CN105122093A

CN105122093A - 棱镜及应用此棱镜的光学检测系统

Info

Publication number: CN105122093A
Application number: CN201380074183.5A
Authority: CN
Inventors: 陈浩夫; 李光申
Original assignee: National Yang Ming University NYMU
Current assignee: National Yang Ming Chiao Tung University NYCU
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: EP2966482B1; WO2014134923A1; EP2966482A1; EP2966482A4; CN105122093B

Abstract

一种棱镜及应用此棱镜的光学检测系统。该棱镜(223)包含一下平面(223a)、一上平面(223b)、一第一侧面(223c)、一第二侧面(223d)，其中第一侧面(223c)以及第二侧面(223d)位于上平面(223b)与下平面(223a)之间，且第一侧面(223c)以及第二侧面(223d)为一维抛物曲面，下平面(223a)系用以接收光线，第一侧面(223c)用于反射来自下平面(223a)的光线至上平面(223b)，第二侧面(223d)系用于反射来自上平面(223b)的光线至下平面(223a)，进而将光线进行后续的处理。

Description

棱镜及应用此棱镜的光学检测系统

技术领域

本发明涉及一种光学技术领域，特别是一种棱镜和应用此棱镜的光学检测系统。背景技术

通过光学检测系统可以对目标物进行检测，以得到详尽的分析信息，其中，表面等离子波（Surface Plasmon Waves)的应用是藉由光所激发的表面等离子波对目标物进行分析，目前巳经广泛应用于生物检测及其分子动力学的研究上，其中包括生物传感器、免疫诊断、抗体及抗原反应动态分析。藉由抗原与相对应的抗体的化学结合专一性，表面等离子共振于生物医学科学研究上，主要运用在抗体抗原之间化学结合的动态分析。其衍生的应用包括生物分子存在的检测、特定致病细菌亚种的检测、以及特定病毒的检测和分类。其中生物分子存在的检测是目前表面等离子波在生物医学科学研究上最主要的衍生应用，例如在发炎分子标记，利用 C反应蛋白 ( C-reactive protein ) 在心血管疾病的检测，对于特定致病细菌亚种的检测、及特定病毒的检测和分类。

表面等离子波传感器的基本架设形式为：利用激光光照射金属与非导电介质界面，于其上激发表面等离子波。而非导电介质的折射率若有变化，即改变了表面等离子波的共振条件。

此一改变可藉由测量激光束反射光的光学性质而得，依据测量的物理量不同，可分类为角度、振幅、波长、以及相位等测量模式。以测量的操作而言，振幅、相位等量测模式于测量时虽属静态系统，然测量前需调整光路架设，使激光光源入射角度固定于振幅变化最大的角度或能量耦合的最佳共振角，以检测介质折射率造成的变化。当系统的设计无法调整入射角时，其可检测的折射率范围及灵敏度将受到很大的限制。唯于波长模式操作下，不改变入射角尚可获得不错的测量动态范围及灵敏度。而角度量测模式属于动态系统，测量时需不断的扫描光入射角。

传统的表面等离子共振仪大多以双轴旋转扫描平台（two-arm rotating stage) 做相对应的旋转运动，藉以达到调控光入射角度的功能。以这种方式控制入射角度会有如下缺点：

a. 入射光源及接收端并不是固定的，此将限制光源系统及光检测系统的大小、重量及其复杂度，此亦代表着它在相位及振幅等检测方式将会受到限制。

b. 两个旋转平台在控制的精度 (resolut ion)、稳定度（stabil ity)，精密定位及价格上不如单一的线性步进移动平台。

c 因为光学组件置具机构的限制，此设计的棱镜耦合面以垂直于水平面置放为大宗，当使用耦合油（matching oil)做为试片及棱镜的接合，在长时间的使用下容易蒸发干燥，系统稳定度及长时间测量一致性不佳。

d. 此棱镜耦合面置放方式亦不适合微流道的设计与操作。

e. 此棱镜耦合面置放方式亦无法方便的与影像系统结合，特别是与显微影像系统的结合。这是由于显微影像系统多采取垂直式影像撷取光路的设计。

另有运用如点扫描共焦显微镜的镜片光扫描方式（galvo mirror scanning method)结合双透镜以达到光入射角调变，唯此方式将使得光线在离开光耦合棱镜后进入光检测器的光路偏离正入射角，以致无法进行光相位检测。而光相位检测通常具有较高的灵敏度。

近年来各种检测模式的机型虽各有千秋，但仍缺乏足以整合数种模式于一机型的设计，以现有装置而言，具大量测范围（dynamic range) 的操作模式 (共振角及振幅测量模式)通常无法达到高灵敏度量测的要求，具高灵敏度量测特性者 (光相位测量模式），其入射角不可调整，故其量测范围极小。

如美国专利 US7265844所揭露的一种可改善光路的水平表面等离子共振仪，其需透过复杂的机械连动及具特殊曲线的滑轨来调整光入射角并同时保持光源及光检测单元固定，该装置的精度及稳定度也不高。

另外，图 1显示了本案发明人先前的表面等离子波检测系统的结构，如图所示，该表面等离子波系统 100包含一光源单元 110、一控制单元 120、一检测单元 130以及一处理单元 140。

该光源单元 110包含：一激光光源 111、一极化分光片 112以及一半波长波片 113，用以将光线导入该控制单元 120。该控制单元 120包含：一步进马达 121、一直角三角镜片 122、二维抛物面镜 123a、 123b以及一半球形透镜 124。光线由该三角镜片 122导入该二维抛物面镜 123a，该二维抛物面镜 123a先将光线导入该半球形透镜 124，该半球形透镜 124将导入该二维抛物面镜 123b，最后光线再由该二维抛物面镜 123b导入该三角镜片 122输出至该检测单元 130。

该检测单元 130包括：一非极化分光片 131、一极化分光片 132、一检测器 133、一放大器 134、一波片 135以及一控制器 125，经由该检测单元 130检测所输出的光特性，再将讯号传送至该处理单元 140，以进行进一步的分析。

使用者通过步进马达 121以及二维抛物面镜 123a、 123b的调整，可以检测目标物使光线入射角度固定于振幅变化最大的角度或能量耦合的最佳共振角，以检测介质折射率造成的变化。

然而，半球形透镜以及二维抛物面镜皆容易造成光路调教的复杂度及长时间的稳定性，入射光些许的光路偏移将因二维抛物面镜及半球形透镜而造成入射角的误差及光路偏移放大，此特性将导致接收端在光相位及共振角检测的困难，轻则造成检测误差，重则造成无法检测的情形，且此系统需要同时通过兩个二维离轴抛物面镜 123a、 123b的搭配使用，兩个二维抛物面镜及半球形透镜的相对位置调校并不容易，因而使用者不易在大角度的扫喵范围下同时使到达该检测单元 130的光路不变，若欲要求到达该检测单元 130的光路在大角度的扫喵下不发生光路偏移，需耗费许多时间来调校光路。且此设计因该半球透镜 124及该二维抛物面镜 123a、 123b的聚焦作用，其光激发点将非常小，仅可做单点或单流道检测。另外，此设计缺乏将水平行进的光线导引成垂直行进的光线的反射镜，故不易与显微镜平台结合。

发明内容本发明的一个目的是提供一种解决上述技术问题的棱镜。

本发明的另一个目的是提供一种使用解决上述技术问题的棱镜的光学检测系统。本发明的棱镜包含一下平面、一上平面、一第一侧面以及一第二侧面，其中第一侧面以及第二侧面为一维抛物曲面；

下平面用于接收一光线，上平面位于下平面对侧，第一侧面用于反射来自下平面的光线至上平面，第二侧面用于反射来自上平面的光线至下平面；其中第一侧面以及第二侧面位于上平面与下平面之间。

较佳地，光线分别通过第一侧面以及第二侧面的全内反射角进行反射，光线从第一侧面反射至上平面的夹角大于全内反射临界角，上平面反射至第二侧面的夹角大于全内反射临界角，因此在棱镜内所产生之反射皆为全反射，棱镜内层表面不需经过镜面涂布等处理即可达成全反射之效果。

本发明的光学检测系统包含一光源单元、一控制单元以及一检测单元; 所述光源单元用于提供一光源；所述控制单元包含一棱镜和一检测单元；棱镜包含一下平面、一上平面、一第一侧面、一第二侧面，其中第一侧面以及第二侧面位于上平面与下平面之间，且第一侧面以及第二侧面为一维抛物曲面；

光线进入控制单元后，将光线导入棱镜的下平面，下平面则将光线反射至棱镜的第一侧面，接着，第一侧面将光线再反射至棱镜的上平面，之后，上平面再将光线射向第二侧面，同样地，第二侧面将光线再反射至棱镜之下平面，最后，将光线输入至检测单元；

检测单元系检测来自该控制单元的光线，以输出一讯号。

较佳地，控制单元还包含一三角镜片，该三角镜片包含一第一反射面以及一第二反射面，其中该第一反射面接收来至该光源单元的光线并将该光线导入该棱镜，该第二反射面接收来至该棱镜的光线并将该光线导入该检测单元。

较佳地，控制单元还包含一第一动力提供器以及一第二动力提供器，第一动力提供器连接于该三角镜片，第二动力提供器连接于该棱镜。

较佳地，光学检测系统还包含一处理单元，用以接收该讯号以进行后续分析处理。

使用者通过第一动力提供器控制光线进入棱镜的入射角度、通过第二动力提供器进行固定光入射角的光线多点扫描，可以检测目标物使光线射入该棱镜的入射角度固定于振幅变化最大的角度或能量耦合的最佳共振角度，以检测介质折射率造成的变化。

相对于上述现有技术，藉由本发明中光源单元及检测单元固定，但具可调整及可扫描光入射角的特征，可使同时进行共振角、振幅、波长、相位等表面等离子波测量模式，兼具大量测范围及高灵敏度量测特性，且光路路径调校容易，此外，本发明亦可轻易与显微镜系统结合，相当具有实用性。

相对于上述现有技术，由于本发明的棱镜运用抛物曲面 (第一侧面及第二侧面)及焦线所在的平面 (上平面）的三个全反射来反射激发光，将其利用于光学检测系统可达到大量简化光路调教程序、系统微型化、无需折射率親合油 (refractive index matching oi l) , 可长时间量测并具低成本及可抛式特性等优点。

本发明的优点与精神，以及更详细的实施方式可以通过以下的实施方式以及附图得到进一步的了解。

附图说明图 1是现有技术的表面等离子波检测系统的示意图；

图 2a是本发明的棱镜外形示意图；图 2b是本发明的棱镜的光线路径示意图；图 2c是本发明的棱镜侧面的光线路径示意图；图 3是本发明的光学检测系统示意图；图 4是本发明的光学检测系统的三角镜片示意图；

图 5a是传统杜夫棱镜外形示意图；以及图 5b是传统杜夫棱镜的光线路径示意图。

附图标记说明，光学检测系统： 100、 200；光源单元： 110、 210；激光光源： 111、 211；极化分光片： 1 12、 212；半波长波片： 113、 213；控制单元： 120、 220；步进马达： 121 ; 第一动力提供器： 221 ; 直角三角镜片： 122 ; 三角镜片： 222 ; 三角镜片之第一反射面： 222a; 三角镜片之第二反射面： 222b; 二维抛物面镜： 123a、 123b ; 棱镜： 223 ; 下平面： 223a; 上平面： 223b ; 第一侧面： 223c ; 第二侧面： 223d; 半球形透镜： 124; 控制器： 125、 225；第二动力提供器： 227 ; 检测单元： 130、 230；非极化分光片： 131、 231；极化分光片： 132、 232；检测器： 133、 233；放大器： 134、 234；波片： 135、 235；处理单元： 140、 240；光线从第一侧面反射至上平面的夹角： θ _{1 ;}光线从上平面反射至第二侧面的夹角： θ _{2 ;}光线射至下平面的入射角： θ _{1 ;}光线射入下平面的折射角： 9 _t。

具体实施方式图 2a显示了本发明的棱镜外形，图 2b显示了本发明的棱镜的光线路径，本发明的棱镜 223包含一下平面 223a、一上平面 223b、一第一侧面 223c 以及一第二侧面 223d。

下平面 223a用于接收一光线，上平面 223b位于下平面 223a对侧，第一侧面 223c用于反射来自下平面 223a的光线至上平面 223b，第二侧面 223d 用于反射来自上平面 223b的光线至下平面 223a; 其中第一侧面 223c以及第二侧面 223d位于上平面 223b与下平面 223a之间。

棱镜 223的第一侧面 223c以及第二侧面 223d为一维抛物曲面，因此光线会被抛物曲面导至一焦线，焦线一般位于棱镜的上平面 223b，但若要将一建构有微流体的玻片结合在本发明的棱镜 223，即需将棱镜 223削除掉玻片的厚度，使抛物曲面的焦线能位于玻片的上平面，并将耦合油涂布于玻片与棱镜 223之间，使两者可视为一个整体的光学组件。而本发明的光线分别通过第一侧面 223c以及第二侧面 223d的内反射角进行反射，光线从第一侧面 223c反射至上平面 223b的夹角 Θ ₁大于全内反射临界角，光线从上平面 223b反射至第二侧面 223d的夹角 Θ ₂亦大于全内反射临界角，本发明并不以此为限。

其中，本发明的入射光由下平面 223a射入棱镜 223，在棱镜 223内的入射光及出射光皆平行光轴，本发明并不以此为限。

在一实施例中，棱镜 223的下平面 223a平行于上平面 223b，但下平面 223a亦可不平行于上平面 223b，本发明不以此为限。图 2c显示了本发明的棱镜侧面的光线路径，此时该下平面 223a不平行于该上平面 223b，光线射至下平面的入射角 θ ,以及光线射入下平面的折射角 Θ _t并无限制，但该棱镜 223中的光线路径会平行于该上平面 223b的入射面（plane of incidence) , 当下平面 223a不平行于上平面 223b时，可避免光线的主路径发生多重反射干扰，也可以避免光线非垂直入射 (normal incidence)造成角度变化时检测点漂移的问题，本发明不以此为限。

在一实施例中，棱镜 223可用光学树脂配合射出成型制作，本发明不以此为限。

图 3显示了本发明的光学检测系统，图 4显示了本发明的光学检测系统的三角镜片，本发明光学检测系统 200包含一光源单元 210、一控制单元 220、一检测单元 230以及一处理单元 240。

光源单元 210包含：一激光光源 211 (Semiconductor laser)、一极化分光片 212 (Polarized beam spl itter or polarizer)以及一半波长波片 213 (Half wave plate) , 该激光光源 211用于提供一光源，再通过极化分光片 212以及半波长波片 213将光线导入该控制单元 220。该激光光源 211 也可使用发光二极管 (LED)或其它光源替代，本发明不以此为限。

控制单元 220包含：一第一动力提供器 221、一三角镜片 222 (Triangle mirror) , 一棱镜 223、一控制器 225以及一第二动力提供器 227，其中该三角镜片 222具有一第一反射面 222a以及一第二反射面 222b。

光线进入该控制单元 220后，藉由该三角镜片 222的该第一反射面 222a 将水平行进的光线导入棱镜 223的下平面 223a，下平面 223a则将水平行进的光线反射至棱镜 223的第一侧面 223c，接着，第一侧面 223c将光线再反射至棱镜 223的上平面 223b，之后，上平面 223b再将光线射向第二侧面 223d, 同样地，第二侧面 223d将光线再反射至棱镜 223的下平面 223a，最后，光线被导回至三角镜片 222的第二反射面 222b，交由该三角镜片 222 的该第二反射面 222b将光线输入至该检测单元 230。

三角镜片 222的两反射面的夹角（theta)不限于 90度直角，该三角面镜的位移量（LM)与光线平移（LB)关系为 LB=LM*sin (theta)。当三角面镜 222 的两反射面的夹角不为 90度时， sin (theta)为光位移分辨率强化因子。当夹角为 90度时，第二反射面 222b所反射的光线将与该第一反射面 222a的入射光的延伸线重合。该三角面镜 222可由偏振或非偏振分光镜取代，本发明不以此为限。

在一实施例中，第一动力提供器 221连接于三角镜片 222，用于形成一移动平台（图中未显示），提供移动光线于该三角镜片 222上的反射位置所需的动力，藉由移动平台的移动可改变光线射入棱镜 223的入射角度，第一动力提供器 221可为一步进马达 (Motorized stage)，本发明不以此为限。

在一实施例中，第二动力提供器 227连接于棱镜 223，用于形成另一移动平台（图中未显示），提供移动光线于第一侧面 223c以及第二侧面 223d 上的反射位置所需的动力，藉由移动平台的移动可导引光线在该上平面 223b进行固定光线入射角度的光扫描，扫描角度由入射光到光轴的距离来决定，其扫描范围由尺寸设计决定，第二动力提供器 227亦可为一步进马达，本发明不以此为限。

本发明所使用的棱镜与传统的杜夫棱镜 (Dove Prism)是完全不相同的，若如图 5a所示的传统杜夫棱镜，如图 5b所示的传统杜夫棱镜的光线路径，杜夫棱镜是运用光折射原理将激发光折射到下平面上产生渐逝波，激发光到达杜夫棱镜时会发生部分反射及部分折射，并非所有的光能量皆用来激发表面等离子波。本发明所使用的棱镜是运用全反射原理将所有的光能量皆用来激发表面等离子波。并且杜夫棱棱镜只能用于固定入射角，并无法达到如本发明所使用的棱镜可做入射角扫描的效果。

在一实施例中，光源单元 210所提供的光源为点光源，若将本发明的光学检测系统 200运用于表面等离子波生医检测器时，则可进行多点检测，若光源单元 210所提供的光源为为一线光源时，本发明的光学检测系统 200 可进行多流道或线形分布的多点同时检测。

控制器 225分别与第一动力提供器 221及第二动力提供器 227电连接，用以控制该些移动平台的移动方向及位置。

检测单元 230包括：一非极化分光片 231 (Non-polarized beam splitter)、一极化分光片 232 (Polarized beam splitter)、至少一检测器 233、一放大器 234 (amplifier)以及一波片 235 (wave plate) , 经由检测单元 230检测此时光的特性，而产生一讯号，再将该讯号传送至处理单元 240，以进行进一步的分析。一实施例中，该检测器可为一光电二极管

(photodiode)、一 CCD (Charge- coupled Device)感光组件或一

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 感光组件，本发明不以此为限。该波片 235可为 1/4波片（1/4 wave plate) , 本发明不以此为限。

处理单元 240用于接收该讯号以进行后续分析处理，同时，该控制单元 220中的控制器 225也电连接于处理单元 240，藉由处理单元 240发送讯号控制控制器 225，因此处理单元 240可以同时接收来自检测单元 230以及控制单元 220的讯号进行处理。一实施例中，该处理单元 240可为一计算机，本发明不以此为限。

本发明所提供的光学检测系统通过棱镜 223的第一侧面 223c、第二侧面 223d以及焦线所在的平面，也就是上平面 223b的三个全反射来反射光线，光线于单一个棱镜 223中即可达大量简化光路调教程序的效果、将系统微型化功能、且无需折射率耦合油（refractive index matching oil)、可做长时间量测并具低成本及可抛式特性等优点。

此外，使用者通过第一动力提供器 221、第二动力提供器 227以及棱镜 223的搭配调整，可以检测目标物使光线射入上平面 223b的入射角度固定于振幅变化最大的角度或能量耦合的最佳共振角度，以检测介质折射率造成的变化，因第一侧面 223c以及第二侧面 223d为抛物面镜，皆为一维走向，故光路较单纯，因此可在光源单元及检测单元固定，即固定射入及接收光线位置的情况下，完成光线入射角度的调变，且光路调校容易，相当具有实用性。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims

权利要求书

1、一种棱镜，包含：

一下平面，用于接收一光线；

一上平面，位于所述下平面对侧；

一第一侧面，为一维抛物曲面，用于反射来自下平面的光线至所述上平面；以及

一第二侧面，为一维抛物曲面，用于反射来自上平面的光线至所述下平面；

其中，所述第一侧面以及第二侧面位于所述上平面与下平面之间。

2、如权利要求 1所述的棱镜，其中所述光线分别通过所述第一侧面及第二侧面的内反射角进行反射。

3、如权利要求 2所述的棱镜，其中所述光线从第一侧面反射至上平面的夹角大于全内反射临界角。

4、如权利要求 3所述的棱镜，其中所述光线从上平面反射至第二侧面的夹角大于全内反射临界角。

5、如权利要求 4所述的棱镜，其中所述棱镜的下平面平行于上平面。

6、如权利要求 4所述的棱镜，其中所述棱镜的下平面不平行于上平面。

7、如权利要求 1所述的棱镜，其中所述棱镜可结合一建构有微流体的玻片。

8、一种光学检测系统，包含：

一光源单元，用以提供一光线；

一控制单元，包含：

一棱镜，包含：

一下平面，用于接收该光线；

一上平面，位于所述下平面对侧；

一第一侧面，为一维抛物曲面，用于反射来自下平面的光线至上平面；以及

一第二侧面，为一维抛物曲面，用于反射来自上平面的光线至下平面；其中，第一侧面以及第二侧面位于上平面以与下平面之间；以及一检测单元，用于检测来自控制单元的光线，以输出一讯号。

9、如权利要求 8所述的光学检测系统，其中所述光源单元包含一激光光源或一发光二极管光源。

10、如权利要求 9所述的光学检测系统，其中所述光源单元还包含一极化分光片及一半波长波片。

11、如权利要求 8所述的光学检测系统，其中所述控制单元还包含一三角镜片，所述三角镜片包含一第一反射面以及一第二反射面，其中所述第一反射面接收来自光源单元的光线并将该光线导入棱镜的下平面，所述第二反射面接收来自该棱镜的下平面的光线，并将该光线导入检测单元。

12、如权利要求 11所述的光学检测系统，其中所述控制单元还包含一第一动力提供器，所述第一动力提供器连接于所述三角镜片。

13、如权利要求 12所述的光学检测系统，其中所述控制单元还包含一第二动力提供器，所述第二动力提供器连接于所述棱镜。

14、如权利要求 13所述的光学检测系统，其中所述第一动力提供器以及第二动力提供器为步进马达。

15、如权利要求 13所述的光学检测系统，其中所述控制单元还包含一控制器，且所述控制器分别电连接于所述第一动力提供器以及第二动力提供器。

16、如权利要求 8所述的光学检测系统，其中所述光线分别通过所述第一侧面以及第二侧面的内反射角进行反射。

17、如权利要求 16所述的光学检测系统，其中所述光线从所述第一侧面反射至所述上平面的夹角大于全内反射临界角。

18、如权利要求 17所述的光学检测系统，其中所述光线从所述上平面反射至所述第二侧面的夹角大于全内反射临界角。

19、如权利要求 18所述的光学检测系统，其中所述棱镜的下平面平行于上平面。

20、如权利要求 18所述的光学检测系统，其中所述棱镜的下平面不平行于上平面。

21、如权利要求 8所述的光学检测系统，其中所述检测单元包含一非极化分光片、一极化分光片、一放大器、一波片以及至少一检测器。

22、如权利要求 20所述的光学检测系统，其中所述检测器为一光电二极管、一 CCD感光组件或一 CMOS感光组件。

23、如权利要求 8所述的光学检测系统，还包含一处理单元，用于接收该讯号以进行后续分析处理。

24、如权利要求 23所述的光学检测系统，其中所述处理单元为一计算机。

25、如权利要求 8所述的光学检测系统，其中所述棱镜用光学树脂配合射出成型制成。

26、如权利要求 8所述的光学检测系统，其中所述棱镜可结合一建构有微流体的玻片。