TWI394984B - 光鑷夾產生裝置與使光鑷夾具有動量之方法以及微粒導引之光鑷夾光場圖形 - Google Patents

Description

光鑷夾產生裝置與使光鑷夾具有動量之方法以及微粒導引之光鑷夾光場圖形

本發明是有關於一種光鑷夾產生裝置，且特別是有關於一種使光鑷夾具有動量之光鑷夾產生裝置。

使用雷射光作為捕捉或控制微粒之光鑷夾技術，由於光的非機械接觸性質，目前已應用於微機電、生醫等領域之相關產品中。由於以雷射光照射粒子時，粒子會朝向光場強度較強之位置移動，因此可對粒子產生一類似於捕捉之效果。當然，藉由光強度梯度的變化，就可以達到雷射光與被照射粒子間產生交互作用力之技術。此外，更可達到在多維空間中同時控制多個粒子運動之效果。

然而，於前述技術中控制粒子運動的機制中，仍須依靠光場強度或繞射光學元件圖案之變化，以使粒子所受到的光壓梯度產生變化，才能產生類似於直線、偏折或漩渦之粒子運動。這些都必須經由改變雷射光之調變器或是外加其他如水流、靜電力之方式去產生動量，才可進一步操控粒子之運動。

本發明係有關於一種光鑷夾產生裝置與使光鑷夾具有動量之方法及微粒導引之光鑷夾光場圖形，係藉由斜向入射之光路設計，而達到驅動、控制或分離多個粒子之光鑷夾效果。

本發明提出一種光鑷夾產生裝置，用以於承載至少一粒子之檢測試件上提供一光鑷夾。光鑷夾產生裝置包括一雷射光源、一繞射光學元件與一聚焦鏡。繞射光學元件係使雷射光源之雷射光穿透後產生一繞射圖形。聚焦鏡則接收從繞射光學元件穿透後之雷射光，並將之聚焦於檢測試件之一平面上。聚焦鏡具有一光軸，此光軸係實質上非垂直於檢測試件之平面，使雷射光斜向入射至檢測試件之平面上，以提供粒子一橫向動量而推動粒子移動。

本發明再提出一種使光鑷夾具有動量之方法，此方法用以於承載有至少一粒子之檢測試件上產生一光鑷夾。方法包括：提供一雷射光源、一繞射光學元件與一聚焦鏡，使聚焦鏡之光軸實質上非垂直於檢測試件之一平面；由雷射光源發射一雷射光，並於雷射光穿透繞射光學元件後產生一繞射圖形；由聚焦鏡接收從繞射光學元件穿透後之雷射光，使雷射光斜向入射至檢測試件之平面上，以提供粒子一橫向動量而推動粒子移動。

本發明另提出一種微粒導引之光鑷夾光場圖形，用以導引一粒子，此光鑷夾光場圖形包括一第一光場圖形與一第二光場圖形。第一光場圖形係大致沿一第一方向延伸，並具有一第一端以及一第二端。第一光場圖形係用以使粒子沿第一光場圖形之第一端向第二端方向移動。第二光場圖形係大致沿一第二方向延伸，並具有一第三端以及一第四端，其中第三端係鄰近第二端。於粒子由第一端向第二端移動過程中，當粒子接觸到第二光場圖形時，粒子將為第二光場圖形牽引而沿著第二方向移動。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1A~1B圖，第1A圖繪示依照本發明一較佳實施例的光鑷夾產生裝置之示意圖，第1B圖繪示第1A圖的檢測試件之局部放大圖。如第1A圖所示，光鑷夾產生裝置1包括一雷射光源11、一繞射光學元件13與一聚焦鏡15。繞射光學元件13係使雷射光源11之雷射光LS穿透後產生一繞射圖形。聚焦鏡15則接收從繞射光學元件13穿透後之雷射光LS，並使之聚焦於一檢測試件100之平面上。此檢測試件100上承載有至少一粒子。聚焦鏡15具有一光軸LX，此光軸LX係實質上非垂直於檢測試件100之平面，使雷射光LS斜向入射至檢測試件100之平面上，以提供粒子一橫向動量而推動粒子移動。

光鑷夾產生裝置1還包括一控制單元17、一透鏡組19與一檢測單元21。透鏡組19位於繞射光學元件13與聚焦鏡15之間，而檢測單元21則設置在相鄰於檢測試件100之位置上。較佳地，繞射光學元件13是一可程式繞射光學元件(programmable diffractive optical element)。檢測單元2l包括一影像感測器，用以觀測檢測試件100。控制單元17係電性連接於繞射光學元件13與影像感測器。藉由控制單元17、繞射光學元件13與影像感測器三者之耦接關係，能夠適時地根據不同的檢測試件100去調整繞射光學元件13之圖案。如此一來，當雷射光LS穿透繞射光學元件13後，於檢測試件100上便能夠獲得不同之繞射圖形，藉此以更換光鑷夾之線形光場。

如第1B圖所示，由於斜向入射之光路設計，當雷射光之光子PL撞擊到粒子B時，光子PL之動量會傳遞給粒子B。光子PL之動量M可以分為一垂直動量M1與一橫向動量M2，沿著粒子B所在平面之橫向動量M2會使粒子B移動。而粒子B移動之方向則實質上為此橫向動量M2之方向。聚焦鏡15之光軸LX與檢測試件100之平面的法線N具有一夾角θ，橫向動量M2之大小實質上與夾角θ之大小相關。

請參照第1C~1D圖，其繪示聚焦鏡與夾角關係之示意圖。夾角θ是由聚焦鏡15實際大小(例如是聚焦鏡15之直徑D)與聚焦鏡15的工作距離W所決定，其中夾角θ之最大角度θ_max 等於ArcTan[D/(2W)]。此夾角θ造成檢測試件100之平面上動量(橫向動量M2)大小與Sin(θ)之值成正比之關係。當此夾角θ越大，橫向動量M2越大。

本實施例更提供一使光鑷夾具有動量之方法，操作步驟如第2圖所示，其繪示依照本發明一較佳實施例的使光鑷夾具有動量的方法之流程圖。方法如步驟201~203所示，提供一雷射光源11、一繞射光學元件13與一聚焦鏡15，並使聚焦鏡15之光軸LX非垂直於一承載有至少一粒子之檢測試件100的平面；由雷射光源11發射一雷射光LS，並使之穿透繞射光學元件13後產生一繞射圖形；由聚焦鏡15接收從繞射光學元件13穿透後之雷射光LS，使雷射光LS斜向入射至檢測試件100之平面上，以提供粒子一橫向動量而推動該粒子移動。

雷射光源11、繞射光學元件13、透鏡組19與聚焦鏡15例如構成一光路單元。此光路單元所產生之光鑷夾導引線可作用於檢測試件100上而形成由不同導引線所組成之光鑷夾光場圖形，以導引粒子移動。此檢測試件100例如是一微流體晶片，在微流體晶片上可設計出多個具有不同功能之微粒儲存槽(例如起始區、觀察區與終點區等)，而這些儲存槽之間則可以利用光鑷夾的導引線作連結，以驅動或控制粒子之運動。

如前所述，由於控制單元17可調整繞射光學元件13，使雷射光LS穿透繞射光學元件13後產生不同之繞射圖形，不同之繞射圖形於檢測試件上例如呈現不同之線形光場圖形(即光學導引線)。光鑷夾之導引線係可藉由繞射光學元件13之設計而作變換。以下舉例作說明藉由在檢測試件上產生多個光場圖形以進行微粒分類之機制。

先以第3A~3B圖為例，其繪示檢測試件上產生三個光場圖形之示意圖。檢測試件100上具有三個光場圖形OT1~OT3(即光學導引線)，其中光場圖形OT2係位於光場圖形OT1之旁側，且二者之間距為D1。另外，部分光場圖形OT2之延伸方向係非平行於光場圖形OT1之延伸方向。光場圖形OT3則位於OT1之延伸方向上，且二者間具有一間隔D2。於檢測試件100上具有一分離區I，光場圖形OT1~OT3之交接處係位於此分離區I中。光場圖形OT1捕捉到大小不同之粒子P1、P2。當粒子P1、P2進入分離區I時，由於大的粒子P2(其中粒子P2之半徑大於間距D1)會被光場圖形OT2之照射到，因而會被吸引到光場圖形OT1與OT2之平行線之間，如第3B圖所示。若是光場圖形OT2之光場強度較大，則粒子P2會被吸引到下方之光場上，即被光場圖形OT2所捕捉。至於粒子P1，粒子P1在光子之橫向動量作用下持續移動，但由於其體積小(粒子P1之半徑小於D1)，在分離區I中並不會受到光場圖形OT2之作用，反而會被鄰接於光場圖形OT1後方之光場圖形OT3所捕捉，如第3A圖所示。

另外，在其他實施例中，只要根據所要分類之粒子大小去調整光鑷夾之光場圖形的間距(其中，間距要大於較小粒子的半經但是小於要分離的較大粒子的半徑)，並將光場之分佈重複，就可以一次分離多個大小不同之粒子。

請參照第3C圖，其繪示檢測試件上具有五個光場圖形之示意圖。如第3C圖所示，藉由繞射光學元件之設計，於檢測試件100上亦可同時產生多個光場圖形OT1’~OT5’。其中OT1’~OT3’之相對配置關係與第3A~3B圖中之OT1~OT3相同而不更動，然係加大光場圖形OT1’、OT2’之間距D3，使間距D3係大於粒子P2的半徑但小於粒子P3的半徑，則光場圖形OT2’可分離出最大之粒子P3。光場圖形OT4’、OT5’與OT3’之交接處係位於分離區II中，而光場圖形OT4’用以分離出體積次大之粒子P2。由於粒子P1之體積最小，無論在分離區I或II中都不會被光場圖形OT2’或OT4’之光場照射到，因而會沿著光場圖形OT1’、OT3’、OT5’移動。如此一來，便可將三種大小不同之粒子P3、P2、P1依序分離開來。

雖然上述是以分類不同半徑大小之粒子作說明，然於其他實施例中，亦可針對具有相同半徑大小之粒子進行分類。請參照第3D圖，其繪示檢測試件上產生五個光場圖形以分離相同大小的粒子之示意圖。如第3D圖所示，檢測試件100上具有光場圖形OT1”~OT5”，其配置關係與第3C圖之光場圖形OT1’~OT5’相同，唯其光場圖形OT2”(OT4”)與光場圖形OT1”(OT3”)之間距D4係根據粒子特性所決定。檢測試件100上具有三種粒子P1’~P3’，其中粒子P1’~P3’之半徑大小相同然其粒子特性各異。藉由檢測單元21(見第1A圖)感測粒子P1’~P3’，便可決定是否將粒子分類出來。舉例來說，當檢測單元21檢測出粒子P3’具有一第一特性時，檢測單元21係傳送一訊號至控制單元17，使控制單元17控制繞射光學元件13，以於檢測試件100上產生光場圖形OT2”。當粒子P3’進入分離區I時，便受到光場圖形OT2”之吸引而沿著光場圖形OT2”移動。同樣的，當檢測單元21檢測出粒子P2’具有一第二特性時，檢測單元21也會傳送一訊號至控制單元17，使控制單元17控制繞射光學元件13，以於檢測試件100上產生光場圖形OT4”。當粒子P2’進入分離區II時，便受到光場圖形OT4”之吸引而沿著光場圖形OT4”移動。如此一來，便可根據粒子特性將相同大小之粒子P3’、P2’、P1’分離開來。

上述實施例中是以利用雷射光斜向入射於檢測試件上，以提供粒子橫向動量以驅動粒子移動。由於在光鑷夾技術中，粒子會朝光場強度最強之位置移動，因而在實際運用時，更可以利用斜向入射之雷射光去搭配光場強度的分佈設計，以進一步控制粒子之運動。光場強度例如是由繞射光學元件13所控制。雷射光穿透繞射光學元件13後於檢測試件100上產生的繞射圖形之光場強度係可為均勻或不均勻。光場強度均勻時，主要可由雷射光斜向入射時所產生之橫向動量控制粒子之運動。當然，也可以藉由在檢測試件100上產生具有不均勻光場強度之光場圖形，以控制粒子之運動。

另外，雖然本實施例之繞射光學元件13是以可程式繞射光學元件作說明，但實際上若是檢測試件的種類具有重複性，則可將可程式繞射光學元件更改為一可替換之繞射光學元件。不同之繞射光學元件係產生相應之光鑷夾設計。請參照第4圖，其繪示一可替換繞射光學元件之示意圖。如第4圖所示，可替換之繞射光學元件23插入繞射元件的卡匣25後，係於檢測試件上產生具有光場圖形210之光鑷夾設計；而繞射光學元件33插入繞射元件的卡匣25後，則於檢測試件上產生具有光場圖形220之光鑷夾設計。如此，僅需要更換繞射光學元件，即可針對不同試件提供較佳之粒子運動控制模式，這樣一來，也可以節省控制單元的成本。

本發明上述實施例所揭露之光鑷夾產生裝置及使光鑷夾具有動量之方法與微粒導引之光鑷夾光場圖形，係利用斜向入射之光路設計，以提供粒子橫向動量而控制粒子運動。因而可於無外加動力或是改變光強度變化下，達到驅動、控制或分離多個粒子之目的。另外，可針對所應用環境或檢測試件去設計繞射光學元件的圖案。其中繞射光學元件之圖案可以預先設計，或是由控制單元進行控制。由於控制單元又可與檢測單元作連線控制，故可針對光鑷夾捕捉粒子之實際狀況，進行即時之迴授控制，再進一步改變繞射光學元件之圖案。如此一來，更大大的提高了光鑷夾應用效果。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．光鑷夾產生裝置

11．．．雷射光源

13、23、33．．．繞射光學元件

15．．．聚焦鏡

17．．．控制單元

19．．．透鏡組

21．．．檢測單元

25．．．卡匣

100．．．檢測試件

B、P1、P2、P3、P1’、P2’、P3’．．．粒子

PL．．．光子

I、II．．．分離區

LS．．．雷射光

LX．．．光軸

M．．．動量

M1．．．垂直動量

M2．．．橫向動量

210、220、OT1、OT2、OT3、OT1’、OT2’、OT3’、OT4’、OT5’、OT1”、OT2”、OT3”、OT4”、OT5”．．．光場圖形

θ．．．夾角

第1A圖繪示依照本發明一較佳實施例的光鑷夾產生裝置之示意圖。

第1B圖繪示第1A圖的檢測試件之局部放大圖。

第1C~1D圖繪示聚焦鏡與夾角關係之示意圖。

第2圖繪示依照本發明一較佳實施例的使光鑷夾具有動量的方法之流程圖。

第3A~3B圖繪示檢測試件上具有三個光場圖形之示意圖。

第3C圖繪示檢測試件上具有五個光場圖形之示意圖。

第3D圖繪示檢測試件上具有五個光場圖形以分離相同大小的粒子之示意圖。

第4圖繪示一可替換繞射光學元件之示意圖。

1．．．光鑷夾產生裝置

11．．．雷射光源

13．．．繞射光學元件

15．．．聚焦鏡

17．．．控制單元

19．．．透鏡組

21．．．檢測單元

100．．．檢測試件

LS．．．雷射光

LX．．．光軸

θ．．．夾角

Claims (15)

1. 一種光鑷夾產生裝置，用以於一檢測試件上提供一光鑷夾，該檢測試件上承載複數個粒子，該裝置包括：一雷射光源，用以輸出雷射光；一繞射光學元件，使雷射光穿透後產生一繞射圖形；以及一聚焦鏡，接收由該繞射光學元件穿透後之雷射光，並將之聚焦於該檢測試件之一平面，以形成一第一光場圖形、一第二光場圖形以及一第三光場圖形於該平面，該聚焦鏡具有一光軸，該光軸係實質上非垂直於該檢測試件之該平面，使雷射光斜向入射至該檢測試件之該平面上，以提供該些粒子一橫向動量而推動該些粒子移動，以分類不同尺寸的該些粒子，其中該第二光場圖形位於該第一光場圖形之一側並與該第一光場圖形相隔一間距以捕捉半徑為第一尺寸的粒子，該第一尺寸大於該間距，該第三光場圖形位於該第一光場圖形之延伸方向以捕捉半徑為第二尺寸的粒子，該第二尺寸小於該間距。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該些粒子實質上沿著該橫向動量之方向移動。
3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該聚焦鏡之該光軸與該檢測試件之該平面之法線係具有一夾角，該橫向動量之大小與該夾角之大小係為相關。
4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該繞射圖形聚焦於該檢測試件上之光強度係均勻或不均勻。
5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該繞射光學元件係一可程式繞射光學元件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該第一光場圖形係大致沿一第一方向延伸，具有一第一端以及一第二端，該第一光場圖形係用以使該些粒子沿該第一光場圖形從該第一端向該第二端方向移動，該第二光場圖形係大致沿一第二方向延伸，該第二光場圖形具有一第三端以及一第四端，該第三端係鄰近該第二端，當半徑為第一尺寸之粒子接觸到該第二光場圖形時，該第一尺寸的粒子將為該第二光場圖形牽引而導向該第二方向移動。
7. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中該第二光場圖形之延伸方向係非平行於該第一光場圖形之延伸方向。
8. 一種使光鑷夾具有動量之方法，用以於承載有複數個粒子之檢測試件上產生一光鑷夾，該方法包括：提供一雷射光源、一繞射光學元件與一聚焦鏡，使該聚焦鏡之光軸實質上非垂直於該檢測試件之一平面；由該雷射光源發射一雷射光，並於穿透該繞射光學元件後產生一繞射圖形；以及由該聚焦鏡接收從該繞射光學元件穿透後之雷射光，使雷射光斜向入射至該檢測試件之該平面上，並形成一第一光場圖形、一第二光場圖形以及一第三光場圖形於該平面，以提供該些粒子一橫向動量而推動該些粒子移動，以分類不同尺寸的該些粒子，其中該第二光場圖形位 於該第一光場圖形之一側並與該第一光場圖形相隔一間距以捕捉半徑為第一尺寸的粒子，該第一尺寸大於該間距，該第三光場圖形位於該第一光場圖形之延伸方向以捕捉半徑為第二尺寸的粒子，該第二尺寸小於該間距。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該粒子實質上沿著該橫向動量之方向移動。
10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該聚焦鏡之該光軸與該檢測試件之該平面之法線係具有一夾角，該橫向動量之大小與該夾角之大小係為相關。
11. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該繞射圖形聚焦於該檢測試件上之光強度係均勻或不均勻。
12. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第一光場圖形係大致沿一第一方向延伸，具有一第一端以及一第二端，該第一光場圖形係用以使該些粒子沿該第一光場圖形從該第一端向該第二端方向移動，該第二光場圖形係大致沿一第二方向延伸，該第二光場圖形具有一第三端以及一第四端，該第三端係鄰近該第二端，當半徑為第一尺寸之粒子接觸到該第二光場圖形時，該第一尺寸的粒子將為該第二光場圖形牽引而導向該第二方向移動。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該第二光場圖形之延伸方向係非平行於該第一光場圖形之延伸方向。
14. 種微粒導引之光鑷夾光場圖形，用以導引複數個粒子，包括： 一第一光場圖形，該第一光場圖形係大致沿一第一方向延伸，具有一第一端以及一第二端，該第一光場圖形係用以使該些粒子沿該第一光場圖形從該第一端向該第二端方向移動；一第二光場圖形，位於該第一光場圖形之一側並與該第一光場圖形相隔一間距以捕捉半徑為第一尺寸的粒子，該第一尺寸大於該間距，該第二光場圖形係大致沿一第二方向延伸，該第二光場圖形具有一第三端以及一第四端，該第三端係鄰近該第二端；以及一第三光場圖形，位於該第一光場圖形之延伸方向以捕捉半徑為第二尺寸的粒子，該第二尺寸小於該間距；其中當以斜向入射之一雷射光提供一橫向動量推動該些粒子，以使該些粒子由該第一端向該第二端移動時，半徑為第一尺寸的粒子接觸到該第二光場圖形時，該第一尺寸的粒子將為該第二光場圖形牽引而導向該第二方向移動，而半徑為第二尺寸的粒子接觸到該第三光場圖形時，該第二尺寸的粒子將為該第三光場圖形牽引而導向該第一方向移動。
15. 如申請專利範圍第14項所述之光鑷夾光場圖形，其中該第二光場圖形係為當偵測到該些粒子出現，始受控制而產生者。