TWI596331B - Quasi-radial polarized surface plasmon excitation device and imaging method thereof - Google Patents

Description

準徑向偏極光之表面電漿激發裝置及其成像方法

本發明係有關一種光學元件，尤指一種準徑向偏極光之表面電漿激發裝置及其成像方法。

如第6圖所示，為習用之徑向偏極光之表面電漿激發裝置，係由一雷射產生器91發出雷射光束911，雷射光束911會經一徑向偏振轉換器92而產生如第7圖所示之徑向偏振的效果，起偏後的雷射光束911再經接物鏡93而在金膜94表面反射而產生表面電漿共振現象，反射後的雷射光束911回到接物鏡93後，便在一影像感測器95上有一如第8圖所示之成像圖，明顯可見一內圈96(圖中以虛線表示)，該內圈96顯示表面電漿共振時之光強驟降現象，常見應用在生醫領域之檢測。

然而，為求檢測的結果達到預期的精準度，故於表面電漿激發過程所用的器材，特別是前述徑向偏振轉換器92(元件或裝置)，皆有一定的精密度與穩定度要求，也因此有著造價昂貴的問題，此為本發明欲解決之主要重點所在。

本發明之主要目的，在於解決上述的問題而提供一種準徑向偏極光之表面電漿激發裝置及其成像方法，透過線性偏振片在驅動源帶 動下旋轉，令穿透之光源得以產生時域疊加準徑向偏振之特性，而以相對較低的造價獲得可接受的檢測結果。

為達前述之目的，本發明之準徑向偏極光之表面電漿激發裝置，包括：一光源產生器可發出一準直之光束，且依該光束的路徑依序穿透一線性偏極旋轉器、一空間光濾波器、一光罩及一分光鏡，且在該光束於該分光鏡部分穿透的路徑設一組複合透鏡，並在該光束於該分光鏡部分反射的路徑設一影像感測器；其中，該線性偏極旋轉器中依序設有被該光束穿透的至少一相位延遲波片和一線性偏振片，該線性偏振片被一驅動源帶動而得以其中心軸旋轉，該光束通過旋轉時之該線性偏振片而產生時域疊加準徑向偏振之特性。

其中，該至少一相位延遲波片包括一可產生二分之一波長之相位差的第一波片和一可產生四分之一波長之相位差的第二波片，該第一波片、該第二波片和該線性偏振片在該光束的路徑被先後穿透。

其中，該複合透鏡由二凸透鏡和一半球耦合稜鏡組成，該二凸透鏡依該光束的路徑一前一後並排而設，該半球耦合稜鏡的表面有一半球面和一平面，該金膜貼設在該平面，前述部分穿透該分光鏡的光束先後穿透該二凸透鏡後，再由該半球面穿透該半球耦合稜鏡，且於該金膜表面發生表面電漿激發現象之反射。

其中，該光源產生器為一雷射產生器，該光束為其發出準直之雷射光束。

其中，該光源產生器有一白光光源和一色彩濾波片所組成，由該白光光源發光並穿透該色彩濾波片，以形成該光束。

為達前述之目的，本發明之準徑向偏極光之表面電漿激發裝置之成像方法，包括：由該光源產生器發出該光束，該光束在穿經該空間光濾波器之前或之後，穿經該線性偏極旋轉器之至少一相位延遲波片和該線性偏振片，穿經該空間光濾波器所形成之擴束準直光束在穿經該分光鏡後，被該分光鏡分成二部分穿透的光束和二部分反射的光束，該二部分穿透的光束經該複合透鏡聚焦在該金膜的表面形成表面電漿共振，且經反射回到該分光鏡而和該二部分再經由該分光鏡反射的光束在該影像感測器上進行影像記錄；其中，該光束在穿透該線性偏極旋轉器時，該線性偏振片被該驅動源帶動而旋轉，該光束通過旋轉時之該線性偏振片而時域疊加準產生徑向偏振之特性，且該影像感測器在不同偏振角度所生的影像予以記錄疊加，以獲得一準徑向偏極光之表面電漿共振結果的影像。

本發明之上述及其他目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入了解。

當然，本發明在某些另件上，或另件之安排上容許有所不同，但所選用之實施例，則於本說明書中，予以詳細說明，並於附圖中展示其構造。

(習用部分)

91‧‧‧雷射產生器

911‧‧‧雷射光束

92‧‧‧徑向偏振轉換器

93‧‧‧接物鏡

94‧‧‧金膜

95‧‧‧感測器

96‧‧‧內圈

(本發明部分)

1‧‧‧光源產生器

11‧‧‧光束

2‧‧‧線性偏極旋轉器

21‧‧‧線性偏振片

22‧‧‧第一波片

23‧‧‧第二波片

3‧‧‧空間光濾波器

4‧‧‧光罩

5‧‧‧分光鏡

6‧‧‧複合透鏡

61‧‧‧凸透鏡

62‧‧‧凸透鏡

63‧‧‧半球耦合稜鏡

631‧‧‧半球面

632‧‧‧平面

7‧‧‧影像感測器

8‧‧‧金膜

11’‧‧‧擴束準直光束

111’‧‧‧光束

112’‧‧‧光束

1A‧‧‧光源產生器

11A‧‧‧光束

12A‧‧‧白光光源

13A‧‧‧色彩濾波片

第1圖係本發明之第一實施例之準徑向偏極光表面電漿激發裝置之配置示意圖。

第2圖係本發明之第一實施例之線性偏振片被帶動旋轉而產生時域疊加準徑向偏振特性之過程的示意圖。

第3圖係本發明之準徑向偏極光表面電漿激發裝置和習知徑向偏振轉換器分別獲得之表面電漿共振結果的影像比較圖。

第4圖係本發明之第二實施例之準徑向偏極光表面電漿激發裝置之配置示意圖。

第5圖係本發明之第三實施例之準徑向偏極光表面電漿激發裝置之配置示意圖。

第6圖係習用表面電漿激發裝置之配置示意圖。

第7圖係習知雷射光束經徑向偏振轉換器所產生徑向偏振特性之示意圖。

第8圖係習知表面電漿激發裝置在影像感測器上獲得表面電漿共振結果的影像示意圖。

請參閱第1圖至第3圖，圖中所示者為本發明所選用之實施例結構，此僅供說明之用，在專利申請上並不受此種結構之限制。

本實施例提供一種準徑向偏極光之表面電漿激發裝置及其成像方法，所述準徑向偏極光之表面電漿激發裝置，係如第1圖所示，包括一光源產生器1、一線性偏極旋轉器2、一空間光濾波器3、一光罩4、一分光鏡5、一複合透鏡6及一影像感測器7，其中：

如第1圖所示，光源產生器1可發出一光束11，此光束11係經準直校正，空間光濾波器3、光罩4及分光鏡5依光束11的路徑依序設置而穿透，線性偏極旋轉器2於本實施例中設在空間光濾波器3前，且在光束11於分光鏡5部分穿透的路徑設複合透鏡6，以該複合透鏡6對準半球耦合稜鏡63所設之待測金膜8(於不同實施例中亦可為銀膜)，並在光束11於分 光鏡5部分反射的路徑設影像感測器7。其中，線性偏極旋轉器2中依序設有被光束11穿透的相位延遲波片和一線性偏振片21，線性偏振片21被一驅動源(可為手動操作或以馬達驅動而旋轉)帶動而得以其中心軸旋轉，光束11通過旋轉時之線性偏振片21而產生時域疊加準徑向偏振之特性。本實施例中，光源產生器1為一雷射產生器，前述光束11為其發出準直之雷射光束。

如第1圖所示，前述相位延遲波片於本實施例中包括一第一波片22和一第二波片23，第一波片22可產生二分之一波長之相位差，第二波片23則可產生四分之一波長之相位差，光束11在穿透第一波片22後才穿透第二波片23，最後再穿透線性偏振片21。當光束11穿透第一波片22時產生線性偏振，而在穿透第二波片23時產生圓偏振。

如第1圖所示，複合透鏡6由二凸透鏡61、62和一半球耦合稜鏡63組成，二凸透鏡61、62依該光束11的路徑一前一後並排而設，半球耦合稜鏡63的表面有一半球面631和一平面632，金膜8貼設在平面632，前述部分穿透分光鏡5的光束11先後穿透二凸透鏡61、62後，再由半球面631穿透半球耦合稜鏡63，且於金膜8之表面反射。

前述準徑向偏極光之表面電漿激發裝置，其成像方法主要係由光源產生器1發出光束11，光束11在穿經線性偏極旋轉器2之相位延遲波片(第一波片22和一第二波片23)和線性偏振片21後，再穿經空間光濾波器3而形成擴束準直光束11’，該擴束準直光束11’接著穿經光罩4和分光鏡5後，被分光鏡5分成二部分穿透的光束111’和二部分反射的光束112’，該二部分穿透的光束111’經二凸透鏡61、62和半球耦合稜鏡63聚焦在金膜8的表面形成表面電漿共振，且經反射回到分光鏡5再次反射在影像感測器7上記錄影像。當光束11在穿透線性偏極旋轉器2時，線性偏振片21 被該驅動源帶動而旋轉，光束11通過旋轉時之線性偏振片21而產生時域疊加準徑向偏振之特性。如第2圖所示，可見在不同偏振角度所生的影像在影像感測器7予以記錄並疊加，以獲得一準徑向偏極光表面電漿共振結果的影像。又如第3圖所示，第(a)圖為以上述實施例之準徑向偏極光之表面電漿激發裝置所獲得之實際表面電漿共振結果的影像，而第(b)圖為習知以徑向偏振轉換器92所獲得之實際表面電漿共振結果的影像，前後兩者皆可獲得徑向偏極光表面電漿共振時之光強驟降所產生暗環的現象。

由上述之說明不難發現本發明之優點在於，本發明僅利用一線性偏振片21透過驅動源帶動而旋轉，即可取代習知徑向偏振轉換器92，同樣可獲得表面電漿共振結果的影像，且和習知以徑向偏振轉換器92所獲得之影像相當類似而具有參考性，惟造價相對低於習知以徑向偏振轉換器92許多，藉此解決習知表面電漿激發過程所用的器材造價昂貴的問題。

當然，本發明仍存在許多例子，其間僅細節上之變化。請參閱第4圖，其係本發明之第二實施例，和第一實施例之主要差異在於，本實施例之線性偏極旋轉器2，是設在空間光濾波器3後(於此設在光罩4和分光鏡5之間)，於本實施例中的光束11在穿經空間光濾波器3而形成擴束準直光束11’，並穿經光罩4和線性偏極旋轉器2之相位延遲波片(第一波片22和一第二波片23)和線性偏振片21後，即穿經分光鏡5而被分光鏡5分成二部分穿透的光束111’和二部分反射的光束112’，同樣可達成和第一實施例相同之功效。

再請參閱第5圖，其係本發明之第三實施例，和第一實施例之主要差異在於，本實施例之光源產生器1A有一白光光源12A和一色彩濾 波片13A所組成，由白光光源12A發光並穿透色彩濾波片13A，以形成如第一實施例之光束11的光束11A，同樣可達成和第一實施例相同之功效。

以上所述實施例之揭示係用以說明本發明，並非用以限制本發明，故舉凡數值之變更或等效元件之置換仍應隸屬本發明之範疇。

由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出專利申請。

1‧‧‧光源產生器

11‧‧‧光束

2‧‧‧線性偏極旋轉器

21‧‧‧線性偏振片

22‧‧‧第一波片

23‧‧‧第二波片

3‧‧‧空間光濾波器

4‧‧‧光罩

5‧‧‧分光鏡

6‧‧‧複合透鏡

61‧‧‧凸透鏡

62‧‧‧凸透鏡

63‧‧‧半球耦合稜鏡

631‧‧‧半球面

632‧‧‧平面

7‧‧‧影像感測器

8‧‧‧金膜

11’‧‧‧擴束準直光束

111’‧‧‧光束

112’‧‧‧光束

Claims (5)

1. 一種準徑向偏極光之表面電漿激發裝置，包括：一光源產生器可發出一準直之光束，且依該光束的路徑依序穿透一空間光濾波器、一光罩及一分光鏡，一線性偏極旋轉器依該光束的路徑設在該空間光濾波器的前或後，且在該光束於該分光鏡部分穿透的路徑設一聚焦在待測金膜的表面而形成表面電漿共振之複合透鏡，並在該光束於該分光鏡部分反射的方向設一影像感測器；其中，該線性偏極旋轉器中依序設有被該光束穿透的一可產生二分之一波長之相位差的第一波片、一可產生四分之一波長之相位差的第二波片以及一線性偏振片，該線性偏振片被一驅動源帶動而得以其中心軸旋轉，該光束通過旋轉時之該線性偏振片而產生時域疊加準徑向偏振之特性。
2. 依請求項1所述之準徑向偏極光之表面電漿激發裝置，其中，該複合透鏡由二凸透鏡和一半球耦合稜鏡組成，該二凸透鏡依該光束的路徑一前一後並排而設，該半球耦合稜鏡的表面有一半球面和一平面，該金膜貼設在該平面，前述部分穿透該分光鏡的光束先後穿透該二凸透鏡後，再由該半球面穿透該半球耦合稜鏡，且於該金膜之表面反射。
3. 依請求項1所述之準徑向偏極光之表面電漿激發裝置，其中，該光源產生器為一雷射產生器，該光束為其發出準直之雷射光束。
4. 依請求項1所述之準徑向偏極光之表面電漿激發裝置，其中，該光源產生器有一白光光源和一色彩濾波片所組成，由該白光光源發光並穿透該色彩濾波片，以形成該光束。
5. 一種依請求項1至4中任一項所述之準徑向偏極光之表面電漿激發裝置之成像方法，包括：由該光源產生器發出該光束，該光束在穿經該空間光濾波器之前或之後，穿經該線性偏極旋轉器之至少一相位延遲波片和該線性偏振片，穿經該空間光濾波器所形成之擴束準直光束在穿經該分光鏡後，被該分光鏡分成二部分穿透的光束和二部分反射的光束，該二部分穿透的光束經該複合透鏡聚焦在該金膜的表面形成表面電漿共振，且經反射回到該分光鏡而和該二部分再經由該分光鏡反射的光束在該影像感測器上形成影像記錄；其中，該光束在穿透該線性偏極旋轉器時，該線性偏振片被該驅動源帶動而旋轉，該光束通過旋轉時之該線性偏振片而產生時域疊加準徑向偏振之特性，且該影像感測器在不同偏振角度所記錄的影像予以疊加，以獲得一準徑向偏極光表面電漿共振結果的影像。