CN110388882A - 具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统 - Google Patents

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Abstract

一种具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，其系透过一机制使侦测光场具有沿特定轴向或径向之光强度梯度分布，并经由聚光透镜产生一离轴光场投射至一待测物上，进而产生一测物光场，透过物镜导引至图像捕获设备，产生相应的图像。该相应的图像经由微分相位衬度运算得到相应位置的相位，进而根据相位得知相应位置之深度信息，进而重建物体表面形貌。

Description

具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统
技术领域
本发明为一种显微技术，特别是指一种利用具有光强梯度分布的光场以 离轴照明的方式取得关于待测物的对应图像以进行相位量测的一种具等向 性转换函数之量化微分相位衬度显微系统。
背景技术
很多生物科学或材料科学想要观测的物体在非常差的衬度下具有弱相 位的特征，使得如果在没有染色(stain)的情况下，是很难观测到弱相位的特 征。现有技术中，这些弱相位物体可以在相位图像系统(phase imaging system) 中，使用空间率波的方式，被可视化观察。然而，利用相位衬度显微系统进 行相位量测被没有办法被量化(quantitative)，因为图像中的相位信息没有直 接从强度(intensity)信息中分离。因此，其中一种最常用的量化相位信息量测 的方式是利用干涉技术进行量测，然而，利用干涉技术需要高相干照明加上 光斑噪声效果，并且受限于空间分辨率。
另一种量化相位图像技术是微分相位衬度(differential phase contrast,DPC)显微系统，用以产生较佳的分辨率以解决传统干涉技术的缺点。现有 的DPC系统中，是利用弱对象转换函数(weak object transfer function)，来将 相位信息从强度信息中分离出来，进而透过成对的图像量化相位信息。
现有利用可见光源进行检测的典型DPC架构中，会利用半圆的图案， 来调制光源，其中半圆的图案，如图1A所示，可以利用光强度屏蔽或者是 可程序的LED数组来进行调制。另一种方式是利用设置在物镜的傅立叶平 面(Fourier plane)的空间光强度调制模块(spatial light modulator,SLM)或者是 液晶面板来产生侦测光。关于半圆图案的光强度屏蔽的光谱调制系利用希尔 伯特转换(Hilbert transform)，这种转换技术已经被证实具有能力在相干雷射 照明以及在物镜的傅立叶平面上设置空间光强度调制模块的条件下取得具 有等向相位衬度反应(isotropic phase contrast response)的相位。
现有技术中，有利用图1A与图1B的双轴像的半圆来进行量测，然而， 在部分相干照明(partially coherent illumination)下，DPC转换函数(DPC transfer function)在仅用两轴向(垂直和水平轴)的半圆光强度屏蔽下，会因 为频谱的不完全会造成非等向的转换函数。位了解决这个问题，如图1C所 示，就必须要进行到高达十二轴向变化的光强度屏蔽00～11来进行量测，以 增加在相位还原运算时的稳定度和准确度。此外，由于利用半圆形光强度屏 蔽需要进行高达十二轴向的光强度变化，因此在量测效率上也大为降低，不利于生产在线的检测。
综合上述，本发明为解决在可见光源的DPC中所具有的问题，因此需 要一种具等向性转换函數之量化微分相位對比显微系統，来解决现有技术之 缺陷。
发明内容
本发明提供一种具等向性强度转换函数之量化微分相位衬度显微系统， 其系利用一光强度调制模块产生至少一对屏蔽，每一对屏蔽其系具有非对称 且关于同一轴上在径向具有光强度梯度分布的第一与第二屏蔽，用以调制入 射光，再导引通过该光强度调制模块之入射光对待测物进行离轴照明之后， 所形成的物光通过物镜被图像捕获设备所采集产生相应每一对屏蔽的一对 图像。由于本发明部分相干照明，因此仅透过至少一对不同的光强度梯度分 布屏蔽，经过转换可以得到等向性转换函数，还原待测物上每一个侦测位置 的相位，进而可以得知其表面形貌特征，因此本发明具有节省量测所需的时 间，降低相干光斑的噪声，强化分辨率等效果。
本发明提供一种具等向性强度转换函数之量化微分相位衬度显微系统， 其系藉由一光源模块产生具有多道色光所构成的侦测光场，该多道色光中的 一第一色光是沿一第一轴向朝向一第一方向具有一强度渐增之梯度分布的 色光，该多道色光中的一第二色光是沿该第一轴向朝向与该第一方向相反之 第二方向具有一强度渐增之梯度分布的色光，透过该第一色光与该第二色光 之组合通过聚光镜产生离轴照明投射至一待测物，在经由物镜而被图像捕获 设备采集成像，在透过色彩分离的机制，形成用以进行量化微分相位衬度运 算，而得知待测物表面形貌特征。透过此种方式，可以藉由一次快门取像的 方式得到两张对应不同梯度分布的图像，节省量测所需的时间，降低相干光 斑的噪声，强化分辨率等效果。
在一实施例中，本发明提供一种具等向性转换函数之量化微分相位衬度 显微系统，包括有一光源、一光强度调制模块、一聚光透镜、一物镜以及一 图像采集模块。该光源，用以产生一入射光场。该光强度调制模块，用以根 据一控制信号产生沿着径向具有光振幅梯度变化的至少一调制图案来调制 该入射光场，使该入射光场形成一侦测光场。该聚光透镜，设置于该光强度 调制模块之一侧，使得该光强度调制模块位于该聚光透镜之傅立叶平面上， 该聚光透镜用以接收该侦测光场，并产生一离轴光场投射至一待测物上，进 而产生一测物光场。该物镜，设置于该聚光透镜之一侧，使该待侧物位于该 物镜之焦距上，该物镜接收该测物光场。该图像采集模块，与该物镜耦接， 用以接收该测物光场，而产生相应该光振幅梯度变化的一光学图像。
在一实施例中，该聚光透镜具有一第一数值孔径值，该物镜具有一第二 数值孔径值，该第一与该第二数值孔径比值为介于部分相干照明之范围。
在一实施例中，其系更包括有一运算处理单元，用以产生该控制信号使 该光强度调制模块产生沿径向具有光振幅梯度变化的至少一调制图案，其中 该至少一调制图案包括有以至少一轴向为对称轴之第一光振幅梯度变化调 制图案与第二光振幅梯度变化调制图案，该运算处理单元对图像采集模块所 采集之相应于该第一光振幅梯度变化调制图案与该第二光振幅梯度变化调 制图案的第一光学图像与第二光学图像进行一微分相位衬度运算，进而重建 该待测物之光学厚度信息。
在一实施例中，其中光强度调制模块产生该径向具有光振幅梯度变化的 方式系以该入射光场之光轴为中心以一特定长度为半径沿该光强度调制模 块之径向产生具有该光振幅梯度变化的该调制图案。
在一实施例中本发明提供一种具等向性转换函数之量化微分相位衬度 显微系统，包括有一光源模块、一聚光透镜、一物镜、一图像采集模块以及 一运算处理单元。该光源模块，用以产生具有多道色光所构成的侦测光场， 该多道色光中具有一第一色光以及一第二色光，该第一色光是沿一第一轴向 朝向一第一方向具有一强度渐增之梯度分布的色光，该第二色光是沿该第一 轴向朝向与该第一方向相反之第二方向具有一强度渐增之梯度分布的色光。 该聚光透镜，设置于该光源模块之一侧，该聚光透镜用以接收该侦测光场，并产生一离轴光场投射至一待测物上，进而产生一测物光场。该物镜，设置 于该聚光透镜之一侧，使该待侧物位于该物镜之焦距上，该物镜接收该测物 光场。该图像采集模块，与该物镜耦接，用以接收该测物光场，而产生相应 该第一色光与该第二色光的一第一彩色图像与一第二彩色图像。该运算处理 单元，用以对该第一彩色图像以及该第二彩色图像进行进行一微分相位衬度 运算，进而重建该待测物之表面深度信息。
在一实施例中，该光源模块为发光二极体阵列，或者是该光源模块包括 有一宽频光源以及一光强度调制模块，该光强度调制模块位于该聚光透镜之 傅立叶平面上，用以接收该宽频光源产生之一宽频光，将其调制成该第一色 光与该第二色光。
附图说明
图1A至图1C为现有之光屏蔽与随着不同轴相变化示意图。
图2A为本发明之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统之光 学架构实施例示意图。
图2B为本发明之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统之另 一光学架构实施例示意图。
图3A～3B为本发明之沿第一轴向与第二轴向光强度梯度分布变化示意 图。
图4A至图4D为本发明第一色光与第二色光沿着不同轴相的光强梯度 分布示意图。
图5为图像采集模块所采集之第一与第二光学图像。
图6为利用本发明之多轴相位转换函数所得到的相位信息分布图像。
图6A为现有微分相位衬度显微系统所用的利用双轴半圆形屏蔽所构成 的相位转换函数仿真图。
图6B为本发明之微分相位衬度显微系统所用的利用双轴具有梯度分布 的屏蔽所构成的相位转换函数仿真图。
图6C则为现有技术和本发明之相位转换函数之强度相减的结果。
图7为本发明之微分相位衬度显微方法流程示意图。
图8为本发明之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统之光 学架构另一实施例示意图。
图9A～9F为光强度调制模块所产生之不同之调制图案示意图
图10为利用本发明之光振幅梯度变化调制图案与现有技术之半圆形调 制图案结果比较示意图。
图11是利用图8之光学系统对微球粒(microspheres)进行表面形貌量测 的结果示意图。
附图标记列表：00～11-半圆遮罩；2-微分相位衬度显微系统；20、20a、 20b-光源模块；200-宽频光源；200a-光源；201-光强度调制模块；21-聚光 透镜；22-物镜；24-图像采集模块；23-管状透镜；25-运算处理单元；90- 待测物；900-入射光场；901-侦测光场；902-离轴光场；903-测物光场；900a、 901a-第一色光；900b-第二色光；900c-第三色光。
具体实施方式
在下文将参考随附附图，可更充分地描述各种例示性实施例，在随附附 图中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现， 且不应解释为限于本文中所阐述之例示性实施例。确切而言，提供此等例示 性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发 明概念的范畴。相同的组件符号代表相同组件。以下将以多种实施例配合附 图来说明所述微分相位衬度显微系统与方法，然而，下述实施例并非用以限 制本发明。
请参阅图2A所示，该图为本发明之具等向性转换函数之量化微分相位衬 度显微系统之光学架构实施例示意图，在本实施例中，该显微系统2包括有一 光源模块20、一聚光透镜(condenser)21、一物镜22、一图像采集模块24以及 一运算处理单元25。该光源模块20，在本实施例中，包括有一宽频光源200 以及一光强度调制模块201，该宽频光源200用以产生一入射光场900，本实施 例中，该入射光场900为宽频光，例如：白光，但不以此为限制。该光强度调 制模块201位于该聚光透镜21之傅立叶平面上，用以接收该入射光场900，将其调制成具有多道色光所构成的侦测光场901。该光强度调制模块201可以选 择为一控制光穿透强度的液晶模块(TFT shield)或者是光反射式液晶模块(liquid crystal onsilicon,LCoS)，其内具有液晶单元，用以根据控制信号改变透光量以 及穿透的颜色。也就是透过控制信号控制对应不同红色、绿色与蓝色彩色滤光 元件的每一个液晶之转向以决定特定色光穿透的程度，形成具有多道色光所构 成的侦测光场901。
如图3A所示，其是通过该光强度调制模块201之后的侦测光场901之一 实施例示意图。在本实施例中，该多道色光中具有一第一色光900a以及一第二 色光900b，该第一色光900a在本实施例中为蓝光，该第二色光900b，在本实 施例中为红光，但不以此为限制。例如：在另一实施例中，该第一色光900a也 可以为绿光，该第二色光900b为红光，其系可以根据使用者之选择而定，因此 不以本发明所举的实施例为限制。从图3A中可以看出该第一色光900a是沿一 第一轴向Y朝向一第一方向+Y具有一强度渐增之梯度分布的色光，该第二色光900b是沿该第一轴向Y朝向与该第一方向+Y相反之第二方向-Y具有一强度 渐增之梯度分布的色光。而在该第一与第二色光900a与900b之外围的为第三 色光900c，本实施例为绿光。因此在图3A中，第一色光900a在越靠下方蓝色 光的成分越高，第二色光900b在越上方红色光的成分越高。
此外，该光强度调制模块201可以透过一控制信号改变轴向之方向，使得 色光改变梯度分布的方向。在一实施例中，如图3B所示，该第一色光900a是 沿一第二轴向X朝向一第一方向-X具有一强度渐增之梯度分布的色光，该第二 色光900b是沿该第二轴向X朝向与该第一方向-X相反之第二方向+X具有一强 度渐增之梯度分布的色光。而在该第一与第二色光900a与900b之外围的为第 三色光900c，本实施例为绿光。因此在图3B中，第一色光900a在越靠右方蓝 色光的成分越高，第二色光900b在越靠左方红色光的成分越高。此外，要说明 的是，图3A与图3B之轴向并不以XY轴向为限制，也可以为其他轴向，例如 和X轴或Y轴有夹角的轴向。要说明的是，虽然图示以两种色光作说明，在另 一实施例中，也可以为两种以上的色光。
此外，如图2B所示，该图为本发明之具等向性转换函数之量化微分相位 衬度显微系统之光学架构另一实施例示意图。在本实施例中，基本上与图2A 相似，差异的是，本实施例的光学模块20a为一发光二极体阵列，例如：微 发光二极体(micro-LED)阵列，但不以此为限制。该发光二极体阵列直接透 过控制信号使其产生如图3A或图3B的光学效果，直接产生具有多道色光所 构成的侦测光场901。
再回到图2A所示，该聚光透镜(condenser)21，设置于该光强度调制模块 201之一侧，以接收被该光强度调制模块201调制的侦测光场901。该光强度 调制模块201位于该聚光透镜21之傅立叶平面上，该聚光透镜21用以接收该 侦测光场901，并产生一离轴(off-axis)光场902投射至一待测物90上多个侦测 位置，进而产生关于该多个侦测位置之一测物光场903。该物镜22，设置于 该聚光透镜21之一侧，使该待侧物90位于该物镜22之焦距上，该物镜23接收 穿透该待测物90之该测物光场903。要说明的是，本发明的架构可以产生部 分相干照明(partially coherent illumination)，在一实施例中，产生部分相干照 明的条件是该聚光透镜21具有一第一数值孔径(numerical aperture,NA)值， 该物镜22具有一第二数值孔径值，该第一与该第二数值孔径的比值 (NAcondenser/NAobjective)为1或近似于1。利用部份相干照明可以产生优于现有 技术中相干照明的效果，例如:解析度强化、增加光学断层(optical sectioning) 效果以及减少相干光斑噪声(coherent specklenoise)。
该图像采集模块24与该物镜22耦接，用以接收该测物光场903，而产生 相应该强度梯度分布的一光学图像。本实施例中该图像采集模块24系透过一 管状透镜(tube lens)23与该物镜22耦接在一起。本实施例中的物镜22与管状 透镜23为一显微镜系统所具有的结构，该显微系统可以为商业用显微系统， 例如：莱卡(Leica),DMI3000的设备，但不以此为限制。要说明的是，有别 于现有技术一次采集对应一种光强度遮罩(如图1A～图1C)的图像，本发明之 特点在于透过光强度调制模块201或者是LED阵列的光源模块20a产生多种不同梯度分布的色光，因此该图像采集模块24采集的一张图像中，具有对应 多种梯度分布的色光的图像，因此只要透过适当的颜色后续处理，分离出每 一种颜色的图像，就可以透过一次图像采集的时间，得到多张要进行微分相 位衬度的图像，透过此种方式，可以藉由一次快门取像的方式得到多张对应 不同梯度分布的图像，节省量测所需的时间。
例如：图3A的侦测光场等同于如图4A与图4B的两种色光的组合。又以 图3B的侦测光场为例，等同于如图4C与图4D的两种色光组合。因此透过两 次的图像采集，就可以取得四张对应不同梯度分布的图像，节省量测所需的 时间。在图4A～4D所示的各个色光光强度梯度分布中，其中图4A为对应沿一 第一轴向Y，第二色光900b强度梯度分布、图4B为对应沿该第一轴向Y，第 一色光900a强度梯度分布、图4C为对应沿一第二轴向X，第二色光900b强度 梯度分布、图4D为对应沿该第二轴向X，第一色光900a强度梯度分布。透过 具有光强度梯度分布的控制可以解决现有的利用半圆形亮暗遮罩在每一轴 量测时，在中间轴向(middle-axis)所产生的强度跳跃(amplitude cross)的问题。
该运算处理单元25与该光强度调制模块201电性连接，用以产生控制信 号来控制该光强度调制模块201产生沿着不同轴向光强度梯度的色光组合， 例如：如图3A～3B所示之侦测光场901。该运算处理单元25为具有运算处理 能力的电脑、伺服器或工作站，可以从储存媒体中执行应用程式，对所采集 到的图像进行运算。此外，该运算处理单元25，更与该图像采集模块24电性 连接，用以接收该图像采集模块24所采集之关于测物光场的光学图像，以进 行微分相位衬度运算以得到该待测物90上每一个侦测位置的相位，进而重建 该待测物90之表面形貌或内部结构特征。以该待测物为微透镜阵列 (microlens array)为例，该图像采集模块24所采集到的图像如图5所示。该运 算处理单元25将对应不同色光组合的侦测光场所采集的图像，进行彩色校正 运算以及颜色分离，以形成对应图4A～4D不同单一色光强度梯度分布的光学 图像。藉由微分相位衬度运算得到如图6所示的相位信息分布图像。要说明 的是，颜色分离的方式可以透过运算处理单元25进行，或者是透过图像采集 模块24在采集图像时直接产生对应图4A～4D不同单一色光强度梯度分布的 光学图像，这些是可以根据使用者的选择而定。
请参阅图2A与图7所示，其中图7为本发明之微分相位衬度显微方法流 程示意图，在本实施例中，该方法3系以图2A的显微系统来进行物体表面微 分相位衬度显微量测。首先进行步骤30，提供如图2A或图2B所示的微分相 位衬度显微系统。接着进行步骤31使该宽频光源200产生一入射光场900投射 至该光强度调制模块201。接着进行步骤32控制该光强度调制模块201，根据 控制信号将该入射光场200调制成具有一强度梯度分布的侦测光场901，如图 3A所示。
接着进行步骤33，使该侦测光场901通过设置于光强度调制模块201一侧 的聚光透镜21。该光强度调制模块201位于该聚光透镜21之傅立叶平面上， 该聚光透镜21用以接收该侦测光场901，并产生一离轴光场902投射至一待测 物90上，进而产生一测物光场903。该待测物可以为细胞或者是微结构，本 实施例为微透镜阵列。接下来，进行步骤34，使该测物光场903被该物镜22 所接收，该待侧物90位于该物镜22之焦距上。接着进行步骤35，提供一图 像采集模块24与该物镜22耦接，用以产生对应图3A之光梯度分布的第一光 学图像，如图5左侧图所示。
接着进行步骤36，判断是否已经取得两张对应不同轴向光强度梯度分布 的图像，如果没有则进行步骤37，改变该光强度调制模块201的光强度梯度， 进而产生不同轴向光强度分布的侦测光场。例如：在本步骤中，使运算处理 单元25控制该光强度调制模块201，产生如图3B所示之侦测光场901。之后再 回到步骤33，并重复进行步骤至35以取得对应如图3B所示之侦测光场901的 第二光学图像，如图5右侧图所示。要说明的是，取得对应不同轴向的光学 图像张数系根据运算需求而定，一张(仅图3A或3B)也是可以进行后续运算，差别在于相位信息的准确度而已。
取得到两张分别对应两轴向梯度渐增与减弱的第一与第二光学图像之 后，接着进行步骤38，使该运算处理单元25进行运算处理分析，包括了颜色 分离与校正处理，要说明的是颜色分离与色彩校正系可利用现有之技术为 之，用以产生对应图4A～4D的光学图像，并进行运算以得到该待测物90上每 一个侦测位置的相位，进而重建该待测物之形貌或内部特征。在本步骤中主 要是将第一光学图像分成第一子光学图像与第二子光学图像，亦即分别对应 图4A与图4B之光强梯度分布的光学图像，而第二光学图像则被分成第三子 光学图像与第四子光学图像，亦即对应图4A与图4B之光强梯度分布的光学 图像。
在一颜色分离与校正处理的实施例中，由于第一与第二光学图像通过红 色，绿色和蓝色通道将原始白光过滤成三个分离的红色(R)色谱、绿色(G)色 谱和蓝色(B)色谱。并且每个颜色通道将携带不同的图像信息。然而，由光 强度调制模块201(TFT屏蔽)产生的色谱可能不完全匹配彩色图像采集模块 24(例如:彩色相机)的光谱响应。由于颜色泄漏现象，光强度调制模块201(TFT 屏蔽)的每一个颜色通道的光强度对其余相邻颜色通道产生影响。来自不同 颜色通道的颜色泄漏严重降低了重建的图像质量。由图像采集模块24收集的 RGB光强度可以如下式(1)配制。
其中是图像采集模块24光的强度，而是光强度调制模块 201(TFT屏蔽)的光强度，g代表每一种颜色RGB，光谱由图像采集模块24 的红色R,绿色G以及蓝色B通道，和TFT屏蔽之红色R,绿色G以及蓝 色B通道来决定。T是3×3传递矩阵，如下面的等式(2)所示，其将原始光 谱的强度传递到由图像采集模块24接收的强度。
在方程式(2)中，代表从光强度调制模块201(亦即TFT屏蔽)的各颜色 (RGB)通道υ泄漏到图像采集模块24的各颜色通道w的泄漏比，其中。可 以通过实验测量获得。为了在光通过图像采集模块24滤光器之前恢复原始 图像，将T的逆矩阵与从图像采集模块24接收的强度相乘。
通过泄漏校正，将显著改善重建图像的质量。因为每个彩色摄像机都有 不同的光谱响应，T和T-1会因不同的彩色图像采集模块24而不同。因此，每 个系统必须测量矩阵T一次以进行颜色泄漏校正。
在一实施例中，进行运算以得到该待测物上每一个侦测位置的相位更包 括有下列步骤：首先进行步骤370，由第一与第二子光学图像(例如：对应 图4A与图4B)上，对应每一侦测位置的光强度计算出第一相位衬度图像IDPC并进行傅立叶运算，以得到一转换第一相位衬度图像值其中i＝1， 代表第一轴向，r(x,y)则代表每一个侦测位置(x,y)，IDPC如下式(1)所示。
IDPC＝(I1-I2)/(I1+I2).….(1)
在本步骤中，式(1)中的I1为第一子光学图像中对应每一个侦测位置个光 强度值，I2为第二子光学图像中对应每一侦测位置的光强度值。
接着进行步骤371，由第三与第四子光学图像(例如图4C与图4D所对应 的光学图像)上，对应每一侦测位置的光强度计算出第二相位衬度图像IDPC并进行傅立叶运算，以得到一转换第二相位衬度图像值其中i＝2， 代表第二轴Y，r(x,y)则代表每一个侦测位置(x,y)，IDPC值则以上式(1)进行运 算。在本步骤中，式(1)中的I1为第三子光学图像中对应每一个侦测位置个光 强度值，I2为第四子光学图像中对应每一侦测位置的光强度值。
然后进行步骤372，计算该转换第一相位衬度图像值i＝1与一 第一转换函数HDPC,i,i＝1内积以及该转换第二相位衬度图像值i＝2 与一第二转换函数HDPC,i,i＝2内积的总合，其中HDPC,i如下式(2)所示，而步骤 372的总合则如下式(3)所示。
其中Hp,1(u)以及Hp,2(u)分别为关于每一轴向上的图像对，是亮场(lightfield)的背景，例如：第一与第二图像，或者是第三与第四图像，的S(u)上所 相应各遮罩的相位转换函数(phase transfer function,pTF)，而S(u)被定义为如 下式(4)所示：
S(u)＝m(u)circ(u/ρc)….(4)
其中，u＝(ux,uy)系定义为空间频率座标(spatial frequency coordinates)， m(u)则为光强度调制模块21所产生的遮罩的对应函数。ρc＝NAcondenser/λ， 其中NAcondenser代表聚光透镜22的数值孔径值，λ是入射光场的操作波长，而 circ(ξ)被定义为如下式(5)所示：
请参阅图6A至图6C所示，其中图6A为现有微分相位衬度显微系统所用 的利用双轴半圆形遮罩所构成的相位转换函数模拟图；图6B为本发明之微分 相位衬度显微系统所用的利用双轴具有梯度分布的遮罩所构成的相位转换 函数模拟图；图6C则为现有技术和本发明之相位转换函数之强度相减的结 果。在图6B中，第一图代表水平轴的相位转换函数图像(对应图4C与图4D 的转换函数)、第二图代表垂直轴的相位转换函数图像(对应图4A与图4B的 转换函数)以及第三图代表双轴的相位转换函数图像，而在图6B中，第一图 代表水平轴的相位转换函数图像、第二图代表垂直轴的相位转换函数图像以 及第三图代表双轴的相位转换函数图像。从图6A与图6B的双轴相位转换函 数图像可以看出，在图6A中，其转换函数的强度呈现非等相性的结果，而 本发明所呈现的转换函数的强度，则呈现出在部分相干照明的下，具有等向 性如同甜甜圈(donut)均匀分布的转换函数图像，因此本发明利用具有强度梯 度变化的遮罩所产生的转换函数图像可以降低相干光斑的噪声，强化解析度 等效果。
接着，进行步骤373，将该第一转换函数与第二转换函数的平方合与一 噪声抑制函数相加，形成如下式(6)的结果。
其中，代表噪声抑制函数，其系更进一步包含有 一高频抑制函数 为沿着纵轴及横轴的一阶微分操作子，以及 一低频抑制函数β×W(u)2。其中，代表缩放函数(scaling function)用以抑制低频噪声，σw为标准差。η、α与β为调节参数，在一实施 例中，其系分别为1、10-2～10-3以及10-3～10-4。
然后进行步骤374，对步骤(c)的总合除以步骤(d)相加所得的值。以及最 后进行步骤375，如下式(7)所示，对步骤(e)的结果进行傅立叶反转换以得到 对应每一侦测位置的相位。
取得每一个侦测位置的相位之后，即可以根据该相位值还原物体之特 征，例如：表面形貌。
有别于传统如下式(8)所示的解析方式，在方程式(9)中，HDPC,i代表转换 函数，而IDPC,i(r)则代表每一轴向的相位衬度图像，代表傅立叶转换运算。
本发明在现有的相位还原方程式中，更进一步的的将常数γ调整为以对利用本发明所取得的双轴图像对(第一与第二图 像以及第三与第四图像)进行高低频噪声的处理，提高相位还原的解析度。 得到每一个位置的相位信息φ(r)之后，即可以根据该相位信息还原出相应的 深度信息。相位与深度信息之关系是本领域技术之人所熟知的技术，在此不 作赘述。
前述的实施例是利用具有强度梯度分布的色光组合，来进行待测物侦 测，进而进行相位还原运算。除了前述的方式之外，在另一实施例中，可以 透过光学系统产生光振幅梯度变化的至少一调制图案来产生白光或单一色 光投射至待测物。如图8所示，该图是本发明之具等向性转换函数之量化微 分相位衬度显微系统另一实施例示意图。该系统与图2A相似，包括有光源 模块20b、聚光透镜21、物镜22以及图像采集模块24。该光源模块20b包括有 光源200a以及光强度调制模块201，该光源200a为宽频可见光源，如白光光 源，但不以此为限制，例如：单色可见光源也可以实施。该光强度调制模块 201，设置于该光源200a之一侧，其系根据控制信号产生具有可以调制入射 光场900光强度梯度分布的调制图案。本实施例的架构中，与前述架构的差 异在于，本实施例利用光强度调制模块201，产生沿着径向具有光振幅梯度 变化的至少一调制图案来调制该入射光场900，使该入射光场900形成一侦测 光场901a。此侦测光场901a与前述的侦测光场901差异在于前述的侦测光场 901是由光强度调制模块201控制对应不同滤波片(RGB)的液晶转向程度而 形成多个色光所构成，因此侦测光场901的光谱和入射光场901的光谱已经在 不同滤波片(RGB)的液晶转向下而相异，因而形成各种色光组合的侦测光场 901。而在图8实施例中的侦测光场901a和入射光场900的光谱则相同，因此， 如果光源200a所产生白光光场，则侦测光场901a也是白光，同样地，如果光 源200所产生的是单一色光，则侦测光场901a也是该单一色光。
要说明的是，本实施例中的该至少一调制图案包括有以至少一轴向为对 称轴之第一光振幅梯度变化调制图案与第二光振幅梯度变化调制图案。每一 调制图案包括有以至少一轴向为对称轴之第一光振幅梯度变化调制图案与 第二光振幅梯度变化调制图案。在一实施例中，如在图9A～9F所示，其是光 强度调制模块所产生之不同之调制图案示意图。该径向具有光振幅梯度变化 的方式系以该入射光场之光轴为中心以一特定长度为半径沿该光强度调制 模块之径向产生具有该光振幅梯度变化的该调制图案。如图9A所示，该入 射光场之光轴C为该调制图案中心，特定长度R作为半径，沿着径向W进行 光振幅梯度变化的调制，而该轴向A1则为和水平轴具有夹角的方向。在图 9A中，以该轴向A1为界，右半部的梯度变化为逆时针方向越来越强，左半 部的梯度变化为逆时针方向越来越弱。如图9B所示，其轴向A1与图9A相同， 差异的是光振幅梯度变化的调制方向与图9A相反。如图9C与图9D所示，基 本上与图9A与图9B类似，差异在于其轴向A2在水平方向。在图9C中，以该 轴向A2为界，上半部的梯度变化为逆时针方向越来越弱，下半部的梯度变 化为逆时针方向越来越强，而图9D的梯度变化则和图9C相反。如图9E与图 9F所示，基本上与图9A与图9B类似，差异在于轴向A3。在图9E中，以该轴 向A3为界，右半部的梯度变化为逆时针方向越来越强，左半部的梯度变化 为逆时针方向越来越弱，而图9F的梯度变化则和图9E相反。
在回到图8所示，该聚光透镜21，设置于该光强度调制模块201之一侧， 使得该光强度调制模块201位于该聚光透镜21之傅立叶平面上，该聚光透镜 21用以接收该侦测光场901a，并产生一离轴光场902投射至一待测物90上， 进而产生一测物光场903。该物镜22，设置于该聚光透镜21之一侧，使该待 侧物90位于该物镜22之焦距上，该物镜22接收该测物光场903。该图像采集 模块24，与该物镜22耦接，用以接收该测物光场903，而产生相应该光振幅 梯度变化的一光学图像。搭配图9A～图9F所示，当该光强度调制模块201被 该运算处理单元25以控制信号调制成图9A的图案之后，图像采集模块24产 生相应的图像。接着，该运算处理单元25依序控制该光强度调制模块201调 制出图9B～图9F的调制图案，使得图像采集模块24采集相应的光学图像。
该运算处理单元25采集到6张相应于图9A～图9F的光学图像之后，将相 应于图9A与图9B之调制图案的光学图像为一组，将相应于图9C与图9D之调 制图案的光学图像为一组，相应于图9E与图9F之调制图案的光学图像为一 组，进行微分相位衬度运算，其运算法则如前述式(1)～(7)所示。
请参阅图10所示，该图为利用本发明之光振幅梯度变化调制图案与现有 技术之半圆形调制图案结果比较示意图。其中，图10(a-d)是现有半圆之调制 图案在不同的轴向的相位转换函数模拟图像，图10(e-f)分别代表使用现有两 轴(i＝1,2)以及三轴(i＝2,3,4)的相位转换函数强度之模拟图像。图10(g-j)是本发 明具有圆形径向梯度变化之调制图案在不同的轴向的相位转换函数模拟图 像，图10(k-l)分别代表使用本发明之两轴(i＝1,2)以及三轴(i＝2,3,4)的相位转换 函数强度之模拟图像。图10(m)则为图10(e)和图10(l)相位转换函数之相减之 结果。图10(n)则为图10(f)和图10(l)相位转换函数之相减之结果。从图10(e-f) 与图10(m-n)的相位转换函数强度图像可以看出，在图10(e-f)中，不管双轴或 三轴其转换函数的强度呈现非等相性的结果。要说明的是，现有技术中如果 要呈现等向性的转换函数强度图像，需要多达12轴(如图1C所示)，耗时费功。 而本发明所呈现的转换函数的强度，如图10(m-n)所示，则呈现出在部分相 干照明的下，具有等向性如同甜甜圈(donut)均匀分布的转换函数图像，而且 只需要两轴或三轴，相较于先前技术而言，轴向的数量大幅降低，增加检测 上的效率。
请参阅图11所示，其是利用图8之光学系统对微球粒(microspheres)进行 表面形貌量测的结果示意图。图11(a)是多个微球粒的图像，以其中一微球粒 (小方框)所框的白色圆形图像，而大方框则为其放大的图像，大方框中的虚 线代表截面线。而图11(b)则为虚线所对应的球体位置的相位差信息分布。水 平轴为虚线中微球粒的水平位置，垂直轴则为相位差。根据实际量测的结果， 我们量测出来的相位差在6.0rad,和预估的相位差值6.25只差4％，这应该是 每一个微球粒本身尺寸的误差以及球粒周边容易折射效果的影响所造成。由 此可以证明本发明的方式确实可以量测出待测物的表面关于深度的相位信 息，进而有助于表面形貌重建。此外也可以看出利用三轴的微分相位衬度运 算会比一轴的微分相位衬度运算来的更准确。
以上所述，乃仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段之较佳实 施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施之范围。即凡与本发明 专利申请范围文义相符，或依本发明专利范围所做的均等变化与修饰，皆为 本发明专利范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，包括有：
一光源，用以产生一入射光场；
一光强度调制模块，用以根据一控制信号产生沿着径向具有光振幅梯度变化的至少一调制图案来调制该入射光场，使该入射光场形成一侦测光场；
一聚光透镜，设置于该光强度调制模块之一侧，使得该光强度调制模块位于该聚光透镜之傅立叶平面上，该聚光透镜用以接收该侦测光场，并产生一离轴光场投射至一待测物上，进而产生一测物光场；
一物镜，设置于该聚光透镜之一侧，使该待侧物位于该物镜之焦距上，该物镜接收该测物光场；以及
一图像采集模块，与该物镜耦接，用以接收该测物光场，而产生相应该光振幅梯度变化的一光学图像。
2.如权利要求1所述之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，其中该光强度调制模块为一控制光穿透强度的液晶模块(TFT shield,或简称TFT屏蔽)或者是光反射式液晶模块(liquid crystal on silicon,LCoS)，其内具有液晶单元，用以根据控制信号改变透光量。
3.如权利要求1所述之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，其中该聚光透镜具有一第一数值孔径值，该物镜具有一第二数值孔径值，该第一与该第二数值孔径比值为介于部分相干照明之范围。
4.如权利要求1所述之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，其系更包括有一运算处理单元，用以产生该控制信号使该光强度调制模块产生沿径向具有光振幅梯度变化的至少一调制图案，其中该至少一调制图案包括有以至少一轴向为对称轴之第一光振幅梯度变化调制图案与第二光振幅梯度变化调制图案，该运算处理单元对图像采集模块所采集之相应于该第一光振幅梯度变化调制图案与该第二光振幅梯度变化调制图案的第一光学图像与第二光学图像进行一微分相位衬度运算，进而重建该待测物之表面深度信息。
5.如权利要求1所述之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，其中光强度调制模块产生该径向具有光振幅梯度变化的方式系以该入射光场之光轴为中心以一特定长度为半径沿该光强度调制模块之径向产生具有该光振幅梯度变化的该调制图案。
6.一种具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，包括有：
一光源模块，用以产生具有多道色光所构成的侦测光场，该多道色光中具有一第一色光以及一第二色光，该第一色光是沿一第一轴向朝向一第一方向具有一强度渐增之梯度分布的色光，该第二色光是沿该第一轴向朝向与该第一方向相反之第二方向具有一强度渐增之梯度分布的色光；
一聚光透镜，设置于该光源模块之一侧，该聚光透镜用以接收该侦测光场，并产生一离轴光场投射至一待测物上，进而产生一测物光场；
一物镜，设置于该聚光透镜之一侧，使该待侧物位于该物镜之焦距上，该物镜接收该测物光场；
一图像采集模块，与该物镜耦接，用以接收该测物光场，而产生相应该第一色光与该第二色光的一第一彩色图像与一第二彩色图像；以及
一运算处理单元，用以对该第一彩色图像以及该第二彩色图像进行进行一微分相位衬度运算，进而重建该待测物之表面深度信息。
7.如权利要求6所述之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，其系更透过一控制信号使该光源模块改变该第一轴向之方向以形成一第二轴向，进而使该第一色光是沿该第二轴向朝向一第三方向具有一强度渐增之梯度分布的色光，该第二色光是沿该第二轴向朝向与该第三方向相反之第四方向具有一强度渐增之梯度分布的色光。
8.如权利要求6所述之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，其中该聚光透镜具有一第一数值孔径值，该物镜具有一第二数值孔径值，该第一与该第二数值孔径比值为介于部分相干照明之范围。
9.权利要求6所述之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，其中该光源模块为发光二极体阵列，或者是该光源模块包括有一宽频光源以及一光强度调制模块，该光强度调制模块位于该聚光透镜之傅立叶平面上，用以接收该宽频光源产生之一宽频光，将其调制成该第一色光与该第二色光。
10.如权利要求9所述之具等向性转换函数之量化微分相位衬度显微系统，其中该光强度调制模块为一控制光穿透强度的液晶模块(TFT shield)或者是光反射式液晶模块(liquid crystal on silicon,LCoS)，其内具有液晶单元，用以根据控制信号改变透光量。
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