CN107064081A - 以多光子激发技术检查物体的方法以及测量物体的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种以多光子激发技术检查物体的方法以及测量物体的装置。该检查物体的方法包括：提供包括一标靶材料的物体。对物体的一试样位置照射一激光光束，激光光束具有波长λ。聚焦激光光束的一焦点于物体的试样位置上，通过同时吸收n个激光光束的入射光子而产生标靶材料的分子激发，其中n等于或大于2。以一检测器分析自物体发出的一输出光，其中分析的输出光的波长范围在0.8λ至1.2λ之间。

Description

以多光子激发技术检查物体的方法以及测量物体的装置
技术领域
本发明涉及一种检查物体的方法及其测量物体的装置，且特别是涉及一种以多光子激发技术检查物体的方法和以改良式激光扫描显微镜(modified laser scanningmicroscopy)测量物体的装置。
背景技术
通过掺杂不同活性材料于基板或基体中，可进行各种不同光学操作，例如光放大(optical amplification)、光吸收、波长过滤、固态发光和偏振区分等等。以下是其中一些例子。首先，由活性离子掺杂至一块状晶体所形成的激光晶体是光放大的要素。例如钛蓝宝石激光晶体(Ti:Sapphire laser crystal)是一蓝宝石(Al2O3)晶体掺杂钛离子。第二，对于光吸收和波长过滤，可使用吸收滤光片和有色玻璃滤光片(color glass filters，CGF)，其通常由添加了吸收活性离子(absorptive active-ions)的玻璃或塑胶所制得。这些活性离子传送光的某些波长部分但对于其他波长部分则具有相当高的吸收常数使此部分的光衰减。在许多滤光问题中，这些有掺杂离子的波长过滤片(ion-doped wavelength filters)比起干涉滤光片(interference-type filters)具有更好的波长消光比，因此是较佳的选择。第三，在白光有机发光二极管(OLEDs)元件中，低能阶掺杂物分散在发光层的内部深处。通过电子撞击，可自发光层释放出可见光波长成分。再者，在液晶显示面板要素之一的偏光板制作工艺中，碘染料离子添加至聚乙烯醇(poly vinyl alcohol，PVA)层内以做为偏振相关的光吸收剂。
如上述提到的白光有机发光二极管元件和偏光板，监测基板或基体(例如激光晶体和有色玻璃滤光片)内掺杂物的空间分布和分布均匀度是必要的。激光晶体的掺杂情况会强烈影响到激光表现，包括临界激发功率(threshold pumping power)、斜率效能(slopeefficiency)和输出功率(output power)。当低能阶掺杂物没有均匀地分布于OLED元件的发光层中，会导致白光发光元件的光色产生变异，进而影响发光应用。而PVA高分子膜中的掺杂碘离子的良好空间分布有助于提取和映射出偏光板的更多性质。
物体结构内的掺杂物的空间分布(dopant spatial distributions)或浓度的传统分析方法需要进行组织切片检查(biopsy)，包括从欲检查的目标物切除(例如切片)一试样片，且固定和染色试样片于显微镜下，检查和分析试样片的影像以呈现掺杂物的相关浓度。然而，传统对于掺杂物的空间分布或均匀度的分析牵涉到许多耗费时间和复杂的步骤，例如取样准备、处理和分析等步骤。再者，传统切片程序是侵入式、破坏性和耗费时间的，且在制造过程期间是无法迅速、即时和准确地检测相关离子浓度。因此相关研究者无不希望可以发展出更简单和更省时的掺杂物分布的装置与方法，特别是快速和无须切片的方式以分析待检测物体的标靶材料，例如可以快速和准确地分析一光学基板的掺杂离子浓度。
双光子荧光(two-photon fluorescence，TPF)显微镜已经广泛使用于生物、化学和临床等方面的应用。TPF程序通常是与三阶非线性荧光分子(fluorescent moleculeswith third-order nonlinearity)有关，其中通过双光子吸收效应(TPA effect)，具相同能量的两个激发光子被荧光分子同时吸收，并产生出更高能量的一个激发光子。可通过测量更高能量的荧光光子强度，以呈现聚焦平面上具自然深度探测能力和高空间分辨率的分子浓度影像。然而，由于某些掺杂离子或分子在TPA效应激发下会产生非辐射(/非荧光放射)情况，因此双光子显微镜并非总是适合用来检测分子浓度。据此，对于倾向于产生非辐射(/非荧光放射)情况的掺杂离子或分子，用传统的TPF显微镜是无法准确得知其掺杂浓度的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以多光子激发技术检查物体的方法和测量物体的装置。实施例的方法和装置可以迅速且非破坏性的检测一标靶材料于物体内的空间分布，对于科学研究和工业发展都有很大助益。
为达上述目的，根据一实施例，提出一种检查物体的方法，包括提供包括一标靶材料(target material)的物体；对物体的一试样位置(sampling position)照射一激光光束，激光光束具有波长λ；聚焦激光光束的一焦点(focal point)于物体的试样位置上，通过同时吸收n个激光光束的入射光子而产生标靶材料的分子激发，其中n等于或大于2；以及以一检测器分析自物体发出的一输出光，其中分析的输出光的波长范围在0.8λ至1.2λ之间。
根据一实施例，提出一种以多光子激发技术测量一物体的装置，至少包括平台组件(stage means)以置放包括一标靶材料的一物体；至少一同调性脉冲光的光源(sourceof coherent pulsed light)具有波长λ；镜头组件(lens means)，在一物镜平面(objectlens plane)上聚焦同调性脉冲光于物体的一试样位置，因而造成标靶材料同时吸收同调性脉冲光的n个光子，其中n等于或大于2；以及一检测器(detector)，检测物体发出的一输出光的光强度，其中输出光的波长范围在0.8λ至1.2λ之间。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。然而，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
附图说明
图1A为本发明一实施例的一改良式双光子荧光(m-TPF)显微镜通过输入/输出光谱的工作原理与设计；
图1B为本发明另一实施例的一改良式多光子荧光(m-MPF)显微镜通过输入/输出光谱的工作原理与设计；
图1C为一实施例的一偏光板多层结构的示意图；
图2A和图2B分别为耐久性良好和耐久性差的偏光板，及偏光板的标靶材料的对应浓度分布；
图3为本发明一实施例的改良式双光子荧光显微镜所测量的一偏光板(试样)的穿透频谱；
图4为本发明一实施例的改良式多光子荧光显微镜装置的示意图；
图5为本发明一实施例的一种检查物体的方法流程图；
图6A和图6B为利用实施例的改良式双光子荧光(m-TPF)显微镜，分别对耐久性良好和耐久性差的偏光板进行深度(沿z-方向)扫描轨迹的实验结果图；
图7A和图7B分别为耐久性良好和耐久性差的偏光板的显微镜影像图，其中偏光板包括PVA层；
图7C为通过实施例的m-TPF显微镜所获得的一偏光板在x-z平面的二维虚拟切片影像图。
符号说明
10、20、20’：偏光板
11a、11b、21a、22b：三醋酸纤维素(TAC)膜
12、22、22’：聚乙烯醇(PVA)层
13、23：感压胶(PSA)层
Ls：扫描轨迹
C1、C2：实验曲线
Cideal：理想曲线
RL：线性吸收区域
RTPA：双光子吸收区域
401：平台组件
402：光源
403：镜头组件
ISO：光隔离器
L1、L2、L3：透镜
OBJ1、OBJ2：物镜
405：检测器
M1：第一反射镜
M2：第二反射镜
408：锁相放大器
501-504：步骤
TPF：双光子荧光
MPF：多光子荧光
具体实施方式
以下所公开的内容中，配合附图以详细说明实施例所提出的一种检查物体的方法和改良激光扫描显微镜(modified laser scanning microscopy)的装置结构。但实施例并不限制于此。然而本发明并不仅限于此，本发明并非显示出所有可能的实施例。可实施的细部结构和步骤可能有些不同，可在不脱离本发明的精神和范围内根据实际应用的需要而加以变化与修饰。因此，未于本发明提出的其他实施态样也可能可以应用。再者，附图上的尺寸比例并非按照实物等比例绘制。因此，说明书和图示内容仅作叙述实施例之用，而非作为限缩本发明保护范围之用。
本发明是关于一种非侵入式的分析方法，利用一多光子激发技术可分析一物体内的一标靶材料，以及提出可进行分析的装置。在本发明中，提出一种检查物体的方法和以改良式激光扫描显微镜测量物体的一装置。更进一步地说，实施例提出一种光学切层(optical sectioning)诊断方法以判断一试样中的某一特殊物质的存在，以及，在许多例子中，利用双光子激发技术可以量化该物质或呈现试样的一标靶材料沿着检测轨迹的分布曲线。实施例中也提出一种可进行前述测量的装置。实施例的方法是一种迅速和可信赖的方法，可以即时和高精准度的分析光学物件的一标靶材料(例如分析相关离子浓度，或呈现深度-浓度的分布曲线)，因而能及时和准确的改进光学物件的性质。因此，应用此光学物件的元件具有可信赖的操作表现，并可满足元件操作所需的要求。
本发明可以应用在具有待检测物体的各种不同应用中，例如光学物件，特别是适合应用于光学物件具有在多光子吸收(multi-photon absorption)期间会产生非辐射(/非荧光放射)情况的材料。实施例中，一具有掺杂离子的光学基板，例如包括碘染色的聚乙烯醇(PVA)高分子膜的一偏光板，提出做为一示例。但本发明并不仅限制于偏光板应用。再者，实施例中，一改良式双光子荧光(modified two-photon fluorescence，m-TPF)显微镜，可用来追踪于透明光学基板内部深处掺杂离子浓度。然而，其他多光子荧光显微镜，例如三(或更多)光子荧光显微镜，也可被改良和使用于相关应用中。本发明并不仅限制于使用m-TPF来分析待检测物体。
实施例所提出的检查方法与传统双光子荧光显微镜的激发光子的荧光测量完全不同。在此实施例的检查方法中，使用一脉冲光的光源以对包括一标靶材料的一物体进行照射，通过同时吸收激光光束的多个入射光子因而产生标靶材料的分子激发。物体的标靶材料造成的多光子吸收(multi-photon absorption，MPA)效应可通过入射物体的光线与穿过物体后的光线衰减(attenuation)的比较而迅速获得。因此，根据多光子吸收效应，可迅速检测出物体的标靶材料的存在。根据实施例，脉冲激光光束聚焦于物体处，其中标靶材料同时吸收n个激光光束的入射光子。然后，分析自物体发出的一输出光的光密度(lightdensity)，以决定多光子吸收效应的变化，其中输出光波长约为入射光波长λ(输出光的波长范围例如是0.8λ至1.2λ之间)。据此，可获得物体的标靶材料沿着检测轨迹的相对浓度或浓度分布。以双光子(TPA)吸收为例，TPA效应与靠近聚焦平面的小体积的局部离子浓度成比例，且可通过测量激发入射光子的强度损失而直接检测。实施例中，以偏光板的碘染色PVA高分子膜为示例作说明。通过简单改变偏光板与m-TPF显微镜的聚焦物镜之间的相对位置(例如：在z-方向进行扫描，其垂直于偏光板延展的xy-平面)。掺杂离子(例如碘染色离子)于轴向上(ex:z-方向)的分布，其可用来区分一偏光板的耐久性，可以迅速和准确的以一种非侵入式的方法进行测量。再者，相较于传统对切片试样的显微镜影像，使用实施例的方法，不需要进行物理切片也可以得到相关离子浓度的2D组织切片影像(i.e.结合于不同焦平面所检测到的MPA效应结果的一虚拟影像)。结果显示，实施例的改良式双光子荧光(m-TPF)方法在快速和非侵入式的监控光学物件(例如光学基板)内的掺杂离子空间分布上具有很大潜力，因此本发明对于科学研究和工业发展的应用上都有很大助益。
以下进一步叙述工作原理。改良式多光子荧光(modified multi-photonfluorescence，m-MPF)显微镜(例如二个、三个或更多个光子)可应用于本发明中。以下叙述双光子荧光显微镜与多光子荧光显微镜的工作原理。请参照图1A、图1B和图1C。
图1A为本发明一实施例的一改良式双光子荧光显微镜通过输入/输出光谱的工作原理与设计。具有波长λ和强度I0的激发入射光子(pumped incident photons)的输入光谱显示于图1A的左侧(即双光子吸收前部分)。通过一光学物件例如透明基板的内部局部掺杂物的双光子吸收过程，飞秒激光和双光子荧光的输出光谱显示于图1A的右侧(即双光子吸收后部分)。在某些情况下，对于一对较低能量光子进行双光子吸收后会产生非辐射(/非荧光放射)程序，而非双光子荧光程序。再者，具有较高光子能量的双光子荧光信号可能会被再吸收或不会穿透基板。由于这两个理由，在此实施例中，通过测量激发入射光子于某特定波长(例如波长λ)的光强度损失来检测局部离子浓度。据此，可通过检测激发入射光子的光强度损失来映射和得到光学物件的掺杂离子(i.e.标靶材料)浓度。
图1B为本发明另一实施例的一改良式多光子荧光显微镜通过输入/输出光谱的工作原理与设计。类似于上述双光子荧光显微镜的工作原理，具有波长λ和强度I0的激发入射光子的输入光谱显示于图1B的左侧(即多光子吸收前部分)。多光子吸收(MPA)的飞秒激光和多光子荧光(MPF)的输出光谱显示于图1B的右侧(即多光子吸收后部分)。图1B中，“n”表示n个光子吸收；举例来说，若应用一改良式三光子荧光(modified three-photonfluorescence)显微镜，则n等于3。类似的，通过测量激发入射光子于某特定波长(例如波长λ)的光强度损失来检测物体内的局部离子浓度。
图1C为一实施例的一偏光板10多层结构的示意图。自偏光板表面到液晶显示面板，偏光板10例如是包括经表面处理的一三醋酸纤维素膜(tri-acetyl cellulose film，TAC film)11a、一单轴聚乙烯醇(uniaxial poly vinyl alcohol，PVA)层12、一三醋酸纤维素膜11b做为视觉补偿层和感压胶层(pressure sensitive adhesive，PSA)13，如图1C所示。这些功能层组成一复合多层偏光板10。除了厚的单轴PVA层(ex:25μm)，其他层对于可见光和近红外线(NIR)光都是高度透明。虚线Ls代表一改良式多光子荧光显微镜的一扫描轨迹，且此扫描轨迹在z-方向延伸(i.e.垂直于xy-平面)。
在实施例的实验中，耐久性良好和耐久性差的两种偏光板都进行测试。请参照图2A和图2B，其分别为耐久性良好和耐久性差的偏光板，及偏光板的标靶材料的对应浓度分布。偏光板20/20’包括PVA层22/22’夹置于TAC层21a和22b，PSA层23形成于TAC层21b。如图2A所示，在耐久性良好的偏光板20中，碘染料离子均匀分布于PVA层22中(即图2A中斜线部分)，因此偏振消光比(polarization extinction ratio)可持续一长时间。图2A中，耐久性良好的偏光板20中碘染料离子的对应浓度分布以一实验曲线C1表示，其显示一个单一光强度低点(i.e.激发入射光子于波长λ的光强度损失峰值)。受限于多光子荧光显微镜的轴向分辨率(例如实施例的z-方向分辨率)，实验曲线C1近似但不完全等于理想曲线Cideal。如图2B所示，在耐久性差的偏光板20’中，碘染料离子丛聚于接近PVA层22’和TAC层21a/21b的界面(即图2B中斜线部分)，丛聚的碘染料离子容易随着时间而扩散至TAC层21a/21b，而随着碘染料离子逐渐扩散至TAC层21a/21b，将导致偏光板20’的偏光能力退化，因而对应用的液晶显示器的光学表现造成无法忽略的影响。图2B中，耐久性差的偏光板20’中碘染料离子的对应浓度分布以一实验曲线C2表示，其显示对应PVA层22’和TAC层21a/21b界面处的碘染料离子的两个光强度低点(i.e.激发入射光子于波长λ的两个光强度损失峰值)。图2A和图2B的结果显示，实施例的多光子吸收具有很大潜力，可以快速和非侵入式地监测物体内(光学物件例如上述示例的偏光板)的掺杂离子(例如碘染料离子)的空间分布。
以下进一步叙述波长或波段范围的选择。实施例的一改良式多光子荧光显微镜的波长选择由于和空间分辨率与深度切层能力(depth sectioning capability)相关，因此也是重要的一环。短波长的激发光在三维空间中具有较佳的空间分辨率，但若是激发光的波长过短，产生了线性吸收(linear absorption)效应而非多光子(MPA)吸收效应，将会破坏了实施例的自然深度探测能力。因此，在操作实施例的改良式多光子荧光显微镜前，需先测量试样的穿透频谱(transmission spectrum)。以一改良式双光子荧光显微镜为例，测量的试样(即偏光板)的穿透频谱如图3所示。图3的测量结果显示，在可见光波长范围(约400nm-约780nm)的穿透率在30％到40％范围内。这是因为在某一偏振方向的大部分的光子被偏光板的PVA层线性吸收(吸收轴)，垂直于偏振方向的其他光子则穿过偏光板(穿透轴)。当波长超过约900nm，偏光板整体的穿透率提升至约80％。图3也显示，当波长小于约780nm，即对应线性吸收区域RL(单光子吸收区域)，偏光板是高度吸收的。而在波长大于约900nm，偏光板是相当透明的。当激发一飞秒激光光束其波长大于约900nm，在焦点处单光子吸收效应被抑制而仅发生双光子吸收效应(TPA effect)，其中输出光波长大于约900nm是对应双光子吸收区域RTPA。因此，图3指出从400nm-800nm波长范围的区域(i.e.RL)是PVA层的碘染料离子的单光子吸收区域，而大于900nm的波长范围(i.e.RTPA)则产生双光子吸收的现象。据此，实施例的改良式双光子荧光(m-TPF)显微镜的激光激发光束的波长λ可为大于900nm至小于1600nm的范围内。另一实施例中，激光激发光束的波长λ在大于900nm但小于1200nm的范围内；例如(但不限制在)，一应用中为约1030nm(中心波长)。
据此，如应用一改良式多光子荧光(m-MPF)显微镜于实施例中，则使用于m-MPF显微镜的激光波长选择视标靶材料的光子吸收波长区域而定。例如，若测量到标靶材料的单光子吸收区域是在波长λ1至λ2(例如400nm-800nm)的区域，则双光子吸收区域则在波长2×λ1至2×λ2(例如800nm-1600nm)的区域，三光子吸收区域则在波长3×λ1至3×λ2(例如1200nm-2400nm)，多光子吸收区域则在波长n×λ1至n×λ2。再者，提供不同光子吸收的脉冲光源(例如一激光光源)，如提供双光子吸收和三光子吸收的脉冲光源，视欲达目的而可具有不同波长，不同的输出脉冲时间或脉冲能量。举例来说，应用于一改良式双光子荧光显微镜的一激光光源，其输出脉冲时间为250飞秒(fs)，而应用于一改良式三光子荧光显微镜的激光光源其输出脉冲时间的数值则更小。
图4为实施例的一改良式多光子荧光显微镜装置的示意图。然而图4仅为示例之用，并非限制实施例的改良式多光子荧光显微镜装置之用，其装置细节可以稍加调整或微幅改变亦可。一改良式多光子荧光显微镜装置至少包括平台组件(stage means)401；至少一同调性脉冲光(coherent pulsed light)的光源402(例如一激光光源)具有一光隔离器(isolator)ISO；镜头组件(lens means)403例如透镜L1、L2、L3和聚焦光线与收集光线的物镜OBJ1和OBJ2；以及检测器(detector)405。实施例中，光源402对一具标靶材料的物体的一试样位置照射一同调性脉冲光(ex:激光)，同调性脉冲光具有波长λ。镜头组件403将同调性脉冲光的焦点聚焦于该物体的标靶材料的一物镜平面上，因而造成标靶材料可同时吸收同调性脉冲光的至少2个或更多个光子而产生荧光光子。不同于传统的多光子荧光显微镜，实施例的改良式多光子荧光显微镜装置中以检测器405对物体发出的一输出光进行分析，其中被分析的输出光的波长范围在0.8λ至1.2λ之间。例如，被分析的输出光波长范围近似于入射光的波长λ。一实施例中，被分析的输出光波长范围在0.9λ至1.1λ之间。一实施例中，以检测器405检测脉冲光通过物体(ex:偏光板)后于波长λ所发出的一输出光的光强度，以得到波长λ的激发入射光子的光强度损失(intensity loss of the pumped incidentphotons)(请同时参照图1A和图1B)。
再者，实施例的改良式多光子荧光显微镜装置还包括滤光组件406，例如一片或多片有色玻璃滤光片(color glass filters，CGF)以过滤掉自物体(ex:偏光板)发出后波长小于0.8λ和/或大于1.2λ的光。一实施例中，滤光组件406过滤掉自物体发出后波长小于0.9λ和/或大于1.1λ的光。一实施例中，滤光组件406过滤掉自物体发出后波长小于λ和/或大于λ的光。因此，除了使用单片有色滤光片(光学滤片)，也可采用二片或更多片的有色滤光片于实施例的改良式多光子荧光显微镜装置中，以过滤掉待分析输出光的波长以外的光线。
再者，实施例的改良式多光子荧光显微镜装置还包括反射镜组件(mirror means)例如第一反射镜M1和第二反射镜M2以引导同调性脉冲光沿一光路前进，其中第一反射镜M1引导同调性脉冲光至镜头组件403，以造成同调性脉冲光于物镜平面上撞击物体的标靶材料。第二反射镜M2引导通过物体后自物体发出的同调性脉冲光至检测器405处。另外，检测器405可进一步连结至一锁相放大器(lock-in amplifier)408以提高注入信号对杂讯的比例。
图5为本发明一实施例的一种检查物体的方法流程图。根据实施例，步骤501是提供一物体，此物体包括一标靶材料(例如具有一PVA层的一偏光板，PVA层中包括碘染色离子)。步骤502是对物体的一试样位置照射一激光光束，此激光光束具有波长λ。步骤503是聚焦激光光束的焦点于物体的试样位置上，标靶材料同时吸收n个激光光束的入射光子而产生分子激发，其中n等于或大于2。然后，步骤504是以一检测器分析自物体发出的一输出光，其中分析的输出光波长范围在0.8λ至1.2λ之间。例如，当激光光束通过物体(例如光学物件)后自物体发出后，输出光的光强度被检测器所检测，以得到波长λ的激发入射光子的光强度损失。一实施例中，激光光束的波长λ大于900nm。一些实施例中，激光光束的波长λ在大于900nm但小于1600nm的范围。一些实施例中，激光光束的波长λ在大于900nm但小于1200nm的范围。再者，一实施例的检查物体的方法可还包括过滤输出光的步骤，在激光光束通过物体并自物体发出后，滤光组件406(显示于图4，例如一或多个光学滤片)滤掉输出光的波长在0.8λ-1.2λ范围以外的部分。例如将输出光的波长实质上为λ以外的部分滤掉。
实施例中，假设位于平台组件上的物体(例如偏光板)具有一表面，此表面平行于xy-平面，实施例的方法包括在垂直于xy-平面的z-方向对位于试样位置的物体进行扫描，且每次扫描包括前述步骤502(照射步骤)、步骤503(聚焦步骤)和步骤504(分析步骤)，通过非侵入式的方式可获得物体(例如偏光板)内的标靶材料(例如碘染料离子)在z-方向上的轴向分布。
再者，对于一待检测物体，可以选择多个试样位置进行检测。因此，根据一实施例的检查物体的方法可包括：选择其他试样位置；对选择的试样位置进行如上述的照射步骤、聚焦步骤和分析步骤，并且沿z-方向扫描位于选择的试样位置的物体。
以下提出其中一组实验设置和实验结果，实验设置中包括实施例的一改良式双光子荧光(m-TPF)显微镜装置的相关元件。然而该些数值与相关元件的规格仅作参考之用，并非用以限制本发明。
<实验设置和实验结果>
如图4所示，应用于一实施例的m-TPF显微镜的光源402为一掺镱激光(compactYtterbium laser)并具有光隔离器(isolator)ISO，其输出脉冲时间250飞秒(fs)和中心波长1.03μm。.光源402输出激光光束的偏振态通过一四分之一波板转变成圆偏振。并采用一组透镜L1和L2以扩张光束，使最大光圈的聚焦物镜OBJ1可用来使侧边(x和y)和轴向方向(z-方向)的空间分辨率最大化。聚焦物镜OBJ1具有数值孔径0.75(NA值)。剩余的激发入射光子(中心波长1030nm)则被数值孔径0.9NA的另一聚焦物镜OBJ2所收集，并聚焦于一信号未放大的检测器405(型号DET 36A，购自Thorlabs公司)。试样的平均功率衰减至1mW以避免碘离子染色的PVA高分子膜受到光子漂白和光子破坏。一长波通有色玻璃滤光片(RG-850；i.e.滤光组件406)放置在检测器405前，以过滤掉背景中不需要的可见光波长杂讯。通过扫描偏光板与聚焦物镜OBJ1的相对位置，可测量出PVA膜内的碘染料离子在z-方向上的轴向分布。从高斯光束和实验参数，达计算的绕射极限的光点大小(2ω0)以及对应的聚焦深度b分别为1.65μm和6.22μm。
在双光子显微镜中，由于TPF或TPA的强度等于1.03μm激发高斯光束的强度平方，在x、y和z方向上的空间分辨率上会小于传统显微镜的空间分辨率。改良式TPF显微镜于x、y方向上的空间分辨率为0.57μm，其等于ω0除以√2。另一方面，z方向上的空间分辨率，定义为TPF或TPA强度的半高宽值，等于0.643b。在此示例中，轴向分辨率为4.13μm。
由于碘掺杂离子于轴向上的分布状态与偏光板的耐久性有关，如能即时测量碘掺杂离子于深度方向(z方向)上的分布将对于了解偏光板性质有很大的助益。在耐久性良好的偏光板中，碘染料离子是均匀地分散在PVA层中。相反的，在耐久性差的偏光板中，PVA层中的碘染料离子可能是丛聚于接近PVA层和TAC层的界面。这些丛聚的碘染料离子随着时间过去容易扩散至TAC层因而导致偏光板的偏光性质消失，进而使应用的液晶显示面板的对比值(contrast ratio)和色调平衡(hue balance)退化。因此，在偏光板的制造过程中即时地检测碘离子深度分布(depth-dependent iodine traces)是很重要的。如果观察到碘离子有任何不寻常的轴向分布，则可即时地中止或改善制造过程，以节省成本和时间。
图6A和图6B为利用实施例的改良式双光子荧光(m-TPF)显微镜，分别对耐久性良好和耐久性差的偏光板进行深度(沿z-方向)扫描轨迹的实验结果。实验中，在z-方向的步进尺寸为1μm。实施例根据扫描轨迹上与深度相关的激发光子强度损失，可以监测到碘染色离子的轴向分布，进而在包装前就能以此种迅速又非侵入式的检测方式预测到偏光板的耐久性。图6A和图6B显示于耐久性良好和耐久性差的偏光板中，由于在碘离子发生强烈的TPA效应，其剩余激发入射光子中光强度下降的最大值分别为2.5％和1.7％。图6A和图6B中碘染色层的测量宽度，定义为扫描过程中TPA效应发生的起始点和终点，皆为31μm，此与碘染色层的厚度25μm和计算的m-TPF显微镜4.1μm轴向分辨率的结果相符。对深度有关的一激发光强度损失其撷取时间(acquisition time)约1分钟，此受限于锁相放大器408(型号SR830，美国斯坦福)的积分时间和控制软件(Labview 2010，美国国家仪器股份有限公司)的程序时间。
从图6A和图6B测量的z-轨迹结果可看出，实施例的方法提供了一种快速且有效的方式，可于碘离子掺杂的制造过程中监测偏光板品质，而无须使用具破坏性且十分耗时的物理取样进行检测。再者，实施例的一改良式多光子荧光(m-MPF)显微镜，例如所述的改良式双光子荧光(m-TPF)显微镜，在对于掺杂有离子态光学物件(例如激光晶体和有机发光二极管的发光元件)的品质进行非侵入式的监控或预测的应用上具有很大潜力。
虽然z方向相关的扫描轨迹足以用来判断偏光板的耐久性，实验中仍进行了影像比对。图7A和图7B分别为耐久性良好和耐久性差的偏光板的显微镜影像，其中偏光板包括PVA层。图7C则为一偏光板在x-z平面的二维虚拟切片影像，此影像是以一实施例的m-TPF显微镜检测物体在不同聚焦平面所产生的TPA效应，将该些TPA效应结果经过再建构而得。图7A-图7C中所有影像尺寸为100μm×100μm。PVA层则垂直地置于三个影像的中心，其厚度为25μm。
在传统检查方式中，需要进行侵入式和耗费时间的采样准备才能获得如图7A和图7B所示的显微镜影像，包括移除、切片、固定和以显微镜观察PVA层中的染色分布。因此，无法在缺少专业技术和特殊切片机器的情况下进行。图7A是碘掺杂物均匀分布在一耐久性良好的偏光板的PVA层中的显微镜影像。相反的，图7B是一耐久性差的偏光板中碘掺杂物丛聚于接近PVA层和TAC层的界面的显微镜影像。除了耗费时间，传统方式所得到的显微镜影像也相当小，因此需要专业技术操作者才能判断偏光板的耐久性是否良好。而实施例提出的使用激光扫描的检查方式与其改良式多光子荧光显微镜装置解决了上述问题。图7C则显示以一实施例的m-TPF显微镜所得到的一偏光板在x-z平面的二维虚拟切片影像。如图7C所示，可以容易地分辨出碘离子的分布。其中，PVA层中大部分的碘离子都均匀地分布，因此偏光板的耐久性良好。在靠近如图7C所示的影像底端，PVA层中一小部分(虚线圈选处)碘离子没有均匀分布。如果在制作工艺中此瑕疵没有即时地被检测出来并中止制作工艺，则应用此瑕疵偏光板的液晶显示面板有很高的机率会有白点或黑点产生。
根据所述，实施例提出一种检查物体的新方法和以一改良式激光扫描显微镜装置测量物体的标靶材料(例如位于光学物件内部的离子分布)。如上示例的观察偏光板内部的PVA层的碘离子浓度，使用实施例的改良式多光子荧光显微镜装置可以快速和非侵入式地测量到碘离子的一维和二维空间分布。实验结果清楚显示，可以从实施例的非切片检测方法所观察到的碘离子一维空间分布清楚了解和区分出偏光板的品质。而示例的实验结果也显示，实施例对于物体的标靶材料(例如掺杂离子的光学物件)的空间分布进行不耗时、快速和非破坏式监测的应用上十分具有潜力，因此不论是在科学研究上帮助获得更多欲知的掺杂离子的空间分布，或是工业应用上在制造光学物件期间协助即时找到问题所在，都有极大助益。
其他实施例，例如多光子荧光显微镜的相关元件具有不同构型或设置也可能可以应用，可视应用时实际状况而作适当选择与改变。因此，如图4所示的元件安排与设置仅作说明之用，并非用以限制本发明欲保护的范围。相关技术者当知，标靶材料所吸收光子的数目(ex:2个、3个或更多个光子)、物镜孔径的数值、相关层的厚度数值、空间分辨率数值、轴向分辨率数值…等等，并不限于图示与上述示例的说明，而可根据实际应用时的需求和/或制作工艺作相应调整。
综上所述，虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (20)

1.一种检查物体的方法，包括：
提供包括一标靶材料(target material)的该物体；
对该物体的一试样位置(sampling position)照射一激光光束，该激光光束具有波长λ；
聚焦该激光光束的一焦点(focal point)于该物体的该试样位置上，通过同时吸收n个该激光光束的入射光子而产生该标靶材料的分子激发，其中n等于或大于2；以及
以一检测器分析自该物体发出的一输出光(output light)，其中分析的该输出光的波长范围在0.8λ至1.2λ之间。
2.如权利要求1所述的方法，其中该激光光束的波长λ大于900nm。
3.如权利要求1所述的方法，其中该激光光束的波长λ在大于900nm但小于1600nm的范围内。
4.如权利要求1所述的方法，其中该激光光束的波长λ在大于900nm但小于1200nm的范围内。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
在进行分析前，以一光学滤片(optical filter)滤掉波长小于0.8λ或大于1.2λ的光，或是以至少两该光学滤片滤掉波长小于0.8λ或大于1.2λ的光。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
在该输出光自该物体发出后，以一光学滤片(optical filter)滤掉波长小于λ或大于λ的光，或是以至少两该光学滤片滤掉波长小于λ或大于λ的光。
7.如权利要求1所述的方法，其中该物体具有平行于xy-平面的一表面，该方法包括：
在垂直于该xy-平面的z-方向对位于该试样位置的该物体进行扫描，且每次所述扫描包括前述照射步骤、聚焦步骤和分析步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述分析步骤包括：
以该检测器检测该输出光的一光强度，以获得该激光光束于波长范围0.8λ至1.2λ的入射光子的一光强度损失。
9.如权利要求1所述的方法，其中n等于2。
10.如权利要求1所述的方法，其中该物体为一偏光板，该标靶材料为掺杂的碘离子。
11.一种以多光子激发技术测量物体的装置，包括：
平台组件(stage means)以置放包括一标靶材料的该物体；
至少一同调性脉冲光的光源(source of coherent pulsed light)具有波长λ；
镜头组件(lens means)，经一物镜平面(object lens plane)聚焦该同调性脉冲光于该物体的一试样位置，因而造成该标靶材料同时吸收该同调性脉冲光的n个光子，其中n等于或大于2；以及
检测器(detector)，检测该物体发出的一输出光的光强度，其中该输出光的波长范围在0.8λ至1.2λ之间。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述的至少该同调性脉冲光，其波长λ大于900nm。
13.如权利要求11所述的装置，其中所述的至少该同调性脉冲光，其波长λ在大于900nm但小于1600nm的范围内。
14.如权利要求11所述的装置，其中所述的至少该同调性脉冲光，其波长λ在大于900nm但小于1200nm的范围内。
15.如权利要求11所述的装置，还包括
滤光组件(filter means)，可在该同调性脉冲光自该物体发出后，滤掉波长小于0.8λ或大于1.2λ的光。
16.如权利要求11所述的装置，还包括：
滤光组件，滤掉自该物体发出的波长小于λ或大于λ的光。
17.如权利要求11所述的装置，其中该物体具有平行于xy-平面的一表面，该平台组件包括一可移动式平台(moveable stage)使该试样位置的该物体可在垂直于该xy-平面的z-方向上被扫描。
18.如权利要求11所述的装置，还包括反射镜组件(mirror means)以引导该同调性脉冲光沿一光路前进，该反射镜组件包括：
第一反射镜，引导该同调性脉冲光至该镜头组件，以造成该同调性脉冲光于该物镜平面上撞击该标靶材料；以及
第二反射镜，引导自该物体发出的该同调性脉冲光至该检测器。
19.如权利要求11所述的装置，其中n等于2。
20.如权利要求11所述的装置，其中该物体为一偏光板，该标靶材料为掺杂的碘离子。
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