專利名稱：可提供動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置及使光鑷夾具有動量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光鑷夾產(chǎn)生裝置，特別是涉及一種可提供具有動量(Momentum)的光鑷夾的光鑷夾產(chǎn)生裝置。
技術(shù)背景利用激光梯度力來捕捉微小粒子或細胞的"光鑷夾"技術(shù)已存在。傳統(tǒng) 光鑷夾技術(shù)將激光通過具有相位延遲圖形的繞射光學(xué)元件(Diffractive Optical Element, DOE),而相位延遲圖形上各部分的通過光束彼此繞射以產(chǎn) 生繞射圖形，并決定激光的強度分布。在繞射圖形中光強度較高的部分具 有可捕捉^L小粒子的效果。然而，傳統(tǒng)光鑷夾技術(shù)無法提供橫向(垂直光軸方向)動量來移動被捕捉 到的微小粒子，因而當(dāng)傳統(tǒng)光鑷夾技術(shù)欲將捕捉到的微小粒子進行移動時， 需經(jīng)由改變光調(diào)變器或外加推力，如水流及靜電力的方式來提供動量移動 捕捉到的微小粒子。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生 裝置及使光鑷夾具有動量的方法，其可有效地改善傳統(tǒng)光鑷夾裝置無法提 供具有動量的光鑷夾來移動光鑷夾捕捉到的微小粒子的缺點，而具有可提 供具有動量(Momentum)的光鑷夾的優(yōu)點。根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一種可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置，用 以于一檢測試件中提供一具有第一動量的第一光鑷夾。此裝置包括激光 (Laser)光源、繞射光學(xué)元件(Diffractive Optical Element, DOE)及透鏡。激光 光源用以輸出激光光。繞射光學(xué)元件具有相位延遲圖形。激光在經(jīng)過相位 延遲圖形后產(chǎn)生繞射圖形。透鏡接收繞射圖形，并將繞射圖形聚焦于檢測試件，以形成具有第一動量的第一光鑷夾。其中，透鏡具有光軸，其與繞 射光學(xué)元件相交于光軸交點。相位延遲圖形的幾何中心相對于光軸交點具 有位移向量，而第一動量的方向與位移向量的方向為相關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的另一目的，提出一種使光鑷夾具有橫向動量的方法，其 應(yīng)用于可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置，以在檢測試件上提供具有 一動 量的光鑷夾。此方法包括下列的步驟。首先，提供繞射光學(xué)元件，其具有 相位延遲圖形。接著，提供激光通過相位延遲圖形及一透鏡，以在檢測試 件上產(chǎn)生光光場。繞射光學(xué)元件與透鏡的光軸相交于一光軸交點。之后， 沿著繞射光學(xué)元件的一表面上的第一方向平移繞射光學(xué)元件，使得相位延 遲圖形的幾何中心相對光軸焦點具有一位移向量，以使光鑷夾具有動量。 其中，位移向量與動量的方向為相關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的另一目的，提出另一種使光鑷夾具有動量的方法，其應(yīng)用于可提供具有動量的光鑷夾的裝置，以于檢測試件上提供具有動量的光 鑷夾。此方法包括下列的步驟。首先，決定一動量。接著，提供繞射光學(xué) 元件，繞射光學(xué)元件具有對應(yīng)至此動量的相位延遲圖形。之后，提供激光 光通過相位延遲圖形及一透鏡，以于檢測試件上產(chǎn)生具有此動量的光鑷夾。 其中，繞射光學(xué)元件與透鏡的光軸相交于光軸交點，相位延遲圖形的幾何 中心相對于光軸交點具有一位移向量。此位移向量的方向與動量的方向為 相關(guān)。為了讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下


圖1為本發(fā)明第一實施例的可提供具有橫向動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置的 方塊圖；圖2為圖1中的繞射光學(xué)元件130的結(jié)構(gòu)圖；圖3為圖1中影像感測器162于檢測試件110上感測到的光鑷夾0T1 的示意圖；圖4為本發(fā)明第一實施例的使光鑷夾具有動量的方法的流程圖； 圖5為本發(fā)明第一實施例的另一使光鑷夾具有動量的方法的流程圖； 圖6為本發(fā)明第二實施例的檢測試件110中光鑷夾OT2 OT5的示意圖7為本發(fā)明第二實施例的繞射光學(xué)元件230的示意圖；圖8A為本發(fā)明第二實施例的繞射光學(xué)元件232的示意圖；圖8B為本發(fā)明第二實施例的繞射光學(xué)元件234的示意圖；圖9為本發(fā)明第二實施例的檢測試件110中光鑷夾OT2 OT5的另 一 示意圖；圖IO分別為依照圖6中的檢測試件110中微小粒子的移動狀況的時序圖。主要元件符號說明10:可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置 110:檢測試件 120:激光光源 LS: 激光130、 230、 232、 234:繞射光學(xué)元件P、 P':相位延遲圖形C、 C2、 C3、 C4、 C5:幾何中心TS:位移向量140:透鏡LX:光軸LXP、 LXP，、 LXP"、 LXP"，光軸交點145:透鏡組150:反射鏡160:檢測單元162:影像感測器170:控制單元402-406、 502~506:操作步驟OTl、 OT2 OT5、 OT2， OT5，光鑷夾Ml、 M2 M5、 M2， M5，動量具體實施方式
第一實施例請參照圖1、圖2及圖3，圖1繪示依照本發(fā)明第一實施例的可提供具 有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置的方塊圖，圖2繪示的是圖1中繞射光學(xué)元件130 的結(jié)構(gòu)圖，圖3繪示的是圖1中影像感測器162于檢測試件110上感測到的 光鑷夾OTl的示意圖。檢測試件110中例如具有若干微小粒子(未繪示)，而 可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置10用以于檢測試件110上提供具有動量 Ml的光鑷夾OTl,以對檢測試件110中的微小粒子進行控制。可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置10包括激光光源120、繞射光學(xué)元 件(Diffractive Optical Element, DOE)130、顯微物鏡140、反射鏡150及檢 測單元160。顯微物鏡140具有光軸LX，其經(jīng)由反射鏡150延伸至繞射光 學(xué)元件130與激光光源120。激光LS平行入射到繞射元件(DOE)130后，從 DOE出射的激光LS經(jīng)由透鏡組與反射鏡150成像至顯微物鏡140的后焦平 面上。之后激光再經(jīng)由顯徵物鏡140聚焦，在其之前焦平面上形成所設(shè)計 的光場分布。激光光源120用以沿著光軸LX輸出激光光LS，而光軸LX與繞射光 學(xué)元件130相交于一光軸交點LXP。檢測單元160包括影像感測器162，使 用者經(jīng)由影像感測器162來觀測檢測試件110中微小粒子的移動情形。繞射光學(xué)元件130具有相位延遲圖形P，而相位延遲圖形P的幾何中 心C相對于光軸交點LXP例如具有位移向量TS,在本實施例中，位移向量 TS的方向?qū)嵸|(zhì)上等于正x軸方向。在圖2所繪示的相位延遲圖形P中，黑 色區(qū)域及白色區(qū)域分別為其相位延遲為-兀及相位延遲為+兀的區(qū)域。當(dāng)激光 光LS經(jīng)過相位延遲圖形P后，相位延遲圖形P不同部位的通過光束將延遲 大小不同的相位而彼此繞射而產(chǎn)生繞射圖形。透鏡140接收繞射圖形并將其聚焦于檢測試件110而成為光鑷夾0T1， 其具有動量M1，而動量Ml的方向與位移向量TS的方向為相關(guān)。在本實 施例中，光鑷夾0T1例如為一直線狀繞射亮紋，而動量M1的方向與位移向量TS的方向例如為相反。在本實施例中，相位延遲圖形P上的每個點是經(jīng)由以光軸焦點LXP為 原點的直角座標數(shù)值(x，力來表示，而各點的相位延遲函數(shù)^(x,力例如滿足柱狀透鏡的相位延遲函數(shù)<formula>formula see original document page 7</formula>本實施例中，當(dāng)相位延遲圖形P上各點的相位延遲函數(shù)^(A力滿足柱狀透鏡 的相位延遲函數(shù)時，激光LS經(jīng)過相位延遲圖形P之后可產(chǎn)生亮度均勻度較佳的光鑷夾OT1,其移動微小粒子的能力也較為均勻。在上述延遲函數(shù)^C，力中fx及fy為常數(shù)，其分別用以決定激光LS通過相位延遲函數(shù)^(x,力后產(chǎn)生的光鑷夾0T1在檢測試件110中的水平位置及垂直位置。在本實施例中，fx與fy均例如實質(zhì)上為零，而當(dāng)fx的數(shù)值變大時，光鑷夾0T1的位置將往x，軸的正端移動；反之當(dāng)fx數(shù)值變小時，光鑷夾OTl 的位置將往x'軸的負端移動。而fy的數(shù)值與光鑷夾OTl的垂直位置的關(guān)系 可根據(jù)fx與光鑷夾OTl的水平位置的關(guān)系類推得到。在上迷延遲函數(shù)^(x,力中/，為常數(shù)，而xo及yo等于幾何中心C的x軸 及y軸的座標值，亦即幾何中心C相對于光軸交點FXP的位移向量TS實 質(zhì)上等于(xo，yo)。在本實施例中yo實質(zhì)上為零，如此，位移向量TS的方向 實質(zhì)上為正x軸方向，而其大小實質(zhì)上為xo的絕對值。這樣一來，激光LS 經(jīng)過相位延遲圖形P后所形成的光鑷夾0T1的動量M1的方向?qū)嵸|(zhì)上為負 x,軸方向。請參照圖4,其繪示的是本發(fā)明第 一 實施例的使光鑷夾具有動量的方法 的流程圖。首先，如步驟402，決定欲產(chǎn)生激光鑷夾0T1所具有的動量M1。 接著，如步驟404，提供繞射光學(xué)元件130,其具有對應(yīng)至動量M1的相位 延遲圖形P。相位延遲圖形P的幾何中心C相對于光軸交點LXP具有位移 向量TS,而位移向量TS的方向與動量Ml的方向為相關(guān)。之后，如步驟 406，提供激光LS，其通過相位延遲圖形P以產(chǎn)生繞射圖形，其例如為直 線狀繞射亮紋。直線狀繞射亮紋經(jīng)由反射鏡150輸出至透鏡140，而透鏡 140是將直線狀繞射亮紋聚焦于檢測試件110,以形成具有動量M1的光鑷 夾0T1。而本實施例更提供另一使光鑷夾具有動量的方法，其操作步驟如圖5 所示，其繪示的是本發(fā)明第 一 實施例的另 一 使光鑷夾具有動量的方法的流 程圖。首先，如步驟502，提供繞射光學(xué)元件130，其具有相位延遲圖形P。 接著，如步驟504,提供激光LS,通過相位延遲圖形P以產(chǎn)生繞射圖形， 其例如為直線狀繞射亮紋。直線狀繞射亮紋經(jīng)由反射鏡150輸出至透鏡140, 而透鏡140將直線狀繞射亮紋聚焦于檢測試件110，以形成光鑷夾0T1。本 實施例中的透鏡140的光軸LX經(jīng)由反射鏡150延伸至繞射光學(xué)元件130并 與繞射光學(xué)元件130相交于光軸交點LXP。之后，如步驟506，沿著繞射光 學(xué)元件130的表面上的正x軸方向平移繞射光學(xué)元件130,使相位延遲圖形P的幾何中心C相對光軸焦點LXP具有方向為正x軸方向的位移向量TS。 如此，使光鑷夾0T1具有方向為負x，軸方向的動量Ml。本實施例的繞射光學(xué)元件130例如為可編程(Programmable)的繞射光學(xué) 元件，可經(jīng)由程序來修改相位延遲圖形P中各點的相為延遲大小，以對光 鑷夾OTl的形狀及其動量進行修正。而可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置 10更包括控制單元170,分別耦接至繞射光學(xué)元件130及影像感測器162。 可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置10的使用者可經(jīng)由控制單元170來修改 繞射光學(xué)元件130中的相位延遲圖形P，以于檢測試件110上形成具有不同 動量、形狀的光鑷夾。本實施例雖僅以可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置IO根據(jù)相位延遲圖 形P產(chǎn)生一具有動量M1的直線狀光鑷夾OTl為例作說明，然而，本實施 例所揭露的可才是供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置10不限于產(chǎn)生一個光鑷夾， 而可產(chǎn)生兩個或兩個以上的光鑷夾，而其分別具有相同或不同的動量。而 本實施例所揭露的可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置10所產(chǎn)生的光鑷夾也 不限于為直線狀，而更可為其他形狀。本實施例雖僅以位移向量TS的方向 與動量Ml的方向為實質(zhì)上相反為例作說明，然而，位移向量TS與動量 Ml的方向并不局限彼此相反，而更可為實質(zhì)上相等。本實施例中的檢測試 件110例如為微流體芯片。本實施例所揭露的可提供具動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置是將繞射光學(xué)元件 的相位延遲圖形的幾何中心點偏離透鏡的光軸與繞射光學(xué)元件的交點，并 使其之間具有位移向量。如此，本實施例的可提供具動量的光鑷夾產(chǎn)生裝 置可有效地經(jīng)由上述的配置來產(chǎn)生具有動量的光鑷夾，以有效地改善傳統(tǒng) 光鑷夾產(chǎn)生裝置無法產(chǎn)生具有動量的光鑷夾之缺點，而具有可提供具有動 量的光鑷夾的優(yōu)點。第二實施例請參照圖6及圖7，圖6繪示的是本發(fā)明第二實施例的檢測試件110中 的光鑷夾OT2 OT5的示意圖，圖7繪示的是本發(fā)明第二實施例的繞射光學(xué) 元件230的示意圖。本實施例的可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置10與第 一實施例不同之處在于本實施例是以繞射光學(xué)元件230來取代繞射光學(xué)元 件130。繞射光學(xué)元件230上具有相位延遲圖形P'，當(dāng)激光LS經(jīng)過相位延遲圖形P'后，可于檢測試件110上產(chǎn)生四條直線狀光鑷夾OT2 OT5，其分 別具有動量M2 M5，以分別控制檢測試件110中微小粒子沿著動量M2 M5 的方向進行環(huán)形運動。相位延遲圖形P'上各點的相位延遲量是由延遲函數(shù) 萍，力所決定。請參照圖8A及圖8B,圖8A繪示的是本發(fā)明第二實施例的繞射光學(xué)元 件232的示意圖，圖8B繪示的是本發(fā)明第二實施例的繞射光學(xué)元件234的 示意圖。繞射光學(xué)元件232的相位延遲圖形P6包括相位延遲圖形P3及P5， 其分別4立于相4立延遲圖形P6的左半部及右半部，而幾何中心分別為C3及 C5。當(dāng)以繞射光學(xué)元件232取代繞射光學(xué)元件130時，激光LS分別經(jīng)過相 位延遲圖形P3及P5，以分別于檢測試件110上形成光鑷夾OT3及OT5。 而相位延遲圖形P6上各點的相位延遲量是由相位延遲函數(shù)^6(;c.力所決定。繞射光學(xué)元件234的相位延遲圖形P7包括相位延遲圖形P2及P4，其 分別位于相位延遲圖形P7的上半部及下半部，而幾何中心分別為C2及C4。 當(dāng)以繞射光學(xué)元件234取代繞射光學(xué)元件130時，激光LS分別經(jīng)過相位延 遲圖形P2及P4，以分別于檢測試件110上形成光鑷夾OT2及OT4。而相 位延遲圖形P7上各點的相位延遲量是由相位延遲函數(shù)07(x，力所決定。本實 施例繞射光學(xué)元件230上的相位延遲圖形P'的相位延遲函數(shù)^'(x,力是根據(jù) 相位延遲函數(shù)06(;c,力及^7(x，力所計算得到。接下來，對繞射光學(xué)元件230 上的相位延遲圖形0'(x,力的計算方法作說明。當(dāng)欲計算出可產(chǎn)生光鑷夾OT2 OT5的相位延遲函數(shù)^(x，jv)時，將相位 延遲函數(shù)一(x，力與一隨機光罩(Random Mask)(未繪示)的相位延遲函數(shù)相 乘，并將相位延遲函數(shù)f(x，少)與另 一隨機光罩(未繪示)的相位延遲函數(shù)相 乘。其中，上述兩隨機光罩是互為相位互補的隨機光罩。接著將兩相位延 遲函數(shù)-6(x,力及07(x,力與隨機光罩的相卩立延遲函數(shù)的乘積相加，并以相加 得到的函數(shù)做為相位延遲函數(shù)^(x，j;)。如此，可根據(jù)相位延遲函數(shù)06(x,力及萍,力得到相位延遲函數(shù)A^，力。請參照圖10，其分別繪示的是依照圖6中的檢測試件110中微小粒子 的移動狀況的時序圖，其是依序繪示檢測試件110中的徵小粒子受到光鑷 夾OT2 OT5的控制，于時間為0秒、5/3秒、10/3秒、5秒、20/3秒、25/3 秒、10秒、35/3秒及40/3秒時的運動情形。本實施例中微小粒子的材質(zhì)為 聚苯乙烯(Polystyrene)，其直徑為1微米，微小粒子所處的環(huán)境為水溶液。由圖IO可知，本實施例的光鑷夾OT2 OT5可有效地控制微小粒子進行環(huán) 形運動。本實施例雖僅以設(shè)計分別具有動量M2 M5的光鑷夾OT2 OT5的位 置，以控制檢測試件110中的微小粒子進行環(huán)狀運動為例作說明，然而， 本實施例所揭露的可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置10更可將光鑷夾 OT2 OT5的位置及其具有的動量M2 M5進行其他配置達到相同的效果。 如圖9所示，將光鑷夾OT2' OT5，配置為一正方形，而其分別具有動量 M2' M5'。如此，也可驅(qū)動微小粒子進行環(huán)形運動。本實施例所揭露的可提供具動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置除了具有可在檢測 試件中提供具有動量的光鑷夾的優(yōu)點，而更可經(jīng)由設(shè)計多個光鑷夾的位置 及其動量，來控制檢測試件中的微小粒子沿著多個光鑷夾的動量所形成的 路徑來進行運動。綜上所述，雖然結(jié)合以上兩實施例揭露了本發(fā)明，然而其并非用以限 定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精 神和范圍內(nèi)，可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利 要求所界定的為準。
權(quán)利要求
1. 一種可提供具有橫向動量(Momentum)的光鑷夾產(chǎn)生裝置，用以于一檢測試件中提供一具有一第一動量的第一光鑷夾，該裝置包括一激光光源，用以輸出一激光；一繞射光學(xué)元件(Diffractive Optical Element，DOE)，具有一第一相位延遲圖形，該激光是在經(jīng)過該第一相位延遲圖形后產(chǎn)生一繞射圖形；以及一透鏡，接收該繞射圖形并將該繞射圖形聚焦于該檢測試件，以形成該具有該第一動量的第一光鑷夾；其中，該透鏡具有一光軸，該光軸與該繞射光學(xué)元件相交于一光軸交點，該相位延遲圖形的幾何中心相對于該光軸交點具有一位移向量，該第一動量的方向與該位移向量的方向為相關(guān)。
2. 如權(quán)利要求l所迷的裝置，其中該第一動量的大小與該位移向量的 大小為相關(guān)。
3. 如權(quán)利要求1所迷的裝置，其中該繞射光學(xué)元件為一可編程 (Programmable)繞射光學(xué)元件。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，更包括一控制單元，耦接至該可編程繞射光學(xué)元件及該影像感測器，該控制以于該檢測試件上形成具有不同動量的光鑷夾。
5. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中該第一光鑷夾為一直線狀亮紋。
6. 如權(quán)利要求l所迷的裝置，其中該繞射光學(xué)元件的該第一相位延遲 圖形上各點(x, y)的相位延遲(Phase Delay)^(x,力是滿足^^l^"*/^;^^ (x-Xo戶+ Cy-、)2 ，其中x及y分別為該繞射光學(xué)元件上以該光軸交點為原點時的直角座標的橫座標值及縱座標值，/,、 fx、及fy為常數(shù)；第一相位延遲圖形的幾何中心與該光軸交點形成的該位移 向量等于(xo，yo)。
7. 如權(quán)利要求l所迷的裝置，其中該繞射光學(xué)元件更具有一第二相位 延遲圖形，該激光光經(jīng)過該第二相位延遲圖形及該透鏡于該檢測試件上形 成具有一第二動量的第二光鑷夾。
8. —種使光鑷夾具有動量的方法，應(yīng)用于一可提供具有橫向動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置，以在一檢測試件上提供一具有一動量的光鑷夾，該方法包括(a) 提供一繞射光學(xué)元件，該繞射光學(xué)元件具有一相位延遲圖形；(b) 提供一激光，該激光通過該相位延遲圖形及一透鏡，以在該檢測 試件上產(chǎn)生該光鑷夾，該繞射光學(xué)元件與該透鏡的一光軸相交于一光軸交 點；以及(c) 沿著該繞射光學(xué)元件的一表面上的一第一方向平移該繞射光學(xué)元 件，使得該相位延遲圖形的幾何中心相對該光軸焦點具有一位移向量，以 使該光鑷夾具有該橫向動量；其中，該位移向量與該動量的方向為相關(guān)。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中該繞射光學(xué)元件為一可編程繞射光 學(xué)元件。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中該光鑷夾為一直線亮紋。
11. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中該繞射光學(xué)元件的該相位延遲圖形上各點的相位延遲^(x,力滿足-(xj^C/^x + Z^ + q (x-x。戶+Cy-j。)2 ，其中x及y分別為該繞射光學(xué)元件上以該光軸交點為原點時的直角座標的 橫座標值及縱座標值，/。 fx、及fy為常數(shù)；第一相位延遲圖形的幾何中心 與該光軸交點形成的該位移向量等于(xo-，yo)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種可提供具有動量的光鑷夾產(chǎn)生裝置，用以于一檢測試件中提供具有一第一動量的光鑷夾。此裝置包括激光光源、繞射光學(xué)元件(Diffractive Optical Element，DOE)及透鏡。激光光源用以輸出激光。繞射光學(xué)元件具有相位延遲圖形。激光在經(jīng)過相位延遲圖形后產(chǎn)生繞射圖形。透鏡接收繞射圖形，并將繞射圖形聚焦于檢測試件，以形成具有第一動量的光鑷夾。其中，透鏡具有光軸，其與繞射光學(xué)元件相交于光軸交點。相位延遲圖形的幾何中心相對于光軸交點具有位移向量，而第一動量的方向相關(guān)于位移向量的方向。
文檔編號G02B27/00GK101241239SQ200710005490
公開日2008年8月13日 申請日期2007年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月8日
發(fā)明者劉承賢, 吳豐旭, 周忠誠, 震 彭, 瑯 徐, 曾勝陽, 李大元, 威 王 申請人:明基電通股份有限公司