CN106151931B - 具同调性发光单元的可切换光源组件 - Google Patents

Abstract

一种具有同调性发光单元的可切换光源组件，包括同调性发光单元，具有一个出光轴，供射出具有特定波长的同调性光束；还包括设置于出光轴的出光方向切换单元，供至少容许同调性光束部分以一出射轴射出；及一个反射单元，供当同调性发光单元所发同调性光束至少部分被出光方向切换单元改变时，承受至少部分同调性光束并加以反射，其中反射单元包括非平面反射镜及对应非平面反射镜布设的荧光层，荧光层系供至少部分吸收至少部分同调性光束，并供荧光层射出波长较同调性光束更长的可见光。本发明可以提供良好的暗场环境，提升荧光检测的信噪比，使多光源检测时光源切换更加便捷，让光源使用更有弹性。

Description

具同调性发光单元的可切换光源组件

技术领域

一种涉及检测领域，尤其涉及一种能避免杂光干扰荧光影像撷取的具同调性发光单元的可切换光源组件。

背景技术

“人命关天”的概念长期深植民心，因此只要国内发生任何杀人案件，总会成为社会瞩目的焦点，自然地杀人案件就成为国内民众评量治安优劣、警察办案能力及政府效能的指标性案件，如处理不当或迟未侦破，恐将造成严重影响。为确认犯罪对象，过往多以采集到的指纹作为主要证据，随着社会高度发展，犯罪手法亦伴随着科技进步，以及媒体报导而不断翻新，传统所仰赖的指纹等痕迹物证在部分预谋的智能型犯罪中，已经无法发挥有效的功能。

在刑案现场搜寻物证时，常借助目视抑或者打光的方式进行搜查，在搜寻的过程中，一般多先使用波长400-700nm的可见光对犯罪现场四周加以照射，找寻可能残留的痕迹物证，然而，犯案的过程中，加害者可能会受到被害人的强力抵抗而受伤，留下少许的血液痕迹物证，导致犯罪者即便穿戴有手套等脱罪设备，犯罪现场仍会残留皮屑、毛发与血液，甚至唾液，此类含有少许蛋白质成份的物质能吸收波长小于400nm的紫外光，而被激发出微弱的荧光。因此，荧光显微技术除用于生物研究中的细胞分析与追踪外，近年来更延伸至工业检测、伪钞辨识以及上述刑事鉴定等领域，使得撷取荧光显微影像的重要性逐渐提升，常用的荧光影像撷取装置，主要是将一个高频的光照射在具有荧光特性的待观测物上，例如刑案现场疑似血迹的位置，通过激发出一个较低频的荧光，再加上绝佳的滤镜组合，便可清晰的观看或撷取荧光影像。再者，血液是一种难以清洗的物质，只要不经过特别处理(漂白水擦拭)，就会残留于犯罪现场，鉴识人员只需朝向四周喷洒鲁米诺(Luminol)和激发剂溶液(例如：过氧化氢)的混合液，此时被喷洒到的血液，通过血红素中所含有的铁离子催化鲁米诺的发光反应，在约为30秒的时间内会持续发出蓝色光芒，鉴识人员便能有效掌握相关的犯罪佐证。然而，以鲁米诺来作为采证手段容易有破坏物证的疑虑，也会受到前述的漂白水影响，使得鉴识人员在使用上必须更加审慎处理。

为彻底屏除前述疑虑，鉴识人员目前改以多波域光源灯(Alternative lightsource)作为主要的鉴别器材，多波域光源灯系由多个灯源组合而成,且每一灯源分别具有一个特定的波长范围，例如：照明用的一般白光光源(400-700nm)、找寻残留血液的蓝光光源(约为450nm)及用于搜寻唾液的近紫外光源(约为365nm)，并且共同收纳于一个手提箱。这种搜证取得的照片或者影像将会成为刑事侦察、起诉及审判时的关键物证，因此取得佐证图像的方式必须精准细腻，使得如白光影像和紫外光影像可以顺利重叠比较对照，才能经得起重重考验。但多次操作各种灯源，即使尽量力求采取相同角度位置撷取影像，仍难免有所疏漏，这样的操作，造成鉴识人员一定程度的不便。

由于荧光是基于分子中的价电子吸收入射光后，跃迁至高能量轨道，再度由高能量轨道跃迁回基础轨道时，所释放出波长较长、频率较低的光子。相对于入射光照射物体表面的直接反射光、以及照射不平坦表面所造成的漫反射光，由于常见的检测光源为氙气灯，如申请人所提出的一些现有技术则会选用LED灯作为主要光源，但此类光源的出光方向具有一定立体角，即使采用LED光源仍无法避免反射光和漫反射光的干扰，而荧光的强度明显低至少二至三个数量级，其中直接反射光的强度又比漫反射光还要高出至少十至百倍，导致荧光影像的呈现难免受到滋扰，对于此类荧光鉴识的良率构成明显干扰。

另一方面，目前警察若需在黑暗中攻坚时，往往必须一面操作手电筒照亮环境，并同时握持枪械，若有突发状况，很可能让枪械的运用失去稳定性与准确度，使得警方人员的人身安全备受考验。

为此，本发明要提供一种具同调性发光单元的可切换光源组件，充分利用激光(LASER)的同调性和高度能量集中的特性，提供高亮度的准直光，使能配合操作需求，在适当时机确保出光方向单一，以此控制出光方向，筛检掉照射至欲检测目标时的反射光及漫反射光，提升荧光影像的信噪比，优化荧光影像品质；并且通过调整切换，控制激光源反射至涂有荧光粉的非平面反射镜上，使其激发出另一混色光，提供有别于上述准直的同调性光源的第二种光源，有效应付多元的操作需求，增加使用便利性，即使是要鉴识如指纹或血迹等微量荧光蛋白，也可避免喷洒鲁米诺而损坏微弱痕迹物证，使检测的成功率提升，同时改善采证的便利性。

此外，亦可配合操作需求，让激光源部分穿透作为例如枪械的激光瞄准器，另一部分激光则反射涂有荧光粉的非平面反射镜上，使其激发出另一混色光，同步提供可见光照明，让枪械直接配置有双重光源，提升黑暗环境下，警用枪械的操控性，让光源的使用弹性大增。当然，本发明的可切换光源组件也能应用于荧光生物检测，研究例如基因转植，是否顺利制造出荧光蛋白，同样利用同调性光源作为激发光源，切换至第二光源则可作为照明，以此确认实验获取的荧光影像，以便于和第二光源照明下的影像比对。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具同调性发光单元的可切换光源组件，运用同调性光源提供高亮度的准直光，确保第一光源照射的方向，提供良好的暗场光源，提升荧光检测的信噪比。

本发明另一目的是提供一种具同调性发光单元的可切换光源组件，通过出光方向切换单元，控制至少部分同调性光源出光被切换反射至涂有荧光粉的非平面反射镜上，使其部分激发出荧光而混光形成供可见照明的第二光源，让多光源检测时，光源切换便捷。

本发明再一目的是提供一种具同调性发光单元的可切换光源组件，通过出光方向切换单元，可同步提供一准直光源及一可见照明双重光源，让光源使用更有弹性。

为达上述目的，本发明提供一种具有同调性发光单元的可切换光源组件，包括同调性发光单元，具有一个出光轴，供射出具有特定波长的同调性光束；其特征在于，具有同调性发光单元的可切换光源组件还包括：设置于出光轴的出光方向切换单元，供至少容许同调性光束部分以一出射轴射出；及一个反射单元，供当同调性发光单元发射的同调性光束至少部分被出光方向切换单元改变时，承受至少部分同调性光束并加以反射，其中反射单元包括非平面反射镜及对应非平面反射镜布设的荧光层，荧光层系供至少部分吸收至少部分同调性光束，并供荧光层射出波长较同调性光束更长的可见光。

因此，本案所提供的一种具有同调性发光单元的可切换光源组件，通过选择及调节出光方向切换单元，让使用弹性最大化，除可单纯将扩散光束的前进方向直接变更照射到反射单元，让涂于非平面反射镜上的荧光层吸收光能并激发，射出波长较扩散光束长的可见光外，还能将出光方向切换单元从振动反射镜改为部分反射镜，使得扩散光束部分的光子可以直接射出，另一部分则会与荧光层进行混光后射出，让激光及可见光皆可一并向外射出，并运用激光的光学特性营造暗场光学降低漫反射光干扰荧光影像的撷取，让作为呈堂证据的荧光影像其可靠性有效提升、且携带的便利性也获得改善。此外，在生物荧光影像的检验领域，同样能采用本发明的结构，透过可见光确认荧光生物的所在位置，接着运用激光照射荧光生物使其体内植有荧光的细胞被激发而发出荧光，提升本案的使用弹性。再者，本发明的可切换光源组件亦可组设于枪械上，透过同步发光的结构特征，改善过往分别独立操作照明光源及枪械的情况，增加枪械运用的稳定性，保障检警的人身安全。

附图说明

图1为本发明可切换光源组件第一较佳实施例的侧面透视示意图，说明各部件间的结构关联。

图2为图1实施例出光方向切换单元的方块图，说明通过切换开关，使控制器驱使振动反射镜往复位移。

图3为图1实施例中反射单元中振动反射镜的侧面透视部分示意图，说明振动反射镜能在遮断位置及非遮断位置间移动。

图4为本发明第二较佳实施例可切换光源组件的侧面透视示意图，说明采用多个可独立出光的激光二极管。

图5为本发明第三较佳实施例可切换光源组件的侧面透视示意图，用于说明扩散光束照射至出光方向切换单元时，将有少许的光子能穿透射出，一部分的光子则会与荧光层进行混光并向外射出。

图6为图5中反射单元的非平面反射镜的正面示意图，以放大尺寸显示其结构特征。

图7为本发明出光方向切换单元另一实施例的示意图，显现扩散光束照射至出光方向切换单元后，将依照每一片反射镜规划的反射角度射出，使激光及可见光达到同步发射的目的。

图8为本发明可切换光源组件另一结构示意图。

图9为区别图8的实施例示意图，说明同调性光束会经出光方向切换单元转换出光方向，并与下游的反射单元进行混光射出。

附图标记说明：

1、1’、1”、1””…可切换光源组件；2…紫外光激光二极管；

2’…多波域激光二极管；2”…蓝色激光二极管；

20…出光轴；21、21’、21””…同调性光束；

210…原始截面尺寸；23’…转换按钮；

3…扩束单元；31、31”、31”’…扩散光束；

4、4’、4”、4”’、4””…出光方向切换单元；40…出射轴；

41…控制器；43…振动反射镜；

431、431’…遮断位置；433…非遮断位置；

45、45’…切换开关；5、5””…反射单元；

51、51”…非平面反射镜；53、53’、53”…荧光层；

6””…球型罩壳；60””…出光开口。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

鉴识人员在进行犯罪现场的搜索时，势必要厘清所有潜藏的痕迹物证，用以还原曾于犯案场所现踪的每一个嫌疑者，且确保痕迹物证的影像撷取完整无误，为让鉴识人员同时应付多样的使用需求(照明外在环境及激发证据的荧光反应)，即能携带本案的可切换光源组件前往现场搜证，如图1至图3所示，本发明可切换光源组件1的第一较佳实施例，同调性发光单元系以紫外光激光二极管2为例，利用激光所具备的光学特性(包括：发光频率单纯及光行进的方向准直)，使紫外光激光二极管2射出一束波长例如为375nm的同调性光束21，并沿着一个出光轴20准直前进，由于能量非常集中，需经由同样设置于出光轴20上的扩束单元3，将同调性光束21的原始截面尺寸210扩大，从而形成一束平行且截面尺寸较为开阔的扩散光束31，并照射至下游的出光方向切换装置4。在本例中的扩束单元3为一组光学透镜组。

请参考图2所示，本例中的出光方向切换装置4包括有一个受控制器41驱使而在固定距离内往复摆动的振动反射镜43，当鉴识人员须辨识所处环境时，能通过切换开关45的触压，输出一照明信号至控制器41，控制器41指令振动反射镜43，如图3所示，由虚线位置往出光轴20的方向枢转，将振动反射镜43枢转至实线所示的遮断位置431，一旦振动反射镜43位在遮断位置431附近微幅往复振荡，会导致扩散光束31照射至振动反射镜43时，其中绝大部分的光子则会循着反射定律而依照与入射角相等角度往出射轴40的方向射出，使扩散光束31被反射至下游的反射单元5。

扩散光束31中的光子接触至反射单元5中为曲面镜的非平面反射镜51时，大部分的紫外光会被涂于非平面反射镜51上的荧光层53吸收，为符合照明所需，本例中的荧光层53可同时掺杂红、绿及蓝三色荧光粉，经由能阶的跃迁变化激发出波长较入射的紫外光更长的红、绿及蓝三色荧光，以此在混光后提供人眼所认知的白光照明，于此本例的可切换光源组件1即能应付照明需求，提升搜证的便利性。

相对地，当鉴识人员必须借助高频光照射，确认含有荧光蛋白质的血迹或精液等体液等微量的痕迹物证时，可以反向驱动切换开关45，让上述紫外光激光束经过扩束后，直接照射至疑似痕迹物证的位置而尝试激发其荧光反应，此时出光方向切换单元4的控制器41将控制振动反射镜43如虚线所示，往远离出光轴20的方向移动，让扩散光束31能直接射出，为行文便利，定义此时振动反射镜43所处的位置为非遮断位置433。

要确保撷取影像的清晰程度，鉴识人员有时必须变更拍摄位置，相较于一般发散角度很大的光源，由于其光束分别以各不同角度出光，即使操作人员变更照射角度，仍经常会因为直接反射光及漫反射光过强，微弱的荧光蛋白发光太弱而被忽略。本案扩散光束31则具有准直特性，因此在变更照射角度时，将可顺利避开直接反射光及漫反射光较强的角度，营造出暗场(dark field)效果，提升荧光影像的信号信噪比，让撷取微迹物证影像的成功率及便利性获得有效提升、且相较于过往的多波域光源在携带上有着更良好的操作性。

此外，由于激发荧光蛋白时可能是采用紫外光激光，若有影像比对的需求，鉴识人员还可保持在拍摄荧光影像的位置，再次触压切换开关，使本例的可切换光源组件发出白光，而让鉴识人员运用本案的光源组件照明，在相同角度重复撷取另一幅白光影像，提高影像资料的可比对性与可靠度。

另一方面，本案结构也可运用于其他荧光检测领域中，作为荧光生物样品的斑马鱼在目前的生物研究领域中极为常见，主要是因为斑马鱼繁殖量大且繁殖周期短、能产生大量后代，并具有近似人类的基因与部分对应的器官结构等特性，甚至被推广至疾病研究、药物筛选、毒物测试等相关研究，实验员为区分个别植入的基因，有时会刻意让制造出来的荧光蛋白能分别对应相异的激发光源，简化繁琐的实验流程。

为减轻实验员的负担，如图4所示，本发明第二较佳实施例的可切换光源组件1’中的同调性发光单元改为由三个独立发光激光二极管组合形成的多波域激光二极管2’，当需要启动时，实验员能点击额外设置的转换按钮23’让单一色光的激光二极管被选择致能发光，例如将释放红色激光的激光二极管先行致能，经过扩束后，通过红光照明观察确认斑马鱼的所处位置并进行相应的麻醉措施，接着对其解剖。确认无误后，再次以转换按钮23’停止对红色激光二极管的能量供输，并且转为致能另一个激光二极管(蓝色激光)照射斑马鱼体内的器官，此时因植入荧光基因而可产生荧光反应的细胞或器官就会吸收蓝色激光的高频能量，并释放出波长较长、频率较低的例如绿色荧光。但在此类实验中，可能会运用两种甚至更多种相异的荧光基因，生成相异的荧光蛋白，另一相异的基因所造成的荧光蛋白则可能吸收绿色激发光而释放不同色的荧光，例如红光。

由于绿色光既可能是来自前一种荧光蛋白所释放的荧光，也可能是用来测试后一种荧光蛋白实验时的激发光，如何区别两者，尤其是当光源本身涵盖较广的频率范围时，即使增加滤色片(filter)，还是会大幅增加实验人员的困扰，提高误判的可能。当采用本案的光源时，由于激光的出光频率相当纯净，一旦出光由蓝色激光转换为致能绿色激光二极管，就可以很清楚地分辨此时不会有蓝色激光发出，也不会激发出任何绿色荧光，实验员可以轻易通过转换按钮23’，确保实验不致误判。

此外，提交实验数据及相关报告时，通常会一并附上相应的影像或者照片说明实验流程细节，因此可将本例多波域激光二极管2’的三个激光二极管选择性地致能或同时致能。在同时致能时，多波域激光二极管2’发出三束的同调性光束21’，并且触压如前一实施例的切换开关45’，让出光方向切换单元4’的振动反射镜(图中未标出)往遮断位置431’移动，将三束同调性光束21’同步反射至反射单元(图中未标出)，经由对应三束同调性光束21’中至少一者的荧光层53’激发吸收，形成至少四种相异频率光束所组成的白光而便利拍照摄影，避免实验操作过程中还需要额外替换光源操作的繁琐。同样地，由于本案的同调性发光单元具有准直光的特性，能提供较佳的暗场，可以轻易避开直接反射光及漫反射光，以提高信号信噪比而提升实验成功率及可验证性。

本发明第三较佳实施例的可切换光源组件则请参考图5及图6所示，本例中的同调性发光单元改为蓝色激光二极管2”，而出光方向切换单元4”则为一片部分反射镜(例如仅允许45％的光子通过，剩余的55％则会被出光方向切换单元改变前进方向)，因此可让照射至出光方向切换单元4”的扩散光束31”一部分光子直接穿透射出，另一部分的光子则会如第一实施例所述的内容被反射而照射至本例中为多面阵列的非平面反射镜51”，并在其表面涂有对应吸收蓝色激光二极管2”所发蓝光的荧光层53”，其中主要为释放黄光的黄色荧光粉，因此在部分蓝光被反射、部分被吸收的情况下，释放的黄色荧光与被反射蓝光互补而发散出白光。

通过上述的结构设计，使得本例的可切换光源组件1”能同时发出一束蓝色且经过稍微扩束的准直光束以及一束黄蓝混色的广角度白光，将此光源组件组装于检警携配的枪械上时，以蓝色准直光束作为瞄准光源；白光则用于探查搜索，提供检警在进行攻坚任务时，避免同时操作手电筒及枪械的繁杂状况，有效改善枪械操作的稳定性。

当然，如图7所示，本发明的出光方向切换单元4”’还能采用微机电系统(MicroElectroMechanical Systems：MEMS)并作为第四较佳实施例，微机电系统系包括多片微小的反射镜阵列，且每一片反射镜分别由对应的压电晶体(锆钛酸铅：PZT)独立控制每一片反射镜的反射角度，使得扩散光束31”’的光子接触到每一片反射镜后而被改变的前进方向就会显现差异，一部分的光子将会循反射角度直接向外射出，相应地其余光子则会依照反射镜规划的反射方向前进，照射至反射单元(图中未标出)与荧光层(图中未标出)最后混光射出。因此，本例中的可切换光源组件同样具备激光及可见光能同步射出的功效，扩大本发明可切换光源组件的使用弹性。

更进一步改良前述结构，本发明第五较佳实施例请参阅图8及图9，将本发明的可切换光源组件1””设置于一类似积分球(Integrating Sphere)的球型罩壳6””中，在同调性光束21””的前进方向上于球型罩壳6””形成一个出光开口60””，并以出光方向切换单元4””封闭前述出光开口60””，本例中出光方向切换单元4””同样以第一实施例的方式枢转变换，使得同调性光束21””能直接射出，亦能经由出光方向切换单元4””改变前进方向而照射至下游的反射单元5””，混光形成波长较长的任一可见光后射出，前述的简单变动均不影响本案技术特征的施行。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种具有同调性发光单元的可切换光源组件，包括一同调性发光单元，具有一个出光轴，供射出具有一特定波长的同调性光束；其特征在于，所述具有同调性发光单元的可切换光源组件还包括：

一设置于所述出光轴的出光方向切换单元，供至少容许所述同调性光束部分以一出射轴射出；及

一个反射单元，供当所述同调性发光单元发射的所述同调性光束至少部分被所述出光方向切换单元改变时，承受该至少部分所述同调性光束并加以反射，其中所述反射单元包括一非平面反射镜及对应该非平面反射镜布设的荧光层，该荧光层系供至少部分吸收所述同调性光束，并供该荧光层射出波长较所述同调性光束更长的可见光。

2.根据权利要求1所述的具有同调性发光单元的可切换光源组件，其特征在于，所述同调性光束具有一个原始截面尺寸，所述具有同调性发光单元的可切换光源组件还包括一个设置于所述反射单元上游的扩束单元，供将所述同调性光束扩散成为截面大于上述原始截面尺寸的扩散光束照射至所述反射单元。

3.根据权利要求2所述的具有同调性发光单元的可切换光源组件，其特征在于，所述扩束单元是设置于所述同调性发光单元和所述出光方向切换单元之间，以及使得所述扩散光束是一束平行光束。

4.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的具有同调性发光单元的可切换光源组件，其特征在于，所述出光方向切换单元是一个部分反射镜。

5.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的具有同调性发光单元的可切换光源组件，其特征在于，所述出光方向切换单元是一个微机电系统。

6.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的具有同调性发光单元的可切换光源组件，其特征在于，所述出光方向切换单元包括一个振动反射镜，和一个控制前述振动反射镜在前述出光轴的遮断位置和非遮断位置间位移的控制器。

7.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的具有同调性发光单元的可切换光源组件，其特征在于，所述非平面反射镜是一多面阵列。

8.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的具有同调性发光单元的可切换光源组件，其特征在于，所述同调性发光单元是一紫外光激光二极管。

9.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的具有同调性发光单元的可切换光源组件，其特征在于，所述同调性发光单元至少包括一蓝色激光二极管，以及上述荧光层包括有吸收部分上述蓝色激光二极管所发蓝光，并可释放荧光而和上述蓝光共同组成白光的荧光粉。