TWI480535B - 稜鏡以及應用此稜鏡的光學檢測系統 - Google Patents

Description

稜鏡以及應用此稜鏡的光學檢測系統

本發明係關於一種稜鏡，特別是關於具有應用於光學檢測系統的稜鏡。

透過光學檢測系統可以對目標物進行檢測，以得到詳盡的分析資訊，其中，表面電漿波(Surface Plasmon Waves)之應用係藉由光所激發的表面電漿波對目標物進行分析，目前已經廣泛應用於生物檢測及其分子動力學的研究上，其中包括生物感測器、免疫診斷、抗體及抗原反應動態分析。藉由抗原與相對應的抗體之化學結合專一性，表面電漿共振於生物醫學科學研究上，主要運用在抗體抗原之間化學結合的動態分析。其衍生的應用包括生物分子存在的檢測、特定致病細菌亞種的檢測、以及特定病毒的檢測和分類。其中生物分子存在的檢測是目前表面電漿波在生物醫學科學研究上最主要的衍生應用，例如在發炎分子標記，利用C-reactive protein在心血管疾病的檢測，對於特定致病細菌亞種的檢測、及特定病毒的檢測和分類。

表面電漿波感測器的基本架設形式為：利用雷射光照射金屬與非導電介質界面，於其上激發表面電漿波。而非導電介質之折射率若有變化，即改變了表面電漿波的共振條件。

此一改變可藉由測量雷射光束反射光之光學性質而得，依據測量的物理量不同，可分類為角度、振幅、波長、以及相位等測量模式。以測量的操作而言，振幅、相位等量測模式於測量時雖屬靜態系統，然測量前需調整光路架設，使雷射光源入射角度固定於振幅變化最大之角度或能量耦合之最佳共振角，以偵測介質折射率造成的變化。當系統的設計無法調整入射角時，其可檢測的折射率範圍及靈敏度將受到很大的限制。唯於波長模式操作下，不改變入射角尚可獲得不錯的測量動態範圍及靈敏 度。而角度量測模式屬於動態系統，測量時需不斷的掃描光入射角。

傳統的表面電漿共振儀大多以雙軸旋轉掃描平台(two-arm rotating stage)做相對應的旋轉運動，藉以達到調控光入射角度的功能。以這種方式控制入射角度會有幾樣缺點：

a.入射光源及接收端並不是固定的，此將限制光源系統及光偵測系統的大小、重量及其複雜度，此亦代表著它在相位及振幅等偵測方式將會受到限制。

b.兩個旋轉平台在控制的精度(resolution)、穩定度(stability)，精密定位及價格上不如單一的線性步進移動平台。

c.因為光學元件置具機構的限制，此設計的稜鏡耦合面以垂直於水平面置放為大宗，當使用耦合油(matching oil)做為試片及稜鏡的接合，在長時間的使用下容易蒸發乾燥，系統穩定度及長時間測量一致性不佳。

d.此稜鏡耦合面置放方式亦不適合微流道的設計與操作。

e.此稜鏡耦合面置放方式亦無法方便的與影像系統結合，特別是與顯微影像系統的結合。這是由於顯微影像系統多採取垂直式影像擷取光路的設計。

另有運用如點掃描共焦顯微鏡的鏡片光掃描方式(galvo mirror scanning method)結合雙透鏡以達到光入射角調變，唯此方式將使得光線在離開光耦合稜鏡後進入光偵測器的光路偏離正入射角，以致無法進行光相位檢測。而光相位檢測通常具有較高的靈敏度。

近年來各種偵測模式之機型雖各有千秋，但仍缺乏足以整合數種模式於一機型的設計，以現有裝置而言，具大量測範圍(dynamic range)的操作模式(共振角及振幅測量模式)通常無法達到高靈敏度量測的要求，具高靈敏度量測特性者(光相位測量模式)，其入射角不可調整，故其量測範圍極小。

如美國專利號US7265844所揭露的一種可改善光路的水平表面電漿共振儀，其需透過複雜的機械連動及具特殊曲線的滑軌來調整光入射角並同時保持光源及光偵測單元固定，該裝置的精度及穩定度也不高。

另外，第一圖係也為一種習知技術，其係為本案發明人先 前所發表之表面電漿波檢測系統的示意圖，如圖所示，該表面電漿波系統100包含一光源單元110、一控制單元120、一偵測單元130以及一處理單元140。

該光源單元110包含：一雷射光源111、一極化分光片112以及一半波長波片113，用以將光線導入該控制單元120。

該控制單元120包含：一步進馬達121、一直角三角鏡片122、二維拋物面鏡123a、123b以及一半球形透鏡124。光線由該三角鏡片122導入該二維拋物面鏡123a，該二維拋物面鏡123a先將光線導入該半球形透鏡124，該半球形透鏡124將導入該二維拋物面鏡123b，最後光線再由該二維拋物面鏡123b導入該三角鏡片122輸出至該偵測單元130。

該偵測單元130包括：一非極化分光片131、一極化分光片132、一偵測器133、一放大器134、一波片135以及一控制器125，經由該偵測單元130偵測所輸出的光特性，再將訊號傳送至該處理單元140，以進行進一步的分析。

使用者透過該步進馬達121以及該二維拋物面鏡123a、123b的調整，可以偵測目標物使光線入射角度固定於振幅變化最大之角度或能量耦合之最佳共振角，以偵測介質折射率造成的變化。

然而，半球形透鏡以及二維拋物面鏡皆容易造成光路調教的複雜度及長時間的穩定性，入射光些許的光路偏移將因二維拋物面鏡及半球形透鏡而造成入射角的誤差及光路偏移放大，此特性將導致接收端在光相位及共振角偵測的困難，輕則造成檢測誤差，重則造成無法檢測之情形，且此系統需要同時透過兩個二維離軸拋物面鏡123a、123b的搭配使用，兩個二維拋物面鏡及半球形透鏡的相對位置調校並不容易，因而使用者不易在大角度的掃瞄範圍下同時使到達該偵測單元130的光路不變，若欲要求到達該偵測單元130的光路在大角度的掃瞄下不發生光路偏移，需耗費許多時間來調校光路。且此設計因該半球透鏡124及該二維拋物面鏡123a、123b的聚焦作用，其光激發點將非常小，僅可做單點或單流道檢測。另外，此設計缺乏將水平行進的光線導引成垂直行進的光線的反射鏡，故不易與顯微鏡平台結合。

本發明提供一種稜鏡，稜鏡包含一下平面、一上平面、一第一側面以及一第二側面，其中第一側面以及第二側面係為一維拋物曲面。

下平面係用以接收一光線，上平面位於下平面對側，第一側面係用以反射來自下平面之光線至上平面，第二側面係用以反射來自上平面之光線至下平面；其中第一側面以及第二側面係位於上平面以及下平面之間。

較佳地，光線係分別透過第一側面以及第二側面之全內反射角進行反射，光線從第一側面反射至上平面的夾角大於全內反射臨界角，上平面反射至第二側面的夾角大於全內反射臨界角，因此在稜鏡內所產生之反射皆為全反射，稜鏡內層表面不需經過鏡面塗佈等處理即可達成全反射之效果。

本發明亦提供一種光學檢測系統，該光學檢測系統包含一光源單元、一控制單元以及一偵測單元。

該光源單元係用以提供一光源。該控制單元包含一稜鏡，該稜鏡包含一下平面、一上平面、一第一側面、一第二側面，其中第一側面以及第二側面係位於上平面以及下平面之間，且第一側面以及第二側面係為一維拋物曲面。

光線進入控制單元後，將光線導入稜鏡之下平面，下平面則將光線反射至稜鏡之第一側面，接著，第一側面將光線再反射至稜鏡之上平面，之後，上平面再將光線射向第二側面，同樣地，第二側面將光線再反射至稜鏡之下平面，最後，將光線輸入至偵測單元。

偵測單元係偵測來自該控制單元的光線，以輸出一訊號。

較佳地，其中該控制單元更包含一三角鏡片，該三角鏡片包含一第一反射面以及一第二反射面，其中該第一反射面接收來至該光源單元的光線並將該光線導入該稜鏡，該第二反射面接收來至該稜鏡的光線並將該光線導入該偵測單元。

較佳地，其中該控制單元更包含一第一動力提供器以及一第二動力提供器，該第一動力提供器連接於該三角鏡片，該第二動力提供 器連接於該稜鏡。

較佳地，所述之光學檢測系統更包含一處理單元，用以接收該訊號以進行後續分析處理。

使用者透過第一動力提供器控制光線進入稜鏡的入射角度、透過第二動力提供器進行固定光入射角之光線多點掃描，可以偵測目標物使光線射入該稜鏡的入射角度固定於振幅變化最大之角度或能量耦合之最佳共振角度，以偵測介質折射率造成的變化。

藉由本發明中光源單元及偵測單元固定，但具可調整及可掃描光入射角之特徵，可使同時進行共振角、振幅、波長、相位等表面電漿波測量模式，兼具大量測範圍及高靈敏度量測特性，且光路路徑調校容易，藉由本發明亦可輕易與顯微鏡系統結合，相當具有實用性。

此稜鏡是運用拋物曲面(第一側面及第二側面)及焦線所在之平面(上平面)的三個全反射來反射激發光，將其利用於光學檢測系統可達到大量簡化光路調教程序、系統微型化、無需折射率耦合油(refractive index matching oil)、可長時間量測並具低成本及可拋式特性等優點。

關於本發明之優點與精神，以及更詳細的實施方式可以藉由以下的實施方式以及所附圖式得到進一步的瞭解。

100、200‧‧‧光學檢測系統

110、210‧‧‧光源單元

111、211‧‧‧雷射光源

112、212‧‧‧極化分光片

113、213‧‧‧半波長波片

120、220‧‧‧控制單元

121‧‧‧步進馬達

221‧‧‧第一動力提供器

122‧‧‧直角三角鏡片

222‧‧‧三角鏡片

222a‧‧‧三角鏡片之第一反射面

222b‧‧‧三角鏡片之第二反射面

123a、123b‧‧‧二維拋物面鏡

223‧‧‧稜鏡

223a‧‧‧下平面

223b‧‧‧上平面

223c‧‧‧第一側面

223d‧‧‧第二側面

124‧‧‧半球形透鏡

125、225‧‧‧控制器

227‧‧‧第二動力提供器

130、230‧‧‧偵測單元

131、231‧‧‧非極化分光片

132、232‧‧‧極化分光片

133、233‧‧‧偵測器

134、234‧‧‧放大器

135、235‧‧‧波片

140、240‧‧‧處理單元

θ₁ ‧‧‧光線從第一側面反射至上平面的夾角

θ₂ ‧‧‧光線從上平面反射至第二側面的夾角

θ_i ‧‧‧光線射至下平面的入射角

θ_t ‧‧‧光線射入下平面的折射角

第一圖係習知技術之表面電漿波檢測系統的示意圖；第二(a)圖係本發明之稜鏡外形示意圖；第二(b)圖係本發明之稜鏡的光線路徑示意圖；第二(c)圖係本發明之稜鏡側面的光線路徑示意圖；第三圖係本發明之光學檢測系統示意圖；第四圖係本發明之光學檢測系統的三角鏡片示意圖；第五(a)圖係傳統杜夫稜鏡外形示意圖；以及第五(b)圖係傳統杜夫稜鏡的光線路徑示意圖。

請參考第二(a)圖及第二(b)圖，第二(a)圖係本發明之稜鏡外形示意圖，第二(b)圖係本發明之稜鏡的光線路徑示意圖，本發明之稜鏡223包含一下平面223a、一上平面223b、一第一側面223c以及一第二側面223b。

下平面223a係用以接收一光線，上平面223b位於下平面223a對側，第一側面223c係用以反射來自下平面223a之光線至上平面223b，第二側面223b係用以反射來自上平面223b之光線至下平面223a；其中第一側面223c以及第二側面223b係位於上平面223b以及下平面223a之間。

稜鏡223之第一側面223c以及第二側面223b係為一維拋物曲面，因此光線會被拋物曲面導至一焦線，焦線一般係位於稜鏡之上平面223b，但若要將一建構有微流體之玻片結合在本發明之稜鏡223，即需將稜鏡223削除掉玻片之厚度，使拋物曲面之焦線能位於玻片之上平面，並將耦合油塗佈於玻片及稜鏡223之間，使兩者可視為一個整體的光學元件。而本發明之光線係分別透過第一側面223c以及第二側面223b之內反射角進行反射，光線從第一側面223c反射至上平面223b的夾角θ₁ 係大於全內反射臨界角，光線從上平面223b反射至第二側面223d的夾角θ₂ 亦大於全內反射臨界角，本發明並不以此為限。

其中，本發明之入射光由下平面223a射入該稜鏡223，在稜鏡223內的入射光及出射光皆平行光軸，本發明並不以此為限。

一實施例中，稜鏡223之下平面223a平行於上平面223b，但下平面223a亦可不平行於上平面223b，本發明不以此為限。

請參考第二(c)圖，第二(c)圖係為本發明之稜鏡側面的光線路徑示意圖，此時該下平面223a不平行於該上平面223b，光線射至下平面的入射角θ_i 以及光線射入下平面的折射角θ_t 並無限制，但該稜鏡223中的光線路徑會平行於該上平面223b的入射面(plane of incidence)，當下平面223a不平行於上平面223b時，可避免光線的主路徑發生多重反射干擾，也可以避免光線非垂直入射(normal incidence)造成角度變化時偵測點漂移的問題，本發明不以此為限。

一實施例中，稜鏡223可用光學樹脂配合射出成型製作，本發明不以此為限。

請參考第三圖及第四圖，第三圖係本發明之光學檢測系統示意圖，第四圖係本發明之光學檢測系統的三角鏡片示意圖，本發明光學檢測系統200包含一光源單元210、一控制單元220、一偵測單元230以及一處理單元240。

該光源單元210包含：一雷射光源211(Semiconductor laser)、一極化分光片212(Polarized beam splitter or polarizer)以及一半波長波片213(Half wave plate)，該雷射光源211係用以提供一光源，再透過極化分光片212以及半波長波片213將光線導入該控制單元220。該雷射光源211也可使用發光二極體(LED)或其他光源替代，本發明不以此為限。

該控制單元220包含：一第一動力提供器221、一三角鏡片222(Triangle mirror)、一稜鏡223、一控制器225以及一第二動力提供器227，其中該三角鏡片222具有一第一反射面222a以及一第二反射面222b。

光線進入該控制單元220後，藉由該三角鏡片222的該第一反射面222a將水平行進的光線導入稜鏡223之下平面223a，下平面223a則將水平行進的光線反射至稜鏡223之第一側面223c，接著，第一側面223c將光線再反射至稜鏡223之上平面223b，之後，上平面223b再將光線射向第二側面223d，同樣地，第二側面223d將光線再反射至稜鏡223之下平面223a，最後，光線被導回至三角鏡片222的第二反射面222b，交由該三角鏡片222的該第二反射面222b將光線輸入至該偵測單元230。

三角鏡片222的兩反射面之夾角(theta)不限於90度直角，該三角面鏡的位移量(LM)與光線平移(LB)關係為LB=LM*sin(theta)。當該三角面鏡222的兩反射面之夾角不為90度時，sin(theta)為光位移解析度強化因子。當該夾角為90度時，該第二反射面222b所反射之光線將與該第一反射面222a的入射光的延伸線重合。該三角面鏡222可由偏振或非偏振分光鏡取代，本發明不以此為限。

一實施例中，第一動力提供器221係連接於三角鏡片222，用以形成一移動平台(圖未示)，提供移動光線於該三角鏡片222上的反射位置所需的動力，藉由該移動平台的移動可改變光線射入稜鏡223的入射角 度，第一動力提供器221可為一步進馬達(Motorized stage)，本發明不以此為限。

一實施例中，該第二動力提供器227連接於稜鏡223，用以形成另一移動平台(圖未示)，提供移動光線於第一側面223c以及第二側面223d上的反射位置所需的動力，藉由該移動平台的移動可導引光線在該上平面223b進行固定光線入射角度之光掃描，掃描角度係由入射光到光軸的距離來決定，其掃描範圍由尺寸設計決定，該第二動力提供器227亦可為一步進馬達，本發明不以此為限。

本發明所使用的稜鏡與傳統的杜夫稜鏡(Dove Prism)是完全不相同的，若如第五(a)圖所示，其係傳統杜夫稜鏡外形示意圖，如第五(b)圖所示，其係傳統杜夫稜鏡的光線路徑示意圖，杜夫稜鏡是運用光折射原理將激發光折射到下平面上產生漸逝波，激發光到達杜夫稜鏡時會發生部分反射及部分折射，並非所有的光能量皆用來激發表面電漿波。本發明所使用的稜鏡是運用全反射原理將所有的光能量皆用來激發表面電漿波。並且杜夫稜稜鏡只能用於固定入射角，並無法達到如本發明所使用的稜鏡可做入射角掃描的效果。

於一實施例中，光源單元210所提供的光源為點光源，若將本發明之光學檢測系統200運用於表面電漿波生醫檢測器時，則可進行多點檢測，若該光源單元210所提供的光源為為一線光源時，本發明之光學檢測系統200可進行多流道或線形分佈之多點做同時檢測。

控制器225分別與第一動力提供器221及第二動力提供器227電性連接，用以控制該些移動平台的移動方向及位置。

偵測單元230包括：一非極化分光片231(Non-polarized beam splitter)、一極化分光片232(Polarized beam splitter)、至少一偵測器233、一放大器234(amplifier)以及一波片235(wave plate)，經由偵測單元230偵測此時光的特性，而產生一訊號，再將該訊號傳送至處理單元240，以進行進一步的分析。一實施例中，該偵測器可為一光電二極體(photodiode)、一CCD(Charge-coupled Device)感光元件或一CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)感光元件，本發明不以此為限。該波片235可為1/4波片(1/4 wave plate)，本發明不以此為限。

處理單元240係用以接收該訊號以進行後續分析處理，同時，該控制單元220中的控制器225也電性連接於處理單元240，藉由處理單元240發送訊號控制控制器225，因此處理單元240可以同時接收來自偵測單元230以及控制單元220的訊號進行處理。一實施例中，該處理單元240可為一電腦，本發明不以此為限。

本發明所提供的光學檢測系統透過稜鏡223的第一側面223c、第二側面223d以及焦線所在之平面，也就是上平面223b的三個全反射來反射光線，光線於單一個稜鏡223中即可達大量簡化光路調教程序的效果、將系統微型化功能、且無需折射率耦合油(refractive index matching oil)、可做長時間量測並具低成本及可拋式特性等優點。

此外，使用者透過第一動力提供器221、第二動力提供器227以及稜鏡223的搭配調整，可以偵測目標物使光線射入上平面223b的入射角度固定於振幅變化最大之角度或能量耦合之最佳共振角度，以偵測介質折射率造成的變化，因第一側面223c以及第二側面223d為拋物面鏡，皆為一維走向，故光路較單純，因此可在光源單元及偵測單元固定，即固定射入及接收光線位置的情況下，完成光線入射角度的調變，且光路調校容易，相當具有實用性。

本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例爾。對熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。

222‧‧‧三角鏡片

223‧‧‧稜鏡

223a‧‧‧下平面

223b‧‧‧上平面

223c‧‧‧第一側面

223d‧‧‧第二側面

θ₁ ‧‧‧光線從第一側面反射至上平面的夾角

θ₂ ‧‧‧光線從上平面反射至第二側面的夾角

θ_i ‧‧‧光線射至下平面的入射角

θ_t ‧‧‧光線射入下平面的折射角

Claims (20)

1. 一種稜鏡，包含：一下平面，用以接收一光線；一上平面，位於該下平面對側；一第一側面，係為一維拋物曲面，用以反射來自該下平面之該光線至該上平面；以及一第二側面，係為一維拋物曲面，用以反射來自該上平面之該光線至該下平面；其中該第一側面以及該第二側面係位於該上平面以及該下平面之間，該光線係分別透過該第一側面以及該第二側面之內反射角進行反射，該光線從該第一側面反射至該上平面的夾角大於全內反射臨界角，該光線從該上平面反射至該第二側面的夾角大於全內反射臨界角。
2. 如申請專利範圍第1項所述之稜鏡，其中該稜鏡之該下平面平行於該上平面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之稜鏡，其中該稜鏡之該下平面不平行於該上平面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之稜鏡，該稜鏡可結合一建構有微流體之玻片。
5. 一種光學檢測系統，包含：一光源單元，用以提供一光線；一控制單元，包含：一稜鏡，包含：一下平面，用以接收該光線；一上平面，位於該下平面對側；一第一側面，係為一維拋物曲面，用以反射來自該下平面之該光線至該上平面；以及一第二側面，係為一維拋物曲面，用以反射來自該上平面之該光線至該下平面；其中該第一側面以及該第二側面係位於該上平面 以及該下平面之間，該光線係分別透過該第一側面以及該第二側面之內反射角進行反射，該光線從該第一側面反射至該上平面的夾角大於全內反射臨界角，該光線從該上平面反射至該第二側面的夾角大於全內反射臨界角；以及一偵測單元，偵測來自該控制單元的光線，以輸出一訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光學檢測系統，其中該光源單元包含一雷射光源或一發光二極體光源。
7. 如申請專利範圍第5項所述之光學檢測系統，其中該光源單元更包含一極化分光片及一半波長波片。
8. 如申請專利範圍第5項所述之光學檢測系統，其中該控制單元更包含一三角鏡片，該三角鏡片包含一第一反射面以及一第二反射面，其中該第一反射面接收來自該光源單元的光線並將該光線導入該稜鏡之該下平面，該第二反射面接收來自該稜鏡之該下平面的光線，並將該光線導入該偵測單元。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光學檢測系統，其中該控制單元更包含一第一動力提供器，該第一動力提供器連接於該三角鏡片。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光學檢測系統，其中該控制單元更包含一第二動力提供器，該第二動力提供器連接於該稜鏡。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光學檢測系統，其中該第一動力提供器以及該第二動力提供器為步進馬達。
12. 如申請專利範圍第10項所述之光學檢測系統，其中該控制單元更包含一控制器，且該控制器分別電性連接於該第一動力提供器以及該第二動力提供器。
13. 如申請專利範圍第5項所述之光學檢測系統，其中該稜鏡之該下平面平行於該上平面。
14. 如申請專利範圍第5項所述之光學檢測系統，其中該稜鏡之該下平面不平行於該上平面。
15. 如申請專利範圍第5項所述之光學檢測系統，其中該偵測單元包含一非極化分光片、一極化分光片、一放大器、一波片以及至少一偵測器。
16. 如申請專利範圍第15項所述之光學檢測系統，其中該偵測器為一光電二極體、一CCD感光元件或一CMOS感光元件。
17. 如申請專利範圍第5項所述之光學檢測系統，更包含一處理單元，用以接收該訊號以進行後續分析處理。
18. 如申請專利範圍第17項所述之光學檢測系統，其中該處理單元為一電腦。
19. 如申請專利範圍第5項所述之光學檢測系統，其中該稜鏡係用光學樹脂配合射出成型製作。
20. 如申請專利範圍第5項所述之光學檢測系統，其中該稜鏡可結合一建構有微流體之玻片。