TWI805038B - 全像式顯微鏡及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一種全像式顯微鏡，用以觀察待測樣品。全像式顯微鏡包括光源、分光元件、偏振元件、相位調製元件、合光元件以及感光元件。光源用以提供照明光束。照明光束傳遞通過分光元件以形成第一光束以及第二光束，且待測樣品配置於第一光束的傳遞路徑上。偏振元件配置於第一光束或第二光束的傳遞路徑上。相位調製元件配置於第一光束或第二光束的傳遞路徑上。合光元件配置於第一光束及第二光束的傳遞路徑上，第一光束及第二光束傳遞至合光元件以形成干涉光束。感光元件配置於干涉光束的傳遞路徑上，用以接收干涉光束以產生光學信號。

Description

全像式顯微鏡及其使用方法
本發明是有關於一種全像式顯微鏡。
一般而言，傳統全像式顯微鏡多採用機械式方法改變光學系統中參考光或量測光之光程差，進而調整干涉條紋，以解出待測物光程、深度等資訊。然而，使用機械式方法的動件調製，容易對系統與待測物產生震動雜訊，進而降低顯示品質。因此，如升良好的光學品質，是本領域所致力於行的。
本發明提供一種全像式顯微鏡及其使用方法，可不需配置其他動件而調整樣品光束與參考光束的相位差，進而透過高精準度的光學系統及演算獲得良好的顯示效果。
本發明提供一種全像式顯微鏡，用以觀察待測樣品。全像式顯微鏡包括光源、分光元件、偏振元件、相位調製元件、合光元件以及感光元件。光源用以提供照明光束。分光元件配置於照明光束的傳遞路徑上。照明光束傳遞通過分光元件以形成第一光束以及第二光束，且待測樣品配置於第一光束的傳遞路徑上。偏振元件配置於第一光束或第二光束的傳遞路徑上，接收來自分光元件的第一光束或第二光束。相位調製元件配置於第一光束或第二光束的傳遞路徑上。合光元件配置於第一光束及第二光束的傳遞路徑上，第一光束及第二光束傳遞至合光元件以形成干涉光束。感光元件配置於干涉光束的傳遞路徑上，用以接收干涉光束以產生光學信號。
本發明另提供一種全像式顯微鏡的使用方法，用以觀察待測樣品。全像式顯微鏡包括光源、分光元件、偏振元件、相位調製元件、合光元件以及感光元件。全像式顯微鏡的使用方法包括：提供照明光束至分光元件以形成第一光束以及第二光束的方法；傳遞第一光束及第二光束的其中一者通過偏振元件的方法；傳遞第一光束及第二光束的其中一者通過相位調製元件的方法；傳遞第一光束通過待測樣品的方法；傳遞第一光束及第二光束至合光元件以形成干涉光束的方法；以及傳遞干涉光束至感光元件以產生光學信號的方法。
基於上述，在本發明的全像式顯微鏡中，光源提供照明光束至分光元件以產生第一光束以及第二光束，進而傳遞通過待測樣品以在合光元件後產生干涉光束，透過感光元件感測並進行後續演算以得出顯示畫面。其中，光學系統中配置有偏振元件，以與分光元件配搭而達到光強度較強的光學效果。光學系統中另配置有相位調製元件，用以優化傳統架構中的不穩定因素。如此一來，可不需配置其他動件而調整樣品光束與參考光束的相位差，進而透過高精準度的光學系統及演算獲得良好的顯示效果。
為讓本發明的上述特點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為本發明一實施例的全像式顯微鏡的示意圖。請參考圖1。本實施例提供一種全像式顯微鏡100，用以電性連接至運算裝置（例如是電腦）以觀察待測樣品50，進而顯示出待測樣品50的平面顯示圖及立體顯示圖。待測樣品50例如是生物細胞等微小物體，或是浸泡在培養液體的活體細胞，但本發明並不限於此。全像式顯微鏡100包括光源110、分光元件120、偏振元件130、相位調製元件140、合光元件150以及感光元件160。
光源110用以提供照明光束L0，分光元件120則配置於照明光束L0的傳遞路徑上。照明光束L0傳遞通過分光元件120以形成第一光束L1以及第二光束L2，而待測樣品50配置於第一光束L1的傳遞路徑上。在本實施例中，光源110為雷射裝置，故照明光束L0為具有高同調性的雷射光束。分光元件120則為偏振分光稜鏡（polarization beam splitter，PBS），用以將不同方向線偏振狀態分光。換句話說，在本實施例中，照明光束L0包括正交的第一偏振狀態光及第二偏振狀態光（例如是P偏振及S偏振），且第一光束L1與第二光束L2的偏振狀態不同。此外，在本實施例中，全像式顯微鏡100還包括濾波元件200，配置於照明光束L0的傳遞路徑上，位於光源110與分光元件120之間。濾波元件200例如是空間濾波器（spatial filter），用以擴大雷射光束並且達到空間光場濾波的效果。
偏振元件130配置於第一光束L1或第二光束L2的傳遞路徑上，用以接收來自分光元件120的第一光束L1或第二光束L2。舉例而言，在本實施例中，偏振元件130配置於第一光束L1的傳遞路徑上，接收來自分光元件120的第一光束L1，即配置於待測樣品50所在的光傳遞路徑上，但本發明並不限於此。偏振元件130例如是半波片，用以與偏振分光稜鏡的分光元件120搭配，進而可使通過的第一光束L1的偏振狀態轉化為與第二光束L2相同的偏振狀態，以利後續進行光學干涉。
相位調製元件140配置於第一光束L1或第二光束L2的傳遞路徑上。舉例而言，在本實施例中，相位調製元件140配置於第二光束L2的傳遞路徑上，即配置於參考光傳遞路徑上，但本發明並不限於此。相位調製元件140例如是為液晶相位調製器，用以調整傳遞通過的光束相位。因此，本實施例不需額外配置動件元件以調整兩光束的光程差，可減少系統振動，進而提升光學品質。
合光元件150配置於第一光束L1及第二光束L2的傳遞路徑上，且第一光束L1及第二光束L2傳遞至合光元件150以形成干涉光束L3。合光元件150為分光鏡，例如是用以反射第一光束L1以及讓第二光束L2通過以合成為干涉光束L3。具體而言，在本實施例中，第一光束L1由分光元件120依續傳遞通過偏振元件130以及待測樣品50以傳遞至合光元件150，而第二光束L2由分光元件120傳遞通過相位調製元件140以傳遞至合光元件150。
在不同的實施例中，全像式顯微鏡100可配置多個反射元件105，例如是反射鏡，用以導引光束或調整光路方向。舉例而言，在本實施例中，多個反射元件105可分別配置於濾波元件200與分光元件120之間，偏振元件130與待測樣品50之間，以及分光元件120與相位調製元件140之間。然而，本發明並不限制其種類、數量或配置位置。
值得一提的是，在本實施例中，全像式顯微鏡100還包括第一物鏡182以及第二物鏡184。第一物鏡182配置於第一光束L1的傳遞路徑上，且位於待測樣品50與合光元件150之間。第二物鏡184則配置於第二光束L2的傳遞路徑上，且位於相位調製元件140與合光元件150之間。其中，第一物鏡182的光學規格相同於第二物鏡184的光學規格，即相同的顯微物鏡。光學規格例如為放大倍率（magnification, M）、數值孔徑（numerical aperture, NA）與工作距離（working distance）等等。此外，在本實施例中，第一物鏡182連接於合光元件150，第二物鏡184連接於合光元件150，且第一物鏡182與第二物鏡184連接至合光元件150的不同側。如此一來，在第一光束L1及第二光束L2分別配置相同光學規格的第一物鏡182以及第二物鏡184的雙物鏡架構可達到互相補償，降低單一物鏡本身的相差等光學瑕疵，優化傳統技術的不穩定性。
圖2為圖1的全像式顯微鏡的部份放大示意圖。請參考圖1及圖2。另一方面，在本實施例中，全像式顯微鏡100還包括透鏡模組190，配置於干涉光束L3的傳遞路徑上，且位於合光元件150與感光元件160之間。透鏡模組190為鏡筒透鏡（tube lens）。因此，藉由第一物鏡182、第二物鏡184分別與透鏡模組190的搭配使用，可使全像式顯微鏡100達到降低光學像差以及增加視場角（field of view，FOV）（如圖2所顯示）的效果。
圖3為圖1的全像式顯微鏡所產生的影像信號示意圖。請參考圖1及圖3。感光元件160配置於干涉光束L3的傳遞路徑上，用以接收干涉光束L3以產生光學信號。感光元件160例如是電荷耦合元件（Charge coupled device，CCD）或互補式金氧半電晶體（Complementary metal oxide semiconductor transistors，CMOS），本發明並不限於此。干涉光束L3由合光元件150依續傳遞至透鏡模組190以及感光元件160，進而產生光學信號供運算裝置使用。在一些實施例中，運算裝置可內建於全像式顯微鏡100中，本發明並不限於此。最終，運算裝置透過運算得出待測樣品50的影像畫面。如此一來，可不需配置其他動件而調整樣品光束與參考光束的相位差，進而透過高精準度的光學系統及演算獲得良好的顯示效果。圖3可顯示全像式顯微鏡所產生的影像信號，可有效獲得細胞厚度，有利於取得更多關於待測物活性狀態等資訊。
舉例而言，在本實施例中，透過對干涉光束L3的量測，可利用相移法（phase-shifting algorithm，PSA）對所測量到的干涉光束L3進行推算，進而獲得第一光束L1及第二光束L2的相位差。在本實施例中，上述的相移法可為三步相移法、四步相移法或五步相移法。其中，所謂三步相移法為使用相位調製元件140分別調整兩光束相位差至0、2π/3、4π/3並各拍攝一張影像並由演算法解出各點相位。四步相移法為使用相位調製元件140分別調整兩光束相位差至0、π/2、π、3π/2並各拍攝一張影像並由演算法解出各點相位。而五步相移法則為使用相位調製元件140分別調整兩光束相位差至0、π/2、π、3π/2、2π並各拍攝一張影像並由演算法解出各點相位。在不同的實施例中，使用較多步的相移法可獲得較精準的感測結果，而使用較少步的相移法可節省時間並降低不穩定性因素。因此，本實施例的全像式顯微鏡100可依據不同的需求而使用不同的相移法進行演算，本發明並不限於此。
圖4為本發明另一實施例的全像式顯微鏡的示意圖。請參考圖4。本實施例所顯示的全像式顯微鏡100A類似於圖1所顯示的全像式顯微鏡100。兩者不同之處在於，在本實施例中，相位調製元件140配置於第一光束L1的傳遞路徑上，且位於偏振元件130與待測樣品50之間。如此一來，可不需配置其他動件而調整樣品光束與參考光束的相位差，進而透過高精準度的光學系統及演算獲得良好的顯示效果。
圖5為本發明另一實施例的全像式顯微鏡的示意圖。請參考圖5。本實施例所顯示的全像式顯微鏡100B類似於圖1所顯示的全像式顯微鏡100。兩者不同之處在於，在本實施例中，偏振元件130配置於第二光束L2的傳遞路徑上，相位調製元件140配置於第一光束L1的傳遞路徑上，且待測樣品50位於相位調製元件140與合光元件150之間。如此一來，可不需配置其他動件而調整樣品光束與參考光束的相位差，進而透過高精準度的光學系統及演算獲得良好的顯示效果。
圖6為本發明另一實施例的全像式顯微鏡的示意圖。請參考圖6。本實施例所顯示的全像式顯微鏡100C類似於圖1所顯示的全像式顯微鏡100。兩者不同之處在於，在本實施例中，偏振元件130與相位調製元件140皆配置於第二光束L2的傳遞路徑上。如此一來，可不需配置其他動件而調整樣品光束與參考光束的相位差，進而透過高精準度的光學系統及演算獲得良好的顯示效果。
圖7為本發明一實施例的全像式顯微鏡的使用步驟流程圖。請參考圖1及圖7。本實施例的全像式顯微鏡的使用步驟流程圖至少可應用於圖1所顯示的全像式顯微鏡100，故以下以圖1的全像式顯微鏡100說明為例，但本發明並不以此為限。在本實施例的全像式顯微鏡100的使用方法中，首先，執行步驟S300，提供照明光束L0至分光元件120以形成第一光束L1以及第二光束L2。具體而言，配置光源110以提供出照明光束L0至分光元件120，而第一光束L1的傳遞路徑與第二光束L2的傳遞路徑不同。
接著，在上述步驟之後，執行步驟S301，傳遞第一光束L1及第二光束L2的其中一者通過偏振元件130。舉例而言，在本實施例中，偏振元件130配置於第一光束L1的傳遞路徑上，故在此步驟中，傳遞第一光束L1通過偏振元件130，但本發明並不限於此。接著，在上述步驟之後，執行步驟S302，傳遞第一光束L1及第二光束L2的其中一者通過相位調製元件140。舉例而言，在本實施例中，相位調製元件140配置於第二光束L2的傳遞路徑上，故在此步驟中，傳遞第二光束L2通過相位調製元件140，但本發明並不限於此。
接著，在上述步驟之後，執行步驟S303，傳遞第一光束L1通過待測樣品50。具體而言，配置待測樣品50在第一光束L1的傳遞路徑上以讓第一光束L1傳遞通過。接著，在上述步驟之後，執行步驟S304，傳遞第一光束L1及第二光束L2至合光元件150以形成干涉光束L3。換句話說，第一光束L1及第二光束L2藉由合光元件150合成而產生干涉。最後，在上述步驟之後，執行步驟S305，傳遞干涉光束L3至感光元件160以產生光學信號。如此一來，可不需配置其他動件而調整樣品光束與參考光束的相位差，進而透過高精準度的光學系統及演算獲得良好的顯示效果。本實施例的全像式顯微鏡100的使用方法，可有效獲得細胞厚度，有利於取得更多關於待測物活性狀態等資訊。
綜上所述，在本發明實施例中的全像式顯微鏡中，光源提供照明光束至分光元件以產生第一光束以及第二光束，進而傳遞通過待測樣品以在合光元件後產生干涉光束，透過感光元件感測並進行後續演算以得出顯示畫面。其中，光學系統中配置有偏振元件，以與分光元件配搭而達到光強度較強的光學效果。光學系統中另配置有相位調製元件，用以優化傳統架構中的不穩定因素。如此一來，可不需配置其他動件而調整樣品光束與參考光束的相位差，進而透過高精準度的光學系統及演算獲得良好的顯示效果。本發明實施例中的全像式顯微鏡所產生的影像信號，可有效獲得細胞厚度，有利於取得更多關於待測物活性狀態等資訊。
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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
50:待測樣品 100,100A,100B,100C:全像式顯微鏡 105:反射元件 110:光源 120:分光元件 130:偏振元件 140:相位調製元件 150:合光元件 160:感光元件 182:第一物鏡 184:第二物鏡 190:透鏡模組 200:濾波元件 L0:照明光束 L1:第一光束 L2:第二光束 L3:干涉光束 S300~S305:步驟
圖1為本發明一實施例的全像式顯微鏡的示意圖。 圖2為圖1的全像式顯微鏡的部份放大示意圖。 圖3為圖1的全像式顯微鏡所產生的影像信號示意圖。 圖4為本發明另一實施例的全像式顯微鏡的示意圖。 圖5為本發明另一實施例的全像式顯微鏡的示意圖。 圖6為本發明另一實施例的全像式顯微鏡的示意圖。 圖7為本發明一實施例的全像式顯微鏡的使用步驟流程圖。
50:待測樣品 100:全像式顯微鏡 110:光源 120:分光元件 130:偏振元件 140:相位調製元件 150:合光元件 160:感光元件 182:第一物鏡 184:第二物鏡 190:透鏡模組 200:濾波元件 L0:照明光束 L1:第一光束 L2:第二光束 L3:干涉光束

Claims (15)

  1. 一種全像式顯微鏡，用以觀察待測樣品，包括：光源，用以提供照明光束；分光元件，配置於所述照明光束的傳遞路徑上，所述照明光束傳遞通過所述分光元件以形成第一光束以及第二光束，且所述待測樣品配置於所述第一光束的傳遞路徑上，所述分光元件為偏振分光稜鏡；以及偏振元件，配置於所述第一光束或所述第二光束的傳遞路徑上，接收來自所述分光元件的所述第一光束或所述第二光束；相位調製元件，配置於所述第一光束或所述第二光束的傳遞路徑上，所述相位調製元件為液晶相位調製器；合光元件，配置於所述第一光束及所述第二光束的傳遞路徑上，所述第一光束及所述第二光束傳遞至所述合光元件以形成干涉光束；以及感光元件，配置於所述干涉光束的傳遞路徑上，用以接收所述干涉光束以產生光學信號。
  2. 如請求項1所述的全像式顯微鏡，還包括：第一物鏡，配置於所述第一光束的傳遞路徑上，所述第一物鏡位於所述待測樣品與所述合光元件之間；以及第二物鏡，配置於所述第二光束的傳遞路徑上，其中所述第一物鏡的光學規格相同於所述第二物鏡的光學規格。
  3. 如請求項2所述的全像式顯微鏡，其中所述第一物鏡連接於所述合光元件，所述第二物鏡連接於所述合光元件，且所述第一物鏡與所述第二物鏡連接至所述合光元件的不同側。
  4. 如請求項1所述的全像式顯微鏡，其中所述偏振元件為半波片，且所述合光元件為分光鏡。
  5. 如請求項1所述的全像式顯微鏡，還包括：透鏡模組，配置於所述干涉光束的傳遞路徑上，且位於所述合光元件與所述感光元件之間。
  6. 如請求項1所述的全像式顯微鏡，其中所述偏振元件配置於所述第一光束與所述第二光束其中之一的傳遞路徑上，且所述相位調製元件配置於所述第一光束與所述第二光束其中另一的傳遞路徑上。
  7. 如請求項1所述的全像式顯微鏡，其中所述相位調製元件位於所述偏振元件與所述待測樣品之間。
  8. 如請求項1所述的全像式顯微鏡，其中所述偏振元件及所述相位調製元件皆配置於所述第一光束或所述第二光束的傳遞路徑上。
  9. 如請求項8所述的全像式顯微鏡，其中所述相位調製元件位於所述偏振元件與所述待測樣品之間。
  10. 如請求項1所述的全像式顯微鏡，其中所述光源為雷射裝置。
  11. 如請求項10所述的全像式顯微鏡，還包括： 濾波元件，配置於所述照明光束的傳遞路徑上，位於所述光源與所述分光元件之間。
  12. 一種全像式顯微鏡的使用方法，用以觀察待測樣品，所述全像式顯微鏡包括光源、分光元件、偏振元件、相位調製元件、合光元件以及感光元件，所述全像式顯微鏡的使用方法包括：提供照明光束至所述分光元件以形成第一光束以及第二光束；傳遞所述第一光束及所述第二光束的其中一者通過所述偏振元件；傳遞所述第一光束及所述第二光束的其中一者通過所述相位調製元件；傳遞所述第一光束通過所述待測樣品；傳遞所述第一光束及所述第二光束至所述合光元件以形成干涉光束；以及傳遞所述干涉光束至所述感光元件以產生光學信號，其中所述分光元件為偏振分光稜鏡，且所述相位調製元件為液晶相位調製器。
  13. 如請求項12所述的全像式顯微鏡的使用方法，其中所述全像式顯微鏡還包括第一物鏡以及第二物鏡，所述全像式顯微鏡的使用方法還包括：傳遞所述第一光束通過所述第一物鏡；以及 傳遞所述第二光束通過所述第二物鏡，其中所述第一物鏡的光學規格相同於所述第二物鏡的光學規格。
  14. 如請求項12所述的全像式顯微鏡的使用方法，其中所述的全像式顯微鏡還包括透鏡模組，所述全像式顯微鏡的使用方法還包括：傳遞所述干涉光束通過所述透鏡模組。
  15. 如請求項12所述的全像式顯微鏡的使用方法，其中所述的全像式顯微鏡還包括濾波元件，所述全像式顯微鏡的使用方法還包括：傳遞所述照明光束通過所述濾波元件。
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