TW201638628A - 結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統，其包括有：一投光系統；一偵測系統；以及一電控裝置。其中，投光系統包括：一數位光源處理模組(Digital Light Processing Module，DLP)；一第一透鏡組；一光路分配元件；及一物鏡，其中數位光源處理模組係用以產生線型結構激發光。偵測系統則包括：一第二透鏡組；一分頻反射元件；一二維光偵測器；及一集光元件。藉由本發明之實施，以光學的投光系統及偵測系統進行偵測，並以電控裝置控制數位光源處理模組、二維移動平台及二維光偵測器，結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統可以提高解析度並取得準確的空間維度與光譜維度的資訊，而獲得一待測物之四維超光譜影像。

Description

結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統
本發明係關於一種光譜量測系統，特別是關於一種結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統。
隨著科技的進步，人們對於物體成像精確度及顯示維度的需求日益增加。因此，螢光顯微成像技術便應運而生，其應用範疇更進展到生物科技、材料科學、物理學、醫學等的探測之應用。
然而，既有的螢光顯微成像技術不外乎單點掃描激發顯微術與利用可調式濾鏡的廣域照明方式等2種。單點掃描激發顯微術又通常以一共軛焦顯微術或雙光子螢光顯微術為主，其缺點則是記錄耗時且得到的光譜解析度較差。
至於利用可調式濾鏡的廣域照明方式，由於縱向解析度不足，只能使用於較薄的樣本，其獲得影像之解析度較低，而且成像較不穩定。
因此，發明及創造出一種實用、易於實施、頻譜偵測快速又準確、成像穩定的螢光超光譜顯微系統，而可以達到高光譜解析度以及高三維(X、Y、Z方向)解析度的四維超光譜影像，便成為光學頻譜分析以及顯微成像領域，所共同期盼的開發創新目標。
本發明為一種結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統，其包括有：一投光系統；一偵測系統；以及一電控裝置。藉由本發明之實施，以光學的投光系統及偵測系統進行偵測，並以電控裝置控制投光系統之數位光源處理模組、二維移動平台、及偵測系統之二維光偵測器，結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統可以提高解析度並準確的取得一待測物之空間維度與光譜維度的資訊，而獲得四維超光譜影像。
本發明係提供一種結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統，其包括有：一投光系統，其包括：一數位光源處理模組，其產生一線型結構激發光；一第一透鏡組，由至少一透鏡組成，其係將線型結構激發光匯聚為一探測光束；一光路分配元件，將探測光束反射至一第一路徑；及一物鏡，設置於第一路徑，接收探測光束，將探測光束聚焦及投射至二維移動平台上之一待測物，接收待測物受探測光激發所產生出之螢光訊號，又將螢光訊號自第一路徑傳送至及穿透光路分配元件；一偵測系統，其包括：一第二透鏡組，受穿透光路分配元件之螢光訊號照射，並將螢光訊號調變為相對應之一平行光束進行輸出；一分頻反射元件，將 平行光束所含不同頻率之訊號分別以不同角度反射成為一二維訊號；一二維光偵測器，接收二維訊號；及一集光元件，設置於分頻反射元件與二維光偵測器之間，用以匯聚二維訊號至二維光偵測器；以及一電控裝置，電性連接並控制數位光源處理模組、二維移動平台及二維光偵測器，又電控裝置執行一控制程序。
藉由本發明之實施，至少可以達到下列進步功效：
一、以數位光源處理模組產生並投射線型結構激發光，可以提高光譜解析度。
二、以數位光源處理模組產生並投射線型結構激發光，可以提高偵測訊號之空間縱向解析度。
三、數位光源處理模組掃描速度快，可以大幅降低掃描取樣所需時間。
四、以數位光源處理模組進行多相位偵測，可以提高偵測所得的訊號之空間橫向解析度。
五、可以準確取得空間維度及光譜維度的資訊，並獲得待測物之四維超光譜影像。
為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。
100‧‧‧螢光超光譜顯微系統
10‧‧‧投光系統
11‧‧‧數位光源處理模組
12‧‧‧第一透鏡組
13‧‧‧光路分配元件
14‧‧‧物鏡
20‧‧‧偵測系統
21‧‧‧第二透鏡組
211‧‧‧聚光透鏡
212‧‧‧截止元件
212A‧‧‧遮光體
212S‧‧‧透光細縫
22‧‧‧分頻反射元件
23‧‧‧二維光偵測器
24‧‧‧集光元件
30‧‧‧電控裝置
L1‧‧‧線型結構激發光
L2‧‧‧探測光束
L3‧‧‧平行光束
L4‧‧‧二維訊號
LF‧‧‧螢光訊號
OUD‧‧‧待測物
PF‧‧‧二維移動平台
RH‧‧‧第一路徑
S100‧‧‧控制程序
S110‧‧‧控制Z軸移動
S111‧‧‧控制Y軸移動
S112‧‧‧進行偵測
S10‧‧‧觸發數位光源處理模組
S20‧‧‧進行起始偵測控制
S30‧‧‧改變條紋相位
S40‧‧‧進行後續偵測控制
S50‧‧‧進行計算高解析二維訊號
S120‧‧‧取得超光譜四維影像
第1圖係為本發明實施例之一種結構照明平行接收之螢光超光譜 顯微系統之平面示意圖。
第2圖係為本發明實施例之另一種結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統之平面示意圖。
第3圖係為本發明實施例之一種第二透鏡組之正視剖面示意圖。
第4圖係為本發明實施例之一種加註剖二維光偵測器之二參考維度之一種結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統之平面示意圖。
第5圖係為本發明實施例之一種電控裝置所執行之進行控制之步驟流程圖。
第6圖係為本發明實施例之一種電控裝置所執行之進行偵測之步驟流程圖。
請參考如第1圖所示，為實施例之一種結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統100，其包括有：一投光系統10；一偵測系統20；以及一電控裝置30。
如第1圖所示，投光系統10，其包括：一數位光源處理模組11(Digital Light Processing Module，DLP Module)；一第一透鏡組12；一光路分配元件13；及一物鏡14。
如第1圖所示，數位光源處理模組11，其係產生並投射一線型結構激發光L1，做為探測用之光源。數位光源處理模組11所投射之線型結構激發光L1，可以提高偵測訊號之縱向解析度並大幅降低掃描取樣所需時間，再使用數位光源處理模組11進行多相位偵測，更可以提高偵測所得的訊號之解析度，也相對的 可以提高光譜解析度。
所述之多相位偵測，則係指數位光源處理模組11進行至少3次改變所投射之線型結構激發光L1的相位，並於偵測系統20中對3次改變相位所得的訊號進行處理，以提高偵測所得的訊號及光譜之解析度。
如第1圖所示，第一透鏡組12，係由至少一透鏡組成。第一透鏡組12係將數位光源處理模組11所投射至的線型結構激發光L1匯聚為一探測光束L2，並以相同路徑及方向射出。
同樣如第1圖所示，光路分配元件13，係將第一透鏡組12射至的探測光束L2反射至一第一路徑RH。光路分配元件13對射至的探測光束L2進行反射時，可以是以90度的方向反射。
又如第1圖所示，物鏡14，係設置於第一路徑RH上，並接收光路分配元件13所反射的探測光束L2，並將其聚焦及投射至一個二維移動平台PF上之一個待測物OUD，接著，物鏡14接收待測物OUD受探測光束L2激發所產生之背向螢光訊號LF，而且將螢光訊號LF反向的自第一路徑RH傳送至及穿透過光路分配元件13。
前述之光路分配元件13係可以為一個雙色分光鏡(Dichroic Beam Splitter)，將螢光訊號LF與波長比螢光訊號LF長的線型結構激發光L1匯聚成的探測光束L2分離並進入偵測系統20。
再如第1圖所示，偵測系統20，其包括：一第二透鏡組21；一分頻反射元件22；一二維光偵測器23；及一集光元件24。
如第1圖所示，第二透鏡組21，其受穿透過光路分配元件13之螢光訊號LF照射，並將螢光訊號LF調變為相對應之一平行光束L3進行輸出。
如第1圖及第2圖所示，第二透鏡組21係可以包含至少一聚光透鏡211及一截止元件212，其中，截止元件212可以僅通過穿透光路分配元件13之螢光訊號LF於X軸方向之一長條形的部份。
而如第3圖所示，截止元件212可以為具有一透光細縫212S(slit)之一遮光體212A。
請再參考如第1圖所示，分頻反射元件22，係將第二透鏡組21所輸出之平行光束L3中所含不同頻率之訊號，分別以不同角度反射成為一二維訊號L4。
所述之分頻反射元件22，可以為一反射式繞射光柵(Grating)、一稜鏡(Prism)或一聲光調制器(Acoustic-optic Modulator)。
如第4圖所示，由於可以將平行光束L3所展開方向定義為X軸方向，此時二維訊號L4便為對應至一個維度為X軸方向之距離。而因為分頻反射元件22將平行光束L3中所含不同頻率之訊號分別以不同角度反射，使得二維訊號L4對應之另一個維度方向成為光譜頻率上之訊號，在維度方向的表示上可使用波長(λ)或頻率，本實施例是以波長(λ)來表示。
如第1圖所示，二維光偵測器23，則用以接收分頻反射元件22所反射來的二維訊號L4。所述的二維光偵測器23可以是一個二維的感光耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)。
再如第1圖所示，分頻反射元件22及二維光偵測器23之間，設置有一集光元件24。集光元件24可以將分頻反射元件22所反射的二維訊號L4匯聚至二維光偵測器23，增加二維光偵測器23所接收的二維訊號L4之訊號強度。
請參考如第1圖、第5圖及第6圖所示，電控裝置30，係電性連接並控制數位光源處理模組11、二維移動平台PF及二維光偵測器23，又電控裝置30係執行一控制程序S100，使結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統100可以準確取得待測物OUD的空間維度及光譜維度的資訊，並獲得待測物OUD之四維超光譜影像。
如第5圖及第6圖所示，其中控制程序S100係可以包括下列步驟：控制Z軸移動(步驟S110)；控制Y軸移動(步驟S111)；進行偵測(步驟S112)；以及取得超光譜四維影像(步驟S120)。而進行偵測(步驟S112)之步驟又包括下列步驟：觸發數位光源處理模組(步驟S10)、進行起始偵測控制(步驟S20)、改變條紋相位(步驟S30)、進行後續偵測控制(步驟S40)及進行計算高解析二維訊號(步驟S50)。
控制Z軸移動(步驟S110)，其係以電控裝置30控制二維移動平台PF依次固止於複數個Z軸座標點上，並於二維移動平台PF固止每一Z軸座標點上時進行控制Y軸移動(步驟S111)之步驟。
其中控制Y軸移動(步驟S111)之步驟，係以電控裝置30控制二維移動平台PF依次固止於複數個Y軸座標點上，並於二維移動平台PF固止於每一Y軸座標點上時執行進行偵測(步 驟S112)之步驟。
進行偵測(步驟S112)又包括有下列之步驟：首先進行觸發數位光源處理模組(步驟S10)，其係控制數位光源處理模組11產生具有一起始相位的線型結構激發光L1；接著，進行起始偵測控制(步驟S20)，係控制二維光偵測器23接收二維訊號L4；接著，改變條紋相位(步驟S30)，係控制數位光源處理模組11進行至少一次改變線型結構激發光L1之相位，並使每次改變之相位值皆不相同；隨後，進行後續偵測控制(步驟S40)，其係控制二維光偵測器23接收每次相位值改變時之二維訊號L4；及，進行計算高解析二維訊號(步驟S50)，其係將對應於起始相位及每次相位值改變時之該些二維訊號L4加以計算得出一個高解析二維訊號L4，其中高解析二維訊號L4為待測物OUD於一個維度為X軸方向之距離，另一個維度為光譜頻率上之高解析度訊號。
如此，便可以得到待測物OUD於X軸、Y軸、Z軸及光譜頻率上等四個維度的高解析度訊號資料。
最後，如第5圖所示，取得超光譜四維影像(步驟S120)，其係以電控裝置30控制二維光偵測器23進行記錄、儲存或傳輸所獲得的待測物OUD之超光譜四維影像，所述之超光譜四維影像，便具有待測物OUD於X軸、Y軸、Z軸及光譜頻率上之四維資料。
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‧‧‧螢光超光譜顯微系統
10‧‧‧投光系統
11‧‧‧數位光源處理模組
12‧‧‧第一透鏡組
13‧‧‧光路分配元件
14‧‧‧物鏡
20‧‧‧偵測系統
21‧‧‧第二透鏡組
22‧‧‧分頻反射元件
23‧‧‧二維光偵測器
24‧‧‧集光元件
L1‧‧‧線型結構激發光
L2‧‧‧探測光束
L3‧‧‧平行光束
L4‧‧‧二維訊號
LF‧‧‧螢光訊號
OUD‧‧‧待測物
PF‧‧‧二維移動平台
RH‧‧‧第一路徑

Claims (9)

  1. 一種結構照明平行接收之螢光超光譜顯微系統，其包括有：一投光系統，其包括：一數位光源處理模組(Digital Light Processing Module，DLP)，其產生並投射一線型結構激發光；一第一透鏡組，由至少一透鏡組成，其係將該線型結構激發光匯聚為一探測光束；一光路分配元件，將該探測光束反射至一第一路徑；及一物鏡，設置於該第一路徑，接收該探測光束，將該探測光束聚焦及投射至一二維移動平台上之一待測物，接收該待測物受該探測光激發所反射出之一螢光訊號，又將該螢光訊號自該第一路徑傳送至及穿透該光路分配元件；一偵測系統，其包括：一第二透鏡組，其受穿透過該光路分配元件之該螢光訊號照射，並將該螢光訊號調變為相對應之一平行光束進行輸出；一分頻反射元件，將該平行光束所含不同頻率之訊號分別以不同角度反射成為一二維訊號；一二維光偵測器，接收該二維訊號；及一集光元件，設置於該分頻反射元件與該二維光偵測器之間，用以匯聚該二維訊號至該二維光偵測器；以及一電控裝置，電性連接並控制該數位光源處理模組、該二維移動平台及該二維光偵測器，又該電控裝置執行一控制程序。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之螢光超光譜顯微系統，其中該控制程序係包括下列步驟：控制Z軸移動，其係以該電控裝置控制該二維移動平台依次固止於複數個Z軸座標點上，並於該二維移動平台固止每一該Z軸座標點上時進行一控制Y軸移動之步驟；以及取得超光譜四維影像，其係該電控裝置控制該二維光偵測器記錄、儲存或傳輸該待測物之一超光譜四維影像，其中該超光譜四維影像具有該待測物於X軸、Y軸、Z軸及光譜頻率上之四維資料，其中該控制Y軸移動之步驟，係以該電控裝置控制該二維移動平台依次固止於複數個Y軸座標點上，並於該二維移動平台固止每一該Y軸座標點上時執行一進行偵測之步驟，該進行偵測之步驟又包括下列步驟：觸發數位光源處理模組，其係控制該數位光源處理模組產生具有一起始相位的該線型結構激發光；進行起始偵測控制，其係控制該二維光偵測器接收該二維訊號；改變條紋相位，其係控制該數位光源處理模組進行至少一次改變該線型結構激發光之相位，並使每次改變之相位值皆不相同；進行後續偵測控制，其係控制該二維光偵測器接收每次相位值改變時之該二維訊號；及進行計算高解析二維訊號，其係將對應於該起始相位及每次相位值改變時之該些二維訊號加以計算得出一 高解析二維訊號，其中該高解析二維訊號為該待測物於一維度為X軸方向之距離，另一維度為光譜頻率上之高解析訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之螢光超光譜顯微系統，其中該光路分配元件係為一雙色分光鏡(Dichroic Beam Splitter)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之螢光超光譜顯微系統，其中該第二透鏡組係包含至少一聚光透鏡及一截止元件，該截止元件僅通過穿透該光路分配元件之該螢光訊號於X軸方向之一長條形部份。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之螢光超光譜顯微系統，其中該截止元件為具有一透光細縫(Slit)之一遮光體。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之螢光超光譜顯微系統，其中該二維訊號之一維度為X軸方向之距離，另一維度為光譜頻率。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之螢光超光譜顯微系統，其中該二維訊號之一維度為X軸方向之距離，另一維度為光譜頻率。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之螢光超光譜顯微系統，其中該分頻反射元件為一反射式繞射光柵(Grating)、一稜鏡(Prism)或一聲光調制器(Acoustic-optic Modulator)。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之螢光超光譜顯微系統，其中該二維光偵測器係為一個二維的感光耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)。
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