TWI673481B - 共振波長量測裝置及其量測方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種共振波長量測裝置，包含光源以及量測單元。量測單元具有導模共振濾波器及感光元件。其中，導模共振濾波器具有複數個共振區，每一共振區具有彼此相異之濾波特性，用以接收由感測器所透射之光源中之第一光線；或接收由感測器所反射之光源中之第二光線。第一光線於感光元件上具有對應之第一對應像素，第二光線於感光元件上具有對應之第二對應像素，並且第一對應像素及第二對應像素對應相同之共振波長。
Description
本發明係有關一種共振波長量測裝置及其量測方法，特別是一種微型共振波長量測裝置及其量測方法。
隨著醫療體系的完善，方便又快速的生物檢測成為一個趨勢。在各種不同檢測機制的感測器中，光學式感測器為最被廣泛使用的感測器。藉由量測各種不同的參數的變化，例如光強度、波長、耦合角等，可以得到待測物的濃度。其中又以量測共振波長的變化最為常見，根據感測機制的不同及量測裝置的架設，此共振波長可以以波峰或波谷呈現。目前最常用的方式為利用光譜儀來針對光譜進行量測以得到共振波長的變化。
然而，光譜儀體積龐大且昂貴，此外，亦無法與感測晶片進行整合以達到整體感測系統的微型化。
有鑑於此，本發明之一目的在於提供一種共振波長量測裝置，透過具有梯度的導模共振元件，並結合線性感光耦合元件經過數值處理發展出一套可以觀測共振波長變化的裝置。
共振波長量測裝置包含光源以及量測單元。量測單元具有導
模共振濾波器及感光元件。其中，導模共振濾波器具有複數個共振區，每一共振區具有彼此相異之濾波特性，用以接收由感測器所透射之光源中之第一光線；或接收由感測器所反射之光源中之第二光線。第一光線於感光元件上具有對應之第一對應像素，第二光線於感光元件上具有對應之第二對應像素，並且第一對應像素及第二對應像素具有相同之共振波長。
本發明之另一目的在於提供一種共振波長的量測方法，透過具有梯度的導模共振元件，並結合線性感光耦合元件經過數值處理發展出一種可以觀測共振波長變化的量測方法。
量測方法包含下列步驟：(S1)以光源照射感測器；(S2)感測器透射第一光線或反射第二光線至量測單元；以及(S3)感光元件具有對應第一光線及第二光線之第一對應像素及第二對應像素，且第一對應像素及第二對應像素對應相同之共振波長。
本發明之附加特徵及優點將於隨後的描述中加以說明使其更為明顯，或者可經由本發明的實踐而得知。本發明之其他目的及優點將可從本案說明書與其之申請專利範圍以及附加圖式中所述結構而獲得實現與達成。
1‧‧‧共振波長量測裝置
2‧‧‧光源
3‧‧‧量測單元
31‧‧‧導模共振濾波器
32‧‧‧感光元件
4‧‧‧量測單元
41‧‧‧導模共振濾波器
42‧‧‧感光元件
5‧‧‧感測器
6‧‧‧樣本
311‧‧‧介電層
312‧‧‧透光層
411‧‧‧介電層
412‧‧‧透光層
L1‧‧‧第一光線
L2‧‧‧第二光線
圖1A係為本發明共振波長量測裝置之一實施例示意圖。
圖1B係為本發明導模共振濾波器之一實施例立體圖。
圖2A係為入射波長於感光元件上所量測到的光強度分佈圖。
圖2B係為共振波谷位置局部放大圖。
圖2C係為共振波長與共振像素之關係圖。
圖2D係為每一共振像素與波長的穿透效率圖。
圖3A係為本發明共振波長量測之一實施例示意圖。
圖3B係為本發明共振波長量測之另一實施例示意圖。
圖4A~圖4E係為本發明共振波長量測之運作機制示意圖。
圖5A~圖5D係為驗證本發明之實驗數據關係圖。
圖6A及圖6B係為驗證本發明之實驗數據關係圖。
圖7A~圖7D係為驗證本發明之實驗數據關係圖。
圖8A係為本發明導模共振濾波器之另一實施例示意圖。
圖8B及圖8C係為使用圖8A導模共振濾波器之另一實施例示意圖。
圖9係為本發明之一實施例流程圖。
請參閱圖1A及圖1B。共振波長量測裝置1包含光源2及量測單元3、4。量測單元3、4分別具有導模共振濾波器31、41及與其相連之感光元件32、42。
具體來說，導模共振濾波器31、41(Guided-Mode Resonance Filter)，其具有多個共振區P1,P2,...,Pn，其共振頻率係沿同一方向遞增或遞減，本實施例係以週期梯度由250nm以2nm為單位變化至550nm為例，但不以此為限，此週期梯度之範圍與每週期的重複數可因應不同應用而有所調整。特別的是，每一共振區具有彼此相異之濾波特性，用以透射或反射特定波長的光。亦即，本實施例係採用具有梯度之導模共振濾波器(Gradient Guided-Mode Resonance Filter)。舉例而言，每一共振區沿垂直於光源之方
向排列具有不同之光柵週期；或，每一共振區沿垂直於光源之方向排列具有不同之波導厚度；或，每一共振區沿垂直於光源之方向排列具有不同之折射率。
於本實施例中，導模共振濾波器31、41可為以介電層311、411設置於透光層312、412所形成的波導光柵結構，其中介電層311、411之折射率大於透光層312、412之折射率。舉例而言，介電層311、411可為二氧化鈦(TiO2)、氮化矽(SiNx)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鋯(ZrO2)、五氧化二鉭(Ta2O5)、五氧化二鈮(Nb2O5)或二氧化鉿(HfO2)。透光層312、412可為玻璃、石英或塑膠材質。然而，針對不同的波段，介電層311、411及透光層312、412所選用之材料可有所不同。
其原理舉例說明如下，如圖2A~圖2D所示，主要是將入射光的光譜信息藉由具週期梯度之導模共振結構轉換成感光元件上的空間信息，例如感光耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)。為了要達成此概念，將具週期梯度之導模共振結構安裝在線性感光元件上，並使用單光儀來得到入射光波長與像素之間的關係。於其他實施例中，亦可使用2維結構的CCD，並無特定限制。當特定波長的光打入具週期梯度之導模共振結構時，會在特定的位置產生共振，此特定波長的光就會在此位置被反射回去，而其他位置的光則會穿透過去。
圖2A和2B顯示了入射波長為600-605nm時，感光元件上所量測到的光強度分布。圖2B為波谷局部放大圖，由此可看出每一波長有一對應量測到極小的光強度的像素(稱為共振像素)。圖2C為共振像素與入射波長的關係圖，由此可以看出此導模共振濾波器可分辨每1nm的光。圖2D為特
定波長在特定像素的穿透率關係圖，在此例子中，使用單光儀入射特定波長的光，由550nm開始，並以1nm為單位逐漸增加至660nm。
其中，圖2D可以一個穿透效率矩陣T來表示，T為一個j x j的矩陣，第一個下標表示共振像素，第二個下標則是表示用於計算的特定波長。實際上，T矩陣裡的每個數值即表示了特定波長在特定共振像素下的穿透效率。對於任一入射光譜而言，光(I)可以依波長被切分為j份，每一份光強度可表示為I j ，其下標則表示對應於計算(或校正)的特定波長。因此，感光元件接收到的光強度結果C，便可以使用C=TI來做計算，其中C j 代表每一共振像素接收到的光強度。
本發明之一實施例，請參閱圖3A。以寬頻光源2照射感測器5，其中，本實施例之感測器5係以具導模共振之生物感測器為例，但不以此為限，於其他實施例中亦可使用其他光學式之生物感測器。當光源2中之特定波長的光線與感測器5在特定位置產生共振時，會被反射回去，而於其他位置未產生共振的光線則穿透感測器5。
於本實施例中，定義穿透光線為第一光線L1。此時，透射之第一光線L1為一個具有波谷光譜之光線，當第一光線L1入射至導模共振濾波器31時，其對應感光元件32上的強度分佈，將會產生一個具有波峰光譜的第一對應像素。須說明的是，於此情況下，第一光線L1係由量測單元3進行量測，本實施例之量測單元3較佳係設置於感測器5相反於光源2之一側。對應參照圖2D可得知，此波峰對應像素所對應的波長即為感測器之共振波長。亦即，本實施例之裝置可以根據感光元件32上量測到的波谷對應像素與共振像素與共振波長關係圖(即圖2D)得到感測器5的共振波長。於其
他實施例中，第一光線L1亦有可能為波峰，則其對應之第一對應像素即為波谷，其係由感測器5的特性而定，並無特定之態樣。
於一實施例中，請參閱圖3B。於本實施例中，定義被感測器5反射之光線為第二光線L2，第二光線L2為一個具有波峰光譜之光線。當第二光線L2入射至導模共振濾波器41時，其對應感光元件42上的強度分佈，將會產生一個具有波谷光譜的第二對應像素。須說明的是，於此情況下，第二光線L2係由量測單元4進行量測，本實施例之量測單元4較佳係設置於感測器5相同於光源2之一側。對應參照圖2D可得知，此波谷對應像素所對應的波長即為感測器5之共振波長，並且第一對應像素與第二對應像素會對應到相同的共振波長。於其他實施例中，第二光線L2亦有可能為波谷，則其對應之第二對應像素即為波峰，其係由感測器5的特性而定，並無特定態樣。
承上，請參閱圖4A~圖4E。假設穿透效率在每個共振像素對應其共振波長皆相同(例如0.1，即10%穿透)，對其它波長也都相同(例如1，即100%穿透)。因此，將入射光的強度以I j 表示，則在感光元件上每個共振像素的強度(C j )可以由C=TI計算而得，關係式如下：
此外，假設一個寬頻光(圖4A，假設強度為1，即I j =1)，入射至導模共振濾波器，其感光元件上每個共振像素的強度如圖4B所示，即在
感光元件上每個像素有相同的強度(C j 皆相同)。然而當寬頻光先經過一個感測器所得到一個具波谷的頻譜，此波谷對應第x共振波長，所以I x =0.1(假設穿透效率為0.1)，然而其它像素I j (j=1...n，但j≠x)的強度為1(假設穿透率為100%在非共振區)。因此在感光元件上，根據Eq.1，共振像素(C x )所量測到的強度為C x =1+1+.......0.1×0.1+1+...1(Eq.2)；而根據Eq.1，在非共振像素(如C 1 )的強度為C 1=0.1×1+1+.......1×0.1+1+...1 (Eq.3)。
從上述Eq.2和Eq.3可以得知，在共振像素的強度(C x )會比非共振像素的強度(如C 1 )來的大。因此在感光元件上將量測到一個具波峰的頻譜(即圖4D)。之後再根據圖2D，其波峰對應的像素即為感測器所產生的共振波長(在此即為波谷的波長，如圖4C所示)。
須說明的是，由於光源的強度在不同波長並非均勻，在非共振像素的穿透率也不是均勻，不同波長在各自對應的共振像素其穿透率也不盡然相同。為了克服此問題，將在光源經過感測器再經過導模共振濾波器3所量測到感光元件的強度分佈(如圖4D所示)，除以光源直接進入導模共振濾波器3所量測到感光元件的強度分佈(如圖4B示)。據此，可以得到圖4E之相對穿透效率對像素的關係圖。再根據圖2D所示，圖4E波峰對應的像素即為感測器所產生的共振波長(即圖4C)。
因此，我們可以藉由量測到的相對穿透效率對像素的關係圖(即圖4E)和先前校正所得的共振像素與波長的穿透效率圖(即圖2D)，來推知感測器的共振波長。
前述實施例可經由以下實驗獲得驗證，請參閱圖5A~圖5D。使用光源其頻譜如圖5A所示，為TM方向偏振的寬頻光源。感測器(以GMR
生物感測器為例，但不以此為限)的穿透光譜則是使用市售的光譜儀進行量測，由圖5B可知其共振波長為592nm。使用共振波長量測裝置分別量測有放置感測器以及沒有放置感測器時的光強度分布。其結果如圖5C所示，沒有放置感測器以及有放置感測器的結果分別表示為broadband及sample。最後，經由計算可得出各像素的相對穿透率如圖5D所示，穿透波峰對應到編號1120的像素。依據圖2D所示，共振像素與波長的關係可推知此像素對應到的波長為592nm。此結果與市售光譜儀量測的結果一致。
此驗證過結果顯示，因感測器所形成的波谷會在共振波長量測裝置形成一個具波峰的強度分佈，再透過共振波長與共振像素的校正(即圖2D)，可以將感光元件上波峰對應的像素轉換成所對應的共振波長。
此外，為了更進一步的確認此概念，係分別使用4種不同共振波長(592,599,636,650nm)的GMR生物感測器來做量測。其穿透光譜如圖6A所示，此實驗依序由最低到最高共振波長的GMR生物感測器量測，量測步驟皆與上述相同，且皆會重複三次。量測結果顯示，相對穿透率的峰值確實對應於GMR生物感測器的波谷波長，如圖6B所示。
本發明之另一驗證方式，請參閱圖7A~圖7D。在光學式生物感測器的使用上，因為樣本濃度的不同而導致折射率的不同，將會造成共振波長的偏移。為了更進一步驗證本發明之共振波長量測裝置，將使用不同濃度的樣本來進行測試。於此實驗中，一樣使用GMR生物感測器作為感測器，而不同濃度的糖水則是作為測試樣本。
首先，使用市售光譜儀分別量測不同濃度的樣本滴在GMR生物感測器上的穿透光譜以及波谷位置，如圖7A所示。濃度為0%、15%、
30%及45%的糖水，其共振波長分別為611.3nm、612nm、615.1nm和618.21nm，濃度與共振波長的關係如圖7B所示。
接著使用共振波長量測裝置進行波谷的量測。首先，以寬頻光照射到導模共振濾波器(無樣本溶液)時，感光元件所接收到的訊號作為參考訊號。之後，量測不同濃度的樣本滴在GMR生物感測器上時，感光元件所接收到的光強度。最後將參考訊號與其做運算便可以得到相對穿透率的峰值與對應到的像素。
此實驗由濃度最低依序量測到最高，測量不同樣本前皆會清洗GMR生物感測器，且每個樣本皆會重複量測三次。以30%糖水為例，圖7C為相對穿透效率圖，其峰值對應到編號1072的像素，透過波長與共振像素關係圖可以對應到616nm。此結果與市售光譜儀量測出的結果615.1nm非常的接近，此實驗證實透過穿透峰值對應的像素可以得知共振波長。並且，透過觀測相對穿透率峰值對應到的像素的移動，可以知道共振波長的偏移進而得知樣本濃度。圖7D係為樣本濃度與相對穿透率峰值的所對應像素的關係。
本發明之另一實施例，係改變導模共振濾波器之態樣。如圖8A所示，導模共振濾波器3之波導光柵結構之高度係沿同一方向遞增(高度由D2遞增至D1)或遞減(高度由D1遞減至D2)。於此實施例中，主要係結合光柵之週期梯度與厚度之二維之架構，可以同時達到大範圍共振波長的量測、具高解析度以及更小的尺寸。舉例來說，可以設計導模共振濾波器使得每個像素可以對應到1nm共振波長的變化。在厚度梯度的方向，使厚度梯度的變化非常小，使得每個像素對應到0.1nm或0.01nm共振波長的變化，但
不以此為限。
如圖8B所示，寬頻光源2通過樣本6(例如糖水或其他生物分子)及感測器5，其穿透光為一個具有波谷的光譜。此光譜通過本實施例的導模共振濾波器31，會在感光元件32上呈現一個具有波峰的強度分佈。其波峰對應的像素與波長相關。當樣本6濃度改變時，會改變穿透光的波谷波長，因此感光元件32上波峰對應像素也隨之而變。據此，可以藉由波峰對應像素的位置得知樣本6的濃度。
於一實施例中，如圖8C所示，寬頻光源2通過樣本6(例如糖水或其他生物分子)及感測器5，其穿透光為一個具有波峰的光譜。此光譜通過本實施例的導模共振濾波器31，會在感光元件32上呈現一個具有波谷的強度分佈，其波谷對應的像素與波長相關。當樣本6濃度改變時，會改變反射光的波峰波長，因此感光元件32上波谷對應像素也隨之而變。據此，可以藉由波谷對應像素的位置，得知樣本6的濃度。
須說明的是，圖8A~圖8C之實施例之穿透光所對應的光譜可能為波峰抑或波谷，視感測器5特性而有不同，並無特定態樣。
類似地，圖8A~圖8C之量測單元亦可用於量測由感測器反射之光線。其詳細方式及原理已詳述於前，在此不另行贅述。
本發明之另一實施例，係為適用於前述硬體實施例之流程。請參閱圖9，量測方法包含下列步驟：(S1)以光源照射感測器；(S2)感測器透射第一光線或反射第二光線至量測單元；以及(S3)感光元件具有對應第一光線及第二光線之第一對應像素及第二對應像素，且第一對應像素及第二對應像素對應相同之共振波長。其量測原理及實現此方法之硬體架構
已詳述於前，故不在此贅述。
相較於先前技術，本發明之共振波長量測裝置能取代光譜儀來量測共振波長的變化，亦能與生物感測晶片整合使整體裝置微小化，解決了光譜儀體積龐大且不易整合的問題。並且，藉由二維梯度之架構，能提供更高解析度之量測。
Claims (10)
- 一種共振波長量測裝置，包含：一光源；以及一量測單元，該量測單元具有一導模共振濾波器及與其連接之一感光元件；其中，該導模共振濾波器具有複數個共振區，每一該共振區具有彼此相異之濾波特性，用以接收由一感測器透射出之該光源中之一第一光線，或接收由該感測器反射出之該光源中之一第二光線，其中，該第一光線於該感光元件上具有對應之一第一對應像素，該第二光線於該感光元件上具有對應之一第二對應像素，並且該第一對應像素及該第二對應像素對應相同之共振波長。
- 如請求項1所述之共振波長量測裝置，其中該些共振區沿一方向排列且具有逐漸減少或增加之共振頻率。
- 如請求項1所述之共振波長量測裝置，其中該導模共振濾波器沿一方向排列且具有逐漸減少或增加之高度。
- 如請求項1所述之共振波長量測裝置，其中該第一光線與該第二光線為具有一波峰或波谷之光譜。
- 如請求項1所述之共振波長量測裝置，其中該導模共振濾波器包含以一介電層設置於一透光層所形成之一波導光柵結構，其中該介電層之折射率大於該透光層之折射率。
- 一種共振波長量測方法，適用於請求項1所述之共振波長量測裝置，包含下列步驟： (S1)以該光源照射該感測器；(S2)該感測器透射該第一光線或反射該第二光線至該量測單元；以及(S3)該感光元件具有對應該第一光線及該第二光線之該第一對應像素及該第二對應像素，且該第一對應像素及該第二對應像素具有相同之該共振波長。
- 如請求項6所述之共振波長量測方法，其中該些共振區沿一方向排列且具有逐漸減少或增加之共振頻率。
- 如請求項6所述之共振波長量測方法，其中該導模共振濾波器沿一方向排列且具有逐漸減少或增加之高度。
- 如請求項6所述之共振波長量測方法，其中該第一光線與該第二光線為具有一波峰或波谷之光譜。
- 如請求項6所述之共振波長量測方法，其中該導模共振濾波器包含以一介電層設置於一透光層所形成之一波導光柵結構，其中該介電層之折射率大於該透光層之折射率。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI380117B (en) * | 2004-05-10 | 2012-12-21 | Avago Technologies General Ip | Method and system for wavelength-dependent imaging and detection using a hybrid filter |
| TWI541493B (zh) * | 2015-09-01 | 2016-07-11 | 國立交通大學 | 一種分光器及其光譜儀 |
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Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8111401B2 (en) * | 1999-11-05 | 2012-02-07 | Robert Magnusson | Guided-mode resonance sensors employing angular, spectral, modal, and polarization diversity for high-precision sensing in compact formats |
| US6961490B2 (en) * | 2000-01-27 | 2005-11-01 | Unaxis-Balzers Aktiengesellschaft | Waveguide plate and process for its production and microtitre plate |
| US7217574B2 (en) | 2000-10-30 | 2007-05-15 | Sru Biosystems, Inc. | Method and apparatus for biosensor spectral shift detection |
| US7497992B2 (en) | 2003-05-08 | 2009-03-03 | Sru Biosystems, Inc. | Detection of biochemical interactions on a biosensor using tunable filters and tunable lasers |
| JP5552793B2 (ja) * | 2009-10-20 | 2014-07-16 | 住友電気工業株式会社 | 半導体回折格子素子、及び、半導体レーザ |
| US20140080729A1 (en) | 2011-03-22 | 2014-03-20 | Research Triangle Institute, International | Optical sensing device for sensing analytes and related apparatus and methods |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI380117B (en) * | 2004-05-10 | 2012-12-21 | Avago Technologies General Ip | Method and system for wavelength-dependent imaging and detection using a hybrid filter |
| WO2017033184A1 (en) * | 2015-08-26 | 2017-03-02 | Ibrahim Abdulhalim | Resonant periodic structures and methods of using them as filters and sensors |
| TWI541493B (zh) * | 2015-09-01 | 2016-07-11 | 國立交通大學 | 一種分光器及其光譜儀 |
| CN106482831A (zh) * | 2015-09-01 | 2017-03-08 | 财团法人交大思源基金会 | 一种分光器及其光谱仪 |
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