TWM491158U

TWM491158U - 多光源之光致螢光擷取裝置

Info

Publication number: TWM491158U
Application number: TW103210661U
Authority: TW
Inventors: Hua-Xian Liao; yi-min Liu; xiang-chen Cui; song-yan Zhuang
Original assignee: Univ Nat Cheng Kung; Enli Technology Co Ltd
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2014-12-01

Description

多光源之光致螢光擷取裝置

本創作係有關於一種多光源之光致螢光擷取裝置，尤其是指一種結合多重雷射激發光源的光致螢光光譜擷取裝置，主要結合全光纖之傳輸媒介，藉由快速掃描方式量測材料的光致螢光現象，有效增進光致螢光光譜儀之量測效率者。

按，光致螢光分析技術可以快速而可靠的得到材料的能階結構與載子躍遷的行為，是一個有效又無破壞性的分析技術，研究者可藉由光致螢光光譜特徵得知材料雜質摻雜的種類、能隙大小、化合物中的組成成分、奈米材料中奈米量子點的尺寸、載子傳輸路徑，以及生命週期等重要訊息，同時，亦可以光致螢光的分析結果做為材料結構、成分與品質的判斷依據，是奈米材料發展史上重要的量測技術；螢光(luminescence)是物理系統因過度熱輻射或白熱化後產生電磁波放射的一種現象，對於用以發光的半導體而言，入射光子的能量等於或是高於能隙(energy band gap)時，會激發價電帶(valence band)電子跨越能隙到達傳導帶(conduction band)，當半導體由激發狀態回復到基態時便會產生輻射放射；光致螢光(photoluminescence，簡稱PL)技術係關於一由電磁(electromagnetic)輻射激發的系統，屬於光學發光的技術，當入射光照射在試片上，會導致電子被升高至激發態，當位於激發態的電子返回初始能態時，則會產生一個光子(photon)，也可能產生許多的聲子(phonon)，而達到光致螢光的目的。

由於傳統的光致螢光擷取系統受限於光路設計與空間大小等因素，通常只能架設1至2個激發光源，如果使用者必須新增光源時，就得大幅度修改光路設計與相關之架設，以滿足多光源之需求；然而，由於雷射光路係為一種極為精密之架構，因此，重新架設雷射光路是一件相當浩大的工程；此外，傳統的光致螢光光譜儀都是將外部光路或是各種元件分別架設於光學桌上，其光路架設容易因使用者的直接碰觸或外界的震動而造成反射鏡等元件位置的誤差，進而降低激發光源的準直性而影響光致螢光光譜量測的準確度；再者，光致螢光的激發光束會有傳輸效率與衰減的問題，亦不適合使用在過長的光路設計上；因此，如何有效將光致螢光之激發光路與相關之元件模組化，並整合至一機箱中，以達到適當之保護與節省更多之空間，並透過適當的設計以達到減少使用者碰撞與事後容易維修等優點，可有效達到快速掃描並量測材料之光致螢光現象，增進光致螢光光譜量測之效率等，仍是光致螢光光譜量測系統之開發業者與相關學術單位之研究人員需持續力克服與解決之課題。

緣是，創作人有鑑於此，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改良創作一種多光源之光致螢光擷取裝置，其目的在於提供一種結合多重雷射激發光源的光致螢光光譜擷取裝置，主要結合全光纖之傳輸媒介，藉由快速掃描方式量測材料的光致螢光現象，有效增進光致螢光光譜儀之量測效率。

為了達到上述實施目的，本創作人提出一種多光源之光致螢光擷取裝置，係至少包括有一控制模組、一激發光源模組、一光纖傳輸模組，以及一擷取模組；激發光源模組係電性連接控制模組，激發光源模組係包括有複數個光源系統，其中每一光源系統係包括有一發射波長介於400奈米~700奈米之雷射光束的雷射模組，以及用以接收雷射光束之一短通濾波器(short pass filter)與一光學檔板(shutter)，短通濾波器係介於雷射模組與光學擋板中間，用以過濾雷射光束之中心頻率以外的光線通過，控制模組係電性控制光學檔板之啟閉，以決定對應之雷射光束通過光學檔板；光纖傳輸模組係包括有複數個第一光纖接頭(first fiber port)、複數條第一光纖、複數個光纖耦合器(fiber coupler)，以及一光纖準直器(fiber collimator)，其中每一第一光纖接頭係對應一光源系統，以接收光源系統之雷射模組發射之雷射光束，每一第一光纖接頭係耦接一第一光纖，兩兩第一光纖係對應耦接至一光纖耦合器，光纖耦合器再耦接一第一光纖將雷射光束導引至一光纖準直器後輸出；擷取模組係包括有一鏡片系統、一訊號擷取系統，以及一雙模控制系統，其中鏡片系統係控制入射之雷射光束的衰減程度與偏振方向，訊號擷取系統係包括有一接設有複數個接物鏡(object lens)並電性連接控制模組之第二轉盤，以及一用以放置一試片的移動載台，控制模組係電性控制第二轉盤，以選擇不同倍率之接物鏡，雙模控制系統係包括量測光致螢光訊號的光致螢光模組與觀察試片表面光學影像的影像模組。

在本創作的一個實施例中，其中控制模組係為一電腦，以控制光致螢光模組與影像模組之量測程序。

在本創作的一個實施例中，其中光源系統係包括有三個常用之雷射模組。

在本創作的一個實施例中，其中三個常用之雷射模組係分別為發射波長405奈米、532奈米，以及637奈米雷射光束之雷射模組。

在本創作的一個實施例中，其中鏡片系統係包括有一半波片、一第二偏振片，以及一衰減片，以控制雷射光束的衰減程度與偏振方向。

在本創作的一個實施例中，其中光致螢光模組係包括一激發光反射鏡(hole mirror)、複數個對應雷射模組之長通濾波器(long pass filter)，一架設長通濾波器並電性連接控制模組之第一轉盤、一第一偏振片、一第二光纖接頭、一光譜儀，以及一連接第二光纖接頭與光譜儀之第二光纖，其中光致螢光模組係允許雷射光束穿過激發光反射鏡中間的洞以打入放置於移動載台上之試片，試片散射之光致螢光訊號係經由接物鏡擷取進入位於第一轉盤上之長通濾波器，控制模組電性控制第一轉盤以轉動長通濾波器，只允許需要波長範圍之光致螢光訊號通過，再經由第一偏振片進行偏振方向之改變，最後經由第二光纖接頭由第二光纖導入至光譜儀，以擷取光致螢光訊號。

在本創作的一個實施例中，其中控制模組之電腦係可進一步搭配有一光譜量測程式，並電性連接光譜儀，以擷取光譜儀接收之光致螢光訊號，經由光譜量測程式之數據分析能力，繪製一光譜變化圖。

在本創作的一個實施例中，其中影像模組係包括一白光光源、一分光鏡(beam splitter，簡稱BS)、一反射鏡，以及一電荷耦合元件(charge coupled device，簡稱CCD)，影像模組係以白光光源經由分光鏡打入放置於移動載台之試片，再經由接物鏡擷取並由反射鏡將試片反射之光線打入電荷耦合元件成像，以觀測試片表面的光學影像，以及雷射光束打在試片上激發光致螢光光譜之量測位置。

藉此，本創作之光致螢光擷取裝置係藉由多重且常用之激發雷射光源的設計，並可視需求擴充或是更換，只需調整光纖耦合系統的架設，具有簡單、快速之新增與替換激發光源之優點；此外，本創作之光致螢光擷取裝置係將傳統光致螢光光譜儀外部光路與各種元件模組化，並全部整合於一機箱中，並透過適當的設計使後續的維修與維護簡易化，有效節省佔據之空間；再者，本創作之光致螢光擷取裝置係藉由內建光纖耦合器之全光纖系統做為雷射光束之傳輸媒介，把位於不同光纖中的雷射光束結合成一條光纖，省去所有光路準直性的問題，可有效減少因為外在的震動或是其他人為的因素碰觸光路之光學架設而造成元件位置的誤差，造成光致螢光光譜量測準確性之降低，係一種具有高傳輸效率、低衰減效率，以及遠距離快速傳輸優點之光致螢光擷取裝置；最後，本創作之光致螢光擷取裝置係結合移動載台、電荷耦合元件(CCD)，以及控制模組之電腦設計，以有效符合使用上的便利需求，再者，光致螢光光譜受激發之測量點位置的確認亦更加容易，有效達到點、線、面等二維掃描式光致螢光光譜的量測，其透過軟體與硬體的整合，以電腦來控制所有量測的部分，有效達到自動化控制的效果，減少直接觸碰儀器而降低誤觸或其他因素造成儀器的損壞，並增進快速量測之成效。

(1)‧‧‧控制模組

(2)‧‧‧激發光源模組

(21)‧‧‧光源系統

(211)‧‧‧雷射模組

(2111)‧‧‧雷射光束

(212)‧‧‧短通濾波器

(213)‧‧‧光學檔板

(3)‧‧‧光纖傳輸模組

(31)‧‧‧第一光纖接頭

(32)‧‧‧第一光纖

(33)‧‧‧光纖耦合器

(34)‧‧‧光纖準直器

(4)‧‧‧擷取模組

(41)‧‧‧鏡片系統

(411)‧‧‧半波片

(412)‧‧‧第二偏振片

(413)‧‧‧衰減片

(42)‧‧‧訊號擷取系統

(421)‧‧‧第二轉盤

(4211)‧‧‧接物鏡

(422)‧‧‧移動載台

(43)‧‧‧雙模控制系統

(431)‧‧‧光致螢光模組

(4311)‧‧‧激發光反射鏡

(4312)‧‧‧長通濾波器

(4313)‧‧‧第一轉盤

(4314)‧‧‧第一偏振片

(4315)‧‧‧第二光纖接頭

(4316)‧‧‧光譜儀

(4317)‧‧‧第二光纖

(432)‧‧‧影像模組

(4321)‧‧‧白光光源

(4322)‧‧‧分光鏡

(4323)‧‧‧反射鏡

(4324)‧‧‧電荷耦合元件

(5)‧‧‧試片

(S1)‧‧‧啟動激發光源

(S2)‧‧‧選擇激發光源

(S3)‧‧‧放置試片

(S4)‧‧‧擷取光致螢光訊號

(S5)‧‧‧擷取光學影像訊號

第一圖：本創作多光源之光致螢光擷取裝置其一較佳實施例之裝置配置方塊圖

第二圖：本創作多光源之光致螢光擷取裝置其一較佳實施例之光致螢光模組架構配置圖

第三圖：本創作多光源之光致螢光擷取裝置其一較佳實施例之影像模組架構配置圖

第四圖：本創作多光源之光致螢光擷取裝置較佳實施例之步驟流程圖

本創作之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本創作有更深入且具體之瞭解。

首先，請參閱第一圖所示，為本創作多光源之光致螢光擷取裝置其一較佳實施例之裝置配置方塊圖，該多光源之光致螢光擷取裝置係至少包括有：一控制模組(1)；在本創作之其一較佳實施例中，係以一電腦做為控制模組(1)，以控制量測之程序；一激發光源模組(2)，係電性連接控制模組(1)，激發光源模組(2)係包括有複數個光源系統(21)，其中每一光源系統(21)係包括有一發射波長介於400奈米~700奈米之雷射光束(2111)的雷射模組(211)，以及用以接收雷射光束(2111)之一短通濾波器(212)與一光學檔板(213)，短通濾波器(212)係介於雷射模組(211)與光學檔板(213)中間，用以過濾雷射光束(2111)之中心頻率以外的光線通過，控制模組(1)係電性控制光學檔板(213)之啟閉，以決定對應之雷射光束(2111)通過光學檔板(213)；在本創作之其一較佳實施例中，複數個光源系統(21)係為三個常用於光致螢光擷取技術之雷射模組(211)，分別為發射波長405奈米、532奈米，以及637奈米雷射光束(2111)之雷射模組(211)，然而必須注意的是，上述之雷射模組(211)發射雷射光束(2111)之數量、種類，以及波長是為說明方便起見並依照不同實驗之所需，而非以本發明所舉為限，且熟此技藝者當知道不同的雷射光束(2111)數量、種類，以及波長係可激發不同的光致螢光訊號，並不會影響本發明的實際實施，其所產生之功效與技術上之優點皆與其一較佳實施例相同，應視為本發明之等效變化或修飾；此外，雷射模組(211)從開機到穩定需要一段暖機時間，因此在本發明之其一較佳實施例中，係設定為該多光源之光致螢光擷取裝置一開機就連同開啟雷射模組(211)，再透過光學檔板(213)的設計來阻絕沒有使用的雷射光束(2111)，由於光學檔板(213)的數量係對應雷射模組(211)的數量並電性連接到控制模組(1)，藉由在控制模組(1)上選擇不同的雷射模組(211)，對應的光學檔板(213)就會開啟讓雷射光束(2111)射出，其他的雷射模組(211)對應的光學檔板(213)仍舊維持關閉的型態，以禁止雷射光束(2111)射出；一光纖傳輸模組(3)，係包括有複數個第一光纖接頭(31)、複數條第一光纖(32)、複數個光纖耦合器(33)，以及一光纖準直器(34)，其中每一第一光纖接頭(31)係對應一光源系統(21)，以接收光源系統(21)之雷射模組(211)發射之雷射光束(2111)，每一第一光纖接頭(31)係耦接一第一光纖(32)，兩兩第一光纖(32)係對應耦接至一光纖耦合器(33)，光纖耦合器(33)再耦接一第一光纖(32)將雷射光束(2111)導引至一光纖準直器(34)後輸出；在本創作之其一較佳實施例中，透過光纖耦合器(33)可以把位於不同第一光纖(32)中的雷射光束(2111)結合在一條第一光纖(32)內，以省去中間所有的光路準直性的問題，並且也不會受到震動或是碰撞等影響而移動到光路，具有傳輸效率高、衰減效率小，以及可以快速傳輸到很遠的距離等優點；以及一擷取模組(4)，係包括有一鏡片系統(41)、一訊號擷取系統(42)，以及一雙模控制系統(43)，其中鏡片系統(41)係控制入射之雷射光束(2111)的衰減程度與偏振方向，訊號擷取系統(42)係包括有一接設有複數個接物鏡(4211)並電性連接控制模組(1)之第二轉盤(421)，以及一用以放置一試片(5)的移動載台(422)，控制模組(1)係電性控制第二轉盤(421)，以選擇不同倍率之接物鏡(4211)，雙模控制系統(43)係包括量測光致螢光訊號的光致螢光模組(431)與觀察試片(5)表面光學影像的影像模組(432)。

此外，鏡片系統(41)係包括有一半波片(411)、一第二偏振片(412)，以及一衰減片(413)，以控制雷射光束(2111)的衰減程度與偏振方向。

再者，請參閱第二圖所示，為本創作多光源之光致螢光擷取裝置其一較佳實施例之光致螢光模組架構配置圖，其中光致螢光模組(431)係包括一激發光反射鏡(4311)、複數個對應雷射模組(211)之長通濾波器(4312)，一架設長通濾波器(4312)並電性連接控制模組(1)之第一轉盤(4313)、一第一偏振片(4314)、一第二光纖接頭(4315)、一光譜儀(4316)，以及一連接第二光纖接頭(4315)與光譜儀(4316)之第二光纖(4317)，其中光致螢光模組(431)係允許雷射光束(2111)穿過激發光反射鏡(4311)中間的洞以打入放置於移動載台(422)上之試片(5)，試片(5)散射之光致螢光訊號係經由接物鏡(4211)擷取進入位於第一轉盤(4313)上之長通濾波器(4312)，控制模組(1)電性控制第一轉盤(4313)以轉動長通濾波器(4312)，只允許需要波長範圍之光致螢光訊號通過，再經由第一偏振片(4314)進行偏振方向之改變，最後經由第二光纖接頭(4315)由第二光纖(4317)導入至光譜儀(4316)，以擷取光致螢光訊號；此外，控制模組(1)之電腦係進一步搭配有一光譜量測程式(圖式未標示)，並電性連接光譜儀(4316)，以擷取光致螢光訊號，經由光譜量測程式之數據分析能力，繪製一光譜變化圖。

再者，請參閱第三圖所示，為本創作多光源之光致螢光擷取裝置其一較佳實施例之影像模組架構配置圖，其中影像模組(432)係包括一白光光源(4321)、一分光鏡(4322)、一反射鏡(4323)，以及一電荷耦合元件(4324)，影像模組(432)係以白光光源(4321)經由分光鏡(4322)打入放置於移動載台(422)之試片(5)，再經由接物鏡(4211)擷取並由反射鏡(4323)將試片(5)反射之光線打入電荷耦合元件(4324)成像，以觀測試片(5)表面的光學影像，以及雷射光束(2111)打在試片(5)上激發光致螢光光譜之量測位置。

此外，為使審查委員能對本創作有更深入且具體之瞭解，請參閱第四圖所示，為本創作多光源之光致螢光擷取裝置較佳實施例之步驟流程圖：A.啟動激發光源(S1)：啟動多光源之光致螢光擷取裝置之電源，內建於激發光源模組(2)之複數個光源系統(21)之雷射模組(211)係啟動，以發射出波長介於400奈米~700奈米之雷射光束(2111)，同時，控制模組(1)之電腦亦跟著啟動；B.選擇激發光源(S2)：於控制模組(1)之電腦上選取光致螢光光譜量測所需波長之相對應雷射模組(211)發射之雷射光束(2111)，則雷射模組(211)相對應之光學檔板(213)係開啟，以允許雷射光束(2111)經由一短通濾波器(212)阻擋雷射光束(2111)之中心頻率以外的光線通過後，發射至一光纖傳輸模組(3)之第一光纖接頭(31)，再進入一第一光纖(32)後，由複數個光纖耦合器(33)耦合傳遞至一光纖準直器(34)後輸出；C.放置試片(S3)：使用由半波片(411)、第二偏振片(412)，以及衰減片(413)組合而成的鏡片系統(41)控制雷射光束(2111)的衰減程度與偏振方向，並經由一激發光反射鏡(4311)中間的洞打入放置於一移動載台(422)之一試片(5)上；D.擷取光致螢光訊號(S4)：使用控制模組(1)之電腦依照光致螢光光譜量測所需使用之雷射光束(2111)波長，自動選取設置於一第一轉盤(4313)上對應之長通濾波器(4312)，以允許由一接物鏡(4211)擷取之試片(5)散射的光致螢光訊號之所需波長範圍的光通過，再以一第一偏振片(4314)進行光致螢光訊號之偏振方向改變，最後經由一第二光纖接頭(4315)以一第二光纖(4317)導入至一光譜儀(4316)，以擷取該光致螢光訊號；E.擷取光學影像訊號(S5)：使用一分光鏡(4322)將一白光光源(4321)打入放置於移動載台(422)之試片(5)上，經由接物鏡(4211)擷取，再以一反射鏡(4323)將試片(5)反射之光線打入一電荷耦合元件(4324)成像，以觀測試片(5)表面的光學影像，以及雷射光束(2111)打在試片(5)上激發光致螢光光譜之量測位置。

由上述之實施說明可知，本創作與現有技術與產品相較之下，本創作具有以下優點：

1.本創作之光致螢光擷取裝置係藉由多重且常用之激發雷射光源的設計，並可視需求擴充或是更換，只需調整光纖耦合系統的架設，具有簡單、快速之新增與替換激發光源之優點。

2.本創作之光致螢光擷取裝置係將傳統光致螢光光譜儀外部光路與各種元件模組化，並全部整合於一機箱中，並透過適當的設計使後續的維修與維護簡易化，有效節省佔據之空間。

3.本創作之光致螢光擷取裝置係藉由內建光纖耦合器之全光纖系統做為雷射光束之傳輸媒介，把位於不同光纖中的雷射光束結合成一條光纖，省去所有光路準直性的問題，可有效減少因為外在的震動或是其他人為的因素碰觸光路之光學架設而造成元件位置的誤差，造成光致螢光光譜量測準確性之降低，係一種具有高傳輸效率、低衰減效率，以及遠距離快速傳輸優點之光致螢光擷取裝置。

4.本創作之光致螢光擷取裝置係結合移動載台、電荷耦合元件(CCD)，以及控制模組之電腦設計，以有效符合使用上的便利需求，再者，光致螢光光譜受激發之測量點位置的確認亦更加容易，有效達到點、線、面等二維掃描式光致螢光光譜的量測，其透過軟體與硬體的整合，以電腦來控制所有量測的部分，有效達到自動化控制的效果，減少直接觸碰儀器而降低誤觸或其他因素造成儀器的損壞，並增進快速量測之成效。

綜上所述，本創作光致螢光擷取裝置，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本創作亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出創作專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本創作之較佳實施例，非為限定本創作之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本創作之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本創作之設計範疇。