3-1-1 光反射與折射
反射定律 (The Law of Reflection)[21]：第一，入射光線、反射光線及法線都在同一 平面上。第二，入射光線、反射光線分居於法線兩側。第三，反射角(θr)等於入射角(θ
i)。如圖 3.1 所示。
圖 3.1 反射定律
光有兩種反射現象，鏡面反射及漫反射。當一平行光經反射後沿某一方向平行射出，
只在某一方向接收到反射光即為鏡面反射。平行光經介面反射後由不同方向反射出去，
能在各個方向接收到反射光即為漫反射。
圖 3.2 鏡面反射及漫反射
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折射定律 (The Law of Refraction)：光在穿透不同介質時，其入射角與反射角會符合 斯乃爾定律 (Snell’s Law)。其公式推導如下： (Fermat’s Principle) 及馬克士威爾方程組 (Maxwell's Equations) 都可藉由不同的觀點推 導出斯乃爾定律。
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光的散射主要分為 4 種，瑞利散射 (Rayleigh Scattering)、米氏散射 (Mie Scattering)、
布里淵散射 (Brillouin Scattering) 及拉曼散射 (Raman Scattering)，而此 4 種散射又可分 成彈性散射及非彈性散射。瑞利散射及米氏散射屬於彈性散射，布里淵散射及拉曼散射
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𝑑𝐼
𝐼 = −𝛼𝑑𝑥
𝛼為該介質的吸收係數，將上式積分 (I 的範圍：Ii ~ Io、x 的範圍：0 ~ L) 𝐼𝑜 = 𝐼𝑖𝑒−𝛼𝐿
Bouguer – Lambert 吸收定律表示，物質的吸收係數僅取決於該物質的性質且與入 射光的波長有關，而與物質的厚度無關。
圖 3.4 Bouguer – Lambert 定律推導
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3-2 實驗儀器介紹
本論文反射式檢測系統及穿透式檢測系統所使用的實驗儀器如下：實驗光源、放大 器、光偵測器、DAQ 卡、乘載試片簡易架構、反射鏡平台架構、血漿樣本及凝血劑製備。
3-2-1 實驗光源
本研究所使用的實驗光源為雷射都卜勒測振儀 (Laser Doppler vibration meter, LDV meter)的傳感器部分，其感測器規格如下表 3.1 [20] 。
表 3.1 雷射都卜勒測振儀規格(感測器)
Product Model Onosokki Laser Vibrometer Lv-1720A Detection demodulation
system Velocity demodulation using optical heterodyne detection Light source He-Ne laser (632.8 nm wavelength)
Reflected light output Within 1 mW (conforming to Class 2 JIS C6802 standard) Laser spot 20µm or less (at the shortest measurement distance) 使用雷射都卜勒測振儀的雷射作為實驗光源最主要的原因是，LDV 可直接控制雷
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圖 3.5 放大器電路圖
圖 3.6 放大器實驗電路圖
※在 Vout和 Vin間跨接一電容 (陶瓷電容 0.1µF/50V)可有效抑制雜訊產生。
3-2-3 光偵測器
本論文所使用的光偵測器(Si PIN photodiode S4349)如圖3.7所示，為一四方形陣列 (2x2區塊)，其規格，如尺寸、外型、靈敏度、截止頻率如表3.2，此外，由圖3.8顯示本 光偵測器波長與靈敏度關係曲線，由於紅光的波長介於620nm~770nm之間，即為S4349 光偵測器的靈敏度較大處，因此使用此偵測器作為量測訊號接收部分所用 [20, 22, 23] 。
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圖 3.7 S4349 光偵測器外型
表 3.2 S4349 光偵測器元件參數
Parameter Symbol Value Unit
Window material - Quartz glass
with TO-5 metal package
-
Peak sensitivity wavelength λp 720 nm
Cut-off frequency fc 20
(VR=5 V, RL=50 , λ=780 nm, -3 dB)
MHz
Photo sensitivity S 0.45(λ=λp) A/W
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圖 3.8 光偵測器波長感測範圍
3-2-4 Labview 架構
本論文所使用的 DAQ 卡為 National Instruments NI9205，主要用來擷取訊號並將資 料匯入電腦，由 Labview 做初步處理，其架構如下圖 3.9。
圖 3.9 Labview 架構
使用 Labview 內建的 DAQ Assistant 設定擷取頻率(100 次/s)，將擷取的訊號匯入濾 波器，經由放大、平移並加入矩陣，令初始值為 0，做疊加的動作，使 Waveform Graph 能夠繪出連續曲線予以觀察。圖 3.10 為有日光燈且無實驗光源所呈現的 Waveform Graph (縱軸為電壓/橫軸為秒)。
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圖 3.10 有日光燈無雷射波形圖
※濾波器使用低通濾波器 (50Hz)，最主要是過濾日光燈所產生的雜訊，日光燈閃爍頻率 約為 60Hz。
3-2-5 乘載試片簡易架構
乘載試片簡易架構最主要是用來乘載試片且要易於更換。如圖 3.11。
圖 3.11 乘載試片簡易架構展開圖與 3D 圖
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圖 3.12 乘載試片簡易架構拆解圖
圖 3.13 乘載試片簡易架構組合圖
此設計概念為結合放大器電路、光偵測器及生物試片於同一架構中，有效縮小實驗 所須環境，並且易於執行穿透式檢測系統。圖中 3.12 架構底部有 4 條長圓孔，此功用為 固定於光學桌上，使實驗平台呈現水平狀態。頂部中間部分有 4 根攻牙過的母孔，以利 於之後實驗平台改變，可架設額外設備於生物試片上。
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3-2-6 反射鏡平台架構-1
此反射鏡平台架構主要用來固定反射鏡(10mm*10mm) 及防止灰塵沾染反射鏡，用 於本論文的蓋玻片試片及 PDMS-T 型試片。圖 3.15 底座 4 條長圓孔可固定於光學桌，
中間 8 個直角標記為固定圖 3.14 左邊兩塊小板。左上小板中間正方孔為放置反射鏡，左 下小板中間部分為放置載玻片。
圖 3.14 反射鏡平台架構展開圖
圖 3.15 反射鏡平台架構平面圖
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圖 3.16 反射鏡平台架構組合圖
3-2-7 反射鏡平台架構-2
設計此反射鏡平台架構主要是用來乘載 PDMS-盤型試片及反射鏡，並搭配馬達旋 轉此架構，促使血液樣本及凝血劑混合。圖 3.17 即為本論文所設計之反射鏡平台架構的 工程圖。右下角的四個正方形孔為放置反射鏡的地方，左上角的環型圓孔是為了減輕旋 轉所負荷的重量，左下角的紅線為鈑金加工折床所試別的反折、綠線為正折而黃線為雷 射雕刻線，用於標記放置位置。
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圖 3.17 反射鏡平台架構-2 工程圖 圖 3.18 為試片乘載的 3-D 圖及組合圖。
圖 3.18 反射鏡平台架構-2-3D 圖
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圖 3.19 反射鏡平台架構-2 組合圖
3-2-8 血漿樣本及凝血劑製備
血漿樣本用於模擬前人研究並與其結果曲線討論；凝血劑則用於加快實驗進行，本 凝血劑的標準凝血酶原時間介於 8 至 12 秒。
凝血劑(Siemens Dade Innovin)：以 4mL 去離子水泡製冷凍乾燥的 Innovin，並在室 溫下靜置 30 分鐘後方可使用。其保存方法如表 3.3。
表 3.3 凝血劑保存時間
保存溫度 保存期限
+2 to +8°C 10 days +15 to 25°C 5 days
+37°C 24 hours
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血漿(Siemens Dade CiTrol 1)：以 1mL 去離子水泡製冷凍乾燥的 CiTrol 1 ，並在室 溫下靜置 30 分鐘後方可使用。其保存方法如表 3.4。
表 3.4 血漿樣本保存時間
保存溫度 保存期限
+2 to +8°C 16 hours +15 to 25°C 8 hours
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3-3 實驗試片介紹
3-3-1 蓋玻片-載玻片
本論文最一開始的血液樣本搭載器具為蓋玻片-載玻片，藉由此試片做初步量測每 種實驗架構的可行性，並探討影響實驗結果的因素。
圖 3.20 蓋玻片-載玻片
圖 3.21 蓋玻片乘載全血血液樣本
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圖 3.22 載玻片-蓋玻片
圖 3.23 載玻片-蓋玻片乘載血液樣本
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3-3-2 PDMS 簡易製作
PDMS 為矽膠的一種，其特性有抗化學腐蝕、良好的透光率 (透光率：70%~95%)、
生物相容性佳及低材料成本 (遠低於矽晶圓)，由 PDMS 的特性可知，其在生醫及光學 方面為良好的試片材料。
以下為 PDMS 製作簡易過程：
1. PDMS Elastomer ： PDMS Curing Agent = 10：1 2. 均勻攪拌(約 10 分鐘)
3. 放置於乾燥器皿並抽真空(約 30 分鐘，氣泡消失即可) 4. 均勻塗布在公模上
5. 放置於加熱板(約 150°C，PDMS 固化無粘性) 6. 翻模，黏貼於載玻片上
圖 3.24 為製作 PDMS 所使用的材料及器具。
圖 3.24 PDMS 膠與固化劑
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圖 3.25 加熱基板與加熱器
圖 3.26 精密電子天秤 (精度至 mg)
圖 3.27 抽真空所用壓縮機與壓力鍋
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3-3-3 PDMS-T 型試片
由蓋玻片-載玻片的結果 (第四章 結果與討論) 可知血液樣本的定量及凝血位置固