TW201930955A

TW201930955A - 多層多工共焦顯微之光源裝置與系統

Info

Publication number: TW201930955A
Application number: TW107101123A
Authority: TW
Inventors: 駱遠; 賈澤民
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-08-01
Also published as: TWI673516B

Abstract

一種多層多工共焦顯微系統，包括有用以產生一入射光場之光源模組、一全像光柵單元、一物鏡、複數個空間濾波元件以及一影像感測模組。該全像光柵單元，設置於該入射光場之光路上，用以將該入射光場分成複數道同光路之繞射光場，每一道繞射光場具有不同的波前。該物鏡，設置於該複數道繞射光場之光路上，用以將該複數道繞射光場聚焦至不同的聚焦深度而投射至一待測物上，並由該待測物產生形成複數道測物光場。該複數個空間濾波元件，其係分別對應每一道測物光場，每一空間濾波元件設置在對應測物光場之一傅利葉平面上，用以濾除失焦之測物光場。該影像感測模組，用以感測通過該複數個空間濾波元件之測物光場，已形成複數個相應每一測物光場之影像。

Description

多層多工共焦顯微之光源裝置與系統

本發明為一種顯微技術，特別是指一種利用全像元件將光源分成多到對應不同聚焦深度的繞射光偵測待測物以取代傳統垂直深度掃描之一種多層多工共焦顯微之光源裝置與系統。

共焦顯微技術是透過聚失焦的成像影像訊號處理，以對物體進行三維形貌資訊量測的一種光學量測技術。為了改善3D影像品質，傳統的共焦量測方式是單點深度掃描加上逐點移動掃描的方式，以取得物體的三維形貌資訊。然而，隨著檢測物體的體積，也會影響逐點深度掃描的檢測效率。雖然在習用技術中，利如:旋轉盤共焦(spinning disk confocal)或數位反射鏡共焦(digital micro-mirror-divice-based confocal)裝置的發展，要解決傳統逐點移動掃描的效率問題，不過仍然還是免不了要進行深度掃描的動作，才能夠透過聚失焦進行物體深度或表面形貌的量測。

為了解決垂直掃描的效率問題，習用技術中，例如:差動共焦顯微(differential confocal microscopy)技術、可調透鏡共焦顯微(tunable len-based confocal microsopy)技術或者是彩色共焦顯微(chromatic confocal microscopy)技術等，也都有相關的研究發表。其中差動共焦顯微技術是利用兩個或多個偵測器，用以透過二維掃描的方式完成表面形貌偵測或者是三維螢光標籤(fluorescence labels)分佈偵測，儘管如此，該技術還是無法應用在具有厚度的細胞影像量測上。而可調透鏡共焦顯微技術，則是用來利用電子控制聚焦機制來取代機械式垂直移動掃描的量測技術，用以減少影像垂直掃描所需要的時間，然而，該技術還是無法避免垂直掃描的動作，也沒有辦法同時擷取不同深度的影像。彩色共焦顯微技術，是以白光為光源，透過色散的機制，將白光色散成複數個具有不同具焦深度的色光，可以應用在免標記(label-free)的光學檢測，但是該類的技術，並沒有辦法解析具有體積的螢光待測物，特別是螢光成分分佈稀少(sparsely populated fluorophores)的待測物。

綜合上述，因此需要一種利用全像元件將光源分成多到對應不同聚焦深度的繞射光偵測待測物以取代傳統垂直深度掃描之一種多層多工共焦顯微之光源裝置與系統來解決習用技術之不足。

本發明提供一種多層多工共焦顯微之光源裝置與系統，在不需要任何機械式的深度掃描，可以同時將關於待測物不同深度資訊的光學訊號在影像感測裝置上成像，另外借由重新設計多工全像光柵及能達到更多層的深度同時成像的效果，可以應用在螢光成像或者是寬頻光成像的領域。

本發明提供一種多層多工共焦顯微之光源裝置與系統，利用多工全像光柵與光學元件形成的聚焦在不同平面上的線性聚焦光場，用以即時同步取得關於待測物在不同深度位置的影像，由於光場具有一維線性維度(例如:X軸向)，並非僅有單點多深度聚焦，因此僅需要再透過另一維度(例如:Y軸向)掃描，即可以得到關於該待測物在三維空間上的影像資訊，節省了檢測所需要的時間，提升檢測的效率。

本發明提供一種多層多工共焦顯微之光源裝置與系統，利用多工全像光柵與光學元件形成的聚焦在不同平面上的點聚焦光場或線性聚焦光場，用以即時同步取得關於待測物在不同深度位置的影像。由於可以即時同步的取得待測物在不同深度位置的影像，因此即使物體是動態的待測物，也可以有效地取得影像資訊，進而進行分析。

本發明提供一種多層多工共焦顯微之光源裝置與系統，可以用以檢測發出螢光的細胞組織，特別是透過在深度方向即時同步取得不同聚焦深度的影像，可以檢測具有體積與厚度的待測物，提升的檢測待測物內部結構的能力。

在一實施例中，本發明提供一種多層多工共焦顯微之光源裝置，包括有用以產生一入射光場之光源模組、一全像光柵單元、一物鏡、複數個空間濾波元件以及一影像感測模組。該全像光柵單元，設置於該入射光場之光路上，用以將該入射光場分成複數道同光路之繞射光場，每一道繞射光場具有不同的波前。該物鏡，設置於該複數道繞射光場之光路上，用以將該複數道繞射光場聚焦至不同的聚焦深度而投射至一待測物上，並由該待測物產生複數道測物光場。

在一實施例中，本發明提供一種多層多工共焦顯微系統，包括有用以產生一入射光場之光源模組、一全像光柵單元、一物鏡、複數個空間濾波元件以及一影像感測模組。該全像光柵單元，設置於該入射光場之光路上，用以將該入射光場分成複數道同光路之繞射光場，每一道繞射光場具有不同的波前。該物鏡，設置於該複數道繞射光場之光路上，用以將該複數道繞射光場聚焦至不同的聚焦深度而投射至一待測物上，並由該待測物產生複數道測物光場。該複數個空間濾波元件，其係分別對應每一道測物光場，每一空間濾波元件設置在對應測物光場之一傅利葉平面上，用以濾除失焦之測物光場。該影像感測模組，用以感測通過該複數個空間濾波元件之測物光場，已形成複數個相應每一測物光場之影像。

在一實施例中，其中每一道繞射光場的波前具有不同的曲率，該空間濾波元件為狹縫元件或針孔元件。

在一實施例中，其係更具有一調制鏡組，用以將繞射光場調制成線性之繞射光場。

在一實施例中，該光源模組為一雷射光源模組，用以產生具有一第一波長之雷射入射光場，該測物光場具有相異於該第一波長之一第二波長。該第二波長對應之光場為螢光光場。

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多層多工共焦顯微之光源裝置與系統，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖1A所示，該圖為本發明之多層多工共焦顯微之光源裝置之一實施例架構示意圖。在本實施例中，該全像共焦光源裝置2包括有一光源模組20、一全像光柵單元21以及一物鏡22。該光源模組20，用以產生複數道入射光場90a與90b，每一道入射光場90a, 90b相對於全像光柵單元21之法向量而言具有不同的入射角度。在一實施例中，該光源模組20可以為一發光源以及一空間光調制器(Spatial light modulator, SLM)所構成，以產生多道不同入射角度之入射光場。該發光源可以為雷射光源或者是寬頻光源，例如：白光光源等。可以視檢測的內容與待測物而定，並無一定之限制。該空間光調制器在一實施例中，可以為數位微型反射鏡元件(Digital Micromirror Device, DMD)或矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)裝置，但不以此為限制。

例如：以圖2A與圖2B所示的DMD元件為例，空間光調制器200具有複數個成二維陣列排列的反光元件作為光控開關201，圖中僅以四個做代表。一般而言，光控開關201至少有開(on)以及關(off)狀態。光控開關201可以透過電訊的控制改變其轉動的角度，進而呈現開或關的狀態。當有入射光90投射至複數個光控開關201時，根據其偏轉的方向會決定反射光的路徑，透過此原理可以用來做不同入射光場角度的控制。要說明的是，產生多道入射光場的方式並不以前述發光源以及一空間光調制器(Spatial light modulator, SLM)的組合為限制，使用者可以根據需求而選擇。例如，使用者也可以使用複數個可以產生準直入射光場的光源直接以不同的角度投射至MVHGs。

再回到圖1A所示，該全像光柵單元21，設置於該入射光場90a, 90b之光路上，該全像光柵單元21內部具有複數道不同的光柵，用以將該複數道入射光場90a, 90b調制成複數道同光路之繞射光場91a, 91b。該全像光柵單元21可以為厚度遠大於入射光波長之多工全像光柵單元(multiplexed volume holographic gratings, MVHGs)，一般稱為體積全像片，或者是厚度接近於入射光波長的多工全像光柵單元(multiplexed holographic gratings, MHGs)，一般稱為薄全像元件。本實施例係以MVHGs來做說明。此外，該全像光柵單元21為高分子材料所構成，在一實施例中，其係為感光高分子Phenanthrenequinone doped Poly(methy1 methacrylate)(PQ/PMMA)所構成的元件，但不以此為限制。請參閱圖3A所示，該圖為構成本發明全像光柵單元之布拉格圓(k-sphere)之一實施例示意圖。在本實施例中，首先提供一PQ/PMMA的材料，以及提供一訊號光以及一參考光。該訊號光以及參考光可以透過一分光元件將一入射光分光而成。利用角偏移全像法(shift-angular hologram multiplexing method)，透過轉動角度變化Δθ_1~N 以及位移偏移δz_1~N ，(n為光柵數量)來形成多個不同的光柵。在一實施例中，每次Δθ的變化為1°，δz則為10μm，但不以此為限，其係根據要偵測需求而定但不以此為限制。

以圖3A所示的布拉格圓(k-sphere)，來說明形成本發明之全像光柵單元的訊號光和參考光干涉狀態。在圖3A中，係以準直雷射光為例，其被分成訊號光k_s,i 以及參考光k_f,i 。Z_H 代表全像光柵單元之法向(hologram normal)，聚焦鏡L0與準直鏡L1調制訊號光。由於MVHGs內的每一個光柵是利用兩道光在PMMA上干涉而形成的，藉由兩道光的向量關係，可求得光柵向量(grating vector)，其中對定每一訊號光和參考光組合的k_s,i 以及 k_f,i 的每一光柵向量可以表示為如下式(1)所示： K_g,i =k_f,i – k_s,i …..(1) 其中， i=1,2…,N, N代表光柵數量，本實施例中，N=2，|k_s,i |=|k_f,i |=2πn/λ_r ，λ_r 係為要形成光柵所用之雷射光的波長，n則為PQ/PMMA材料的光折射率(refractive index)。光柵紀錄在PQ/PMMA的過程中，首先i=1，將雷射光源所產生的準直雷射光分成第一道訊號光k_s,1 以及 k_f,1兩道光相互干涉而在PQ/PMMA內部形成第一道光柵。接著，沿著光路移動L0一定的距離δz，以及轉動訊號光一角度Δθ，此時i=2，將雷射光源所產生的準直雷射光分成第一道訊號光k_s,2 以及 k_f,2兩道光相互干涉而在PQ/PMMA內部形成第二道光柵。此時，PQ/PMMA內部就被前述兩道干涉光刻製出兩種不同的光柵。

如圖3B所示，其係為圖3A所構成之全像光柵單元將入射光調制成兩道不同波前且同光路之繞射光場的布拉格圓(k-sphere)示意圖。當兩道不同角度的入射光場(kp,i=1,2)通過該全像光柵單元之後，一但符合布拉格條件(bragg condition)則會同步形成兩道具有不同波前的繞射光場(kd,i=1,2)。符合布拉格條件的兩道繞射光場的傳遞向量可以用下式(2)表示。 Kg,i=kp,i–kd,i…(2) 其中， |kp,i|=|kd,i|=2πn/λp, λp 是待測物被繞射光場激發所產生之螢光的波長，n則是PQ/PMMA的折射率。而入射光和Z_H 之間的角度θp以及訊號光和Z_H 之間的角度θr之間的關係可以用下述方程式(3)表示，其中ψ是光柵向量和Z_H 之間的夾角。…(3)

由於光柵像量為光蝕刻在PMMA上可視為常數值，因此當入射光(kp,i=1,2)改變波長時，即會改變入射光的向量，因此為了符合布拉格條件之繞射光(kd,i=1,2)亦會改變其向量，以維持光柵向量為一定值。也因為有了這個特性，本發明所提出的MVHGs不但能應用在雷射，亦可用於白光照明。

再回圖1A所示，該物鏡22，設置於該複數道繞射光場91a, 91b之光路上。複數道繞射光場91a, 91b經由光學元件23(本實施例為彩色濾光片)導引至該物鏡22。該物鏡22將該複數道繞射光場91a, 91b聚焦至不同的聚焦深度而投射至一待測物上，並由該待測物產生複數道測物光場。在一實施例中，該測物光場為待測物透過該聚焦光場的激發而發出之螢光光場。在另一實施例中，該測物光場為待測物反射該聚焦光場而形成的反射光場。如圖1A所示，當該複數道繞射光場通過該物鏡22之後，每一道繞射光場會被聚焦。由於每一道繞射光場因為通過不同的光柵而具有不同的波前，因此，通過物鏡22的聚焦，使得每一道繞射光場91a, 91b形成具有不同的聚焦深度的聚焦光場92a, 92b。而相鄰之聚焦光場92a, 92b的聚焦深度距離差為δz。因此，本發明所提供的全像光柵單元21的設計，透過δz的改變，具有可以調整解析物體形貌或物體內部的深度解析度的效果。

請參閱圖1B所示，在本實施例中，該圖為本發明之多層多工共焦顯微之光源裝置之另一實施例架構示意圖。在本實施例中，是以四道入射光場90a~90d來說明，有別於圖1A的產生不同具焦深度之點聚焦光場架構，本實施例為一線聚焦光場92a’~92d’的實施態樣。產生線聚焦光場92a’~92d’的好處為減少一個維度掃描所需要的時間，可以提升檢測物體的效率。本實施例是透過在全像光柵單元21與聚焦物鏡22之間的光路上，更設置一調制鏡組24，用以將該全像光柵單元21所產生之繞射光場91a~91d調制成線性之入射光場91a’~91d’。在一實施例中，該調制鏡組24為一柱狀鏡(cylindrical lens)，但不以此為限制，本領域技術之人可以根據需求使用不同的調制元件，改變進入聚焦物鏡的入射光場形狀。要說明的是，調制鏡組設置的位置並不侷限在全像光柵單元21與聚焦物鏡22之間的光路上，也可以在光源20與全像光柵單元21之間的光路上，或其他合適的位置。

請參閱圖4所示，該圖為本發明之多層多工共焦顯微系統之一實施例架構示意圖。本實施例中，該全像共焦顯微系統3包括有一全像共焦光源裝置2、複數個空間濾波器30a, 30b以及一影像感測模組31。該全像共焦光源裝置2係可以為如圖1A或圖1B的結構。本實施例係採用圖1A的實施例來說明。在該複數個空間濾波器30與該物鏡21的光路上具有複數個光學元件，包括有彩色濾波片23、鏡筒透鏡(tube lens)32以及一分光元件(beam splitter)33。

該複數個空間濾波器30a, 30b，其係分別對應每一道測物光場93a, 93b，每一空間濾波器30a, 30b具有空間濾波元件300，其係設置在對應測物光場93a, 93b之一傅利葉平面上，用以濾除測物光場93a, 93b中的失焦光。本實施例中的每一空間濾波元件300為一針孔(pinhole)。該影像感測模組31，用以感測通過該複數個空間濾波元件300之測物光場93a’, 93b’，已形成複數個相應每一測物光場之影像。本實施例中，該影像感測模組31包括有兩個影像感測器310與311用以感測測物光場93a’, 93b’之光強度訊號。要說明的是，雖然本實施例中係以多個空間濾波器30a, 30b來說明，但在一實施例中，也可以為單一空間濾波器，具有多個空間濾波元件300來實施。

接下來說明圖 4光學架構的運作方式，本實施例之該兩道入射光場90a, 90b，係為光源模組產生兩道具有第一波長為488nm的準直雷射，要說明的是雷射的波長可以根據需求而定，並不以488nm為限制。兩道準直的雷射入射光場90a, 90b以不同的角度投射至該全像光柵單元21。該兩道入射光場90a, 90b分別滿足布拉格條件之後產生兩道同光路且不同波前(wavefront)的繞射光場91a, 91b。之後該兩道繞射光場91a, 91b經過物鏡21的聚焦形成了兩道聚焦深度不同的聚焦光場92a, 92b而投射至待測物上。在本實施例中，該待測物為具有螢光成份的待測物，兩道不同具焦深度的聚焦光場92a, 92b投射設置待測物上，激發出第二波長的測物光場93，其係為螢光光場，通過彩色濾波片23。彩色濾波片23之用途可以濾除由物體表面所反射 (reflected light)或散射 (scattered light)的雜光。通過彩色濾波片23的測物光場93再經過鏡筒透鏡32之後被分光元件33分成兩道測物光場93a, 93b，其係分別通過相對應的空間濾波元件300。由於本實施例的是單點偵測，亦即聚焦光場92a, 92b為單點的光場，因此空間濾波元件300的結構是針孔，其孔徑在一實施例為50μm。

透過空間濾波元件300，可以允許關於待測物之聚焦光通過，而濾除失焦(de-focus)的光場。通過對應之空間濾波元件300的測物光場93a’, 93b’則被影像感測模組31所感測，根據所感測個光強度(intensity)產生相應的光學影像。在本實施例中，該影像感測模組31包括兩個影像感應器310~311，分別對應通過空間濾波元件300之該兩道測物光場93a’, 93b’。在另一實施例中，該影像感測模組31為單一光學感測器，同時感測通過空間濾波元件300之該兩道測物光場93a’, 93b’。

請參閱圖5所示，該圖為本發明之另一多層多工共焦顯微系統之一實施例架構示意圖。本實施例中之全像共焦顯微系統3a基本上與圖4相似，差異的是圖4是單純的點光場，而本實施例之光源是利用圖1B的光源裝置2a，用來產生線性的繞射光場91a’~91d’。此外，本實施例的入射光場為4道，其意義為可以進一步產生4種不同具焦深度的入射光場90a~90d。要說明的是，根據本發明的精神，要產生多少道不同具焦深度的入射光場是根據MVHGs內的光柵數量而定，因此並不以本發明圖示之入射光場數量為限制。由於圖5的實施例是線繞射光場91a’~91d’，因此對應的空間濾波器30a~30d上所含有的空間濾波元件300的結構為狹縫，在一實施例中，該狹縫之寬度為5μm。透過複數個分光元件33，就可以將由待測物所產生的測物光場93分成多道的測物光場93a~93d，本實施例為透過三個分光元件33，產生四個測物光場93a~93d，而被影像感測模組31同時感測，而同步產生四個對應不同深度的光學影像。透過圖5之實施例，影像感測模組31可以一次擷取多張關於待測物之不同深度的影像，節省很多時間，也可以避免物體震動影響檢測結果的問題。此外，由於繞射光場91a’~91d’為線性入射光，因此使用者僅需要進行一維度的掃描移動，就可以完成三維的待測物偵測，大大節省了習用單點偵測待測物三維資訊的時間。

請參閱圖6所示，該圖為利用本發明之圖4之多層多工共焦顯微系統偵測不同深度位置之待測物示意圖。在圖6(a)中，第1圖為對應之光學感應器所取得的關於待測物(螢光珠)的第一深度的影像，而第2圖則為光學感應器所取得的關於第二深度的影像，此兩影像之軸向深度相差50μm。在圖6(a)之第1圖可以清楚看到物體位於第一深度的位置，而在第二深度的失焦光也很明顯地被濾除了。圖6(a)之第2圖可以清楚看到第二深度的位置並沒有待測物，而關於第一深度的失焦光也很明顯地被濾除了。另外，當將待測物(螢光珠)移到第二深度時，則可以清楚看出在圖6(b)之第1圖可以清楚看到第一深度的位置並沒有待測物，而關於第二深度的失焦光也很明顯地被濾除了。圖6(b)之第2圖看到物體位於第二深度的位置，而在第一深度的失焦光也很明顯地被濾除了。由此可以得知本發明之架構確實可以同時偵測關於待測物在不同深度的資訊。

如圖7圖所示，該圖為利用本發明圖4之系統架構進行待測物不同深度之截面影像偵測示意圖。本實施例的待測物為具有螢光標記之兔子腸道的絨毛組織。該腸道絨毛組織含有螢光染劑，透過波長488nm的雷射激發出螢光之後，同時取得兩個不同深度的組織影像。從圖7可以看出，透過本發明的全像共焦顯微系統可以同步取的多個相距特定深度(本實施例為50μm)的生物組織內部的不同深度截面的清晰影像。

根據前述之實施例，本發明之全像共焦顯微系統可以在不用進行軸向掃描的操作下，同步取得待測物體不同深度的表面影像或者是物體內部組織不同深度之截面影像，不但可以加快檢測的速度，而且透過空間濾波元件可以有效濾除失焦成像而得到更清楚的影像。此外，透過將光源調制成線性光源更可以將原先的二維掃描簡化成一維掃描，更進一步提升檢測的效率。

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。

2、2a‧‧‧全像共焦光源裝置

20‧‧‧光源模組

200‧‧‧空間光調制器

201‧‧‧光控開關

21‧‧‧全像光柵單元

22‧‧‧物鏡

23‧‧‧光學元件

24‧‧‧調制鏡組

3、3a‧‧‧全像共焦顯微系統

30a~30d‧‧‧空間濾波器

300‧‧‧空間濾波元件

31‧‧‧影像感測模組

310~311‧‧‧影像感測器

90、90a~90d‧‧‧入射光場

91a~91b、91a’~91d’‧‧‧繞射光場

92a~92d、92a’~92d’‧‧‧聚焦光場

93、93a~93d‧‧‧測物光場

圖1A為本發明之多層多工共焦顯微之光源裝置之一實施例架構示意圖。圖1B為本發明之多層多工共焦顯微之光源裝置之另一實施例架構示意圖。圖2A與圖2B為空間光調制器動作示意圖。圖3A為構成本發明全像光柵單元之一實施例示意圖。圖3B為圖3A所構成之全像光柵單元將入射光調制成兩道不同波前且同光路之繞射光場的k-sphere示意圖。圖4為本發明之多層多工共焦顯微系統之一實施例架構示意圖。圖5為本發明之另一多層多工共焦顯微之一實施例架構示意圖。圖6為利用本發明之多層多工共焦顯微偵測不同深度位置之待測物示意圖。圖7為利用本發明之多層多工共焦顯微進行待測物不同深度之截面影像偵測示意圖。

Claims

一種多層多工共焦顯微之光源裝置，包括有：一光源模組，用以產生複數道入射光場，每一道入射光場具有不同的入射角度；一全像光柵單元，設置於該入射光場之光路上，該全像光柵單元內部具有複數道不同的光柵，用以將該複數道入射光場調制成複數道同光路之繞射光場；以及一物鏡，設置於該複數道繞射光場之光路上，用以將該複數道繞射光場聚焦至不同的聚焦深度而投射至一待測物上，並由該待測物產生複數道測物光場。
如申請專利範圍第1項所述之多層多工共焦顯微之光源裝置，其係更具有一一調制鏡組，用以將該複數道同光路之繞射光場調制成線性之繞射光場。
如申請專利範圍第1項所述之多層多工共焦顯微之裝置，其中該光源模組為一雷射光源模組，用以產生具有一第一波長之雷射入射光場，該測物光場具有相異於該第一波長之一第二波長。
一種多層多工共焦顯微系統，包括有：一光源模組，用以產生複數道入射光場，每一道入射光場具有不同的入射角度；一全像光柵單元，設置於該入射光場之光路上，該全像光柵單元內部具有複數道不同的光柵，用以將該複數道入射光場調制成複數道同光路之繞射光場；一物鏡，設置於該複數道繞射光場之光路上，用以將該複數道繞射光場聚焦至不同的聚焦深度而投射至一待測物上，並由該待測物產生複數道測物光場；複數個空間濾波元件，其係分別對應每一道測物光場，每一空間濾波元件設置在對應測物光場之一傅利葉平面上，用以濾除失焦之測物光場；以及一影像感測模組，用以感測通過該複數個空間濾波元件之測物光場，已形成複數個相應每一測物光場之影像。
如申請專利範圍第4項所述之多層多工共焦顯微系統，其係更具有一一調制鏡組，用以將該複數道同光路之繞射光場調制成線性之繞射光場。
如申請專利範圍第5項所述之多層多工共焦顯微系統，其中該空間濾波元件為狹縫或針孔。
如申請專利範圍第4項所述之多層多工共焦顯微系統，其中該光源模組為一雷射光源模組，用以產生具有一第一波長之雷射入射光場，該測物光場具有相異於該第一波長之一第二波長。
如申請專利範圍第7項所述之多層多工共焦顯微系統，其中該第二波長對應之光場為螢光光場。
如申請專利範圍第4項所述之多層多工共焦顯微系統，其中每一道繞射光場具有不同的波前。
如申請專利範圍第9項所述之多層多工共焦顯微系統，其中每一道繞射光場的波前具有不同的曲率。