TW201409071A - 反向聚焦顯微成像結構及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明為一種反向聚焦之顯微成像結構及方法，反向聚焦之顯微成像結構包括：第一分光鏡；物鏡；以及相位共軛模組。其首先藉由第一分光鏡輸入探測光並輸出至物鏡，又藉由物鏡接收探測光反射後之訊號光，然後再次由第一分光鏡將訊號光投射至相位共軛模組。藉由本發明的實施，可以對待測之生醫組織進行單邊探測並提高顯微成像之縱向解析度。
Description
本發明為一種反向聚焦顯微成像結構及方法，特別是一種應用於醫療領域進行人體組織探測之反向聚焦顯微成像結構及方法。
第1圖係為習知之一種生醫檢測成像結構圖。其為現今生醫組織成像設備提高成像解析度之常用方法。如第1圖所示，其成像方式主要是侷限在以探測光穿透生醫組織來進行探測或激發預先注射入待測物體中的螢光物質。
該圖的右方係以一雷射光源提供一同調光束，此同調光束經過一分光鏡後，形成兩束探測光，即探測光A及探測光B，探測光A再經由一分光鏡反射後以一物鏡O1聚焦至待測物體內部一焦點，探測光B則由一反射鏡反射至待測物體的另一邊並由另一物鏡O2聚焦至待測物體內部之同一焦點位置。而待測物體反射及散射之訊號光則由兩物鏡分別收集至兩感測器做後續訊號處理。
在實際應用上第1圖的方法需在待測物體兩側照射探測光，這種實施方式的確也可以達到收集訊號並成像的效果，但其最顯著的問題是其受到待測物體厚度與待測物體部位之干擾影響甚大，一旦待測物體或待測部位之體積過於龐大或位於狹小彎曲位置，探測光欲從兩面照射便產生困難，有時甚至無法做到。
本發明為一種反向聚焦顯微成像結構及方法，反向聚焦顯微成像結構包括：第一分光鏡；物鏡；以及相位共軛模組。本發明主要希望能達到對待測之生醫組織進行單邊探測並提高顯微成像之縱向解析度。
為達上述功效，本發明提供一種反向聚焦之顯微成像結構，其包括：一第一分光鏡，係具有一第一輸入端、一第一導光端及一第一輸出端；一物鏡，係設置於第一導光端之光路徑上；以及一相位共軛模組，係設置於第一輸出端之光路徑上。
為達上述功效，本發明又提供一種反向聚焦之顯微成像方法，其包括下列步驟：經由物鏡將探測光聚焦於生醫組織內部；利用物鏡收取生醫組織內散射與反射之光線當作成訊號光；利用PCM機制得到共軛訊號光以及引入原訊號光並調整其光強與共軛訊號光形成高明析度之干涉條紋。
藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：
一、以單方向之探測光照射便能倍數提高顯微成像之縱向解析度。
二、並能減少散射，提升生醫成像效率。
三、高解析顯微成像而不受待測生醫組織厚度及部位之限制。
四、可依應用需求調整探測光束之聚焦位置，達到待測生醫組織內更深層的位置。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖
式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
第2圖係為本發明實施例之一種反向聚焦顯微成像結構實施例圖。第3圖係為本發明實施例之一種共軛探測光產生實施例圖。第4圖係為本發明實施例之一種設置有一空間光調制器之實施例圖。第5圖係為本發明實施例之一種設置有一衰減器之實施例圖。第6圖係為本發明實施例之一種設置有一空間光調制器及一衰減器之實施例圖。第7圖係為本發明實施例之一種設置有一電光調制器及一衰減器之實施例圖。第8圖係為本發明實施例之一種設置有一空間光調制器、一電光調制器及一衰減器之實施例圖。第9圖係為本發明實施例之一種使用相位共軛模組之實施例圖。第10圖係為第9圖進一步設置有一空間光調制器、一電光調制器及一衰減器之實施例圖。第11A圖係為本發明實施例之一種具反向聚焦功能之顯微成像結構之實施例圖。第11B圖係為第11A圖增加設置有一透鏡之實施例圖。第12圖係為本發明實施例之一種設置有一空間光調制器、一電光調制器、一衰減器及一透鏡之實施例圖。第13圖係為本發明實施態樣十之流程實施例圖。第14圖係為本發明之一種反向聚焦之顯微成像方法實施例圖。
如第2圖所示，本發明之一種具反向聚焦功能之顯微成像
結構200實施例，其包括：一第一分光鏡10；一物鏡20；以及一相位共軛模組30。
第一分光鏡10，其係具有一第一輸入端11、一第一導光端12及一第一輸出端13。首先藉由第一輸入端11輸入一同調雷射光束作為探測光PB，然後藉由第一導光端12將探測光PB輸出至一物鏡，接著又再次藉由第一導光端12接收來自物鏡的訊號光，最後藉由第一輸出端13，將接收到的訊號光輸出至相位共軛模組30。
物鏡20則設置於第一導光端12之光路徑上，物鏡首先接受第一導光端輸出之探測光PB，並將其投射至一例如人體組織之待探測物內，然後又接收來自待探測物反射之訊號光，並將反射之訊號光輸出至第一導光端12。
相位共軛模組30，其係設置於第一輸出端13之光路徑上。相位共軛模組30可為一相位共軛反射鏡30A或是一相位共軛訊號處理模組30B。
第二分光鏡40，物鏡20接收之反射光路徑上進一步可設置一第二分光鏡40，第二分光鏡40係用以將訊號光導引至第一導光端12及第二分光鏡40之輸出光路徑上設置之一影像檢測系統50。
影像檢測系統50係可於生醫照射之同時擷取訊號光傳回之待測生醫組織之影像資料，並用以做必要之監督、觀測及早期成像。
如第3圖所示，本實施態樣主要是依照第一實施態樣設置，而其相位共軛模組30係為一相位共軛反射鏡30A。
相位共軛反射鏡30A在成像技術領域甚為常用，其大多是由鈮酸鋰晶體、鈦酸鋇晶體、光折變晶體等組成，並以特定角度研磨形成具有一可反射鏡面，此研磨角度一般為45度。
當引進一與探測光PB相位一致之參考光RB與相位共軛反射鏡30A中之訊號光產生干涉時，其干涉波紋可由相位共軛反射鏡30A之晶體加以記錄。
而當引進一與探測光PB相位相反之共軛參考光RB*打入晶體內時，晶體將會繞射出循原軌跡反向之共軛訊號光，此共軛訊號光經由物鏡再打入生醫組織內，產生一道反向聚焦之共軛探測光PB*。
探測光PB與共軛探測光PB*由待測生醫組織反射之訊號產生之干涉條紋，其條紋間距縮短為原探測光波長之二分之一，因此藉由本發明的實施，以單方向之探測光照射成像便能提高顯微成像之縱向解析度。
如第4圖所示，在第一及第二實施態樣之實施例中，第一輸入端11之光路徑上進一步可設置一空間光調制器60。空間光調制器60係用來調制探測光各個位置之初始相位，以減少待測生醫組織之散射，使探測光可聚焦至更深層的位置，且能量更為集中。如此益提升了對生醫組織顯微成像的效率。
如第5圖所示，在第一及第二實施態樣之實施例中，第一輸入端11之光路徑上亦可設置一衰減器70，在產生反相聚焦之共軛探測光PB*之同時，第一輸入端11輸入一原探測光PB，並藉由衰減器70調整其光強度與繞射出的共軛訊號光強度相當，則此兩道對打的聚焦光將產生明析度高的干涉條紋，增加成像的容易度及清晰度。
如第6圖所示，在第一及第二實施態樣之實施例中，第一輸入端11之光路徑上可設置一空間光調制器60及一衰減器70，便可同時達到成像清晰與可探測至更深層組織並提升效率之多重優點。此結構之實施乃於生醫組織同一側施打探測光束成像，便可達成如4pi顯微鏡之兩道對打光束的效果，尤其可應用至光鉗及光動刀之上。
如第7圖所示，在第一及第二實施態樣之實施例中，第一輸入端11之光路徑上可設置一電光調制器80及一衰減器70。電光調制器80係用以調制探測光之相位，以改變干涉條紋之亮紋位置，並將生醫組織中觀測點周圍的自發性螢光解激，如此可得到更好的成像之縱向解析度。此結果可運用在結合4pi與STED顯微鏡上使用。
如第8圖所示，在第一及第二實施態樣之實施例中，第一輸入端11之光路徑上可設置一空間光調制器60、一電光調制器80及一衰減器70。其目的係結合三者之功能優點達到提升解析度、獲得明亮的干涉條紋、及可達更深層組織聚焦等優點。
如第9圖所示，上述第二至第七實施態樣中，每一實施態樣之相位共軛反射鏡30A均可以由一相位共軛訊號處理模組30B加以置換。本實施態樣中之相位共軛訊號處理模組，其包括：一第三分光鏡；一影像感測器；以及一光訊號處理系統。
第三分光鏡，係具有一第二導光端，耦合於該第一輸出端；一第二輸入端，其輸入光路徑上設有一空間光調制器；一第三輸入端及一第二輸出端。
影像感測器，係設置於第二輸出端之光路徑上，影像感測器其為偵測自生醫組織反射之訊號光及共軛訊號光，並加以記錄及輸出相對應之電子訊號。
光訊號處理系統，其為處理器電路系統，用以輸出一控制訊號至空間光調制器，並讀取影像感測器之輸出訊號執行成像或其他應用。
如第10圖所示，上述第九實施態樣中，第一輸入端之光路徑上進一步可串設一空間光調制器、一電光調制器及一衰減器，以結合三者之功能以達到提升解析度、獲得明亮的干涉條
紋、及可達更深層組織聚焦等優點。
如第11B圖所示，在第一及第二實施態樣之實施例中，第一輸入端11之光路徑上亦可進一步設置一透鏡90，在本發明實施例施行之同時，透鏡90可調整探測光PB聚焦之位置及聚焦深度使探測光PB可以在待測生醫組織內之任意位置上聚焦，使應用層面更加廣泛。
又如第13圖所示，為第十實施態樣之操作流程圖，首先調整物鏡位置(S11)使雷射光束聚焦至生醫組織介面處並由物鏡20接收介面處之反射光(如第11A圖所示)；接著，引入透鏡(S12)並調整透鏡位置(S13)，然後判斷探測光是否達到理想之聚焦點與聚焦深度(S14)；又如第11B圖所示，當探測光達到理想之聚焦點與聚焦深度時，再利用物鏡20收取生醫組織內散射與反射之光線(S15)當作訊號光，最後利用PCM機制得到共軛訊號光(S16)，而此道共軛訊號光為生醫內部射出之聚焦光。本發明之反向聚焦功效，不僅可使物鏡20接收到較多介面之反射光，對於此系統之記錄效率更加提升，亦可供二倍顯微鏡、三倍顯微鏡及多光子螢光顯微鏡等非線性光學顯微鏡所應用。
透鏡90對探測光PB聚焦位置之調整功能，更可進一步加設於第三實施態樣至第九實施態樣等各實施態樣之第一輸入端11之光路徑上使本發明之應用更具彈性。
如第12圖所示為增加設置一透鏡90之第七實施態樣之實施例圖。
如第14圖所示，為本發明之一種反向聚焦之顯微成像方法S100，其包括下列步驟：將探測光聚焦於生醫組織內部(步驟S21)；收取生醫組織內散射與反射之光線(步驟S22)；利用PCM機制得到共軛訊號光(步驟S23)及引入原訊號光並調整其光強與共軛訊號光形成高明析度之干涉條紋(步驟S24)。
將探測光聚焦於生醫組織內部(步驟S21)，其係經由物鏡20將探測光PB聚焦於生醫組織內部進行照射。
收取生醫組織內散射與反射之光線(步驟S22)，其係利用物鏡20收取探測光PB在生醫組織內散射與反射之光線當成接收之訊號光。
利用PCM機制得到共軛訊號光(步驟S23)，其係利用本發明之相位共軛(PCM)機制得到與原訊號光相位共軛之共軛訊號光，而此道共軛訊號光為生醫組織內部射出之聚焦光。
引入原訊號光並調整其光強與共軛訊號光形成高明析度之干涉條紋(步驟S24)，其係引入原訊號光並調整其光束強度後，與共軛訊號光形成高明析度之干涉條紋。
藉由以上步驟之實施，本發明之一種反向聚焦之顯微成像方法S100形成高明析度干涉條紋之聚焦現象可運用在醫學治療儀器之光鉗及光動力刀上，並可具有4pi顯微鏡之高明析度與高解析度功能。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
100‧‧‧習知之生醫檢測成像結構圖
200‧‧‧具反向聚焦功能之顯微成像結構
PB‧‧‧探測光
RB‧‧‧參考光
PB*‧‧‧共軛探測光
RB*‧‧‧共軛參考光
10‧‧‧第一分光鏡
11‧‧‧第一輸入端
12‧‧‧第一導光端
13‧‧‧第一輸出端
20‧‧‧物鏡
30‧‧‧相位共軛模組
31‧‧‧第三分光鏡
311‧‧‧第二導光端
312‧‧‧第二輸入端
313‧‧‧空間光調制器
314‧‧‧第三輸入端
315‧‧‧第二輸出端
32‧‧‧影像感測器
33‧‧‧光訊號處理系統
40‧‧‧第二分光鏡
50‧‧‧影像檢測系統
60‧‧‧空間光調制器
70‧‧‧衰減器
80‧‧‧電光調制器
90‧‧‧透鏡
S11‧‧‧調整物鏡位置
S12‧‧‧引入透鏡
S13‧‧‧調整透鏡位置
S14‧‧‧判斷探測光是否達到理想之聚焦點與聚焦深度
S15‧‧‧利用物鏡收取生醫組織內散射與反射之光線
S16‧‧‧利用PCM機制得到共軛訊號光
S100‧‧‧反向聚焦之顯微成像方法
S21‧‧‧將探測光聚焦於生醫組織內部
S22‧‧‧收取生醫組織內散射與反射之光線
S23‧‧‧利用PCM機制得到共軛訊號光
S24‧‧‧引入原訊號光並調整其光強與共軛訊號光形成高明析度之干涉條紋
第1圖係為習知之一種生醫檢測提高成像解析度之結構圖。
第2圖係為本發明實施例之一種具反向聚焦功能之顯微成像結構之實施例圖。
第3圖係為本發明實施例之一種顯微成像結構之共軛探測光產生實施例圖。
第4圖係為本發明實施例之一種設置有一空間光調制器之實施例圖。
第5圖係為本發明實施例之一種設置有一衰減器之實施例圖。
第6圖係為本發明實施例之一種設置有一空間光調制器及一衰減器之實施例圖。
第7圖係為本發明實施例之一種設置有一電光調制器及一衰減器之實施例圖。
第8圖係為本發明實施例之一種設置有一空間光調制器、一電光調制器及一衰減器之實施例圖。
第9圖係為本發明實施例之一種具相位共軛訊號處理模組之實施例圖。
第10圖係為本發明實施例之一種設置有一空間光調制器、一電光調制器及一衰減器之具相位共軛訊號處理模組之實施例圖。
第11A圖係為本發明實施例之一種具反向聚焦功能之顯微成像結構之實施例圖。
第11B圖係為第11A圖增加設置有一透鏡之實施例圖。
第12圖係為本發明實施例之一種設置有一空間光調制器、一
電光調制器、一衰減器及一透鏡之實施例圖。
第13圖係為本發明實施態樣十之流程實施例圖。
第14圖係為本發明之一種反向聚焦之顯微成像方法實施例圖。
200‧‧‧反向聚焦顯微成像結構
10‧‧‧第一分光鏡
PB‧‧‧探測光
20‧‧‧物鏡
30‧‧‧相位共軛模組
40‧‧‧第二分光鏡
50‧‧‧影像檢測系統
Claims (13)
- 一種反向聚焦之顯微成像結構，其包括：一第一分光鏡，具有一第一輸入端、一第一導光端及一第一輸出端；一物鏡，設置於該第一導光端之光路徑上；以及一相位共軛模組，設置於該第一輸出端之光路徑上。
- 如申請專利範圍第1項所述之顯微成像結構，其中該相位共軛模組為一相位共軛反射鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之顯微成像結構，其中該第一輸入端之光路徑上進一步設置有一空間光調制器。
- 如申請專利範圍第1項所述之顯微成像結構，其中該第一輸入端之光路徑上進一步設置有一衰減器。
- 如申請專利範圍第1項所述之顯微成像結構，其中該第一輸入端之光路徑上進一步設置有一透鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之顯微成像結構，其中該第一輸入端之光路徑上進一步串設有一空間光調制器及一衰減器。
- 如申請專利範圍第1項所述之顯微成像結構，其中該第一輸入端之光路徑上進一步串設有一電光調制器及一衰減器。
- 如申請專利範圍第1項所述之顯微成像結構，其中該第一輸入端之光路徑上進一步串設有一空間光調制器、一電光調制器及一衰減器。
- 如申請專利範圍第1項所述之顯微成像結構，其中該第一 輸入端之光路徑上進一步串設有一空間光調制器、一電光調制器、一衰減器及一透鏡。
- 如申請專利範圍第1項至第9項其中之一項所述之顯微成像結構，其中該物鏡接收之反射光路徑上進一步設有一第二分光鏡，又該第二分光鏡之輸出光路徑上設有一影像檢測系統。
- 如申請專利範圍第1項所述之顯微成像結構，其中該相位共軛模組包括：一第三分光鏡，具有一第二導光端，耦合於該第一輸出端、一第二輸入端，其輸入光路徑上設有一空間光調制器、一第三輸入端及一第二輸出端；一影像感測器，設置於該第二輸出端之光路徑上；以及一光訊號處理系統，用以輸出一控制訊號至該空間光調制器，又讀取該影像感測器之輸出訊號。
- 如申請專利範圍第11項所述之顯微成像結構，其中該第一輸入端之光路徑上進一步串設有一該空間光調制器、一電光調制器及一衰減器。
- 一種反向聚焦之顯微成像方法，其包括下列步驟：經由物鏡將探測光聚焦於生醫組織內部，其係經由物鏡將探測光聚焦於生醫組織內部進行照射；利用物鏡收取生醫組織內散射與反射之光線當作成訊號光，其係利用物鏡收取探測光在生醫組織內散射與反射之光線；利用PCM機制得到共軛訊號光以，其係利用本發明之 相位共軛機制得到與原訊號光相位共軛之共軛訊號光；以及引入原訊號光並調整其光強與共軛訊號光形成高明析度之干涉條紋，其係引入原訊號光並調整其光束強度後，與共軛訊號光形成高明析度之干涉條紋。
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