TWI619937B - 以多光子激發技術檢查物體之方法以及量測物體之裝置 - Google Patents
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Abstract
一種檢查物體之方法，包括提供包括一標靶材料之物體。對物體之一試樣位置照射一雷射光束，雷射光束具有波長λ。聚焦雷射光束的一焦點於物體之試樣位置上，藉由同時吸收n個雷射光束的入射光子而產生標靶材料之分子激發，其中n等於或大於2。以一偵測器分析自物體發出的一輸出光，其中分析之輸出光的波長範圍在0.8 λ至1.2 λ之間。
Description
本發明是有關於一種檢查物體之方法及其量測物體之裝置，且特別是有關於一種以多光子激發技術檢查物體之方法和以改良式雷射掃描顯微鏡(modified laser scanning microscopy)量測物體之裝置。
藉由掺雜不同活性材料於基板或基體中，可進行各種不同光學操作，例如光放大(optical amplification)、光吸收、波長過濾、固態發光和偏振區分等等。以下是其中一些例子。首先，由活性離子掺雜至一塊狀晶體所形成的雷射晶體是光放大的要素。例如鈦藍寶石雷射晶體(Ti：Sapphire laser crystal)是一藍寶石(Al2O3)晶體掺雜鈦離子。第二，對於光吸收和波長過濾，可使用吸收濾光片和有色玻璃濾光片(color glass filters，CGF)，其通常由添加了吸收活性離子(absorptive active-ions)的玻璃或塑膠所製得。這些活性離子傳送光的某些波長部分但對於其他波長部分則
具有相當高的吸收常數使此部分的光衰減。在許多濾光問題中，這些有掺雜離子的波長過濾片(ion-doped wavelength filters)比起干涉濾光片(interference-type filters)具有更好的波長消光比，因此是較佳的選擇。第三，在白光有機發光二極體(OLEDs)元件中，低能階掺雜物分散在發光層的內部深處。透過電子撞擊，可自發光層釋放出可見光波長成分。再者，在液晶顯示面板要素之一的偏光板製程中，碘染料離子添加至聚乙烯醇(poly vinyl alcohol，PVA)層內以做為偏振相關的光吸收劑。
如上述提到的白光有機發光二極體元件和偏光板，監測基板或基體(例如雷射晶體和有色玻璃濾光片)內掺雜物的空間分佈和分佈均勻度是必要的。雷射晶體的掺雜情況會強烈影響到雷射表現，包括臨界激發功率(threshold pumping power)、斜率效能(slope efficiency)和輸出功率(output power)。當低能階掺雜物沒有均勻地分佈於OLED元件的發光層中，會導致白光發光元件的光色產生變異，進而影響發光應用。而PVA高分子膜中的掺雜碘離子之良好空間分佈係有助於提取和映射出偏光板的更多性質。
物體結構內的掺雜物之空間分佈(dopant spatial distributions)或濃度的傳統分析方法需要進行組織切片檢查(biopsy)，包括從欲檢查之目標物切除(例如切片)一試樣片，且固定和染色試樣片於顯微鏡下，檢查和分析試樣片之影像以呈現掺雜物的相關濃度。然而，傳統對於掺雜物的空間分佈或均勻度的
分析牽涉到許多耗費時間和複雜的步驟，例如取樣準備、處理和分析等步驟。再者，傳統切片程序是侵入式、破壞性和耗費時間的，且在製造過程期間是無法迅速、即時和準確地偵測相關離子濃度。因此相關研究者無不希望可以發展出更簡單和更省時的掺雜物分佈之裝置與方法，特別是快速和無須切片的方式以分析待檢測物體之標靶材料，例如可以快速和準確地分析一光學基板的掺雜離子濃度。
雙光子螢光(two-photon fluorescence，TPF)顯微鏡已經廣泛使用於生物、化學和臨床等方面之應用。TPF程序通常是與三階非線性螢光分子(fluorescent molecules with third-order nonlinearity)有關，其中透過雙光子吸收效應(TPA effect)，具相同能量的兩個激發光子被螢光分子同時吸收，並產生出更高能量的一個激發光子。可藉由量測更高能量的螢光光子強度，以呈現聚焦平面上具自然深度探測能力和高空間解析度的分子濃度影像。然而，由於某些掺雜離子或分子在TPA效應激發下會產生非輻射(/非螢光放射)情況，因此雙光子顯微鏡並非總是適合用來偵測分子濃度。據此，對於傾向於產生非輻射(/非螢光放射)情況的掺雜離子或分子，用傳統的TPF顯微鏡是無法準確得知其掺雜濃度的。
本發明係有關於一種以多光子激發技術檢查物體之方法和量測物體之裝置。實施例之方法和裝置可以迅速且非破壞
性的檢測一標靶材料於物體內之空間分佈，對於科學研究和工業發展都有很大助益。
根據一實施例，係提出一種檢查物體之方法，包括提供包括一標靶材料(target material)之物體；對物體之一試樣位置(sampling position)照射一雷射光束，雷射光束具有波長λ；聚焦雷射光束的一焦點(focal point)於物體之試樣位置上，藉由同時吸收n個雷射光束的入射光子而產生標靶材料之分子激發，其中n等於或大於2；以及以一偵測器分析自物體發出的一輸出光，其中分析之輸出光的波長範圍在0.8 λ至1.2 λ之間。
根據一實施例，係提出一種以多光子激發技術量測一物體之裝置，至少包括平台組件(stage means)以置放包括一標靶材料之一物體；至少一同調性脈衝光之光源(source of coherent pulsed light)具有波長λ；鏡頭組件(lens means)，於一物鏡平面(object lens plane)上聚焦同調性脈衝光於物體之一試樣位置，因而造成標靶材料同時吸收同調性脈衝光的n個光子，其中n等於或大於2；以及一偵測器(detector)，偵測物體發出的一輸出光之光強度，其中輸出光的波長範圍在0.8 λ至1.2 λ之間。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、20、20’‧‧‧偏光板
11a、11b、21a、22b‧‧‧三醋酸纖維素(TAC)膜
12、22、22’‧‧‧聚乙烯醇(PVA)層
13、23‧‧‧感壓膠(PSA)層
Ls‧‧‧掃描軌跡
C1、C2‧‧‧實驗曲線
Cideal‧‧‧理想曲線
RL‧‧‧線性吸收區域
RTPA‧‧‧雙光子吸收區域
401‧‧‧平台組件
402‧‧‧光源
403‧‧‧鏡頭組件
ISO‧‧‧光隔離器
L1、L2、L3‧‧‧透鏡
OBJ1、OBJ2‧‧‧物鏡
405‧‧‧偵測器
M1‧‧‧第一反射鏡
M2‧‧‧第二反射鏡
408‧‧‧鎖相放大器
501-504‧‧‧步驟
TPF‧‧‧雙光子螢光
MPF‧‧‧多光子螢光
第1A圖繪示本揭露一實施例之一改良式雙光子螢光(m-TPF)顯微鏡藉由輸入/輸出光譜的工作原理與設計。
第1B圖繪示本揭露另一實施例之一改良式多光子螢光(m-MPF)顯微鏡藉由輸入/輸出光譜的工作原理與設計。
第1C圖繪示一實施例之一偏光板多層結構的示意圖。
第2A圖和第2B圖分別繪示耐久性良好和耐久性差的偏光板，及偏光板之標靶材料的對應濃度分佈。
第3圖為實施例之一改良式雙光子螢光顯微鏡所量測的一偏光板(試樣)之穿透頻譜。
第4圖係繪示實施例之一改良式多光子螢光顯微鏡裝置的示意圖。
第5圖為本揭露一實施例之一種檢查物體之方法流程圖。
第6A和6B圖為利用實施例之改良式雙光子螢光(m-TPF)顯微鏡，分別對耐久性良好和耐久性差的偏光板進行深度(沿z-方向)掃描軌跡的實驗結果。
第7A圖和第7B圖係分別為耐久性良好和耐久性差的偏光板的顯微鏡影像，其中偏光板包括PVA層。
第7C圖為透過實施例之m-TPF顯微鏡所獲得之一偏光板在x-z平面的二維虛擬切片影像。
以下所揭露之內容中，係配合圖示以詳細說明實施例所提出之一種檢查物體之方法和改良雷射掃描顯微鏡(modified laser scanning microscopy)之裝置結構。但實施例並不限制於此。然而本揭露並不僅限於此，本揭露並非顯示出所有可能的實施例。可實施之細部結構和步驟可能有些不同，可在不脫離本揭露之精神和範圍內根據實際應用之需要而加以變化與修飾。因此，未於本揭露提出的其他實施態樣也可能可以應用。再者，圖式上的尺寸比例並非按照實物等比例繪製。因此，說明書和圖示內容僅作敘述實施例之用，而非作為限縮本揭露保護範圍之用。
本揭露係關於一種非侵入式的分析方法，利用一多光子激發技術可分析一物體內之一標靶材料，以及提出可進行分析之裝置。於本揭露中，係提出一種檢查物體之方法和以改良式雷射掃描顯微鏡量測物體之一裝置。更進一步地說，實施例係提出一種光學切層(optical sectioning)診斷方法以判斷一試樣中的某一特殊物質的存在，以及，在許多例子中，利用雙光子激發技術可以量化該物質或呈現試樣之一標靶材料沿著偵測軌跡的分佈曲線。實施例中亦提出一種可進行前述量測之裝置。實施例之方法是一種迅速和可信賴的方法，可以即時和高精準度的分析光學物件的一標靶材料(例如分析相關離子濃度，或呈現深度-濃度之分佈曲線)，因而能及時和準確的改進光學物件的性質。因此，應用此光學物件之元件具有可信賴的操作表現，並可滿足元件操
作所需之要求。
本揭露可以應用在具有待檢測物體的各種不同應用中，例如光學物件，特別是適合應用於光學物件具有在多光子吸收(multi-photon absorption)期間會產生非輻射(/非螢光放射)情況的材料。實施例中，一具有掺雜離子之光學基板，例如包括碘染色之聚乙烯醇(PVA)高分子膜之一偏光板，係提出做為一示例。但本揭露並不僅限制於偏光板應用。再者，實施例中，一改良式雙光子螢光(modified two-photon fluorescence，m-TPF)顯微鏡，可用來追蹤於透明光學基板內部深處掺雜離子濃度。然而，其他多光子螢光顯微鏡，例如三(或更多)光子螢光顯微鏡，亦可被改良和使用於相關應用中。本揭露並不僅限制於使用m-TPF來分析待檢測物體。
實施例所提出之檢查方法與傳統雙光子螢光顯微鏡之激發光子的螢光量測完全不同。在此實施例之檢查方法中，係使用一脈衝光之光源以對包括一標靶材料之一物體進行照射，藉由同時吸收雷射光束的多個入射光子因而產生標靶材料之分子激發。物體之標靶材料造成的多光子吸收(multi-photon absorption，MPA)效應可透過入射物體的光線與穿過物體後的光線衰減(attenuation)之比較而迅速獲得。因此，根據多光子吸收效應，可迅速偵測出物體之標靶材料之存在。根據實施例，脈衝雷射光束係聚焦於物體處，其中標靶材料同時吸收n個雷射光束的入射光子。之後，分析自物體發出的一輸出光的光密度(light
density)，以決定多光子吸收效應的變化，其中輸出光波長約為入射光波長λ(輸出光的波長範圍例如是0.8 λ至1.2 λ之間)。據此，可獲得物體之標靶材料沿著偵測軌跡的相對濃度或濃度分佈。以雙光子(TPA)吸收為例，TPA效應係與靠近聚焦平面之小體積的局部離子濃度成比例，且可藉由量測激發入射光子的強度損失而直接檢測。實施例中，係以偏光板之碘染色PVA高分子膜為示例作說明。藉由簡單改變偏光板與m-TPF顯微鏡的聚焦物鏡之間的相對位置(例如：在z-方向進行掃描，其垂直於偏光板延展的xy-平面)。掺雜離子(例如碘染色離子)於軸向上(ex：z-方向)的分佈，其可用來區分一偏光板的耐久性，可以迅速和準確的以一種非侵入式的方法進行量測。再者，相較於傳統對切片試樣的顯微鏡影像，使用實施例之方法，不需要進行物理切片亦可以得到相關離子濃度的2D組織切片影像(i.e.結合於不同焦平面所檢測到的MPA效應結果之一虛擬影像)。結果顯示，實施例之改良式雙光子螢光(m-TPF)方法在快速和非侵入式的監控光學物件(例如光學基板)內的掺雜離子空間分佈上具有很大潛力，因此本揭露對於對於科學研究和工業發展的應用上都有很大助益。
以下係進一步敘述工作原理。改良式多光子螢光(modified multi-photon fluorescence，m-MPF)顯微鏡(例如二個、三個或更多個光子)可應用於本揭露中。以下係敘述雙光子螢光顯微鏡與多光子螢光顯微鏡之工作原理。請參照第1A圖、第1B圖和第1C圖。
第1A圖繪示本揭露一實施例之一改良式雙光子螢光顯微鏡藉由輸入/輸出光譜的工作原理與設計。具有波長λ和強度I0之激發入射光子(pumped incident photons)的輸入光譜係顯示於第1A圖之左側(即雙光子吸收之前部分所示)。藉由一光學物件例如透明基板的內部局部掺雜物之雙光子吸收過程，飛秒雷射和雙光子螢光的輸出光譜係顯示於第1A圖之右側(即雙光子吸收之後部分)。在某些情況下，對於一對較低能量光子進行雙光子吸收之後會產生非輻射(/非螢光放射)程序，而非雙光子螢光程序。再者，具有較高光子能量的雙光子螢光訊號可能會被再吸收或不會穿透基板。由於這兩個理由，於此實施例中，係藉由量測激發入射光子於某特定波長(例如波長λ)的光強度損失來偵測局部離子濃度。據此，可藉由偵測激發入射光子的光強度損失來映射和得到光學物件的掺雜離子(i.e.標靶材料)濃度。
第1B圖繪示本揭露另一實施例之一改良式多光子螢光顯微鏡藉由輸入/輸出光譜的工作原理與設計。類似於上述雙光子螢光顯微鏡的工作原理，具有波長λ和強度I0之激發入射光子的輸入光譜係顯示於第1B圖之左側(即多光子吸收之前部分)。多光子吸收(MPA)之飛秒雷射和多光子螢光(MPF)的輸出光譜係顯示於第1B圖之右側(即多光子吸收之後部分)。第1B圖中，“n”表示n個光子吸收；舉例來說，若應用一改良式三光子螢光(modified three-photon fluorescence)顯微鏡，則n等於3。類似的，藉由量測激發入射光子於某特定波長(例如波長λ)的光強
度損失來偵測物體內的局部離子濃度。
第1C圖繪示一實施例之一偏光板10多層結構的示意圖。自偏光板表面到液晶顯示面板，偏光板10例如是包括經表面處理的一三醋酸纖維素膜(tri-acetyl cellulose film，TAC film)11a、一單軸聚乙烯醇(uniaxial poly vinyl alcohol，PVA)層12、一三醋酸纖維素膜11b做為視覺補償層和感壓膠層(pressure sensitive adhesive，PSA)13，如第1C圖所示。這些功能層組成一複合多層偏光板10。除了厚的單軸PVA層(ex：25μm)，其他層對於可見光和近紅外線(NIR)光都是高度透明。虛線Ls代表一改良式多光子螢光顯微鏡的一掃描軌跡，且此掃描軌跡在z-方向延伸(i.e.垂直於xy-平面)。
在實施例之實驗中，耐久性良好和耐久性差的兩種偏光板都進行測試。請參照第2A圖和第2B圖，其分別繪示耐久性良好和耐久性差的偏光板，及偏光板之標靶材料的對應濃度分佈。偏光板20/20’包括PVA層22/22’夾置於TAC層21a和22b，PSA層23形成於TAC層21b。如第2A圖所示，在耐久性良好的偏光板20中，碘染料離子係均勻分佈於PVA層22中(即第2A圖中斜線部分)，因此偏振消光比(polarization extinction ratio)可持續一長時間。第2A圖中，耐久性良好的偏光板20中碘染料離子的對應濃度分佈係以一實驗曲線C1表示，其顯示一個單一光強度低點(i.e.激發入射光子於波長λ的光強度損失峰值)。受限於多光子螢光顯微鏡之軸向解析度(例如實施例之z-方向解析度)，實
驗曲線C1近似但不完全等於理想曲線Cideal。如第2B圖所示，在耐久性差的偏光板20’中，碘染料離子係叢聚於接近PVA層22’和TAC層21a/21b的界面(即第2B圖中斜線部分)，叢聚的碘染料離子容易隨著時間而擴散至TAC層21a/21b，而隨著碘染料離子逐漸擴散至TAC層21a/21b，將導致偏光板20’的偏光能力退化，因而對應用之液晶顯示器的光學表現造成無法忽略的影響。第2B圖中，耐久性差的偏光板20’中碘染料離子的對應濃度分佈係以一實驗曲線C2表示，其顯示對應PVA層22’和TAC層21a/21b界面處的碘染料離子的兩個光強度低點(i.e.激發入射光子於波長λ的兩個光強度損失峰值)。第2A圖和第2B圖之結果顯示，實施例之多光子吸收具有很大潛力，可以快速和非侵入式地監測物體內(光學物件例如上述示例的偏光板)的掺雜離子(例如碘染料離子)之空間分佈。
以下進一步敘述波長或波段範圍的選擇。實施例之一改良式多光子螢光顯微鏡的波長選擇由於和空間解析度與深度切層能力(depth sectioning capability)相關，因此也是重要的一環。短波長的激發光在三維空間中具有較佳的空間解析度，但若是激發光的波長過短，產生了線性吸收(linear absorption)效應而非多光子(MPA)吸收效應，將會破壞了實施例之自然深度探測能力。因此，在操作實施例之改良式多光子螢光顯微鏡之前，需先量測試樣的穿透頻譜(transmission spectrum)。以一改良式雙光子螢光顯微鏡為例，量測的試樣(即偏光板)之穿透頻譜如第3圖所
示。第3圖之量測結果顯示，於可見光波長範圍(約400nm-約780nm)的穿透率係在30%到40%範圍內。這是因為在某一偏振方向的大部分的光子被偏光板的PVA層線性吸收(吸收軸)，垂直於偏振方向的其他光子則穿過偏光板(穿透軸)。當波長超過約900nm，偏光板整體的穿透率提升至約80%。第3圖亦顯示，當波長小於約780nm，即對應線性吸收區域RL(單光子吸收區域)，偏光板是高度吸收的。而在波長大於約900nm，偏光板是相當透明的。當激發一飛秒雷射光束其波長大於約900nm，於焦點處單光子吸收效應被抑制而僅發生雙光子吸收效應(TPA effect)，其中輸出光波長大於約900nm是對應雙光子吸收區域RTPA。因此，第3圖指出從400nm-800nm波長範圍之區域(i.e.RL)是PVA層的碘染料離子之單光子吸收區域，而大於900nm的波長範圍(i.e.RTPA)則產生雙光子吸收的現象。據此，實施例之改良式雙光子螢光(m-TPF)顯微鏡的雷射光激發光束的波長λ可為大於900nm至小於1600nm的範圍內。另一實施例中，雷射光激發光束的波長λ在大於900nm但小於1200nm的範圍內；例如(但不限制在)，一應用中係為約1030nm(中心波長)。
據此，如應用一改良式多光子螢光(m-MPF)顯微鏡於實施例中，則使用於m-MPF顯微鏡的雷射光波長選擇係視標靶材料之光子吸收波長區域而定。例如，若量測到標靶材料的單光子吸收區域是在波長λ 1至λ 2(例如400nm-800nm)之區域，則雙光子吸收區域則在波長2×λ 1至2×λ 2(例如800nm-1600nm)
之區域，三光子吸收區域則在波長3×λ 1至3×λ 2(例如1200nm-2400nm)，多光子吸收區域則在波長n×λ 1至n×λ 2。再者，提供不同光子吸收的脈衝光源(例如一雷射光源)，如提供雙光子吸收和三光子吸收的脈衝光源，係視欲達目的而可具有不同波長，不同的輸出脈衝時間或脈衝能量。舉例來說，應用於一改良式雙光子螢光顯微鏡的一雷射光源，其輸出脈衝時間為250飛秒(fs)，而應用於一改良式三光子螢光顯微鏡的雷射光源其輸出脈衝時間的數值則更小。
第4圖係繪示實施例之一改良式多光子螢光顯微鏡裝置的示意圖。然而第4圖僅為示例之用，並非限制實施例的改良式多光子螢光顯微鏡裝置之用，其裝置細節可以稍加調整或微幅改變亦可。一改良式多光子螢光顯微鏡裝置至少包括平台組件(stage means)401；至少一同調性脈衝光(coherent pulsed light)之光源402(例如一雷射光源)具有一光隔離器(isolator)ISO；鏡頭組件(lens means)403例如透鏡L1、L2、L3和聚焦光線與收集光線之物鏡OBJ1和OBJ2；以及偵測器(detector)405。實施例中，光源402對一具標靶材料之物體的一試樣位置照射一同調性脈衝光(ex：雷射光)，同調性脈衝光具有波長λ。鏡頭組件403將同調性脈衝光的焦點聚焦於該物體的標靶材料的一物鏡平面上，因而造成標靶材料可同時吸收同調性脈衝光的至少2個或更多個光子而產生螢光光子。不同於傳統的多光子螢光顯微鏡，實施例之改良式多光子螢光顯微鏡裝置中係以偵測器405對物體發出的一輸出光
進行分析，其中被分析之輸出光的波長範圍在0.8 λ至1.2 λ之間。例如，被分析的輸出光波長範圍近似於入射光的波長λ。一實施例中，被分析的輸出光波長範圍在0.9 λ至1.1 λ之間。一實施例中，係以偵測器405偵測脈衝光通過物體(ex：偏光板)後於波長λ所發出的一輸出光的光強度，以得到波長λ的激發入射光子之光強度損失(intensity loss of the pumped incident photons)(請同時參照第1A圖和第1B圖)。
再者，實施例之改良式多光子螢光顯微鏡裝置更包括濾光組件406，例如一片或多片有色玻璃濾光片(color glass filters，CGF)以過濾掉自物體(ex：偏光板)發出後波長小於0.8 λ和/或大於1.2 λ的光。一實施例中，濾光組件406過濾掉自物體發出後波長小於0.9 λ和/或大於1.1 λ的光。一實施例中，濾光組件406過濾掉自物體發出後波長小於λ和/或大於λ的光。因此，除了使用單片有色濾光片(光學濾片)，亦可採用二片或更多片的有色濾光片於實施例之改良式多光子螢光顯微鏡裝置中，以過濾掉待分析輸出光之波長以外的光線。
再者，實施例之改良式多光子螢光顯微鏡裝置更包括反射鏡組件(mirror means)例如第一反射鏡M1和第二反射鏡M2以引導同調性脈衝光沿一光路前進，其中第一反射鏡M1引導同調性脈衝光至鏡頭組件403，以造成同調性脈衝光於物鏡平面上撞擊物體之標靶材料。第二反射鏡M2引導通過物體後自物體發出的同調性脈衝光至偵測器405處。另外，偵測器405可進一步
連結至一鎖相放大器(lock-in amplifier)408以提高注入訊號對雜訊之比例。
第5圖為本揭露一實施例之一種檢查物體之方法流程圖。根據實施例，步驟501是提供一物體，此物體包括一標靶材料(例如具有一PVA層之一偏光板，PVA層中包括碘染色離子)。步驟502是對物體之一試樣位置照射一雷射光束，此雷射光束具有波長λ。步驟503是聚焦雷射光束的焦點於物體之試樣位置上，標靶材料同時吸收n個雷射光束的入射光子而產生分子激發，其中n等於或大於2。之後，步驟504是以一偵測器分析自物體發出的一輸出光，其中分析的輸出光波長範圍在0.8 λ至1.2 λ之間。例如，當雷射光束通過物體(例如光學物件)後自物體發出後，輸出光的光強度被偵測器所偵測，以得到波長λ的激發入射光子之光強度損失。一實施例中，雷射光束的波長λ大於900nm。一些實施例中，雷射光束之波長λ係在大於900nm但小於1600nm的範圍。一些實施例中，雷射光束之波長λ係在大於900nm但小於1200nm的範圍。再者，一實施例之檢查物體之方法可更包括過濾輸出光之步驟，在雷射光束通過物體並自物體發出後，濾光組件406(顯示於第4圖，例如一或多個光學濾片)濾掉輸出光之波長在0.8 λ-1.2 λ範圍以外的部分。例如將輸出光之波長實質上為λ以外的部分濾掉。
實施例中，假設位於平台組件上之物體(例如偏光板)具有一表面，此表面平行於xy-平面，實施例之方法包括在垂直
於xy-平面之z-方向對位於試樣位置之物體進行掃描，且每次掃描係包括前述步驟502(照射步驟)、步驟503(聚焦步驟)和步驟504(分析步驟)，透過非侵入式的方式可獲得物體(例如偏光板)內之標靶材料(例如碘染料離子)在z-方向上的軸向分佈。
再者，對於一待檢測物體，可以選擇多個試樣位置進行檢測。因此，根據一實施例的檢查物體之方法可包括：選擇其他試樣位置；對選擇之試樣位置進行如上述之照射步驟、聚焦步驟和分析步驟，並且沿z-方向掃描位於選擇之試樣位置的物體。
以下係提出其中一組實驗設置和實驗結果，實驗設置中包括實施例之一改良式雙光子螢光(m-TPF)顯微鏡裝置的相關元件。然而該些數值與相關元件之規格僅作參考之用，並非用以限制本揭露。
<實驗設置和實驗結果>
如第4圖所示，應用於一實施例之m-TPF顯微鏡的光源402係為一摻鐿雷射(compact Ytterbium laser)並具有光隔離器(isolator)ISO，其輸出脈衝時間250飛秒(fs)和中心波長1.03μm。光源402輸出雷射光束的偏振態係藉由一四分之一波板轉變成圓偏振。並採用一組透鏡L1和L2以擴張光束，使最大光圈的聚焦物鏡OBJ1可用來使側邊(x和y)和軸向方向(z-方向)的空間解析度最大化。聚焦物鏡OBJ1具有數值孔徑0.75(NA值)。剩餘的激發入射光子(中心波長1030nm)則被數值孔徑0.9NA的另一聚焦物鏡OBJ2所收集，並聚焦於一信號未放大之偵測器405(型號
DET 36A，購自Thorlabs公司)。試樣的平均功率係衰減至1mW以避免碘離子染色的PVA高分子膜受到光子漂白和光子破壞。一長波通有色玻璃濾光片(RG-850；i.e.濾光組件406)係放置在偵測器405之前，以過濾掉背景中不需要的可見光波長雜訊。藉由掃描偏光板與聚焦物鏡OBJ1的相對位置，可量測出PVA膜內之碘染料離子在z-方向上的軸向分佈。從高斯光束和實驗參數，達計算之繞射極限的光點大小(2ω0)以及對應之聚焦深度b係分別為1.65μm和6.22μm。
在雙光子顯微鏡中，由於TPF或TPA的強度等於1.03μm激發高斯光束的強度平方，在x、y和z方向上的空間解析度上會小於傳統顯微鏡的空間解析度。改良式TPF顯微鏡於x、y方向上的空間解析度係為0.57μm，其等於ω0除以√2。另一方面，z方向上的空間解析度，定義為TPF或TPA強度的半高寬值，係等於0.643b。於此示例中，軸向解析度係為4.13μm。
由於碘掺雜離子於軸向上的分佈狀態與偏光板的耐久性有關，如能即時量測碘掺雜離子於深度方向(z方向)上的分佈將對於瞭解偏光板性質有很大的助益。在耐久性良好的偏光板中，碘染料離子是均勻地分散在PVA層中。相反的，在耐久性差的偏光板中，PVA層中的碘染料離子可能是叢聚於接近PVA層和TAC層的界面。這些叢聚的碘染料離子隨著時間過去容易擴散至TAC層因而導致偏光板的偏光性質消失，進而使應用之液晶顯示面板的對比值(contrast ratio)和色調平衡(hue balance)退化。因
此，在偏光板的製造過程中即時地檢測碘離子深度分佈(depth-dependent iodine traces)是很重要的。如果觀察到碘離子有任何不尋常的軸向分佈，則可即時地中止或改善製造過程，以節省成本和時間。
第6A和6B圖為利用實施例之改良式雙光子螢光(m-TPF)顯微鏡，分別對耐久性良好和耐久性差的偏光板進行深度(沿z-方向)掃描軌跡的實驗結果。實驗中，於z-方向的步進尺寸為1μm。實施例根據掃描軌跡上與深度相關的激發光子強度損失，可以監測到碘染色離子的軸向分佈，進而在包裝之前就能以此種迅速又非侵入式的檢測方式預測到偏光板的耐久性。第6A和6B圖顯示於耐久性良好和耐久性差的偏光板中，由於在碘離子發生強烈的TPA效應，其剩餘激發入射光子中光強度下降的最大值分別為2.5%和1.7%。第6A和6B圖中碘染色層的量測寬度，定義為掃描過程中TPA效應發生的起始點和終點，係皆為31μm，此與碘染色層之厚度25μm和計算之m-TPF顯微鏡4.1μm軸向解析度的結果相符。對深度有關之一激發光強度損失其擷取時間(acquisition time)約1分鐘，此受限於鎖相放大器408(型號SR830，美國斯坦福)之積分時間和控制軟體(Labview 2010，美國國家儀器股份有限公司)的程序時間。
從第6A和6B圖量測的z-軌跡結果可看出，實施例之方法提供了一種快速且有效的方式，可於碘離子掺雜的製造過程中監測偏光板品質，而無須使用具破壞性且十分耗時的物理取
樣進行檢測。再者，實施例之一改良式多光子螢光(m-MPF)顯微鏡，例如所述之改良式雙光子螢光(m-TPF)顯微鏡，在對於掺雜有離子態光學物件(例如雷射晶體和有機發光二極體之發光元件)的品質進行非侵入式的監控或預測之應用上具有很大潛力。
雖然z方向相關之掃描軌跡足以用來判斷偏光板的耐久性，實驗中仍進行了影像比對。第7A圖和第7B圖係分別為耐久性良好和耐久性差的偏光板的顯微鏡影像，其中偏光板包括PVA層。第7C圖則為一偏光板在x-z平面的二維虛擬切片影像，此影像是以一實施例之m-TPF顯微鏡偵測物體在不同聚焦平面所產生的TPA效應，將該些TPA效應結果經過再建構而得。第7A圖-第7C圖中所有影像尺寸為100μm×100μm。PVA層則垂直地置於三個影像的中心，其厚度為25μm。
在傳統檢查方式中，需要進行侵入式和耗費時間的採樣準備才能獲得如第7A圖和第7B圖所示之顯微鏡影像，包括移除、切片、固定和以顯微鏡觀察PVA層中的染色分佈。因此，無法在缺少專業技術和特殊切片機器的情況下進行。第7A圖是碘掺雜物均勻分佈在一耐久性良好之偏光板的PVA層中的顯微鏡影像。相反的，第7B圖是一耐久性差之偏光板中碘掺雜物叢聚於接近PVA層和TAC層的界面的顯微鏡影像。除了耗費時間，傳統方式所得到的顯微鏡影像也相當小，因此需要專業技術操作者才能判斷偏光板的耐久性是否良好。而實施例提出之使用雷射掃描的檢查方式與其改良式多光子螢光顯微鏡裝置解決了上述
問題。第7C圖則顯示以一實施例之m-TPF顯微鏡所得到之一偏光板在x-z平面的二維虛擬切片影像。如第7C圖所示，可以容易地分辨出碘離子之分佈。其中，PVA層中大部分的碘離子都均勻地分佈，因此偏光板的耐久性良好。在靠近如第7C圖所示之影像底端，PVA層中一小部分(虛線圈選處)碘離子沒有均勻分佈。如果在製程中此瑕疵沒有即時地被檢測出來並中止製程，則應用此瑕疵偏光板的液晶顯示面板有很高的機率會有白點或黑點產生。
根據所述，實施例係提出一種檢查物體之新方法和以一改良式雷射掃描顯微鏡裝置量測物體之標靶材料(例如位於光學物件內部的離子分佈)。如上示例之觀察偏光板內部之PVA層的碘離子濃度，使用實施例之改良式多光子螢光顯微鏡裝置可以快速和非侵入式地量測到碘離子的一維和二維空間分佈。實驗結果清楚顯示，可以從實施例之非切片檢測方法所觀察到的碘離子一維空間分佈清楚瞭解和區分出偏光板的品質。而示例之實驗結果亦顯示，實施例對於物體之標靶材料(例如掺雜離子的光學物件)的空間分佈進行不耗時、快速和非破壞式監測之應用上十分具有潛力，因此不論是在科學研究上幫助獲得更多欲知之掺雜離子的空間分佈，或是工業應用上在製造光學物件期間協助即時找到問題所在，都有極大助益。
其他實施例，例如多光子螢光顯微鏡的相關元件具有不同構型或設置亦可能可以應用，可視應用時實際狀況而作適
當選擇與改變。因此，如第4圖所示之元件安排與設置僅作說明之用，並非用以限制本揭露欲保護之範圍。相關技藝者當知，標靶材料所吸收光子的數目(ex：2個、3個或更多個光子)、物鏡孔徑之數值、相關層之厚度數值、空間解析度數值、軸向解析度數值…等等，並不限於圖示與上述示例之說明，而可根據實際應用時之需求和/或製程作相應調整。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (20)
- 一種檢查物體之方法，包括：提供包括一標靶材料(target material)之該物體；對該物體之一試樣位置(sampling position)照射一雷射光束，該雷射光束具有波長λ；聚焦該雷射光束的一焦點(focal point)於該物體之該試樣位置上，藉由同時吸收n個該雷射光束的入射光子而產生該標靶材料之分子激發，其中n等於或大於2；以及以一偵測器分析自該物體發出的一輸出光(output light)，其中分析之該輸出光的波長範圍在0.8 λ至1.2 λ之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該雷射光束之波長λ係大於900nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該雷射光束之波長λ係在大於900nm但小於1600nm的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該雷射光束之波長λ係在大於900nm但小於1200nm的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括：在進行分析之前，以一光學濾片(optical filter)濾掉波長小於0.8 λ或大於1.2 λ的光，或是以至少兩該光學濾片濾掉波長小於0.8 λ或大於1.2 λ的光。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括：在該輸出光自該物體發出之後，以一光學濾片(optical filter)濾掉波長小於λ或大於λ的光，或是以至少兩該光學濾片濾掉波長小於λ或大於λ的光。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該物體具有平行於xy-平面之一表面，該方法包括：在垂直於該xy-平面之z-方向對位於該試樣位置之該物體進行掃描，且每次所述掃描係包括前述照射步驟、聚焦步驟和分析步驟。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中所述分析步驟係包括：以該偵測器偵測該輸出光之一光強度，以獲得該雷射光束於波長範圍0.8 λ至1.2 λ之入射光子的一光強度損失。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中n等於2。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該物體為一偏光板，該標靶材料為摻雜的碘離子。
- 一種以多光子激發技術量測物體之裝置，包括：平台組件(stage means)以置放包括一標靶材料之該物體； 至少一同調性脈衝光之光源(source of coherent pulsed light)具有波長λ；鏡頭組件(lens means)，經一物鏡平面(object lens plane)聚焦該同調性脈衝光於該物體之一試樣位置，因而造成該標靶材料同時吸收該同調性脈衝光的n個光子，其中n等於或大於2；以及一偵測器(detector)，偵測該物體發出的一輸出光之光強度，其中該輸出光的波長範圍在0.8 λ至1.2 λ之間。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中所述之至少該同調性脈衝光，其波長λ係大於900nm。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中所述之至少該同調性脈衝光，其波長λ係在大於900nm但小於1600nm的範圍內。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中所述之至少該同調性脈衝光，其波長λ係在大於900nm但小於1200nm的範圍內。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，更包括一濾光組件(filter means)，可在該同調性脈衝光自該物體發出後，濾掉波長小於0.8 λ或大於1.2 λ的光。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，更包括：一濾光組件，濾掉自該物體發出的波長小於λ或大於λ的光。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該物體具有平行於xy-平面之一表面，該平台組件包括一可移動式平台(moveable stage)使該試樣位置之該物體可在垂直於該xy-平面之z-方向上被掃描。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，更包括反射鏡組件(mirror means)以引導該同調性脈衝光沿一光路前進，該反射鏡組件包括：第一反射鏡，引導該同調性脈衝光至該鏡頭組件，以造成該同調性脈衝光於該物鏡平面上撞擊該標靶材料；以及第二反射鏡，引導自該物體發出的該同調性脈衝光至該偵測器。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中n等於2。
- 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該物體為一偏光板，該標靶材料為摻雜的碘離子。
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