传递待测物于第一方向的部分放大影像；以及转换放大影像为一相对应的光谱资讯。

本发明通过前述的显微扫描系统获得更高的影像分辨率以及更短的扫描运作时间。另外，本发明的显微扫描系统不但容易依使用需求进行客制化，还可有效地降低制造与组装的设备成本，使产品更加符合市场的需求，由此，本发明便能有效地解决背景技术的问题。

附图说明

图1为本发明较佳实施例显微扫描系统的架构图；

图2为本发明较佳实施例超光谱仪装置的架构图；以及

图3为本发明较佳实施例显微扫描方法的流程图。

主要元件符号说明

10：显微扫描系统          12：显微镜装置

13：机构平台              14：待测物

16：超光谱仪装置          161：狭缝单元

163：棱镜组               165：分光栅

167：物镜                 18：继光镜装置

19a：第一影像平面         19b：第二影像平面

20：卡合结构              22：电荷耦合元件感测器

24：步进马达

步骤101、102、103、104、105、106

具体实施方式

由于本发明的特征着重在显微扫描系统的设计技术，因此以下所说明者仅以显微扫描系统的元件为主，为使图面简洁且易于阅读，其余与显微扫描系统无直接关联的元件兹不赘述。需说明者，本发明的实施例并非用以限制本发明需在如实施例所述的任何特定环境、应用或特殊方式方能实施。此外，多个附图均为简化或稍夸大比例的示意图，所显示的元件并非实施时的数目、形状及尺寸比例，而仅为一种选择性设计，故实际元件布局形态可能更为复杂，在此合先叙明。

请参阅图1，图1为本发明较佳实施例以一维扫描方式取得二维影像的一显微扫描系统10的架构图。显微扫描系统10包含有一显微镜装置12、一超光谱仪装置16、一继光镜装置18以及一步进马达24。详细而言，显微镜装置12可为任一的直立式显微镜、倒立式显微镜、穿透式显微镜、反射式显微镜、荧光式显微镜等传统显微镜，其功能用来撷取并放大待测物14的影像，并将放大处理该影像以形成一放大影像(图未示)。显微镜装置12的光源可为一发光二极管光源、一激光光源、一卤素灯源、一冷光光源、一荧光环型光源、一白光环型光源其中之一。需说明的是，此放大影像为二维影像，该二维影像延一第一方向D1及相异于第一方向D1的一第二方向D2呈二维分布，以利后续的光学元件对此放大影像进行放大扫描等光学处理。

继光镜装置18设置于显微镜装置12与超光谱仪装置16之间，用来接收并传递显微镜装置12所输出的放大影像。超光谱仪装置16用来接收继光镜装置18沿第二方向D2依序传递待测物14于第一方向D1的部分放大影像，并将其转换成一相对应的光谱资讯(超光谱仪装置16的影像扫描方式详述如后)。继光镜装置18可由至少一凸透镜以及至少一凹透镜所组成，在此较佳实施例中，继光镜装置18包含有两个双凸透镜，其用来传递放大影像，但不以此为限。

详言之，当使用者将待测物14放置于显微镜装置12的一机构平台13上，显微镜装置12首先撷取待测物14影像以将放大影像传递至继光镜装置18，接着继光镜装置18将放大影像传递至超光谱仪装置16，使超光谱仪装置16接收待测物14于第一方向D1的部分放大影像，且将其转换成相对应的光谱资讯。在本实施例中，继光镜装置18较佳包含至少一有限共轭继光镜(finite conjugate relay lens)，用于将第一影像平面19a以1∶1比例转换至第二影像平面19b，使放大影像得呈现于超光谱仪装置16前端，便利超光谱仪装置16精确接收待测物14的放大影像。

此外，显微扫描系统10另可包含有一卡合结构20，设置于显微镜装置12与继光镜装置18之间。继光镜装置18通过卡合结构20紧密嵌合于显微镜装置12上。举例来说，卡合结构20可为一C型转接环(C Mount)或一F型转接环(F Mount)，以作为影像传送窗口，但并未加以局限。

显微扫描系统10另可包含一电荷耦合元件感测器22，其电连接于超光谱仪装置16。电荷耦合元件感测器22撷取并记录超光谱仪装置16以一维扫描方式所取得的放大影像的光谱资讯，例如是影像的波长及位置，以形成一放大二维影像。

请参阅图2，图2为本发明较佳实施例超光谱仪装置16的架构图。超光谱仪装置16包含一狭缝单元161、一棱镜组163、一分光栅165、及一物镜167。其中，一狭缝单元161具有一光学狭缝的光学屏幕，该光学狭缝实质平行于第一方向D1。棱镜组163设置于狭缝单元161的一侧，分光栅165与棱镜组163设置于狭缝单元161的相同侧面，此外，物镜167则设置于狭缝单元161的另一侧。

物镜167用来接收待测物14于第一方向D1的部分放大影像，且将待测物14于第一方向D1的部分放大影像经由狭缝单元161投射至棱镜组163与分光栅165进行分光，用于取得待测物14的放大影像及其光谱资讯。

为了使超光谱仪装置16得以扫描方式撷取待测物14于第一方向D1的部分放大影像，显微扫描系统10另包含有一步进马达24及包含一专用控制软体的韧体(图未示)，电连接于继光镜装置18，该专用软体可对上述各装置进行控制，特别是可驱动步进马达24、驱动超光谱仪装置16、撷取影像及光谱进行光学分析。具体来说，步进马达24得渐次地沿第二方向D2直线地于第一方向D1上往复移动继光镜装置18，以使继光镜装置18可沿第二方向D2依序传递待测物14于第一方向D1的部分放大影像至超光谱仪装置16。例如，该专用软体得控制步进马达24使继光镜装置18由下至上分多次的方式于第一方向D1上直线地往复移动，使呈现于第二影像平面19b的放大影像，以一维线性方式透过狭缝单元161的光学狭缝进入超光谱仪装置16内部，最后由下而上逐渐地将完整的二维影像呈现于电荷耦合元件感测器22。

需注意者，步进马达24移动继光镜装置18的速度可动态配合显微镜装置12的放大倍率作最佳化调整。当电荷耦合元件感测器22沿第二方向D2依序撷取超光谱仪装置16所产生的待测物14于第一方向D1的部分放大影像后，即可综合所取得的放大影像资讯进行二维成像。其中，第一方向D1实质上垂直第二方向D2。在本实施例中，若第一方向D1为X方向时，超光谱仪装置16采用影像座标为(X，λ)，继光镜装置18则于第二方向D2(即Y方向)相对移动；同理，在本实施例变化态样中，若第一方向D1为Y方向时，超光谱仪装置16采用影像座标为(Y,λ)，继光镜装置18则于第二方向D2(即X方向)相对移动。

在本发明中，利用继光镜装置18执行影像扫描可相较使用显微镜装置12的机构平台13执行影像扫描具有更高的分辨率与较低的设备成本。举例来说，当待测物14具有1mm×1mm的待测面积，且显微镜装置12的放大倍率为102倍时，显微镜装置12所放大的待测物14的影像为10mm×10mm的影像。惟需说明的是，当n＝10时，显微镜装置12需搭配具有0.1mm微步进精度的步进机构平台，才可执行将1mm×1mm的待测面积切割为10×10点影像的传统式二维扫描。对比之下，当n＝10时，本发明的继光镜装置18仅需搭配具有1mm微步进精度的步进马达24，即可执行将1mm×1mm的待测面积切割为10行影像的一维扫描，由上述说明可知，本发明继光镜装置18直接处理经显微镜装置12放大后的影像，例如是纳米等级尺寸放大至微米等级的影像，因此用于控制继光镜装置18的步进马达无需具备极高精密度，本发明使用低精密度的步进马达24即可容易达到传统二维扫描技术需搭配高精度步进机构平台才有的影像分辨率，故可大幅节省设备成本。

此外，由于本发明所使用低精密度的步进马达24在移动速度可大幅提升，使得整体扫描时间因而下降。显而易见地，在上述实施例中，有鉴于显微镜装置12对细致光学影像处理品质已发展相当稳定及卓越，因而经显微镜装置12预先将待测物14的影像轻易结合放大，仅需再配合一低精密度步进马达24即可获得高影像分辨率，此等高分辨率影像品质为现有采取高精度步进机构平台所难以实施达成。从另一角度来说再者，若本发明仅使用具有0.1mm微步进精度的步进马达24，即可执行将待测物14的影像切割成100行影像的一维扫描，故在影像解析程度极限上将大幅超越传统方法。

详细来说，当超光谱仪装置16的物镜167依序撷取多个待测物14于第一方向D1的n个部分影像后，即可通过狭缝单元161、棱镜组163、与分光栅165等光学元件取得该影像的相对应光谱资讯，最后再将其传递至电荷耦合元件感测器22以进行二维成像。在本发明中，显微扫描系统10使用专用软体来驱动步进马达24、超光谱仪装置16、以及电荷耦合元件感测器22，用于使超光谱仪装置16可依据步进马达24的移动速度准确地撷取继光镜装置18所传递的影像，并使电荷耦合元件感测器22可依据步进马达24的移动速度整合超光谱仪装置16所撷取的n个单行影像以产生二维影像。

请参阅图3，图3为本发明较佳实施例以一维扫描方式取得二维影像的显微扫描方法的流程图。该方法如下所述：

步骤101：放置待测物14于显微镜装置12的机构平台13。

步骤102：显微镜装置12撷取并放大待测物14的影像以形成放大影像。

步骤103：继光镜装置18接收并传递该放大影像。

步骤104：步进马达24渐次地沿第二方向D2直线地于第一方向D1上往复移动继光镜装置18，用于移动放大影像。

步骤105：超光谱仪装置16接收沿第二方向D2依序传递待测物11于第一方向D1的部分放大影像。

步骤106：电荷耦合元件感测器22撷取放大影像并将其转换为相对应的光谱资讯，用于形成放大二维影像。

在此对上述步骤进行详细说明。使用者首先将待测物14置于显微镜装置12的机构平台13，显微镜装置12先撷取待测物14的放大影像至继光镜装置18，接着继光镜装置18延长待测物14的影像光路以将放大影像传递至超光谱仪装置16，由超光谱仪装置16仅透过物镜167撷取待测物14于第一方向D1的单行影像，通过步进马达24及专用软体的控制，驱动步进马达24沿第二方向D2精确地移动继光镜装置18。举例来说，在此较佳实施例中，可依序将待测物14于第一方向D1的第1行影像、第2行影像、...、至第n行影像由下至上或者由上至下地依序传递至超光谱仪装置16。最后，超光谱仪装置16再将所接收到的待测物14的放大影像转换成相对应的光谱资讯。

相比较于背景技术，本发明的显微扫描系统及其操作方法以一维方式移动继光镜装置，故继光镜装置可沿该方向逐步扫描待测物的整体影像，用于依序分别传递待测物沿第一方向的多个部分放大影像至超光谱仪装置，以使电荷耦合元件感测器可整合待测物的多个部分放大影像以进行二维成像。因此，本发明显微扫描系统利用显微镜装置提供的细致放大光学影像，再巧妙地配合继光镜装置动态的特殊设计，相较于传统技术具备更高的影像分辨率以及更短的扫描运作时间。本发明的显微扫描系统不但容易依使用需求进行客制化，还可有效地降低制造与组装的设备成本，使产品更加符合市场的需求。

虽然本发明的实施例揭露如上所述，然而其并非用以限定本发明，任何具有本发明所属技术领域的通常知识者，均可依本发明的实施例所揭露的内容，对本发明的形状、结构或特征做些许的变更。因此，本发明所主张的保护范围，须视本说明书所附的权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种显微扫描系统，其包含有：

显微镜装置，用来撷取并放大一待测物的一影像以形成一放大影像，该放大影像延一第一方向及相异于该第一方向的一第二方向呈二维分布；

继光镜装置，设置于该显微镜装置之后，用来接收并传递该显微镜装置所输出的该放大影像；

步进马达，电连接于该继光镜装置，用来渐次地沿该第二方向直线地于该第一方向上往复移动该继光镜装置；以及

超光谱仪装置，设置于该继光镜装置之后，用来接收该继光镜装置沿该第二方向依序传递该待测物于该第一方向的部分该放大影像，并将其转换成一相对应的光谱资讯。

2.如权利要求1所述的显微扫描系统，其中该第一方向实质上垂直该第二方向。

3.如权利要求1所述的显微扫描系统，其中该超光谱仪装置包含：

狭缝单元；

棱镜组，设置于该狭缝单元的一侧；

分光栅，设置于该狭缝单元的该侧；以及

物镜，其设置于该狭缝单元的另一侧，该物镜用来接收该待测物的该放大影像，且将该放大影像经由该狭缝单元投射至该棱镜组与该分光栅进行分光，用于取得该放大影像的该光谱资讯。

4.如权利要求1所述的显微扫描系统，其中该继光镜装置包含至少一凸透镜以及至少一凹透镜。

5.如权利要求1所述的显微扫描系统，其中该继光镜装置包含二双凸透镜，用来传递该放大影像。

6.如权利要求1所述的显微扫描系统，还包含：

卡合结构，设置于该显微镜装置与该继光镜装置之间，该继光镜装置通过该卡合结构紧密嵌合于该显微镜装置。

7.如权利要求1所述的显微扫描系统，还包含：

电荷耦合元件感测器，电连接于该超光谱仪装置，用来撷取该超光谱仪装置以一维扫描方式所取得的该放大影像的该光谱资讯以形成一放大二维影像。

8.如权利要求1所述的显微扫描系统，其中该显微镜装置为一直立式显微镜、一倒立式显微镜、一穿透式显微镜、一反射式显微镜、一荧光式显微镜其中之一。

9.如权利要求1所述的显微扫描系统，其中该显微镜装置的光源为一发光二极管光源、一激光光源、一卤素灯源、一冷光光源、一荧光环型光源、一白光环型光源其中之一。

10.一种显微扫描方法，包含：

撷取并放大一待测物的一影像以形成一放大影像，该放大影像延一第一方向及相异于该第一方向的一第二方向呈二维分布；

接收该放大影像；

渐次地沿该第二方向直线地于该第一方向上往复移动该放大影像；

接收沿该第二方向依序传递该待测物于该第一方向的部分该放大影像；以及

转换该放大影像为一相对应的光谱资讯。

11.如权利要求10所述的显微扫描方法，还包含：

撷取该光谱资讯，以形成一放大二维影像。

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