專利名稱：：光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種新穎的繞射光柵，尤其涉及一種使用于光學(xué)系統(tǒng)的繞射光柵。
背景技術(shù)：
：輻射源的光度測定(photometry)通常利用光譜儀(spectrometer)來進(jìn)行量測，光譜儀中的光柵(grating)是用來分散多頻輻射源(multi-frequencyradiation)的元件。這類儀器被廣泛的應(yīng)用在解決復(fù)雜的難題并且獲取準(zhǔn)確的結(jié)果。目前這類儀器在使用上有以下問題(l)體積非常龐大，因此價格昂貴且只能在固定位置使用；(2)在進(jìn)行寬帶的光譜測量時，需要耗費大量時間；(3)必須謹(jǐn)慎的操作儀器，因此通常需要技巧熟練的操作人員。美國專利號5,550,375提出了一項用來測量氣體的紅外線光譜感測儀100，如圖1所示，包括一個具有反射式光柵110的微型結(jié)構(gòu)，一個多頻紅外線輻射源120，以及用以接收固定波長紅外線的接收器130。然而，此紅外線光譜感測儀只能測量較狹窄的光譜波長范圍，若欲進(jìn)行多成份分析，則光譜信號會在數(shù)個不同波長被吸收，非僅限于紅外光區(qū)域，則此種光譜感測儀的應(yīng)用即有所限制。同步光譜儀(simultaneousspectrometers)200也是用來偵測輻射源的裝置，如圖2所示，其包含的元件有一個入射狹縫(entranceslit)220、一個可形成全像(hologmphic)的凹面(concave)光柵210以及一個光電二極管陣列偵測器(photodiodearmy)230。以上元件的放置位置是固定且無法移動的，但具有高精密度以及光學(xué)能量效率良好等可靠的優(yōu)點。光電二極管陣列偵測器在此類光譜儀的應(yīng)用有很大限制，原因是光電二極管陣列偵測器是由大量單晶組成的平坦表面，但此種同步光譜儀的聚焦成像點卻是曲面的分布，更準(zhǔn)確的說法是聚焦成像點會分布在羅蘭圓(Rowlandcirde)上。因此同步光譜儀的最佳應(yīng)用方法之一是讓羅蘭圓的半徑加大，則成像點的分布會近似于線性平面分布，此種設(shè)計需要耗費大量空間，并且需要大型的偵測器；另一種解決方法如美國專利號6，005，661所示，使用了大量光纖，將聚焦在羅蘭圓上的不同波長信號分別導(dǎo)出，此種方法可以配合光電二極管陣列偵測器，但是利用光纖導(dǎo)出聚焦信號，會造成能量損失以及分辨率下降的問題。一個可以產(chǎn)生線性輸出的繞射光柵對光學(xué)系統(tǒng)而言是較好的選擇，如圖3A所示，美國專利號4,695,132以及4,770,517提出了一種激光掃描系統(tǒng)300,利用一個或多個fB鏡片310將四散的光線聚焦在線性輸出平面320上；如圖3B所示，美國專利號6,650,413則是披露一項光譜儀301，使用了繞射光柵311，并利用準(zhǔn)直器(collimator)313與校正鏡片(correctinglense)315的組合將輸出的光譜分量聚焦在一個影像平面321，并在影像平面上呈現(xiàn)fsin(e)分布。然而，以上所敘述的發(fā)明仍然是復(fù)雜的系統(tǒng)，也都無法使光學(xué)系統(tǒng)微小化達(dá)到可攜式的目的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中的繞射光柵，可用以使全波段的光譜分量(包括紅外光、可見光以及紫外光)，依波長呈線性分布在影像平面上，并且擁有良好的影像質(zhì)量。本發(fā)明的另一目的是提出一種構(gòu)造簡單、可使體積微小化達(dá)到可攜式效果的光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的又一目的是提出一種可大量制造，使制造成本下降，并適合長期使用的光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)以上目的，本發(fā)明提供的是一種光學(xué)系統(tǒng)，包括輸入部，用以接收光學(xué)信號，預(yù)先設(shè)定的輸出面；以及繞射光柵，繞射光柵具有繞射表面，繞射表面具有第一輪廓，第一輪廓是由多個點組成，各個點是由不同的方程式所決定，用以將來自輸入部的光學(xué)信號分離成多個光譜分量，且各個光譜分量會聚焦在預(yù)先設(shè)定的輸出面。圖1為已有技術(shù)的紅外線光譜感測儀剖面圖圖2為己有技術(shù)的同步光譜儀示意圖圖3A為已有技術(shù)的激光掃描系統(tǒng)示意圖圖3B為已有技術(shù)的光譜儀示意圖圖4本發(fā)明一較佳實施例的光學(xué)系統(tǒng)剖面圖圖5本發(fā)明一較佳實施例的光學(xué)系統(tǒng)示意圖圖6本發(fā)明一較佳實施例的光學(xué)系統(tǒng)示意圖圖7本發(fā)明一較佳實施例的繞射光柵示意圖圖8為繞射光柵輪廓比較圖圖9實驗系統(tǒng)示意圖圖10A本發(fā)明一較佳實施例的光跡追蹤圖圖IOB-D本發(fā)明一較佳實施例的光譜圖圖11A本發(fā)明一較佳實施例的光跡追蹤圖圖11B-D本發(fā)明一較佳實施例的光譜圖圖12A比較例的光跡追蹤圖圖12B-D比較例的光譜圖主要元件標(biāo)記說明10光學(xué)信號100紅外線光譜感測儀110反射式光柵120多頻紅外線輻射源130接收器200同步光譜儀210凹面光柵220入射狹縫230光電二極管陣列偵測器300激光掃描系統(tǒng)301光譜儀310傷鏡片311繞射光柵313準(zhǔn)直器315校正鏡片320線性輸出平面321影像平面400光學(xué)系統(tǒng)410繞射光柵412繞射表面414第二輪廓420輸入部430預(yù)先設(shè)定的輸出面440基板445內(nèi)部空間450蓋體610繞射光柵615第一輪廓Gl-3光柵D偵測器具體實施例方式為達(dá)成上述功效與目的，本發(fā)明所采用的目的、構(gòu)造技術(shù)特征以及其功效，茲繪圖就本發(fā)明較佳實施例詳加說明其特征與功能如后所列，優(yōu)點完全明了。請參考圖4與圖5，根據(jù)本發(fā)明的一較佳實施例，提供光學(xué)系統(tǒng)400，此光學(xué)系統(tǒng)400的組成包括了基板(baseplate)440、蓋體(cover)450、輸入部420、預(yù)先設(shè)定的輸出面430、以及繞射光柵410?；?40與蓋體450之間形成一個內(nèi)部空間445，基板440與蓋體450之中具有多個間隔件(spacer)(圖中未示出)，可支撐內(nèi)部空間，且可使該基板440與蓋體450之間維持所需距離。根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例，繞射光柵410設(shè)置在基板440上，繞射光柵410具有繞射表面412，此繞射表面412面對內(nèi)部空間445。輸入部420通常是狹縫，光學(xué)信號10通過狹縫后進(jìn)入內(nèi)部空間445;輸入部420亦可是光纖的末端，光學(xué)信號10通過光纖傳輸，到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)400的內(nèi)部空間。根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例，該光學(xué)系統(tǒng)的輸入部為狹縫并結(jié)合光纖，利用光纖將光學(xué)信號10傳輸，從光纖末端通過該狹縫進(jìn)入該光學(xué)系統(tǒng)400。繞射表面412大致上呈現(xiàn)凹面狀，具有第一輪廓，第一輪廓是由多個點所組成，這些點的位置是各自由不同的光學(xué)路徑方程式(opticalpathequatkm)所導(dǎo)出，這個方程式的代表式為F=F^G)￥，是多項式展開式，其中的參數(shù)包括上述這些點預(yù)先決定的垂直間隔、入射狹縫寬度、入射光徑長度、入射角度、繞射角度、繞射光徑長度、光譜分量分辨率、最大解析波長、最小解析波長、繞射級數(shù)以及預(yù)先設(shè)定的輸出面等。如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例，繞射光柵610具有第一輪廓，第一輪廓615由多個P點所構(gòu)成，P點的坐標(biāo)由《，o),l)表示，其中《，co，1分別為P點于x，y,z坐標(biāo)軸的分量，其中設(shè)定Po的坐標(biāo)為(O，0，0);有一單一波長的光學(xué)信號A，其在xy平面的投影點A'與PQ的距離r為入射光徑長、A'、Po的聯(lián)機與x坐標(biāo)軸的夾角為入射角cx;此光學(xué)信號A通過Po后會到達(dá)預(yù)先設(shè)定的輸出面的Bo點，Bo在xy平面的投影點B'與P。的距離r'為繞射光徑長度、B，及Po的聯(lián)機與x坐標(biāo)軸的夾角為繞射角p。將r、r'、ct、|3、預(yù)期光柵寬度、預(yù)期分辨率、預(yù)期量測波長范圍、入射狹縫寬度等參數(shù)代入光徑方程式F=F#0)￥，可以推算組成第一輪廓的多個P點之多個方程式，并且進(jìn)一步求得該第一輪廓的坐標(biāo)位置。繞射表面412具有周期性結(jié)構(gòu)的第二輪廓414。根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例，第二輪廓414為鋸齒狀的周期性結(jié)構(gòu)，鋸齒的頂端具有固定角度，且鋸齒頂端投影的垂直間隔d為光柵間距(gmtingpitch)。本發(fā)明一較佳實施例如圖7所示，是等距離光柵間距，亦可以是不等距(variable)的光柵間距，此第二輪廓414由多個三角形所構(gòu)成，這些三角型頂端的聯(lián)機構(gòu)成第一輪廓。這些三角型可以是全等三角型或相異三角形，角度經(jīng)過計算，可使特定繞射階數(shù)的繞射效率達(dá)到最佳化。根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例，如圖5所示，其中的繞射光柵410是反射式光柵，將進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)400的光學(xué)信號10分離成多個光譜分量(spectralcomponent)如20、22、24，每個光譜分量具有不同的波長，這些光譜分量會聚焦在預(yù)先設(shè)定的輸出面，并且呈現(xiàn)線性分布。在聚焦的情況下，光譜分量在預(yù)先設(shè)定的輸出面上所呈現(xiàn)的半高波寬(FWHM，fullwidthathalfmaximum),會小于或等于預(yù)設(shè)的波長分辨率。預(yù)定的輸出面是平坦表面，亦可是任意幾何形狀，例如圓弧面或是波浪表面。在輸出面上放置偵測器，可接收聚焦的光譜分量信號。偵測器是光感偵測器，包括光電二極管陣列偵測器(photodiodearray),例如電荷耦合器(CCD，charge-coupleddevice)或互補式金屬-氧化層-半導(dǎo)體(CMOS，ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)。本發(fā)明較具體的實施例如下所示實施例1提供光柵G1，其表面輪廓如圖9所示。實驗條件如圖8所示，入射狹縫寬度s^62.5pm、入射角度=75°、入射光徑長度r,=30mm、繞射級數(shù)m-2、光柵間距d:3pm、光柵Gl放置于坐標(biāo)軸x上、平面?zhèn)蓽y器D與x軸的夾角e為69,3°。圖10A所示為光跡追蹤軟件Tmcepro3.22版本測試光柵G1在此條件下的繞射情形。圖10B、圖10C、圖10D分別為偵測器D對360nm、550nm、720nm附近的分辨率測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)光柵Gl在此三個波長范圍皆可達(dá)到2nm的分辨率。實施例2提供光柵G2，其表面輪廓如圖9所示。實驗條件如圖8所示，入射狹縫寬度sf62.5pm、入射角度(x^75。、入射光徑長度n=30mm、繞射級數(shù)m-2、光柵間距d-3iam、光柵G2系放置于坐標(biāo)軸x上、平面?zhèn)蓽y器D與x軸的夾角e為80.5。。圖11A所示為光跡追蹤軟件Tracepro3.22版本測試光柵G2在此條件下的繞射情形。圖11B、圖11C、圖11D分別為偵測器D對360nm、550nm、720nm附近的分辨率測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)光柵G2在此三個波長范圍亦可達(dá)到2nm的分辨率。比較例1提供光柵G3，其表面輪廓如圖9所示，為符合羅蘭圓設(shè)計的光柵。實驗條件如圖8所示，入射狹縫寬度s!-62.5fim、入射角度a^75。、入射光徑長度n=30mm、繞射級數(shù)111=2、光柵間距d-3nm、光柵G2系放置于坐標(biāo)軸x上、平面?zhèn)蓽y器D與x軸的夾角為73.64°。圖12A所示為光跡追蹤軟件Tracepro3.22版本測試光柵G3在此條件下的散射情形。其分辨率測試如圖12B-12D所示，在波長360nm附近的分辨率不佳、在550nm附近可以達(dá)到完美分辨率，在720nm附近的分辨率僅約4nm左右。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)比較如表1所示，其中Oe為偵測器D與波長550nm光譜分量的夾角、r2為反射光徑長度，本發(fā)明提供的實施例l及實施例2，反射光徑長度在8-12mm之間，實施例3的羅蘭圓光柵G3則是需要80-105mm之間的反射光徑長度。這樣的結(jié)果證明，本發(fā)明無需廣大空間，可適用于微型化的光學(xué)系統(tǒng)。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表1是以，本發(fā)明的繞射光柵應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)，此繞射光柵根據(jù)預(yù)先決定的波長范圍來進(jìn)行設(shè)計，因此可使用在全波段的光譜分析(包括x射線、紫外光、可見光以及紅外光)。本光學(xué)系統(tǒng)即適用于多成分化合物的光度測定分析，可以獲得完整的量測數(shù)據(jù)。本發(fā)明的繞射光柵應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)，可將光學(xué)信號分離成多個光譜分量，在無需加長光徑的情況下，使光譜分量聚焦在線性平面上，包括了分光(dispersion)以及聚焦(foucusing)兩項功能，因此可取代準(zhǔn)直器(collimator)與校正鏡片(correctinglenses)。援此，本光學(xué)系統(tǒng)的元件數(shù)量降低，并達(dá)到微小化效果，可用在可攜式的光學(xué)儀器。根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例，該光學(xué)系統(tǒng)可使用半導(dǎo)體制程制成微小的結(jié)構(gòu)，其中繞射光柵可使用光刻電鑄模造(LithographyElectroformingMicroMolding)或是微機電方法(microelectromechanical)制造，如此一來不但可達(dá)高度的精確性，且可大量制造，使制造成本下降，并適合長期使用。以上所述僅為本發(fā)明之較佳實施例，非因此即局限本發(fā)明的權(quán)利要求，故凡運用本發(fā)明說明書及圖示內(nèi)容所為額簡易修飾及等效結(jié)構(gòu)變化等，均應(yīng)同理包含于本發(fā)明的權(quán)利要求內(nèi)，闔先敘明。權(quán)利要求1.光學(xué)系統(tǒng)，包括輸入部，用以接收光學(xué)信號；預(yù)先設(shè)定的輸出面，以及繞射光柵；其特征為該繞射光柵用以將該輸入部接收之的該光學(xué)信號分離成多個光譜分量，且各個光譜分量皆會聚焦在該預(yù)先設(shè)定的輸出面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為該預(yù)先設(shè)定的輸出面是平坦表面。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為這些光譜分量是線性分布在該預(yù)先設(shè)定的輸出面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為另包含至少一個偵測器設(shè)于該預(yù)先設(shè)定的輸出面上，用以偵測該預(yù)先設(shè)定的輸出面上的這些光譜分量。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為該偵測器是光感偵測器°6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為該輸入部是狹縫。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為該輸入部是光纖末端。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為該繞射光柵是反射式光柵°9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為該繞射光柵具有大致呈凹面的繞射表面。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為該繞射光柵具有繞射表面且該繞設(shè)表面具有鋸齒狀輪廓。11.光學(xué)系統(tǒng)，包括用以接收光學(xué)信號的輸入部；預(yù)先設(shè)定的輸出面；以及繞射光柵，用以使該輸入部接收的該光學(xué)信號分離成多個光譜分第一輪廓是由多個點所組成，上述這些點的位置各自由不同的方程式所導(dǎo)出，因此使得每個光譜分量都會聚焦在該預(yù)先設(shè)定的輸出面上。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為上述這些點的方程式是將該各點預(yù)先決定的垂直間隔、分辨率、最大解析波長、最小解析波長、繞射級數(shù)、入射狹縫寬度以及該預(yù)先設(shè)定的輸出面的方程式代入路徑方程式F=F^wY而得，其中W、l為坐標(biāo)參數(shù)。13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為該繞射表面具有鋸齒狀第二輪廓，且該鋸齒的頂端形成該第一輪廓。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為該鋸齒的頂端具有固定角度。15.光學(xué)系統(tǒng)，包含基板；設(shè)于該基板上方的蓋體，該蓋體與該基板之間形成內(nèi)部空間；繞射光柵元件，具有繞射表面面對該內(nèi)部空間；輸入部，設(shè)于該光學(xué)系統(tǒng)用以接收光學(xué)信號；預(yù)先設(shè)定的輸出面設(shè)于該光學(xué)系統(tǒng)；其中該繞射光柵元件用以使從該輸入部接收的該光學(xué)信號分離成多個光譜分量；其特征為該繞射光柵具有繞射表面，該繞射表面具有第一輪廓，該第一輪廓是由多個點所組成，上述這些點的位置各自由不同的方程式所導(dǎo)出，因此使得每個光譜分量都會聚焦在該預(yù)先設(shè)定的輸出面上。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為另包含多個間隔件夾置在該基板與該蓋體之中。17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征為該繞射光柵設(shè)置于該基板上。全文摘要本發(fā)明提供的是一種光學(xué)系統(tǒng)，包括輸入部，用以接收光學(xué)信號，預(yù)先設(shè)定的輸出面；以及繞射光柵，繞射光柵具有繞射表面，繞射表面具有第一輪廓，第一輪廓是由多個點組成，各個點是由不同的方程式所決定，用以將來自輸入部的光學(xué)信號分離成多個光譜分量，且各個光譜分量會聚焦在預(yù)先設(shè)定的輸出面。文檔編號G01J3/00GK101295050SQ20071009756公開日2008年10月29日申請日期2007年4月27日優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日發(fā)明者柯正浩申請人:柯正浩