TWI632361B - 數位全像顯微斷層之方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種數位全像顯微斷層之方法，包括：(a)提供至少一個波前操控元件，以驅動樣品旋轉及/或使入射光束掃描一樣品；(b)透過一數位全像存取單元，以記錄樣品之穿透或反射光的波前；(c)透過一數位全像重建方法，以重建樣品之該穿透或反射光的波前；以及(d)透過一斷層影像計算方法，以重建樣品之三維影像資訊。

Description

數位全像顯微斷層之方法及裝置
本發明係關於光學造影技術，特別係一種利用驅動樣品旋轉與入射光束掃描樣品，以達到三維高解析度造影之數位全像顯微斷層方法與裝置。
光束掃描數位全像顯微斷層之技術係透過旋轉面鏡方式改變入射至樣品之入射光角度，由記錄不同角度入射光場計算其待測樣品三維頻譜分布，從而取得其三維內部折射率分布資訊。本方法應用於觀測活體細胞的影像，並達到次微米橫向解析度。然而，本方法有較差的縱向解析度，將導致不易觀測完整三維斷層影像。
再者，傳統的全像顯微斷層之量測技術還包括：
(a)樣品旋轉數位全像顯微斷層：本技術相近於已知的電腦斷層方式，透過環繞樣品記錄個角度之穿透光場，而較常見的實現方式維直接旋轉待測物或待測物載具；可應用於光纖檢測之中，透過數位全像記錄過程中直接旋轉光纖達到斷層資訊存取目的，此外亦可應用於生醫細胞檢測中。其缺點在於複雜的樣品備製與嚴苛的拍攝條件，導致其不易於生醫系統中推廣。此外，於改善其樣品備製與旋轉模式時，其機械穩定依然存在應用的問題。使用全像光鉗的操控方法直接對樣品旋轉，但有限的角度，使其在三維解析度上受到影響。
(b)光學同調斷層造影：此技術於生醫活體細胞與組織常見的檢測方式，透過低同調光源短同調視窗特性，可用以光學切片式檢測活體生醫樣品。其優點可應用於臨床。其缺點在於較低的橫向與縱向解析度使其不易應用於活細胞檢測。
(c)螢光雷射共軛焦顯微鏡：此技術於生醫細胞檢測中最常見的檢測方式，透過共軛焦顯微鏡逐點逐層掃描機制，分別取得樣品內螢光染色與激發後之影像資訊。其缺點在於具有低縱向解析度，且染色已對細胞造成破壞。
近年來台灣正積極發展生命醫學等相關產業，於去年(2016年)產值更增長17%，於未來政府預將投資百億進入相關產業以期達到過兆的產值。本發明所提之斷層造影工具，預期可配合生技業者進行活體細胞結構分析與生化特性診斷。此外，於工業檢測與光纖通訊產業中，本發明亦可用於微光學元件與微粒子結構等檢測工具，或對光纖內部結構與折射率檢測並用以光導特性分析。對於工業檢測中長期缺乏創新時間空間檢測機制下，本發明尤顯其在未來發展之重要性，其終端產品並可拓展輸出至目前積極發展光電產業技術的美國，頗具市場潛力。因此，頗具有產業上之利用性。
再者，有鑑於目前市面上的全像顯微斷層之量測方法存在上述諸多缺點。實在有必要發展一種新穎的顯微斷層技術來解決與克服上述的問題。
本發明提供一種數位全像顯微斷層之方法，包括(a)提供至少一個波前操控元件，以驅動樣品旋轉及/或使入射光束掃描一樣品；(b)透過一數位全像存取單元，以記錄該樣品之穿透或反射光的波前；(c)透過一數位全像重建方法，以重建該樣品之該穿透或反射光的波前；以及(d)透過一斷層影像計算方法，以重建該樣品之三維影像資訊。
上述至少一波前操控元件包括空間光調制器、電控光反射鏡、矽基液晶或液晶微型顯示器。
上述數位全像存取單元包括光偵測器陣列。數位全像重建方法包含傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法或菲涅耳繞射近似法。
根據本發明之另一觀點，一種數位全像顯微斷層之裝置，包括：至少一波前操控元件，用以改變一入射光束之波前並掃描一樣品；至少一透鏡，用以收集該樣品之穿透或反射光的波前；以及一光偵測器陣列，配置於至少一透鏡之下。
根據本發明之一觀點，一種數位全像顯微斷層之裝置，包括：至少一波前操控元件，用以改變一入射光束之波前並驅動一樣品使其旋轉；至少一透鏡，用以使該入射光束聚焦至少一透鏡，以及收集該樣品之穿透或反射光的波前；以及一光偵測器陣列，配置於該至少一透鏡之下。
根據本發明之另一觀點，一種數位全像顯微斷層之裝置，包括：至少一第一波前操控元件，用以改變一第一入射光束之波前並並掃描一樣品； 至少一第二波前操控元件，用以改變一第二入射光束之波前並驅動該樣品使其旋轉；至少一透鏡，用以使該入射光束聚焦，以及收集該樣品之穿透或反射光的波前；以及一光偵測器陣列，配置於該至少一透鏡之下。
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、110、120、130‧‧‧步驟
200、300、400、410‧‧‧波前操控元件
201、301‧‧‧波前操控
202‧‧‧入射光束掃描
204、304‧‧‧數位全像存取單元
205、305‧‧‧數位全像重建演算法
206、306‧‧‧斷層影像計算方法
210、230、340、430、450‧‧‧透鏡
220、330、440‧‧‧樣品
240、350‧‧‧光偵測器陣列(影像感測器)
250、360、470、471‧‧‧參考光
251、361、480、481‧‧‧放大光束
302‧‧‧光驅動旋轉
310、420‧‧‧分光元件
500、600、700‧‧‧頻譜樣式
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數位全像顯微斷層方法之流程圖；第二圖顯示根據本發明之一實施例之一數位全像顯微斷層方法之簡單架構與流程示意圖；第三圖顯示根據本發明之另一實施例之一數位全像顯微斷層方法之簡單架構與流程示意圖；第四圖顯示根據本發明之又一實施例之一數位全像顯微斷層方法之簡單架構與流程示意圖；第五圖顯示根據本發明之光束旋轉方法之頻譜樣式示意圖；第六圖顯示根據本發明之樣品旋轉方法之頻譜樣式示意圖；第七圖顯示根據本發明之光束旋轉方法結合樣品旋轉方法之頻譜樣式示意圖；第八圖顯示根據本發明之活的酵母菌的三維折射率分佈之示意圖；第九圖顯示活的酵母菌之內的細胞器之示意圖；第十圖顯示於光學驅動樣品旋轉之截面影像。
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。
本發明揭露關於一種數位全像顯微斷層方法及裝置，透過光束掃 描的機制以提高三維斷層系統的解析度，並與光驅動樣品旋轉的機制結合，同時達到全角度與全方向的掃瞄機制，避免因角度限制所造成的資訊流失，而可以於三維方向上達到相同的解析度。
本發明至少可以應用於底下幾個領域：
(1)生醫影像：無螢光、無染色三維活體細胞內部斷層檢測，透過細胞器折射率特性不同，可分析細胞器三維空間結構與生化特性。細胞癌化分析：透過癌細胞三維斷層檢測，可用以正確分析細胞核質體積比，用以早期判斷細胞癌化過程。
(2)半導體與工業檢測：微光學元件與微粒子折射率檢測，可用以分析元件或基板內部特性與瑕疵。
(3)光纖通訊：可用於檢測光纖內部折射率分布，其檢測結果可分析光纖耦合、燒熔、連接之光導傳播特性。
本發明係揭露關於一種透過數位全像記錄與重建之方法，建置一套顯微斷層之檢測方法及裝置。透過光驅動方法，以光場驅動特性控制並旋轉樣品，使樣品旋轉可達全方向與全角度(360度)。樣品於不同旋轉角度的穿透/反射光場可以透過數位全像存取單元加以記錄其波前傳播資訊。此外，透過光束掃描方法，改變數位全像存取單元中入射光至樣品的角度，透過數位全像記錄方法，記錄不同入射角度至樣品的穿透/反射光場波前傳播資訊。於數位全像重建過程中，可重建樣品於不同旋轉角度的穿透/反射光場與不同入射角度至樣品的穿透/反射光場。各旋轉與入射角度之重建光場，可用以計算並取得三維顯微斷層資訊之目的。因其同時具有完整角度的光場資訊與高頻繞射信息，計算取得之顯微斷層影像將可於三維空間中具有超高解析度之造影特性。
本發明為了滿足上述技術問題及需求，其提供一種數位全像顯微斷層方法及裝置。本發明所提之裝置包含：(1)至少一組光驅動裝置：其中包含一組雷射光源模組，至少一組空間光調制器，用以控制驅動光場；(2)至少一組光束掃描裝置：其中包含至少一組光束轉折裝置(可包含電控旋轉反射鏡、光柵、電腦全像片)；(3)至少一組數位全像存取單元：其中包含一組雷射光源模組，包含至少一組影像感測器，用以記錄波前資訊與至少一組計算機(計算裝置、計算系統)。
第一圖顯示根據本發明之一數位全像顯微斷層方法之流程圖。本 發明適用於處理至少一個相關於一標準樣品之全像影像。樣品包括細胞、微生物、細菌..等微小尺寸標的。此等全像影像可以由一些實施例之光學系統所產生。首先，執行步驟100，透過至少一個波前操控元件，以驅動樣品旋轉及/或使入射光束掃描樣品。入射光係由一雷射光源模組所提供。波前操控元件係包含於一至少一組光驅動裝置之中及/或包含於至少一組光束掃描裝置之中。光驅動裝置包括至少一組空間光調制器(Spatial light modulator；SLM)。光束掃描裝置包括至少一組光束轉折裝置，其包括電控光反射鏡(例如：振鏡(galvo mirror))、光柵。波前操控元件包括但不限於空間光調制器、電控光反射鏡、面鏡裝載壓電式轉換器(Piezoelectric Transducers；PZT))，以改變入射光之波前。面鏡裝載的壓電式轉換器可用於調整參考光的相位移之相位移元件(例如：壓電式轉換器PZT、空間光調制器、旋轉平行板導致相位移元件)。接下來，執行步驟110，透過數位全像存取單元，以記錄樣品穿透或反射光的波前。數位全像存取單元包括至少一組光偵測器陣列(例如：影像感測器)用以紀錄波前資訊，一計算機用以數位存取該波前資訊。在此步驟之中，利用入射光以進行樣品檢測，並且入射光與參考光形成干涉，再利用至少一影像感測器以紀錄干涉資訊。然後，執行步驟120，透過數位全像重建方法，以重建樣品之穿透或反射光的波前。數位全像重建方法包括但不限於使用傅立葉轉換法(Fourier transform approach)、摺積法、角頻譜法或菲涅耳繞射近似法之數值傳播方法來重建該樣品之穿透或反射光的波前。在傅立葉轉換的重建方法中，畫素的多寡會隨著重建距離遠近而變化。這樣的特性將使得重建影像的像素尺寸縮小，以避免實際光偵測器陣列的像素尺寸受限制的問題發生，並可同時達到影像重建的目的。最後，執行步驟130，透過斷層影像計算方法，以重建樣品之三維影像資訊。此樣品之三維影像資訊即包含該樣品之一數位全像顯微斷層影像。其中斷層影像計算方法(重建方法)包括但不限於使用反投影(back projection)、反傳播(back propagation)、傅立葉切片定理(Fourier slice theorem)、傅立葉繞射定理(Fourier diffraction theorem)等方法。
第二圖顯示根據本發明之一實施例之一數位全像顯微斷層方法之簡單架構與流程示意圖。本實施例係利用入射光束掃描樣品以產生一數位全像顯微斷層影像。一光學系統產生一偵測光束與一參考光束。舉例而言，光學系統包括一發射光源、至少一分光元件、一波前操控元件、至少一光偵測器陣 列(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))、數個透鏡以及數個面鏡。發射光源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)。發射光源之光源形式包括線光源、平面光源或球面光源。發射光源之光源特性包括同調光源、低同調光源或非同調光源。此光學系統包括一光學影像放大元件，其包括一透鏡210及一透鏡230，用以收集該樣品之穿透或反射光的波前。此光學系統之光路經包含：雷射光源(例如：二極體雷射光源)產生一個具有中心波長的雷射光(probe beam)，該雷射光經過面鏡反射之後先通過光擴束器以產生一個擴束光，再入射至分光元件而分別輸出兩道光束。其中一道光束經過波前操控元件200之後即改變入射光的波前。入射光波前經改變之後產生光束轉折。之後，入射光經過透鏡210將以一入射角度入射至樣品220。舉一實施例而言，透鏡210可以併入波前操控元件200。然後，入射光穿透樣品220或於樣品220反射之光場進一步經過透鏡230以收集並放大以形成一放大光束251。另一道光束經過一面鏡反射之後作為參考光(Reference Wave)250。而該穿透或反射之放大光束251將與參考光250形成干涉。干涉資訊經過光偵測器陣列(影像感測器)240之記錄以取得數位全像記錄。
上述面鏡係用於改變雷射光的光路徑。上述透鏡可以為其他可產生擴束波前之元件(平面與球面波)、或其他可產生平面、球面與具任意的曲面波前之元件。波前操控元件200包括至少一空間光調制器或電控光反射鏡以改變入射光之波前。形成數位全像顯微斷層影像之簡單流程包括：利用波前操控元件200可以達到入射光之波前操控201。入射光波前經過改變之後產生光束轉折，以形成入射光束掃描202，如第五圖所示。意即，本實施例之中，入射光束掃描202係執行光束旋轉(Beam Rotation)作用的結果。其中穿透光的波前透過傅立葉轉換可以得到第五圖底下的頻譜樣式(bandwidth pattern)500。因此，光束旋轉方法在傅立葉平面上的頻譜寬度變為2倍解析度。對於光束旋轉方法，不同角度的轉換頻率可以對應到底下方程式的頻率分布 其中u TA (x’)為光束旋轉下所得穿透或反射光場，o(x,z)為待測樣品空間分布，z為樣品至影像感測器距離，k為波數，θ為光束旋轉角度，u為重建影像之頻譜座標，β為Ewald's sphere曲率參數。
然後，入射光穿透樣品220或於樣品220反射。之後，放大光束251將與參考光250所形成干涉資訊經過數位全像存取單元204以取得數位全像記錄。接下來，利用一數位全像重建演算法205，以重建樣品之穿透或反射光的波前。最後，透過斷層影像計算方法206，以重建樣品220之三維影像資訊。此樣品之三維影像資訊即包含該樣品220之一數位全像顯微斷層影像。此樣品之數位全像顯微斷層影像也可以稱為一種電腦斷層掃描影像(Computed Tomography；CT)。
在其它實施例中，該等全像影像也能透過，例如：機械式地移動光偵測器陣列、待測物體與入射光束等其它拓展視野範圍的技術來產生同軸(On-axis)、離軸(Off-axis)、共軸(In-line)或共光程(Common-Path)架構的數位全像。
第三圖顯示根據本發明之另一實施例之一數位全像顯微斷層方法之簡單架構與流程示意圖。本實施例係利用驅動樣品旋轉以產生一數位全像顯微斷層影像。一光學系統產生一偵測光束與一參考光束。舉例而言，光學系統包括一發射光源、至少一分光元件、一波前操控元件、至少一光偵測器陣列、數個透鏡以及數個面鏡。此光學系統包括一光學影像放大元件，其包括至少一透鏡(或透鏡組)340，用以使入射光束聚焦，以及收集該樣品之穿透或反射光的波前。此光學系統之光路經包含：二極體雷射光源產生一個具有中心波長的雷射光，該雷射光經過面鏡反射之後先通過光擴束器以產生一個擴束光，經過波前操控元件300，再入射至分光元件310而分別輸出兩道光束。分光元件310配置於波前操控元件300之前、透鏡340之下。其中光束經過波前操控元件300之後即改變入射光的波前，以編寫其波前分布。接著，入射光波前經過分光元件310。舉例而言，分光元件310包括分光器(Beam Splitter)或彩色分光鏡(Dichroic Mirror)。彩色分光鏡可以讓某一波長的光反射，而其他波長的光則通過。之後，經編寫後之驅動光(Trap Beam)波前再經過透鏡340，將產生不同位置距離之至少 一聚焦點。至少一聚焦點將捕捉並操控樣品330使其進行旋轉。當中樣品330每旋轉一角度，透過數位全像存取單元中之入射光取得穿透或反射光場。入射光穿透樣品330或於樣品330反射之光場進一步經過透鏡340以收集並放大以形成一放大光束361。另一道光束經過一面鏡反射之後作為參考光360。而該穿透或反射之放大光束361將與參考光360形成干涉。干涉資訊經過光偵測器陣列(影像感測器)350之記錄以取得數位全像記錄。
如第三圖所示，波前操控元件300包括至少一空間光調制器或電控光反射鏡以改變入射光之波前。形成數位全像顯微斷層影像之簡單流程包括利用波前操控元件300可以執行入射光之波前操控301。入射光波前經過改變之後，經過分光元件310與透鏡320以形成光驅動旋轉302機制，如第六圖所示。意即，本實施例之中，光驅動旋轉302係執行樣品旋轉(Sample Rotation)的作用。其中穿透光的波前透過傅立葉轉換可以得到第六圖底下的頻譜樣式600。對於光束旋轉方法，不同角度的轉換頻率可以對應到底下方程式的頻率分布 其中u TR (x’)為樣品旋轉下所得穿透或反射光場，o(x,z)為待測樣品空間分布，z為樣品至影像感測器距離，k為波數，θ為光束旋轉角度，u為重建影像之頻譜座標，β為Ewald's sphere曲率參數。
然後，入射光穿透樣品330或於樣品330反射。之後，放大光束361將與參考光360所形成干涉資訊經過數位全像存取單元304以取得數位全像記錄。接下來，利用一數位全像重建演算法305，以重建樣品之穿透或反射光的波前。最後，透過斷層影像計算方法306，以重建樣品330之三維影像資訊。此樣品之三維影像資訊即包含該樣品330之一數位全像顯微斷層影像。
第四圖顯示根據本發明之又一實施例之一數位全像顯微斷層方法之簡單架構與流程示意圖。本實施例係利用入射光束掃描樣品以及驅動樣品旋轉以產生一數位全像顯微斷層影像。一光學系統產生一偵測光束與一參考光束。光學系統包括至少一發射光源、至少一分光元件、至少一波前操控元件、至少一光偵測器陣列、數個透鏡以及數個面鏡。相同地，此光學系統包括一光學影像放大元件，其包括一透鏡(或透鏡組)430及一透鏡(或透鏡組)450，用以使入射光束聚焦，以及收集該樣品之穿透或反射光的波前。分光元件420配置於 波前操控元件400之前，透鏡450之下。此光學系統之光路經包含：(1)第一雷射光源產生一個具有中心波長的雷射光，該雷射光經過面鏡反射之後先通過光擴束器以產生一個擴束光，經過波前操控元件400，再入射至分光元件420而分別輸出兩道光束；(2)第二雷射光源產生一個具有中心波長的雷射光，該雷射光經過面鏡反射之後先通過光擴束器以產生一個擴束光，再入射至透鏡430、樣品440及透鏡450，再入射至分光元件420分別輸出兩道光束。
第一光路徑：其中第一雷射光源所產生的一道光束經過波前操控元件410之後即改變入射光的波前。入射光波前經改變之後產生光束轉折。入射光經過透鏡430將以一入射角度入射至樣品440。然後，入射光穿透樣品440或於樣品440反射之光場進一步經過透鏡450以收集並放大，再入射至分光元件420分別輸出兩道光束，以形成一放大光束480，以及另一道光束經過一面鏡反射之後作為參考光470。而該穿透或反射之放大光束480將與參考光470形成第一干涉資訊。
第二光路徑：其中第二雷射光源所產生的一道光束(驅動光)經過波前操控元件400，以編寫其波前分布。接著，入射光波前經過分光元件420。之後，經編寫後之驅動光的波前再經過透鏡450，將產生不同位置距離之至少一聚焦點。至少一聚焦點將捕捉並操控樣品440使其產生旋轉。當中樣品440每旋轉一角度，透過數位全像存取單元中之入射光取得穿透或反射光場。然後，入射光穿透樣品440或於樣品440反射之光場進一步經過透鏡450以收集並放大以形成一放大光束481。另一道光束經過一面鏡反射之後作為參考光471。而該穿透或反射之放大光束481將與參考光471形成第二干涉資訊。
上述第一干涉資訊與第二干涉資訊經過光偵測器陣列(影像感測器)460之記錄以取得數位全像記錄。
在一實施例之中，兩光波之干涉係形成至少一個全像影像，以作為數位全像影像的波前記錄與後續的波前重建與斷層影像計算，以獲得該樣品之一數位全像顯微斷層影像。上述參考光波包含：平面光波、球面光波或者任意曲面光波。上述樣品之數位全像影像包含振幅影像與相位影像。
如第四圖所示，波前操控元件400、波前操控元件410包括至少一空間光調制器、電控光反射鏡或矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon；LCoS)、液晶微型顯示器，用以改變入射光之波前。在本實施例之中，形成數位全像顯微斷層影像之簡單流程包括：(a)利用波前操控元件410以執行第一入射光之波前 操控403，入射光波前經過改變之後產生光束轉折，以形成入射光束掃描404；(b)同時利用波前操控元件400以執行第二入射光之波前操控401，入射光波前經過改變之後，經過分光元件420與透鏡450以形成光驅動旋轉402機制。因此，在本實施例之中，穿透光的波前透過傅立葉轉換可以得到第七圖底下的頻譜樣式700，其頻譜空間為入射光束掃描樣品方法(如第五圖所示)以及驅動樣品旋轉方法(如第六圖所示)之綜合結果。
然後，入射光穿透樣品440或於樣品440反射。之後，放大光束470(471)將與參考光480(481)所形成干涉資訊經過數位全像存取單元406以取得數位全像記錄。接下來，利用一數位全像重建演算法407，以重建樣品之穿透或反射光的波前。最後，透過斷層影像計算方法408，以重建樣品440之三維影像資訊。此樣品之三維影像資訊即包含該樣品440之一數位全像顯微斷層影像。
第八圖顯示活的酵母菌的三維折射率分佈。根據上述的三種數位全像顯微斷層影像的產生方法，酵母菌於三維空間之折射率(RI)可以被發現與評估，如第八圖所示。藉由計算環境介質之折射率的標準差，三維顯微斷層影像中的折射率之量測精準度可以降至大約0.006。此外，空間解析度可以藉由分析重建影像中之酵母菌邊緣之邊界斜度而求得，結果顯示大約可以達到在三個軸向(X,Y,Z軸)中之0.6微米的空間解析度。為了從折射率(RI)資料中強調酵母菌之輪廓特徵(contour features)與分佈，在活的酵母菌之內的細胞器(organelles)可以迅速地取得，如第九圖所示。因此，根據第八圖之中的折射率資料與第九圖之中的酵母菌之結構的比較，細胞核與細胞質之折射率可以定義大約為1.42至1.36。酵母菌內的液泡之折射率大約為1.34。其輪廓與酵母菌內部的細胞器之真實大小相符。
此外，為了確認遺失頻果核(Missing Apple Core：MAC)問題可以藉由全角度旋轉所填補與補償而無需任何額外的迭代的演算法(iterative algorithms)以存取資料，酵母菌之折射率影像(原始資料)直接顯示於第十圖之中。第十圖包括於光學驅動樣品旋轉(沿著X、Y與Z軸旋轉)之三個截面影像。其中，第十圖之最上面圖係僅僅X-Z旋轉之截面影像，由於沿著Y軸遺失頻果核問題而該影像係模糊的且未解析的。對於全角度旋轉，由於旋轉期間樣品之邊緣上的失焦效應，內部的細胞器之影像仍然無法被觀察，如第十圖之中間圖所示。由於全像紀錄期間酵母菌之邊緣上的失焦效應，酵母菌影像之邊界仍然 是模糊的並且無法辨識。在透過本發明之數位全像顯微重建之數值聚焦方法之後，可以得到一個清晰的酵母菌影像，如第十圖之最下圖所示。其中一些細胞器(例如：細胞核與細胞質)在數位全像顯微斷層影像之重建原始資料之中可以觀察的到。
綜合上述，本發明揭露關於一種運用光驅動樣品旋轉的機制，以進行全角度與全方向的樣品穿透光場掃瞄機制，並輔以光束掃描的機制提高本發明之三維斷層系統的空間解析度。各掃描後光場將透過數位全像波前記錄方式紀錄於數位全像片中進行數值重建，所得重建光場將根據其掃描角度與掃描方式相對應地填入斷層影像之三維頻譜空間中。所得三維頻譜即可用以計算分析三維斷層影像。
經實驗結果驗證，本發明配合上述數位全像裝置與方法所取得的顯微斷層影像，可以超越現有光學斷層方法，達成三維高解析度造影之目的。
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. 一種數位全像顯微斷層之方法，包括：(a)提供至少一波前操控元件與光束掃描裝置，以驅動一樣品使其旋轉達全方向與全角度及使入射光束掃描該樣品；(b)透過一數位全像存取單元，以記錄該樣品之穿透或反射光的波前；(c)透過一數位全像重建方法，以重建該樣品之該穿透或反射光的波前；以及(d)透過一斷層影像計算方法，以重建該樣品之三維影像資訊。
  2. 如請求項1所述之數位全像顯微斷層之方法，其中該至少一波前操控元件包括空間光調制器、電控光反射鏡或液晶微型顯示器。
  3. 如請求項1所述之數位全像顯微斷層之方法，其中該數位全像存取單元包括光偵測器陣列。
  4. 如請求項1所述之數位全像顯微斷層之方法，其中該數位全像重建方法包含傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法或菲涅耳繞射近似法。
  5. 如請求項1所述之數位全像顯微斷層之方法，其中該斷層影像計算方法包括反投影方法、反傳播方法、傅立葉切片定理或傅立葉繞射定理。
  6. 一種數位全像顯微斷層之方法，包括：(a)提供光驅動裝置，以驅動一樣品使其旋轉達全方向與全角度；(b)透過一數位全像存取單元，以記錄該樣品之穿透或反射光的波前；(c)透過一數位全像重建方法，以重建該樣品之該穿透或反射光的波前；以及(d)透過一斷層影像計算方法，以重建該樣品之三維影像資訊。
  7. 一種數位全像顯微斷層之裝置，包括：至少一波前操控元件，用以改變一入射光束之波前並驅動一樣品使其旋轉達全方向與全角度；至少一透鏡，用以使該入射光束聚焦，以及收集該樣品之穿透或反射光的波 前；以及一光偵測器陣列，配置於該至少一透鏡之下。
  8. 一種數位全像顯微斷層之裝置，包括：光束掃描裝置，用以改變一第一入射光束之波前並掃描一樣品；至少一波前操控元件，用以改變一第二入射光束之波前並驅動該樣品使其旋轉達全方向與全角度；至少一透鏡，用以使該入射光束聚焦，以及收集該樣品之穿透或反射光的波前；以及一光偵測器陣列，配置於該至少一透鏡之下。
  9. 如請求項8所述之數位全像顯微斷層之裝置，其中該至少一波前操控元件包括空間光調制器、電控光反射鏡或液晶微型顯示器。
  10. 如請求項8所述之數位全像顯微斷層之裝置，更包括一分光元件，配置於該第二波前操控元件之前。
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