專利名稱：用于觀察物體的光聲顯微鏡系統及其方法
技術領域：
本發明有關于光聲顯微鏡(Photoacoustic microscopy, PAM),并且特別有關于利用光學讀取頭(optical pickup head)作為光源(light source)的PAM系統。
背景技術：
PAM是一種具有廣闊潛在應用的圖像技術。例如，已經證實，可利用PAM無須標記地(label-freely)、甚至于活體(in vivo)觀察生物結構,例如微血管(capillary)。雖然PAM具有上述優勢，但其并未成為現在流行的技術。一個重要的原因是最常用的PAM系統利用的激光裝置不僅體積龐大而且價格昂貴。上述激光裝置使得常用的PAM系統不方便使用并且較難負擔其花費。

發明內容
有鑒于此，本發明提供一種用于觀察物體的光聲顯微鏡系統及其方法。一種用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，包含光學讀取頭，配置以向該物體發射激光束，基于從該物體接收的反射光束產生伺服信號，并且基于該伺服信號將該激光束的焦點定位在該物體上；超聲傳感器，配置以檢測從該物體離開的激光誘發的超聲波，從而產生光聲顯微鏡圖像信號；以及圖像產生單元，耦接該超聲傳感器，配置該圖像產生單元以基于該光聲顯微鏡圖像信號產生該物體的光聲顯微鏡圖像。一種觀察物體的方法，包含利用光學讀取頭向該物體發射激光束；檢測離開該物體的激光誘發的超聲波以產生光聲顯微鏡圖像信號；以及基于該光聲顯微鏡圖像信號產生該物體的光聲顯微鏡圖像。本發明提供的一種用于觀察物體的光聲顯微鏡系統及其方法可使得光聲顯微鏡系統便于使用并且降低其花費。


圖1是根據本發明實施例描述的PAM系統的示意圖。圖2是描述圖1中反饋控制激光裝置的光學讀取頭的示意圖。圖3是描述包含兩個圖2所示的光學讀取頭的反饋控制激光裝置120的示意圖。圖4是描述包含光學讀取頭與致動器的反饋控制激光裝置的示意圖。圖5是描述微機電鏡頭模塊的示意圖。圖6是描述共聚焦顯微鏡組件模塊的示意圖。圖7是描述改良的光學讀取頭的不意圖。
具體實施例方式在說明書及權利要求書當中使用了某些詞匯來指稱特定的元件。所屬技術領域的技術人員應可理解，硬件制造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及權利要求書并不以名稱的差異作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異作為區分的準貝U。在通篇說明書及權利要求項中所提及的“包含”為一開放式的用語，故應解釋成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述第一裝置耦接于第二裝置，則代表第一裝置可直接電氣連接于第二裝置，或通過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至第二裝置。接下來的描述是關于本發明的實施例，其為了描述本發明的基本原理，并不作為對本發明的限制。本發明的保護范圍由權利要求書作出界定。圖1是依據本發明實施例描述的PAM系統的示意圖。PAM系統100可用于觀察物體10，其中物體10并非PAM系統100的一部分。PAM系統100包含反饋控制激光裝置(feedback-controlled laser) 120、超聲傳感器(ultrasonic transducer) 140 以及圖像產生單元(image generation unit) 160,其中超聲傳感器140與圖像產生單元160 f禹接。如上所述，圖1僅為PAM系統100的示意圖。雖然圖標中反饋控制激光裝置120與超聲傳感器140位于物體10的兩側，但兩者亦可位于物體10的同側。如果如上述兩個組件位于物體10的同側，則PAM系統100可用于活體分子上的圖像掃描。反饋控制激光裝置120可與超聲傳感器140相互獨立，亦可兩者結合，或者反饋控制激光裝置120甚至可嵌入超聲傳感器140中。另外對于圖1描述的組件，PAM系統100可進一步包含幾種機制，上述機制通過移動物體10、反饋控制激光裝置120、超聲傳感器140或者其組合以致能PAM系統100掃描物體10的圖像。而且，PAM系統100可進一步包含調整PAM系統100操作的控制單元。此外，物體10可固定在光學磁盤上,例如光盤(Compact Disc,⑶)、數字光盤(Digital VersatileDisc, DVD)或者藍光光盤(Blue-ray Disc, BD) 反饋控制激光裝置120可包含一個或多個光學讀取頭。包含的光學讀取頭的每一個可相似或者就是光盤驅動器上使用的`光學讀取頭，其中光盤驅動器可為CD驅動器、DVD驅動器或者BD驅動器。圖2是描述圖1中反饋控制激光裝置120的光學讀取頭的示意圖。光學讀取頭200包含激光源(laser source) 220、鏡頭模塊(lens set) 240、光電二極管(photodiode) 260以及伺服控制單元(servo control unit) 280。其中伺服控制單元280分別與鏡頭模塊240、光電二極管260耦接。例如，激光源220可包含具有780nm波長(或者具有接近780nm波長)的紅外激光二極管(infrared laser diode)、具有650nm波長(或者具有接近650nm波長)的紅光激光二極管、具有405nm波長(或者具有接近405nm波長)的藍光激光二極管或者其組合。實際上，可依據觀察的物體調整所使用的波長，本發明不受上述波長的限制。如果激光源220包含具有不同波長的多個激光二極管，則可利用PAM系統100觀察物體10的具有不同吸收波長的組分。因為反饋控制激光裝置120利用光學讀取頭作為光源并且光學讀取頭是微小、便宜的，所以PAM系統100比常用的PAM系統要更小巧并且便宜。并且，后面段落將要介紹的光學讀取頭的反饋控制環路(feedback control loop)使得PAM系統100更容易進行調整。鏡頭模塊240將來自激光源220的激光束(laser beam)指向物體10，并且同時將從物體10反射回的光束指向光電二極管260。類似在光盤驅動器的光學讀取頭上的鏡頭模塊，鏡頭模塊240可包含衍射光柵(diffraction grating)、分束器(beam splitter) >準直透鏡(collimator lens)以及物鏡(objective lens)。激光源220發射的激光束將依次穿過衍射光柵、分束器、準直透鏡以及物鏡，并且到達物體10。離開物體10的反射光束將依次穿過物鏡、準直透鏡以及分束器，并且到達光電二極管260。準直透鏡與物鏡提供物體10與分束器之間的光學路徑(optical path)。分束器允許激光束與反射光束從兩個不同方向穿過以共享上述光學路徑。鏡頭模塊240可進一步包含致動器(actuator),例如音圈馬達(voice coil motor),其通過移動物鏡控制激光束的焦點的位置。在下面的段落中將介紹，伺服控制單元280控制上述致動器。鏡頭模塊240、光電二極管260以及伺服控制單元280組成光學讀取頭200的反饋控制環路。具體地，光電二極管260檢測反射光束并且相應地產生伺服信號。伺服信號指示激光束的焦點的位置是否需要改變。基于上述伺服信號，伺服控制單元280產生控制信號，例如控制鏡頭模塊240的上述致動器以移動物鏡。例如，伺服信號可包含光盤驅動器產業普遍使用的聚焦誤差(Focus Error, FE)信號，其由散光方法產生。通過反饋控制激光裝置120、超聲傳感器140以及圖像產生單元160，PAM系統100可實現PAM功能。具體地，由反饋控制激光裝置120的每個光學讀取頭200發射的激光束不僅引起物體10反射回光束，而且誘發物體10產生超聲波。當激光束聚焦在物體10可吸收大量光波能量的區域時，激光誘發的超聲波將很強；當激光束聚焦在物體10可吸收少量或者未吸收光波能量的區域時，激光誘發的超聲波將很弱或者完全不存在。然后，超聲傳感器140檢測激光誘發的超聲波并且相應地產生PAM圖像信號。在此過程中，超聲傳感器140的焦點(如果焦點為一個)與激光束的焦點可在物體10的區域中部分重疊。之后，圖像產生單元160 (其可為計算機)，基于PAM圖像信號產生物體10的PAM圖像(一張或者多張PAM圖像)。如果反饋控制激光裝置120僅包含一個光學讀取頭200，則PAM系統100的PAM功能可涉及以下步驟。首先，PAM系統100將光學讀取頭200的焦點定位(或者復位)至物體10的區域。然后，光學讀取頭200向上述區域發射激光束脈沖以產生超聲波。接著，超聲傳感器140檢測來自于物體的激光誘發的超聲波并且相應地產生PAM圖像信號。對于物體10的多個區域，PAM系統100重復上述步驟。基于合成的PAM圖像信號，圖像產生單元160可產生物體10的PAM圖像。如果反饋控制激光裝置120包含在不同位置的多個光學讀取頭200或者包含一個可在不同位置移動的光學讀取頭200 (例如通過致動器)，則PAM系統100可具有增強的分辨率。圖3是描述包含兩個圖2所示的光學讀取頭200的反饋控制激光裝置120的示意圖。光學讀取頭200_1與光學讀取頭200_2是可調整的，以致于光學讀取頭200_1與200_2產生的激光束的聚焦區域可共享物體10上的部分重疊區域。因為上述部分重疊區域相對較小，所以圖3所示的配置可增強PAM系統100的分辨率，尤其是在圖3所示的軸線方向上。隨著圖3所示的反饋控制激光裝置120，PAM系統100的PAM功能可涉及以下的步驟。首先，PAM系統100將兩個光學讀取頭200_1與200_2的部分重疊區域定位(或者復位)至物體10的區域。然后，光學讀取頭200_1發射激光束脈沖以得到來自于物體10的超聲波，其可由超聲傳感器140檢測到。相似地，光學讀取頭200_2亦發射激光束脈沖以得到來自于物體10的超聲波，其亦可由超聲傳感器140檢測到。兩個光學讀取頭200_1與200_2可同時或者不同時發射兩個脈沖。基于來自于物體10的激光誘發的超聲波，超聲傳感器140相應地產生PAM圖像信號。對于物體10的多個區域，PAM系統100重復上述步驟，具體地，通過依次復位激光束的部分重疊區域至物體10的多個區域。基于合成的PAM圖像信號，圖像產生單元160可產生物體10的分辨率增強的PAM圖像。例如，PAM圖像信號可具有對應激光誘發的超聲波的第一時域區段(time domainsection)，其中激光誘發的超聲波來自于物體10的第一區域并且由光學讀取頭200_1產生的脈沖引起。另外，PAM圖像信號可具有對應激光誘發的超聲波的第二時域區段，其中激光誘發的超聲波來自于物體10的第二區域并且由光學讀取頭200_2產生的脈沖引起。物體10的第一區域與第二區域可部分重疊。經過處理、結合或者重建PAM圖像信號的第一與第二時域區段，圖像產生單元160可對于物體10上的部分重疊區域提供增強軸線方向的分辨率。請注意，這里以及先前段落中提到的概念可擴展至包含M個優選方向的光學讀取頭200_Γ200_Μ的反饋控制激光裝置120的范圍，其中M為大于2的整數。圖4是描述包含光學讀取頭200與致動器410的反饋控制激光裝置120的示意圖，其中光學讀取頭200固定在致動器410上。光學讀取頭200與致動器410是可調整的，以致于位于致動器410上不同位置的光學讀取頭200產生的激光束的光學路徑可在部分重疊區域部分重疊。因為部分重疊區域相對較小，所以圖4所示的配置可增強PAM系統100的分辨率，尤其是在圖4所示的軸線方向 上。隨著圖4所示的反饋控制激光裝置120，ΡΑΜ系統100的PAM功能可涉及以下的步驟。首先，致動器410將光學讀取頭200定位(或者復位)至第一位置。在第一位置，光學讀取頭200向物體10的區域發射激光束脈沖；來自于物體10的激光誘發的超聲波可由超聲傳感器140檢測到。接著，致動器410將光學讀取頭200旋轉到第二位置。在第二位置，光學讀取頭200向物體10的區域發射激光束脈沖；來自于物體10的激光誘發的超聲波可由超聲傳感器140檢測到。對于物體10的多個區域，PAM系統100重復上述步驟，具體地，通過依次復位激光束的部分重疊區域至物體10的多個區域。基于合成的PAM圖像信號，圖像產生單元160可產生物體10的分辨率增強的PAM圖像。例如，PAM圖像信號可具有對應激光誘發的超聲波的第一時域區段，其中激光誘發的超聲波來自于物體10的第一區域并且由光學讀取頭200產生的脈沖引起。另外，PAM圖像信號可具有對應激光誘發的超聲波的第二時域區段，其中激光誘發的超聲波來自于物體10的第二區域并且由光學讀取頭200產生的脈沖引起。物體10的第一區域與第二區域可部分重疊。經過處理、結合或者重建PAM圖像信號的第一與第二時域區段，圖像產生單元160可對于物體10上的部分重疊區域于軸線方向提供增強的分辨率。請注意，這里以及先前段落中提到的概念可擴展至一個范圍，在此范圍內，對于物體10的每個區域，光學讀取頭200向致動器410上N個不同方向上發射N個激光束脈沖，其中N為大于2的整數。對于圖1所示的組件，反饋控制激光裝置120可進一步包含用于每個光學讀取頭200的微機電鏡頭模塊。微機電鏡頭模塊可包含聚光透鏡(condenser lens)、鏡片集合以及物鏡。微機電鏡頭模塊指導激光束從光學讀取頭200至物體10并且指導反射光束從物體10返回至光學讀取頭200。而且，通過調整微機電鏡頭模塊的幾個內部組件，微機電鏡頭模塊允許激光束聚焦至物體10的不同區域。因此，當光學讀取頭200與物體10之間的空間關系保持不變時，微機電鏡頭模塊允許激光束聚焦至物體10的不同區域。上述鏡頭模塊的組成使得PAM系統100可以更容易地掃描物體10的圖像。圖5是描述微機電鏡頭模塊的不意圖。微機電鏡頭模塊500包含聚光透鏡510、鏡片520以及物鏡530。通過調整鏡片520的角度以及/或者位置，微機電鏡頭模塊500可隨意地將激光束的焦點移動至物體10的不同區域。另外除了作為PAM的功能，圖1所示的PAM系統100可進一步具有作為掃描聲波顯微鏡(Scanning Acoustic Microscopy, SAM)的功能。對于作為SAM的功能，PAM系統100必須利用超聲傳感器140以發射并且將超聲脈沖聚焦至物體10的區域。然后，超聲傳感器140檢測聲音誘發的超聲波以產生SAM圖像信號，其中聲音誘發的超聲波是從超聲脈沖的聚焦區域離開。超聲傳感器140可包含單個傳感單元以處理聲音的發射以及檢測，或者兩個傳感單元以分別處理聲音的發射與檢測。對于物體10的多個區域，通過重復上述過程，基于合成的SAM圖像信號，圖像產生單元160可產生物體10的SAM圖像(一張或者多張SAM圖像)。通過適當的掃描控制，PAM系統100可在一次掃描中同時提供物體10的PAM圖像與SAM圖像。圖6是描述共聚焦顯微鏡(Confocal Microscopy, CM)組件模塊600的示意圖。另外除了作為PAM的功能，通過另包含圖6所示的CM組件模塊600，圖1所示的PAM系統100可進一步具有作為CM的功能。CM組件模塊600包含物鏡610、共聚焦針孔620以及光電倍增管檢測器630。可配置物鏡610與共聚焦針孔620使得只有來自激光束的焦點的光可到達光電倍增管檢測器630。接著，光電倍增管檢測器630基于檢測的光可產生CM圖像信號，并且向圖像產生單元160發送CM圖像信號。然后，圖像產生單元160基于CM圖像信號產生物體10的CM圖像。通過適當的掃描控制，PAM系統100可在一次掃描中同時提供物體10的PAM圖像與CM圖像。在另一實施例中，圖1所示的反饋控制激光裝置120包含圖7所示的改良的光學讀取頭700。圖7是描述改良的光學讀取頭700的示意圖。改良的光學讀取頭700不同于圖2所示的光學讀取頭200，前者具有高敏感度的感光檢測器(photodetector) 760，而不具有光電二極管260。例如，感光檢測器760可為(或者可包含)光電倍增管(PhotomultiplierTube, PMT)，其比光電二極管260更敏感。基于檢測到的光，感光檢測器760可不僅產生用于伺服控制單元280的伺服信號，而且產生用于圖像產生單元160的CM圖像信號，即感光檢測器760與圖像產生單元160耦接。然后，圖像產生單元160基于CM圖像信號產生物體10的CM圖像。通過適當的掃描控制，PAM系統100可在一次掃描中提供物體10的PAM圖像與CM圖像。改良的光學讀取頭700可充當圖3的光學讀取頭200_1、圖3的光學讀取頭200_2、圖4的光學讀取頭200、圖5的光學讀取頭200、圖6的光學讀取頭200或者其結合形式。也可配置PAM系統100以結合上述兩個段落的內容。合成的PAM系統可在一次掃描中同時提供物體10的PAM圖像、SAM圖像以及CM圖像。本發明雖以較佳實施例揭露如上，但是其并非用以限定本發明的范圍，任何熟悉此項技術者，在不脫離本發明的精神和范圍內，做均等的變化與修飾，皆屬于本發明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，包含: 光學讀取頭，配置以向該物體發射激光束，基于從該物體接收的反射光束產生伺服信號，并且基于該伺服信號將該激光束的焦點定位在該物體上； 超聲傳感器，配置以檢測從該物體離開的激光誘發的超聲波，從而產生光聲顯微鏡圖像信號；以及 圖像產生單元，耦接該超聲傳感器，配置該圖像產生單元以基于該光聲顯微鏡圖像信號產生該物體的光聲顯微鏡圖像。
2.如權利要求1所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，其特征在于，該光學讀取頭包含:激光源，配置以產生該激光束；感光檢測器，配置以檢測該反射光束并且相應地產生該伺服信號；鏡頭模塊，配置以將該激光束指向該物體并且將該反射光束指向該感光檢測器；以及伺服控制單元，耦接該感光檢測器與該鏡頭模塊，依據該伺服信號配置以控制該鏡頭豐吳塊。
3.如權利要求2所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，其特征在于，該伺服信號包含聚焦誤差信號。
4.如權利要求2所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，其特征在于，該鏡頭模塊提供該激光束與該反射光束共享的光學路徑，以及該激光束與該反射光束沿兩個相反方向穿過該光學路徑。
5.如權利要求2所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，其特征在于，該感光檢測器進一步耦接該圖像產生單元并且配置該感光檢測器以檢測該反射光束以及相應地產生共聚焦顯微鏡圖像信號，以及進一步配置該圖像產生單元以基于該共聚焦顯微鏡圖像信號產生該物體的共聚焦顯微鏡圖像。
6.如權利要求2所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，其特征在于，該感光檢測器包含光電倍增管。
7.如權利要求1所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，其特征在于，進一步配置該超聲傳感器以向該物體發送超聲脈沖并且檢測離開該物體的聲音誘發的超聲波以產生掃描聲波顯微鏡圖像信號；以及進一步配置該圖像產生單元以基于該掃描聲波顯微鏡圖像信號產生該物體的掃描聲波顯微鏡圖像。
8.如權利要求1所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，其特征在于，該光聲顯微鏡系統進一步包含共聚焦顯微鏡組件模塊，配置以檢測從該激光束的該焦點離開該物體的光，從而產生共聚焦顯微鏡圖像信號；以及該圖像產生單元進一步耦接該共聚焦顯微鏡組件模塊并且配置該圖像產生單元以基于該共聚焦顯微鏡圖像信號產生該物體的共聚焦顯微鏡圖像。
9.如權利要求8所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，其特征在于，該共聚焦顯微鏡組件模塊包含:光電倍增管檢測器，配置以檢測從該激光束的該焦點離開該物體的該光，從而產生該共聚焦顯微鏡圖像信號；以及物鏡與共聚焦針孔，配置以將從該激光束的該焦點離開該物體的該光指向該光電倍增管檢測器。
10.如權利要求1所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，進一步包含微機電鏡頭模塊，配置以指導該激光束從該光學讀取頭至該物體以及指導該反射光束從該物體至該光學讀取頭；以及移動該激光束 的該焦點至該物體的不同區域。
11.如權利要求1所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，其特征在于，該光聲顯微鏡系統進一步包含另一光學讀取頭；并且調整該兩個光學讀取頭以使該兩個光學讀取頭發射的該激光束共享該物體上的部分重疊區域。
12.如權利要求1所述的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統，其特征在于，該光聲顯微鏡系統進一步包含致動器，該光學讀取頭固定在該致動器上；配置該致動器以將該光學讀取頭移動至多個位置；以及調整該致動器與該光學讀取頭以使從該多個位置由該光學讀取頭發射的激光束共享該物體上的部分重疊區域。
13.—種觀察物體的方法，包含: 利用光學讀取頭向該物體發射激光束； 檢測離開該物體的激光誘發的超聲波以產生光聲顯微鏡圖像信號；以及 基于該光聲顯微鏡圖像信號產生該物體的光聲顯微鏡圖像。
14.如權利要求13所述的觀察物體的方法，進一步包含:利用該光學讀取頭基于從該物體接收的反射光束產生伺服信號并且利用該光學讀取頭基于該伺服信號將該激光束的焦點定位至該物體上。
15.如權利要求14所述的觀察物體的方法，其特征在于，該伺服信號包含聚焦誤差信號。
16.如權利要求13所述的觀察物體的方法，進一步包含:向該物體發射超聲脈沖并且檢測離開該物體的聲音誘發的超聲波以產生掃描聲波顯微鏡圖像信號；以及基于該掃描聲波顯微鏡圖像信號產生該物體的掃描聲波顯微鏡圖像。
17.如權利要求13所述的觀察物體的方法，進一步包含:檢測從該激光束的焦點離開該物體的光以產生共聚焦顯微鏡圖像信號；以及基于該共聚焦顯微鏡圖像信號產生該物體的共聚焦顯微鏡圖像。
18.如權利要求13所述的觀察物體的方法，進一步包含:利用微機電鏡頭模塊以指導該激光束從該光學讀取頭至該物體以及指導反射光束從該物體至該光學讀取頭；以及利用該微機電鏡頭模塊以移動該激光束的焦點至該物體的不同區域。
19.如權利要求13所述的觀察物體的方法，進一步包含:利用該光學讀取頭從第一位置向該物體發射第一脈沖激光束；以及利用該光學讀取頭從第二位置向該物體發射第二脈沖激光束；其中該第一脈沖激光束與該第二脈沖激光束共享該物體上的部分重疊區域。
20.如權利要求13所述的觀察物體的方法，進一步包含:利用該光學讀取頭向該物體發射第一脈沖激光束；以及利用另一光學讀取頭向該物體發射第二脈沖激光束；其中該第一脈沖激光束與該第二脈沖激光束共享該物體上的部分重疊區域。
全文摘要
一種用于觀察物體的光聲顯微鏡系統及其方法，其中用于觀察物體的光聲顯微鏡系統包含光學讀取頭，配置以向物體發射激光束，基于從物體接收的反射光束產生伺服信號，并且基于伺服信號將激光束的焦點定位在物體上；超聲傳感器，配置以檢測從物體離開的激光誘發的超聲波，從而產生光聲顯微鏡圖像信號；以及圖像產生單元，耦接超聲傳感器，配置圖像產生單元以基于光聲顯微鏡圖像信號產生物體的光聲顯微鏡圖像。本發明提供的用于觀察物體的光聲顯微鏡系統及其方法可使得光聲顯微鏡系統便于使用并且降低其花費。
文檔編號G01N21/17GK103076286SQ20121029113
公開日2013年5月1日 申請日期2012年8月15日 優先權日2011年10月26日
發明者李夢麟, 王柏勛 申請人:聯發科技股份有限公司, 李夢麟