TWI661222B - 光學測量器與光學測量方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種光學測量器，用以執行光學測量方法，對一待測物進行測量，該光學測量器包括光源、掃描裝置與感光裝置，光源發出的光經由掃描裝置照射於待測物表面，再由感光裝置接收從待測物表面離開的光，其中在感光裝置接收從待測物表面離開的光的期間，掃描裝置會使光線於待測物表面移動，可避免待測物表面單一點受到過量的光線照射而發生光毒害或光漂白的現象，從而提高待測物的穩定性以及測量結果的正確性。

Description

光學測量器與光學測量方法

本發明是關於一種光學測量器及光學測量方法，可用於測量待測物的光學性質並可於重複測量後組成一顯微影像。

顯微鏡能夠協助研究人員或工程人員從微觀尺度觀察各種材料及其構造，對於材料科學、奈米技術與生物技術而言是極為重要的研究工具，其中，晚近發展的雷射共軛焦顯微鏡更是今日尖端技術的重要推手。

雷射共軛焦顯微鏡是將待測物置於光學系統的焦點，並將雷射光照射於待測物，雷射光的光點於待測物反射後，會恰於光學系統的另側焦點成像，藉由設置在另側焦點處的針孔可以濾除由光點處之外的其他位置反射的反射光或漫射光，再以光譜儀收集並分析通過針孔的光線，即可測得光點處待測物的反射光，隨後，再以逐點測量、依深度逐層測量方式即可進一步將測得的數據組合成三維立體的待測物顯微影像。

然而，在上述建立待測物顯微影像的過程中，待測物卻常受到雷射光影響而變質，發生光毒害(phototoxic)或光漂白(photo bleaching)的現象，一旦待測物發生光漂白，將使雷射光在待測物反射後的反射光性質改變，可能會影響該點像素或鄰近像素影像的正確性，同時還會影響同一 位置不同深度處的影像的正確性，使顯微影像的取得與使用有所侷限。

本發明的其中一項目的在於提供一種光學測量器或光學測量方法，能減少或避免在取得顯微影像過程中所發生的光毒害或光漂白的現象。

為了達成上述及其他目的，本發明提供一種光學測量器，包括一光源、一掃描裝置與一感光裝置，該光源能發出一主動光線，該掃描裝置能接收該主動光線並使其朝向一待測面照射，該主動光線朝向該待測面照射而在該待測面形成一光點，該主動光線朝向該待測面照射時該光點發出一被動光線，該掃描裝置能改變該主動光線的光軸而使該光點於該待測面中的至少二受測位置之間移動，該感光裝置於一積分時間中接收該被動光線，該感光裝置接收該被動光線後輸出一輸出訊號，於該積分時間中該光點移動而至少經過該二受測位置。

為了達成上述及其他目的，本發明還提供一種光學測量方法，係利用一掃描裝置將一光源發出的一主動光線導引朝向一待測面照射，而在該待測面形成一光點，且一被動光線自該光點離開，操作該掃描裝置改變該主動光線的光軸而使該光點的位置在至少二受測位置之間移動，利用一感光裝置於一積分時間中接收該光點移動經過至少該二受測位置時自該光點離開的被動光線並輸出一輸出訊號。

在某些情況中，該光點在該積分時間中位在該待測面中的每一受測位置的時間不大於一毫秒。

在某些情況中，該光點在該積分時間中於該待測面中的位置 不斷地持續移動。

在某些情況中，該光源為點光源，於該光源與該掃描裝置之間設置一光學系統，該光學系統能接收該主動光線並使其在該待測面聚焦。

藉此，本發明提供的光學測量器可用於測量待測物的光學性質，將待測物放置於待測面即可在待測物表面形成光點，並藉由感光裝置收集從光點離開的被動光線進行量測，其中由於在感光裝置的積分時間中，主動光線的照射位置或光點的位置能夠移動，可以避免主動光線持續長時間照射於待測物的同一位置，將待測物表面任意單點或待測點的受光時間與受光能量大幅降低，從而避免或減少待測物發生光毒害或光漂白的機會。

10‧‧‧光源

11‧‧‧主動光線

12‧‧‧被動光線

13‧‧‧光點

20‧‧‧掃描裝置

21‧‧‧第一掃描鏡

22‧‧‧第二掃描鏡

23‧‧‧第三掃描鏡

30‧‧‧感光裝置

40‧‧‧光學系統

41‧‧‧光學模組

411‧‧‧遮光板

412‧‧‧反射鏡

413‧‧‧凸透鏡

414‧‧‧分光鏡

42‧‧‧物鏡模組

50‧‧‧處理系統

90‧‧‧待測物

91‧‧‧待測面

92、93‧‧‧受測位置

94‧‧‧移動範圍

95‧‧‧移動路徑

第1圖為本發明光學測量器的系統示意圖。

第2圖為本發明光學測量器之待測面的示意圖。

第3圖為本發明光學測量器中掃描裝置之示意圖。

第4圖為本發明光學測量器的測量狀態示意圖。

第5圖為本發明光學測量器的另一測量狀態示意圖。

請參考第1圖，本實施例提供一種光學測量器，包括一光源10、一掃描裝置20與一感光裝置30，並可進一步包括一光學系統40與一處理系統50，用以測量待測物90，以取得待測物90的光學性質或影像。本實施例之光學測量器係朝向一待測面91進行測量，於測量待測物90時，需將 待測物90放置於待測面91，待測面91具體而言可能是一假想面或一待測物載台，也可能是玻璃或類似之透明物質的表面，以放置待測物90並緊貼於其上。

該光源10能發出一主動光線11，以照射待測物90，使待測物90反射光線、透射光線或激發螢光或散射光，而從待測物90發出被動光線12，在本實施例中，係利用待測物90反射的光線進行測量，被動光線12即為待測物90的反射光。較佳者，光源10為點光源，該光源10例如是雷射光源，可以依待測物90的種類及測量目的選用不同波長的雷射光源。

該掃描裝置20例如是TW I563288號專利中所述的光學影像掃描組件，位於主動光線11的光軸中，能接收光源10發出的主動光線11並使其朝向待測面91照射，如第2圖所示，於待測面91產生一光點13，該光點13實際上為主動光線11與待測面91的交會點或主動光線照射於待測物90時形成的光點，當未放置待測物90時，待測面91可能僅為假想面，無物質能反射主動光線11，而使光點13不能為肉眼所見。主動光線11朝向待測面91照射時，放置於待測面91的待測物90能反射主動光線11而產生被動光線12，並從光點13射出，掃描裝置20能改變主動光線11與被動光線12的光軸，使光點13於待測面91中任意兩個或數個受測位置之間移動。更詳細地說，請參考第1圖至第3圖，該掃描裝置20可包括一第一掃描鏡21與一第二掃描鏡22，該第一掃描鏡21可以是微機電元件，例如共振鏡元件或者可為旋轉式多面鏡(rotational polygon mirror)，第一掃描鏡21以一第一共振頻率繞一第一方向為軸轉動，第二掃描鏡22例如是電流鏡(galvano mirror)單元，第二掃描鏡22以一第二共振頻率繞一第二方向為軸轉動，第一方向與第二方向不 同，較佳者，第一方向與第二方向相互垂直，例如第一方向為z軸方向，第二方向為x軸方向，可藉由第一掃描鏡21控制光點在待測面91中的x軸位置，並藉由第二掃描鏡22控制光點在待測面91中的y軸位置，第一共振頻率例如是311赫茲，第二共振頻率例如是191赫茲，第一掃描鏡21將主動光線11朝向第二掃描鏡22反射，使主動光線11直接照射於第二掃描鏡22或經由另一第三掃描鏡23反射至第二掃描鏡22，第二掃描鏡22再將主動光線11朝向待測面91反射，使主動光線11朝向待測面91照射，藉由第一掃描鏡21與第二掃描鏡22的轉動，將使主動光線11受到不同角度的反射，改變主動光線11的光軸位置與角度，從而改變光點13在待測面91中的位置；當第一掃描鏡21與第二掃描鏡22持續轉動時，光點13將會在待測面91中沿非單一方向不斷地持續移動。需一併說明的是，第3圖僅為說明示意使用而將待測面91繪示於第二掃描鏡22旁，在本實施例中如第1圖所示，第二掃描鏡22與待測面91之間仍有另一物鏡模組42，藉以將主動光線11匯聚於待測面91。

該感光裝置30例如是光譜儀，並可於感光裝置30前方設置一針孔板，能經由針孔板的針孔接收被動光線12，並能於一段積分時間中接收被動光線12，再依接收的被動光線12輸出一輸出訊號，感光裝置可受控制以調整積分時間的長短，舉例而言，積分時間的長度可以是10毫秒、1毫秒或小於1毫秒；在積分時間中，光點13會在待測面91的至少兩個相鄰位置之間移動，例如是在一個指定的10微米見方的區域內移動或是任意的指定或不指定的區域內移動，換言之，在每一積分時間中，待測面中91的任一位置受到主動光線11照射的時間可能會低於1毫秒，較佳者，光點13在兩個相互遠離的受測位置之間移動、移動經過數個受測位置，或者在一指定的 面域中移動，舉例而言，請參考第4圖，如果積分時間為1毫秒，第一共振頻率與第二共振頻率均為2K赫茲，積分時間的倒數為0.1K，第一共振頻率與第二共振頻率對積分時間的倒數的比值為2，光點13將移動經過兩受測位置92、93，並且在其間往復移動4次，藉由控制第一共振頻率、第二共振頻率與積分時間之間的相對關係，可以決定積分時間中光點13在待測面91所移動經過的受測位置。

請參考第1圖，光學系統40包括光學模組41與物鏡模組42，光學模組41包括遮光板411(shutter)、二反射鏡412、一凸透鏡413以及一分光鏡414，遮光板411可用以控制主動光線11是否可射入，可透過電訊號控制遮光板411的開與關，當遮光板411開啟時，主動光線11將會通過遮光板411，反射鏡412、凸透鏡413以及分光鏡414可以將主動光線11反射、導引傳遞至掃描裝置20。當遮光板411關閉時，主動光線11則會被遮光板411阻擋。光學模組41設置於光源10與掃描裝置20之間，物鏡模組42則設置於掃描裝置20與待測面91之間，光學模組41兩側的焦點分別位於待測面91與感光裝置30，藉此可將主動光線聚焦於待測面，並將光點成像於針孔板或感光裝置30。

請參考第5圖，在本發明可能的實施例中，可以控制第一掃描鏡與第二掃描鏡在各別指定的角度之間往復式旋轉作動，從而控制光點13在待測面91中的移動範圍94與移動路徑95，藉此，在一次測量中能夠以該移動範圍94所測量獲得的數值為一組數據或一組像素，進行逐點(point by point)或逐區域測量，在本實施例中，該移動範圍的大小例如是10微米見方。

處理系統50連接於感光裝置30，可接收感光裝置30的輸出訊 號，將輸出訊號進一步處理，並以逐點測量、紀錄的方式，將輸出訊號組合成顯微影像。

利用上述裝置，當使用者欲進行光學測量以取得待測物的顯微影像或光學性質時，可先後啟動光源10與掃描裝置20，並將待測物90置放於待測面91，掃描裝置20即可將光源10發出的主動光線11導引朝向待測面91照射，於待測面91或待測物90顯現出一光點，並使光點在二受測位置之間或選定的受測範圍內移動，主動光線11在光點處受到待測物90反射，由光點發出反射後之被動光線12，再由感光裝置30接收被動光線12並產生輸出訊號，以處理系統50接收輸出訊號並進行訊號處理或影像處理，從而獲得使用者所需的顯微影像或欲測量的光學性質。

在前述測量的過程中，主動光線11照射在待測物表面的位置受到掃描裝置20的作用而改變、移動，在感光裝置的積分時間中，光點的位置會在一線段或一指定面域中移動，而不會停留照射單一定點，可避免或減少待測物的單一點持續受到主動光線照射而發生光毒害或光漂白的現象，而能減少測量過程對待測物性質的影響，維持待測物性質的恆定，有助於取得穩定正確的測量結果。

上述實施例中，光學測量器實質上為一部共軛焦顯微裝置，主動光線受光學系統作用而聚焦於待測面，由待測面反射出的被動光線則被聚焦成像於感光裝置或感光裝置前方的針孔，然而，若改將主動光線的光軸繞過光學系統或省略光學系統，僅以掃描裝置導引主動光線的光軸，或者將感光裝置改為收集主動光線於待測物激發的螢光或散射的拉曼光，進一步將光學測量器改為其他形式之顯微裝置，例如全內角反射螢光顯微 鏡，亦屬可能。

總結以上說明，上述實施例的光學測量器能夠降低待測物發生光毒害與光漂白現象的機會，提高待測物樣品性質的穩定性，從而獲得穩定正確的測量結果，實為學界與業界人士所企盼，惟以上實施例僅在於說明並闡述本發明的技術內容，本發明的專利範圍應以本發明的申請專利範圍為準。

Claims (10)

1. 一種光學測量器，包含：一光源，能發出一主動光線；一掃描裝置，該掃描裝置能接收該主動光線並使其朝向一待測面照射，該主動光線朝向該待測面照射而使該待測面產生一光點，該主動光線朝向該待測面照射時一被動光線自該光點射出，該掃描裝置能改變該主動光線的光軸而使該光點於該待測面中的至少二受測位置之間沿非單一方向移動；一感光裝置，能接收該被動光線，該感光裝置於一積分時間中接收該被動光線，該感光裝置接收該被動光線後輸出一輸出訊號；其中，於該積分時間中該光點移動而至少經過該二受測位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光學測量器，其中於該積分時間中，該光點位在該待測面中的每一受測位置的時間不大於一毫秒。
3. 如申請專利範圍第1項所述的光學測量器，其中於該積分時間中，該光點於該待測面中的一指定面域中不斷地持續移動或於兩受測位置之間不斷地往復移動。
4. 如申請專利範圍第1項所述的光學測量器，其中該光點於該待測面中的一指定面域不斷地持續移動，該感光裝置於該積分時間中接收來自該指定面域的被動光線，並依該些被動光線輸出一組像素之輸出訊號。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的光學測量器，其中更包含一光學系統，該光源為點光源，該光學系統設置於該光源與該待測面之間，該光學系統能接收該主動光線並使其在該待測面聚焦。
6. 一種光學測量方法，係利用一掃描裝置將一光源發出的一主動光線導引朝向一待測面照射，而使該待測面顯現出一光點，該光點發出一被動光線，該掃描裝置改變該主動光線的光軸而使該光點的位置在至少二受測位置之間沿非單一方向移動，利用一感光裝置於一積分時間中接收該光點移動經過至少該二受測位置時發出的被動光線並輸出一輸出訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述的光學測量方法，其中於該積分時間中，該光點位在該待測面中的每一受測位置的時間不大於一毫秒。
8. 如申請專利範圍第6項所述的光學測量方法，其中於該積分時間中，該光點於該待測面中的一指定面域中不斷地持續移動或於兩受測位置之間不斷地往復移動。
9. 如申請專利範圍第6項所述的光學測量方法，其中該光點於該待測面中的一指定面域不斷地持續移動，該感光裝置於該積分時間中接收來自該指定面域的被動光線，並依該些被動光線輸出一組像素之輸出訊號。
10. 如申請專利範圍第6至9項中任一項所述的光學測量方法，其中該光源為點光源，於該光源與該待測面之間設置一光學系統，該光學系統能接收該光源發出的光線並使其在該待測面聚焦。