字級:
小字級
中字級
大字級

提供光學解決方案的專家 創意實現夢工廠—台灣儀器科技研究中心

我們從一出生張開眼睛,看到的世界就是藉由光產生影像建構而成。眼睛就是一種光學系統,光影增加了我們生活上許多的美感,而日常生活中我們也透過操控光線,開發出各類光學儀器與科技產品,來打造我們的通訊器具、工作方式,例如行動電話、光纖網路、乃至於擴增實境 (augmented reality, AR);現代醫療保健可利用光學儀器實現非侵入式成像檢視、或雷射手術,以及更精準的醫療診斷;在實驗研究、工廠製造上,光可進行加工檢測、自動化定位等。人類以無數方式使用光學儀器或系統,運用光學、改變世界,使生活更加安全、健康。

文 / 國研院儀科中心助理工程師林麗娥

善於整合光機電,借光使光的儀器專家


一般大眾所熟知的顯微鏡,正確的名稱應該是「光學顯微鏡 (optical microscope)」,是利用光學原理,由透鏡放大物像送到眼睛或成像儀器,可以看到細胞大小的光學儀器,放大倍率和解析度 (聚焦) 為顯微鏡重要因素。它的出現為人類探索生命和世界帶來了非常大的幫助,是研究生命科學的利器。

在台灣提到「光學系統」,就讓我們聯想到客製化光電儀器重鎮,隸屬國家實驗研究院的台灣儀器科技研究中心 (儀科中心)1970 年代台灣缺乏外匯存底,在經濟不富裕的情況下,難以採購國外的尖端科學儀器,因此國家政策性任務交付儀科中心負責國內自主開發光學顯微鏡。1976 年首批國人自製光學顯微鏡,研製成功。1982 年將「六百倍顯微鏡」技轉給台灣廠商,這是儀科中心第一件技術移轉案,光學顯微鏡也成為儀科中心極具象徵性的代表物之一。



70年代小學生使用的600倍光學顯微鏡為儀科中心所研製的


經過四十年的磨礪與深耕技術能量,突破大口徑非球面鏡技術瓶頸,將光機研發能量從顯微鏡技術躍升到福衛五號光學遙測酬載,並加值應用於半導體產業、航太檢測、汽車產業、智慧機械產業、醫療器材、智慧農業以及環境保育等,上天下海,深入民生,服務夥伴橫跨理、工、醫、農各領域。儀科中心提供光學系統的全方位服務方案 (Total Solution Service for Optics),從一沙一世界到浩瀚天宇的大千世界,為科學發現敞開了偉大的航道。


客製化開發鼠腦研究所需之大口徑高解析光學顯微鏡頭


儀科中心以逾 45 年的光學及真空技術研發能量,協助中央研究院「建構腦部高解析 3D 影像」研究團隊客製化開發「晶格層光顯微鏡」所需之大口徑高解析光學顯微鏡頭。該大口徑鏡頭具備大範圍成像視野 (直徑 22 mm) 與高空間解析度 (1 mm) 的特性,拍攝一次即可取得一層完整鼠腦範圍的高解析影像,改善一般顯微物鏡成像範圍過於狹窄及影像拼接的問題,大幅提高取像與研究的效能。可應用於高解析的大視野取像,及腦部研究之 3D 影像建構,將有助於研究團隊未來進一步探索老鼠腦,揭密與蛋白質分布有關之機制,對解答部分人類腦部疾病做出貢獻。



▲儀科中心為中研院量身客製「應用於鼠腦研究之大口徑顯微物鏡」


非破壞性的動態觀測細胞,一直以來都是科學家所追求的,期望可以利用藉由觀測細胞隨時間的變動來看細微的變化。傳統光學顯微術能夠解析的最小距離,大約 250 奈米左右。而大腦神經突觸的大小約在 20 40 奈米之間,與腦部分子活動相關的神經結構尺度也在數十奈米。運用傳統的光學顯微術觀察大腦,即使可知大致的神經走向,也無法得知細微變化。

若想再觀察更細微,就必須藉由電子顯微鏡、原子力顯微鏡來實現。電子顯微鏡是利用觀測「電子」來顯示物體內結構、或表面樣貌;原子力顯微鏡則是利用原子間「凡得瓦力」的作用,來呈現物質表面樣貌。然而電子顯微鏡只能觀察經過冷凍切片處理的生物樣品,換言之,樣品是死的。同時非常費時費工,單一個果蠅腦就需花費 16 個月拍攝完成,再經過無數的工程師進行影像處理,不利於統計分析。原子力顯微鏡也是擁有奈米解析度的儀器,目前已發展到可觀察水中的活細胞。然而原子力顯微鏡只能觀察到樣品表面的形貌,無法看到細胞內部的構造。

後來有螢光顯微鏡的產生,利用汞燈與雷射來激發螢光分子,附著或接合在指定的生物分子上,由於這些特定的生物分子的分布,會與生物細胞內的結構有關,所以藉由觀察螢光的分布,我們就能了解生物細胞的微觀結構。但這些激發的能量,往往使螢光能顯現的時間非常短,激發光的能量也會對生物分子造成傷害,也就是所謂的「光毒性」。

為了觀察鼠腦、實踐活體生物分子的螢光顯微觀測,中央研究院應用科學研究中心陳壁彰副研究員,與團隊研發出「晶格層光顯微鏡」,將一個由儀科中心打造的特殊顯微物鏡,整合入實驗室既有的掃描式貝色層光顯微鏡 (Scanning Bessel Beam Light-sheet Microscope),建構出針對透明化樣品最佳化的超解析顯微鏡,讓光源只精準地照射到生物樣品中所要觀察的焦平面上,減少不必要的照明以減少光毒性,並應用日本東京大學 Yasuteru Urano 團隊開發的新型閃爍螢光染劑 HMSiR 標定腦內分子,讓每一個參與大腦記憶生成的分子,發出清晰且明亮的光訊號。

物鏡是顯微鏡結構中最為複雜的光學元件,是由若干個透鏡組合而成的一個透鏡組。組合使用的目的是為了克服單個透鏡的成像缺陷,提高物鏡的光學質量。顯微鏡的放大作用主要取決於物鏡,物鏡質量的好壞直接影響顯微鏡映射質量,它是決定顯微鏡的解析度和成像清晰程度的主要關鍵。


專業藏在細節裡,細節裡的光學薄膜


由於光線通過不同介質會產生不同的現象,當不同薄膜層之反射光互相產生破壞性干涉時,反射光就會被抵銷,如此就可達成抗反射的效果就可以增加穿透率,還能改善影像的清晰度。因此,我們通常會在光學元件、或是獨立基板 (substrate) 上製鍍單層或多層的透明金屬或氧化物薄膜,以改變光波傳遞的特性。

例如採用減反射膜後可使複雜的光學鏡頭的通光量損失減少;採用高反射比的反射鏡可提高雷射器的輸出功率;利用光學薄膜可提高矽光電池的效率和穩定性。

在真空環境下進行鍍膜,主要原因是在高真空狀態時,殘餘氣體很少,就如同一個潔淨室,薄膜材料的氣化原子或分子可以減少與周圍的環境粒子碰撞,可直線飛向基板的,這樣可以保持較大動能到達基板,氣化原子或分子即可以在基片上凝結成較牢固的膜層。影響鍍膜品質與功能的因素非常的多,也是一門需要高專業素養的技術人員才能完善掌控製程。

光學鍍膜是精密光學中常見的應用,是指在光學元件表面鍍上一層或多層薄膜的製造流程,目的是為了控制光的增加或減少反射、濾光、偏振等功能性需求。尤其雷射系統、高級檢測儀、生醫檢測儀及光纖通訊系統的精密元件都需高階的光學鍍膜。


創新知識仰賴創新儀器科技


人因夢想而偉大,因實踐夢想而不凡。當新的問題接踵出現時,要如何找到答案呢?這時候就需要創造新的儀器設備來實踐與驗證。

1901 年以來,在物理、化學、生理與醫學領域,有超過 23 屆的諾貝爾獎是以開創性儀器而獲獎肯定,並且以先進儀器設備取得的研究成果則超過 25 屆獲獎,讓我們深刻體認先進儀器設備的重要性。儀器的發展與科學保持著共生關係 (symbiotic relationship),決定了科學發展與社會進步,挑戰未來的無限可能。

儀科中心扮演國內創新研發所需的儀器科技研發平台,以核心技術創造卓越價值,近年積極推動儀器設備在地化的使命,2020 年協助產業開發建置全台首創線上全檢「太陽能板產線智慧即時回饋檢測設備」,在 1 分鐘內即可完成一片板材檢測,不但檢測效能提升 30 倍以上,並可即時分析研判結果,據以對製程進行調整,大幅提升生產效能和品質,良率提高至 99.2%,遠高於 75%~80% 的全球平均值;秉持著「醫生出題、儀科解題」的服務理念,協助醫學界開發多項生醫光電儀器,例如協同義守大學與義守醫院合作研發「生醫顯微影像光譜檢測系統」,整合顯微取像與高光譜模組,透過人工智慧學習,進行組織或病理試片分析,協助醫檢及研究人員進行攝護腺組織、子宮頸抹片、泌尿上皮細胞等初步組織或病理試片特徵分類。



協助產業開發建置全台首創線上全檢「太陽能板產線智慧即時回饋檢測設備」



儀科中心為台灣真空技術與光學技術的先驅,於所建立的相關技術領域基礎上,發展儀器基礎工程技術,根據產業製造、學術實驗與生醫檢測等各界需求,客製化開發目前市面上「不存在」的設備,提供解決方案、實踐創想,儀科中心始終以台灣儀器科技的夢工廠驅動產學研向前邁進,未來的無限想像。