TWI247108B

TWI247108B - Optical characteristics measurement apparatus

Info

Publication number: TWI247108B
Application number: TW092136929A
Authority: TW
Inventors: Hei-Tong Ching; Chin-Chang Chen; Chien-Chi Chao
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2006-01-11
Also published as: TW200521426A; US20050140980A1

Description

1247108 五、發明說明（1) 〜 •一、【發明所屬之技術領域】、本發明係有關於一種光學檢測裝置，尤其是一種用來檢測陣列式檢測樣本之光學檢測裝置。二、【先前技術】在生物醫學研究上，光學檢測裝置係被廣泛的使用，例如基因晶片研究解碼、蛋白質陣列分析、基因藥物、先導藥物等新藥開發方面，都可依據其光學性質之變化來作為ΐ測驗證的依據。例如在生物晶片的微陣列結構中，每一個格子中可置入成千或上萬條相同的去氧核糖核酸 (Deoxyribonucleic Ac id簡稱 DN A )鏈、核糖核酸 (Ribonucleic Acid簡稱RNA)鏈或是疾病病原的蛋白抗體 ’此時便能利用光學檢測儀檢測經特定反應後所發出的蟹光訊號’再經由電腦轉換成以顏色區分的資料。如第一圖所示，習知一光學檢測裝置丨〇包含一控制系統1 2、一雷射系統1 4、一反射鏡1 6、一光源投射系統1 8、一基座26、一二維移動平台28、一放射光反射鏡3〇、_濾光鏡32、一聚焦透鏡34、一成像光圈3 6與一訊號讀取裝置 3 8。首先，控制系統丨2控制雷射系統1 4發出連續之激發光 2 0，激發光2 0經由反射鏡1 6反射並經光源投射系統1 8投射至基座2 6上的檢測樣本2 4 ;在此同時，控制系統1 2也控制二維移動平台2 8的移動使得激發光2 0能依序準確地被投射在陣列樣本2 4上。而檢測樣本2 4上的檢測物質經激發光2 0

1247108 五、發明說明（2) ' '〜·'' •照射而反射回來的放射光2 2經由光源投射系統丨8維持光路後’經放射光反射鏡3 0反射進入濾光鏡3 2，之後再經由_ I焦透鏡3 4匯聚放射光2 2並通過一成像光圈3 6後投射於— 訊號讀取裝置3 8上讀取檢測樣本2 4上各個檢測點所傳回之光訊號’此訊號讀取裝置3 8為一光電倍增管裝置。上述習知之光學檢測裝置1 0，由於雷射系統1 4為_產生激發光2 0之光源，成本高而無法普及應用於各研究機構或疋醫院’再者’雷射系統1 4的光學機構極為複雜且維護不易，其使用的頻率也因此產生了限制，因此亟需一種本低廉的光源。在另一方面，習知光學檢測裝置i 〇，其在檢測時之光學知“方式為一連續且單點式的掃描，因此花費在掃描動作上的時間很長，而且檢測樣本24必須固定於基座26^，並藉由二維移動平台2 8之移動使得激發光2 〇能依序且準確地被投射在檢測樣本2 4上的每一個檢測點，此複雜的光學機構所佔的空間非常大；同時，連續且無間斷地投射激二 $20不但造成可觀的能量消耗，另一方面也容易造成訊號讀取時不容易將雜訊分離的問題，因此亟需要一種能夠快速且正確投射光源的裝置，並且改善單點式掃描需配合^ 維移動平台28此種複雜的掃描機制，使得經由昭射檢測樣本24所產生的光訊號能正確且容易地被訊號讀取裝置38 讀取而不致產生誤差。

1247108 五、發明說明（3) 三、【發明内容】本發明之一目的，係提供一種光學檢測裝置，其包含一光源導光模組，係由一陣列光源與一導光元件所組成，陣列光源所發出之面光源藉由通過導光元件以形成一線光源輸出，此陣列光源可由複數個發光二極體（L i gh t Emitting Diode，LED)或是複數個有機發光二極體 (Organic Light Emitting Diode，0LED)所組成，以取代傳統價格昂貴且維護不便的雷射點光源，並且使用來承載檢測樣本之基座能以一維移動之方式，取代複雜且佔空間之二維移動方式。本發明之另一目的，係提供一線型或面型電荷耦合感測元件於一接收模組内，以改善習知技術中，其訊號讀取裝置因採用光電倍增管而產生資訊擷取誤差以及所需較長處理時間的缺失。本發明係利用一光源導光模組與一線型或面型感測器取代先前技術中之雷射光源系統與光電倍增管，這樣的光學檢測裝置具有儀器體積小、成本低、功率消耗少、設計彈性高、光源可為不連續且可控制之的入射光以及入射光頻率具有彈性選擇等優點，使得精確、快速且架構簡單之光學檢測得以實現。

第7頁 1247108 五、發明說明（4) 四、【實施方法】本發明的一些實施例會詳細描述如下。然而，除了詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行。亦即，本發明的範圍不受提出之實施例的限制，而應以後面提出之申請專利範圍為準。第二側面平面陣列光源列光源，係用以將傳遞至檢例如直線二C與第二曲度的弧組成，例外圍係由所組成， A圖與第二示意圖。與檢測樣較小或線陣列光源測樣本上管身，但二D圖，用線型式。如一集束複數片反而該自然

BI 係本發明於一實施例中本之間。較大型開口部分則 (面光源）所提。要說明的是不限於圖上所以傳遞光線的此外，導光元光纖（bundle 射元件所組成放出光則可於之導光元件的，一楔型導光或面型開口部鄰近檢測樣本供之光線，藉，導光元件的示，另一種選導光元件其管件亦可由一束 f i b e r )。另外，例如由複數此反射元件内正面立體與元件放置於分係鄰近陣。導光元件由導光元件幾何形狀，擇是，如第身可為具有導光元件所，導光元件個不鏽鋼片傳遞。因此，本發明所述之光學檢測裝置，其導光元件傳遞光線的方式，可以為全反射方式或反射方式。而導光元件内的填充物質可為透明的玻璃、壓克力以及聚碳酸酯（

Po 1 y carbona t e簡稱PC )材料。在本發明中，導光元件可以與一陣列光源整合而包含於一光源導光模組，負責提供與

第8頁 1247108 五、發明說明（5) 傳遞光線。第三圖所示為根據本發明之一光學檢測裝置4 0其結構示意圖。於此實施例中，光學檢測裝置4 〇係採用一反射式的成像方式’其包含一陣列光源4 2、一弧線型楔形導光元件4 4、一基座4 7、一反射鏡5 0、一成像鏡頭5 2與一線型電柯搞合元件5 4。於本實施例中，陣列光源4 2與其控制電路係包含於一光源模組（圖中未示）内，其中陣列光源4 2係為一可發出自然放出光（spontane〇us emissi〇n Hght)的裝置，例如由複數個發光二極體或有陣列格式的光源。有栈電發先70件所組成之㈣二Ϊ ί用LED光源的成本較雷射光源低，因此本實施例利用大Ϊ的led元件組成足夠井 … 、也供照射檢測樣本46所需之光線，八的陣列光源42，以提換開關的特性，改善習知採用/精由LED光源、可以快速切 (sti_Uted emissicn〇所/±\射光源系統時需連續激發合元件5 4可正確地感測到要檢題二使得線型電荷耗光學檢測裝置4 0便不需額外事置、'衫像讯唬，如此—來本、置以執行雜訊濾除的動作。再者，光學檢測裝置4〇A ^ excitation filter)(圖上未°匕含一激發濾光窃（徑另前，可用以過渡自然放出光，不接於陣列光源42之光 ^鬲自然放出光的品質

1247108 五、發明說明（6) 上^自陸然放出、光的品質的方法是安裝一整光鏡頭（圖的弁、八、列光源42之光路徑前，用以調整自然放出光、m二。在本實施例中，整光鏡頭之材質可採用玻璃、壓克力以及聚碳酸醋等材質。碉型_ ^ ^朵陣^光源42發出一激發光（自然放出光）由弧線 ίΐΪΪί/ “導引成一線形光後照射於基座47上之一二二，立上（檢測樣本46係放置於基座47上一光學檢測 ;4 ::即無檢測樣本46置於基座47上時，線形光則直接 ^ ^ =之光學檢測區域），其中，弧線型楔形導光元件 ^ Ρ列光源4 2與檢測樣本4 6之間，負責將激發光傳遞並投射至檢測樣本4 6上。於本實施例中，光學檢測裝置4〇尚包含一整光鏡頭45 置於弧線型導光元件44與檢測樣本46之間，使入射光線均勻且正確地照射至檢測樣本4 6上，而整光鏡頭4 5之材質可採用玻璃、壓克力以及聚碳酸酯等材質。另外，此光學檢測裝置4 0尚可包含一激發濾光器（圖上未示）於弧線型導光元件44與檢測樣本46之間，用以過濾陣列光源42發出的激

發光，而此激發濾光器也可置於弧線型導光元件44與陣列光源4 2之間。線形光照射檢測樣本4 6後產生一放射光4 8，此放射光 4 8經由反射鏡5 0反射後由成像鏡頭5 2將此放射光4 8匯聚成

第10頁 1247108 五、發明說明（7) 一~ ---- f並傳至線型電荷搞合元件54上。由於本發明以線形光昭射，測樣本46,因此用以承载與移動檢測樣本46的基座〇只而在一維方向上移動即可，而無須在二維方向上做複雜的定位與移動，如此一來便能縮短掃描檢測樣本46的時間，並且簡化了掃描的機制。因此本發明利用線形光輸出並且只需以一維掃描的方式進行光學檢測，其檢測樣本“可為陣列之格式’包含微陣列格式的檢測樣本以及生物晶片格式的檢測樣本（例如基因晶片、蛋白質晶片以及酵素3^ 色晶片），都可作為本發明之檢測樣本，並且依據本發；; 可更換不同種類及格式的陣列光源46之特性，可進行X許多光學檢測，例如螢光光譜檢測以及吸收光譜檢測等。再者，於本實施例中，成組（圖中未示）中，其接收檢測，並經由一投光鏡頭5 3傳遞至在放射光4 8通過成像鏡頭5 2前鏡片（圖上未示）以濾除反射之柵5 1修飾投光的品質與分布。像鏡頭52係包含於一成像模樣本4 6所傳回的放射光4 8後線型電荷耗合元件54。其中 ’成像模組尚可包含一濾光激發光，並以一繞射成像光在本貫施例中於一影像感測模組傳遞之放射光4 8並元件54可由一面型電晶體感測元件所 ’線型電荷耦合元件中（圖中未示），係用做進一步的處理。其電荷耦合元件或是_ 替換。此外，為了進 5 4與其電路係包含以接收成像模組所中’線型電荷搞合互補式金氧半場效一步處理或為了某

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五、發明說明（8) 些特定用途，影像感測模組尚可包含一分光鏡# 示）或濾光鏡片（圖上未示）。在本發明中，点兄(圖上未 ^ ' 似4彳冢模纟且盘旦/ 像感測模組亦可整合成為一接收模組，將照射产I” /、衫後所得到的放射光48做接收及處理的動作，使双測樣本46 利用價值之光學資訊。 '^成為一有上述之光學檢測裝置40，由於採用弧線型換妒件44，將可節省檢測儀所佔的空間，加上利用^ ¥光兀射特性’將入射的面型光源導引成一高光通密度J =全反積之線型激發光，因此在做檢測樣本46的掃描$ 一 °小面測樣本46之基座47僅需以一維方式的移動便可完成$載檢掃描取樣，此一維方式的移動可以以步進馬達=動$面的輪組來達成，這樣的設計不但縮小了此光學檢測裝’置f齒伯的體積，同時也簡化了機構的複雜度，同時節痛： 0所的時間，進而降低了整體光學檢測裝置4〇的成本。取樣本發明之另一較佳實施例如第四圖所示，為拒明之另一一光學檢測裝置其結構示意圖。於此實^例^發光學檢測裝置6 0係採用一穿透式的成像方式，其^ ^ ’ 列光源6 2、一直線型楔形導光元件6 4、一整光模組^ 6 陣基座6 9、一成像鏡頭7 2與一線型電荷耦合元件7 4。其中列光源62可由複數個LED或者0LED等光源所組成，/、陣

| Xml.f /J I H I I 光源的成本遠較雷射光源低廉，因此在本實施例中則了複數個LED元件，組成一足夠光度的陣列光源6 、，以提

第12頁 1247108 五、發明說明（9) •供照射檢測樣本6 8所需之尖括 . 同特性的陣列光源62以提#二二I =亦可彈性地更換不於咖光源可以快速地切^開特關疋先可予改檢^所需。此外，由源時需連續激發所產生的鬥 =習知採用雷射光可正確地感測到要檢測的影像訊號，如此：;7;:;:測裝置60便不需額外裝置以執行雜訊渡除的動：本先子“ 光學檢測裝置60的操作過程係由陣列光源62發出一激發光’激發光再由直線型楔形導光元件64導引成一線形光輸出’線形光通過一整光鏡頭6 6使光線均勻分布後照射於基座6 9上之檢測樣本6 8後產生一放射光7丨，此放射光7 一 $透檢測樣本6 8的光訊號，經成像鏡頭7 2成像於一線型電荷耦合元件74上，其中在放射光71通過成像鏡頭72前可先通過一濾光鏡片7 5以濾除穿透之激發光，以及經一繞射成像光栅76以修飾投光品質與分布，此線型電荷耦合元件 74亦可由一面型電荷耦合元件或是一互補式金氧半場效電晶體感測元件所取代。以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之申請專利範圍。在不脫離本發明之實質内容的範疇内仍可予以變化而加以實施，此等變化應仍屬本發明之範圍。因此’本發明之範疇係由下列申請專利範圍所界定。

第13頁 1247108 圖式簡單說明【圖示簡單說明】第一圖為一習知光學檢測裝置示意圖；第二A圖為一直線型楔形導光元件之立體正視示意圖第二B圖為一直線型楔形導光元件上視示意圖；第二C圖為一弧線型楔形導光元件立體示意圖；第二D圖為一弧線型楔形導光元件上視示意圖；第三圖為利用本發明之一光學檢測裝置其結構示意圖；以及第四圖為利用本發明之另一光學檢測裝置其結構示意圖。符號說明： 1 0光學檢測裝置 1 2控制系統 1 4雷射系統 1 6反射鏡 1 8光源投射系統 2 0激發光 2 2放射光 2 4檢測樣本 26基座 2 8二維移動平台 3 0放射光反射鏡

第14頁 1247108 圖式簡單說明 3 2濾光鏡 3 4聚焦透鏡 3 6成像光圈 3 8訊號讀取裝置 4 0光學檢測裝置 4 2陣列光源 4 4弧線型楔形導光元件 4 5整光鏡頭 4 6檢測樣本 47基座 48放射光 5 0反射鏡 51繞射成像光栅 5 2成像鏡頭 5 3投光鏡頭 5 4線型電荷搞合元件 6 0光學檢測裝置 6 2陣列光源 6 4直線型楔形導光元件 6 6整光鏡頭 6 8檢測樣本 69基座 7 0激發光 7 1放射光

第15頁 1247108 圖式簡單說明 7 2成像鏡頭 7 4線型電荷耦合元件 7 5濾光鏡片 7 6繞射成像光栅 41

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Claims

1247108 六、申請專利範圍 1. 一種光學檢測裝置，包含：一光源導光模組，係提供一自然放出光並將該自然放出光轉換為一線形光而入射至一光學檢測區域上；以及一接收模組，係成像並處理該線形光經過該光學檢測區後所產生之一放射光。 2. 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，其中該光源導光模組包含一光源模組和一導光元件，該導光元件位於該光源模組與該光學檢測區域之間。 3. 如申請專利範圍第2項所述之光學檢測裝置，其中該光源模組包含由複數個發光二極體所組成之一陣列光源。 4. 如申請專利範圍第2項所述之光學檢測裝置，其中該光源模組包含由複數個有機發光二極體所組成之一陣列光源。 5. 如申請專利範圍第2項所述之光學檢測裝置，其中該導光元件之包含選自下列幾何外型之一：弧線形楔型導光元件與直線形楔型導光元件。 6. 如申請專利範圍第2項所述之光學檢測裝置，其中該導光元件内之材質包含選自下列族群之一：玻璃、壓克力以及聚碳酸酯。

第17頁 1247108 六、申請專利範圍 7. 如申請專利範圍第2項所述之光學檢測裝置，其中該導光元件包含由複數個反射元件所組成，且該自然放出光係在該反射元件内反射與傳遞。 8. 如申請專利範圍第7項所述之光學檢測裝置，其中該反射元件係由複數個不鏽鋼反射片所組成。 9. 如申請專利範圍第2項所述之光學檢測裝置，其中該導光元件係由複數個集束光纖所組成。 1 0 .如申請專利範圍第2項所述之光學檢測裝置，其中該光源導光模組係包含一激發濾光器於該光源模組與該光學檢測區之間。 1 1.如申請專利範圍第2項所述之光學檢測裝置，其中該光源導光模組包含一整光鏡頭於該光源模組與該光學檢測區之間。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項所述之光學檢測裝置，其中該整光鏡頭之材質包含選自下列所組成族群之一：玻璃、壓克力以及聚碳酸酯。 1 3.如請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，其中該接收

第18頁 1247108 六、申請專利範圍模組包含一成像模組和一影像感測模組，該成像模組位於該光學檢測區域與該影像感測模組之間。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項所述之光學檢測裝置，其中該成像模組包含一投光鏡頭。 1 5 .如申請專利範圍第1 3項所述之光學檢測裝置，其中該成像模組包含一繞射成像光栅。 1 6 .如申請專利範圍第1 3項所述之光學檢測裝置，其中該影像感測模組包含一分光鏡片（d i c h r 〇 i c m i r r 〇 r )。 1 7 .如申請專利範圍第1 3項所述之光學檢測裝置，其中該影像感測模組包含一濾光鏡片。 1 8 .如申請專利範圍第1 3項所述之光學檢測裝置，其中該影像感測模組包含一面型感測器。 1 9 .如申請專利範圍第1 3項所述之光學檢測裝置，其中該影像感測模組包含一線型感測器。 2 0 .如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，更包含可一維移動的一基座以利執行檢測時承載置於該光學檢測區内的一檢測樣本。

第19頁 1247108 六、申請專利範圍 2 1. —種光學檢測裝置，包含：一光源模組，係提供一自然放出光；一導光元件，將該自然放出光轉換為一線形光而入射至一光學檢測區域上；一成像模組，係將該線形光入射該光學檢測區域後所產生一放射光匯聚成像；以及一影像感測模組，係接收並處理該成像模組所匯聚成像之該放射光。 2 2 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，更包含可做一維移動之一基座以承載並移動一可設置於該光學檢測區域之檢測樣本。 2 3 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該光源模組包含一發光二極體陣列光源。 2 4 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該光源模組包含一有機發光二極體陣列光源。 2 5 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該光源模組包含一激光渡光片。

第20頁 1247108 六、申請專利範圍 2 6 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該導光元件包含一整光鏡頭。 2 7 .如申請專利範圍第2 6項所述之光學檢測裝置，其中該整光鏡頭之材質包含選自下列所組成族群之一：玻璃、壓克力以及聚碳酸酯。 2 8 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該導光元件之包含選自下列幾何外型之一：弧線形楔型導光元件與直線形楔型導光元件。 2 9 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該導光元件内之材質包含選自下列族群之一：玻璃、壓克力以及聚碳酸酯。 3 0 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該導光元件包含由複數個反射元件所組成，且該自然放出光係在該反射元件内反射與傳遞。 3 1.如申請專利範圍第3 0項所述之光學檢測裝置，其中該反射元件係由複數個不鏽鋼反射片所組成。 3 2 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該導光元件係由複數個集束光纖所組成。

第21頁 1247108 六、申請專利範圍 3 3 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該成像模組包含一成像鏡頭。 3 4 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該影像感測模組包含一面型感測器。 3 5 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該影像感測模組包含一線型感測器。 3 6 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該成像模組包含一濾光鏡片。 3 7 .如申請專利範圍第2 1項所述之光學檢測裝置，其中該成像模組包含一繞射成像光拇。

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