TW201910940A - 結構光照明數位全像之方法與裝置 - Google Patents

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Abstract

一種結構光照明數位全像之方法，包括：(a)提供一結構光產生單元與二值化亂數編碼單元，以產生編碼的結構光圖紋；(b)取樣至少二張具相位移圖紋，並合成為單一張帶有編碼的結構光圖紋；(c)形成單一張數位全像片，並進行該單一張數位全像之波前重建；(d)藉由一壓縮感測方法以復原至少二張具相位移圖紋的物體光波；以及(e)進行重疊頻譜分離之重建方法，以獲得具有不同的高頻與低頻帶通頻譜涵蓋範圍之影像。

Description

結構光照明數位全像之方法與裝置
本發明係關於數位全像顯微技術，特別係一種結合結構光物體光波與參考光波以干涉與波前記錄，而重建待測物體之顯微與斷層影像資訊之結構光照明數位全像之方法與裝置。
數位全像顯微術係近幾年被廣泛研究用於定量相位成像的技術之一。其可實現數值對焦的物體重建方式，並且具備次波長等級的定量化相位分析能力。然而，卻也受到光學繞射極限的影響以致於光源波長和有限孔徑大小將限制其空間解析度而無法突破兩點之間具二分之一波長的分辨率極限。因此，合成孔徑的數位全像顯微術被提出用於提升光學系統的空間解析度，其方法包括：放置繞射光柵以轉折物體的高頻資訊、機械式移動影像感測器以擷取廣視野的繞射資訊、以及使用角度多工等方式來擷取物體的各個角度高頻資訊以達到空間解析度提升。
目前，在合成孔徑的技術範疇上所能實現的橫向解析度可達90奈米(nm)，其係配合複數振幅反摺積的方法來完成次微米的物體波前重建。在上述方法中，使用機械式振鏡來旋轉光束的入射角度以對物體進行掃瞄係合成孔徑的主要方法之一。然而，這樣的機械式掃瞄將引發額外擾動與無法精準地調整入射角度等問題，這將限制合成孔徑的位移頻譜精確度及影響相位靈敏度。
因此，結構光照明的數位全像顯微術被提出於實現無機械式掃瞄的合成孔徑方法，其可使用繞射光柵將入射光分成零階(0th)與正負一階(±1st)的繞射項，並放置針孔濾波片來移除負一階(-1st)繞射項，接著對零階(0th)繞射項濾波 而成為低頻平面參考光波輸出後，再與正一階(+1st)繞射項帶有物體的繞射光波干涉而形成全像片。此外，也有使用液晶空間光調制器來取代繞射光柵的結構光方式，其係透過拍攝一系列的全像圖紋並使用相位回復演算法以重建物體的波前資訊。
然而，上述的結構光數位全像顯微系統皆需要複雜的光學架構來避免各別頻帶的串音干擾，且受限於偵測已知結構光的投影條紋來進行位移頻譜修正，而無法針對物體的散射頻譜進行合成頻譜拓展，這將使得量測系統敏感於環境擾動以致相位靈敏度降低，且記錄程序複雜而無法實現空間解析度增強等問題。
此外，受限於物體光波之帶通頻譜的頻譜重疊現象，需要透過拍攝至少二張的相位移圖紋以分離其頻譜重疊，而解決頻譜重疊問題並重建出不同的高頻與低頻的帶通頻譜。然而，這樣的時間多工方式將使得相位靈敏度易受到外界環境干擾而影響了重建影像之訊雜比。
鑒於上述習知技術之缺點，實在有必要發展一種新穎的結構光照明數位全像技術來解決與克服該些問題。
本發明所提出結構光照明之數位全像方法與裝置，毋需使用複雜的光學架構來避免頻帶串音干擾，即可實現超解析的物體波前重建，具即時線上操作潛力。
本發明係使用結構光照射待測物體以致產生Moiré條紋來作成數位全像記錄方式。並運用已知空間頻率結構光，以及待測物體所散射Moiré條紋之間的摺積(convolution)與相關(correlation)特性來完成影像重建與解析度提升。
本發明提供一種結構光照明數位全像之方法，包括：(a)提供一 結構光產生單元與二值化亂數編碼單元，以產生編碼的結構光圖紋；(b)藉由該結構光圖紋之至少二張的二值化亂數編碼圖案，以取樣至少二張具相位移圖紋，並合成為單一張帶有編碼的結構光圖紋；(c)將該結構光圖紋照明於一物體，以形成單一張帶有編碼的結構物體光波而與參考光波干涉以產生單一張數位全像片，接著再進行該單一張數位全像之波前重建；(d)二值化亂數解碼該單一張數位全像片之圖案，以取出對應的原具相位移圖紋的物體光波，並藉由一影像處理方法以復原至少二張具相位移圖紋的物體光波；以及(e)將該至少二張具相位移圖紋的物體光波進行重疊頻譜分離之重建方法，以獲得具有不同的高頻與低頻帶通頻譜涵蓋範圍之影像。
其中結構光產生單元與二值化亂數編碼單元包括空間光調制器、數位微鏡裝置、繞射光柵。其中單一張帶有編碼的結構光圖紋包括成像或非成像的繞射光波。
其中步驟(c)之中，該單一張數位全像片之形式包括同軸式、離軸式、共軸式和共光程。波前重建方法包括時間濾波法、空間濾波法以及相位檢復法。其中該步驟(d)之中，影像處理方法包括壓縮感測法、反摺積法或內插法。其中步驟(e)之中，該不同的高頻與低頻帶通頻譜包括二維與三維的傅立葉頻譜資訊。
本發明提供一種結構光照明數位全像之裝置，包括：一發射光源；一光擴束器，用以發射光源所發出光形成一擴束光；至少一分光鏡，用以使該發出光分成至少兩個光源、或結合至少兩個光源；一結構光產生單元，用以使該發出光形成一具任意空間頻率以及各個方向的結構光圖紋；一二值化亂數編碼單元，用以使該發出光形成一具任意空間頻率以及各個方向的二值化亂數編碼圖案；一照明物鏡組，用以放大或縮小該結構光，以利於照射至待測物體以形成物體光；一接收物鏡組，用以放大或縮小該結構光，以利於該物體光形成為成像或非成像的繞射光波；一參考光，用以與物體光干涉以形成結構光數位全像片；以及一光偵測器陣列，用以記錄該物體光與該參考光干涉後所形成之該結構光數位全像片。
其中該數位全像片之形式包括同軸式、離軸式、共軸式或共光程式。
上述結構光照明數位全像之裝置更包括複數個面鏡，用以改變發射光源之光路徑；與一光學中繼物鏡組，用以調制該物體光波的高頻或低頻，以利於各種光學多工程序；二值化亂數編碼圖案可以為振幅或相位的形式，而結構光可以為振幅或相位的形式。
一種結構光照明數位全像之裝置，包括：一發射光源；一光擴束器，用以該發射光源所發出光形成一擴束光；至少一分光鏡，用以使該發出光分成至少兩個光源、或結合至少兩個光源；複數個面鏡，用以改變該發射光源之光路徑；一結構光產生單元，用以使該發出光形成一具任意空間頻率以及各個方向的結構光圖紋；二值化亂數編碼單元，用以使該發出光形成一具任意空間頻率以及各個方向的二值化亂數編碼圖案；一照明物鏡組，用以放大或縮小該結構光，以利於照射至待測物體以形成物體光；一接收物鏡組，用以放大或縮小該結構光，以利於該物體光形成為成像或非成像的繞射光波；以及一光偵測器陣列，用以記錄該物體光與該參考光干涉後所形成之該結構光數位全像片。
在一觀點之中，上述結構光照明數位全像之裝置更包括一光柵，用以產生不同繞射階之該物體光波資訊；以及一光學中繼系統，用以調制該物體光波，以利於該不同繞射階之光學多工。
在另一觀點之中，上述結構光照明數位全像之裝置更包括一第二光學中繼系統、一濾波器遮罩以及一光柵，其中該光柵配置於該接收物鏡組與該第二光學中繼系統之間，而該濾波器遮罩配置於該第二光學中繼系統之兩組透鏡之間。
在又一觀點之中，上述結構光照明數位全像之裝置更包括一第二光學中繼系統以及一光柵，其中該光柵配置於該第二光學中繼系統之一側邊， 而該濾波器遮罩嵌入於該光柵之中。
此些優點及其他優點從以下較佳實施例之敘述及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。
100‧‧‧發射光源
101‧‧‧空間濾波器(spatial filter，SF)
102、103、104、118、140‧‧‧分光鏡(beam splitter)
105、121‧‧‧空間光調制器(spatial light modulator，SLM)
TL1‧‧‧照明物鏡組
TL2‧‧‧接收物鏡組
TL3‧‧‧光學中繼系統
106‧‧‧光偵測器陣列
107、108、116、125‧‧‧線性偏振片(polarizer)
109、110、124‧‧‧反射面鏡(mirror)
111‧‧‧光擴束器
112、115、117、123、126、135、136、160‧‧‧透鏡
113、114‧‧‧顯微物鏡(microscope objective lens)
119、122‧‧‧光學遮罩
120‧‧‧入射光
130、306‧‧‧參考光
131‧‧‧光柵
132‧‧‧濾波器遮罩(filter mask)
133‧‧‧第一過濾區
134‧‧‧第二過濾區
150、304‧‧‧待測物體
200、201、202、203、204‧‧‧步驟
300‧‧‧照射光源
301‧‧‧光學系統
302‧‧‧至少二張已知空間頻率結構的圖案
303‧‧‧至少二張已知二值化亂數編碼圖案
305‧‧‧菲涅耳繞射
307‧‧‧單張結構光數位全像片
308‧‧‧波前重建演算法
309‧‧‧取出至少二張已知二值化亂數編碼圖案
310‧‧‧壓縮感測
311‧‧‧回復至少二張具相位移圖紋的物體光波
312‧‧‧重疊頻譜分離重建方法
313‧‧‧傅立葉轉換
314‧‧‧頻譜疊合
315‧‧‧反傅立葉轉換
316‧‧‧具有高空間解析度的波前重建影像
317‧‧‧振幅影像
318‧‧‧相位影像
如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。
第一圖顯示根據本發明之一實施例之一結構光數位全像之裝置之一示意圖；第二圖顯示根據本發明之另一實施例之一結構光數位全像之裝置之一示意圖；第三圖顯示根據本發明之又一實施例之一結構光數位全像之裝置之一示意圖；第三圖A顯示根據本發明之又一實施例之一結構光數位全像之裝置之一示意圖；第三圖B顯示根據本發明之再一實施例之一結構光數位全像之裝置之一示意圖；第四圖顯示根據本發明之一結構光照明數位全像之方法流程圖；第五圖顯示根據本發明之一實施例之結構光照明數位全像之詳細方法流程圖； 第六圖顯示根據本發明之二張二值化亂數編碼圖案之示意圖；第七圖顯示根據本發明之二張具相位移圖紋之示意圖；第八圖顯示根據本發明之二張相位移圖紋經二值化亂數編碼圖案取樣之後的結構光圖紋之示意圖；第九圖A顯示根據本發明之待測物體的影像資訊之示意圖；第九圖B顯示根據本發明之單一張帶有編碼結構的物體光波之示意圖；第十圖A至第十圖B顯示相位移編碼分別為0°以及120°之經二值化亂數解碼圖案所取出對應的原具相位移圖紋的物體光波之示意圖；第十一圖A至第十一圖B顯示相位移編碼分別為0°以及120°之經過壓縮感測演算法以復原的二張具相位移圖紋的物體光波之示意圖；第十二圖A至第十二圖B分別顯示頻譜相對應的繞射階為正一階(+1st)、負一階(-1st)之帶通頻譜之示意圖；第十三圖A至第十三圖B分別顯示頻譜相對應的繞射階為正一階(+1st)、負一階(-1st)之重建振幅影像；第十四圖A顯示透過二維傅立葉轉換合成方式以合成二維高空間解析度的波前成像之二維合成頻譜涵蓋範圍；第十四圖B顯示透過二維傅立葉轉換合成方式以合成二維高空間解析度的波前成像之合成振幅重建影像； 第十四圖C顯示透過二維傅立葉轉換合成方式以合成二維高空間解析度的波前成像之合成相位重建影像；第十五圖顯示模擬三維物件經過三維傅立葉頻譜合成方式；第十六圖A顯示三維合成頻譜在x-y空間上的涵蓋範圍；第十六圖B顯示三維合成頻譜在y-z空間上的涵蓋範圍；第十六圖C顯示三維合成頻譜在x-y空間的折射率之斷層重建影像；第十六圖D顯示三維合成頻譜在y-z空間的折射率之斷層重建影像。
此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。
本發明使用結構光照射待測物體以產生Moiré條紋來作成數位全像記錄方式，並運用已知空間頻率結構光，以及待測物體所散射Moiré條紋之間的摺積(convolution)與相關(correlation)特性來完成影像重建與解析度提升。
本發明所提裝置包含：至少一組結構光用於照射待測物體以產生Moiré條紋；至少一組參考光；至少一個數位全像波前存取單元。
本發明所提方法係利用各別頻帶所得的較低空間頻率Moiré條紋數位全像的重建影像與已知較高空間頻率結構光來進行反摺積(de-convolution)與互相關(mutual correlation)運算以完成位移頻譜修正和頻譜疊合作用，以實現 頻譜拓展的超解析度重建影像。實施例中運用已知空間頻率結構光的相位移與旋轉角度來進行多次曝光，並配合奇異值分解(singular value decomposition,SVD)與擬反矩陣(pseudo-inverse matrix)運算來分離結構光照明所產生的各別頻帶串音干擾。接著，再運用相關特性將該待測物體與較低空間頻率Moiré條紋數位全像之重建影像進行互相關運算以實現均向性的合成頻譜拓展。
本發明之實施例中指出一種擷取待測物體所散射較低空間頻率的Moiré條紋物體光與平面/球面參考光干涉而形成的數位全像，並運用相位移與角度旋轉已知空間頻率結構光之多次曝光來實現頻帶串音干擾的分離。
本發明為了滿足上述技術問題及需求，其提供一種結構光照明數位全像之方法與裝置。此全像影像經過電腦進行數值重建後可獲得複數影像，其中包含振幅與相位資訊，且不受限制於光偵測器陣列的像素與畫素大小。
本發明提出使用空間光調制器來產生單一張帶有編碼的結構光圖紋，並使用壓縮感測(compressive sensing)演算法來復原至少二張具相位移圖紋的物體光波。透過重疊頻譜分離地重建方式，以獲得具有不同的高頻與低頻帶通頻譜涵蓋範圍的影像。這將使得提出的結構光照明數位全像之方法與裝置免除於拍攝多張相位移圖紋的時間多工限制，而可更進一步地實現單次曝光的高空間解析度波前重建方式。
第一圖顯示根據本發明之一實施例之一結構光數位全像之裝置。在本實施例之中，該結構光圖紋將作用於物體光波以產生不同的高頻與低頻帶通頻譜。該等物體光波之帶通頻譜可用於合成頻譜以達到拓展頻譜涵蓋範圍，以及實現重建影像之空間解析度提升之目的。
本發明提出使用至少二張二值化亂數編碼以取樣該至少二張的相位移圖紋。在一實施例之中，該結構光圖紋係使用相位差為π的二階相位光柵來作為結構光產生單元的輸入圖紋，而該圖紋的表示式如下：
其中，光柵週期為Λ=2w，照明物鏡組的脈衝響應函數(point spread function)為h TL (y)。而結構光圖紋的傅立葉轉換可表示為不同繞射階的組合如下：
結構光圖紋之各個繞射階數為m，且可在±1st的繞射階時達到最大的繞射效率輸出，照明物鏡組的同調傳遞函數為(v)。本結構光圖紋將光柵週期的空間頻率將設為同調傳遞函數的最大可接收角度，藉以截止各個高階繞射項所產生的雜訊干擾。而二值化亂數編碼圖案係透過光學中繼物鏡組以調制結構的物體光波，分別進行±1st繞射階的空間多工以形成帶有編碼的結構光圖紋物體光波。其中，亂數編碼單元將產生二值化的相位編碼圖紋，並作用於-1st繞射階的物體光波以形成編碼的物體光波，其可表示如下：
其中，二值化的相位編碼圖紋為exp[iΦ n (x,y)]，光柵週期所繞射的角度為sin θ m ，而物體o d (x,y)將置於離焦平面上以作用於進行壓縮感測演算法，其表示式如下：
其中的繞射距離為z R ，原始物體為o(ξ,η)。將上述編碼物體光波與+1st的物體光波干涉作用形成編碼的結構光物體光波，接著與離軸參考光波進行干涉而形成數位全像片，經波前重建後所獲得帶有編碼的結構光物體光波如下：
其中，該離軸參考光的入射夾角為sin θ x' 與sin θ y' ，經數值參考光修正後可獲得照明物鏡組和接收物鏡組的同調傳遞函數與編碼物體光波的重建資訊如下式：
其中，照明物鏡組的同調傳遞函數為(f SI ,0)、接收物鏡組的同調傳遞函數為(u,v)，以及編碼物體光波的頻譜涵蓋範圍分別為(u-f SI ,v)和(u,v-f SI )。然而，上述帶有二值化相位圖案的編碼結構可配合壓縮感測演算法與以回復二張具相位移圖紋的物體光波，並可透過奇異值分解(singular value decomposition,SVD)與擬反矩陣(pseudo-inverse matrix)運算來獲得±1st繞射階的物體光波如下：
其中，(u,v)與(u,v)是經過壓縮感測演算法所回覆的兩張相位移圖紋的物體光波，exp(iΦ1)與exp(iΦ1)則是經二值化相位圖紋編碼所產生的已知相位移，因此，該等帶通頻譜將使用頻譜重疊分離重建方式，以獲得不同的高頻與低頻帶通頻譜，其在頻譜空間的合成疊加將可用於提升頻譜涵蓋範圍，並表示為：
經由上述步驟所獲得頻譜涵蓋範圍拓展之合成頻譜，將可用於獲得高空間解析度的顯微與斷層的物體重建影像。
參閱第一圖，其為本發明之一實施例之結構光照明數位全像之裝置。本發明係用於處理單張相關於待測物體之數位全像重建影像，且該等數位全像是由第一圖之一光學系統所產生。此光學系統包含一發射光源100、一空間濾波器(spatial filter，SF)101、三個分光鏡(beam splitter)102、104與118、二個液晶空間光調制器(spatial light modulator，SLM)105與121、一照明物鏡組TL1、一接收物鏡組TL2、一光偵測器陣列106(例如：感光耦合元件(Charge-coupled Device；CCD)、互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor；CMOS)等影像感測器、光感測器(Photodetector))、四個線性偏振片(polarizer)107、108、116與125、三個反射面鏡(mirror)109、110與124、與一光擴束器111。舉例而言，照明物鏡組TL1包括一個具有焦距為200毫米(mm)的透鏡112及一個具有數值孔徑(numerical aperture，NA)為0.25的顯微物鏡(microscope objective lens)113與114。透鏡112之前後焦距可以相等，也可以實質上相等但有些微差異。顯微物鏡113之前後焦距可以相等，也可以實質上相等但有些微差異。接收物鏡組TL2包括一個具有數值孔徑(NA)為0.25的顯微物鏡114及一個具有焦距為200毫米(mm)的透鏡115。顯微物鏡114之前後焦距可以相等，也可以實質上相等但有些微差異。透鏡115之前後焦距可以相等，也可以實質上相等但有些微差異。參考光130可以為平面波分布，也可以為球面波分布。舉一實施例而言，照明物鏡組TL1為光學影像縮小系統(Telescopic Imaging System)，而接收物鏡組TL2為一光學中繼系統。
發射光源100包括垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser；VCSEL)、半導體雷射(Semiconductor laser)、固態雷射(Solid-state laser)、氣態雷射(Gas laser)、液體雷射(Dye laser)、光纖雷射(Fiber laser)或發光二極體(LED)。發射光源100之光源形式包括線光源、平面光源或球面光源。發射光源100之光源特性包括同調光源、低同調光源或非同調光源。舉例而言，發射光源100為二極體泵激固態(diode-pumped solid-state，DPSS)雷射源。在一例子之中，此二極體泵激固態雷射源產生一個具有波長為532奈米(nm)的雷射光。本裝置之光學系統之光路經包含：該雷射光先通過空間濾波器101，之後再通過光擴束器(例如透鏡)111以產生一完全擴束光(例如一準直平面波)，該雷射光再經過面鏡109反射之後入射至分光鏡102而分別輸出兩道光束。其中一道光束120先通過線性偏振片107以改變入射光的偏振態，再穿透過分光鏡102以入射至液晶空間光調制器105，以產生結構光圖紋。入射光120另外由分光鏡102反射至線性偏振片108以實現相位調制模式的輸出方式。接著，由照明物鏡組TL1(112&113)輸出結構光圖紋而照明於一待測物體150之上，並形成編碼結構物體光波。其中，該結構光圖紋係透過至少二張的具相位移的圖紋而合成為單一張帶有編碼之結構光圖紋。亦即該單一張具相位移的結構光圖紋照 明於待測物體150之上，以形成結構物體光波(Object Wave)，該物體將置於菲涅耳區間(Fresnel region)。然後，物體光波再經由接收物鏡組TL2(114&115)以進行顯微成像。接著，通過透鏡117進行結構物體光波的光學傅立葉轉換形成正一階(+1st)與負一階(-1st)的繞射光波，該光波通過分光鏡118分為穿透與反射兩道光束，反射光束將通過空間光學遮罩(y方向光學遮攔)119，光學遮罩119將消除負一階(-1st)的繞射光波(用於阻擋+1階繞射項，而讓-1階繞射項通過)，穿透光束將通過空間光學遮罩(x方向光學遮攔)122，光學遮罩122將消除正一階(+1st)的繞射光波(用於阻擋+1階繞射項，而讓-1階繞射項通過)；黑色的點表示光學遮攔，用於阻擋光線通過；白色的圓圈則表示讓剩餘的光線通過。而正一階(+1st)的繞射光波將通過透鏡160並成像至二值化亂數編碼圖案產生單元121，以取樣結構物體光波。而起偏板116與檢偏板125係用於調制二值化亂數編碼產生單元121的光學特性。同樣的，該穿透光束將通過光學遮罩以將正一階(+1st)的繞射光波消除，而負一階(-1st)的繞射光波通過透鏡123並成像至124面鏡上。上述經二值化亂數編碼產生單元調制後的正一階(+1st)的繞射光波，以及負一階(-1st)的繞射光波將沿原路徑反射，並由分光鏡118結合形成編碼的結構物體光波，並由透鏡126成像至影像感測器106上。另一道平面參考光波130經過面鏡110反射之後入射至分光鏡104，然後將同時入射至影像感測器106。參考光波與正向入射的物體光波維持離軸角度，以進行離軸式(off-axis)的數位全像記錄，並確保當結構光圖紋照明至物體150所形成之物體光波能與該參考光波維持在可消除直流項(dc term)與共軛項(conjugate term)之離軸記錄架構。
上述結構光可以為振幅或相位的光波形式，而二值化亂數編碼可以為振幅或相位的光波形式。數位全像片可以為同軸式、離軸式、共軸式或共光程式，而該參考光可以為平面、球面或任意的光波形式。結構光照明數位全像之裝置更包括一載物平臺(未圖示)，用以放置待測物體150，其且具調整x-y-z軸的位移機制。
一些實施例適用於處理至少一個相關於一解析度標準可消除直流項與共軛項之離軸記錄架構。如第一圖所示，該三個反射面鏡109、110與124僅用於改變雷射光的光路徑。上述透鏡111可以為其他可產生擴束波前之元件 (平面與球面波)。上述透鏡112、115可以為其他可產生平面、球面與具任意的曲面波前之元件。
值得一提的是：在上述第一圖之實施例中，藉由光學系統採用一種改良式的馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀來實現一種以單一張帶有編碼之結構光圖紋照明於物體，且與離軸參考光波干涉所作成之數位全像記錄方式。此結構光圖紋以及待測物體條紋之間的摺積作用將可用於突破光學繞射極限的限制。在其它實施例中，該等條紋影像之數位全像也能透過，例如以繞射光學元件、結合空間多工與角度多工，以及空間光調制器、數位微鏡裝置等其它結構光照明技術產生同軸(on-axis)、離軸(off-axis)、共軸(in-line)或共光程(common-path)架構下的穿透/反射式之數位全像記錄。
參閱第二圖，其為本發明之另一實施例之結構光照明數位全像之裝置。本發明係用於處理單張相關於待測物體之數位全像重建影像，且該等數位全像是由第二圖之一光學系統所產生。此光學系統包含一發射光源100、一空間濾波器101、三個分光鏡102、103與104、一個液晶空間光調制器105、一照明物鏡組TL1、一接收物鏡組TL2、一光偵測器陣列106、二個線性偏振片107與108、二個反射面鏡109與110、與一光擴束器111。光學系統之光路經以及各元件之作用可以參考第一圖的敘述。而在另一實施例之中，如第三圖所示，光學系統省略分光鏡102與104，其餘元件與第二圖相同。
而在另一實施例之中，如第三圖A所示，光學系統省略分光鏡102與104，且在此光學系統新增一組光學中繼系統(光學影像縮小系統)TL3、一光柵(Grating)131以及一個濾波器遮罩(filter mask)132。光柵131配置於TL2(接收物鏡組)與TL3之間，而濾波器遮罩132配置於光學影像縮小系統TL3之二透鏡135與136之間。此濾波器遮罩132包含第一過濾區133與第二過濾區134，其中第一過濾區133可以讓物體光通過，而第二過濾區134可以讓參考光通過。
而在另一實施例之中，如第三圖B所示，光學系統省略分光鏡102與104，且在此光學系統新增一組光學中繼系統(光學影像縮小系統)TL3、一 光柵(例如，閃耀光柵(Blazed grating))131。TL3包括透鏡135、透鏡136與一分光鏡140。透鏡135配置於分光鏡140之左側，而透鏡136配置於分光鏡140之上側。分光鏡140配置於透鏡135與光柵131之間。光柵配置於光學中繼系統TL3之一側邊，而濾波器遮罩嵌入光柵131之中。濾波器遮罩包含第一過濾區133與第二過濾區134，其中第一過濾區133係針對光波聚焦後的外圍分佈，以外圍的光柵來調制形成物體光，而第二過濾區134則係針對光波聚焦後的中心分部，以中心的光柵來調制形成參考光。
第四圖顯示根據本發明之一結構光照明數位全像之方法流程圖。本發明之結構光照明數位全像之方法包含步驟200~204。首先，進行步驟200，產生結構光圖紋與二值化亂數編碼圖案。在此步驟200之中，係提供一結構光產生單元與亂數編碼單元，以產生結構光圖紋用以照明於一待測物體，並形成編碼結構物體光波(二值化亂數編碼圖案)。亂數編碼單元例如為二值化亂數編碼圖案。其中結構光產生單元與二值化亂數編碼單元包括空間光調制器、數位微鏡裝置、繞射光柵等光電調制元件，以將發射光源所發出光形成一具二值化亂數編碼圖案、任意空間頻率以及方向的結構光圖紋。在本實施例中，使用相位模式的液晶空間光調制器，以將發射光源所發出光形成具相位移圖紋，以及二值化亂數編碼圖案；並可任意調整該等圖紋的空間頻率及方向照明於物體，以形成編碼結構物體光波。
接下來，於步驟201之中，藉由該至少二張的二值化亂數編碼圖案，以取樣至少二張具相位移圖紋，並合成為單一張帶有編碼的結構光圖紋照明於物體。在本實施例中，使用二值化亂數編碼單元以產生二張二值化亂數編碼圖案，而該二值化亂數編碼圖案的取樣點彼此不重複，如第四圖所示。第六圖至第八圖顯示結構光圖紋之編碼方式，其中第六圖包括二張二值化亂數編碼圖案。接著，使用結構光產生單元以輸出二張具相位移圖紋。而該相位移圖紋如第七圖所示，其中從左至右分別為相位移0°與120°之相位移圖紋。第七圖顯示二張具相位移圖紋。並且經二值化亂數編碼圖案取樣為第八圖之編碼結構光圖紋，該編碼結構光圖紋可以合成為單一張帶有二張相位移編碼之結構光圖紋，且該帶有編碼之結構光圖紋可以為成像或非成像的繞射光波。第八圖顯示 二張相位移圖紋經二值化亂數編碼圖案取樣之後的結構光圖紋。
然後，於步驟202之中，將該等單一張帶有二張相位移編碼之結構光圖紋照明於一待測物體，以形成編碼結構物體光波，再與參考光波干涉以產生單一張結構光數位全像片，然後再進行波前重建。單一張數位全像片之形式包括同軸式、離軸式、共軸式和共光程。波前重建方法包括時間濾波(temporal filtering)、空間濾波以及相位檢復(phase retrieval)等方法。在本實施例中，將相位移編碼的結構光圖紋透過照明物鏡組TL1縮小成像於如第九圖A的待測物體上，並由接收物鏡組TL2放大成像該編碼結構物體光波於中間影像平面；接著傳播至菲涅耳繞射區域以形成如第九圖B的編碼結構物體光波，並與離軸參考光波干涉以進行空間濾波(spatial filtering)的波前重建。第九圖A至第九圖B顯示單一張帶有編碼結構物體光波的編碼方式，其中第九圖A中包含待測物體的影像資訊，而第九圖B則包含單一張帶有編碼結構的物體光波。
光波繞射例如為菲涅耳繞射(Fresnel diffraction)或夫朗和斐繞射(Fraunhofer diffraction)。在本實施例中，繞射資訊成像至物體的中間影像平面，並繞射一段距離至菲涅耳區域以產生低頻繞射條紋資訊，以解決光偵測器陣列的實際像素尺寸受限問題。
接下來，於步驟203之中，二值化亂數解碼波前重建的編碼結構物體光波(單一張數位全像)之圖案，以取出對應的原具相位移圖紋的物體光波，並利用一影像處理方法以復原至少二張具相位移圖紋的物體光波。在一實施例中，影像處理方法包括：壓縮感測法(compressive sensing)、反摺積法(de-convolution)或內插法(interpolation)。經波前重建的編碼結構物體光波，將使用二值化亂數解碼圖案以取出對應的原具相位移圖紋的物體光波，如第十圖A至第十圖B所示。第十圖A至第十圖B所示係為經二值化亂數解碼圖案所取出對應的原具相位移圖紋的物體光波，其相位移編碼分別為0°以及120°的具相位移圖紋的物體光波。相位移圖紋之物體光波將經過壓縮感測演算以回復為如第十一圖A至第十一圖B所示之二張具相位移圖紋的物體光波，其相位移編碼分別為0°以及120°的具相位移圖紋的物體光波重建影像。
最後，於步驟204之中，將該至少二張具相位移圖紋的物體光波進行重疊頻譜分離之重建方法，以獲得具有不同的高頻與低頻帶通頻譜涵蓋範圍之影像。在本實施例中，如第十二圖A至第十三圖B所示，其顯示經由重疊頻譜分離重建方法所獲得具有不同的高頻與低頻帶通頻譜涵蓋範圍之影像，其中第十二圖A至第十二圖B分別顯示頻譜相對應的繞射階為正一階(+1st)、負一階(-1st)之帶通頻譜，以及第十三圖A至第十三圖B分別顯示頻譜相對應的繞射階為正一階(+1st)、負一階(-1st)之重建振幅影像。該等帶通頻譜可透過二維傅立葉轉換合成方式以合成二維高空間解析度的波前成像，如第十四圖A至第十四圖B所示。其中第十四圖A為二維合成頻譜涵蓋範圍，第十四圖B為合成振幅重建影像，第十四圖C為合成相位重建影像。在另一實施例之中，使用三維傅立葉轉換以實現斷層造影。第十五圖所示，其係模擬三維物件經過三維傅立葉頻譜合成方式，以獲得第十六圖C至第十六圖D之三維合成頻譜所對應之斷層重建影像。第十六圖A顯示三維合成頻譜在x-y空間上的涵蓋範圍，而第十六圖B顯示三維合成頻譜在y-z空間上的涵蓋範圍。第十六圖C顯示三維合成頻譜在x-y空間的折射率之斷層重建影像，而第十六圖D顯示三維合成頻譜在y-z空間的折射率之斷層重建影像。
如上所述第六圖至第十六圖D主要係藉由一電腦模擬如第一~第三圖之結構光照明數位全像裝置所產生之數位全像。藉由結構光照明數位全像方法以獲得具有不同的高頻與低頻帶通頻譜涵蓋範圍之合成頻譜及其高空間解析度重建影像。在本發明之電腦模擬之中，提供了結構光數位全像的頻譜涵蓋範圍以及其結構光投影條紋在空間解析度的性能表現。在一實施例之中，模擬光源的中心波長為532奈米(nm)、像素大小為△x=0.26微米(μm)、取樣數量為1538×1538。所採用測試樣本分別包含數個不同空間頻率的亮暗條紋，主要係包括自5.4、3.6至1.8微米(μm)的微米線對，以用於比較經過結構光照射之後，其合成頻譜所作用的高空間解析度振幅與相位影像。因此，模擬中設定該接收物鏡組的數值孔徑NA為0.12，當以結構光的零階(0th)繞射項入射待測物體時所能達到的理想解析度為3.4微米(μm)，如第十三圖A所示。接著，經過結構光的正負一階(±1st)繞射項入射待測物體，其空間解析度可提升至1.7微米(μm)，如第十四 圖B所示。
第五圖顯示根據本發明之一實施例之一結構光照明數位全像之詳細的方法流程圖。照射光源300產生一入射光以入射至一光學系統301，經過一分光鏡而分別輸出兩道光束(I1、I2)。其中一道光束(I1)首先產生至少二張已知空間頻率結構的圖案302，而另一道光束(I2)則作為一參考波306。接下來，利用二值化亂數編碼單元以產生至少二張已知二值化亂數編碼圖案303。然後，單一張帶有編碼之結構光圖紋照明於待測物體304之上，以形成編碼結構物體光波。之後，編碼結構物體光波進行菲涅耳繞射305以傳播至菲涅耳區間。菲涅耳繞射305之編碼結構物體光波與參考光波306將同時達至光學系統301之影像感測器，以進行數位全像記錄，而產生單張結構光數位全像片307。接下來，針對單張結構光數位全像片以執行一波前重建演算法308，其中包含各階繞射項。然後，取出至少二張已知二值化亂數編碼圖案309以進行後續的壓縮感測310。壓縮感測方法之後，回復至少二張具相位移圖紋的物體光波311。之後，將針對該至少二張具相位移圖紋的物體光波以進行重疊頻譜分離重建方法312。接下來，進行二維或三維傅立葉轉換313方法，以利於實現超解析與斷層造影。然後，進行頻譜疊合314步驟，以合成頻譜在空間上的涵蓋範圍。之後，進行反傅立葉轉換315方法，以形成具有高空間解析度的波前重建影像316。波前重建影像包括振幅影像317與相位影像318。
綜上所述，藉由本發明之結構光照明數位全像之方法與裝置，將物體光波與結構光圖紋之間的摺積特性來完成拓展頻譜涵蓋範圍，並進行二維以及三維的傅立葉頻譜合成，可以實現待測樣本的顯微與斷層之空間超解析度的波前重建，故確實能達成本發明之目的。
本發明之結構光照明數位全像之方法與裝置至少可以應用於底下幾個領域：
(1)光學元件：透明玻璃基板瑕疵檢測、微透鏡陣列的高度檢測、積體電路的膠合平整度檢測、光電元件的瑕疵、油汙、刮痕、裂紋檢測、以及矽基板的孔洞檢測。
(2)積體電路與半導體組件：元件線寬、線高、球徑、三維表面形貌、階高標準片、製程疊對、斷差高度、斜率、體積、表面積、振動模態。
(3)微光學元件：表面瑕疵檢測、表面粗糙度、表面輪廓、薄膜厚度與平整度、曲率半徑、波前量測、像差分析、折射率分佈可用於檢測光纖內部折射率分布。
(4)生醫細胞影像：細胞生物學、神經細胞觀測、細胞體積、細胞形態、生物感測器、生物晶片、活體生物細胞檢測與分析、藥物開發與篩檢。
(5)手機與面板：三維表面形貌、應力與形變、手機鏡頭、瑕疵檢測、油漬、指紋、裂痕、點膠、錫膏、塗布、平整度、粗糙度、拋光。
除描述於此之外，可藉由敘述於本發明中之實施例及實施方式所達成之不同改良方式，皆應涵蓋於本發明之範疇中。因此，揭露於此之圖式及範例皆用以說明而非用以限制本發明，本發明之保護範疇僅應以列於其後之申請專利範圍為主。

Claims (10)

  1. 一種結構光照明數位全像之方法，包括：(a)提供一結構光產生單元與二值化亂數編碼單元，以產生結構光圖紋；(b)藉由該結構光圖紋之至少二張的二值化亂數編碼圖案，以取樣至少二張具相位移圖紋，並合成為單一張帶有編碼的結構光圖紋；(c)將該單一張帶有編碼的結構光圖紋照明於一物體，以形成編碼結構物體光波而與參考光波干涉以產生單一張數位全像片，接著再進行該單一張數位全像之波前重建；(d)二值化亂數解碼該單一張數位全像片之圖案，以取出對應的原具相位移圖紋的物體光波，並藉由一影像處理方法以復原至少二張具相位移圖紋的物體光波；以及(e)將該至少二張具相位移圖紋的物體光波進行重疊頻譜分離之重建方法，以獲得具有不同的高頻與低頻帶通頻譜涵蓋範圍之影像。
  2. 如請求項1所述之結構光照明數位全像之方法，其中該步驟(d)之中，該影像處理方法包括壓縮感測法、反摺積法或內插法。
  3. 如請求項1所述之結構光照明數位全像之方法，其中該步驟(e)之中，該不同的高頻與低頻帶通頻譜包括二維與三維的傅立葉頻譜資訊。
  4. 一種結構光照明數位全像之裝置，包括：一發射光源；一光擴束器，用以該發射光源所發出光形成一擴束光；至少一分光鏡，用以使該發出光分成至少兩個光源、或結合至少兩個光源；一結構光產生單元，用以使該發出光形成一具任意空間頻率以及各個方向的結構光圖紋；二值化亂數編碼單元，用以使該發出光形成一具任意空間頻率以及各個方向的二值化亂數編碼圖案；一照明物鏡組，用以放大或縮小該結構光，以利於照射至待測物體以形成物體光； 一接收物鏡組，用以放大或縮小該結構光，以利於該物體光形成為成像或非成像的繞射光波；一參考光，用以與物體光干涉以形成結構光數位全像片；以及一光偵測器陣列，用以記錄該物體光與該參考光干涉後所形成之該結構光數位全像片。
  5. 如請求項4所述之結構光照明數位全像之裝置，其中該數位全像片之形式包括同軸式、離軸式、共軸式或共光程式。
  6. 如請求項4所述之結構光照明數位全像之裝置，更包括複數個面鏡，用以改變該發射光源之光路徑；與一光學中繼物鏡組，用以調制該物體光波的高頻或低頻，以利於各種光學多工程序；該二值化亂數編碼圖案可以為振幅或相位的形式，該結構光可以為振幅或相位的形式。
  7. 一種結構光照明數位全像之裝置，包括：一發射光源；一光擴束器，用以該發射光源所發出光形成一擴束光；至少一分光鏡，用以使該發出光分成至少兩個光源、或結合至少兩個光源；複數個面鏡，用以改變該發射光源之光路徑；一結構光產生單元，用以使該發出光形成一具任意空間頻率以及各個方向的結構光圖紋；二值化亂數編碼單元，用以使該發出光形成一具任意空間頻率以及各個方向的二值化亂數編碼圖案；一照明物鏡組，用以放大或縮小該結構光，以利於照射至待測物體以形成物體光；一接收物鏡組，用以放大或縮小該結構光，以利於該物體光形成為成像或非成像的繞射光波；以及一光偵測器陣列，用以記錄該物體光與該參考光干涉後所形成之該結構光數位全像片。
  8. 如請求項7所述之結構光照明數位全像之裝置，更包括一光柵，用以產生不同繞射階之該物體光波資訊；以及一光學中繼系統，用以調制該物體光波，以利於該不同繞射階之光學多工。
  9. 如請求項8所述之結構光照明數位全像之裝置，更包括一第二光學中繼系統、一濾波器遮罩以及一光柵，其中該光柵配置於該接收物鏡組與該第二光學中繼系統之間，而該濾波器遮罩配置於該第二光學中繼系統之兩組透鏡之間。
  10. 如請求項8所述之結構光照明數位全像之裝置，更包括一第二光學中繼系統以及一光柵，其中該光柵配置於該第二光學中繼系統之一側邊，而該濾波器遮罩嵌入於該光柵之中。
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