TWI702397B - 螢光顯微成像裝置 - Google Patents
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Abstract
一種螢光顯微成像裝置，應用於檢測一待測皮膚，包括：一光導結構、一發光模組、一成像模組以及一激發光阻隔濾光單元。光導結構的第一平面接觸待測皮膚。發光模組配包括彼此交錯排列的多數個白光發光單元以及多數個激發光發光單元。成像模組配置於發光模組的中央位置。激發光阻隔濾光單元阻擋各激發光發光單元所發出具一特定波長的激發光。
Description
本發明係有關一種螢光顯微成像裝置，尤指可切換白光發光單元與激發光發光單元，且不干擾成像的一種螢光顯微成像裝置。
在生醫領域中，螢光顯微鏡(fluorescence microscope)可應用於研究細胞內化學物質的吸收、運輸、分布及定位等。細胞中的某些化學物質，例如葉綠素受紫外光照射後可激發出螢光。另有一些化學物質本身雖無法被激發出螢光，但如果用螢光染料或螢光抗體對其染色後，經紫外光照射亦可激發出螢光。螢光顯微鏡就是對這類化學物質進行定性和定量研究的工具之一。
一般的螢光顯微鏡在實際使用時，需要在激發光源前放置只允許激發光通過的激發濾鏡(excitation filter)，並且在成像模組前放置只允許螢光放射通過的放射濾鏡(emission filter)進行光頻譜處理。然而，在螢光觀測完成之後，會需要將待測物自螢光顯微鏡中移出，無法對相同的視野範圍立即切換使用可見光為光源進行顯微觀測(可見光波段會被前述放射濾鏡所阻擋)，容易因為在更換光源的過程中因為視野範圍的偏移而造成影像比對上的困擾與誤判，尤其對於微距的顯微觀測應用上，造成無法準確判斷觀測結果的狀況。
進一步而言，對於以可見光為光源的一般數位式顯微鏡來說，對於光強度的均勻性通常並不會有要求(以肉眼可辨識為準)。但對於螢光顯微鏡來說，所觀測到螢光的強度可能反映了目標物的大小、數量或分布程度，在實際量測的解讀中會容易因為激發光的光強度不均勻而造成最終觀測結果的嚴重誤差，如此顯見光強度均勻性的重要性。
為此，如何設計出一種螢光顯微成像裝置，來解決前述的技術問題，乃為本案發明人所研究的重要課題。
本發明之目的在於提供一種基於損耗模態共振之自加熱式生物感測器，其可達成低成本、小型化且易於操作的目的。
本發明之目的在於提供一種螢光顯微成像裝置，可改善激發光的光強度均勻性；其在螢光觀測完成之後，更可以對相同的視野範圍立即切換使用可見光為光源進行顯微觀測，達到方便使用與準確判斷之目的。
為達成前揭目的，本發明所提出的螢光顯微成像裝置，應用於檢測一待測皮膚，包括：一光導結構、一發光模組、一成像模組以及一激發光阻隔濾光單元；其中，光導結構具有相對的一第一平面以及一第二平面，第一平面接觸待測皮膚；發光模組配置於第二平面，發光模組包括彼此交錯排列的多數個白光發光單元以及多數個激發光發光單元；成像模組配置於第二平面，且配置於發光模組的中央位置；激發光阻隔濾光單元
配置於第一平面以及成像模組之間，激發光阻隔濾光單元阻擋各激發光發光單元所發出具一特定波長的激發光。
進一步而言，成像模組與第一平面的間距為L，成像模組與各白光發光單元之側邊的間距以及成像模組與各激發光發光單元之側邊的間距均為R，第一平面之法線與各白光發光單元之側邊的延伸線所夾的最小角度以及第一平面之法線與各激發光發光單元之側邊的延伸線所夾的最小角度均為a，滿足下列關係式：
,a 
30°。
進一步而言，光導結構是一截頂正圓錐體，該第一平面的側邊與該第二平面的側邊之間形成有不透光的一環狀面，且該第一平面的面積小於該第二平面的面積。
進一步而言，環狀面上覆設有一反射薄膜。
進一步而言，反射薄膜是一鋁金屬薄膜。
進一步而言，特定波長介於350奈米至400奈米之間。
進一步而言，特定波長是365奈米。
進一步而言，激發光阻隔濾光單元覆設於成像模組上。
進一步而言，激發光阻隔濾光單元未接觸成像模組。
進一步而言，激發光阻隔濾光單元阻擋波長範圍為300奈米至400奈米的光。
進一步而言，第一平面為一平板玻璃覆設有一抗反射薄膜。
進一步而言，抗反射薄膜使波長範圍350奈米至700奈米之間的光具有大於97%的穿透率。
進一步而言，第一平面為一平板玻璃覆設有一抗油汙疏水薄膜。
進一步而言，成像模組包括一顯微鏡頭、一感光元件以及一控制電路板，其中，顯微鏡頭凸設於第二平面之內，且顯微鏡頭配置於激發光阻隔濾光單元與感光元件之間；感光元件以及控制電路板配置於第二平面之外，感光元件對準顯微鏡頭，且耦接控制電路板。
進一步而言，顯微鏡頭與各白光發光單元以及各激發光發光單元相隔等距離。
進一步而言，多數個白光發光單元以及多數個激發光發光單元排列成一環型。
進一步而言，多數個白光發光單元不會與多數個激發光發光單元同時發光。
在使用前述螢光顯微成像裝置時，通過光導結構之第一平面、成像模組以及發光模組之多數個白光發光單元以及多數個激發光發光單元之間的所述關係式，可以改善激發光的光強度均勻性。並且，激發光阻隔濾光單元僅阻擋具特定波長的激發光，而讓特定波長之外的其他光通過。且使用激發光阻隔濾光單元搭配彼此交錯排列的多數個白光發光單元以及多數個激發光發光單元，可以在螢光觀測完成之後，對相同的視野範圍立即切換使用可見光為光源進行顯微觀測，不會因為更換了光源而造成影像比對上的困擾或誤判，達到方便使用與準確判斷之目的。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明特徵
與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
1:螢光顯微成像裝置
10:光導結構
11:第一平面
12:第二平面
13:環狀面
20:發光模組
21:白光發光單元
22:激發光發光單元
30:成像模組
31:顯微鏡頭
32:感光元件
33:控制電路板
40:激發光阻隔濾光單元
50:傳輸介面
100:握持部
110:平板玻璃
111:抗反射薄膜
112:抗油汙疏水薄膜
121:開孔
131:反射薄膜
L、R:間距
a、b、c:角度
D、W:直徑
圖1為本發明螢光顯微成像裝置的外觀圖；圖2A為本發明螢光顯微成像裝置之第一實施例的分解圖；圖2B為本發明螢光顯微成像裝置之第二實施例的分解圖；圖3為本發明螢光顯微成像裝置之第二實施例的剖面圖；以及圖4為本發明螢光顯微成像裝置的電性功能方塊圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小、元件數量等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技術之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所
能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參閱圖1至圖2A所示，其中，圖1為本發明螢光顯微成像裝置的外觀圖；圖2A為本發明螢光顯微成像裝置之第一實施例的分解圖。
為此，前述螢光顯微成像裝置1，應用於檢測待測皮膚(圖中未示)，包括：光導結構10、發光模組20、成像模組30以及激發光阻隔濾光單元40。其中，本發明所述的螢光顯微成像裝置1呈筆型，然本發明不以此為限制，且為便攜式裝置，光導結構10置於螢光顯微成像裝置1的前段，用於接觸待測皮膚。握持部100置於螢光顯微成像裝置1的後段，供使用者握持並攜行。發光模組20及激發光阻隔濾光單元40容置於光導結構10之內，且成像模組30容置於光導結構10以及握持部100之內。
光導結構10具有相對的第一平面11以及第二平面12，第一平面11接觸待測皮膚，其將可能具高低起伏或弧面的待測皮膚壓平且固定在一固定的對焦位置，以克服成像模組30在淺景深(shallow depth of field)成像時不易對焦的問題(例如景深小於1mm)，不會有部分影像清楚而部分影像模糊的狀況，易於使用且成像品質穩定。在本發明之所述第一實施例中，光導結構10是一截頂正圓錐體(如圖2A所示)，第一平面11的側邊與第二平面12的側邊之間形成有不透光的環狀面13，且第一平面
11的面積小於第二平面12的面積。進一步而言，第二平面12中央為置有一開孔121。
發光模組20配置於第二平面12，發光模組20包括彼此交錯排列的多數個白光發光單元21以及多數個激發光發光單元22。多數個白光發光單元21以及多數個激發光發光單元22可以是發光二極體(LED)所構成，且多數個白光發光單元21以及多數個激發光發光單元22排列成一環型，然本發明不以此為限制。各激發光發光單元22所發出具一特定波長的激發光。在本發明之所述第一實施例中，特定波長介於350奈米至400奈米之間，尤其是，最佳化的特定波長為365奈米(誤差值於正負5奈米之內)，屬於紫外光(UV)。
以容易引起皮膚疾病的痤瘡丙酸桿菌(propionibacterium acnes)為例，其是一種常見於皮膚表層毛孔內之菌群，也是造成粉刺(acne)的主要原因之一。皮膚上之毛孔清潔乾淨程度，也影響了引發皮膚疾病的機率，但是一般毛孔平均孔徑只有大約0.9mm，需要用顯微鏡才能觀察。但一般以可見光做為主要光源的數位式顯微裝置，由於其波長限制而難以有效分辨與觀察出毛孔內的痤瘡丙酸桿菌的滋生狀況與是否被有效清潔。為此，需要螢光顯微鏡進行檢測。前述痤瘡丙酸桿菌在代謝過程中會產生一種叫“紫質”(porphyrin)的化學物質，而紫質的化學結構可以被屬於紫外光波段的激發光(主要吸收峰值為365nm)激發出可見光波段的橘紅光螢光(主要放射峰值為660nm)。因此可以藉由觀察橘紅光點的光強度、點狀區域大小、點狀分佈來間接得知痤瘡丙酸桿菌在各皮膚區域的滋生情形。
成像模組30配置於第二平面12，且配置於發光模組20的中央位置。進一步而言，成像模組30包括顯微鏡頭31、感光元件32以及控制電路板33。顯微鏡頭31穿過第二平面12的開孔121，且凸設於第二平面12之內。顯微鏡頭31配置於激發光阻隔濾光單元40與感光元件32之間，且顯微鏡頭31與各白光發光單元21以及各激發光發光單元22相隔等距離。感光元件32以及控制電路板33配置於第二平面12之外，感光元件32對準顯微鏡頭31，且耦接控制電路板33。其中，感光元件32可以是CCD或CMOS所構成。控制電路板33可以是包括影像訊號處理器(image signal processor,ISP)的電路板。
激發光阻隔濾光單元40配置於第一平面11以及成像模組30之間，激發光阻隔濾光單元40阻擋各激發光發光單元22所發出具特定波長的激發光。其中，激發光阻隔濾光單元40可以是未接觸成像模組30的一激發光阻隔濾光片(excitation block filter)，如圖2A所示。有別於一般螢光顯微鏡中置於光源前且僅允許激發光通過的激發光濾光片(excitation filter)。本發明所述的置於成像模組30前的激發光阻隔濾光單元40僅阻擋激發光，且本發明的發光模組20前沒有配置濾光片。為此，在多數個白光發光單元21不會與該多數個激發光發光單元22同時發光的前提下，可以在光源切換為白光發光單元21發出的可見光時，讓可見光可以順利的輸出，並通過至激發光阻隔濾光單元40進入成像模組30。在本發明之所述第一實施例中，激發光阻隔濾光單元40阻擋波長範圍為300奈米至400奈米的光，使300奈米至400奈米的光的穿透率小於5%，且允許400奈米至700奈米的光的穿透率大於97%。如此一來在螢光模式(僅點亮激發光發光單元22)時，待測皮膚上被激發光激發而產生的
橘紅螢光，可順利被感光元件32感測。在白光模式(僅點亮白光發光單元21)下，一般可見光波長(400奈米至700奈米)的皮膚影像也可以順利被感光元件32偵測。藉此，達到兩種模式共用的光學設計。
請參閱圖2B以及圖3所示，其中，圖2B為本發明螢光顯微成像裝置之第二實施例的分解圖；圖3為本發明螢光顯微成像裝置之第二實施例的剖面圖。
本發明所述第二實施例與前述第一實施例大致相同，惟激發光阻隔濾光單元40覆設於成像模組30上。進一步而言，激發光阻隔濾光單元40可以是以物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)的鍍膜方式覆設於顯微鏡頭31上，形成一薄膜。進一步而言，更可以在形成所述薄膜之後進行退火(annealing)或蝕刻(etching)處理而形成微透鏡結構，以加強二次光學效果，然本發明不以此為限制。
如圖3所示，環狀面13上覆設有一反射薄膜131，反射薄膜131可以是鋁金屬薄膜，所述鋁金屬薄膜對於可見光以及紫外光均具有90%以上的反射率。第一平面11為平板玻璃110覆設有抗反射薄膜111，所述抗反射薄膜111使波長範圍350奈米至700奈米之間的光具有大於97%的穿透率，供白光發光單元21發出的大多數可見光可以通過第一平面11，而降低可見光在第一平面11因反射而造成的雜散光，避免雜散光對前述圖2B中感光元件32的干擾。所述抗反射薄膜111可以是SiOx、SiNx或次波長結構(SWC)，然本發明不以此為限制。第一平面11之平板玻璃110在接觸待測皮膚的那一側覆設有抗油汙疏水薄膜112，避免待測皮膚的水氣或油汙進入光導結構10內。所述抗油汙疏水薄膜112可以是化學表面改質或高分子材料製成的蓮花結構，然本發明不以此為限制。進
一步而言，顯微鏡頭31與第一平面11的間距為L，是顯微鏡頭31的工作距離(working distance)。顯微鏡頭31與各白光發光單元21之側邊的間距以及顯微鏡頭31與各激發光發光單元22之側邊的間距均為R(圖3中僅顯示白光發光單元21)，第一平面11之法線與各白光發光單元21之側邊的延伸線所夾的最小角度以及第一平面11之法線與各激發光發光單元22之側邊的延伸線所夾的最小角度均為a(圖3中僅顯示白光發光單元21)，滿足下列關係式：
,a 
30°且b<45°，c>45°。
在本發明所述第二實施例中，對照圖3之最佳化的實施例可以是如下：L=15mm，a=30°，b=40°，c=50°，R=8.66mm。其考量到環狀面13對白光發光單元21以及激發光發光單元22的位置與角度關係，以及其所達到二次光學的效果，在a
30°的條件下，相對輻射強度(relative radiant intensity)與入射角(incident angle)的關係為線性關係，可以使第一平面11具有較佳的光均勻化效果。雖然LED在不同發散的角度(0度至90度)上強度都不同，但實際上在30度至70度的發散角區間相對於光強度是接近線性的變化，因此本發明利用此特徵範圍中的30度至40度作為最佳設計區間，將LED出光的排列位置相對於光導結構10做出介於50度至70度的角度設計(如c=50°)，配合LED在第二平面12上呈圓對稱布局的方式，所以其中一側LED逐漸因為發散角度變大而降低的光強度會由另一側的LED的光強度來補足，而達到光強度均勻化的目的。
然而此設計對應於在0度至30度區間的發散角是光強度趨近一致的角度會累積在光導結構10之第一平面11的邊緣，因此有下列相對的關係需要遵循才符合本設計：光導結構10之第一平面11的直徑為
D，所述顯微鏡頭31的視野範圍(FOV)的直徑為W，其中D大於W，以避免視野範圍內出現光強度不均勻的情況。
參閱圖4所示，為本發明螢光顯微成像裝置的電性功能方塊圖。本發明所述之螢光顯微成像裝置1更包括一傳輸介面50。傳輸介面50耦接控制電路板33，用以對控制電路板33上有關感光元件32的相關數據進行傳輸。其中，傳輸介面50可以為USB埠口或Wi-Fi通訊單元。
在使用前述螢光顯微成像裝置1時，通過光導結構10之第一平面11與環狀面13、成像模組30以及發光模組20之多數個白光發光單元21以及多數個激發光發光單元22之間的所述關係式，可以改善激發光的光強度均勻性。並且，激發光阻隔濾光單元40僅阻擋具特定波長的激發光，而讓特定波長之外的其他光通過。且使用激發光阻隔濾光單元40搭配彼此交錯排列的多數個白光發光單元21以及多數個激發光發光單元22，可以在螢光觀測完成之後，對相同的視野範圍立即切換使用可見光為光源進行顯微觀測，不會因為更換了光源而造成影像比對上的困擾或誤判，達到方便使用與準確判斷之目的。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
1:螢光顯微成像裝置
10:光導結構
11:第一平面
100:握持部
Claims (16)
- 一種螢光顯微成像裝置，應用於檢測一待測皮膚，包括：一光導結構，具有相對的一第一平面以及一第二平面，該第一平面接觸該待測皮膚；一發光模組，配置於該第二平面，該發光模組包括彼此交錯排列的多數個白光發光單元以及多數個激發光發光單元；一成像模組，配置於該第二平面，且配置於該發光模組的中央位置；以及一激發光阻隔濾光單元，配置於該第一平面以及該成像模組之間，該激發光阻隔濾光單元阻擋各該激發光發光單元所發出具一特定波長的激發光；其中，該光導結構是一截頂正圓錐體，該第一平面的側邊與該第二平面的側邊之間形成有不透光的一環狀面，且該第一平面的面積小於該第二平面的面積。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該成像模組與該第一平面的間距為L，該成像模組與各該白光發光單元之側邊的間距以及該成像模組與各該激發光發光單元之側邊的間距均為R，該第一平面之法線與各該白光發光單元之側邊的延伸線所夾的最小角度以及該第一平面之法線與各該激發光發光單元之側邊的延伸線所夾的最小角度均為a，滿足下列關係式：,a
30°。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該環狀面上覆設有一反射薄膜。
- 如申請專利範圍第3項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該反射薄膜是一鋁金屬薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該特定波長介於350奈米至400奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該特定波長是365奈米。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該激發光阻隔濾光單元覆設於該成像模組上。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該激發光阻隔濾光單元未接觸該成像模組。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該激發光阻隔濾光單元阻擋波長範圍為300奈米至400奈米的光。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該第一平面為一平板玻璃覆設有一抗反射薄膜。
- 如申請專利範圍第10項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該抗反射薄膜使波長範圍350奈米至700奈米之間的光具有大於97%的穿透率。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該第一平面為一平板玻璃覆設有一抗油汙疏水薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該成像模組包括一顯微鏡頭、一感光元件以及一控制電路板，其中，該顯 微鏡頭凸設於該第二平面之內，且該顯微鏡頭配置於該激發光阻隔濾光單元與該感光元件之間；該感光元件以及該控制電路板配置於該第二平面之外，該感光元件對準該顯微鏡頭，且耦接該控制電路板。
- 如申請專利範圍第13項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該顯微鏡頭與各該白光發光單元以及各該激發光發光單元相隔等距離。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該多數個白光發光單元以及該多數個激發光發光單元排列成一環型。
- 如申請專利範圍第1項所述之螢光顯微成像裝置，其中，該多數個白光發光單元不會與該多數個激發光發光單元同時發光。
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