TWI557405B - 光學檢測系統 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種光學檢測系統，特別是關於具有應用於表面電漿波及侷限型表面電漿波的光學檢測系統。
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、和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、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。當非導電介質之折射率發生變化，表面電漿波的共振條件即隨之改變。
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、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隨介電質折射率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，唯靈敏度不及相位測量模式。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，此設計的菱鏡耦合面以垂直於水平面置放為大宗，當使用耦合油(matching oil)做為試片及菱鏡的接合，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.此菱鏡耦合面置放方式亦不適合微流道的設計與操作。
e.此菱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菱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。該控制單元包含一第一轉折面鏡、一第一一維離軸拋物面鏡、一第二一維離軸拋物面鏡、一圓柱形透鏡以及一第二轉折面鏡。
該第一轉折面鏡係以接收光源；該圓柱形透鏡係設置於該第一離軸拋物面鏡以及該第二離軸拋物面鏡之間；其中，該第一轉折面鏡將該光線導入該第一一維離軸拋物面鏡，該第一一維離軸拋物面鏡將該光線導入該圓柱形透鏡，該圓柱形透鏡將該光線導入該第二一維離軸拋物面鏡，該第二一維離軸拋物面鏡將該光線導入該第二轉折面鏡，該第二轉折面鏡再將該光線導出。
該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第一轉折面鏡，該第二反射面接收來至該第二轉折面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第一轉折面鏡以及該第二轉折面鏡。
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圓柱形透鏡的入射角度、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圓柱形透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。
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
223a‧‧‧第一一維離軸拋物面鏡
223b‧‧‧第二一維離軸拋物面鏡
124‧‧‧半球形透鏡
224‧‧‧圓柱形透鏡
125、225‧‧‧控制器
226a‧‧‧第一轉折面鏡
226b‧‧‧第二轉折面鏡
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
251‧‧‧點光源於圓柱形透鏡平面上所產生之光線
252‧‧‧線形光源於圓柱形透鏡平面上所產生之光線
第一圖係習知技術之表面電漿波檢測系統的示意圖。
第二圖係本發明光學檢測系統之示意圖。
第三圖係本發明光學檢測系統之三角鏡片示意圖。
第四圖係本發明光學檢測系統運用於表面電漿波生醫檢測器之多點檢測示意圖。
第五圖係本發明光學檢測系統運用於表面電漿波生醫檢測器之多流道或線形分佈之多點同時檢測示意圖。
請參考第二圖及第三圖，第二圖係本發明光學檢測系統之示意圖，第三圖係本發明光學檢測系統之三角鏡片示意圖，於此實施例中，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(Polarizing beam splitter or polarizer)以及一半波長波片2123(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212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)、一第一轉折面鏡226a、一第一一維離軸拋物面鏡223a(one-dimensional off-axis parabolic mirror)、一第二一維離軸拋物面鏡223b、一圓柱形透鏡(cylindrical lens)224、一控制器225、一第二轉折面鏡226b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。該第一一維離軸拋物面鏡223a及該第二一維離軸拋物面鏡223b的入射面(incident plane)分別垂直於該第一轉折面鏡226a及該第二轉折面鏡226b的入射面。該圓柱形透鏡224係對稱地設置於該第一一維離軸拋物面鏡223a以及該第二一維離軸拋物面鏡223b之間的光軸上。
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該第一轉折面鏡226a，該第一轉折面鏡226a則將水平行進的光線改為垂直行進並射向該第一一維離軸拋物面鏡223a，接著，該第一一維離軸拋物面鏡223a將光線射入該圓柱形透鏡224，並在其平面的部份經全內反射產生漸逝波，之後，該圓柱形透鏡224再將光線射向該第二一維離軸拋物面鏡223b，同樣地，該第二一維離軸拋物面鏡223b將光線改為垂直行進射向該第二轉折面鏡226b，最後，再由該第二轉折面鏡226b將垂直行進的光線改回水平行進的光線導回該三角鏡片222的該第二反射面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，其中該第二轉折面鏡226b的出射光平行於該第一轉折面鏡226a的入射光。
上述實施例，該三角鏡片222的兩反射面之夾角(theta)不限於90度直角，該三角面鏡222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。
一實施例中，該三角面鏡222可為反射面鏡或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，該三角面鏡222可為單一反射面鏡，本發明不以此為限。
一實施例中，該第一轉折面鏡226a以及該第二轉折面鏡226b可為單一轉折面鏡，本發明不以此為限。
一實施例中，該第一一維離軸拋物面鏡223a與該第二一維離軸拋物面鏡223b可為非分離的單一拋物面鏡或不相同規格的兩個一維離軸拋物面鏡，本發明不以此為限。
一實施例中，該第一一維離軸拋物面鏡223a以及該第二一維離軸拋物面鏡223b之中心角度為40°~50°、焦距為45~55mm、直徑為1~3吋，其中以45°為最佳實施的中心角度，以50.8 mm為最佳實施的焦距，以2吋為最佳實施的直徑，本發明不以此為限。
在一實施例中，該圓柱形透鏡224可為一半圓柱形透鏡，係設置於該第一一維離軸拋物面鏡223a以及該第二一維離軸拋物面鏡223b之間的對稱軸上，本發明不以此為限。
一實施例中，該第一動力提供器221連接於該三角鏡片222所座落的一移動平台(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該圓柱形透鏡224的入射角度，該第一動力提供器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連接於該第一轉折面鏡226a以及該第二轉折面鏡226b(該第一轉折面鏡226a以及該第二轉折面鏡226b可為同一面鏡)所座落的另一移動平台(圖未示)，提供移動光線於該第一轉折面鏡226a以及該第二轉折面鏡226b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圓柱形透鏡224的平面部分進行固定光線入射角度之線形光掃描，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。此外，於此實施例中，如第四圖所示，該光源單元210所提供的光源為點光源，因此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，可進行多點檢測。
另一實施例中，如第五圖所示，若該光源單元210所提供的光源為為一線形光源時，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。
該控制器225分別與該第一動力提供器221及該第二動力提供器227電性連接，用以控制該些移動平台的移動方向及位置。
該偵測單元230包括：一非極化分光片231(Non-polarizing
beam splitter)、一極化分光片232(Polarizing beam splitter)、至少一偵測器233、一放大器234(amplifier)以及一波片235(wave plate)，經由該偵測單元230偵測此時光的特性，而產生一訊號，再將該訊號傳送至該處理單元240，以進行進一步的分析。一實施例中，該偵測器233可為光電二極體(photodiode)、CCD或CMOS感光元件，該波片235可為1/4波片(1/4 wave plate)，本發明不以此為限。
該處理單元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中的該控制器225也電性連接於該處理單元240，藉由該處理單元240發送訊號控制該控制器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。
使用者透過該第一動力提供器221、該第二動力提供器227以及該第一一維離軸拋物面鏡223a、該第二一維離軸拋物面鏡223b與該第一轉折面鏡226a、該第二轉折面鏡226b的搭配調整，可以偵測目標物使光線射入該圓柱形透鏡224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，因拋物面鏡為一維走向，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。
200‧‧‧光學檢測系統
210‧‧‧光源單元
211‧‧‧雷射光源
212‧‧‧極化分光片
213‧‧‧半波長波片
220‧‧‧控制單元
221‧‧‧第一動力提供器
222‧‧‧三角鏡片
223a‧‧‧第一一維離軸拋物面鏡
223b‧‧‧第二一維離軸拋物面鏡
224‧‧‧圓柱形透鏡
225‧‧‧控制器
226a‧‧‧第一轉折面鏡
226b‧‧‧第二轉折面鏡
227‧‧‧第二動力提供器
230‧‧‧偵測單元
231‧‧‧非極化分光片
232‧‧‧極化分光片
233‧‧‧偵測器
234‧‧‧放大器
235‧‧‧波片
240‧‧‧處理單元
Claims (17)
- 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：一第一轉折面鏡，用以接收該光線；一第一一維離軸拋物面鏡；一第二一維離軸拋物面鏡；一圓柱形透鏡，設置於該第一一維離軸拋物面鏡以及該第二一維離軸拋物面鏡之間；以及一第二轉折面鏡；其中，該第一轉折面鏡將該光線導入該第一一維離軸拋物面鏡，該第一一維離軸拋物面鏡將該光線導入該圓柱形透鏡，該圓柱形透鏡將該光線導入該第二一維離軸拋物面鏡，該第二一維離軸拋物面鏡將該光線導入該第二轉折面鏡，該第二轉折面鏡再將該光線導出；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。
- 如申請專利範圍第1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。
- 如申請專利範圍第1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。
- 如申請專利範圍第1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至該光源單元的光線並將該光線導入該第一轉折面鏡，該第二反射面接收來至該第二轉折面鏡的光線並將該光線導入該偵測單元。
- 如申請專利範圍第4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。
- 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第二動力提供器，該第二動力提供器連接於該第一轉折面鏡以及該第二轉折面鏡。
- 如申請專利範圍第6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。
- 如申請專利範圍第6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。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，其中該第一一維離軸拋物面鏡及該第二一維離軸拋物面鏡的入射面分別垂直於該第一轉折面鏡及第二轉折面鏡的入射面。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，其中該第一轉折面鏡及第二轉折面鏡為單一轉折面鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，其中該第一一維離軸拋物面鏡及該第二一維離軸拋物面鏡為不相同規格的兩個一維離軸拋物面鏡或非分離的單一拋物面鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，其中該圓柱形透鏡為一半圓柱形透鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，其中該圓柱形透鏡設置於該第一一維離軸拋物面鏡以及該第二一維離軸拋物面鏡之間的對稱軸上。
- 如申請專利範圍第1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。
- 如申請專利範圍第14項所述之光學檢測系統，其中該偵測器為光電二極體、CCD感光元件或CMOS感光元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測系統，更包含一處理單元。
- 如申請專利範圍第16項所述之光學檢測系統，其中該處理單元為一電腦。
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