FOM 2025系列報導
共軛焦顯微鏡是透過針孔去除背景雜訊,以提高光學解析度和視覺對比度的顯微技術。由於共軛焦顯微鏡可對厚樣本組織進行不同深度的觀察,目前在生命科學領域當中被廣泛使用。
在共軛焦顯微技術的發展歷程中,有一位人物可說是行走的共軛焦顯微鏡發展史。柯林‧薛波(Colin Sheppard)不僅對共軛焦技術的發展如數家珍,更利用傅立葉光學模型系統化描述共軛焦顯微鏡的成像過程,推導出解析度提升的依據,間接推動共軛焦顯微鏡商業化。
薛波的學術生涯始於劍橋大學,在完成博士學位後,他曾短暫進入業界工作光,從事用於軍事用途的夜視裝置與影像增強器的設計。幾年後,出於回歸學術界的渴望,薛波加入牛津大學魯道夫‧康夫納(Rudolf Kompfner)教授領導的研究團隊。
康夫納是行波管(traveling-wave tube,TWT),一種利用電子流與沿慢波系統的電磁波間連續相互作用而放大微波電子管,以及和返波振盪器(backward-wave oscillator)的關鍵發明人之一,在光通訊領域貢獻卓著。
康夫納出生於奧地利,二戰期間移居英國,最終移居美國,並且被貝爾實驗室延攬,成為霍姆德爾綜合園區(Bell Laboratories in Holmdel)的主管。
貝爾實驗室霍姆德爾綜合園區為貝爾實驗室近半個世紀的研發所在地,這裡不僅推動了晶體管和手機等技術進步,還孕育了多位諾貝爾獎得主;這裡也是諾貝爾獎得主朱棣文雷射冷卻工作的誕生地。
薛波表示,康夫納從貝爾實驗室退休後,便在美國史丹佛大學與英國牛津大學之間來回任教,他也在此時加入康夫納的團隊。
「魯道夫(康夫納)每年六個月在史丹佛教授應用物理學,另外六個月在牛津教授工程科學。因此當他不在牛津的期間,我便接手他的實驗室指導和管理工作」,薛波說當時康夫納領導的「量子電子小組」 (quantum electronics group)主要三項研究:掃描光學顯微鏡(Scanning Optical Microscope)、光纖金屬鍍膜技術(optical fiber metal coating technology)、以及體積全像耦合技術(volume holographic coupling)。其中,掃描光學顯微鏡專案成為薛波的研究核心。
從電子、超音波到光學 共軛焦概念成形
薛波因推導出解析度提升的理論根據(橫向提升約 √2 倍,縱向顯著改善),發表第一篇使用「共聚焦顯微鏡」術語的論文;並以數學模型解釋針孔大小、照明條件對成像品質的影響,因此許多研究者譽為「共軛焦顯微術的理論奠基者」,並間接推動共軛焦顯微鏡的商用。
然而,事實上薛波的博士研究題材是電子顯微鏡而非光學顯微鏡,他的論文研究主題是掃描式電子顯微鏡的繞射系統,指導教授為查爾斯‧歐特利(Charles Oatley)-劍橋大學電機工程教授,也是第一台商用掃描電子顯微鏡(SEM)的開發者之一。
薛波坦言,在進入牛津之前的過往求學階段幾乎沒有接受過正統光學訓練。然而過去對於電子繞射、光譜增幅以及傅立葉光學的學習,加上後在業界工作的經歷,讓他獲得光學方面的額外背景知識,意外成為他跨入光學顯微鏡領域的利器。特別是體積全像與晶體繞射間的理論一致性,為他後續研究的理論提供重要支持,使他能在踏入光學領域後迅速建立理論基礎,推動共軛焦顯微鏡的發展,並開拓技術應用。
除此之外,他也提到受到掃描超音波顯微鏡(Scanning Acoustic Microscope)特別是聲波訊號二次諧波現象的啟發,進而思考類似的光學成像方式,逐漸形成了共軛焦顯微鏡的概念。
不過,他也提到在共軛焦顯微鏡的發展之路上,有更多早期學者的身影,包括日本學者小穴純(Zyun Koana)、名原寬人(Naora Hiroto)和馬文‧明斯基(Marvin Lee Minsky)。若將顯微技術的演進視為接力賽,這些學者正是維持速度的前期跑者,而薛波則是完成關鍵加速的接棒者。