CN103076286A - 用于观察物体的光声显微镜系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种用于观察物体的光声显微镜系统及其方法，其中用于观察物体的光声显微镜系统包含：光学读取头，配置以向物体发射激光束，基于从物体接收的反射光束产生伺服信号，并且基于伺服信号将激光束的焦点定位在物体上；超声传感器，配置以检测从物体离开的激光诱发的超声波，从而产生光声显微镜图像信号；以及图像产生单元，耦接超声传感器，配置图像产生单元以基于光声显微镜图像信号产生物体的光声显微镜图像。本发明提供的用于观察物体的光声显微镜系统及其方法可使得光声显微镜系统便于使用并且降低其花费。

Description

用于观察物体的光声显微镜系统及其方法

技术领域

本发明有关于光声显微镜(Photoacoustic microscopy,PAM)，并且特别有关于利用光学读取头(optical pickup head)作为光源(light source)的PAM系统。

背景技术

PAM是一种具有广阔潜在应用的图像技术。例如，已经证实，可利用PAM无须标记地(label-freely)、甚至于活体(in vivo)观察生物结构，例如微血管(capillary)。

虽然PAM具有上述优势，但其并未成为现在流行的技术。一个重要的原因是最常用的PAM系统利用的激光装置不仅体积庞大而且价格昂贵。上述激光装置使得常用的PAM系统不方便使用并且较难负担其花费。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于观察物体的光声显微镜系统及其方法。

一种用于观察物体的光声显微镜系统，包含：光学读取头，配置以向该物体发射激光束，基于从该物体接收的反射光束产生伺服信号，并且基于该伺服信号将该激光束的焦点定位在该物体上；超声传感器，配置以检测从该物体离开的激光诱发的超声波，从而产生光声显微镜图像信号；以及图像产生单元，耦接该超声传感器，配置该图像产生单元以基于该光声显微镜图像信号产生该物体的光声显微镜图像。

一种观察物体的方法，包含：利用光学读取头向该物体发射激光束；检测离开该物体的激光诱发的超声波以产生光声显微镜图像信号；以及基于该光声显微镜图像信号产生该物体的光声显微镜图像。

本发明提供的一种用于观察物体的光声显微镜系统及其方法可使得光声显微镜系统便于使用并且降低其花费。

附图说明

图1是根据本发明实施例描述的PAM系统的示意图。

图2是描述图1中反馈控制激光装置的光学读取头的示意图。

图3是描述包含两个图2所示的光学读取头的反馈控制激光装置120的示意图。

图4是描述包含光学读取头与致动器的反馈控制激光装置的示意图。

图5是描述微机电镜头模块的示意图。

图6是描述共聚焦显微镜组件模块的示意图。

图7是描述改良的光学读取头的示意图。

具体实施方式

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属技术领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求项中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。

接下来的描述是关于本发明的实施例，其为了描述本发明的基本原理，并不作为对本发明的限制。本发明的保护范围由权利要求书作出界定。

图1是依据本发明实施例描述的PAM系统的示意图。PAM系统100可用于观察物体10，其中物体10并非PAM系统100的一部分。PAM系统100包含反馈控制激光装置(feedback-controlled laser)120、超声传感器(ultrasonic transducer)140以及图像产生单元(image generationunit)160，其中超声传感器140与图像产生单元160耦接。

如上所述，图1仅为PAM系统100的示意图。虽然图标中反馈控制激光装置120与超声传感器140位于物体10的两侧，但两者亦可位于物体10的同侧。如果如上述两个组件位于物体10的同侧，则PAM系统100可用于活体分子上的图像扫描。反馈控制激光装置120可与超声传感器140相互独立，亦可两者结合，或者反馈控制激光装置120甚至可嵌入超声传感器140中。

另外对于图1描述的组件，PAM系统100可进一步包含几种机制，上述机制通过移动物体10、反馈控制激光装置120、超声传感器140或者其组合以致能PAM系统100扫描物体10的图像。而且，PAM系统100可进一步包含调整PAM系统100操作的控制单元。此外，物体10可固定在光学磁盘上，例如光盘(Compact Disc,CD)、数字光盘(Digital Versatile Disc,DVD)或者蓝光光盘(Blue-ray Disc,BD)。

反馈控制激光装置120可包含一个或多个光学读取头。包含的光学读取头的每一个可相似或者就是光盘驱动器上使用的光学读取头，其中光盘驱动器可为CD驱动器、DVD驱动器或者BD驱动器。图2是描述图1中反馈控制激光装置120的光学读取头的示意图。光学读取头200包含激光源(laser source)220、镜头模块(lens set)240、光电二极管(photodiode)260以及伺服控制单元(servo control unit)280。其中伺服控制单元280分别与镜头模块240、光电二极管260耦接。例如，激光源220可包含具有780nm波长（或者具有接近780nm波长）的红外激光二极管(infrared laser diode)、具有650nm波长（或者具有接近650nm波长）的红光激光二极管、具有405nm波长（或者具有接近405nm波长）的蓝光激光二极管或者其组合。实际上，可依据观察的物体调整所使用的波长，本发明不受上述波长的限制。如果激光源220包含具有不同波长的多个激光二极管，则可利用PAM系统100观察物体10的具有不同吸收波长的组分。

因为反馈控制激光装置120利用光学读取头作为光源并且光学读取头是微小、便宜的，所以PAM系统100比常用的PAM系统要更小巧并且便宜。并且，后面段落将要介绍的光学读取头的反馈控制环路(feedback control loop)使得PAM系统100更容易进行调整。

镜头模块240将来自激光源220的激光束(laser beam)指向物体10，并且同时将从物体10反射回的光束指向光电二极管260。类似在光盘驱动器的光学读取头上的镜头模块，镜头模块240可包含衍射光栅(diffraction grating)、分束器(beam splitter)、准直透镜(collimator lens)以及物镜(objective lens)。激光源220发射的激光束将依次穿过衍射光栅、分束器、准直透镜以及物镜，并且到达物体10。离开物体10的反射光束将依次穿过物镜、准直透镜以及分束器，并且到达光电二极管260。准直透镜与物镜提供物体10与分束器之间的光学路径(optical path)。分束器允许激光束与反射光束从两个不同方向穿过以共享上述光学路径。镜头模块240可进一步包含致动器(actuator)，例如音圈马达(voice coilmotor)，其通过移动物镜控制激光束的焦点的位置。在下面的段落中将介绍，伺服控制单元280控制上述致动器。

镜头模块240、光电二极管260以及伺服控制单元280组成光学读取头200的反馈控制环路。具体地，光电二极管260检测反射光束并且相应地产生伺服信号。伺服信号指示激光束的焦点的位置是否需要改变。基于上述伺服信号，伺服控制单元280产生控制信号，例如控制镜头模块240的上述致动器以移动物镜。例如，伺服信号可包含光盘驱动器产业普遍使用的聚焦误差(Focus Error,FE)信号，其由散光方法产生。

通过反馈控制激光装置120、超声传感器140以及图像产生单元160，PAM系统100可实现PAM功能。具体地，由反馈控制激光装置120的每个光学读取头200发射的激光束不仅引起物体10反射回光束，而且诱发物体10产生超声波。当激光束聚焦在物体10可吸收大量光波能量的区域时，激光诱发的超声波将很强；当激光束聚焦在物体10可吸收少量或者未吸收光波能量的区域时，激光诱发的超声波将很弱或者完全不存在。然后，超声传感器140检测激光诱发的超声波并且相应地产生PAM图像信号。在此过程中，超声传感器140的焦点（如果焦点为一个）与激光束的焦点可在物体10的区域中部分重叠。之后，图像产生单元160（其可为计算机），基于PAM图像信号产生物体10的PAM图像（一张或者多张PAM图像）。

如果反馈控制激光装置120仅包含一个光学读取头200，则PAM系统100的PAM功能可涉及以下步骤。首先，PAM系统100将光学读取头200的焦点定位（或者复位）至物体10的区域。然后，光学读取头200向上述区域发射激光束脉冲以产生超声波。接着，超声传感器140检测来自于物体的激光诱发的超声波并且相应地产生PAM图像信号。对于物体10的多个区域，PAM系统100重复上述步骤。基于合成的PAM图像信号，图像产生单元160可产生物体10的PAM图像。

如果反馈控制激光装置120包含在不同位置的多个光学读取头200或者包含一个可在不同位置移动的光学读取头200（例如通过致动器），则PAM系统100可具有增强的分辨率。图3是描述包含两个图2所示的光学读取头200的反馈控制激光装置120的示意图。光学读取头200_1与光学读取头200_2是可调整的，以致于光学读取头200_1与200_2产生的激光束的聚焦区域可共享物体10上的部分重叠区域。因为上述部分重叠区域相对较小，所以图3所示的配置可增强PAM系统100的分辨率，尤其是在图3所示的轴线方向上。

随着图3所示的反馈控制激光装置120，PAM系统100的PAM功能可涉及以下的步骤。首先，PAM系统100将两个光学读取头200_1与200_2的部分重叠区域定位（或者复位）至物体10的区域。然后，光学读取头200_1发射激光束脉冲以得到来自于物体10的超声波，其可由超声传感器140检测到。相似地，光学读取头200_2亦发射激光束脉冲以得到来自于物体10的超声波，其亦可由超声传感器140检测到。两个光学读取头200_1与200_2可同时或者不同时发射两个脉冲。基于来自于物体10的激光诱发的超声波，超声传感器140相应地产生PAM图像信号。对于物体10的多个区域，PAM系统100重复上述步骤，具体地，通过依次复位激光束的部分重叠区域至物体10的多个区域。基于合成的PAM图像信号，图像产生单元160可产生物体10的分辨率增强的PAM图像。

例如，PAM图像信号可具有对应激光诱发的超声波的第一时域区段(time domain section)，其中激光诱发的超声波来自于物体10的第一区域并且由光学读取头200_1产生的脉冲引起。另外，PAM图像信号可具有对应激光诱发的超声波的第二时域区段，其中激光诱发的超声波来自于物体10的第二区域并且由光学读取头200_2产生的脉冲引起。物体10的第一区域与第二区域可部分重叠。经过处理、结合或者重建PAM图像信号的第一与第二时域区段，图像产生单元160可对于物体10上的部分重叠区域提供增强轴线方向的分辨率。请注意，这里以及先前段落中提到的概念可扩展至包含M个优选方向的光学读取头200_1~200_M的反馈控制激光装置120的范围，其中M为大于2的整数。

图4是描述包含光学读取头200与致动器410的反馈控制激光装置120的示意图，其中光学读取头200固定在致动器410上。光学读取头200与致动器410是可调整的，以致于位于致动器410上不同位置的光学读取头200产生的激光束的光学路径可在部分重叠区域部分重叠。因为部分重叠区域相对较小，所以图4所示的配置可增强PAM系统100的分辨率，尤其是在图4所示的轴线方向上。

随着图4所示的反馈控制激光装置120，PAM系统100的PAM功能可涉及以下的步骤。首先，致动器410将光学读取头200定位（或者复位）至第一位置。在第一位置，光学读取头200向物体10的区域发射激光束脉冲；来自于物体10的激光诱发的超声波可由超声传感器140检测到。接着，致动器410将光学读取头200旋转到第二位置。在第二位置，光学读取头200向物体10的区域发射激光束脉冲；来自于物体10的激光诱发的超声波可由超声传感器140检测到。对于物体10的多个区域，PAM系统100重复上述步骤，具体地，通过依次复位激光束的部分重叠区域至物体10的多个区域。基于合成的PAM图像信号，图像产生单元160可产生物体10的分辨率增强的PAM图像。

例如，PAM图像信号可具有对应激光诱发的超声波的第一时域区段，其中激光诱发的超声波来自于物体10的第一区域并且由光学读取头200产生的脉冲引起。另外，PAM图像信号可具有对应激光诱发的超声波的第二时域区段，其中激光诱发的超声波来自于物体10的第二区域并且由光学读取头200产生的脉冲引起。物体10的第一区域与第二区域可部分重叠。经过处理、结合或者重建PAM图像信号的第一与第二时域区段，图像产生单元160可对于物体10上的部分重叠区域于轴线方向提供增强的分辨率。请注意，这里以及先前段落中提到的概念可扩展至一个范围，在此范围内，对于物体10的每个区域，光学读取头200向致动器410上N个不同方向上发射N个激光束脉冲，其中N为大于2的整数。

对于图1所示的组件，反馈控制激光装置120可进一步包含用于每个光学读取头200的微机电镜头模块。微机电镜头模块可包含聚光透镜(condenser lens)、镜片集合以及物镜。微机电镜头模块指导激光束从光学读取头200至物体10并且指导反射光束从物体10返回至光学读取头200。而且，通过调整微机电镜头模块的几个内部组件，微机电镜头模块允许激光束聚焦至物体10的不同区域。因此，当光学读取头200与物体10之间的空间关系保持不变时，微机电镜头模块允许激光束聚焦至物体10的不同区域。上述镜头模块的组成使得PAM系统100可以更容易地扫描物体10的图像。

图5是描述微机电镜头模块的示意图。微机电镜头模块500包含聚光透镜510、镜片520以及物镜530。通过调整镜片520的角度以及/或者位置，微机电镜头模块500可随意地将激光束的焦点移动至物体10的不同区域。

另外除了作为PAM的功能，图1所示的PAM系统100可进一步具有作为扫描声波显微镜(Scanning Acoustic Microscopy,SAM)的功能。对于作为SAM的功能，PAM系统100必须利用超声传感器140以发射并且将超声脉冲聚焦至物体10的区域。然后，超声传感器140检测声音诱发的超声波以产生SAM图像信号，其中声音诱发的超声波是从超声脉冲的聚焦区域离开。超声传感器140可包含单个传感单元以处理声音的发射以及检测，或者两个传感单元以分别处理声音的发射与检测。对于物体10的多个区域，通过重复上述过程，基于合成的SAM图像信号，图像产生单元160可产生物体10的SAM图像（一张或者多张SAM图像）。通过适当的扫描控制，PAM系统100可在一次扫描中同时提供物体10的PAM图像与SAM图像。

图6是描述共聚焦显微镜(Confocal Microscopy,CM)组件模块600的示意图。另外除了作为PAM的功能，通过另包含图6所示的CM组件模块600，图1所示的PAM系统100可进一步具有作为CM的功能。CM组件模块600包含物镜610、共聚焦针孔620以及光电倍增管检测器630。可配置物镜610与共聚焦针孔620使得只有来自激光束的焦点的光可到达光电倍增管检测器630。接着，光电倍增管检测器630基于检测的光可产生CM图像信号，并且向图像产生单元160发送CM图像信号。然后，图像产生单元160基于CM图像信号产生物体10的CM图像。通过适当的扫描控制，PAM系统100可在一次扫描中同时提供物体10的PAM图像与CM图像。

在另一实施例中，图1所示的反馈控制激光装置120包含图7所示的改良的光学读取头700。图7是描述改良的光学读取头700的示意图。改良的光学读取头700不同于图2所示的光学读取头200，前者具有高敏感度的感光检测器(photodetector)760，而不具有光电二极管260。例如，感光检测器760可为（或者可包含）光电倍增管(PhotomultiplierTube,PMT)，其比光电二极管260更敏感。基于检测到的光，感光检测器760可不仅产生用于伺服控制单元280的伺服信号，而且产生用于图像产生单元160的CM图像信号，即感光检测器760与图像产生单元160耦接。然后，图像产生单元160基于CM图像信号产生物体10的CM图像。通过适当的扫描控制，PAM系统100可在一次扫描中提供物体10的PAM图像与CM图像。改良的光学读取头700可充当图3的光学读取头200_1、图3的光学读取头200_2、图4的光学读取头200、图5的光学读取头200、图6的光学读取头200或者其结合形式。

也可配置PAM系统100以结合上述两个段落的内容。合成的PAM系统可在一次扫描中同时提供物体10的PAM图像、SAM图像以及CM图像。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，但是其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，做均等的变化与修饰，皆属于本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种用于观察物体的光声显微镜系统，包含：

光学读取头，配置以向该物体发射激光束，基于从该物体接收的反射光束产生伺服信号，并且基于该伺服信号将该激光束的焦点定位在该物体上；

超声传感器，配置以检测从该物体离开的激光诱发的超声波，从而产生光声显微镜图像信号；以及

图像产生单元，耦接该超声传感器，配置该图像产生单元以基于该光声显微镜图像信号产生该物体的光声显微镜图像。

2.如权利要求1所述的用于观察物体的光声显微镜系统，其特征在于，该光学读取头包含：激光源，配置以产生该激光束；感光检测器，配置以检测该反射光束并且相应地产生该伺服信号；镜头模块，配置以将该激光束指向该物体并且将该反射光束指向该感光检测器；以及伺服控制单元，耦接该感光检测器与该镜头模块，依据该伺服信号配置以控制该镜头模块。

3.如权利要求2所述的用于观察物体的光声显微镜系统，其特征在于，该伺服信号包含聚焦误差信号。

4.如权利要求2所述的用于观察物体的光声显微镜系统，其特征在于，该镜头模块提供该激光束与该反射光束共享的光学路径，以及该激光束与该反射光束沿两个相反方向穿过该光学路径。

5.如权利要求2所述的用于观察物体的光声显微镜系统，其特征在于，该感光检测器进一步耦接该图像产生单元并且配置该感光检测器以检测该反射光束以及相应地产生共聚焦显微镜图像信号，以及进一步配置该图像产生单元以基于该共聚焦显微镜图像信号产生该物体的共聚焦显微镜图像。

6.如权利要求2所述的用于观察物体的光声显微镜系统，其特征在于，该感光检测器包含光电倍增管。

7.如权利要求1所述的用于观察物体的光声显微镜系统，其特征在于，进一步配置该超声传感器以向该物体发送超声脉冲并且检测离开该物体的声音诱发的超声波以产生扫描声波显微镜图像信号；以及进一步配置该图像产生单元以基于该扫描声波显微镜图像信号产生该物体的扫描声波显微镜图像。

8.如权利要求1所述的用于观察物体的光声显微镜系统，其特征在于，该光声显微镜系统进一步包含共聚焦显微镜组件模块，配置以检测从该激光束的该焦点离开该物体的光，从而产生共聚焦显微镜图像信号；以及该图像产生单元进一步耦接该共聚焦显微镜组件模块并且配置该图像产生单元以基于该共聚焦显微镜图像信号产生该物体的共聚焦显微镜图像。

9.如权利要求8所述的用于观察物体的光声显微镜系统，其特征在于，该共聚焦显微镜组件模块包含：光电倍增管检测器，配置以检测从该激光束的该焦点离开该物体的该光，从而产生该共聚焦显微镜图像信号；以及物镜与共聚焦针孔，配置以将从该激光束的该焦点离开该物体的该光指向该光电倍增管检测器。

10.如权利要求1所述的用于观察物体的光声显微镜系统，进一步包含微机电镜头模块，配置以指导该激光束从该光学读取头至该物体以及指导该反射光束从该物体至该光学读取头；以及移动该激光束的该焦点至该物体的不同区域。

11.如权利要求1所述的用于观察物体的光声显微镜系统，其特征在于，该光声显微镜系统进一步包含另一光学读取头；并且调整该两个光学读取头以使该两个光学读取头发射的该激光束共享该物体上的部分重叠区域。

12.如权利要求1所述的用于观察物体的光声显微镜系统，其特征在于，该光声显微镜系统进一步包含致动器，该光学读取头固定在该致动器上；配置该致动器以将该光学读取头移动至多个位置；以及调整该致动器与该光学读取头以使从该多个位置由该光学读取头发射的激光束共享该物体上的部分重叠区域。

13.一种观察物体的方法，包含：

利用光学读取头向该物体发射激光束；

检测离开该物体的激光诱发的超声波以产生光声显微镜图像信号；以及

基于该光声显微镜图像信号产生该物体的光声显微镜图像。

14.如权利要求13所述的观察物体的方法，进一步包含：利用该光学读取头基于从该物体接收的反射光束产生伺服信号并且利用该光学读取头基于该伺服信号将该激光束的焦点定位至该物体上。

15.如权利要求14所述的观察物体的方法，其特征在于，该伺服信号包含聚焦误差信号。

16.如权利要求13所述的观察物体的方法，进一步包含：向该物体发射超声脉冲并且检测离开该物体的声音诱发的超声波以产生扫描声波显微镜图像信号；以及基于该扫描声波显微镜图像信号产生该物体的扫描声波显微镜图像。

17.如权利要求13所述的观察物体的方法，进一步包含：检测从该激光束的焦点离开该物体的光以产生共聚焦显微镜图像信号；以及基于该共聚焦显微镜图像信号产生该物体的共聚焦显微镜图像。

18.如权利要求13所述的观察物体的方法，进一步包含：利用微机电镜头模块以指导该激光束从该光学读取头至该物体以及指导反射光束从该物体至该光学读取头；以及利用该微机电镜头模块以移动该激光束的焦点至该物体的不同区域。

19.如权利要求13所述的观察物体的方法，进一步包含：利用该光学读取头从第一位置向该物体发射第一脉冲激光束；以及利用该光学读取头从第二位置向该物体发射第二脉冲激光束；其中该第一脉冲激光束与该第二脉冲激光束共享该物体上的部分重叠区域。

20.如权利要求13所述的观察物体的方法，进一步包含：利用该光学读取头向该物体发射第一脉冲激光束；以及利用另一光学读取头向该物体发射第二脉冲激光束；其中该第一脉冲激光束与该第二脉冲激光束共享该物体上的部分重叠区域。

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