TWM494300U

TWM494300U - 三維全角度之光致螢光擷取裝置

Info

Publication number: TWM494300U
Application number: TW103210660U
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: 2015-01-21

Description

三維全角度之光致螢光擷取裝置

本創作係有關於一種三維全角度之光致螢光擷取裝置，尤其是指一種多角度接收光致螢光光譜訊號之擷取裝置，以量測不同角度之光致螢光光譜訊號的差異者。

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。

光致螢光光譜在材料應用、光電科學，以及三五族半導體產業之應用中，佔有相當重要的地位，尤其在發展日益精進的三五族半導體產業中，傳統的光致螢光光譜都是以垂直方向將激發光源打入位在載台之樣本上，並同樣以垂直方向接收反射與散射之光致螢光光譜，最後再以光譜儀進行光致螢光訊號之量測與分析；然而，樣本可能會因為晶格或堆疊方式的不同，而造成在不同方向、不同角度的光致螢光光譜會有所差異，若使用傳統垂直方式出收光的光致螢光光譜擷取技術，將無法有效收集不同方向的出光訊號；因此，如何有效以全角度之收光技術將樣本上不同方向、不同角度的光致螢光訊號收集至光譜儀，以進行樣本之不同角度光致螢光光譜的差異分析，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三維全角度之光致螢光擷取裝置，其目的在於提供一種多角度接收光致螢光光譜訊號之擷取裝置，以量測不同角度的光致螢光光譜訊號之差異。

為了達到上述實施目的，本創作人提出一種三維全角度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、一承載模組，以及一光譜擷取模組；激發光源模組係電性連接控制模組，激發光源模組係至少包括有一激發光源、一第一光纖準直器(first fiber collimator)，以及一連接激發光源與第一光纖準直器之第一光纖，其中激發光源係發射出一光束，經由第一光纖傳遞至第一光纖準直器後筆直射；承載模組係電性連接控制模組，承載模組係至少包括有一用以放置試片之移動載台，以及一用以驅動移動載台之步進馬達，其中控制模組係電性控制步進馬達，以帶動移動載台呈二維方向之旋轉與移動；光譜擷取模組係電性連接控制模組，光譜擷取模組係至少包括有一半圓移動支架、一架設於半圓移動支架上之第二光纖準直器、一光譜儀，以及一連接第二光纖準直器與光譜儀之第二光纖，其中第二光纖準直器係藉由控制模組控制移動載台與半圓移動支架之作動，以三維全角度之移動方式擷取位於移動載台上之試片散射的光致螢光訊號，再經由第二光纖傳遞至光譜儀分析。

在本創作的一個實施例中，其中控制模組係為一內建自動控制程式之電腦模組，以控制光路之設置與光致螢光訊號之量測。

在本創作的一個實施例中，其中控制模組亦可進一步搭配一光譜量測程式，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，其中激發光源係為一雷射模組，以激發一雷射光束。

在本創作的一個實施例中，其中第一光纖準直器係可進一步設置有一第三光纖，並連接至光譜儀，以接收試片垂直散射之光致螢光訊號，並傳遞至光譜儀分析後，再經由控制模組之光譜量測程式之數據分析能力，繪製一光譜變化圖。

藉此，本創作之三維全角度之光致螢光擷取裝置係藉由R-θ-φ之三維球面座標系的多角度光致螢光訊號接收技術，使試片在使用步進馬達驅動R-θ的二維快速且高精準度的載台移動下，並結合收光系統的圓周之φ角變化，有效實現三維方向的光譜量測，達到收集不同方向、不同角度的光致螢光訊號，並比較其光譜之差異；此外，本創作之三維全角度之光致螢光擷取裝置係以橢圓偏光儀的光譜收光設計原理達到光致螢光訊號之三維全角度收光技術，使得擁有不同晶格或是堆疊方向的各種材料與試片所散射的光致螢光訊號可以被有效偵測與接收，以打破傳統只能垂直出收光的光譜量測技術，有效達到對不同方向與不同角度散射的光致螢光訊號的比較與分析；最後，本創作之三維全角度之光致螢光擷取裝置係藉由電腦之控制模組電性控制步進馬達以驅動二維方位改變之移動載台與圓周角改變之半圓移動支架，以進行不同角度與不同方向之三維全角度光致螢光訊號接收，例如三五族之砷化鎵半導體等表面之發光特性的光譜解析，並結合電腦化的自動控制與光譜量測程式之數據分析能力，有效繪製一高精準度之光譜變化圖，以展現材料光譜學之更深一層的研究與發展。

(1)‧‧‧控制模組

(2)‧‧‧激發光源模組

(21)‧‧‧激發光源

(211)‧‧‧光束

(22)‧‧‧第一光纖準直器

(23)‧‧‧第一光纖

(3)‧‧‧試片

(4)‧‧‧承載模組

(41)‧‧‧移動載台

(42)‧‧‧步進馬達

(5)‧‧‧光譜擷取模組

(51)‧‧‧半圓移動支架

(52)‧‧‧第二光纖準直器

(53)‧‧‧光譜儀

(54)‧‧‧第二光纖

(S1)‧‧‧放置試片

(S2)‧‧‧開啟激發光源

(S3)‧‧‧擷取光致螢光訊號

(S4)‧‧‧分析光譜訊號

第一圖：本創作三維全角度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：本創作三維全角度之光致螢光擷取裝置其一較佳實施例之裝置運作示意圖

第三圖：本創作三維全角度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、二圖所示，為本創作三維全角度之光致螢光擷取裝置其一較佳實施例之裝置配置方塊圖與裝置運作示意圖，該三維全角度之光致螢光擷取裝置係至少包括有：一控制模組(1)；在本創作之較佳實施例中，控制模組(1)係為一內建自動控制程式之電腦模組，以控制光路之設置與光致螢光訊號之量測；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)係至少包括有一激發光源(21)、一第一光纖準直器(22)，以及一連接激發光源(21)與第一光纖準直器(22)之第一光纖(23)，其中激發光源(21)係發射出一光束(211)，經由第一光纖(23)傳遞至第一光纖準直器(22)後筆直射出；在本創作其一較佳實施例中，激發光源(21)係為一雷射模組，以激發一雷射光束，雷射光束之波長係可依不同的試片(3)選取不同激發光源(21)之雷射模組配置，而不同激發光源(21)之波長係激發不同的試片(3)，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，應視為本創作之等效變化或修飾；再者，在本創作其一較佳實施例中之第一光纖準直器(22)係為光通訊系統之關鍵零組件，其功能在於協助激發光源(21)之光束(211)的前進達到近乎平行直進的程度，以避免光傳播的發散而導致光能量的損失；一承載模組(4)，係電性連接控制模組(1)，承載模組(4)係至少包括有一用以放置試片(3)之移動載台(41)，以及一用以驅動移動載台(41)之步進馬達(42)，其中控制模組(1)係電性控制步進馬達(42)，以帶動移動載台(41)呈二維方向之旋轉與移動；在本發明其一較佳實施例中移動載台(41)係可經由步進馬達(42)的帶動，以進行R-θ之二維方向的快速旋轉與移動，以及一光譜擷取模組(5)，係電性連接控制模組(1)，光譜擷取模組(5)係至少包括有一半圓移動支架(51)、一架設於半圓移動支架(51)上之第二光纖準直器(52)、一光譜儀(53)，以及一連接第二光纖準直器(52)與光譜儀(53)之第二光纖(54)，其中第二光纖準直器(52)係藉由控制模組(1)控制移動載台(41)與半圓移動支架(51)之作動，以三維全角度之移動方式擷取位於移動載台(41)上之試片(3)散射的光致螢光訊號，再經由第二光纖(54)傳遞至光譜儀(53)分析；在本創作其一較佳實施例中，架設用以接收光致螢光訊號之第二光纖準直器(52)的半圓移動支架(51)係依照橢圓偏光儀之原理架設，以接收不同方向的光致螢光訊號，而橢圓偏光儀係一種用於測量一束偏振光從被研究的表面或薄膜上反射後偏振狀態產生變化的光學儀器，可以依被研究的表面或薄膜上的散射光角度調整收光的部件，以獲得被研究的表面或薄膜有關物理參量的資訊，因為半圓移動支架(51)係依照橢圓偏光儀原理設計而具有φ角之收光角度的變化，再結合移動載台(41)具有之二維方向R-θ的快速旋轉與移動，本創作三維全角度之光致螢光擷取裝置之收光部件可有效達到球面座標系(spherical coordinate system)之三維全角度量測基準；此外，控制模組(1)係可進一步搭配一光譜量測程式(圖式無標示)，並電性連接光譜儀(53)，以擷取光譜儀(53)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；再者，第一光纖準直器(22)亦可進一步設置有一第三光纖(圖式無標示)，並連接至光譜儀(53)，以接收試片(3)垂直散射之光致螢光訊號，並傳遞至光譜儀(53)分析後，再經由控制模組(1)之光譜量測程式之數據分析能力，繪製一光譜變化圖。

此外，為使審查委員能對本創作有更深入且具體之瞭解，請參閱第三圖所示，為本創作三維全角度之光致螢光擷取裝置較佳實施例之步驟流程圖：A.放置試片(S1)：將欲進行光致螢光訊號擷取之試片(3)平置於移動載台(41)上；B.開啟激發光源(S2)：開啟三維全角度之光致螢光擷取裝置之電源，內建於激發光源模組(2)之激發光源(21)的雷射模組係發射一光束(211)，光束(211)會接著由連接激發光源(21)之第一光纖(23)傳遞，並進入第一光纖準直器(22)後再筆直射在位於移動載台(41)上之試片(3)表面，其中三維全角度之光致螢光擷取裝置所配置之激發光源(21)的光束(211)波長係用於激發特定波長之光致螢光訊號的試片(3)，不同試片(3)之光致螢光訊號波長之激發係使用不同波長之激發光源(21)；C.擷取光致螢光訊號(S3)：依照試片(3)表面散射的光致螢光訊號的角度，使用控制模組(1)之電腦模組內的自動控制程式控制光路之設置與光致螢光訊號之量測，亦即使用控制模組(1)控制移動載台(41)具有之二維方向R-θ的快速旋轉與移動，以及半圓移動支架(51)具有之φ角變化，以三維變化之球面座標系由第二光纖準直器(52)擷取試片(3)散射之光致螢光訊號，再經由第二光纖(54)傳遞至光譜儀(53)分析；試片(3)垂直散射的光致螢光訊號亦可以使用第一光纖準直器(22)接收，再經由第三光纖連接至光譜儀(53)分析；以及D.分析光譜訊號(S4)：使用第二光纖準直器(52)擷取之全方位光致螢光訊號與第一光纖準直器(22)擷取之垂直方向光致螢光訊號皆可經由第二光纖(54)與第三光纖傳遞至光譜儀(53)分析，光譜儀(53)係電性連接控制模組(1)之電腦模組，內建於電腦模組之光譜量測程式係具有光譜之數據分析能力，以將接收之光致螢光光譜訊號繪製成一光譜變化圖，以顯示試片(3)不同方向與不同角度之光致螢光光譜之差異。

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.本創作之三維全角度之光致螢光擷取裝置係藉由R-θ-φ之三維球面座標系的多角度光致螢光訊號接收技術，使試片在使用步進馬達驅動R-θ的二維快速且高精準度的載台移動下，並結合收光系統的圓周之φ角變化，有效實現三維方向的光譜量測，達到收集不同方向、不同角度的光致螢光訊號，並比較其光譜之差異。

2.本創作之三維全角度之光致螢光擷取裝置係以橢圓偏光儀的光譜收光設計原理達到光致螢光訊號之三維全角度收光技術，使得擁有不同晶格或是堆疊方向的各種材料與試片所散射的光致螢光訊號可以被有效偵測與接收，以打破傳統只能垂直出收光的光譜量測技術，有效達到對不同方向與不同角度散射的光致螢光訊號的比較與分析。

3.本創作之三維全角度之光致螢光擷取裝置係藉由電腦之控制模組電性控制步進馬達以驅動二維方位改變之移動載台與圓周角改變之半圓移動支架，以進行不同角度與不同方向之三維全角度光致螢光訊號接收，例如三五族之砷化鎵半導體等表面之發光特性的光譜解析，並結合電腦化的自動控制與光譜量測程式之數據分析能力，有效繪製一高精準度之光譜變化圖，以展現材料光譜學之更深一層的研究與發展。

綜上所述，本創作三維全角度之光致螢光擷取裝置，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。