本发明涉及一种光谱仪， 尤其涉及一种能接收零阶光谱分量及一阶光谱 分量的光谱仪。

背景技术

辐射源的光度测定 (photometry)通常利用光谱仪 (spectrometer)来进行量 测， 光谱仪需要使用狭缝结构来控制一定量的光源 进入其中， 再通过绕射光 栅配合准直器 (collimator与校正镜片 (correcting lens)的组合将输出的光谱分 量聚焦在一个图像平面。 图像平面上可以放置光感测器， 这样就可以获得各 个光谱分量。

图 8显示一种传统的光谱仪 100的示意图。 如图 8所示， 传统的光谱仪 100包含一光源 110、 一输入部 120、 一准直面镜 130、 一平面光栅 140、 一 聚焦面镜 150及一直线状光感测器 160。 光源 110输出光信号 200通过输入 部 120， 然后被准直面镜 130处理后到达平面光栅 140。 平面光栅 140的绕 射图案 142的巨观轮廓为一平面， 这种平面光栅 140比较适合传统以钻石刀 刻划绕射图案的加工方式， 但也因此无法将光栅的轮廓做成具有聚焦作用 的 曲面， 因此在平面光栅 140将光信号分离成数个光谱分量之后， 为了将这些 光谱分量聚焦于直线状光感测器 160上， 需要加入聚焦面镜 150才能达成。 因此， 整个光谱仪 100的光路很长， 且体积相对庞大许多。

因此， 传统的光谱仪是无法同时接收零阶光谱分量及 一阶光谱分量 的， 因为很长的光路使得零阶光谱分量跟一阶光谱 分量的聚焦位置会离开 很远， 而一般的光感测器的长度也是有限， 故无法达成此功能。 为了在一 个传统光谱仪中可以取得零阶光谱分量与一阶 光谱分量的信号， 申请人认 为可以使用一可移动的反射镜 170及另一光感测器 180。 当需要量测零阶光 谱分量时， 反射镜 170被移动至光路上以将光线反射至光感测器 180。 但这 种方式既不方便且又会增加成本， 不符合经济效益。 此外， 如此取得的零 阶光谱分量与一阶光谱分量其实是分时取得， 并非同时， 所以当光源 110 的信号会随时间变化时， 以这种方法取得的零阶光谱分量的信号将会不 可 靠。 因此， 传统的光谱仪通常仅针对一阶光谱分量来设计 。 长久以来， 光 谱仪的零阶光谱分量是不会被撷取来使用的。 因此， 若要获得所有的绕射 光强度， 必须将一阶、 二阶、 三阶等光谱分量加总起来， 而因为零阶以外 的光谱分量是被依波长长度分开来的， 所以加总本身将需要耗费计算资 源， 且当光谱仪无法接收到二阶、 三阶以外的光谱分量时， 所造成的误差 会更大。 除了取得绕射光强度之外， 零阶光可能的各种应用 (如校正、 对位 等：)， 在传统光谱仪中将难以实现。

发明内容

因此， 本发明的一个目的是提供一种能接收零阶光谱 分量及一阶光谱分 量的微型光谱仪， 破除现有技术对于光谱仪的使用立场， 并获得绕射光的总 强度， 作为特殊测定计算、 校正与对位之用。

为达上述目的， 本发明提供一种能接收零阶光谱分量及一阶光 谱分量的 微型光谱仪， 其包含一输入部、 一微型绕射光栅及一光感测器。 输入部接收 一光学信号。 微型绕射光栅具有一聚焦曲面及形成于聚焦曲 面上的一绕射图 案， 并接收光学信号并将光学信号分离成多个光谱 分量， 所述光谱分量包含 零阶光谱分量及一阶光谱分量。 光感测器具有一第一感测区段及一第二感测 区段， 接收被微型绕射光栅分离并聚焦而来的所述光 谱分量。 第一感测区段 接收零阶光谱分量， 而第二感测区段接收一阶光谱分量。

本发明亦提供一种微型光谱仪， 其包含一输入部、 一微型绕射光栅、 一 光感测器以及一波导装置。 输入部接收一光学信号。 微型绕射光栅接收光学 信号并将光学信号分离成多个光谱分量。 微型绕射光栅包含一第一晶片区段 及一第二晶片区段。 第一晶片区段具有一聚焦曲面及形成于聚焦曲 面上的一 绕射图案， 聚焦曲面及绕射图案可以产生前述光谱分量并 将前述光谱分量聚 焦于光感测器上， 藉此缩短光谱仪的光程。 第二晶片区段具有一反射面。 光 感测器接收所述光谱分量。 波导装置包含一第一波导片及一第二波导片， 两 者彼此面对以与输入部、 微型绕射光栅及光感测器共同定义出一光通道 。 第 一波导片位于第一晶片区段的一上表面上。 第二波导片与第二晶片区段的反 射面局部接触， 以使光学信号的一第一部分到达绕射图案， 并使光学信号的 一第二部分到达反射面与第二波导片不相接触 的局部。

藉此， 微型光谱仪可以撷取零阶光谱分量， 以供后续分析或处理使用。 附图说明

图 1显示依据本发明较佳实施例的能接收零阶光� �分量及一阶光谱分量 的微型光谱仪的示意图；

图 2显示依据本发明较佳实施例的微型光谱仪的� �视图；

图 3显示依据本发明较佳实施例的绕射光栅的工� �示意图；

图 4显示依据本发明较佳实施例的微型光谱仪所� �测出来的结果； 图 5显示罗兰圆 (Rowland circle)的示意图；

图 6显示依据本发明另一实施例的能接收零阶光� �分量及一阶光谱分量 的光谱仪的示意图；

图 7显示依据本发明又另一实施例的能接收零阶� �谱分量及一阶光谱分 量的光谱仪的示意图；

图 8显示一种传统的光谱仪的示意图。

附图标号：

RC: 罗兰圆

SO: 光学信号

S0A: 第一部分 (非杂散光成分）

SOB: 第二部分 (非杂散光成分）

S0C: 杂散光成分

SO0、 S01、 S02: 光谱分量 1： 光谱仪

10： 输入部

20、 20'： 微型绕射 22： 第一晶片区段 23： 聚焦曲面 24： 绕射图案 25： 上表面

26： 第二晶片区段 27： 反射面

27A: 第一部分 27B: 第二部分 30： 光感测器 32： 第一感测区段 34： 第二感测区段 36： 感光单元 40： 发光装置 50： 试样

60： 波导装置 62： 第一波导片 64： 第二波导片 80： 壳体

92： 第一过滤区段 92T: 第一齿状结 94： 第二过滤区段 94T: 第二齿状结 96： 光通道 100： 光谱仪

110： 光源

120： 输入部

130： 准直面镜

140： 平面光栅

142： 绕射图案

150： 聚焦面镜

160： 直线状光感测器

170： 反射镜

180： 光感测器

200： 光信号

具体实施方式

为让本发明的上述内容能更明显易懂， 下文特举一较佳实施例， 并配合 所附图式， 作详细说明如下。

图 1显示依据本发明较佳实施例的能接收零阶光� �分量及一阶光谱分量 的微型光谱仪 1的示意图。 如图 1所示， 本实施例的微型光谱仪 1包含一输 入部 10、 一微型绕射光栅 20以及一光感测器 30。

输入部 10包含譬如狭缝， 其接收一光学信号 SO, 如有需要亦可包含滤 波器， 来将不必要的成分过滤掉。

微型绕射光栅 20具有一聚焦曲面 23及形成于聚焦曲面 23上的一绕射 图案 24(详细结构显示于图 4中)， 并接收光学信号 SO并将光学信号 SO分 离成多个光谱分量 SO0、 S01、 S02 等。 值得注意的是， 所述光谱分量 SO0、 S01、 S02包含零阶光谱分量 SO0、 一阶光谱分量 S01、 二阶光谱分 量 S02、 三阶光谱分量及四阶光谱分量等。 光感测器 30譬如是电荷耦合元 件 (CCD)式感测器或 CMOS式感测器， 并具有一第一感测区段 32及一第二 感测区段 34， 来接收被微型绕射光栅 20分离并聚焦而来的光谱分量 SO0、 S01、 S02等。 第一感测区段 32接收零阶光谱分量 SO0, 而第二感测区段 34接收一阶光谱分量 S01。 此外， 依实际设计所采用的感测器长度而定， 第二感测区段 34更可接收二阶光谱分量 S02、 三阶光谱分量、 四阶光谱分 于本实施例中， 第一感测区段 32及第二感测区段 34排成一直线。 光感 测器 30具有多个感光单元 36， 所述感光单元 36亦排列成一直线。

此外， 微型光谱仪 1可以更包含一发光装置 40、 一波导装置 60及一壳 体 80。 输入部 10、 微型绕射光栅 20、 光感测器 30及波导装置 60安装于壳 体 80中。 发光装置 40发出一光源经过一试样 50(例如待测的化学物质)后产 生光学信号 SO。 如此一来， 微型光谱仪 1可以成为一个独立的测定装置， 使用者可以携带此微型光谱仪 1到任何地方进行检测， 达成行动化的目的。

图 2显示依据本发明较佳实施例的光谱仪的侧视� �。 图 3显示依据本发 明较佳实施例的微型绕射光栅的工作示意图。 请参考图 1至图 3， 本发明提 出另一种组合的微型光谱仪 1， 其包含输入部 10、 微型绕射光栅 20、 光感 测器 30及波导装置 60。 输入部 10接收光学信号 SO。 微型绕射光栅 20接 收光学信号 SO并将光学信号 SO分离成多个光谱分量 SO0、 S01、 S02o 微型绕射光栅 20包含一第一晶片区段 22及一第二晶片区段 26。 第一晶片 区段 22具有一聚焦曲面 23及形成于聚焦曲面 23上的一绕射图案 24。 具有 聚焦曲面 23及绕射图案 24的微型绕射光栅 20可以将上述光学信号 SO分 离成所述光谱分量 SO0、 S01、 S02, 并将所述光谱分量聚焦于光感测器 30 上， 藉此缩短光谱仪的光程。 聚焦曲面 23 的功用是光谱聚焦， 而绕射图案 24的主要功用是光谱分离， 两者共同作用即可达到将光学信号 SO分离并聚 焦的功用。 第二晶片区段 26—般是微机电制造工艺刻制绕射图案 24时所用 的基底 (substrate)或其部分， 并具有一反射面 27。 光感测器 30接收所述光谱 分量 SO0、 S01、 S02 o 波导装置 60包含一第一波导片 62及一第二波导片 64， 两者都是平面式波导片， 彼此面对以与输入部 10、 微型绕射光栅 20及 光感测器 30共同定义出一光通道 96。 第一波导片 62位于第一晶片区段 22 的一上表面 25上。 第二波导片 64与第二晶片区段 26的反射面 27局部接 触， 以使光学信号 SO的一第一部分 S0A到达绕射图案 24， 并使光学信号 SO的一第二部分 SOB到达反射面 27与第二波导片 64不相接触的局部。 反 射面 27具有一第一部分 27A及一第二部分 27B。 第一部分 27A接收光学信 号 SO的第二部分 S0B。 第二部分 27B与第二波导片 64接触， 故会被第二 波导片 64挡住而没有接收光信号。

所谓的微型光谱仪， 其中的微型绕射光栅 20 是由微机电制造工艺 (MEMS)所制造出来。 微型绕射光栅 20的绕射图案 24的高度一般约有数十 微米至数百微米， 光通道 96 的高度一般也在数十微米到数百微米之间， 相 较于传统光谱仪内部光源是在一开放空间中抵 达一平面光栅 140而被分光， 微型光谱仪的光通道 96高度可说是极为扁平。 于一例子中， 光通道 96的高 度为 150微米。 微型绕射光栅 20的总厚度 (H22+H26)为 625微米， 绕射图 案 24的高度为 80微米， 亦即， 图 3的 H22等于 80微米。 因此， 第二晶片 区段 26有 70微米的高度包含在光通道 96中。 使得光学信号 SO的第二部 分 SOB可以到达反射面 27而被反射。 依据此尺寸所量测出来的结果如图 4 所示。 于图 4中， 横轴为光感测器 30的像素号码， 纵轴为强度指标。

如图 4所示， 由于感测器表面会滤除大约 250纳米以下波长的光线， 图 中像素号码 700以上才出现一阶或一阶以上的光， 至于像素号码 1-700的像 素则感测到零阶光以及经由反射面 27的第一部分 27A直接反射过来的光。 区段 AA表示被反射面 27的第一部分 27A反射的光信号， 这是因为第一部 分 27A为一平整的反射面， 不具有聚焦效果， 所以光学信号 SOB会散开到 感测器的数百个像素的区段。 因为有第一部分 27A反射的光信号， 所以所 述区段因此使得整个光强度被提高了大约 5000个单位。 像素号码 150左右 的像素感测到的是被绕射图案 24反射的光强度以及被反射面 27反射的光强 度， 因此其加总的总强度大约是 66000单位。 值得注意的是， 利用本发明， 亦可以用来校正微型绕射光栅 20的定位 状况。 当微型绕射光栅 20被妥善安置时， 区段 BB的宽度是固定的， 区段 BB 的宽度是一个可以从光学理论推算出来的固定 值， 其中， 区段 BB是从 区段 AA的结尾处到某一预先选定的特征频谱的波峰� ��的距离。 当微型绕射 光栅 20有歪斜时， 整个光路会有所改变， 因此区段 BB的宽度就会被改变。

图 5是以已知的罗兰圆 (Rowland circle)的理论来解说本发明的微型光谱 仪之所以可以聚焦于一直线的感测器的示意图 。 如图 5所示， 依据罗兰圆 (Rowland circle)的理论， 入射光通过譬如是狭缝结构的输入部 10后， 被微 型绕射光栅 20'绕射并聚焦成像于罗兰圆 RC上。 因此， 一个与罗兰圆 RC有 交叉的光感测器 30可以接收至少两个光谱分量。 由于适用于罗兰圆的微型 绕射光栅 20'的绕射图案具有固定的节距 (Pkch), 所以仅能将光谱分量聚焦 成像于一直线的两点上。 改变节距可以改变罗兰圆的大小， 所以将绕射图案 设计成具有非固定的节距， 即可将至少三个光谱分量聚焦于一直线上， 也就 是达成图 1的效果。

图 6显示依据本发明另一实施例的能接收零阶光� �分量及一阶光谱分量 的光谱仪的示意图。 如图 6所示， 本实施例的光谱仪 1类似于图 1， 不同之 处在于第一感测区段 32与第二感测区段 34是分开的， 且第一感测区段 32 与第二感测区段 34之间的夹角不等于 0度或 180度。 如此一来， 可以在零 阶光谱分量与一阶光谱分量的聚焦平面相差甚 远时， 使用两个光感测器来进 行光谱分量的感测。

图 7显示依据本发明又另一实施例的能接收零阶� �谱分量及一阶光谱分 量的光谱仪的示意图。 如图 7所示， 本实施例类似于第一实施例， 不同之处 在于光谱仪 1更包含一杂散光滤除构造 90， 其滤除光学信号 SO中的一杂散 光成分 SOC。 杂散光滤除构造 90包含一第一过滤区段 92及一第二过滤区段 94， 两者可以是独立的元件或是一体成型的元件。 第一过滤区段 92具有一 第一齿状结构 92T。 第二过滤区段 94具有一第二齿状结构 94Τ面对第一齿 状结构 92T。 第一齿状结构 92Τ与第二齿状结构 94Τ之间定义出一通道 96， 以供光学信号 SO中的非杂散光成分 S0A、 SOB通过。 于本实施例中， 第一 过滤区段 92及第二过滤区段 94为两个薄片结构， 且位于同一平面上。

值得注意的是， 杂散光成分 S0C除了包含噪声以外， 亦可以包含入射 角度不对时所要量测的光信号。 在没有装设杂散光滤除构造 90 的情况下， 这种入射角度不对的光信号在通过输入部 10以后， 就会被壳体 80或内部波 导经过几次反射后到达微型绕射光栅 20， 因此会干扰到绕射结果。 此外， 杂散光滤除构造 90亦可以装设于绕射光栅 20与光感测器 30之间。

通过本发明的光谱仪， 可以滤除不必要的杂散光成分， 避免其干扰到光 谱成分而影响光感测器的判读结果。 杂散光滤除构造的厚度可以是相当薄， 且其材质可以是金属、 塑胶或半导体材料等。 发明人根据图 1 的架构实施 时， 特别比较有装设杂散光滤除构造跟没有装设杂 散光滤除构造的结果， 发 现有装设杂散光滤除构造的光谱仪可以获得较 佳的判读结果。 因此， 本案的 光谱仪， 确有其效能的大幅增进， 且特别适合于微型光谱仪。

藉此感测零阶光谱分量， 使用者在不需要将各阶光谱分量进行加总的情 况下， 可以迅速获得微型绕射光栅 20所输出的总光强度， 使用者可以利用 此数据来进行校正、 定位或其他后续处理， 譬如计算一阶光谱分量的比例、 二阶光谱分量的比例等。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施 例仅方便说明本发明的技 术内容， 而非将本发明狭义地限制于上述实施例， 在不超出本发明的精神及 权利要求的情况， 所做的种种变化实施， 皆属于本发明的范围。