TWI816516B - 光學元件的製造方法及應用其建構光譜測量系統的方法 - Google Patents
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Abstract
一種光學元件的製造方法，係提供一對掌性材料水溶液使其與一水基透明膠混合形成一混合液。接著，將該混合液注入一模具中待其固化形成一薄層結構。並且調整該薄層結構的層數以達到所需的旋光度及相位延遲功能。使用前述的方法製造的光學元件可裝設於一光譜測量系統的光源之一側，以使該光源發出光轉變為圓偏振光。
Description
本發明是關於一種光學鏡片的製造及應用方法，特別是關於一種同時具有相位延遲特性及旋光性的光學元件製造方法，以及應用該光學元件建構光譜測量系統的方法。
波片是一種可以改變光波偏振狀態的光學元件，在各類需要用到圓偏極光的系統中為必備的元件。例如，AMOLED顯示器就是利用波片、偏極片結合的圓偏極片來作為抗反射片。一般常用的波片類型有兩種：半波片(half-wave plate)和四分之一波片(Quarter-wave plate)。半波片可以改變線偏振光的偏振方向，而四分之一波片可以將線偏振光轉換成圓偏振光。
四分之一波片在光學測量中是製造圓極化光的重要角色，其原理是將入射光分成兩束相互垂直的垂直光與水平光，並使兩束光的相位相差四分之一波長。當入射的垂直光與水平光振幅相同時則會產生圓偏振光。而為了讓入射的垂直光與水平光振幅相同，四分之一波片通常會綁定一個與其光軸夾角呈±45°的線偏振片來製造圓偏極光。
圓偏振光用於例如導航衛星系統、5G無線通信和水下成像等各種應用。由於偏振光學的廣泛發展，圓偏振光已逐漸應用於生醫科學。例如，目前測量如蛋白物質結構的圓二色性光譜(circular dichroism spectroscopy,CDS)更需要使用四分之一波片來產生圓偏振光。描繪在龐加萊球(Poincare sphere)上的反向散射光的斯托克斯向量(Stokes vector)可用於檢測癌組織。偏振敏感光學相干斷層掃描(Polarization-sensitive optical coherence tomography)已擴展到高速和高靈敏度的全三維(three-dimensional,3D)成像，可用於疾病診斷。
現今市售的波片通常是使用無機的雙折射材料加工而成，例如石英晶體、高分子材料或者研究上有用液晶或有機半導體等來做成。然而不同材料所製成的波片可能以不同機制來控制入射的線偏振光旋轉角度，而波片本身軟硬、大小也受到限制。
為了在生醫領域進行更先進的應用，有需要開發基於可生物降解或生物相容性材料的光學元件。許多可生物降解或生物相容性的有機材料，其分子具有對掌性(chiral)的特徵。亦即，有其他分子式相同但結構式不同的鏡像異構物，分為左式(L-)和右式(D-)，此類材料在下文中稱為對掌性材料(chiral materials)。由於這些對掌性材料具有旋光性(光學活性)，因此具有被開發成光學元件材料的潛在可能性。
本發明之一目的在於提供一種光學元件的製造方法，利用可生物降解或生物相容性的對掌性材料製作一同時具有相位延遲特性及旋光性的光學元件。
本發明之另一目的在於提供一種建構光譜測量系統的方法，利用
可生物降解或生物相容性的光學元件建構一光譜測量系統，期能應用於生醫領域。
為了達到上述目的，本發明提供一種光學元件的製造方法，包括：提供一對掌性材料及一水基透明膠，其中該對掌性材料具有旋光性；將該對掌性材料製成一對掌性材料水溶液；將該對掌性材料水溶液與該水基透明膠混合形成一混合液；將該混合液注入一模具中待其固化形成一薄層結構；以及調整該薄層結構的層數以形成具有不同旋光度及相位延遲功能的光學元件。
在一實施例中，上述調整該薄層結構的層數之步驟包括：等待該薄層結構固化後，再將該混合液注入該模具中的已固化薄層結構上，以使該薄層結構的層數增加一層，以改變該薄層結構的旋光度及相位延遲功能。
在一實施例中，該對掌性材料水溶液及該水基透明膠皆為可生物降解或具有生物相容性的材料。
在一實施例中，該對掌性材料水溶液包括一乳酸水溶液，並且該水基透明膠包括一過飽和的聚乙烯醇溶液。
在一實施例中，上述方法更包括：以3D列印方法製作該模具。
在一實施例中，上述方法更包括：將該混合液進行超音波脫氣後，再注入該模具中。
在一實施例中，上述調整該薄層結構的層數以形成具有不同旋光度的光學元件之步驟包括：調整該薄層結構的層數為5至12層之其一，以形成一旋光度在60度至210度之間的光學膜。
在一實施例中，該對掌性材料水溶液為一0.8%左旋乳酸水溶液，並且該薄膜結構的層數為6層。
在另一方面，本發明也提供一種建構光譜測量系統的方法，包括：使用前述的方法製造一光學元件；以及將該光學元件裝設於一光譜測量系統的光源之一側，以使該光源發出光轉變為圓偏振光。
在一實施例中，該光譜測量系統是一圓二色光譜測量系統。
本發明使用可生物降解和生物相容性材料L-LA和PVA來製造光學元件。所製作的光學元件具有方向敏感特性及圓偏振功能，其圓偏振功能與商用四分之一波片相近。並且，在製造過程中改變光學元件的層數即可改變其旋光度。
S11,S12,S20~S80:光學元件製造方法流程
100:L-LA光學元件
200:旋光實驗系統
210:線性偏振片
220:線性偏振片(檢測片)
230:光源
250:顯微鏡載體
270:物鏡
290:電荷耦合元件(CCD)
500:圓偏振實驗系統
530:光源
510:偏振片
520:第二偏振片(檢測片)
600:系統
610:圓偏振片
630:白光光源
圖1為本發明之一實施例的光學元件的製造方法流程示意圖。
圖2為本發明之一實施例的旋光實驗系統示意圖。
圖3(A)顯示本發明之一實施例的L-LA水溶液濃度與L-LA光學元件的旋光度的相關性；(B)顯示L-LA光學元件的層數與旋光度的相關性。
圖4為不同層數的L-LA光學元件在不同檢測片角度下的外觀照片。
圖5為本發明之一實施例的圓偏振實驗系統示意圖。
圖6為本發明之另一實施例的旋光實驗系統示意圖。
圖7顯示本發明之一實施例的L-LA光學元件其角度為30°、70°和170°時隨著不同檢測片角度的光強度變化結果。
圖8顯示本發明之一實施例的L-LA光學元件與商用四分之一波片的流明變化圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
本發明的光學元件製造方法使用具有旋光性的對掌性材料來製作光學元件，再於製作過程中調整層數來改變光學元件的旋光度及相位延遲效果，並提供較佳的層數，以達成預期的旋光度及相位延遲效果。因此，本發明的光學元件同時具備相位延遲及旋光的功能，但習知的四分之一波片只有相位延遲的功能。
第1實施例：左旋乳酸(L-lactic acid，以下簡稱為L-LA)光學元件的製造
圖1為本發明之一實施例的光學元件製造方法流程示意圖。本發明使用對掌性材料和水基透明膠來生產可生物降解的光學元件。將一具有對掌性分子結構且可生物降解的旋光性材料製成一對掌性材料水溶液(S11)，並且提供一水基透明膠(S12)；將對掌性材料水溶液與水基透明膠混合形成一混合液(S20)；將混合液進行脫氣後(S30)，注入一模具中形成一混合液層(S40)，待混合液層固化形成一薄層結構(S50~S60)；以及增加此薄層結構的層數(S70)，以形成具有不同旋光度及相位延遲功能的單層或多層光學元件(S80)，此光學元件例如是光學膜或鏡片的型態。
上述方法中，對掌性材料是一有機材料，除了其分子結構具備對掌性之外，還需同時具備旋光性且可溶於水，旋光性不限於左旋或右旋，優選的為可生物降解的乳酸、胺基酸、醣類等對掌性材料，更優選為乳酸。水基透
明膠例如是聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，以下簡稱為PVA)或聚丙烯酸(poly(acrylic acid),PAA)等，或是不會降低透明基材光穿透率的透明水基奈米溶膠或凝膠材料，只要具有低毒、高生物相容性，且固化後具有光學透明性並具備所需的軟硬度即可。優選的水基透明膠是PVA。
在一具體的實施例中，對掌性材料採用乳酸，例如L-LA(S11)，L-LA是poly L-LA的單體；而水基透明膠採用聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，以下簡稱為PVA)(S12)。光學元件是使用以下程序製備的：將左旋乳酸原材料與水混合製備成合適濃度的L-LA水溶液(S20)。再將L-LA水溶液與過飽和PVA混合，其中L-LA水溶液與過飽和PVA的體積比例如是17比8。在一小規模的實驗中，是將0.017ml的L-LA水溶液與0.0008ml的過飽和PVA進行混合。兩者的混合液通過超音波洗淨機消除其中的氣泡(S30)。此後，將混合液注入使用3D列印機製成的模具中等待固化，模具可為直徑4mm的圓柱體，用以限定光學元件的入光面及出光面之面積。固化後形成一薄層結構(S40~S60)，其為一單層生物相容光學元件(S80)。重複S40~S60的過程可使薄層結構增加層數(S70)，從而形成一多層生物相容性光學元件(S80)。
以本實施例的方法所製作的光學元件可利用乳酸的旋光特性使光線旋轉，以及藉由不斷堆疊乳酸水溶液與透明膠混成的混合物之薄膜結構的層數所帶來的光程差使相位延遲特性改變。如此，本發明的光學元件亦可使入射的線偏振光分成兩振動方向相互垂直的線偏振光，並可產生相位延遲使兩線偏振光的相位差達到90度，同時讓兩線偏振光的振幅相近，故可取代傳統的四分之一波片。
值得一提的是，本發明的光學元件材料不涉及傳統晶體材料的晶格排列，故本發明的光學元件產生圓偏振光的機制與傳統四分之一波片可能不同，但以旋光性及層數的調整確可達到相當於傳統四分之一波片的效果。在以下的第2至4實施例中，提供一些實驗結果做為佐證。
第2實施例：旋光實驗
圖2為一旋光實驗系統示意圖。旋光實驗系統200為一改進的顯微鏡系統，用於觀察L-LA光學元件100的外觀和旋光度。第一個線性偏振片210固定在光源230和顯微鏡載體250之間，第二個線性偏振片220(也稱為「檢測片220」)固定在顯微鏡載體250和物鏡270之間。L-LA光學元件100放置在顯微鏡載體250上。使用電荷耦合元件(CCD)290捕獲圖像。在放置L-LA光學元件之前，調整檢測片220直到CCD下方的視野變暗。通過旋轉檢測片220來分析L-LA光學元件100的旋光度。
為了尋找製備L-LA光學元件的較佳條件，將L-LA水溶液的濃度和L-LA光學元件100的層數設為變量。圖3(A)及(B)分別顯示L-LA水溶液濃度和L-LA光學元件100層數的變化會影響旋光度(optical rotation)。圖3(A)顯示隨著濃度的增加，L-LA光學元件的旋光度增加；線性回歸的R2值為0.9632。圖3(B)顯示旋光度也隨著層數的增加而增加；線性回歸的R2值為0.9996。依據圖3(B)，當L-LA光學元件100的層數在5至12層的範圍內，所對應的旋光度在60度至210度之間。由於改變層數比改變濃度產生更好的線性回歸，因此在隨後的實驗中，將L-LA水溶液濃度固定在0.8%而改變其形成的層數。此實驗結果可以證明本發明的L-LA光學元件具有旋光性以及相位延遲的功能。將混
合液均勻塗布在模具上，可精準的調整乳酸薄膜層數而形成一有機的、軟性的、微小面積的光學元件。
圖4的照片顯示不同層數的L-LA光學元件100外觀。對5層、6層、7層和12層L-LA光學元件100進行了比較。在L-LA光學元件100的照片中，一些被黃色圓圈標記的部分在檢測片220的不同角度保持明亮。這一特徵表示圓偏振光的形成。與其他層數的光學元件相比，6層和12層的L-LA光學元件100表現出更好的圓偏振效果，但12層L-LA光學元件100的透射率較差。因此，得到0.8% L-LA水溶液和6層是製備L-LA光學元件的較佳條件。
第3實施例：圓偏振實驗
圖5顯示一圓偏振實驗系統500。使用的光源530是532nm雷射光。重點關注圖4中黃色圓圈的位置，雷射光光斑的直徑小於0.3厘米。雷射光依次穿透第一偏振片510、L-LA光學元件100和第二偏振片520(也稱為「檢測片520」)。L-LA光學元件100由6層0.8% L-LA水溶液和水基透明膠的混合液製成。在這個實驗中，第一偏振片510和檢測片520被安排成相互轉動並使用光度計記錄光強度。
圖6的系統600是將圖2所示旋光實驗系統200中的光源230改成白光光源630，將第一線性偏振片210改用一圓偏振片610。白光依次穿透圓偏振片610、L-LA光學元件100和檢測片220。旋轉檢測片220，並使用光度計檢測光信號並記錄光強度。
圖7顯示L-LA光學元件100的角度為30°(如曲線C1)、70°(如曲線C2)和170°(如曲線C3)時的光強變化結果。重要的是，當L-LA光學元件100的角度為30°時，光強變化在2%以內，此結果表明L-LA光學元件100具有形成圓偏
振光的能力。此外，當L-LA光學元件100的角度為170°時，光是線性偏振的。當角度為70°時，光線呈橢圓偏振。圖7顯示L-LA光學元件100具有方向敏感特性。
第4實施例：本發明的光學元件與商用四分之一波片的比較
為進一步驗證L-LA光學元件100的圓偏振功能，使用商用四分之一波片與L-LA光學元件100進行對比。當圓偏振光通過L-LA光學元件100時，它變成線偏振光。圖8顯示商用四分之一波片和L-LA光學元件100的流明變化。L-LA光學元件100的結果與商用四分之一波片的結果相似。這證明了L-LA光學元件100的功能相當於商用四分之一波片，因此可用於產生圓偏振光。
第5實施例：建構光譜測量系統的方法
一般的圓二色光譜測量系統包括光源、濾光片、線偏振片(起偏器)、習知的四分之一波片、樣品槽及偵測器。此圓二色光譜測量系統可做為顯微鏡光路系統的一部分。將本發明的光學元件裝設在圓二色光譜測量系統中，並且取代習知的四分之一波片，使其光源發出的光經過濾光片、線偏振片及本發明的光學元件後轉變為圓偏振光，用以照射樣品槽中的樣品，在樣品上可形成很小的光點。利用此圓二色光譜測量系統量測蛋白質分子時，能偵測到蛋白質各部分的α螺旋、β褶板與不規則線圈(random coil)以及核酸的雙股的獨特光譜訊號。顯示使用本發明之光學元件的圓二色光譜測量系統的解析度相較於傳統圓二色光譜系統可大幅提高，因此可量測到分子等級的獨特表現。
概括來說，本發明是利用具有對掌性分子結構且具有旋光性的對掌性材料來使光線旋轉，以及藉由不斷堆疊對掌性材料水溶液與水性透明膠混合成的混合物層數所帶來的旋光度及相位延遲改變，而形成具有不同相位延遲功能的光學元件，可用以取代習知的半波片或四分之一波片等。本發明使用可
生物降解和生物相容性材料L-LA和PVA來製造光學元件。L-LA是人體內的代謝物，可以通過人體中的乳酸脫氫酶從丙酮酸中產生。而且，乳酸菌可以產生大量的L-LA。L-LA光學元件顯示出方向敏感特性，使其效果類似於由雙折射材料構成的波片，因而成功地產生了圓偏振光。L-LA光學元件可應用於可見光範圍或微波範圍，並且具有生物降解性和生物相容性，因此在生物醫學中具有巨大的應用潛力。例如，L-LA光學元件可用於生物醫學遙測的圓偏振輻射，或用來修改生物匹配天線，用於可生物降解的傳感器或植入式醫療設備上。
據此，本發明與習知技術具有不同的技術特徵，且本領域中具有通常知識者難以由習知技術輕易的聯想到本發明的概念，故本發明應符合新穎性與進步性。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
S11,S12,S20~S80:光學元件製造方法流程
Claims (8)
- 一種光學元件的製造方法，包括：提供一0.8%左旋乳酸水溶液及一水基透明膠；將該左旋乳酸水溶液與該水基透明膠混合形成一混合液；將該混合液注入一模具中待其固化形成一薄層結構；以及調整該薄層結構的層數為6層，以形成一具有相位延遲功能的光學元件。
- 如請求項1所述的方法，其中調整該薄層結構的層數之步驟包括：等待該薄層結構固化後，再將該混合液注入該模具中的已固化薄層結構上，以使該薄層結構的層數增加一層。
- 如請求項1所述的方法，其中該水基透明膠為可生物降解或具有生物相容性的材料。
- 如請求項1所述的方法，其中該水基透明膠包括一過飽和的聚乙烯醇溶液。
- 如請求項1所述的方法，更包括：以3D列印方法製作該模具。
- 如請求項1所述的方法，更包括：將該混合液進行超音波脫氣後，再注入該模具中。
- 一種建構光譜測量系統的方法，包括：使用請求項1至6任一項所述的方法製造一光學元件；以及將該光學元件裝設於一光譜測量系統的光源之一側，以使該光源發出光轉變為圓偏振光。
- 如請求項7所述的方法，其中該光譜測量系統是一圓二色光譜測量系統。
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