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Patent Searching and Data


Title:
MICRO SPECTROMETER WITH STRAY LIGHT FILTERING STRUCTURE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/130899
Kind Code:
A1
Abstract:
A micro spectrometer with a stray light filtering structure (20) includes an input part (10), the stray light filtering structure (20), and a micro diffraction grating (30). The input part (10) receives a first optical signal (S1) within a predetermined angle and a second optical signal (S2) outside the predetermined angle. The stray light filtering structure (20) is used for filtering the second optical signal (S2), and comprises a first filtering portion (22) and a second filtering portion (24). The first filtering portion (22) and the second filtering portion (24) have opposite toothed structures (22T, 24T), and an optical channel (26) is defined between the two toothed structures (22T, 24T), so as to enable the first optical signal (S1) to pass and filter the second optical signal (S2). The micro diffraction grating (30) receives the first optical signal (S1) passed through the stray light filtering structure (20), and separates the first optical signals (S1) into a plurality of spectral components.

Inventors:
KO CHENG-HAO (CN)
Application Number:
PCT/CN2010/071873
Publication Date:
October 27, 2011
Filing Date:
April 19, 2010
Export Citation:
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Assignee:
OTO PHOTONICS INC (CN)
KO CHENG-HAO (CN)
International Classes:
G01J3/18; G01J3/36; G02B26/08
Foreign References:
CN101295050A2008-10-29
US5020910A1991-06-04
JPH09318802A1997-12-12
JPH04262282A1992-09-17
EP0883000A11998-12-09
US20080049798A12008-02-28
Attorney, Agent or Firm:
BEIJING SANYOU INTELLECTUAL PROPERTY AGENCY LTD. (CN)
北京三友知识产权代理有限公司 (CN)
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Claims:
权利要求书

1.一种具有杂散光滤除构造的微型光谱仪, 其特征在于, 所述的微型光 谱仪包括:

一输入部, 其接收一从一预设角度的范围内进入所述微型光谱仪内部的 第一光信号及一从所述预设角度的范围外进入所述微型光谱仪内部的第二光 信号;

一杂散光滤除构造, 其滤除所述第二光信号, 所述杂散光滤除构造包 括:

一第一过滤区段, 具有一第一齿状结构; 及

一第二过滤区段, 具有一第二齿状结构与所述第一齿状结构安置于 相对位置, 所述第一齿状结构与所述第二齿状结构之间定义出一光通道以供 所述第一光信号通过, 并使所述第二光信号进入所述第一齿状结构或所述第 二齿状结构之中而被滤除; 以及

一微型绕射光栅, 接收通过所述杂散光滤除构造的所述第一光信号并将 所述第一光信号分离成多个光谱分量。

2.如权利要求 1所述的微型光谱仪, 其特征在于, 所述的微型光谱仪还 包括:

一光感测器, 其接收所述的多个光谱分量。

3.如权利要求 2所述的微型光谱仪, 其特征在于, 可以聚焦在光感测器 上的所述的多个光谱分量的数量大于 2。

4.如权利要求 2所述的微型光谱仪, 其特征在于, 所述光感测器具有多 个感光单元, 所述的多个感光单元排列成一直线。

5.如权利要求 2所述的微型光谱仪, 其特征在于, 所述的微型光谱仪还 包括:

一壳体, 其中所述输入部、 所述杂散光滤除构造、 所述微型绕射光栅及 所述光感测器是安装于所述壳体中。

6.如权利要求 5所述的微型光谱仪, 其特征在于, 所述壳体具有多个定 位柱, 所述第一过滤区段及所述第二过滤区段具有多个定位孔, 所述的多个 定位孔分别包围所述的多个定位柱。

7.如权利要求 2所述的微型光谱仪, 其特征在于, 所述的微型光谱仪还 包括一发光装置, 其发出一光源经过一试样后产生所述第一光信号及所述第 二光信号。

8.如权利要求 1所述的微型光谱仪, 其特征在于, 所述第一过滤区段及 所述第二过滤区段位于同一平面上。

9.如权利要求 1所述的微型光谱仪, 其特征在于, 所述预设角度实质上 等于 4度。

10.如权利要求 1所述的微型光谱仪, 其特征在于, 所述第一过滤区段 及所述第二过滤区段是一体成型。

11.如权利要求 1所述的微型光谱仪, 其特征在于, 所述微型绕射光栅 具有一绕射图案, 所述绕射图案的巨观轮廓包括一曲面。

12.如权利要求 1所述的微型光谱仪, 其特征在于, 所述的微型光谱仪 还包括一波导装置, 所述波导装置包括一第一波导片及一第二波导片, 两者 彼此面对以与所述输入部、 所述杂散光滤除构造及所述微型绕射光栅共同定 义出所述光通道, 使所述第一光信号可以在所述光通道反射行进。

Description:
具有杂散光滤除构造的微型光谱仪 技术领域

本发明涉及一种光谱仪, 且特别是涉及一种具有杂散光滤除构造的微型 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。 然而, 这种光谱仪的光感测器所检测到的结果在某些 情况下是 不能用的, 因为有很多杂散光会进入到狭缝中, 并到达绕射光栅, 进而影响 绕射光栅的绕射结果。 因此, 输入光源必须受到良好的控制, 这也限制了传 统光谱仪的应用层面。

图 6显示一种传统的光谱仪 100的示意图。 如图 6所示, 传统的光谱仪 100包括一光源 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, 在自由空间里经过准直面镜 130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, 因此当平面光栅 140将光信号分离成多个光谱分量之后, 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。 但也因 为如此, 传统光谱仪的进光量可以很大, 杂散光对绕射结果的影响因此较 小, 所以传统光谱仪未必需要去考虑杂散光对待测 信号的影响的问题。 发明内容

因此, 本发明的一个目的是提供一种具有杂散光滤除 构造的微型光谱 仪, 其阻挡杂散光行进到微型绕射光栅而影响到整 个光谱仪的感测结果。

为达上述目的, 本发明提供一种具有杂散光滤除构造的微型光 谱仪, 其 包括一输入部、 一杂散光滤除构造以及一微型绕射光栅。 输入部接收一第一 光信号及一第二光信号。 杂散光滤除构造滤除第二光信号, 并包括一第一过 滤区段及一第二过滤区段。 第一过滤区段具有一第一齿状结构。 第二过滤区 段具有一第二齿状结构与第一齿状结构安置于 相对位置, 第一齿状结构与第 二齿状结构之间定义出一光通道以供第一光信 号通过, 并使第二光信号进入 第一齿状结构或第二齿状结构之中而被滤除。 微型绕射光栅接收通过杂散光 滤除构造的第一光信号并将第一光信号分离成 多个光谱分量。 附图说明

图 1显示依据本发明较佳实施例的具有杂散光滤 构造的微型光谱仪的 俯视图;

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显示本发明的另一种光谱仪的立体示意图;

图 4显示杂散光滤除构造的滤除原理的示意图;

图 5显示平滑侧壁的反射结果的示意图;

图 6显示一种传统的光谱仪的示意图。

附图标号

C: 光谱分量

H: 高度

RC: 罗兰圆

S1 : 第一光信号

S2: 第二光信号 10: 输入部

20: 杂散光滤除构造

21: 第一平滑侧壁

22: 第一过滤区段

22T: 第一齿状结构

22H、 24H: 定位孔

23: 第二平滑侧壁

24: 第二过滤区段

24T: 第二齿状结构

26: 光通道

30、 30': 微型绕射光

32: 绕射图案

40: 光感测器

50: 波导装置

52: 第一波导片

54: 第二波导片

60: 发光装置

70: 试样

80: 壳体

80R: 定位柱

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

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 所附附图, 作详细说明如下。

图 1显示依据本发明较佳实施例的具有杂散光滤 构造的微型光谱仪的 俯视图。 图 2显示依据本发明较佳实施例的微型光谱仪的 视图。 如图 1与 图 2所示, 本发明的微型光谱仪包括一输入部 10、 一杂散光滤除构造 20以 及一微型绕射光栅 30。 当然, 光谱仪可以更包括一光感测器 40、 一壳体 80 及一发光装置 60。 输入部 10、 杂散光滤除构造 20、 微型绕射光栅 30及光 感测器 40是安装于壳体 80中。 微型绕射光栅 30的绕射图案 32的巨观轮廓 包括图 1所示的一反射曲面, 而非如传统的图 4所示的平面, 反射曲面的作 用是将经过微型绕射光栅 30的光线聚焦到前方的光感测器 40上。 发光装置 60 亦可固定至壳体 80。 由于绕射光栅 30 可以利用微机电制造工艺 (MEMS), 半导体制造工艺、 光刻电铸模造 (LIGA)或其他制造工艺所制造出 来的超薄微小零件, 故可以被称为是微型绕射光栅, 因此本发明的光谱仪可 以被称为是微型光谱仪。

输入部 10譬如包括狭缝结构, 并接收一第一光信号 S1及一第二光信号 S2, 其中 S1 是从一适当的预设角度的范围内进入本发明的 微型光谱仪之中 而可以直接抵达微型绕射光栅 30的待测的光信号 (如图 1所示:), S2则是从 上述适当的预设角度的范围之外进入光谱仪之 中、 若不滤除将会经过几度反 射或其他无法预测的光学路径之后才会以无法 预测的角度抵达微型绕射光栅 30的光信号 (如图 1), 其本身本来可能也是待测光信号的一部分, 但经过上 述路径之后已成不可使用的杂散光。 杂散光滤除构造 20可以设置于输入部 10与微型绕射光栅 30之间, 可以滤除第二光信号 S2, 并包括一第一过滤区 段 22及一第二过滤区段 24。

第一过滤区段 22具有薄片状结构, 并具有一第一齿状结构 22T。 第二 过滤区段 24具有薄片状结构, 并具有一第二齿状结构 24Τ, 第二齿状结构 24Τ与第一齿状结构 22Τ置于相对位置。 第一齿状结构 22Τ与第二齿状结构 24Τ之间定义出一光通道 26以供上述以适当预设角度从输入部 10进入的第 一光信号 S1通过而到达微型绕射光栅 30。 第一及第二齿状结构 22Τ、 24Τ 包括很多尖锐的锯齿, 锯齿是用来阻挡第二光信号 S2(即杂散光), 并将其导 引至锯齿之间的凹槽内, 以防止第二光信号 S2经过各种不可预测的路径之 后行进到微型绕射光栅 30。 第一过滤区段 22及第二过滤区段 24位于同一 平面上。

微型绕射光栅 30接收通过杂散光滤除构造 20的第一光信号 S1并将第 一光信号 S1分离成多个光谱分量 C。

为了获得这些光谱分量 C以便作处理, 可利用光感测器 40来接收此等 光谱分量 C。 通过后续的处理后, 可以将这些光谱分量 C转成数字信号。 于本实施例中, 可以聚焦在上述光感测器 40的此等光谱分量 C的数量大于 2。

为了方便安装杂散光滤除构造 20, 壳体 80具有多个定位柱 80R, 第一 过滤区段 22及第二过滤区段 24具有多个定位孔 22H、 24H。 定位柱 80R分 别插至定位孔 22H、 24H中, 使得定位孔 22H、 24H分别包围定位柱 80R, 达成定位的效果。 值得注意的是, 第一过滤区段 22及第二过滤区段 24可以 是一体成型的构造。

发光装置 60发出一光源经过一试样 70后产生第一光信号 S1及第二光 信号 S2, 试样譬如是试纸或其他待测物。

此外, 微型光谱仪可以更包括一波导装置 50, 其包括一第一波导片 52 及一第二波导片 54, 两者彼此面对以与输入部 10、 杂散光滤除构造 20及微 型绕射光栅 30共同定义出光通道 26, 使第一光信号 S1可以在光通道 26中 反射行进。 由于微型光谱仪的进光量很少, 一般会使用波导装置 50来减少 光损, 并配合杂散光滤除构造 20以滤除杂散光。

所谓的微型光谱仪, 其中的微型绕射光栅 30 是由微机电制造工艺 (MEMS)或半导体制造工艺所制造出来。 微型绕射光栅 30的绕射图案 32的 高度一般约有数十微米至数百微米, 因此, 第一过滤区段 22及第二过滤区 段 24—般也会采用在数十微米至数百微米的厚度 以形成一个数十微米至 数百微米高度的光通道 26。 这种微型光谱仪的进光量很少, 不像已知的传 统光谱仪的进光量很大的情况。 在进光量很大的情况下, 杂散光对绕射结果 的影响较小, 因此传统的光谱仪并不太需要去考虑这个问题 。 在进光量很少 的情况下, 杂散光的滤除就显得相当重要。 因为本案发明人实际在研发此产 品时, 发现了这个问题, 故提出具有高效能的杂散光滤除构造来解决此 问 题, 经过验证也得到相当好的成果。

图 3以已知的罗兰圆 (Rowland circle)的理论来解说本发明的微型光谱仪 的所以可以聚焦于一直线的感测器的示意图。 如图 3 所示, 依据罗兰圆 (Rowland circle)的理论, 入射光通过狭缝结构 10后, 被杂散光滤除构造 20 滤除不必要的成分, 最后到达微型绕射光栅 30'。 微型绕射光栅 30'产生绕射 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 40 可以接收至少两个光谱成分。 由于适用于罗兰圆的微型绕射光栅 30'的绕射 图案具有固定的节距 (Pitch), 所以仅能将光谱成分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成分聚焦于一直线上, 也就是达成图 1的效果。

因此, 图 1的光感测器 40可具有多个感光单元 42, 譬如是两个、 三个 或三个以上, 此等感光单元 42排列成一直线。

值得再度提起的是, 杂散光信号除了包括噪声以外, 亦可以包括入射角 度不对的所要量测的光信号。 在没有装设杂散光滤除构造 20 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经过几次反 射后到达微型绕射光栅 30, 因此会干扰到绕射结果。 此外, 也可以在微型 绕射光栅 30与光感测器 40之间加装杂散光滤除构造 20。

图 4显示杂散光滤除构造的滤除原理的示意图。 前述的预设角度为 2Θ, 其与第一过滤区段 22的第一齿状结构 22T及第二过滤区段 24的第二齿 状结构 24T相关。 第二光信号 S2 的进入角度大于角度 2Θ, 而第一光信号 S1的进入角度小于角度 2Θ。 第一光信号 SI不会进入齿状结构中, 故不会被 齿状结构消耗。 第二光信号 S2会进入齿状结构的其中一个三角形凹口中而 在里面来回反射而耗弱。 如此一来, 原本会造成杂散光信号的第二光信号 S2皆可由齿状结构而消弭, 进而使所欲得到的光谱分量更为清楚分明。

图 5显示平滑侧壁的反射结果的示意图。 为了证明杂散光滤除构造的功 效, 申请人特别提供第一平滑侧壁 21及第二平滑侧壁 23来取代图 4的第一 过滤区段 22及第二过滤区段 24。 第一平滑侧壁 21及第二平滑侧壁 23不具 有齿状结构, 因此, 第二光信号 S2会被平滑侧壁 21及 23反射, 而逐渐往 微型绕射光栅 30的方向移动。 因而干扰到光谱仪的量测结果。

在本发明的微型光谱仪里, 绕射光栅是一个可以利用微机电制造工艺 MEMS)或半导体制造工艺制造出来的超薄微小零 。 一般而言一个微型绕 射光栅的绕射图案的高度大约只有数十微米到 数百微米之间, 为了让待测的 光源不会在自由空间里散开, 以致超薄的微型绕射光栅仅仅接收到照射到上 述数十微米到数百微米高度的绕射图案的光线 , 通常会以一种反射率较好的 材质做成波导片将微型绕射光栅上下夹住, 形成一个光信号波导, 使得光源 信号从输入部进入微型光谱仪之后, 借着波导的作用, 绝大部分的光 (包括 杂散光)都可抵达微型绕射光栅。 尽管如此, 微型光谱仪的进光量比起传统 的大型光谱仪仍然很少, 在进光量很少的情况下, 杂散光的滤除就显得相当 重要。

此外, 前述的预设角度是依据光栅的尺寸及光路而定 。 于一较佳实施例 中, 前述的预设角度可为 4度 (左右各 2度), 相较于传统光谱仪大约 10度 (左右各 5度:)的预设角度, 本发明的预设角度明显小很多。 因此, 杂散光的 滤除显得更加重要。

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。

相较于譬如照相机或光学笔的传统光学装置的 立体锥状杂散光过滤构 造, 本案的平面状杂散光过滤构造特别适合于微型 光谱仪。

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。