TWI651543B - 基於結構光照明技術的光學系統及其應用方法 - Google Patents

基於結構光照明技術的光學系統及其應用方法 Download PDF

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一種基於結構光照明技術的光學系統包含一儲存模組、一訊號轉換模組、一控制模組，及一數位光調變模組。該訊號轉換模組用以在接收到來自一使用者裝置的多個封包後，將該等封包解壓縮及解封包後獲得多張待投影影像，該控制模組用以將該訊號轉換模組所獲得的該等待投影影像儲存至該儲存模組。該控制模組連續地將該儲存模組所儲存的該等待投影影像依序傳送至該數位光調變模組，對於該等待投影影像的每一者，在該數位光調變模組接收到該待投影影像後，該數位光調變模組根據該待投影影像產生一相關於該待投影影像的調變光，並將該調變光投射至一待測物。

Description

基於結構光照明技術的光學系統及其應用方法
本發明是有關於一種光學系統，特別是指一種基於結構光照明技術的光學系統及其應用方法。
近年來，結構照明顯微(structured illumination microscopy, SIM)技術利用結構照明圖案照射樣品，已成功地突破繞射極限(diffraction limit)，提升二維或三維螢光影像達到約兩倍程度的解析能力。
結構照明顯微技術是一種藉由改變照明光空間結構的照明方式，通常照明的結構光是一個載波條紋，該照明方式可應用於角度、長度、振動等的測量，並廣泛應用於三維成像。這種特別的照明方式通過形成摩爾紋（Moire fringes）來使得在常規照明方式下無法分辨的一些高解析度資訊得以變得可見。
參閱圖1，現有的結構照明顯微技術係由一使用者裝置91先將一摩爾紋影像轉換成RGB888的色彩格式，並打包成多個封包並將該等封包進行壓縮，再經由高畫質多媒體介面（High Definition Multimedia Interface, HDMI）將壓縮後的該等封包傳送至一數位光調變模組92(Digital Spatial Light Modulator)，該數位光調變模組92將該等封包解壓縮及解封包，以轉換為該摩爾紋影像，再根據該摩爾紋影像產生一調變光，該調變光經過一光學元件組93，以將該摩爾紋影像投影至一待測物94，接著一偵測器95偵測該待測物94，以獲得一相關於該摩爾紋影像的待測物影像，之後該使用者裝置91再以另一摩爾紋影像重複上述動作，直到該偵測器95獲得多個相關於不同摩爾紋影像的待測物影像後，該偵測器95根據該等待測物影像，取得高頻資訊進而提升待測物影像的解析度。
然而，現有的結構照明顯微技術中，該數位光調變模組投影影像的幀率（Frame per Second, FPS）過低，進而影響到重複偵測的時間解析度，在該偵測器的偵測過程中，當時間解析度過低且同時待測物又產生位移時，即有可能使得偵測結果失真。
因此，本發明的目的，即在提供一種提高該數位光調變模組投影影像的幀率的基於結構光照明技術的光學系統。
於是，本發明基於結構光照明技術的光學系統，適用於一待測物，並電連接一使用者裝置，該使用者裝置儲存多張待投影影像，該光學系統包含一儲存模組、一電連接該使用者裝置的訊號轉換模組、一電連接該儲存模組及該訊號轉換模組的控制模組，及一電連接該控制模組的數位光調變模組。
該訊號轉換模組用以在接收到來自該使用者裝置且由該使用者裝置根據該等待投影影像所產生的多個壓縮後的封包後，將該等封包解壓縮及解封包後獲得該等待投影影像。
該控制模組用以將該訊號轉換模組所獲得的該等待投影影像儲存至該儲存模組。
其中，該控制模組連續地將該儲存模組所儲存的該等待投影影像依序傳送至該數位光調變模組，對於該等待投影影像的每一者，當該數位光調變模組接收到該待投影影像時，該數位光調變模組根據所接收到的該待投影影像產生一調變光，並將該調變光投射至該待測物。
本發明的另一目的，即在提供一種提高該數位光調變模組投影影像的幀率的基於結構光照明技術的光學系統應用方法。
於是，本發明基於結構光照明技術的光學系統應用方法，適用於一待測物，並電連接一使用者裝置，該使用者裝置儲存多張待投影影像，該光學系統包括一儲存模組、一電連接該使用者裝置的訊號轉換模組、一電連接該儲存模組及該訊號轉換模組的控制模組，及一電連接該控制模組的數位光調變模組，該方法包含一步驟(A)、一步驟(B)、一步驟(C)，及一步驟(D)。
在該步驟(A)中，該訊號轉換模組在接收到來自該使用者裝置且由該使用者裝置根據該等待投影影像所產生的多個壓縮後的封包後，將該等封包解壓縮及解封包後獲得該等待投影影像。
在該步驟(B)中，該控制模組將該訊號轉換模組所獲得的該等待投影影像儲存至該儲存模組。
在該步驟(C)中，該控制模組連續地將該儲存模組所儲存的該等待投影影像依序傳送至該數位光調變模組。
在該步驟(D)中，對於該等待投影影像的每一者，當該數位光調變模組接收到該待投影影像時，該數位光調變模組根據所接收到的該待投影影像產生一相關於該待投影影像的調變光，並將該調變光投射至該待測物。
本發明之功效在於：先以該儲存模組儲存該等待投影影像，藉由該控制模組連續地將該儲存模組所儲存的該等待投影影像依序傳送至該數位光調變模組，節省將該等待投影影像打包成封包與壓縮，及將封包解壓縮與解封包的時間，以提高該數位光調變模組投影該等待投影影像的幀率。
在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖2，本發明基於結構光照明技術的光學系統的一實施例，適用於一待測物2，並電連接一使用者裝置3，該使用者裝置3儲存N張待投影影像，該光學系統1包含一儲存模組11、一訊號轉換模組12、一控制模組13、一數位光調變模組14、一光學元件組15，及一偵測器16。在本實施例中，該待測物2例如置於一精密移動平台，該使用者裝置3例如為個人電腦，該等待投影影像例如為任意具有結構條紋的影像，但不以此為限。
在本實施例中，該儲存模組11例如為快閃記憶體（flash memory），但不以此為限。
該訊號轉換模組12以一通用序列匯流排(Universal Serial Bus, USB)標準電連接該使用者裝置3，用以在接收到來自該使用者裝置3且由該使用者裝置3根據該等待投影影像所產生的多個壓縮後的封包後，將該等封包解壓縮及解封包後獲得該等待投影影像，在本實施例中，該訊號轉換模組12例如為訊號轉換器(signal transducer)，且該訊號轉換模組12還用以將該等待投影影像轉換為例如RGB888的色彩格式。
該控制模組13電連接該儲存模組11及該訊號轉換模組12，用以將該訊號轉換模組12所獲得的該等待投影影像儲存至該儲存模組11。在本實施例中，該控制模組13例如為現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)控制晶片，但不以此為限。
該數位光調變模組14包括一光源141、一光調變陣列組142，及一電連接該光源141、該光調變陣列組142及該控制模組13的光控制器143。在本實施例中，該光調變陣列組142例如為一穿透式液晶陣列晶片，在其他實施方式中，該光調變陣列組142亦可例如反射式液晶陣列晶片，或是反射式面鏡陣列，但不以此為限。
在本實施例中，該光學元件組15例如包括一透鏡151、一分光鏡152，及一顯微物鏡153，但不以此為限。
該偵測器16用以偵測該待測物2，在本實施例中，該偵測器16例如為相機，用以拍攝該該待測物2，但不以此限。
參閱圖2、圖3及圖4，說明了本發明基於結構光照明技術的光學系統如何執行本發明基於結構光照明技術的光學系統應用方法之一實施例，該實施例包含一儲存程序，及一在該儲存程序之後的應用程序。
該儲存程序由該使用者裝置3及該光學系統1來實施，以下詳細說明該儲存程序所包含的步驟。
在步驟S301中，初始時，該使用者裝置3對於所儲存的第1張待投影影像，也就是i=1。
在步驟S302中，該使用者裝置3將所儲存的第i張待投影影像打包成多個封包。
在步驟S303中，該使用者裝置3將該等封包壓縮成低電壓差動訊號(Low-Voltage Differential Signaling, LVDS)格式，並傳送壓縮後的該等封包至該訊號轉換模組12。
在步驟S304中，該訊號轉換模組12將該等封包解壓縮及解封包以獲得該第i張待投影影像。
在步驟S305中，該訊號轉換模組12將該第i張待投影影像轉換為RGB888的色彩格式。
在步驟S306中，該控制模組13將該第i張待投影影像儲存至該儲存模組11中。
在步驟S307中，該使用者裝置3判定該第i張待投影影像是否為第N張待投影影像，亦即判定是否i=N。在判定出i=N後，流程結束；否則，流程進行步驟S308。
在步驟S308中，該使用者裝置3對於第(i+1)張待投影影像，亦即將i設為i+1。之後，重複步驟S302~S307直到i=N。
該應用程序由該光學系統1來實施，以下詳細說明該應用程序所包含的步驟。
在步驟S401中，初始時，該控制模組13對於該儲存模組11所儲存的第1張待投影影像，也就是j=1。
在步驟S402中，該控制模組13將該儲存模組11儲存的第j張待投影影像轉換成低電壓差動訊號格式。
在步驟S403中，該控制模組13傳送轉換後的該第j張待投影影像至該光控制器143，並同時傳送一控制電壓訊號至該偵測器16。在本實施例中該控制電壓訊號例如為3.3伏特或5伏特。值得注意的是，在其他實施方式中，該控制模組13亦可先傳送轉換後的該第j張待投影影像至該數位光調變模組14，或是先傳送該控制電壓訊號至該偵測器16，不以此限。
在步驟S404中，該光控制器143接收到該第j張待投影影像後，根據該第j張待投影影像調整該光調變陣列組142。值得注意的是，在本實施例中，該光控制器143利用光偏極化特性，調整該光調變陣列組142的偏正片儀(圖未示)，以擋住部分光源使其無法穿透，在其他實施方式中，該光調變陣列組142若為反射式液晶陣列晶片則為整該光調變陣列組142的偏正片儀，擋住部分光源使其無法反射，該光調變陣列組142若為反射式面鏡陣列，則該光控制器143為調整反射式面鏡陣列中面鏡的反射角度。
在步驟S405中，該光控制器143控制該光源141照射調整後的該光調變陣列組142以產生一相關於該第j張待投影影像的調變光，並將該調變光經由該光學元件組15投射至該待測物2。
在步驟S406中，該偵測器16在接收到該控制訊號後，偵測該待測物2。值得注意的是，在本實施例中，該偵測器16在接收到該控制訊號後，會再等待一預定時間才偵測該待測物2，以確保在該調變光投射至該待測物2後才偵測該待測物2，但不以此為限。
在步驟S407中，該控制模組13判定該第j張待投影影像是否為第N張待投影影像，亦即判定是否j=N。在判定出j=N後，流程結束；否則，流程進行步驟S408。
在步驟S408中，該控制模組13對於第(j+1)張待投影影像，亦即將j設為j+1。之後，重複步驟S402~S407直到j=N。
要特別注意的是，以上流程之步驟順序等僅為示意，是供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，而非對本發明之實施範圍加以限制。
綜上所述，本發明基於結構光照明技術的光學系統及其應用方法，先以該儲存模組11儲存該等待投影影像，藉由該控制模組13連續地將該儲存模組11所儲存的該等待投影影像依序傳送至該數位光調變模組14，節省將該等待投影影像打包成封包與壓縮，及將封包解壓縮與解封包的時間，以提高該數位光調變模組14投影該等待投影影像的幀率，且以該控制模組13的硬體時脈依序傳送該等待投影影像，以提高時間精準度。此外，藉由該控制模組13在傳送每一待投影影像時，還傳送該控制訊號至該偵測器16，以使該偵測器16在接收到該控制訊號後，偵測該待測物2，更可達到硬體運作同步之功效，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1‧‧‧光學系統
151‧‧‧透鏡
11‧‧‧儲存模組
152‧‧‧分光鏡
12‧‧‧訊號轉換模組
153‧‧‧顯微物鏡
13‧‧‧控制模組
16‧‧‧偵測器
14‧‧‧數位光調變模組
2‧‧‧待測物
141‧‧‧光源
3‧‧‧使用者裝置
142‧‧‧光調變陣列組
S301~S308‧‧‧儲存程序
143‧‧‧光控制器
S401~S408‧‧‧應用程序
15‧‧‧光學元件組
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 　圖1是一示意圖，說明現有的基於結構光照明技術的光學系統； 　圖2是一示意圖，說明本發明基於結構光照明技術的光學系統的一實施例； 　圖3是一流程圖，說明本發明基於結構光照明技術的光學系統應用方法的一實施例的一儲存程序；及 　圖4是一流程圖，說明本發明基於結構光照明技術的光學系統應用方法的該實施例的一應用程序。

Claims (8)

  1. 一種基於結構光照明技術的光學系統，適用於一待測物，並電連接一使用者裝置，該使用者裝置儲存多張待投影影像，該光學系統包含： 一儲存模組； 一訊號轉換模組，電連接該使用者裝置，用以在接收到來自該使用者裝置且由該使用者裝置根據該等待投影影像所產生的多個壓縮後的封包後，將該等封包解壓縮及解封包後獲得該等待投影影像； 一控制模組，電連接該儲存模組及該訊號轉換模組，用以將該訊號轉換模組所獲得的該等待投影影像儲存至該儲存模組，及 一數位光調變模組，電連接該控制模組； 其中，該控制模組連續地將該儲存模組所儲存的該等待投影影像依序傳送至該數位光調變模組，對於該等待投影影像的每一者，當該數位光調變模組接收到該待投影影像時，該數位光調變模組根據所接收到的該待投影影像產生一相關於該待投影影像的調變光，並將該調變光投射至該待測物。
  2. 如請求項1所述的基於結構光照明技術的光學系統，還包含一電連接該控制模組的偵測器，其中，該控制模組在傳送每一待投影影像時，還傳送一控制訊號至該偵測器，該偵測器在接收到該控制訊號後，偵測該待測物。
  3. 如請求項1所述的基於結構光照明技術的光學系統，其中，該訊號轉換模組以一通用序列匯流排標準電連接該使用者裝置，該訊號轉換模組還用以將該等待投影影像轉換為RGB888的色彩格式。
  4. 如請求項1所述的基於結構光照明技術的光學系統，其中，該數位光調變模組包括一光源、一光調變陣列組，及一電連接該光源、該光調變陣列組及該控制模組的光控制器，該控制模組將該等待投影影像依序傳送至該數位光調變模組的該光控制器，在該數位光調變模組的該光控制器接收到該等待投影影像之一者後，根據所接收到的該待投影影像調整該光調變陣列組，並控制該光源照射調整後的該光調變陣列組以產生該調變光，並將該調變光投射至該待測物。
  5. 一種基於結構光照明技術的光學系統應用方法，適用於一待測物，並電連接一使用者裝置，該使用者裝置儲存多張待投影影像，該光學系統包括一儲存模組、一電連接該使用者裝置的訊號轉換模組、一電連接該儲存模組及該訊號轉換模組的控制模組，及一電連接該控制模組的數位光調變模組，該方法包含以下步驟： (A)該訊號轉換模組在接收到來自該使用者裝置且由該使用者裝置根據該等待投影影像所產生的多個壓縮後的封包後，將該等封包解壓縮及解封包後獲得該等待投影影像； (B)該控制模組將該訊號轉換模組所獲得的該等待投影影像儲存至該儲存模組； (C)該控制模組連續地將該儲存模組所儲存的該等待投影影像依序傳送至該數位光調變模組；及 (D)對於該等待投影影像的每一者，當該數位光調變模組接收到該待投影影像時，該數位光調變模組根據所接收到的該待投影影像產生一相關於該待投影影像的調變光，並將該調變光投射至該待測物。
  6. 如請求項5所述的基於結構光照明技術的光學系統應用方法，該光學系統還包括一電連接該控制模組的偵測器，其中在步驟(C)中，該控制模組在傳送每一待投影影像時，還傳送一控制訊號至該偵測器，在步驟(C)後，包含以下步驟： (E)該偵測器在接收到該控制訊號後，偵測該待測物。
  7. 如請求項5所述的基於結構光照明技術的光學系統應用方法，其中，步驟(A)包含以下子步驟： (A-1)該訊號轉換模組接收來自該使用者裝置的該等封包； (A-2)該訊號轉換模組將該等封包解壓縮及解封包後獲得該等待投影影像；及 (A-3)該訊號轉換模組將該等待投影影像轉換為RGB888的色彩格式。
  8. 如請求項5所述的基於結構光照明技術的光學系統應用方法，該數位光調變模組包括一光源、一光調變陣列組，及一電連接該光源、該光調變陣列組及該控制模組的光控制器，其中，步驟(D)包括以下子步驟： (D-1)在該光控制器接收到該等待投影影像之一者後，根據所接收到的該待投影影像調整該光調變陣列組；及 (D-2)該光控制器控制該光源照射調整後的該光調變陣列組以產生該調變光，並將該調變光投射至該待測物。
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