TW201918703A

TW201918703A - 微分相位對比顯微系統與方法

Info

Publication number: TW201918703A
Application number: TW106139377A
Authority: TW
Inventors: 駱遠; 陳錫勳
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2019-05-16
Also published as: CN109780993B; TWI637166B; CN109780993A

Abstract

一種微分相位對比顯微系統與方法，其中該系統包括一光強度調制模組、一聚光透鏡、一物鏡以及一影像擷取模組。該光強度調制模組，用以根據控制訊號將該入射光場調制成具有一梯度強度分佈的偵測光場。該聚光透鏡用以接收該偵測光場，並產生一離軸光場投射至一待測物上，進而產生一待測物光場而被該物鏡接收。該影像擷取模組，用以接收該待測物光場，而產生相應該強度梯度分佈的一光學影像。該方法更包括有控制該光強度調制模組產生沿一第一軸向光強度逐漸減少的第一梯度遮罩、沿該第一軸向光強度逐漸增加的第二梯度遮罩、沿一第二軸向光強度逐漸減少的第三梯度遮罩以及沿該第二軸向光強度逐漸增加的第四梯度遮罩，使該影像擷取模組分別擷取對應該第一至第四梯度遮罩的第一至第四光學影像。

Description

微分相位對比顯微系統與方法

本發明為一種顯微技術，特別是指一種利用雙軸具有光強梯度分布的光場以離軸照明的方式取得關於待測物的四張對應影像以進行相位量測的一種微分相位對比顯微系統與方法。

微分相位對比顯微技術(differential phase contrast, DPC)是一種利用非干涉影像進行物體特徵解析的技術，用以讓非標記(label-free)待測物在非對稱照明(asymmetric illumination source)的條件下產生相位對比。由於具有非標記的優點，微分相位對比顯微技術已經被廣泛應用在商業檢測領域，用以在沒有螢光漂白(photobleaching)或光毒性(phototoxicity)下觀測生物試片。

慣用技術中在非可見光的領域中，有一種利用X射源與光柵產生相位對比的微分顯微技術，例如中國公開申請號第CN103348415則揭露了一種本發明涉及X射線差分相襯成像。為了增強通過相襯成像採集的資訊，用於X射線差分相襯成像的分析光柵被提供有吸收結構。後者包括第一多個第一區域和第二多個第二區域，所述第一區域具有第一X射線衰減，所述第二區域具有第二X射線衰減。所述第二X射線衰減小於所述第一X射線衰減，並且以交替的方式週期性地佈置所述第一區域和第二區域。第三多個第三區域被提供有第三X射線衰減，其在從所述第二X射線衰減到所述第一X射線衰減的範圍之內，其中，每第二個所述第一區域或每第二個所述第二區域被一個所述第三區域取代。

此外，利用可見光源進行檢測的典型DPC架構中，會利用半圓的圖案，來調制光源，其中半圓的圖案，如圖1A所示，可以利用光強度遮罩或者是可程式的LED陣列來進行調制。另一種方式是利用設置在物鏡的傅立葉平面(Fourier plane)的空間光調制模組(spatial light modulator, SLM)或者是液晶面板來產生偵測光。關於半圓圖案的光強度遮罩的光譜調制係利用希爾伯特轉換(Hilbert transform)，這種轉換技術已經被證實具有能力在同調雷射照明以及在物鏡的傅立葉平面上設置空間光調制模組的條件下取得具有等向相差反應(isotropic phase contrast response)的相位。然而，由於在局部同調照明(partially coherent illumination)下，DPC轉換函數(DPC transfer function)在僅用兩軸向 (垂直和水平軸) 的半圓光強度遮罩進行量測時為非等向，因此就必須要進行到高達十二軸向變化的光強度遮罩，如圖1B所示之不同軸相變化的遮罩00~11，來進行量測，以增加在相位還原演算時的穩定度和準確度。此外，由於利用半圓形光強度遮罩需要進行高達十二軸向的光強度變化，因此在量測效率上也大為降低，不利於生產線上的檢測。

綜合上述，本發明爲解決在可見光源的DPC中所具有的問題，因此需要一種微分相位對比顯微系統與方法，來解決習用技術之缺陷。

本發明提供一種微分相位對比顯微系統與方法，其係利用雙軸四種不同的光強度梯度分佈的遮罩，調制入射光並對待測物進行離軸照明之後，所形成的物光通過物鏡被影像擷取裝置所擷取產生四張影像。由於本發明局部同調照明，因此僅透過四種不同的光強度梯度分佈遮罩，即可以經由擷取相應遮罩的四張影像還原待測物上每一個偵測位置的相位，進而可以得知其表面形貌特徵，因此本發明具有節省量測所需的時間，降低同調光斑的雜訊，強化解析度等效果。

在一實施例中，本發明提供一種微分相位對比顯微系統，包括有一光源、一光強度調制模組、一聚光透鏡、一物鏡以及一影像擷取模組。該光源，用以產生一入射光場。該光強度調制模組，用以根據控制訊號產生沿一第一軸向光強度逐漸減少的第一梯度遮罩、沿該第一軸向光強度逐漸增加的第二梯度遮罩、沿一第二軸向光強度逐漸減少的第三梯度遮罩以及沿該第二軸向光強度逐漸增加的第四梯度遮罩其中之一，以將該入射光場調制成具有一強度梯度分佈的偵測光場。該聚光透鏡，設置於該光強度調制模組之一側，使得該光強度調制模組位於該聚光透鏡之傅立葉平面上，該聚光透鏡用以接收該偵測光場，並產生一離軸光場投射至一待測物上，進而產生一測物光場。該物鏡，設置於該聚光透鏡之一側，使該待側物位於該物鏡之焦距上，該物鏡接收該測物光場。該影像擷取模組，與該物鏡耦接，用以接收該測物光場，而產生相應該強度梯度分佈的一光學影像。

在一實施例中，該光強度調制模組為一液晶透光模組，其內具有液晶單元，用以根據控制訊號改變透光量。此外，在另一實施例中，該聚光透鏡具有一第一數值孔徑值，該物鏡具有一第二數值孔徑值，該第一與該第二數值孔徑值為1。

在一實施例中，本發明提供一種微分相位對比顯微影像擷取方法，包括有下列步驟，首先使一光源產生一入射光場。接著，提供一光強度調制模組，用以根據控制訊號將該入射光場調制成具有一強度梯度分佈的偵測光場。然後，提供一聚光透鏡，設置於該光強度調制模組之一側，使得該光強度調制模組位於該聚光透鏡之傅立葉平面上，該聚光透鏡用以接收該偵測光場，並產生一離軸光場投射至一待測物上，進而產生一測物光場。接下來，提供一物鏡，設置於該聚光透鏡之一側，使該待側物位於該物鏡之焦距上，該物鏡接收該測物光場。再來，提供一影像擷取模組與該物鏡耦接，用以產生對應該偵測光場的光學影像。接著，控制該光強度調制模組，產生沿一第一軸向光強度逐漸減少的第一梯度遮罩、沿該第一軸向光強度逐漸增加的第二梯度遮罩、沿一第二軸向光強度逐漸減少的第三梯度遮罩以及沿該第二軸向光強度逐漸增加的第四梯度遮罩。最後，使該影像擷取模組經由該物鏡擷取對應該第一梯度遮罩的第一光學影像、對應該第二梯度遮罩的第二光學影像、對應該第三梯度遮罩的第三光學影像以及對應該第四梯度遮罩的第四光學影像。

在另一實施例中，該微分相位對比顯微影像擷取方法其係更包括有利用一運算處理單元，用以接收該第一光學影像、該第二光學影像、該第三光學影像以及該第四光學影像，並進行演算以得到該待測物上每一個偵測位置的相位，進而重建該待測物之表面形貌之步驟。其中，進行演算以得到該待測物上每一個偵測位置的相位更包括有下列步驟： (a) 由第一與第二光學影像上對應每一偵測位置的光強度計算出第一相位對比影像I_DPC 並進行傅立葉演算，以得到一轉換第一相位對比影像值；(b)由第三與第四光學影像上對應每一偵測位置的光強度計算出第二相位對比影像I_DPC 並進行傅立葉演算，以得到一轉換第二相位對比影像值；(c)計算該轉換第一相位對比影像值與一第一轉換函數內積以及該轉換第二相位對比影像值與一第二轉換函數內積的總合；(d)將該第一轉換函數與第二轉換函數的平方合與一雜訊抑制函數相加；(e)對步驟(c)的總合除以步驟(d)相加所得的值；以及(f)對步驟(e)的結果進行傅立葉反轉換以得到對應每一偵測位置的相位。該雜訊抑制函數更進一步包含有一高頻抑制函數以及一低頻抑制函數。

在下文將參考隨附圖式，可更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。類似數字始終指示類似元件。以下將以多種實施例配合圖式來說明所述微分相位對比顯微系統與方法，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖2所示，該圖為本發明之微分相位對比顯微系統光學架構示意圖，在本實施例中，該顯微系統2包括有一光源20、一光強度調制模組21、一聚光透鏡22、一物鏡23、影像擷取模組24以及一運算處理單元26。

該光源20用以產生一入射光場200，在本實施例中，該光源為寬頻可見光源，但不以此為限制，例如：單色可見光源也可以實施。該光強度調制模組21，設置於該光源20之一側，其係為根據控制訊號產生具有可以調制入射光場200光強度梯度分佈的模組。在一實施例中，該光強度調制模組21為可以控制光穿透強度的液晶模組(TFT shield)或者是光反射式液晶模組(liquid crystal on silicon, LCoS)。這些模組的特性在於可以控制液晶的轉向，進而改變穿透或反射光的強度。在本發明中，該光強度調制模組21可以根據控制訊號，產生沿著不同軸向光強度梯度分佈遮罩，以將該入射光場200調制成具有一強度梯度分佈的偵測光場210，例如：如圖3A~3D所示，其中圖3A沿一第一軸向光強度逐漸減少的第一梯度遮罩、圖3B為沿該第一軸向光強度逐漸增加的第二梯度遮罩、圖三C為沿一第二軸向光強度逐漸減少的第三梯度遮罩以及圖3D為沿該第二軸向光強度逐漸增加的第四梯度遮罩。本實施例中的第一軸向為X軸、第二軸向為Y軸，但不以此為限制。透過具有光強度梯度分佈的遮罩可以解決習用利用半圓形亮暗遮罩在每一軸量測時，在中間軸向(middle-axis)所產生的強度跳躍(amplitude cross)的問題。

該聚光透鏡(condenser)22，設置於該光強度調制模組21之一側，以接收被該光調制模組21調制的偵測光場210。該光強度調制模組21位於該聚光透鏡22之傅立葉平面上，該聚光透鏡22用以接收該偵測光場210，並產生一離軸(off-axis)光場220投射至一待測物90上，進而產生一測物光場221。該物鏡23，設置於該聚光透鏡22之一側，使該待側物90位於該物鏡23之焦距上，該物鏡23接收穿透該待測物90之該測物光場221。要說明的是，本發明的架構可以產生局部同調照明(partially coherent illumination)的光學影像，在一實施例中，產生局部同調照明的條件是該聚光透鏡22具有一第一數值孔徑(numerical aperture, NA)值，該物鏡具有一第二數值孔徑值，該第一與該第二數值孔徑值為1或近似於1。利用部份同調照明可以產生優於習用技術中同調照明的效果，例如:解析度強化、增加光學斷層(optical sectioning)效果以及減少同調光斑雜訊(coherent speckle noise)。

該影像擷取模組24，與該物鏡23耦接，用以接收該測物光場221，而產生相應該強度梯度分佈的一光學影像。該影應擷取模組24的擷取影像的影像平面和該待測物90之間相距兩倍該物鏡23之焦距及兩倍透鏡25之焦距。本實施例中該影像擷取模組24係透過一管狀透鏡(tube lens)25與該物鏡23耦接在一起。本實施例中的物鏡23與管狀透鏡25為一顯微鏡系統所具有的結構，該顯微系統可以為商業用顯微系統，例如：萊卡(Leica), DMI3000的設備，但不以此為限制。

該運算處理單元26與該光強度調制模組21電性連接，用以產生控制訊號來控制該光強度調制模組21產生沿著不同軸向光強度梯度的遮罩，例如：如圖3A~3D所示之沿一第一軸向光強度逐漸減少的第一梯度遮罩、沿該第一軸向光強度逐漸增加的第二梯度遮罩、沿一第二軸向光強度逐漸減少的第三梯度遮罩以及沿該第二軸向光強度逐漸增加的第四梯度遮罩其中之一。此外，該運算處理單元26，更與該影像擷取模組24電性連接，用以接收該影像擷取模組24所擷取之關於該第一梯度遮罩91、該第二梯度遮罩92、該第三梯度遮罩93以及該第四梯度遮罩94的第一光學影像、第二光學影像、第三光學影像以及第四光學影像，以進行演算以得到該待測物上每一個偵測位置的相位，進而重建該待測物之表面形貌或內部結構特徵。該運算處理單元26為具有運算處理能力的電腦、伺服器或工作站，可以從儲存媒體中執行應用程式，對所擷取到的影像進行演算。

請參閱圖2與圖4所示，其中圖4為本發明之微分相位對比顯微方法3流程示意圖，在本實施例中，該方法3係以圖2的顯微系統來進行物體表面微分相位對比顯微量測。首先進行步驟30，提供如圖2所示的微分相位對比顯微系統。接著進行步驟31使該光源20產生一入射光場200投射至該光強度調制模組21。接著進行步驟32控制該光調制模組21，根據控制訊號將該入射光場200調制成具有一強度梯度分佈的偵測光場210。在本步驟中，首先由該運算處理單元26產生一控制訊號控制該光強度調制模組21先產生沿一第一軸向光強度逐漸減少的第一梯度遮罩91，如圖3A所示。因此當入射光場通過該第一梯度遮罩91時，入射光產會被調制成光前度沿該第一軸向強度漸減少的偵測光場210。

接著進行步驟33，使該入射光場210通過設置於光強度調制模組21一側的聚光透鏡22。該光強度調制模組21位於該聚光透鏡22之傅立葉平面上，該聚光透鏡22用以接收該偵測光場210，並產生一離軸光場220投射至一待測物90上，進而產生一測物光場221。該待測物可以為細胞或者是微結構，本實施例為細胞。接下來，進行步驟34，使該測物光場221被該物鏡23所接收，該待側物90位於該物鏡23之焦距上。接著進行步驟35，提供一影像擷取模組與該物鏡耦接，用以產生對應沿第一軸向光強度逐漸減少的第一梯度遮罩之偵測光場的第一光學影像，如圖5A所示。

接著進行步驟36，判斷是否已經取得四張對應不同軸向光強度梯度分佈的影像，如果沒有則進行步驟37，改變該光強度調制模組21的光強度梯度。在本步驟中，使運算處理單元26控制該光強度調制模組21，產生沿一第一軸向光強度逐漸增加的第二梯度遮罩。之後再回到步驟33，並重複進行步驟至35以取得對應沿第一軸向光強度逐漸增加的第二梯度遮罩之偵測光場的第二光學影像，如圖5B所示。之後再進行步驟37，改變該光強度調制模組21的光強度梯度。使運算處理單元26控制該光強度調制模組21，產生沿一第二軸向光強度逐漸減少的第三梯度遮罩。之後再回到步驟33，重複進行步驟至35以取得對應沿第二軸向光強度逐漸減少的第三梯度遮罩之偵測光場的第三光學影像，如圖5C所示。之後再進行步驟37，改變該光強度調制模組21的光強度梯度。使運算處理單元26控制該光強度調制模組21，產生沿一第二軸向光強度逐漸增加的第四梯度遮罩。之後再回到步驟33，重複進行步驟至35以取得對應沿第二軸向光強度逐漸增加的第四梯度遮罩之偵測光場的第四光學影像，如圖5D所示。

在取得到四張分別對應兩軸向梯度漸增與減弱的光學影像之後，接著進行步驟38運算處理單元26進行運算處理分析，用以對接收之該第一光學影像、該第二光學影像、該第三光學影像以及該第四光學影像，並進行演算以得到該待測物90上每一個偵測位置的相位，進而重建該待測物之形貌或內部特徵。

在一實施例中，以圖5A至圖5D為例，進行演算以得到該待測物上每一個偵測位置的相位更包括有下列步驟：首先進行步驟370，由第一與第二光學影像上對應每一偵測位置的光強度計算出第一相位對比影像I_DPC 並進行傅立葉演算，以得到一轉換第一相位對比影像值，其中i=1，代表第一軸X，r(x,y)則代表每一個偵測位置(x,y)，如下式(1)所示。….(1) 在本步驟中，式(1)中的I₁ 為第一影像中對應每一個偵測位置個光強度值，I₂ 為第二影像中對應每一偵測位置的光強度值。

接著進行步驟371，由第三與第四光學影像上對應每一偵測位置的光強度計算出第二相位對比影像I_DPC 並進行傅立葉演算，以得到一轉換第二相位對比影像值，其中i=2，代表第一軸Y，r(x,y)則代表每一個偵測位置(x,y)，值則以上式(1)進行演算。在本步驟中，式(1)中的I₁ 為第三影像中對應每一個偵測位置個光強度值，I₂ 為第四影像中對應每一偵測位置的光強度值。

然後進行步驟372，計算該轉換第一相位對比影像值, i=1與一第一轉換函數內積以及該轉換第二相位對比影像值, i=2與一第二轉換函數內積的總合，其中如下式(2)所示，而步驟372的總合則如下式(3)所示。…(2)…(3) 其中以及分別為關於每一軸向上的影像對，是亮場(light field)的背景，例如：第一與第二影像，或者是第三與第四影像，的S(u)上所相應各遮罩的相位轉換函數(phase transfer function, pTF)，而S(u)被定義為如下式(4)所示：….(4) 其中，u=(u_x , u_y ) 係定義為空間頻率座標(spatial frequency coordinates)，m(u)則為光強度調制模組21所產生的遮罩的對應函數。，其中代表聚光透鏡22的數值孔徑值，是入射光場的操作波長，而被定義為如下式(5)所示：…….(5)

請參閱圖6A至圖6C所示，其中圖6A為習用微分相位對比顯微系統所用的利用雙軸半圓形遮罩所構成的相位轉換函數模擬圖；圖6B為本發明之微分相位對比顯微系統所用的利用雙軸具有梯度分佈的遮罩所構成的相位轉換函數模擬圖；圖6C則為習用和本發明之相位轉換函數之強度相減的結果。在圖6A中，第一圖代表水平軸的相位轉換函數影像、第二圖代表垂直軸的相位轉換函數影像以及第三圖代表雙軸的相位轉換函數影像，而在圖6B中，第一圖代表水平軸的相位轉換函數影像、第二圖代表垂直軸的相位轉換函數影像以及第三圖代表雙軸的相位轉換函數影像。從圖6A與圖6B的雙軸相位轉換函數影像可以看出，在圖6A中，其轉換函數的強度呈現非等相性的結果，而本發明所呈現的轉換函數的強度，則呈現出在局部同調照明的下，具有等向如同甜甜圈(donut)均勻分佈的轉換函數影像，因此本發明利用具有強度梯度變化的遮罩所產生的轉換函數影像可以降低同調光斑的雜訊，強化解析度等效果。

接著，進行步驟373，將該第一轉換函數與第二轉換函數的平方合與一雜訊抑制函數相加，形成如下式(6)的結果。….(6) 其中，代表雜訊抑制函數，其係更進一步包含有一高頻抑制函數，為沿著縱軸及橫軸的一階微分操作子，以及一低頻抑制函數。其中，代表縮放函數(scaling function)用以抑制低頻雜訊，為標準差。η、α與β為調節參數，在一實施例中，其係分別為1、10^-2 ~10^-3 以及10^-3 ~10^-4 。

然後進行步驟374，對步驟(c)的總合除以步驟(d)相加所得的值。以及最後進行步驟375，如下式(7)所示，對步驟(e)的結果進行傅立葉反轉換以得到對應每一偵測位置的相位。…(7) 取得每一個偵測位置的相位之後，即可以根據該相位值還原物體之特徵，例如：表面形貌。

更進一步說，方程式(7)係由下式(8)所推演而來。 ….(8) 其中，代表縮放函數(scaling function)用以抑制低頻雜訊，為標準差。此外，則是一調節項，用來避免在高頻區域雜訊被放大。要解方程式(8)，透過微分讓拉格蘭吉恩(Lagrangian) 為0，即可以推導出如上式(7)的相位值方程式。

有別於傳統如下式(9)所示的解析方式，在方程式(9)中，代表轉換函數，而則代表每一軸向的相位對比影像，代表傅立葉轉換演算。…(9) 本發明在習用的相位還原方程式中，更進一步的的將常數γ調整為，以對利用本發明所取得的雙軸影像對(第一與第二影像以及第三與第四影像)進行高低頻雜訊的處理，提高相位還原的解析度。

請參閱圖7A~圖7C所示，該圖為本發明擷取細胞影像進行演算之後與習用技術比較圖。其中，圖7A為利用方程式(7)所還原的相位影像圖，圖7B則是利用方程式(9)所還原的相位影像圖，圖7C則為圖7A中的方框區域與圖7B中相應的區域的相位差示意圖。從圖7C中可以看出相位差接近0，而且顯示出因為雜訊所造成的振鈴效應圖案(ringing artifacts pattern)。利用方程式(7)所還原出來的相位，可以有效移除雜訊進而改善影像品質。

接下來說明利用本發明之方法與傳統的DPC量測具有半圓形表面結構的物件。請參閱圖8A與圖8B所示，其中圖8A為利用本發明之雙軸四張影像所重件的相位影像，圖8B為利用傳統DPC所量測的12軸影像而重建的相位影像。在圖8A與圖8B的左下角細微利用多軸所模擬的相位函數，從可以看出圖8A，也就是利用本發明的方法，其相位函數為等向性佳的甜甜圈的結構，而圖8B左下角則為關於傳統DPC所量測的12軸影像的相位函數，可以看出其呈現類似矩形的形狀，因此其所重建出來的相位影像為非等向的結果，僅在中間有十字的區域比較準確，與圖8A所呈現等向的相位影像相差甚遠。如圖8C所示，該圖為沿著圖8A實線的相位段面曲線圖。實線為量測的相位值，而虛線則為利用透鏡陣列廠商提供之資料所計算得的預測值。可以看出實際量測與利用數學演算的預測值相當接近。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

00~11‧‧‧半圓遮罩

2‧‧‧微分相位對比顯微系統

20‧‧‧光源

200‧‧‧入射光場

21‧‧‧光強度調制模組

210‧‧‧偵測光場

22‧‧‧聚光透鏡

220‧‧‧離軸光場

221‧‧‧測物光場

23‧‧‧物鏡

24‧‧‧影像擷取模組

25‧‧‧管狀透鏡

26‧‧‧運算處理單元

3‧‧‧微分相位對比顯微方法

30~37‧‧‧步驟

90‧‧‧待測物

91‧‧‧第一梯度遮罩

92‧‧‧第二梯度遮罩

93‧‧‧第三梯度遮罩

94‧‧‧第四梯度遮罩

圖1A與圖1B為習用之光遮罩與隨著不同軸相變化示意圖。圖2為本發明之微分相位對比顯微系統光學架構示意圖。圖3A~3D為本發明之沿第一軸向與第二軸向光強度梯度分佈變化之遮罩示意圖。圖4為本發明之微分相位對比顯微方法流程示意圖。圖5A至圖5D為利用本發明之遮罩擷取的影像示意圖。圖6A為習用微分相位對比顯微系統所用的利用雙軸半圓形遮罩所構成的相位轉換函數模擬圖。圖6B為本發明之微分相位對比顯微系統所用的利用雙軸具有梯度分佈的遮罩所構成的相位轉換函數模擬圖。圖6C則為習用和本發明之相位轉換函數之強度相減的結果。圖7A~圖7C為本發明擷取細胞影像進行演算之後與習用技術比較圖。圖8A為利用本發明之雙軸四張影像所重件的相位影像。圖8B為利用傳統DPC所量測的12軸影像而重建的相位影像。圖8C為沿著圖8A實線的相位段面曲線圖。

Claims

一種微分相位對比顯微系統，包括有：一光源，用以產生一入射光場；一光強度調制模組，用以根據控制訊號產生沿一第一軸向光強度逐漸減少的第一梯度遮罩、沿該第一軸向光強度逐漸增加的第二梯度遮罩、沿一第二軸向光強度逐漸減少的第三梯度遮罩以及沿該第二軸向光強度逐漸增加的第四梯度遮罩其中之一，以將該入射光場調制成具有一強度梯度分佈的偵測光場；一聚光透鏡，設置於該光強度調制模組之一側，使得該光強度調制模組位於該聚光透鏡之傅立葉平面上，該聚光透鏡用以接收該偵測光場，並產生一離軸光場投射至一待測物上，進而產生一測物光場；一物鏡，設置於該聚光透鏡之一側，使該待側物位於該物鏡之焦距上，該物鏡接收該測物光場；以及一影像擷取模組，與該物鏡耦接，用以接收該測物光場，而產生相應該強度梯度分佈的一光學影像。
如申請專利範圍第1項所述之微分相位對比顯微系統，其中該光強度調制模組為一控制光穿透強度的液晶模組(TFT shield)或者是光反射式液晶模組(liquid crystal on silicon, LCoS)，其內具有液晶單元，用以根據控制訊號改變透光量。
如申請專利範圍第1項所述之微分相位對比顯微系統，其中該聚光透鏡具有一第一數值孔徑值，該物鏡具有一第二數值孔徑值，該第一與該第二數值孔徑值為1。
如申請專利範圍第1項所述之微分相位對比顯微系統，其係更包括有一運算處理單元，用以產生控制訊號使該光強度調制模組選擇沿一第一軸向光強度逐漸減少的第一梯度遮罩、沿該第一軸向光強度逐漸增加的第二梯度遮罩、沿一第二軸向光強度逐漸減少的第三梯度遮罩以及沿該第二軸向光強度逐漸增加的第四梯度遮罩其中之一，該運算處理單元更接收關於該第一梯度遮罩、該第二梯度遮罩、該第三梯度遮罩以及該第四梯度遮罩的第一光學影像、第二光學影像、第三光學影像以及第四光學影像，以進行演算以得到該待測物上每一個偵測位置的相位，進而重建該待測物之表面形貌。
一種微分相位對比顯微影像擷取方法，包括有下列步驟：使一光源產生一入射光場；提供一光強度調制模組，用以根據控制訊號將該入射光場調制成具有一強度梯度分佈的偵測光場；提供一聚光透鏡，設置於該光強度調制模組之一側，使得該光強度調制模組位於該聚光透鏡之傅立葉平面上，該聚光透鏡用以接收該偵測光場，並產生一離軸光場投射至一待測物上，進而產生一測物光場；提供一物鏡，設置於該聚光透鏡之一側，使該待側物位於該物鏡之焦距上，該物鏡接收該測物光場；提供一影像擷取模組與該物鏡耦接，用以產生對應該偵測光場的光學影像；控制該光強度調制模組，使其產生沿一第一軸向光強度逐漸減少的第一梯度遮罩、沿該第一軸向光強度逐漸增加的第二梯度遮罩、沿一第二軸向光強度逐漸減少的第三梯度遮罩以及沿該第二軸向光強度逐漸增加的第四梯度遮罩；以及使該影像擷取模組經由該物鏡擷取對應該第一梯度遮罩的第一光學影像、對應該第二梯度遮罩的第二光學影像、對應該第三梯度遮罩的第三光學影像以及對應該第四梯度遮罩的第四光學影像。
如申請專利範圍第5項所述之微分相位對比顯微影像擷取方法，其中該光強度調制模組為一控制光穿透強度的液晶模組(TFT shield)或者是光反射式液晶模組(liquid crystal on silicon, LCoS)，其內具有液晶，用以根據控制訊號改變透光量。
如申請專利範圍第5項所述之微分相位對比顯微影像擷取方法，其中該聚光透鏡具有一第一數值孔徑值，該物鏡具有一第二數值孔徑值，該第一與該第二數值孔徑值為1。
如申請專利範圍第5項所述之微分相位對比顯微影像擷取方法，其係更包括有下列步驟：利用一運算處理單元，用以接收該第一光學影像、該第二光學影像、該第三光學影像以及該第四光學影像，並進行演算以得到該待測物上每一個偵測位置的相位，進而重建該待測物之表面形貌。
如申請專利範圍第8項所述之微分相位對比顯微影像擷取方法，其中進行演算以得到該待測物上每一個偵測位置的相位更包括有下列步驟： (a) 由第一與第二光學影像上對應每一偵測位置的光強度計算出第一相位對比影像I_DPC 並進行傅立葉演算，以得到一轉換第一相位對比影像值； (b) 由第三與第四光學影像上對應每一偵測位置的光強度計算出第二相位對比影像I_DPC 並進行傅立葉演算，以得到一轉換第二相位對比影像值； (c) 計算該轉換第一相位對比影像值與一第一轉換函數內積以及該轉換第二相位對比影像值與一第二轉換函數內積的總合； (d) 將該第一轉換函數與第二轉換函數的平方合與一雜訊抑制函數相加； (e) 對步驟(c)的總合除以步驟(d)相加所得的值；以及 (f) 對步驟(e)的結果進行傅立葉反轉換以得到對應每一偵測位置的相位。
如申請專利範圍第9項所述之微分相位對比顯微影像擷取方法，其中該雜訊抑制函數更進一步包含有一高頻抑制函數以及一低頻抑制函數。