CN101241239B - 可提供动量的光镊夹产生装置及使光镊夹具有动量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可提供具有动量的光镊夹产生装置，用以于一检测试件中提供具有一第一动量的光镊夹。此装置包括激光光源、绕射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)及透镜。激光光源用以输出激光。绕射光学元件具有相位延迟图形。激光在经过相位延迟图形后产生绕射图形。透镜接收绕射图形，并将绕射图形聚焦于检测试件，以形成具有第一动量的光镊夹。其中，透镜具有光轴，其与绕射光学元件相交于光轴交点。相位延迟图形的几何中心相对于光轴交点具有位移向量，而第一动量的方向相关于位移向量的方向。

Description

可提供动量的光镊夹产生装置及使光镊夹具有动量的方法

技术领域

本发明涉及一种光镊夹产生装置，特别是涉及一种可提供具有动量(Momentum)的光镊夹的光镊夹产生装置。

背景技术

利用激光梯度力来捕捉微小粒子或细胞的“光镊夹”技术已存在。传统光镊夹技术将激光通过具有相位延迟图形的绕射光学元件(DiffractiveOptical Element，DOE)，而相位延迟图形上各部分的通过光束彼此绕射以产生绕射图形，并决定激光的强度分布。在绕射图形中光强度较高的部分具有可捕捉微小粒子的效果。

然而，传统光镊夹技术无法提供横向(垂直光轴方向)动量来移动被捕捉到的微小粒子，因而当传统光镊夹技术欲将捕捉到的微小粒子进行移动时，需经由改变光调变器或外加推力，如水流及静电力的方式来提供动量移动捕捉到的微小粒子。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可提供具有动量的光镊夹产生装置及使光镊夹具有动量的方法，其可有效地改善传统光镊夹装置无法提供具有动量的光镊夹来移动光镊夹捕捉到的微小粒子的缺点，而具有可提供具有动量(Momentum)的光镊夹的优点。

根据本发明的目的，提出一种可提供具有动量的光镊夹产生装置，用以于一检测试件中提供一具有第一动量的第一光镊夹。此装置包括激光(Laser)光源、绕射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)及透镜。激光光源用以输出激光光。绕射光学元件具有相位延迟图形。激光在经过相位延迟图形后产生绕射图形。透镜接收绕射图形，并将绕射图形聚焦于检测试件，以形成具有第一动量的第一光镊夹。其中，透镜具有光轴，其与绕射光学元件相交于光轴交点。相位延迟图形的几何中心相对于光轴交点具有位移向量，而第一动量的方向与位移向量的方向为相关。

根据本发明的另一目的，提出一种使光镊夹具有横向动量的方法，其应用于可提供具有动量的光镊夹产生装置，以在检测试件上提供具有一动量的光镊夹。此方法包括下列的步骤。首先，提供绕射光学元件，其具有相位延迟图形。接着，提供激光通过相位延迟图形及一透镜，以在检测试件上产生光光场。绕射光学元件与透镜的光轴相交于一光轴交点。之后，沿着绕射光学元件的一表面上的第一方向平移绕射光学元件，使得相位延迟图形的几何中心相对光轴焦点具有一位移向量，以使光镊夹具有动量。其中，位移向量与动量的方向为相关。

根据本发明的另一目的，提出另一种使光镊夹具有动量的方法，其应用于可提供具有动量的光镊夹的装置，以于检测试件上提供具有动量的光镊夹。此方法包括下列的步骤。首先，决定一动量。接着，提供绕射光学元件，绕射光学元件具有对应至此动量的相位延迟图形。之后，提供激光光通过相位延迟图形及一透镜，以于检测试件上产生具有此动量的光镊夹。其中，绕射光学元件与透镜的光轴相交于光轴交点，相位延迟图形的几何中心相对于光轴交点具有一位移向量。此位移向量的方向与动量的方向为相关。

为了让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1为本发明第一实施例的可提供具有横向动量的光镊夹产生装置的方块图；

图2为图1中的绕射光学元件130的结构图；

图3为图1中影像感测器162于检测试件110上感测到的光镊夹OT1的示意图；

图4为本发明第一实施例的使光镊夹具有动量的方法的流程图；

图5为本发明第一实施例的另一使光镊夹具有动量的方法的流程图；

图6为本发明第二实施例的检测试件110中光镊夹OT2～OT5的示意图；

图7为本发明第二实施例的绕射光学元件230的示意图；

图8A为本发明第二实施例的绕射光学元件232的示意图；

图8B为本发明第二实施例的绕射光学元件234的示意图；

图9为本发明第二实施例的检测试件110中光镊夹OT2～OT5的另一示意图；

图10分别为依照图6中的检测试件110中微小粒子的移动状况的时序图。

主要元件符号说明：

10：可提供具有动量的光镊夹产生装置

110：检测试件

120：激光光源

LS：激光

130、230、232、234：绕射光学元件

P、P’：相位延迟图形

C、C2、C3、C4、C5：几何中心

TS：位移向量

140：透镜

LX：光轴

LXP、LXP’、LXP”、LXP”’：光轴交点

145：透镜组

150：反射镜

160：检测单元

162：影像感测器

170：控制单元

402～406、502～506：操作步骤

OT1、OT2～OT5、OT2’～OT5’：光镊夹

M1、M2～M5、M2’～M5’：动量

具体实施方式

第一实施例

请参照图1、图2及图3，图1绘示依照本发明第一实施例的可提供具有动量的光镊夹产生装置的方块图，图2绘示的是图1中绕射光学元件130的结构图，图3绘示的是图1中影像感测器162于检测试件110上感测到的光镊夹OT1的示意图。检测试件110中例如具有若干微小粒子(未绘示)，而可提供具有动量的光镊夹产生装置10用以于检测试件110上提供具有动量M1的光镊夹OT1，以对检测试件110中的微小粒子进行控制。

可提供具有动量的光镊夹产生装置10包括激光光源120、绕射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)130、显微物镜140、反射镜150及检测单元160。显微物镜140具有光轴LX，其经由反射镜150延伸至绕射光学元件130与激光光源120。激光LS平行入射到绕射元件(DOE)130后，从DOE出射的激光LS经由透镜组与反射镜150成像至显微物镜140的后焦平面上。之后激光再经由显微物镜140聚焦，在其之前焦平面上形成所设计的光场分布。

激光光源120用以沿着光轴LX输出激光光LS，而光轴LX与绕射光学元件130相交于一光轴交点LXP。检测单元160包括影像感测器162，使用者经由影像感测器162来观测检测试件110中微小粒子的移动情形。

绕射光学元件130具有相位延迟图形P，而相位延迟图形P的几何中心C相对于光轴交点LXP例如具有位移向量TS，在本实施例中，位移向量TS的方向实质上等于正x轴方向。在图2所绘示的相位延迟图形P中，黑色区域及白色区域分别为其相位延迟为-π及相位延迟为+π的区域。当激光光LS经过相位延迟图形P后，相位延迟图形P不同部位的通过光束将延迟大小不同的相位而彼此绕射而产生绕射图形。

透镜140接收绕射图形并将其聚焦于检测试件110而成为光镊夹OT1，其具有动量M1，而动量M1的方向与位移向量TS的方向为相关。在本实施例中，光镊夹OT1例如为一直线状绕射亮纹，而动量M1的方向与位移向量TS的方向例如为相反。

在本实施例中，相位延迟图形P上的每个点是经由以光轴焦点LXP为原点的直角座标数值(x，y)来表示，而各点的相位延迟函数φ(x，y)例如满足柱状透镜的相位延迟函数：φ(x，y)＝(f_x*x+f_y*y)+l₁[(x-x₀)²+(y-y₀)²]。在本实施例中，当相位延迟图形P上各点的相位延迟函数φ(x，y)满足柱状透镜的相位延迟函数时，激光LS经过相位延迟图形P之后可产生亮度均匀度较佳的光镊夹OT1，其移动微小粒子的能力也较为均匀。

在上述延迟函数φ(x，y)中f_x及f_y为常数，其分别用以决定激光LS通过相位延迟函数φ(x，y)后产生的光镊夹OT1在检测试件110中的水平位置及垂直位置。在本实施例中，f_x与f_y均例如实质上为零，而当f_x的数值变大时，光镊夹OT1的位置将往x’轴的正端移动；反之当f_x数值变小时，光镊夹OT1的位置将往x’轴的负端移动。而f_y的数值与光镊夹OT1的垂直位置的关系可根据f_x与光镊夹OT1的水平位置的关系类推得到。

在上述延迟函数φ(x，y)中l₁为常数，而x₀及y₀等于几何中心C的x轴及y轴的座标值，亦即几何中心C相对于光轴交点FXP的位移向量TS实质上等于(x₀，y₀)。在本实施例中y₀实质上为零，如此，位移向量TS的方向实质上为正x轴方向，而其大小实质上为x₀的绝对值。这样一来，激光LS经过相位延迟图形P后所形成的光镊夹OT1的动量M1的方向实质上为负x’轴方向。

请参照图4，其绘示的是本发明第一实施例的使光镊夹具有动量的方法的流程图。首先，如步骤402，决定欲产生激光镊夹OT1所具有的动量M1。接着，如步骤404，提供绕射光学元件130，其具有对应至动量M1的相位延迟图形P。相位延迟图形P的几何中心C相对于光轴交点LXP具有位移向量TS，而位移向量TS的方向与动量M1的方向为相关。之后，如步骤406，提供激光LS，其通过相位延迟图形P以产生绕射图形，其例如为直线状绕射亮纹。直线状绕射亮纹经由反射镜150输出至透镜140，而透镜140是将直线状绕射亮纹聚焦于检测试件110，以形成具有动量M1的光镊夹OT1。

而本实施例更提供另一使光镊夹具有动量的方法，其操作步骤如图5所示，其绘示的是本发明第一实施例的另一使光镊夹具有动量的方法的流程图。首先，如步骤502，提供绕射光学元件130，其具有相位延迟图形P。接着，如步骤504，提供激光LS，通过相位延迟图形P以产生绕射图形，其例如为直线状绕射亮纹。直线状绕射亮纹经由反射镜150输出至透镜140，而透镜140将直线状绕射亮纹聚焦于检测试件110，以形成光镊夹OT1。本实施例中的透镜140的光轴LX经由反射镜150延伸至绕射光学元件130并与绕射光学元件130相交于光轴交点LXP。之后，如步骤506，沿着绕射光学元件130的表面上的正x轴方向平移绕射光学元件130，使相位延迟图形P的几何中心C相对光轴焦点LXP具有方向为正x轴方向的位移向量TS。如此，使光镊夹OT1具有方向为负x’轴方向的动量M1。

本实施例的绕射光学元件130例如为可编程(Programmable)的绕射光学元件，可经由程序来修改相位延迟图形P中各点的相为延迟大小，以对光镊夹OT1的形状及其动量进行修正。而可提供具有动量的光镊夹产生装置10更包括控制单元170，分别耦接至绕射光学元件130及影像感测器162。可提供具有动量的光镊夹产生装置10的使用者可经由控制单元170来修改绕射光学元件130中的相位延迟图形P，以于检测试件110上形成具有不同动量、形状的光镊夹。

本实施例虽仅以可提供具有动量的光镊夹产生装置10根据相位延迟图形P产生一具有动量M1的直线状光镊夹OT1为例作说明，然而，本实施例所揭露的可提供具有动量的光镊夹产生装置10不限于产生一个光镊夹，而可产生两个或两个以上的光镊夹，而其分别具有相同或不同的动量。而本实施例所揭露的可提供具有动量的光镊夹产生装置10所产生的光镊夹也不限于为直线状，而更可为其他形状。本实施例虽仅以位移向量TS的方向与动量M1的方向为实质上相反为例作说明，然而，位移向量TS与动量M1的方向并不局限彼此相反，而更可为实质上相等。本实施例中的检测试件110例如为微流体芯片。

本实施例所揭露的可提供具动量的光镊夹产生装置是将绕射光学元件的相位延迟图形的几何中心点偏离透镜的光轴与绕射光学元件的交点，并使其之间具有位移向量。如此，本实施例的可提供具动量的光镊夹产生装置可有效地经由上述的配置来产生具有动量的光镊夹，以有效地改善传统光镊夹产生装置无法产生具有动量的光镊夹之缺点，而具有可提供具有动量的光镊夹的优点。

第二实施例

请参照图6及图7，图6绘示的是本发明第二实施例的检测试件110中的光镊夹OT2～OT5的示意图，图7绘示的是本发明第二实施例的绕射光学元件230的示意图。本实施例的可提供具有动量的光镊夹产生装置10与第一实施例不同之处在于本实施例是以绕射光学元件230来取代绕射光学元件130。绕射光学元件230上具有相位延迟图形P’，当激光LS经过相位延迟图形P’后，可于检测试件110上产生四条直线状光镊夹OT2～OT5，其分别具有动量M2～M5，以分别控制检测试件110中微小粒子沿着动量M2～M5的方向进行环形运动。相位延迟图形P’上各点的相位延迟量是由延迟函数φ′(x，y)所决定。

请参照图8A及图8B，图8A绘示的是本发明第二实施例的绕射光学元件232的示意图，图8B绘示的是本发明第二实施例的绕射光学元件234的示意图。绕射光学元件232的相位延迟图形P6包括相位延迟图形P3及P5，其分别位于相位延迟图形P6的左半部及右半部，而几何中心分别为C3及C5。当以绕射光学元件232取代绕射光学元件130时，激光LS分别经过相位延迟图形P3及P5，以分别于检测试件110上形成光镊夹OT3及OT5。而相位延迟图形P6上各点的相位延迟量是由相位延迟函数φ6(x，y)所决定。

绕射光学元件234的相位延迟图形P7包括相位延迟图形P2及P4，其分别位于相位延迟图形P7的上半部及下半部，而几何中心分别为C2及C4。当以绕射光学元件234取代绕射光学元件130时，激光LS分别经过相位延迟图形P2及P4，以分别于检测试件110上形成光镊夹OT2及OT4。而相位延迟图形P7上各点的相位延迟量是由相位延迟函数φ7(x，y)所决定。本实施例绕射光学元件230上的相位延迟图形P’的相位延迟函数φ′(x，y)是根据相位延迟函数φ6(x，y)及φ7(x，y)所计算得到。接下来，对绕射光学元件230上的相位延迟图形φ′(x，y)的计算方法作说明。

当欲计算出可产生光镊夹OT2～OT5的相位延迟函数φ′(x，y)时，将相位延迟函数φ6(x，y)与一随机光罩(Random Mask)(未绘示)的相位延迟函数相乘，并将相位延迟函数φ7(x，y)与另一随机光罩(未绘示)的相位延迟函数相乘。其中，上述两随机光罩是互为相位互补的随机光罩。接着将两相位延迟函数φ6(x，y)及φ7(x，y)与随机光罩的相位延迟函数的乘积相加，并以相加得到的函数做为相位延迟函数φ′(x，y)。如此，可根据相位延迟函数φ6(x，y)及φ7(x，y)得到相位延迟函数φ′(x，y)。

请参照图10，其分别绘示的是依照图6中的检测试件110中微小粒子的移动状况的时序图，其是依序绘示检测试件110中的微小粒子受到光镊夹OT2～OT5的控制，于时间为0秒、5/3秒、10/3秒、5秒、20/3秒、25/3秒、10秒、35/3秒及40/3秒时的运动情形。本实施例中微小粒子的材质为聚苯乙烯(Polystyrene)，其直径为1微米，微小粒子所处的环境为水溶液。由图10可知，本实施例的光镊夹OT2～OT5可有效地控制微小粒子进行环形运动。

本实施例虽仅以设计分别具有动量M2～M5的光镊夹OT2～OT5的位置，以控制检测试件110中的微小粒子进行环状运动为例作说明，然而，本实施例所揭露的可提供具有动量的光镊夹产生装置10更可将光镊夹OT2～OT5的位置及其具有的动量M2～M5进行其他配置达到相同的效果。如图9所示，将光镊夹OT2’～OT5’配置为一正方形，而其分别具有动量M2’～M5’。如此，也可驱动微小粒子进行环形运动。

本实施例所揭露的可提供具动量的光镊夹产生装置除了具有可在检测试件中提供具有动量的光镊夹的优点，而更可经由设计多个光镊夹的位置及其动量，来控制检测试件中的微小粒子沿着多个光镊夹的动量所形成的路径来进行运动。

综上所述，虽然结合以上两实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以权利要求所界定的为准。

Claims (11)

1.一种可提供具有横向动量(Momentum)的光镊夹产生装置，用以于一检测试件中提供一具有一第一动量的第一光镊夹，该装置包括：

一激光光源，用以输出一激光；

一绕射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)，具有一第一相位延迟图形，该激光是在经过该第一相位延迟图形后产生一绕射图形；以及

一透镜，接收该绕射图形并将该绕射图形聚焦于该检测试件，以形成该具有该第一动量的第一光镊夹；

其中，该透镜具有一光轴，该光轴与该绕射光学元件相交于一光轴交点，该相位延迟图形的几何中心相对于该光轴交点具有一位移向量，该第一动量的方向与该位移向量的方向为相关。

2.如权利要求1所述的装置，其中该第一动量的大小与该位移向量的大小为相关。

3.如权利要求1所述的装置，其中该绕射光学元件为一可编程(Programmable)绕射光学元件。

4.如权利要求3所述的装置，更包括：

一控制单元，耦接至该可编程绕射光学元件及该影像感测器，该控制单元可经由程序修改该可程式化绕射光学元件中的该第一相位延迟图形，以于该检测试件上形成具有不同动量的光镊夹。

5.如权利要求1所述的装置，其中该第一光镊夹为一直线状亮纹。

6.如权利要求1所述的装置，其中该绕射光学元件的该第一相位延迟图形上各点(x，y)的相位延迟(Phase Delay)φ(x，y)是满足：

φ(x，y)＝(f_x*x+f_y*y)+l₁[(x-x₀)²+(y-y₀)²]，其中x及y分别为该绕射光学元件上以该光轴交点为原点时的直角座标的横座标值及纵座标值，l₁、f_x、及f_y为常数；第一相位延迟图形的几何中心与该光轴交点形成的该位移向量等于(x₀，y₀)。

7.如权利要求1所述的装置，其中该绕射光学元件更具有一第二相位延迟图形，该激光光经过该第二相位延迟图形及该透镜于该检测试件上形成具有一第二动量的第二光镊夹。

8.一种使光镊夹具有动量的方法，应用于一可提供具有横向动量的光镊夹产生装置，以在一检测试件上提供一具有一动量的光镊夹，该方法包括：

(a)提供一绕射光学元件，该绕射光学元件具有一相位延迟图形；

(b)提供一激光，该激光通过该相位延迟图形及一透镜，以在该检测试件上产生该光镊夹，该绕射光学元件与该透镜的一光轴相交于一光轴交点；以及

(c)沿着该绕射光学元件的一表面上的一第一方向平移该绕射光学元件，使得该相位延迟图形的几何中心相对该光轴焦点具有一位移向量，以使该光镊夹具有该横向动量；

其中，该位移向量与该动量的方向为相关。

9.如权利要求8所述的方法，其中该绕射光学元件为一可编程绕射光学元件。

10.如权利要求8所述的方法，其中该光镊夹为一直线亮纹。

11.如权利要求8所述的方法，其中该绕射光学元件的该相位延迟图形上各点的相位延迟φ(x，y)满足：φ(x，y)＝(f_x*x+f_y*y)+l₁[(x-x₀)²+(y-y₀)²]，其中x及y分别为该绕射光学元件上以该光轴交点为原点时的直角座标的横座标值及纵座标值，l₁、f_x、及f_y为常数；第一相位延迟图形的几何中心与该光轴交点形成的该位移向量等于(x₀，y₀)。

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