TWI662262B - 具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統 - Google Patents

具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統 Download PDF

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Abstract

一種具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統，其係透過一機制使偵測光場具有沿特定軸向或徑向之光強度梯度分佈，並經由聚光透鏡產生一離軸光場投射至一待測物上，進而產生一測物光場，透過物鏡導引至影像擷取裝置，產生相應的影像。該相應的影像經由差分相位對比演算得到相應位置的相位，進而根據相位得知相應位置之深度資訊，進而重建物體表面形貌。

Description

具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統
本發明為一種顯微技術，特別是指一種利用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對應影像以進行相位量測的一種具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統。
很多生物科學或材料科學想要觀測的物體在非常差的對比下具有弱相位的特徵，使得如果在沒有染色(stain)的情況下，是很難觀測到弱相位的特徵。習用技術中，這些弱相位物體可以在相位影像系統(phase imaging system)中，使用空間率波的方式，被視覺化觀察。然而，利用相位對比顯微系統進行相位量測被沒有辦法被量化(quantitative)，因為影像中的相位資訊沒有直接從強度(intensity)資訊中分離。因此，其中一種最常用的量化相位資訊量測的方式是利用干涉技術進行量測，然而，利用干涉技術需要高同調照明加上光斑雜訊效果，並且受限於空間解析度。
另一種量化相位影像技術是差分相位對比(differential phase contrast,DPC)顯微系統，用以產生較佳的解析度以解決傳統干涉技術的缺點。習用的DPC系統中，是利用弱物件轉換函數(weak object transfer function)，來將相位資訊從強度資訊中分離出來，進而透過成對的影像量化相位資訊。
習用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)的空間光強度調制模組(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強度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。
習用技術中，有利用圖1A與圖1B的雙軸像的半圓來進行量測，然而，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)的半圓光強度遮罩下，會因為頻譜的不完全會造成非等向的轉換函數。位了解決這個問題，如圖1C所示，就必須要進行到高達十二軸向變化的光強度遮罩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，本發明為解決在可見光源的DPC中所具有的問題，因此需要一種具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統，來解決習用技術之缺陷。
本發明提供一種具等向性強度轉換函數之量化差分相位對比顯微系統，其係利用一光強度調制模組產生至少一對遮罩，每一對遮罩其係具有非對稱且關於同一軸上在徑向具有光強度梯度分佈的第一與第二遮罩，用以調制入射光，再導引通過該光強度調制模組之入射光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相應每一對遮罩的一對影像。由於本發明局部同調照明，因此僅透過至少一對不同的光強度梯度分佈遮罩，經過轉換可以得到等向性轉換函數，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。
本發明提供一種具等向性強度轉換函數之量化差分相位對比顯微系統，其係藉由一光源模組產生具有複數道色光所構成的偵測光場，該複數道色光中的一第一色光係為沿一第一軸向朝向一第一方向具有一強度漸增之梯度分佈的色光，該複數道色光中的一第二色光係為沿該第一軸向朝向與該第一方向相反之第二方向具有一強度漸增之梯度分佈的色光，透過該第一色光與該第二色光之組合通過聚光鏡產生離軸照明投射至一待測物，在經由物鏡而被影像擷取裝置擷取成像，在透過色彩分離的機制，形成用以進行量化差分相位對比演算，而得知待測物表面形貌特徵。透過此種方式，可以藉由一次快門取像的方式得到兩張對應不同梯度分佈的影像，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，本發明提供一種具等向性轉換函數之量化差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，用以根據一控制訊號產生沿著徑向具有光振幅梯度變化的至少一調制圖案來調制該入射光場，使該入射光場形成一偵測光場。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，而產生相應該光振幅梯度變化的一光學影像。
在一實施例中，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比值為介於部分同調照明之範圍。
在一實施例中，其係更包括有一運算處理單元，用以產生該控制訊號使該光強度調制模組產生沿徑向具有光振幅梯度變化的至少一調制圖案，其中該至少一調制圖案包括有以至少一軸向為對稱軸之第一光振幅梯度變化調制圖案與第二光振幅梯度變化調制圖案，該運算處理單元對影像擷取模組所擷取之相應於該第一光振幅梯度變化調制圖案與該第二光振幅梯度變化調制圖案的第一光學影像與第二光學影像進行一差分相位對比演算，進而重建該待測物之光學厚度資訊。
在一實施例中，其中光強度調制模組產生該徑向具有光振幅梯度變化的方式係以該入射光場之光軸為中心以一特定長度為半徑沿該光強度調制模組之徑向產生具有該光振幅梯度變化的該調制圖案。
在一實施例中本發明提供一種具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統，包括有一光源模組、一聚光透鏡、一物鏡、一影像擷取模組以及一運算處理單元。該光源模組，用以產生具有複數道色光所構成的偵測光場，該複數道色光中具有一第一色光以及一第二色光，該第一色光係為沿一第一軸向朝向一第一方向具有一強度漸增之梯度分佈的色光，該第二色光係為沿該第一軸向朝向與該第一方向相反之第二方向具有一強度漸增之梯度分佈的色光。該聚光透鏡，設置於該光源模組之一側，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，而產生相應該第一色光與該第二色光的一第一彩色影像與一第二彩色影像。該運算處理單元，用以對該第一彩色影像以及該第二彩色影像進行進行一差分相位對比演算，進而重建該待測物之表面深度資訊。
在一實施例中，該光源模組為發光二極體陣列，或者是該光源模組包括有一寬頻光源以及一光強度調制模組，該光強度調制模組位於該聚光透鏡之傅立葉平面上，用以接收該寬頻光源產生之一寬頻光，將其調制成該第一色光與該第二色光。
00~11‧‧‧半圓遮罩
2‧‧‧微分相位對比顯微系統
20、20a、20b‧‧‧光源模組
200‧‧‧寬頻光源
200a‧‧‧光源
201‧‧‧光強度調制模組
21‧‧‧聚光透鏡
22‧‧‧物鏡
24‧‧‧影像擷取模組
23‧‧‧管狀透鏡
25‧‧‧運算處理單元
90‧‧‧待測物
900‧‧‧入射光場
901‧‧‧偵測光場
902‧‧‧離軸光場
903‧‧‧測物光場
900a、901a‧‧‧第一色光
900b‧‧‧第二色光
900c‧‧‧第三色光
圖1A至圖1C為習用之光遮罩與隨著不同軸相變化示意圖。
圖2A為本發明之具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統之光學架構實施例示意圖。
圖2B為本發明之具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統之另一光學架構實施例示意圖。
圖3A~3B為本發明之沿第一軸向與第二軸向光強度梯度分佈變化示意圖。
圖4A至圖4D為本發明第一色光與第二色光沿著不同軸相的光強梯度分佈示意圖。
圖5為影像擷取模組所擷取之第一與第二光學影像。
圖6為利用本發明之多軸相位轉換函數所得到的相位資訊分佈影像。
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7為本發明之微分相位對比顯微方法流程示意圖。
圖8為本發明之具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統之光學架構另一實施例示意圖。
圖9A~9F為光強度調制模組所產生之不同之調制圖案示意圖圖10為利用本發明之光振幅梯度變化調制圖案與習用技術之半圓形調制圖案結果比較示意圖。
圖11係為利用圖8之光學系統對微球粒(microspheres)進行表面形貌量測的結果示意圖。
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。相同的元件符號代表相同元件。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2A所示，該圖為本發明之具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統之光學架構實施例示意圖，在本實施例中，該顯微系統2包括有一光源模組20、一聚光透鏡(condenser)21、一物鏡22、一影像擷取模組24以及一運算處理單元25。該光源模組20，在本實施例中，包括有一寬頻光源200以及一光強度調制模組201，該寬頻光源200用以產生一入射光場900，本實施例中，該入射光場900為寬頻光，例如：白光，但不以此為限制。該光強度調制模組201位於該聚光透鏡21之傅立葉平面上，用以接收該入射光場900，將其調制成具有複數道色光所構成的偵測光場901。該光強度調制模組201可以選擇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以及穿透的顏色。也就是透過控制訊號控制對應不同紅色、綠色與藍色彩色濾光元件的每一個液晶之轉向以決定特定色光穿透的程度，形成具有複數道色光所構成的偵測光場901。
如圖3A所示，其係為通過該光強度調制模組201之後的偵測光場901之一實施例示意圖。在本實施例中，該複數道色光中具有一第一色光900a以及一第二色光900b，該第一色光900a在本實施例中為藍光，該第二色光900b，在本實施例中為紅光，但不以此為限制。例如：在另一實施例中，該第一色光900a也可以為綠光，該第二色光900b為紅光，其係可以根據使用者之選擇而定，因此不以本發明所舉的實施例為限制。從圖3A中可以看出該第一色光900a係為沿一第一軸向Y朝向一第一方向+Y具有一強度漸增之梯度分佈的色光，該第二色光900b係為沿該第一軸向Y朝向與該第一方向+Y相反之第二方向-Y具有一強度漸增之梯度分佈的色光。而在該第一與第二色光900a與900b之外圍的為第三色光900c，本實施例為綠光。因此在圖3A中，第一色光900a在越靠下方藍色光的成分越高，第二色光900b在越上方紅色光的成分越高。
此外，該光強度調制模組201可以透過一控制訊號改變軸向之方向，使得色光改變梯度分佈的方向。在一實施例中，如圖3B所示，該第一色光900a係為沿一第二軸向X朝向一第一方向-X具有一強度漸增之梯度分佈的色光，該第二色光900b係為沿該第二軸向X朝向與該第一方向-X相反之第二方向+X具有一強度漸增之梯度分佈的色光。而在該第一與第二色光900a與900b之外圍的為第三色光900c，本實施例為綠光。因此在圖3B中，第一色光900a在越靠右方藍色光的成分越高，第二色光900b在越靠左方紅色光的成分越高。此外，要說明的是，圖3A與圖3B之軸向並不以XY軸向為限制，也可以為其他軸向，例如和X軸或Y軸有夾角的軸向。要說明的是，雖然圖示以兩種色光作說明，在另一實施例中，也可以為兩種以上的色光。
此外，如圖2B所示，該圖為本發明之具等向性轉換函數之量化差 分相位對比顯微系統之光學架構另一實施例示意圖。在本實施例中，基本上與圖2A相似，差異的是，本實施例的光學模組20a為一發光二極體陣列，例如：微發光二極體(micro-LED)陣列，但不以此為限制。該發光二極體陣列直接透過控制訊號使其產生如圖3A或圖3B的光學效果，直接產生具有複數道色光所構成的偵測光場901。
再回到圖2A所示，該聚光透鏡(condenser)21，設置於該光強度調制模組201之一側，以接收被該光強度調制模組201調制的偵測光場901。該光強度調制模組201位於該聚光透鏡21之傅立葉平面上，該聚光透鏡21用以接收該偵測光場901，並產生一離軸(off-axis)光場902投射至一待測物90上複數個偵測位置，進而產生關於該複數個偵測位置之一測物光場903。該物鏡22，設置於該聚光透鏡21之一側，使該待側物90位於該物鏡22之焦距上，該物鏡23接收穿透該待測物90之該測物光場903。要說明的是，本發明的架構可以產生局部同調照明(partially coherent illumination)，在一實施例中，產生局部同調照明的條件是該聚光透鏡21具有一第一數值孔徑(numerical aperture,NA)值，該物鏡22具有一第二數值孔徑值，該第一與該第二數值孔徑的比值(NAcondenser/NAobjective)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22耦接，用以接收該測物光場903，而產生相應該強度梯度分佈的一光學影像。本實施例中該影像擷取模組24係透過一管狀透鏡(tube lens)23與該物鏡22耦接在一起。本實施例中的物鏡22與管狀透鏡23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。要說明的是，有別於習用技術一次擷取對應一種光強度遮罩(如圖1A~圖1C)的影像，本發明之特點在於透過光強度調制模組201或者是LED陣列的光源模組20a產生複數種不同梯度分佈的色光，因此該影像擷取模組24擷取的一張影像中，具有對應複數種梯度分佈的色光的影像，因此只要透過適當的顏色後續處理，分離出每一種顏色的影像，就可以透過一次影像擷取的時間，得到複數張要進行差分相位對比的影像，透過此種方式，可以藉由一次快門取像的方式得到多張對應不同梯度分佈的影像，節省量測所需的時間。
例如：圖3A的偵測光場等同於如圖4A與圖4B的兩種色光的組合。又以圖3B的偵測光場為例，等同於如圖4C與圖4D的兩種色光組合。因此透過兩次的影像擷取，就可以取得四張對應不同梯度分佈的影像，節省量測所需的時間。在圖4A~4D所示的各個色光光強度梯度分佈中，其中圖4A為對應沿一第一軸向Y，第二色光900b強度梯度分佈、圖4B為對應沿該第一軸向Y，第一色光900a強度梯度分佈、圖4C為對應沿一第二軸向X，第二色光900b強度梯度分佈、圖4D為對應沿該第二軸向X，第一色光900a強度梯度分佈。透過具有光強度梯度分佈的控制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。
該運算處理單元25與該光強度調制模組201電性連接，用以產生控制訊號來控制該光強度調制模組201產生沿著不同軸向光強度梯度的色光組合，例如：如圖3A~3B所示之偵測光場901。該運算處理單元25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。此外，該運算處理單元25，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所擷取之關於測物光場的光學影像，以進行差分相位對比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90之表面形貌或內部結構特徵。以該待測物為微透鏡陣列(microlens array)為例，該影像擷取模組24所擷取到的影像如圖5所示。該運算處理單元25將對應不同色光組合的偵測光場所擷取的影像，進行彩色校正運算以及顏色分離，以形成對應圖4A~4D不同單一色光強度梯度分佈的光學影像。藉由差分相位對比演算得到如圖6所示的相位資訊分佈影像。要說明的是，顏色分離的方式可以透過運算處理單元25進行，或者是透過影像擷取模組24在擷取影像時直接產生對應圖4A~4D不同單一色光強度梯度分佈的光學影像，這些是可以根據使用者的選擇而定。
請參閱圖2A與圖7所示，其中圖7為本發明之微分相位對比顯微方法流程示意圖，在本實施例中，該方法3係以圖2A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2A或圖2B所示的微分相位對比顯微系統。接著進行步驟31使該寬頻光源200產生一入射光場900投射至該光強度調制模組201。接著進行步驟32控制該光強度調制模組201，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901，如圖3A所示。
接著進行步驟33，使該偵測光場901通過設置於光強度調制模組201一側的聚光透鏡21。該光強度調制模組201位於該聚光透鏡21之傅立葉平面上，該聚光透鏡21用以接收該偵測光場901，並產生一離軸光場902投射至一待測物90上，進而產生一測物光場903。該待測物可以為細胞或者是微結構，本實施例為微透鏡陣列。接下來，進行步驟34，使該測物光場903被該物鏡22所接收，該待側物90位於該物鏡22之焦距上。接著進行步驟35，提供一影像擷取模組24 與該物鏡22耦接，用以產生對應圖3A之光梯度分佈的第一光學影像，如圖5左側圖所示。
接著進行步驟36，判斷是否已經取得兩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201的光強度梯度，進而產生不同軸向光強度分佈的偵測光場。例如：在本步驟中，使運算處理單元25控制該光強度調制模組201，產生如圖3B所示之偵測光場901。之後再回到步驟33，並重複進行步驟至35以取得對應如圖3B所示之偵測光場901的第二光學影像，如圖5右側圖所示。要說明的是，取得對應不同軸向的光學影像張數係根據演算需求而定，一張(僅圖3A或3B)也是可以進行後續演算，差別在於相位資訊的準確度而已。
取得到兩張分別對應兩軸向梯度漸增與減弱的第一與第二光學影像之後，接著進行步驟38，使該運算處理單元25進行運算處理分析，包括了顏色分離與校正處理，要說明的是顏色分離與色彩校正係可利用習用之技術為之，用以產生對應圖4A~4D的光學影像，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。在本步驟中主要是將第一光學影像分成第一子光學影像與第二子光學影像，亦即分別對應圖4A與圖4B之光強梯度分佈的光學影像，而第二光學影像則被分成第三子光學影像與第四子光學影像，亦即對應圖4A與圖4B之光強梯度分佈的光學影像。
在一顏色分離與校正處理的實施例中，由於第一與第二光學影像通過紅色，綠色和藍色通道將原始白光過濾成三個分離的紅色(R)色譜、綠色(G)色譜和藍色(B)色譜。並且每個顏色通道將攜帶不同的圖像信息。然而，由光強度調制模組201(TFT屏蔽)產生的色譜可能不完全匹配彩色影像擷取模組24(例 如：彩色相機)的光譜響應。由於顏色洩漏現象，光強度調制模組201(TFT屏蔽)的每一個顏色通道的光強度對其餘相鄰顏色通道產生影響。來自不同顏色通道的顏色洩漏嚴重降低了重建的圖像質量。由影像擷取模組24收集的RGB光強度可以如下式(1)配製。
其中是影像擷取模組24光的強度，而是光強度調制模組201(TFT屏蔽)的光強度，g代表每一種顏色RGB，光譜由影像擷取模組24的紅色R，綠色G以及藍色B通道，和TFT屏蔽之紅色R，綠色G以及藍色B通道來決定。T是3×3傳遞矩陣，如下面的等式(2)所示，其將原始光譜的強度傳遞到由影像擷取模組24接收的強度。
在方程式(2)中，代表從光強度調制模組201(亦即TFT屏蔽)的各顏色(RGB)通道υ洩漏到影像擷取模組24的各顏色通道w的洩漏比，其中。可以通過實驗測量獲得。為了在光通過影像擷取模組24濾光器之前恢復原始圖像，將T的逆矩陣與從影像擷取模組24接收的強度相乘。
通過洩漏校正，將顯著改善重建圖像的質量。因為每個彩色攝像機都有不同的光譜響應，T和T-1會因不同的彩色影像擷取模組24而不同。因此，每個系統必須測量矩陣T一次以進行顏色洩漏校正。
在一實施例中，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：首先進行步驟370，由第一與第二子光學影像(例如：對應圖4A與圖4B)上，對應每一偵測位置的光強度計算出第一相位對比影像IDPC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，代表第一軸向，r(x,y)則代表每一個偵測位置(x,y)，IDPC如下式(1)所示。
I DPC =(I 1-I 2)/(I 1+I 2).....(1)在本步驟中，式(1)中的I1為第一子光學影像中對應每一個偵測位置個光強度值，I2為第二子光學影像中對應每一偵測位置的光強度值。
接著進行步驟371，由第三與第四子光學影像(例如圖4C與圖4D所對應的光學影像)上，對應每一偵測位置的光強度計算出第二相位對比影像IDPC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，代表第二軸Y，r(x,y)則代表每一個偵測位置(x,y)，IDPC值則以上式(1)進行演算。在本步驟中，式(1)中的I1為第三子光學影像中對應每一個偵測位置個光強度值，I2為第四子光學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HDPC,i,i=1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HDPC,i,i=2內積的總合，其中HDPC,i如下式(2)所示，而步驟372的總合則如下式(3)所示。
其中H p,1(u)以及H p,2(u)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：S(u)=m(u)circ(u/ρ c )....(4)其中，u=(ux,uy)係定義為空間頻率座標(spatial frequency cocrdinates)，m(u)則為光強度調制模組21所產生的遮罩的對應函數。ρ c=NA condenser /λ，其中NA condenser 代表聚光透鏡22的數值孔徑值，λ是入射光場的操作波長，而circ(ξ)被定義為如下式(5)所示：
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6B中，第一圖代表水平軸的相位轉換函數影像(對應圖4C與圖4D的轉換函數)、第二圖代表垂直軸的相位轉換函數影像(對應圖4A與圖4B的轉換函數)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，具有等向性如同甜甜圈(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。
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α×，▽⊥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β×W(u)2。其中，代表縮放函數(scaling function)用以抑制低頻雜訊，σ w 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。
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。
有別於傳統如下式(8)所示的解析方式，在方程式(9)中，HDPC,i代表轉換函數，而IDPC,i(r)則代表每一軸向的相位對比影像，代表傅立葉轉換演算。
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。得到每一個位置的相位資訊之後，即可以根據該相位資訊還原出相應的深度資訊。相位與深度資訊之關係係為本領域技術之人所熟知的技術，在此不作贅述。
前述的實施例是利用具有強度梯度分佈的色光組合，來進行待測物偵測，進而進行相位還原演算。除了前述的方式之外，在另一實施例中，可以透過光學系統產生光振幅梯度變化的至少一調制圖案來產生白光或單一色光投射至待測物。如圖8所示，該圖係為本發明之具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統另一實施例示意圖。該系統與圖2A相似，包括有光源模組20b、聚光透鏡21、物鏡22以及影像擷取模組24。該光源模組20b包括有光源200a以及光強度調制模組201，該光源200a為寬頻可見光源，如白光光源，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201，設置於該光源200a之一側，其係根據控制訊號產生具有可以調制入射光場900光強度梯度分佈的調制圖案。本實施例的架構中，與前述架構的差異在於，本實施例利用光強度調制模組201，產生沿著徑向具有光振幅梯度變化的至少一調制圖案來調制該入射光場900，使該入射光場900形成一偵測光場901a。此偵測光場901a與前述的偵測光場901差異在於前述的偵測光場901是由光強度調制模組201控制對應不同濾波片(RGB)的液晶轉向程度而形成複數個色光所構成，因此偵測光場901的光譜和入射光場901的光譜已經在不同濾波片(RGB)的液晶轉向下而相異，因而形成各種色光組合的偵測光場901。而在圖8實施例中的偵測光場901a和入射光場900的光譜則相同，因此，如果光源200a所產生白光光場，則偵測光場901a也是白光，同樣地，如果光源200所產生的是單一色光，則偵測光場901a也是該單一色光。
要說明的是，本實施例中的該至少一調制圖案包括有以至少一軸向為對稱軸之第一光振幅梯度變化調制圖案與第二光振幅梯度變化調制圖案。每一調制圖案包括有以至少一軸向為對稱軸之第一光振幅梯度變化調制圖案與第二光振幅梯度變化調制圖案。在一實施例中，如在圖9A~9F所示，其係為光強度調制模組所產生之不同之調制圖案示意圖。該徑向具有光振幅梯度變化的方式係以該入射光場之光軸為中心以一特定長度為半徑沿該光強度調制模組之徑向產生具有該光振幅梯度變化的該調制圖案。如圖9A所示，該入射光場之光軸C為該調制圖案中心，特定長度R作為半徑，沿著徑向W進行光振幅梯度變化的調制，而該軸向A1則為和水平軸具有夾角的方向。在圖9A中，以該軸向A1為界，右半部的梯度變化為逆時針方向越來越強，左半部的梯度變化為逆時針方向越來越弱。如圖9B所示，其軸向A1與圖9A相同，差異的是光振幅梯度變化的調制方向與圖9A相反。如圖9C與圖9D所示，基本上與圖9A與圖9B類似，差異在於其軸向A2在水平方向。在圖9C中，以該軸向A2為界，上半部的梯度變化為逆時針方向越來越弱，下半部的梯度變化為逆時針方向越來越強，而圖9D的梯度變化則和圖9C相反。如圖9E與圖9F所示，基本上與圖9A與圖9B類似，差異在於軸向A3。在圖9E中，以該軸向A3為界，右半部的梯度變化為逆時針方向越來越強，左半部的梯度變化為逆時針方向越來越弱，而圖9F的梯度變化則和圖9E相反。
再回到圖8所示，該聚光透鏡21，設置於該光強度調制模組201之一側，使得該光強度調制模組201位於該聚光透鏡21之傅立葉平面上，該聚光透鏡21用以接收該偵測光場901a，並產生一離軸光場902投射至一待測物90上，進而產生一測物光場903。該物鏡22，設置於該聚光透鏡21之一側，使該待側物90 位於該物鏡22之焦距上，該物鏡22接收該測物光場903。該影像擷取模組24，與該物鏡22耦接，用以接收該測物光場903，而產生相應該光振幅梯度變化的一光學影像。搭配圖9A~圖9F所示，當該光強度調制模組201被該運算處理單元25以控制訊號調制成圖9A的圖案之後，影像擷取模組24產生相應的影像。接著，該運算處理單元25依序控制該光強度調制模組201調制出圖9B~圖9F的調制圖案，使得影像擷取模組24擷取相應的光學影像。
該運算處理單元25擷取到6張相應於圖9A~圖9F的光學影像之後，將相應於圖9A與圖9B之調制圖案的光學影像為一組，將相應於圖9C與圖9D之調制圖案的光學影像為一組，相應於圖9E與圖9F之調制圖案的光學影像為一組，進行差分相位對比演算，其演算法則如前述式(1)~(7)所示。
請參閱圖10所示，該圖為利用本發明之光振幅梯度變化調制圖案與習用技術之半圓形調制圖案結果比較示意圖。其中，圖10(a-d)是習用半圓之調制圖案在不同的軸向的相位轉換函數模擬影像，圖10(e-f)分別代表使用習用兩軸(i=1,2)以及三軸(i=2,3,4)的相位轉換函數強度之模擬影像。圖10(g-j)是本發明具有圓形徑向梯度變化之調制圖案在不同的軸向的相位轉換函數模擬影像，圖10(k-1)分別代表使用本發明之兩軸(i=1,2)以及三軸(i=2,3,4)的相位轉換函數強度之模擬影像。圖10(m)則為圖10(e)和圖10(1)相位轉換函數之相減之結果。圖10(n)則為圖10(f)和圖10(l)相位轉換函數之相減之結果。從圖10(e-f)與圖10(m-n)的相位轉換函數強度影像可以看出，在圖10(e-f)中，不管雙軸或三軸其轉換函數的強度呈現非等相性的結果。要說明的是，習用技術中如果要呈現等向性的轉換函數強度影像，需要多達12軸(如圖1C所示)，耗時費功。而本發明所呈現的轉換函數的強度，如圖10(m-n)所示，則呈現出在局部同調照明的下，具有等 向性如同甜甜圈(donut)均勻分佈的轉換函數影像，而且只需要兩軸或三軸，相較於先前技術而言，軸向的數量大幅降低，增加檢測上的效率。
請參閱圖11所示，其係為利用圖8之光學系統對微球粒(microspheres)進行表面形貌量測的結果示意圖。圖11(a)係為複數個微球粒的影像，以其中一微球粒(小方框)所框的白色圓形影像，而大方框則為其放大的影像，大方框中的虛線代表截面線。而圖11(b)則為虛線所對應的球體位置的相位差資訊分佈。水平軸為虛線中微球粒的水平位置，垂直軸則為相位差。根據實際量測的結果，我們量測出來的相位差在6.0rad，和預估的相位差值6.25只差4%，這應該是每一個微球粒本身尺寸的誤差以及球粒周邊容易折射效果的影響所造成。由此可以證明本發明的方式確實可以量測出待測物的表面關於深度的相位資訊，進而有助於表面形貌重建。此外也可以看出利用三軸的差分相位對比演算會比一軸的差分相位對比演算來的更準確。
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。

Claims (10)

  1. 一種具等向性轉換函數之量化差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，用以根據一控制訊號產生沿著徑向具有光振幅梯度變化的至少一調制圖案來調制該入射光場，使該入射光場形成一偵測光場；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，設置於該聚光透鏡相對該光強度調制模組之另一側，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，而產生相應該光振幅梯度變化的一光學影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具等向性轉換函數之量化差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，或簡稱TFT屏蔽)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。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具等向性轉換函數之量化差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比值為介於部分同調照明之範圍。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統，其係更包括有一運算處理單元，用以產生該控制訊號使該光強度調制模組產生沿徑向具有光振幅梯度變化的至少一調制圖案，其中該至少一調制圖案包括有以至少一軸向為對稱軸之第一光振幅梯度變化調制圖案與第二光振幅梯度變化調制圖案，該運算處理單元對該影像擷取模組所擷取之相應於該第一光振幅梯度變化調制圖案與該第二光振幅梯度變化調制圖案的第一光學影像與第二光學影像進行一差分相位對比演算，進而重建該待測物之表面深度資訊。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統，其中該光強度調制模組產生該徑向具有光振幅梯度變化的方式係以該入射光場之光軸為中心以一特定長度為半徑沿該光強度調制模組之徑向產生具有該光振幅梯度變化的該調制圖案。
  6. 一種具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統，包括有：一光源模組，用以產生具有複數道色光所構成的偵測光場，該複數道色光中具有一第一色光以及一第二色光，該第一色光係為沿一第一軸向朝向一第一方向具有一強度漸增之梯度分佈的色光，該第二色光係為沿該第一軸向朝向與該第一方向相反之第二方向具有一強度漸增之梯度分佈的色光；一聚光透鏡，設置於該光源模組之一側，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；一影像擷取模組，與該物鏡耦接，用以接收該測物光場，而產生相應該第一色光與該第二色光的一第一彩色影像與一第二彩色影像；以及一運算處理單元，用以對該第一彩色影像以及該第二彩色影像進行進行一差分相位對比演算，進而重建該待測物之表面深度資訊。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統，其係更透過一控制訊號使該光源模組改變該第一軸向之方向以形成一第二軸向，進而使該第一色光係為沿該第二軸向朝向一第三方向具有一強度漸增之梯度分佈的色光，該第二色光係為沿該第二軸向朝向與該第三方向相反之第四方向具有一強度漸增之梯度分佈的色光。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之具等向性轉換函數之量化差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比值為介於部分同調照明之範圍。
  9. 申請專利範圍第6項所述之具等向性轉換函數之量化差分相位對比顯微系統，其中該光源模組為發光二極體陣列，或者是該光源模組包括有一寬頻光源以及一光強度調制模組，該光強度調制模組位於該聚光透鏡之傅立葉平面上，用以接收該寬頻光源產生之一寬頻光，將其調制成該第一色光與該第二色光。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具等向性轉換函數之量化差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。
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