專利名稱：利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的制作方法
利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種檢測(cè)器及其承載平臺(tái)，特別是有關(guān)于一種利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一種存在于金屬與介電質(zhì)之間的光學(xué)現(xiàn)象。在1982年，Nylander及Leidberg利用SI3R的現(xiàn)象來做氣體檢測(cè)及生化感測(cè)器后，SI^R生化感測(cè)器就漸漸地被科學(xué)界所注意。由于SI^R生物感測(cè)器具有很好的親合性，可以允許在不對(duì)生物分子做任何標(biāo)記的情況下進(jìn)行及時(shí)的分析，因此sra生物感測(cè)器逐漸成為生物檢測(cè)儀器的主要設(shè)備。上述的感測(cè)器是利用表面等離子體共振效應(yīng)來檢測(cè)金屬薄膜表面微量物質(zhì)的特性，而檢測(cè)方法是將一光線從介電質(zhì)射至金屬薄膜表面，當(dāng)光線在金屬薄膜表面產(chǎn)生全反射角時(shí)，入射光會(huì)激發(fā)此金屬膜表面的自由電子，使其沿平行入射面的方向共振運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成表面等離子體波(Surface Plasmonffave, SPff)。由上述可知，表面等離子體波為一電場(chǎng)震蕩方向平行于入射面的橫向電磁波，因此只有橫向電磁場(chǎng)極化光(也就是所謂的P偏振光)，在滿足動(dòng)量相當(dāng)與頻率相同的情況下，才能使入射光子能量耦合傳遞給表面等離子體波。當(dāng)入射光線與表面等離子體波共振時(shí)，反射光線的強(qiáng)度會(huì)遽降至零，此時(shí)的入射角即稱為表面等離子體共振角。表面等離子體共振角會(huì)隨著位于金屬薄膜非照光面上的待測(cè)物的折射率(refractive index)而改變，當(dāng)待測(cè)物的組成或濃度改變時(shí)，所導(dǎo)致的折射率改變將反映在共振角的變化上。也就是說，位于金屬薄膜表面的待測(cè)物的質(zhì)量變化將導(dǎo)致共振角產(chǎn)生變化。因此只要量測(cè)出共振角，即可推算出待測(cè)物的組成或濃度等特性。圖1為現(xiàn)有利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)單示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1， 目前普遍采取棱鏡式利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其是直接將金屬薄膜110鍍?cè)谝坏妊苯侨忡R120的底面122，待測(cè)物130則是配置于金屬薄膜110的非照光面111 上。激光源140是用以提供激光束142，當(dāng)激光束142入射三棱鏡120的入射角為此待測(cè)物130的共振角時(shí)，光強(qiáng)度偵測(cè)器150所接收到的反射光強(qiáng)度為零。此時(shí)，光線101的衰逝波(evanescentwave)是穿越金屬薄膜110而在金屬薄膜110的非照光面111激發(fā)出表面等離子體波。而且，目前多以高精度的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)來承載三棱鏡120、激光源140及光強(qiáng)度偵測(cè)器 150等元件。此旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是以三棱鏡120為旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，帶動(dòng)激光源140與光強(qiáng)度偵測(cè)器 150進(jìn)行反向同角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以使激光束142得以不同的入射角度射至三棱鏡120，從而檢測(cè)出待測(cè)物130的共振角。但由于此類精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)體積龐大且價(jià)格昂貴，使得整體檢測(cè)裝置無法被廣泛地運(yùn)用。為避免上述的缺點(diǎn)，現(xiàn)有提出另一種利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其是利用拋物面鏡的反射特性，將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)改良成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。此種利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的應(yīng)用原理為不同的平行光經(jīng)拋物面鏡反射后，均會(huì)聚焦于其焦點(diǎn)上， 故將承載有待測(cè)物的棱鏡置放在拋物面鏡的焦點(diǎn)上，并使入射光平行拋物面鏡的軸線，再移動(dòng)光源與此軸線的距離，就可以改變光入射棱鏡的角度。然而，拋物面鏡的制造精度對(duì)此利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度影響極大，但高精度的拋物面鏡卻是不易制作的，所以此種利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置需要較高的成本，因而無法被廣泛地運(yùn)用。故，有必要提供一種利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其具有體積小且成本低的特點(diǎn)，因此可廣泛地應(yīng)用在任何檢測(cè)技術(shù)中。本發(fā)明的次要目的在于提供一種撓性連桿平臺(tái)，其具有制造簡(jiǎn)單且成本低廉的特點(diǎn)，并且能夠達(dá)成精密定位與動(dòng)力傳遞的功效。為達(dá)成本發(fā)明的前述目的，本發(fā)明提供一種撓性連桿平臺(tái)，包含輸入桿、輸出桿、 連接桿與固定桿。其中，輸入桿的一端樞接于輸出桿的一端，連接桿的一端樞接于輸入桿的中心，固定桿的一端樞接于連接桿另一端，固定桿的另一端則樞接于輸出桿的另一端。而且，輸入桿的自由端適于相對(duì)固定桿而進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)，輸出桿則適于以連接至固定桿的一端為軸心而旋轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的撓性連桿平臺(tái)是以一材料而利用線切割放電加工、電腦數(shù)值控制銑床加工或射出成型方式而成。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的輸入桿與輸出桿、輸入桿與連接桿、連接桿與固定桿以及輸出桿與固定桿之間各具有一樞接點(diǎn)，每一樞接點(diǎn)是以凹槽方式予以增強(qiáng)材料的撓性而達(dá)成旋轉(zhuǎn)的目的。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的輸入桿的長(zhǎng)度為連接桿長(zhǎng)度的兩倍，且連接桿是樞接于輸入桿的中心位置。本發(fā)明提出一種利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，適于檢測(cè)一待測(cè)物的共振角。此利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置包含上述的撓性連桿平臺(tái)、光源組、三棱鏡以及光偵測(cè)單元。其中，光源組是配置于撓性連桿平臺(tái)上，并相對(duì)輸出桿而固定。此光源組適于提供一偏振光。三棱鏡是配置于撓性連桿平臺(tái)上，并相對(duì)固定桿而固定。此三棱鏡具有一光入射面、一光出射面與一底面。而且，此三棱鏡是位于上述偏振光的光路徑上。待測(cè)物是配置于三棱鏡的底面上，且當(dāng)偏振光由三棱鏡的光入射面入射，并照射至待測(cè)物后，偏振光會(huì)被反射而從三棱鏡的光出射面出射。光偵測(cè)單元配置于偏振光從三棱鏡出射后的光路徑上，用以偵測(cè)偏振光從三棱鏡出射后的光強(qiáng)度。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的光源組包含光源與偏光片。其中，光源是用以提供一激光。偏光片配置于此光源與上述三棱鏡之間，并位于此激光的光路徑上。此偏光片是用以將通過其中的激光偏極化，而成為上述的偏振光。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的光源組另包含第一分光鏡、旋轉(zhuǎn)偏光片以及搖擺相位延遲鏡片組。其中，第一分光鏡配置于上述偏光片與三棱鏡之間，當(dāng)偏振光射入第一分光鏡后，偏振光會(huì)有一部份被此第一分光鏡反射而成為一參考光束，而偏振光的其余部分則會(huì)穿透此第一分光鏡而射入上述的三棱鏡。旋轉(zhuǎn)偏光片配置于搖擺相位延遲鏡片組與第一分光鏡之間，以使由第一分光鏡出射的參考光束依序通過旋轉(zhuǎn)偏光片與搖擺相位延遲鏡片組。在此，旋轉(zhuǎn)偏光片可通過旋轉(zhuǎn)的方式來改變其與搖擺相位延遲鏡片組之間的距離。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的光源組另包含一第二分光鏡，配置于三棱鏡與光偵測(cè)單元之間，并位于參考光束與偏振光的光路徑上。此第二分光鏡是用以反射參考光束， 以使參考光束射至光偵測(cè)單元。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的光源組另包含一平面反射鏡，配置于撓性連桿平臺(tái)上，并相對(duì)固定桿而固定。上述參考光束在通過搖擺相位延遲鏡片組之后，是通過此平面反射鏡將其反射至第二分光鏡。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的光偵測(cè)單元包含檢偏器與光接收器。其中，檢偏器是偏振光與參考光束組合成具有相同偏振方向的兩道光，以形成一光干涉條紋影像。光接收器則是接收并記錄所產(chǎn)生的干涉條紋影像的結(jié)果。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的光偵測(cè)單元另包含一透鏡組，配置于檢偏器與光接收器之間，用以放大檢偏器所輸出的分析結(jié)果。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的偏振光例如是平行所述輸出桿而入射至三棱鏡中。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置另包含一線性致動(dòng)組，固定于撓性連桿平臺(tái)上。此線性致動(dòng)組是用以驅(qū)動(dòng)撓性連桿平臺(tái)的輸入桿，以使其一端產(chǎn)生線性位移。本發(fā)明是利用撓性連桿平臺(tái)來承載檢測(cè)表面等離子體波的元件，此撓性連桿平臺(tái)的輸入桿的自由端的運(yùn)動(dòng)軌跡近似直線，且其能夠帶動(dòng)撓性連桿平臺(tái)的輸出桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變檢測(cè)用的偏振光入射三棱鏡的入射角度。因此，本發(fā)明的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置不但可以有效地完成表面等離子體共振檢測(cè)，另可以大幅降低設(shè)備體積與制造成本。

圖1是利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)單示意圖。圖2A為本發(fā)明的第一實(shí)施例中利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的立體示意圖。圖2B為圖2A的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)單示意圖。圖3為本發(fā)明的一實(shí)施例中撓性連桿平臺(tái)的俯視示意圖。圖4為本發(fā)明的撓性連桿平臺(tái)中，輸入桿的自由端位移量與與輸出桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度以有限元素分析解與理論解的關(guān)是曲線圖。圖5為本發(fā)明的第二實(shí)施例中利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)單示意圖。圖6為本發(fā)明的一實(shí)施例中偏振光以不同角度入射至三棱鏡的示意圖。圖7為本發(fā)明的一實(shí)施例中，圖8為本發(fā)明的一實(shí)施例中，e/L、入射光B的入射角 θ以及/L的關(guān)是曲線圖。
圖9為本發(fā)明的一實(shí)施例的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置中，光學(xué)折射偏差的目標(biāo)函數(shù)曲線圖。圖10為Hoecken連桿機(jī)構(gòu)的示意圖。圖11為本發(fā)明的另一實(shí)施例中利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)單示意圖。
具體實(shí)施方式為讓本發(fā)明上述目的、特征及優(yōu)點(diǎn)另明顯易懂，下文特舉本發(fā)明較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下本發(fā)明是利用連桿平臺(tái)來承載檢測(cè)表面等離子體波的元件，且由于傳統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)的樞接點(diǎn)大多使用銷與孔或球與球窩等配合來使桿件產(chǎn)生單維或多維相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但在小尺寸的連桿機(jī)構(gòu)中，并不易控制銷與孔或球與球窩之間之間隙精度，因此本發(fā)明提出一種撓性連桿平臺(tái)，其是以材料變形的方式提供旋轉(zhuǎn)自由度，故毋須考慮樞接點(diǎn)之間隙精度。 以下將舉例說明如何將此撓性連桿臺(tái)應(yīng)用于利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置中。圖2A為本發(fā)明的第一實(shí)施例中利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的立體示意圖。圖2B則為圖2A的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)單示意圖。請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D2A及圖2B，利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置200主要是由光源組210、撓性連桿平臺(tái)220，三棱鏡230、金屬薄膜MO以及光偵測(cè)單元250所構(gòu)成。撓性連桿平臺(tái)220包含輸入桿Li、輸出桿L2、連接桿L3與固定桿L4。其中，輸入桿Ll與輸出桿L2之間具有一樞接點(diǎn)01，連接桿L3的一端樞接于輸入桿Ll的中心02，連接桿L3與固定桿L4之間具有一樞接點(diǎn)03，輸出桿L2與固定桿L4之間則具有一樞接點(diǎn)04。光源組210是配置于撓性連桿平臺(tái)220上，并相對(duì)輸出桿L2而固定。其中，光源組210例如是通過光源固定座219而固定在撓性連桿平臺(tái)220上。在本實(shí)施例中，光源組 210例如是直接固定于輸出桿L2上。此外，由于只有P向偏振光會(huì)造成表面等離子體共振效應(yīng)，因此光源組210所提供的偏振光211即為P方向的偏振光。在本實(shí)施例中，光源組 210例如是通過光源212提供光束211a，再通過偏光片214將光束211a濾成P方向的偏振光211。其中，光源212例如是一激光源，而其所提供的光束211a例如是單波長(zhǎng)的激光。三棱鏡230亦配置在撓性連桿平臺(tái)220上，并相對(duì)固定桿L3而固定。其中，三棱鏡230例如是通過棱鏡固定座239而固定在撓性連桿平臺(tái)220上，并通過調(diào)整座237與調(diào)整座238進(jìn)行調(diào)整定位。在本實(shí)施例中，三棱鏡230例如是直接固定于固定桿L3上。三棱鏡230具有光入射面232、光出射面234以及底面236，其中底面236是鍍有金屬薄膜M0， 而待測(cè)物四0即是配置于金屬薄膜240未與三棱鏡230接觸的表面242上。光源組210所提供的偏振光211會(huì)以某一角度從三棱鏡的230的光入射面232入射，并照射至鍍?cè)谌忡R230的底面236上的金屬薄膜M0。詳細(xì)來說，當(dāng)撓性連桿平臺(tái)220 的輸入桿Ll的自由端P在一直線上往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)輸出桿L2以樞接點(diǎn)04為中心轉(zhuǎn)動(dòng)。 而且，由于光源組210是相對(duì)輸出桿L2而固定，因此當(dāng)輸出桿L2旋轉(zhuǎn)時(shí)，光源組210亦會(huì)隨的轉(zhuǎn)動(dòng)，而改變偏振光211入射三棱鏡230的角度。在本實(shí)施例中，輸入桿Ll的自由端P 例如是由一線性致動(dòng)器260帶動(dòng)而產(chǎn)生一直線位移，而線性致動(dòng)器260例如是通過致動(dòng)器固定座269而固定于撓性連桿平臺(tái)220上。
由于撓性連桿平臺(tái)220的各桿件的長(zhǎng)度間具有一特定關(guān)是，因此輸入桿Ll的自由端P在工作范圍內(nèi)的位移與偏振光211的入射角間會(huì)具有一線性關(guān)是。如此一來，在控制撓性連桿平臺(tái)220時(shí)，只要輸入桿Ll的自由端P的位移量為已知，則可通過其與偏振光211 入射角之間的線性關(guān)是式得知偏振光211的入射角。請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D2A及圖2B，當(dāng)偏振光211射入棱鏡230的入射角大于全反射臨界角時(shí)，偏振光211會(huì)完全被金屬薄膜240反射，而從三棱鏡230的光出射面234出射。在此， 通過尺寸設(shè)計(jì)來決定樞接點(diǎn)04與三棱鏡230的相關(guān)位置，可使偏振光211的反射點(diǎn)落在最小的檢驗(yàn)許可范圍內(nèi)。光偵測(cè)單元250即是用以接收由三棱鏡230反射出的偏振光211，并測(cè)量偏振光 211的光強(qiáng)度。其中，光偵測(cè)單元250例如是通過光偵測(cè)單元固定夾259而固定在撓性連桿平臺(tái)220上。由于偏振光211與金屬薄膜MO的價(jià)電子發(fā)生共振而產(chǎn)生表面等離子體波時(shí)，從三棱鏡230出射的光強(qiáng)度近似于零，因此當(dāng)光偵測(cè)單元250量測(cè)到其所接收的光強(qiáng)度近似于零而呈現(xiàn)最小值時(shí)，表示此時(shí)偏振光211入射三棱鏡230的入射角即為待測(cè)物四0的表面等離子體共振角。為使熟習(xí)此技藝者另了解本發(fā)明，以下將舉例說明撓性連桿平臺(tái)220的制造方法。撓性連桿平臺(tái)220的基本設(shè)計(jì)模型是將一塊板材以線切割放電加工或電腦數(shù)值控制(computer numerical control，CNC)銑床加工而成。把加工完成的板材平放后，再將其他光學(xué)與致動(dòng)元件安置于板材上。由于撓性連桿平臺(tái)220主要受力于撓性關(guān)節(jié)處，桿件本身幾乎不受力，且其它光學(xué)與致動(dòng)元件的架設(shè)僅會(huì)改變機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的重力方向負(fù)載，因此只要于板材底面設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹畏绞剑@些元件對(duì)于撓性連桿平臺(tái)220本身的平面運(yùn)動(dòng)軌跡與應(yīng)力分布不會(huì)產(chǎn)生影響。由此可知，建立基本模型時(shí)可先考量撓性連桿平臺(tái) 220的平面外型，待完成應(yīng)力與運(yùn)動(dòng)軌跡分析后，再將各元件安置于撓性連桿平臺(tái)220上。本實(shí)施例是選擇具備較大應(yīng)力限的割痕式撓性關(guān)節(jié)作為連桿機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)型式，并選擇割痕外型為圓形，以利加工制造。給定撓性關(guān)節(jié)外型參數(shù)b與H為5mm，割痕半徑rl與r2 為2. 25mm，且割痕圓心位于桿件邊緣上。依此數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)出最佳直線運(yùn)動(dòng)的撓性連桿平臺(tái) 220的外型如圖3所示，其中實(shí)線部份為平臺(tái)外型輪廓，虛線部份為平臺(tái)連桿尺寸。在此，撓性連桿平臺(tái)220的材質(zhì)例如是聚乙烯(polyethylene，ΡΕ)。為確認(rèn)撓性連桿平臺(tái)220的可行性，本實(shí)施例特針對(duì)所設(shè)計(jì)的撓性連桿平臺(tái)220 進(jìn)行有限元素分析。當(dāng)輸入桿Ll的自由端P為強(qiáng)迫直線位移Imm時(shí)，輸入桿Ll與基座 (也就是固定桿L4)部份受應(yīng)力近乎于零，應(yīng)力主要集中于撓性關(guān)節(jié)部份，其中應(yīng)力最大值為6. 44N/mm2，此應(yīng)力最大值小于聚乙烯材料的彎曲強(qiáng)度(7N/mm2)，因此整體撓性連桿平臺(tái) 220于運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)產(chǎn)生材料斷裂現(xiàn)象。此應(yīng)力分布狀態(tài)容許設(shè)計(jì)者自由變另非關(guān)節(jié)處的撓性連桿平臺(tái)220的外型，而不致改變應(yīng)力分布。通過在撓性連桿平臺(tái)220運(yùn)動(dòng)過程中計(jì)算出入射光的入射角度變化，可建立直線位移輸入和入射光角度變化關(guān)是圖，并與機(jī)構(gòu)分析的理論解相互比較。圖4為本發(fā)明的撓性連桿平臺(tái)中，輸入桿的自由端位移量與與輸出桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度以有限元素分析解與理論解的關(guān)是曲線圖。請(qǐng)參照?qǐng)D4，輸入桿的自由端的位移量愈大，理論解與有限元素分析結(jié)果誤差愈多，但角度最大誤差僅約0.02°，且其關(guān)是曲線仍保持線性關(guān)是，就工程應(yīng)用觀點(diǎn)而言， 已足以可應(yīng)用于實(shí)務(wù)的中。圖5為本發(fā)明的第二實(shí)施例中利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)單示意圖。請(qǐng)參考圖5，本實(shí)施例的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置300與前述實(shí)施例的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置200大致相同，以下將針對(duì)兩者相異的處加以說明。利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置300的光源組310除了光源212與偏光片214 以外，還包含有第一分光鏡312、旋轉(zhuǎn)偏光片314與搖擺相位延遲鏡片組316。其中，第一分光鏡312是配置于偏光片214與三棱鏡230之間，且當(dāng)偏振光211射入第一分光鏡312后， 部分的偏振光211會(huì)被第一分光鏡312反射而成為一參考光束311，而另一部分的偏振光 211則是穿透第一分光鏡312而射入三棱鏡230，以于三棱鏡230底面的金屬薄膜240表面造成表面等離子體共振效應(yīng)。旋轉(zhuǎn)偏光片314與搖擺相位延遲鏡片組316即是位于參考光束311的光路徑上， 且旋轉(zhuǎn)偏光片314是位于第一分光鏡312與搖擺相位延遲鏡片組316之間。在此值得一提的是，通過控制旋轉(zhuǎn)偏光片314或搖擺相位延遲鏡片組316的左右擺動(dòng)幅度，即可調(diào)整旋轉(zhuǎn)偏光片314與搖擺相位延遲鏡片組316之間之間距，進(jìn)而改變參考光束311的光程。此外，利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置300另包含一平面反射鏡320與第二分光鏡330。平面反射鏡320是配置于撓性連桿平臺(tái)220上，并相對(duì)固定桿L4而固定。 第二分光鏡330則是配置于三棱鏡230與光偵測(cè)單元350之間，并位于參考光束311與偏振光211的光路徑上。由此可知，參考光束311依序通過旋轉(zhuǎn)偏光片314與搖擺相位延遲鏡片組316之后，會(huì)射至平面反射鏡320，再被平面反射鏡320反射至第二分光鏡330。之后，再被第二分光鏡330反射。另一方面，偏振光211從三棱鏡230的光出射面234出射后，會(huì)穿透第二分光鏡 330。而且，由于穿透第二分光鏡330的偏振光211與被第二分光鏡330反射的參考光束 311具有光程差，因此兩者之間會(huì)相互干涉而產(chǎn)生干涉條紋。值得注意的是，本實(shí)施例的光偵測(cè)單元350包含檢偏器352與光接收器354。檢偏器352將偏振光211與參考光束311等兩道相垂直的光組合成具有相同偏振方向的兩道光，進(jìn)而以形成光干涉條紋。而光接收器3M則是接收并記錄所產(chǎn)生的干涉條紋影像的結(jié)果，并將結(jié)果傳遞至例如是計(jì)算機(jī)中，來進(jìn)一步作影像結(jié)果處理與分析。舉例來說，當(dāng)偏振光211與參考光束311的光程差值為0時(shí)，兩道光所干涉而穿過檢偏器352的光的強(qiáng)度達(dá)到最大值，若光程差值等于波長(zhǎng)一半時(shí)，偏振光211與參考光束311所干涉而穿過檢偏器352 的光強(qiáng)度則變?yōu)樽畹汀Ｍㄟ^透鏡組356加以放大后由光接收器3M加以記錄并傳送至計(jì)算機(jī)以供進(jìn)一步分析。其中，光接收器3M例如是電荷耦合元件(charge couple device, CCD)。而且由上述可知，光偵測(cè)單元350所接收的干涉條紋的強(qiáng)度和相位，可以通過旋轉(zhuǎn)偏光片314以及搖擺相位延遲鏡片316來做調(diào)整。為使本發(fā)明的特征的可行性與實(shí)用性得以另為呈現(xiàn)，以下針對(duì)本發(fā)明中所應(yīng)用到的相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步加以說明(1)降低光學(xué)折射偏差的設(shè)計(jì)圖6為本發(fā)明的一實(shí)施例中偏振光以不同角度入射至三棱鏡的示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D6，根據(jù)表面等離子體共振角度分析原理，不同角度的入射光入射三棱鏡230后，通過計(jì)算反射光的強(qiáng)度變化，可判斷所述待測(cè)物的物理性質(zhì)。但是，由于光線在經(jīng)過不同介質(zhì)的界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生光學(xué)折射，因此在檢測(cè)過程中，可能會(huì)遭遇檢測(cè)點(diǎn)位置偏差的問題。如圖6所示，初始入射光A于入射點(diǎn)I垂直入射三棱鏡230短邊，因入射光A于入射點(diǎn)I的入射角為90°，故不會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，入射光A 會(huì)入射至三棱鏡230的底面236的初始檢測(cè)點(diǎn)0。在設(shè)計(jì)上若將入射光A以0點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ而形成入射光B，因三棱鏡230的折射率大于空氣折射率，且入射光A于入射點(diǎn)I’的入射角非90°，此時(shí)入射光B會(huì)產(chǎn)生折射，因此入射光B到達(dá)三棱鏡230的底面
236時(shí)已偏離初始檢測(cè)點(diǎn)0而射至一點(diǎn)0’，而產(chǎn)生一光學(xué)折射偏差值⑩。
為降低此光學(xué)折射偏差，輸出桿L2的端點(diǎn)G以2個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)e與Dz定義的(見圖7)。在此基本折射光路設(shè)計(jì)架構(gòu)下，初始入射光A會(huì)直接入射至三棱鏡320的底面3 上的初始檢測(cè)點(diǎn)0。入射光A的路徑往三棱鏡320的底面3 平行偏移距離e，即為輸出桿 L2位置。另外，輸出桿L2的端點(diǎn)G與三棱鏡短邊延伸線的X方向距離為Dz。由于在撓性連桿平臺(tái)220的運(yùn)動(dòng)過程中，輸出桿L2與入射光A保持平行距離e，故輸出桿L2與入射光 A的光路可視為同一剛體，兩者之間并無相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)是。所以，輸出桿L2與入射光A會(huì)以G 點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)旋轉(zhuǎn)后，入射光A會(huì)旋轉(zhuǎn)至入射光B的光路，形成另一入射光路而入射至三棱鏡230的底面236。在此入射過程中，入射光B于空氣與三棱鏡230交界面
會(huì)產(chǎn)生折射，并偏離初始檢測(cè)點(diǎn)0而射至點(diǎn)0’。通過推導(dǎo)可得光學(xué)折射偏差值(οσ)與設(shè)
計(jì)參數(shù)值e與Dz的關(guān)是式
權(quán)利要求
1.一種利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，適于檢測(cè)一待測(cè)物的共振角，其特征在于所述利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置包含一撓性連桿平臺(tái)，包含一輸入桿、一輸出桿、一連接桿與一固定桿，所述輸入桿的一端樞接于所述輸出桿的一端，所述連接桿的一端樞接于所述輸入桿的中心，所述連接桿另一端樞接于所述固定桿的一端，所述輸出桿的另一端則樞接于所述固定桿的另一端，其中所述輸入桿的自由端適于相對(duì)所述固定桿而進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)，所述輸出桿則適于以連接至所述固定桿的一端為軸心而旋轉(zhuǎn)；一光源組，配置于所述撓性連桿平臺(tái)上，并相對(duì)所述輸出桿而固定，其中所述光源組適于提供一偏振光；一三棱鏡，配置于所述撓性連桿平臺(tái)上，并相對(duì)所述固定桿而固定，所述三棱鏡具有一光入射面、一光出射面與一底面，且所述三棱鏡位于所述偏振光的光路徑上；一金屬薄膜，鍍于所述三棱鏡的所述底面上，其中當(dāng)所述偏振光由所述光入射面入射所述棱鏡，并照射至所述金屬薄膜后，所述偏振光會(huì)被反射而從所述光出射面出射，而所述待測(cè)物是配置于所述金屬薄膜的表面上；以及一光偵測(cè)單元，配置于所述偏振光從所述三棱鏡出射后的光路徑上，適于偵測(cè)所述偏振光從所述棱鏡出射后的光強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其特征在于所述光源組包含一光源，適于提供一激光；以及一偏光片，配置于所述光源與所述棱鏡之間，并位于所述激光的光路徑上，所述偏光片適于將所述激光轉(zhuǎn)換為所述偏振光。
3.如權(quán)利要求2所述的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其特征在于所述光源組另包含一第一分光鏡，配置于所述偏光片與所述三棱鏡之間，其中當(dāng)所述偏振光射入所述第一分光鏡后，部分所述偏振光適于被所述第一分光鏡反射而成為一參考光束，所述偏振光的其余部分則穿透所述第一分光鏡而射入所述三棱鏡；一搖擺相位延遲鏡片組，配置于所述參考光束的光路徑上；以及一旋轉(zhuǎn)偏光片，配置于所述參考光束的光路徑上，并位于所述第一分光鏡與所述搖擺相位延遲鏡片組之間，其中所述旋轉(zhuǎn)偏光片適于旋轉(zhuǎn)以改變其與所述搖擺相位延遲鏡片組之間的距離。
4.如權(quán)利要求3所述的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其特征在于另包含一第二分光鏡，配置于所述三棱鏡與所述光偵測(cè)單元之間，并位于所述參考光束以及所述偏振光的光路徑上，所述第二分光鏡適于反射所述參考光束，以使所述參考光束射至所述光偵測(cè)單元。
5.如權(quán)利要求4所述的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其特征在于另包含一平面反射鏡，配置于所述撓性連桿平臺(tái)上，并相對(duì)所述固定桿而固定，其中所述參考光束在通過所述搖擺相位延遲鏡片組之后，是通過所述平面反射鏡將其反射至所述第二分光^Mi ο
6.如權(quán)利要求3所述的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其特征在于所述光偵測(cè)單元包含一檢偏器，是所述偏振光與參考光束組合成具有相同偏振方向的兩道光，以形成一光干涉條紋影像；以及一光接收器，接收并記錄所述光干涉條紋影像結(jié)果。
7.如權(quán)利要求6所述的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其特征在于所述光偵測(cè)單元另包含一透鏡組，配置于所述檢偏器與所述光接收器之間，適于放大經(jīng)所述檢偏器所產(chǎn)生所述光干涉條紋影像。
8.如權(quán)利要求1所述的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其特征在于所述偏振光適于平行所述輸出桿而入射所述三棱鏡。
9.如權(quán)利要求1所述的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其特征在于所述偏振光入射所述三棱鏡的光路徑與所述輸出桿之間夾一角度。
10.如權(quán)利要求1所述的利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，其特征在于另包含一線性致動(dòng)組，固定于所述撓性連桿平臺(tái)上，所述線性致動(dòng)組適于使所述輸入桿的自由端產(chǎn)生線性位移。
全文摘要
本發(fā)明公開一種利用表面等離子體共振效應(yīng)的檢測(cè)裝置，包含撓性連桿平臺(tái)、光源組、三棱鏡、金屬薄膜與光偵測(cè)單元。撓性連桿平臺(tái)的輸入桿的自由端適于進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)，以帶動(dòng)輸出桿旋轉(zhuǎn)。光源組會(huì)隨著輸出桿旋轉(zhuǎn)，因而改變其所發(fā)出的偏振光入射三棱鏡的角度。金屬薄膜配置于三棱鏡的底面上，待測(cè)物則配置于金屬薄膜未與三棱鏡接觸的表面上。偏振光通過三棱鏡照射至金屬薄膜后，會(huì)被金屬薄膜反射。光偵測(cè)單元是用以偵測(cè)偏振光被金屬薄膜反射而從三棱鏡出射的光強(qiáng)度。當(dāng)所偵測(cè)到的光強(qiáng)度為零時(shí)，偏振光的入射角即為待測(cè)物的共振角。
文檔編號(hào)G01N21/01GK102235971SQ201010173028
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者徐坴暉 申請(qǐng)人:徐坴暉