TWI826924B

TWI826924B - 雙物鏡顯微系統

Info

Publication number: TWI826924B
Application number: TW111105133A
Authority: TW
Inventors: 謝政閔; 陳韋誌; 周志翰
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2022-02-11
Publication date: 2023-12-21
Also published as: TW202333111A

Abstract

一種雙物鏡顯微系統包含第一物鏡、第二物鏡、第一感測器、第二感測器及處理器。第二物鏡設置相鄰第一物鏡。第一物鏡及第二物鏡使樣本之目標物位於第一物鏡之第一視場內及第二物鏡之第二視場內。第一視場與第二視場部分重疊。第一感測器設置第一物鏡之第一焦距，以擷取第一視場之第一影像。第二感測器設置第二物鏡之第二焦距，以擷取第二視場之第二影像。處理器耦接第一感測器及第二感測器。處理器根據第一影像及第二影像計算目標物於樣本中之實際深度，及比對第一影像之第一影像特徵資料及第二影像之第二影像特徵資料，以產生第三影像。

Description

雙物鏡顯微系統

本案涉及一種光學檢測系統。詳細而言，本案涉及一種檢測生物樣本的雙物鏡顯微系統。

目前顯微系統並無針對檢體樣本來判斷厚度，所以無法判斷檢體樣本中細菌與細胞疊合時的狀況。若細菌與細胞疊合時，需根據細菌或細胞之位置慢慢調整顯微鏡之物鏡焦距至適當位置，或更換不同倍率的物鏡，藉以觀察不同分層的狀況。

此外，現有顯微系統根據單一數值孔徑的物鏡所擷取的影像無法清楚呈現不同景深的狀況。

因此，上述技術尚存諸多缺陷，而有待本領域從業人員研發出其餘適合的顯微鏡系統。

本案的一面向涉及一種雙物鏡顯微系統。雙物鏡顯微系統包含第一物鏡、第二物鏡、第一感測器、第二感測器及處理器。第一物鏡用以使樣本之目標物位於第一物鏡之第一視場內。第二物鏡設置相鄰於第一物鏡。第二物鏡用以使樣本之目標物位於第二物鏡之第二視場內。第一視場與第二視場部分重疊。第一感測器設置於第一物鏡之第一焦距。第一感測器用以擷取第一視場之第一影像。第二感測器設置於第二物鏡之第二焦距。第二感測器用以擷取第二視場之第二影像。處理器耦接於第一感測器及第二感測器。處理器用以根據第一影像及第二影像計算目標物於樣本中之實際深度，以及處理器比對第一影像之複數個第一影像特徵資料及第二影像之複數個第二影像特徵資料，藉以產生第三影像。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本案之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本案之實施例後，當可由本案所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本案之精神與範圍。

本文之用語只為描述特定實施例，而無意為本案之限制。單數形式如“一”、“這”、“此”、“本”以及“該”，如本文所用，同樣也包含複數形式。

關於本文中所使用之『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限於。

關於本文中所使用之用詞（terms），除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在本案之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本案之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本案之描述上額外的引導。

第1圖為根據本案一些實施例繪示的雙物鏡顯微系統100之系統架構示意圖。在一些實施例中，請參閱第1圖，雙物鏡顯微系統100包含第一物鏡110、第二物鏡120、第一感測器130、第二感測器140、處理器150、第一光道結構160及第二光道結構170。

在一些實施例中，第一物鏡110用以使樣本之目標物位於第一物鏡110之第一視場內。第二物鏡120設置相鄰於第一物鏡110。第二物鏡120用以使樣本之目標物位於第二物鏡120之第二視場內。第一視場與第二視場部分重疊。

接著，第一感測器130設置於第一物鏡110之第一焦距。第一感測器130用以擷取第一視場之第一影像。第二感測器140設置於第二物鏡120之第二焦距。第二感測器140用以擷取第二視場之第二影像。

再者，處理器150耦接於第一感測器130及第二感測器140。處理器150用以根據第一影像及第二影像計算目標物於樣本中之實際深度，以及處理器150比對第一影像之複數個第一影像特徵資料及第二影像之複數個第二影像特徵資料，藉以產生第三影像。

在一些實施例中，樣本包含生物檢體。目標物包含微生物、細菌及病毒的其中至少一者。

在一些實施例中，第一物鏡110之第一數值孔徑與第二物鏡120之第二數值孔徑不相同。

在一些實施例中，第一感測器130係為彩色相機。第二感測器140係為黑白相機。

在一些實施例中，處理器150更用以根據第一影像及第二影像獲取對應第一視場與第二視場部分重疊之重疊區域影像。處理器150更用以根據重疊區域影像獲得對應第一影像之複數個第一影像特徵資料及對應第二影像之複數個第二影像特徵資料。

在一些實施例中，第一光道結構160用以將第一物鏡110之第一視場之光線導引至第一感測器130。

在一些實施例中，第二光道結構170設置相鄰於第一光道結構160，並用以將第二物鏡120之第二視場之光線導引至第二感測器140。

在一些實施例中，為使本案之顯微鏡領域及影像領域之技術用語易於理解，請一併參閱第2圖，第2圖為根據本案一些實施例繪示的雙物鏡顯微系統100與樣本S之關係示意圖。

在一些實施例中，樣本S置於本案雙物鏡顯微系統100之觀測位置。樣本S沿Z軸方向包含不同深度的第一分層L1、第二分層L2、第三分層L3及第四分層L4。

在一些實施例中，本案雙物鏡顯微系統100採用不同數值孔徑的第一物鏡110及第二物鏡120，使第一感測器130及第二感測器140所拍攝的影像具有不同的影像特徵資料。須說明的是，請參閱第1圖及第2圖，為了避免圖式過於複雜，第1圖之第一光道結構160及第二光道結構170於第2圖中省略。

第一物鏡110及第二物鏡120與樣本S之底層之距離為F，第一物鏡110之鏡頭中心點及第二物鏡120之鏡頭中心點之基準線間距為B。須說明的是，距離F並非為第一物鏡110及第二物鏡120之焦距。

於相同距離F下，第一物鏡110所能觀測的範圍定義為第一視場V1。第二物鏡120所能觀測的範圍定義為第二視場V2。視場代表著系統能觀察到的最大範圍，於三維空間中，視場之形狀近似於圓錐。

接著，第一視場V1之寬度為第一視場直徑D1。第二視場V2之寬度為第二視場直徑D2。視場直徑是指在顯微鏡下看到的圓形視場內所能容納被檢物體的實際範圍。第一視場V1之第一視場角即為兩倍的夾角2θ ₁。第二視場V1之第二視場角即為兩倍的夾角2θ ₂。

須說明的是，物鏡之數值孔徑（Numerical aperture, NA）定義為一個無量綱的數，用以衡量光學系統能夠收集的光的角度範圍。繞射極限下的顯微鏡系統，其影像解析度與光波長成正比，並與數值孔徑成反比。

在一些實施例中，請參閱第2圖，由於第一物鏡110具有較高的數值孔徑，第一感測器130所得光通量較多，因此，第一感測器130所擷取的第一影像的景深較淺且影像解析度較高。

反之，第二物鏡120具有較低的數值孔徑，第二感測器140所得光通量較少，因此，第二感測器140所擷取的第二影像的景深較深且影像解析度較低。景深(Depth of field, DOF）之定義為焦點前後相對清晰的成像範圍。

在一些實施例中，本案雙物鏡顯微系統100採用不同數值孔徑的第一物鏡110及第二物鏡120，使第一感測器130所擷取的第一影像及第二感測器140所擷取的第二影像具有不同的影像特徵資料。本案雙物鏡顯微系統100根據第一影像及第二影像計算出目標物O之實際深度以及高品質的影像。

在一些實施例中，為使本案雙物鏡顯微系統100計算目標物O之實際深度方法易於理解，請一併參閱第3圖。第3圖為根據本案一些實施例繪示的部分雙物鏡顯微系統與樣本S之關係示意圖。

在一些實施例中，第一物鏡110之鏡頭中心點及第二物鏡120之鏡頭中心點之間的基準線間距為B。基準線至樣本S表層之距離為H1。目標物O至基準線之深度為Z1。第一物鏡110及第二物鏡120之聚焦深度為F1。須說明的是，聚焦深度F1為擷取影像的深度。第一物鏡110之第一影像之影像寬度及第二物鏡120之第二影像之影像寬度均為I。第一影像與第二影像位於樣本S之同一聚焦深度F1。

進一步說明，目標物O之光線沿路徑R1入射至第一物鏡110。目標物O之光線沿路徑R2入射至第二物鏡120。本案雙物鏡顯微系統100可以計算出入射第一物鏡110的位置P1，因此，可以獲得與第一影像邊緣之第一距離M1。同樣地，本案雙物鏡顯微系統100可以計算出入射第二物鏡120的位置P2，因此，可以獲得與第二影像邊緣之第二距離S1。

接者，本案雙物鏡顯微系統100利用相似三角形的概念計算目標物O至基準線之深度Z1。計算方式如下: …式1

將式1進行簡化，以獲得下列計算式: …式2

再將式2進行簡化，以獲得下列計算式: …式3

第4圖為根據本案一些實施例繪示的雙物鏡顯微系統之影像處理程序示意圖。在一些實施例中，影像處理程序400可由第1圖之雙物鏡顯微系統100所執行。

於步驟410中，藉由第一物鏡擷取第一視場之第一影像以及藉由第二物鏡擷取第二視場之第二影像。

在一些實施例中，請一併參閱第1圖、第2圖及第4圖，藉由雙物鏡顯微系統100之第一物鏡110擷取第一視場V1之第一影像以及藉由雙物鏡顯微系統100之第二物鏡120擷取第二視場V2之第二影像。

於步驟420中，藉由處理器根據第一影像及第二影像獲取對應第一視場與第二視場部分重疊之重疊區域影像。

在一些實施例中，請一併參閱第1圖、第2圖及第4圖，藉由雙物鏡顯微系統100之處理器150根據第一影像及第二影像獲取對應第一視場V1與第二視場V2部分重疊之重疊區域影像。

於步驟430中，藉由處理器根據重疊區域影像獲得對應第一影像之第一影像特徵資料及對應第二影像之第二影像特徵資料。

在一些實施例中，請一併參閱第1圖、第2圖及第4圖，藉由雙物鏡顯微系統100之處理器150根據重疊區域影像獲得對應第一影像之第一影像特徵資料及對應第二影像之第二影像特徵資料。

在一些實施例中，第一影像特徵資料與第二影像特徵資料不相同。在一些實施例中，第一影像特徵資料包含第一影像解析度、第一景深、第一色彩深度及第一對比度的其中至少一者。第二影像特徵資料包含第二影像解析度、第二景深、第二色彩深度及第二對比度的其中至少一者。

於步驟440中，藉由處理器比對第一影像特徵資料及第二影像特徵資料，藉以產生第三影像。

在一些實施例中，藉由雙物鏡顯微系統100之處理器150更用以比對第一影像解析度及第二影像解析度，以及比對第一景深及第二景深，藉以選擇第一影像解析度及第二影像解析度其中一者，以及選擇第一景深及第二景深其中一者，以產生第三影像。

舉例而言，第一物鏡110為較高數值孔徑的物鏡，第二物鏡120為較低數值孔徑的物鏡，因此，第一感測器130所得的第一影像之景深較低且影像解析度較高。第二感測器140所得的第二影像之景深較高且影像解析度較低。藉由雙物鏡顯微系統100之處理器150用以根據較高影像解析度之影像資訊及景深較高之影像資訊產生高景深且高影像解析度的第三影像。

在一些實施例中，藉由雙物鏡顯微系統100之處理器150更用以比對第一色彩深度及第二色彩深度，以及比對第一對比度及第二對比度，藉以選擇第一色彩深度及第二色彩深度其中一者，以及選擇第一對比度及第二對比度其中一者，以產生第三影像。

舉例而言，第一感測器130為彩色相機。第二感測器140為黑白相機。第一感測器130所得的第一影像之第一色彩深度為32位元，即接近真彩，真彩種類約為1670萬色。第二感測器140所得的第二影像之第二色彩深度為1位元，即為黑白兩色。接者，由於黑白影像所呈現的影像輪廓較佳，藉由雙物鏡顯微系統100之處理器150用以根據彩色影像之色彩資訊及黑白影像之輪廓資訊產生高對比度且輪廓細節較佳的第三影像。須說明的是，高動態範圍影像（High Dynamic Range Image）一般使用超過32位元的色階來儲存。通常來說高動態範圍影像對於每一個原色都使用一個32位元的浮點數來儲存。

在一些實施例中，藉由雙物鏡顯微系統100之處理器150依據實際需求選擇影像特徵資料，藉以產生複數種高影像品質的第三影像。

依據前述實施例，本案提供一種雙物鏡顯微系統100，藉以透過不同數值孔徑的第一物鏡110及第二物鏡120，使第一感測器130所擷取的第一影像及第二感測器140所擷取的第二影像具有不同的影像特徵資料。本案雙物鏡顯微系統100根據第一影像及第二影像計算出樣本S之目標物O之實際深度以及高影像品質的第三影像。

雖然本案以詳細之實施例揭露如上，然而本案並不排除其他可行之實施態樣。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，而非受於前述實施例之限制。

對本領域技術人員而言，在不脫離本案之精神和範圍內，當可對本案作各種之更動與潤飾。基於前述實施例，所有對本案所作的更動與潤飾，亦涵蓋於本案之保護範圍內。

100:雙物鏡顯微系統 110:第一物鏡 120:第二物鏡 130:第一感測器 140:第二感測器 150:處理器 160:第一光道結構 170:第二光道結構 L1:第一分層 L2:第二分層 L3:第三分層 L4:第四分層 F:距離 S:樣本 D1:第一視場直徑 D2:第二視場直徑 O:目標物 X, Y, Z:座標軸 θ ₁:夾角 θ ₂:夾角 B:鏡頭中心點之基準線間距 F1:聚焦深度 P1:位置 P2:位置 I:影像寬度 M1:第一距離 S1:第二距離 Z1:深度 H1:距離 R1:路徑 R2:路徑 400:處理程序 410~440:步驟

參照後續段落中的實施方式以及下列圖式，當可更佳地理解本案的內容：第1圖為根據本案一些實施例繪示的雙物鏡顯微系統之系統架構示意圖；第2圖為根據本案一些實施例繪示的雙物鏡顯微系統與樣本之關係示意圖；第3圖為根據本案一些實施例繪示的部分雙物鏡顯微系統與樣本之關係示意圖；以及第4圖為根據本案一些實施例繪示的雙物鏡顯微系統之影像處理程序示意圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:雙物鏡顯微系統

110:第一物鏡

120:第二物鏡

130:第一感測器

140:第二感測器

150:處理器

160:第一光道結構

170:第二光道結構

Claims

一種雙物鏡顯微系統，包含：一第一物鏡，用以使一樣本之一目標物位於該第一物鏡之一第一視場內；一第二物鏡，設置相鄰於該第一物鏡，其中該第二物鏡用以使該樣本之該目標物位於該第二物鏡之一第二視場內，其中該第一視場與該第二視場部分重疊；一第一感測器，設置於該第一物鏡之一第一焦距，其中該第一感測器用以擷取該第一視場之一第一影像；一第二感測器，設置於該第二物鏡之一第二焦距，其中該第二感測器用以擷取該第二視場之一第二影像；以及一處理器，耦接於該第一感測器及該第二感測器，其中該處理器用以根據該第一影像及該第二影像計算該目標物於該樣本中之一實際深度，以及該處理器比對該第一影像之複數個第一影像特徵資料及該第二影像之複數個第二影像特徵資料，藉以產生一第三影像。
如請求項1所述之雙物鏡顯微系統，其中該第一影像與該第二影像位於該樣本之同一聚焦深度。
如請求項2所述之雙物鏡顯微系統，其中該處理器更用以根據該第一影像及該第二影像獲取對應該第一視場與該第二視場部分重疊之一重疊區域影像。
如請求項3所述之雙物鏡顯微系統，其中該處理器更用以根據該重疊區域影像獲得對應該第一影像之該些第一影像特徵資料及對應該第二影像之該些第二影像特徵資料。
如請求項4所述之雙物鏡顯微系統，其中該些第一影像特徵資料與該些第二影像特徵資料不相同，其中該第一影像特徵資料包含一第一影像解析度、一第一景深、一第一色彩深度及一第一對比度的其中至少一者，其中該第二影像特徵資料包含一第二影像解析度、一第二景深、一第二色彩深度及一第二對比度的其中至少一者。
如請求項4所述之雙物鏡顯微系統，其中該處理器更用以比對該第一影像解析度及該第二影像解析度，以及比對該第一景深及該第二景深，藉以選擇該第一影像解析度或該第二影像解析度，以及選擇該第一景深或該第二景深，以產生該第三影像。
如請求項1所述之雙物鏡顯微系統，其中該處理器更用以比對該第一色彩深度及該第二色彩深度，以及比對該第一對比度及該第二對比度，藉以選擇該第一色彩深度或該第二色彩深度，以及選擇該第一對比度或該第二對比度，以產生該第三影像。
如請求項1所述之雙物鏡顯微系統，其中該第一物鏡之一第一數值孔徑與該第二物鏡之一第二數值孔徑不相同。
如請求項1所述之雙物鏡顯微系統，其中該第一感測器包含一彩色相機，其中該第二感測器包含一黑白相機。
如請求項1所述之雙物鏡顯微系統，更包含：一第一光道結構，用以將該第一物鏡之該第一視場之光線導引至該第一感測器；以及一第二光道結構，設置相鄰於該第一光道結構，並用以將該第二物鏡之該第二視場之光線導引至該第二感測器。