TW201346325A - 微型顯微鏡及其光學元件的製作方法 - Google Patents

Abstract

一種用於微型顯微鏡的光學元件的製作方法包括使一訊號光及一參考光入射至一光學材料；訊號光與參考光干涉使光學材料上形成複數光柵。本發明亦揭露一種微型顯微鏡。

Description

微型顯微鏡及其光學元件的製作方法

本發明係關於一種顯微鏡及其光學元件的製造方法，特別關於一種微型顯微鏡及其光學元件的製造方法。

在現行技術中，為了擷取並保留影像，多會利用二維的相片或影片等方式來進行。然而，當三維的影像被轉換為二維的影像時，對於人眼來說，就會產生影像失真的問題。因此，為了能使擷取保留的影像更接近人眼實際看到的三維影像，三維全像技術也被發展了出來。

如圖1所示為習知之數位全像裝置1示意圖。數位全像裝置1例如具有一分光鏡11及一影像擷取元件12。因此，當利用數位全像裝置1擷取一物體O的影像時，係先以一光源照射物體O產生一訊號光L1，訊號光L1由分光鏡11的一側入光，同時藉由一參考光L2由分光鏡11的另一側射入，以與訊號光L1產生干涉條紋而射出分光鏡11，之後，再藉由影像擷取元件12擷取干涉條紋以重建物體O影像的相位與強度分布。

然而，在習知的數位全像裝置1中，由於分光鏡11具有一定厚度，因此，物體O與影像擷取元件12間的距離無法更進一步地縮短，從而也會使得訊號光L1中的高頻部分在傳遞至影像擷取元件12前，由於影像擷取元件12為有限尺寸，故使得高頻繞射光無法被擷取。換言之，影像擷取元件12無法擷取訊號光L1中的高頻部分，進而使得還原後的物體O影像，會產生影像失真的問題。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能用以縮短影像擷取元件與物體間距之光學元件的製作方法，以及應用上述光學元件而可更為精確地還原物體影像的微型顯微鏡。

為達上述目的，依據本發明之一種用於微型顯微鏡的光學元件的製作方法包括使一訊號光及一參考光入射至一光學材料；訊號光與參考光干涉使光學材料上形成複數光柵。

在一實施例中，製作方法更包括曝光顯影光學材料。

在一實施例中，訊號光及參考光分別為一平面波或一球面波。參考光與訊號光可呈一夾角，光學材料可具有一導角。

在一實施例中，參考光經過一導光元件入射至光學材料。

在一實施例中，製作方法更包括移動一光罩以調整訊號光照射光學材料的光強度。

在一實施例中，製作方法更包括藉由一漸變式減光板調整訊號光照射光學材料的光強度。

在一實施例中，訊號光可分為一正面訊號光及一背面訊號光。

為達上述目的，依據本發明之一種微型顯微鏡包括一第一光學元件、一影像擷取元件、一計算元件及一顯示元件。一物光及一參考光係穿過第一光學元件形成一干涉光場分布。影像擷取元件接收干涉光場分布產生一影像訊號。計算元件接收影像訊號計算後產生顯示訊號，顯示元件接收顯示訊號以顯示一物體影像。

在一實施例中，第一光學元件係以如前述之製作方法製成。

在一實施例中，第一光學元件的材質係為玻璃或高分子材料。而第一光學元件可具有一微結構，參考光穿過微結構。微型顯微鏡可更包括一光學元件，參考光穿過光學元件後，入射第一光學元件。

在一實施例中，微型顯微鏡更包括一光源產生一同調光，同調光照射一物體產生物光，光源並可產生參考光。微型顯微鏡可更包括一第二光學元件及一導光元件。物體設置於第一光學元件與第二光學元件之間，同調光經過導光元件。

在一實施例中，微型顯微鏡更包括一反射元件，物體設置於反射元件之上。

承上所述，本發明之光學元件的製作方法係藉由光學材料來形成較薄的光學元件，藉此可縮短物體與影像擷取元件之間的距離，使影像擷取元件可接收到訊號光中的高頻部分，以提昇還原後物體影像的解析度。再者，因還原後物體影像的解析度可獲得提昇，當擷取物體的影像時，即可得到清晰的影像。且藉由本發明的光學元件可縮小裝置的體積，因此，可利用本發明的光學元件來製作微型顯微鏡。

以下將參照相關圖示，說明依本發明較佳實施例之一種光學元件的製作方法及微型顯微鏡，其中相同元件以相同元件符號說明。

請同時參照圖2及圖3A所示，其中圖2為本發明較佳實施例之一種用於微型顯微鏡的光學元件之製作方法的流程步驟圖，圖3A為本實施例之光學元件的製作過程示意圖。本實施例之用於微型顯微鏡的光學元件之製作方法包括步驟S01及步驟S02。步驟S01為使一訊號光L1及一參考光L2入射至一光學材料9；步驟S02為訊號光L1與參考光L2干涉使光學材料9上形成複數光柵。需注意的是，因形成於光學材料9中的光柵為微型結構(microstructure)，因此於以下圖示中皆未將光柵畫出。

光學材料9例如可為感光材料、光聚合物(photopolymer)或其他可由熔融態固化並記錄下干涉條紋的高分子聚合物材料。訊號光L1及參考光L2分別可為不限種類的波前，或者例如分別為一平面波或一球面波，球面波可為收斂球面波或發散球面波，依不同需求可應用不同波前的光，且訊號光L1及參考光L2可利用同一光源之相同或不同的波前。其中，訊號光L1為發散球面波較佳。

因此，藉由訊號光L1及參考光L2在光學材料9內干涉產生干涉條紋，再由光學材料9記錄以形成光柵。值得一提的是，光學材料9的振幅穿透率(amplitude transmittance)或折射率變化與光聚合物吸收光總能量相關。再者，若光學材料9利用光聚合物，則本實施例的製作方法更包括一步驟：曝光顯影光學材料9。因此，曝光完成後，光學材料9即會形成一光學元件。藉此，本實施例之所形成的光學元件的厚度即可比習知之分光鏡的厚度薄。

接著，請參考圖3A至圖3I所示，其分別為訊號光L1及參考光L2入射至光學材料9、9a的不同方式示意圖，以說明本發明之光學元件的不同製作方法。

如圖3A至圖3D所示，對應光學元件不同的應用及需求，製作光學元件時的訊號光L1與參考光L2可呈一夾角或平行，夾角係介於0度至180度之間。如圖3A所示，訊號光L1及參考光L2夾角例如可為90度，或者，如圖3B所示，訊號光L1及參考光L2夾角例如可小於90度。或者，如圖3C所示，光學材料9a可具有一導角P，以使參考光L2經過導角P折射再與訊號光L1干涉產生複數光柵。另外，如圖3D所示，參考光L2可先經過一導光元件G折射或反射後再入射至光學材料9，導光元件G例如為稜鏡、導光板或反射鏡。需注意的是，在圖3C及圖3D中，參考光L2的折射角度依不同需求可有不同的變化。

接著，如圖3E所示，訊號光L1及參考光L2例如可藉由一導光管(light pipe or light tube)7，其具有一彎折部(例如彎折的角度實質上呈90度)及二射出部，使訊號光L1及參考光L2分別由射出部E以不同角度入射至光學材料9，其中射出部E可具有微結構，以讓光線出光。如圖3F所示，訊號光L1及參考光L2例如可藉由擺放於不同角度的二光纖81、82(例如實質上呈90度)，使訊號光L1及參考光L2分別以不同角度入射至光學材料9。需注意的是，上述的導光管及光纖等導光元件為舉例性非限制性，參考光L2的入射角度依不同要求可有不同的變化。

又，如圖3G及圖3H所示，由於參考光L2在光學材料9內行進的距離越長，光強度越弱，換言之，對應到距離參考光L2入射表面越遠，繞射光強度越弱。因此，如圖3G所示，本實施例的製作方法更可包括一步驟：移動一光罩M1以調整訊號光L1照射光學材料9的光強度。藉由對應參考光L2入射距離，移動光罩M1來控制訊號光L1照射光學材料9的時間，藉此控制光學材料9完成曝光後的振幅穿透率分布，以產生均勻繞射光分布。換言之，對應參考光L2入射表面越遠，則訊號光L1的曝光照射時間越長。另外，如圖3H所示，除了利用移動式光罩，亦可藉由一漸變式減光板M2調整訊號光L1照射光學材料9的光強度，漸變式減光板M2於靠近參考光L2入射表面處有較小的穿透率，而於遠離參考光L2入射表面處有較大的穿透率。換言之，讓對應參考光L2入射表面越遠，則漸變式減光板M2的透光率越高。

又，如圖3I所示，對應光學元件不同的應用及需求，訊號光亦可分為一正面訊號光L11及一背面訊號光L12。因此，藉由正面訊號光L11、背面訊號光L12及參考光L2可共同於光學材料9中產生干涉條紋，再由光學材料9記錄以形成光柵。需注意的是，要避免正面訊號光L11、背面訊號光L12和參考光L2同時於光學材料9中干涉，以防止正面訊號光L11與背面訊號光L12形成的光柵干擾後續影像的產生。

因此，本發明係可對應光學元件不同的需求與應用，而利用不同的製作方法來完成光學元件的製作。其中，訊號光L1以發散球面波較佳，且球面波的光源位置附近可放置欲觀察之物體，藉此可較容易還原出較佳之物體影像。

請參照圖4所示，其為本發明較佳實施例之一種微型顯微鏡2示意圖。微型顯微鏡2包括一第一光學元件21、一影像擷取元件22、一計算元件23以及一顯示元件24。

第一光學元件21例如應用如前述實施例中之製作方法，由光學材料9、9a所製作的光學元件，由於光學元件的特徵已於前述實施例中詳述，於此不再贅述。一物光L1a及一參考光L2係穿過第一光學元件21，而參考光L2經由第一光學元件21繞射改變行進方向以與物光L1a成一干涉光場分布L3。其中，物光L1a例如為光源照射物體O且經物體O反射、散射或穿透而產生的光線。

影像擷取元件22例如可為電荷耦合元件(Charge-Coupled Device,CCD)，或其他感光元件。影像擷取元件22接收干涉光場分布L3產生一影像訊號S1。計算元件23例如為各種形式的電腦或電腦叢集，計算元件23接收影像訊號S1計算後產生顯示訊號S2，換言之，計算元件23選擇計算並且還原經由影像擷取元件22所得到之影像訊號S1，再產生顯示訊號S2。顯示元件24例如可為陰極射線管顯示器、液晶顯示器或其他可顯示影像的顯示器。顯示元件24接收顯示訊號S2以顯示一物體影像。

因此，藉由比習知分光鏡的厚度還要薄的第一光學元件21來取代分光鏡進行光線的反射，可縮短物體O與影像擷取元件22之間的距離，使影像擷取元件22可接收到訊號光L1中的高頻部分，以提昇還原後物體影像的解析度。再者，因還原後物體影像的解析度可獲得提昇，當擷取物體O的影像時，即可得到清晰的影像。且本實施例藉由較薄的第一光學元件21以及縮短物體O與影像擷取元件22之間的距離，即可縮小顯微鏡的體積以製作微型顯微鏡2。

接著，請參照圖5A至圖5D所示，其為本實施例之微型顯微鏡的不同變化態樣示意圖。

如圖5A所示，微型顯微鏡2a更可包括一光源6及一導光元件。光源6例如可為雷射光源，產生一同調光。於本實施例中，導光元件例如為空心或實心的導光管7，於此係以空心的導光管7為例，且導光管7例如具有兩個微小開口71、72，以讓由開口71射出的光線射到位於開口71附近物體O產生物光L1a；另一開口72射出之光線則作為參考光L2，而入射第一光學元件21。

如圖5B所示，微型顯微鏡2b亦可利用導光元件例如為光纖81、82，其中光纖81、82也可為捲曲狀以減少所需要的空間。需注意的是，上述的導光管及光纖等導光元件為舉例性非限制性。

如圖5C所示，微型顯微鏡2c包括一光源6及一反射元件R，物體O設置於反射元件R之上。光源6產生的光經過第一光學元件21形成一繞射光L4照射在物體O上，經物體O散射及反射後形成物光L1a，物光L1a經由第一光學元件21而與參考光L2形成干涉光場分布L3於影像擷取元件22上。其中，反射元件R可為一反射鏡，藉由反射元件R可增加光源6光線的利用率。如圖5D所示，微型顯微鏡2d亦可利同一光源6a分別照射物體O形成物光L1a及作為參考光L2。

請參照圖6A及圖6B所示，其為本發明另一較佳實施例之微型顯微鏡3、3a的示意圖。微型顯微鏡3、3a與前述實施例的差異在於：係將前述實施例的第一光學元件21以玻璃片或高分子聚合物材料(例如PMMA)來取代，第一光學元件31係設置於影像擷取元件32之前。於此，第一光學元件31係設置於影像擷取元件32相對於顯示元件34的一側，且物體O係設置於第一光學元件31上。

因此，光源6發出之同調光經由例如導光管7(如圖6A)或光纖8(如圖6B)等末端的微小開口射出，並且入射至第一光學元件31內。欲觀察之物體O放置在第一光學元件31之上，因為導光管7(如圖6A)或光纖8(如圖6B)的開口非常微小，光波前形式為近似球面波，所以光線在第一光學元件31內的波前型式為發散球面波。部分發散球面波直接照射在影像擷取元件32上，此部分球面波作為參考光L2。部分發散球面波照射在物體O上，經由照射物體O所產生之散射光及反射光作為物光L1a。同樣的，藉由物光L1a和參考光L2干涉可產生干涉光場分布，而影像擷取元件32接收干涉光場分布產生影像訊號S1，計算元件23接收影像訊號S1計算後產生顯示訊號S2，顯示元件34則接收顯示訊號S2以顯示物體影像。

請參照圖6C所示，其為本實施例之微型顯微鏡3b的一變化態樣示意圖。第一光學元件31a的側面可具有一微結構311，光源6的同調光穿過微結構311。因此，光源6的同調光由第一光學元件31a側面(即主要表面之一側)的微結構311入射，經由微結構311後光線的波前型式可以是球面波或平面波。入射光線主要會被分成兩道，一道照射在影像擷取元件32上作為參考光L2，另一道則照射第一光學元件31a上之欲觀察物體O，照射物體O所產生之散射光及反射光作為物光L1a。

請參照圖7A所示，其為本實施例之微型顯微鏡4的另一態樣示意圖。微型顯微鏡4與前述圖6A實施例的差異在於：物光L1a及參考光L2為平行入射。光源6的光線可直接入射或經過一導光元件入射至第一光學元件41，導光元件例如可為導光管7a或光纖，於此以導光管7a為例，且於導光管7a的同一側具有二個開口71、72，當光源6的同調光經由導光管7a兩個開口71、72射出，因導光管7a的開口71、72非常微小，所以光線的波前形式為近似發散球面波。其中一開口72射出之光線作為參考光L2，欲觀察之物體O位在另一開口71附近，照射O物體所產生之散射光及穿透光作為物光L1a。參考光L2和物光L1a干涉產生干涉條紋，由影像擷取元件42擷取並記錄干涉條紋產生影像訊號S1，其中影像擷取元件42可以盡量靠近物體。計算元件43接收影像訊號S1計算後產生顯示訊號S2，顯示元件44則接收顯示訊號S2以顯示物體影像。

請參照圖7B及圖7C所示，其為本實施例之微型顯微鏡4a、4b的變化態樣示意圖。微型顯微鏡4a、4b與前述實施例的差異在於：參考光L2的入射處，第一光學元件41可具有一微結構411(如圖7B所示)，或者微型顯微鏡4b更可包括一光學元件45(例如為透鏡，如圖7C所示)。因此，參考光L2會先穿過微結構411(如圖7B所示)或光學元件45(如圖7C所示)後，入射第一光學元件41。藉此，可經由微結構411(如圖7B所示)或如透鏡的光學元件45(如圖7C所示)，把球面波轉換成平面波，因此入射至影像擷取元件42的參考光L2波前型式為平面波。

請參照圖8A所示，其為本發明又一較佳實施例之微型顯微鏡5的不同態樣示意圖。微型顯微鏡5與前述實施例圖6A的差異在於：微型顯微鏡5更包括一第二光學元件56，物體O設置於第一光學元件51與第二光學元件56之間，光源6係由第二光學元件56相對於物體O之側入射第二光學元件56。其中，第一光學元件51為玻璃片或高分子聚合物材料，第二光學元件56例如應用如圖2之實施例之製作方法所製作的光學元件。又，其中第二光學元件56可與一玻璃板561貼合或是利用其他模組固定，且第二光學元件56貼合於玻璃板561的上側或下側，或者第二光學元件56可夾置固定於兩玻璃板561之間，或者兩個第二光學元件56夾置一玻璃板561。於此，以第二光學元件56貼合於玻璃板561的下側為例，其非限制性。

因此，第二光學元件56與玻璃板561貼合後，可使光源6的光線成為發散球面波，可作為擴散光束之用。直接照射在影像擷取元件52成為參考光L2，另外一部分光線照射在物體O上，經由照射物體O所產生之散射光及穿透光作為物光L1a。藉由物光L1a和參考光L2干涉可產生干涉光場分布，而影像擷取元件52接收干涉光場分布產生影像訊號S1，計算元件54接收影像訊號S1計算後產生顯示訊號S2，顯示元件53則接收顯示訊號S2以顯示物體影像。

請參照圖8B所示，其為本實施例之微型顯微鏡5b的另一變化態樣示意圖。微型顯微鏡5b與前述實施例微型顯微鏡5的差異在於：微型顯微鏡5b的第二光學元件係為玻璃板561，且玻璃板561的二個表面均具有微結構562。其中，二微結構562可分別設置於玻璃板561的上下兩側，或者該些微結構562係設置於玻璃板561的同一側，例如為上側或下側其中之一。於此，以微結構562設置於玻璃板561的上下兩側為例，其非限制性。

因此，光源6入射至玻璃板561，上側的微結構562使光線成為發散球面波，接著下側的微結構562使光線的波前形式為平面波。同樣地，光線入射至第一光學元件51，一部分光線經過第一光學元件51直接照射在影像擷取元件52成為參考光L2，另外一部分光線照射在物體O上，經由照射物體O所產生之散射光及穿透光作為物光L1a。藉由物光L1a和參考光L2干涉可產生干涉光場分布，而影像擷取元件52接收干涉光場分布產生影像訊號S1，計算元件53接收影像訊號S1計算後產生顯示訊號S2，顯示元件54則接收顯示訊號S2以顯示物體影像。

綜上所述，本發明之光學元件的製作方法係藉由光學材料來形成較薄的光學元件，藉此可縮短物體與影像擷取元件之間的距離，使影像擷取元件可接收到訊號光中的高頻部分，以提昇還原後物體影像的解析度。再者，因還原後物體影像的解析度可獲得提昇，當擷取物體的影像時，即可得到清晰的影像。且藉由本發明的光學元件可縮小裝置的體積，因此，可利用本發明的光學元件來製作微型顯微鏡。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．數位全像裝置

11．．．分光鏡

12、22、32、42、52．．．影像擷取元件

2、2a～2d、3、3a、3b、4、4a、4b、5、5b．．．微型顯微鏡

21、31、31a、41、51．．．第一光學元件

23、33、43、53．．．計算元件

24、34、44、54．．．顯示元件

311、411、562．．．微結構

45．．．光學元件

56．．．第二光學元件

561．．．玻璃板

6、6a．．．光源

7、7a．．．導光管

71、72．．．開口

8、81、82．．．光纖

9、9a．．．光學材料

E．．．射出部

G．．．導光元件

L1．．．訊號光

L1a．．．物光

L11．．．正面訊號光

L12．．．背面訊號光

L2．．．參考光

L3．．．干涉光場分布

L4．．．繞射光

M1．．．光罩

M2．．．漸變式減光板

O．．．物體

P．．．導角

R．．．反射元件

S1．．．影像訊號

S2．．．顯示訊號

S01、S02．．．本發明之光學元件之製作方法的步驟

圖1為習知之數位全像裝置示意圖；

圖2為本發明較佳實施例之一種用於微型顯微鏡的光學元件之製作方法的流程步驟圖；

圖3A至圖3I為本發明較佳實施例之光學元件之不同製作方法示意圖；

圖4為本發明較佳實施例之一種微型顯微鏡示意圖；

圖5A至圖5D為本發明較佳實施例之微型顯微鏡的不同變化態樣示意圖；

圖6A及圖6B為本發明較佳實施例之微型顯微鏡的不同態樣示意圖；

圖6C為本發明較佳實施例之微型顯微鏡的一變化態樣示意圖；

圖7A為本發明較佳實施例之微型顯微鏡的另一態樣示意圖；

圖7B及圖7C為本發明較佳實施例之微型顯微鏡的變化態樣示意圖；

圖8A為本發明較佳實施例之微型顯微鏡的不同態樣示意圖；以及

圖8B為本發明較佳實施例之微型顯微鏡的另一變化態樣示意圖。

S01、S02．．．本發明之光學元件之製作方法的步驟

Claims (20)

1. 一種用於微型顯微鏡的光學元件的製作方法，包括：使一訊號光及一參考光入射至一光學材料；以及該訊號光與該參考光干涉使該光學材料上形成複數光柵。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，更包括：曝光顯影該光學材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中該訊號光及該參考光分別為一平面波或一球面波。
4. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中該參考光與該訊號光呈一夾角。
5. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中該光學材料具有一導角。
6. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中該參考光經過一導光元件入射至該光學材料。
7. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，更包括：移動一光罩以調整該訊號光照射該光學材料的光強度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，更包括：藉由一漸變式減光板調整該訊號光照射該光學材料的光強度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中該訊號光分為一正面訊號光及一背面訊號光。
10. 一種微型顯微鏡，包括：一第一光學元件，一物光及一參考光係穿過該第一光學元件形成一干涉光場分布；一影像擷取元件，接收該干涉光場分布產生一影像訊號；一計算元件，接收該影像訊號計算後產生一顯示訊號；以及一顯示元件，接收該顯示訊號以顯示一物體影像。
11. 如申請專利範圍第10項所述之微型顯微鏡，其中該第一光學元件係以如申請專利範圍第1項至第9項其中任一項所述之製作方法製成。
12. 如申請專利範圍第10項所述之微型顯微鏡，其中該第一光學元件具有一微結構，該參考光穿過該微結構。
13. 如申請專利範圍第10項所述之微型顯微鏡，更包括：一光學元件，該參考光穿過該光學元件後，入射該第一光學元件。
14. 如申請專利範圍第10項所述之微型顯微鏡，更包括：一光源，係產生一同調光，該同調光照射一物體產生該物光。
15. 如申請專利範圍第14項所述之微型顯微鏡，其中該光源產生該參考光。
16. 如申請專利範圍第14項所述之微型顯微鏡，更包括：一第二光學元件，該物體設置於該第一光學元件與該第二光學元件之間。
17. 如申請專利範圍第14項所述之微型顯微鏡，更包括：一導光元件，該同調光經過該導光元件。
18. 如申請專利範圍第14項所述之微型顯微鏡，更包括：一反射元件，該物體設置於該反射元件之上。
19. 如申請專利範圍第10項所述之微型顯微鏡，其中該參考光與該訊號光呈一夾角。
20. 如申請專利範圍第10項所述之微型顯微鏡，其中該第一光學元件具有一導角。