专利名称：红外线光谱仪及应用于其的元件组合及制造系统与方法
技术领域：
本发明是关于红外线光谱仪以及包括可应用于红外线光谱仪的组件在内的光学组件的组合及制造的系统与方法。
背景技术：
红外线光谱学乃起源于William Herschel发现到Isaac Newton所发现的可见光谱红色部分以外的光学辐射之时。自十九世纪起，物理与化学学者便已着手研究红外线辐射与不同物质间的互相影响。那时就已发现不同物质可吸收红外线光谱的不同部分且该些吸收特征可被用于侦测与辨识化学成份种类。直到第二次世界大战第一个大型红外线光谱仪才被建造，当美国橡胶管制司(US Office of Rubber Reserve)确认使用红外线光谱学为一测量人造橡胶合成物成分的有效手段，并且要求发展具有1微米(μm)以上操作能力的红外线光谱仪。自公元1950年起，红外线光谱仪在科学与工程界中已获得广泛的接受。由岩盐物(例如氯化钠(NaCl))，第一代光谱仪利用红外线辐射的光色散。后来，这些吸水性强的、或对湿度敏感的岩盐折光物体则被以玻璃基板制成的绕射光栅所取代。一般来说，这些早期的红外线光谱仪重达200磅以上且其所占体积大于7至8立方英尺。
除了此种以色散为基础(dispersion-based)的红外线光谱仪外，在1960年代晚期，随着激光、计算机与数据储存装置上的进展，以光干涉术原理为基础的新型红外线光谱仪则被发展出来。由于牵涉由傅立叶转换(FourierTransformation)的数学计算将干涉术上的测量数据转换成光谱，所以这些红外线仪器在红外线光谱学技术上也被称为傅氏变换红外线光谱仪(FTIR)。尽管有这些傅氏变换红外线光谱仪相较色散式红外线光谱仪已提供高度改进的感光度以及光谱分辨率的事实，但是这些FTIR仪器的干涉原理本质却要求在其操作期间必须监控最终的环境参数。这是因为干涉术上的测量法要求两光束部份重迭在二分之一波长的距离内，即，此种测量所要求的精确度在微米范围内。换言之，任何温度上的些许改变或任何小量的振动均将导致无法从此傅氏变换红外线光谱仪中得到可用光谱。由于光干涉仪以及所有相关回馈与控制电路的并入，傅氏变换红外线光谱仪一般重150到400磅并占有3至10立方英尺的体积。
对于很多现代工业、保全和军事任务来说，侦测表面上或大气里化学成份的红外线光谱特征的能力非常有价值。这些化学讯息经常能用来决定一个生产过程的质量，或者去评估人员接近或进入一个地区的危险性。然而，由于在尺寸、重量和耐用性上的限制，红外线光谱仪并没有广泛的被使用为这些应用的第一线侦测或监控工具，而是作为一离线或实验室验证工具。
为了减轻上述实施上的限制，将需要发展一种敏感的、重量轻的、耐用且小型的红外线光谱仪，使能在恶劣的服务条件下侦测及/或识别不同化学成份的种类。为了达到这些目的，一种小型的光学光谱仪的设计系需要涵盖大范围的红外线波长，特别是落入称作”红外线光指纹”(7-14μm)区。这是因为在指纹区的红外线吸收特征将提供最特定的化学成份证据，而能用来识别不同的物质。
虽然使用FTIR背后的原理去建构更小而涵盖大红外线光谱范围的光谱仪并不难，但对环境变化的低耐性则不符合对专业应用上的耐用要求。
另一个与仪器成本有关的考虑是组合的容易性。今日在所有红外线光谱仪的内部，大部分的光学组件都由玻璃材料制成。无论是色散式仪器的光栅或是在FTIR内的镜子，这些以玻璃为基础的组件通常在它们可被固定及接着定位的前系用胶合或夹紧在基座上。胶合过程的准确性、此胶或环氧基树脂可能的收缩以及玻璃边缘的裂损，在最后定位的精度上全都成为不确定的因素。因此，在离开装配线后，这些仪器需要经常维修或者定位。甚至在组合过程期间，还需要有非常熟练的光学技师对所有的光学组件作适当定位，因而使得生产成本较为昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外线光谱仪及应用于其的元件组合及制造系统与方法。
通过本发明的实施，提供了一种对于这些以及其它在公知技术上的缺失的解决方法。
为实现上述目的，本发明提供的红外线光谱仪，可操作于波长范围为4.5微米或4.5微米以上，包含(A)入射狭缝、准直镜、光栅及聚焦镜；及(B)二维数组侦测器，其中通过该狭缝的部分辐射沿着光径行进，在该光径中，该通过狭缝的部分辐射被该准直镜反射到该光栅上，接着该光栅反射部分辐射到该聚焦镜，而后该聚焦镜反射与聚焦部分辐射在第一聚焦面以及到该二维数组侦测器；其中该二维数组侦测器上每一行均对应到波长范围为4.5微米或4.5微米以上的某个波长，该二维数组包括复数行，其全部会对应到横跨波长范围为4.5微米或4.5微米以上的复数个波长，且其中在该二维数组侦测器上每一对相邻的行均对应到波长差相等的两波长；以及其中该入射狭缝、该准直镜、该光栅、该聚焦镜以及该第一聚焦面置放于一体积等于或小于192立方英时的尺寸内。
所述的光谱仪，其中该二维数组侦测器位于该第一聚焦面上。
所述的光谱仪，其中该二维数组侦测器位于不同于该第一聚焦面的第二聚焦面上。
所述的光谱仪，其中所有该4.5微米或4.5微米以上的波长范围介于7.5至13.5微米之间。
本发明还提供一种以至少12.5微米的位置精度与0.075度的角度精度去定位与耦合一光学组件于一基板上的方法，包含(a)以工具机将原料制成光学组件，该原料由下列群组至少其中之一选出铝、铝合金、不锈钢、镍、铜以及铍；(b)将该光学组件贴在一基座上，该基座具有一定义第一平面的平坦底面，其中一柱状栓以垂直该第一平面而伸出该基座的平坦底面，以及其中至少第一与第二螺栓配置于第一与第二柱状孔内，该等柱状孔延伸穿过该基座的该底面，此该基座的该第一与第二柱状孔被排列垂直于该第一平面以及其内径与该第一及第二螺栓的外径相对应；(c)提供一具有定义第二平面的平坦上表面的基板，其中第一柱状孔垂直于该第二平面而由该基板的该上表面延伸进入该基板，以及其中至少第二与第三螺孔垂直于该第二平面而由该基板的该上表面延伸进入该基板；(d)由同步对位该金属栓与该基板的该第一孔、该基座的该第一孔与该基板的该第二螺孔、以及该基座的该第二孔与该基板的该第三螺孔，将该基座放置于该基板上；(e)在该基座与该基板对位的同时，该柱状栓插入该基板的该第一柱状孔直到该基座的该底面触碰到该基板的该上表面，其中，随着前述插入，该柱状栓与该基板的该第一孔间的摩擦力将可抑制该基座以垂直于该第一与第二平面的轴线旋转，以及该基板的该第一孔与该柱状栓间的紧密亦限制该基座在该基板上的横向位移；以及(f)在步骤(e)后，分别旋入该第一与第二螺栓于该基板的该第二与第三螺孔，由此得以该精度来耦合该基座与该基板。
所述的方法，其中该基座的该第一与第二柱状孔包括具有第一锥形端、以及该第一与该第二螺栓具有相对应该第一锥形的第二锥形头，由此该第一与第二螺栓定位于该基座的该第一与第二柱状孔。
所述的方法，其中步骤(b)进一步包含将该柱状栓压入该基座的另一柱状孔中。
所述的方法，其中在该压入步骤前，该柱状栓的外径大于该基座上该另一柱状孔的内径。
所述的方法，其中该步骤(e)的该插入步骤包含将该柱状栓压入该基板的该第一柱状孔，以及在步骤(e)的该压入步骤前，该第一柱状栓的外径大于该基板上该第一柱状孔的内径。
本发明提供的以至少12.5微米的位置精度与0.075度的角度精度去定位与耦合一光学组件于一基座上的方法，还包含(a)以工具机将原料制成学组件，该原料由下列群组至少其中之一选出铝、铝合金、不锈钢、镍、铜以及铍，其中该机械加工工艺包括在原料上形成至少第一、第二及第三柱状孔，以及原料的该第二与第三柱状孔具有螺纹；(b)提供一柱状栓，该柱状栓放置于该由机械加工制成的光学组件的该第一柱状孔内，其中该柱状栓以垂直该光学组件的一平坦背面而伸出该平坦背面；(c)提供一基座，该基座具有一平坦前面以及至少第一、第二与第三柱状孔，该等柱状孔垂直于该平坦前面而由该平坦前面延伸进入该基座，其中该基座的该复数个柱状孔中至少第一与第二柱状孔完全穿过该基座的厚度，该第一与第二螺栓分别配置于该基座的该第一与第二柱状孔内，该第一与第二螺栓的外径与该基座的该第一与第二柱状孔的内径相对应；(d)于步骤(b)后，由同步对位该从该光学组件伸出的金属栓与该基座的该第三孔、该光学组件的该第二螺孔与该基座的该第一孔、以及该光学组件的该第三螺孔与该基座的该第二孔，将该基座放置于该光学组件上；(e)在该基座与该光学组件对位的同时，该柱状栓压入该基座的该第三柱状孔直到该光学组件的该背面触碰到该基座的该前面，其中，随着前述插入，该柱状栓与该基座的该第三孔间的摩擦力将可抑制该基座以垂直于该前面与该背面的轴线旋转，以及该基座的该第三柱状孔与该柱状栓间的紧密亦限制该基座在该光学组件上的横向位移；以及(f)在步骤(e)后，分别旋入该第一与第二螺栓于该光学组件的该第二与第三螺孔，由此得以该精度来耦合该基座与该光学组件。
所述的方法，其中该步骤(a)中还包含在该原料上以机械加工制成第四有螺纹的柱状孔，该基座还包括第四柱状孔，该第四柱状孔垂直于该平坦前面而由该平坦前面延伸进入该基座，并且完全通过该基座的厚度，其中第三螺栓置入该基座的该第四柱状孔，该第三螺栓的外径与在该基座的第四柱状孔的内径相对应；步骤(f)中进一步包含有旋入该第四螺栓于光学组件的该第四螺孔。
所述的方法，其中于步骤(e)的该压入步骤前，该柱状栓的外径大于该基座上该第三柱状孔的内径。
所述的方法，其中步骤(b)还包含将该柱状栓压入该机械加工制成光学组件的该第一柱状孔中。
所述的方法，其中于步骤(b)该压入步骤前，该柱状栓的外径大于该机械加工制成光学组件的该第一柱状孔的内径。
本发明还提供了一种用以形成整块金属光学组件的方法，包含以工具机将原料制成一整块的组件，该组件具有第一面以及与该第一面相对的第二面，其中该整块组件的该第一面系包含一光学组件，该光学组件由下列群组选出聚焦镜以及准直镜，其中该机械加工工艺被用来形成第一柱状孔，其中该第一柱状孔用以容纳一柱状定位栓，该柱状定位栓以垂直于该第二面所定义的一平面而伸出该第二面，该第二柱状孔用以容纳第一螺栓，该第一螺栓以垂直于该第二面所定义的该平面而伸出该第二面，该第三柱状孔用以容纳第二螺栓，该第二螺栓以垂直于该第二面所定义的该平面而伸出该第二面，以及其中该原料由下列群组至少其中之一选出铝、铝合金、不锈钢、镍、铜以及铍。
所述的方法，其中包含使用单点钻石车床加工去形成该整块金属光学组件的该第一与第二面。
所述的方法，其中该机械加工工艺进一步被用来形成第四柱状孔，该第四柱状孔用以容纳第三螺栓，该第三螺栓以垂直于该第二面定义的该平面而延伸出该第二面。
本发明还提供了一种用以形成光栅组件的方法，包含以工具机将原料形成此光栅组件的第一面、第一柱状孔，其中该第一柱状孔垂直于该第一面由该第一面延伸进入该原料，该第二柱状孔用以容纳第一螺栓，该第一螺栓垂直于该第一面由该第一面延伸进入该原料，该第三柱状孔用以容纳第二螺栓，该第二螺栓垂直于该第一面而由该第一面延伸进入该原料；将一柱状定位栓插入该第一柱状孔，其中于插入后，该柱状定位栓以垂直于该第一面而伸出该原料；以环氧基树脂复制法制造该光栅组件的第二面，其中该第二面由黏合于该机械加工制成的原料上的树脂层所形成，以及该第二面包括一光栅；以及其中该原料由下列群组至少其中之一选出铝、铝合金、不锈钢、镍、铜以及铍。
所述的方法，其中该机械加工工艺包含使用单点钻石车床加工去形成该光栅组件的该第二面。
所述的方法，其中该插入步骤还包括将该柱状定位栓压入该第一柱状孔。
所述的方法，其中在压入步骤前，该柱状定位栓的外径大于该第一柱状孔的内径。
所述的方法，其中该光栅组件的该第一面垂直于该光栅组件的该第二面。
所述的方法，其中该光栅组件的该第一面与该光栅组件的该第二面平行。
所述的方法，其中该光栅组件的该第一面与该光栅组件的该第二面间的夹角介于零度到九十度之间。
根据本发明可满足下列一些或所有的设计要求1.组件间之间隔应被紧密排列，然而串音、不希望得到的反射或透射及/或散射应被减少或消除；2.组件的空间与角度排列应产生所要求的波长覆盖范围(在此侦测器数组上)，而没有过度的像差，如球面向差(spherical aberration)、彗星像差(coma)、像散(astigmatism)或色差(chromatic aberration)，且没有过度损失通过狭缝的红外线能量；3.在一些实施例中，数组侦测器(或红外线照相机)系位于第二焦距面上(不同于第一焦距面)，组件的排列更允许在第一聚焦面上聚焦的红外线光谱(光谱照片)方便且有效地转传及再聚焦于在第二聚焦面上的二维数组侦测器(或红外线照相机)上；4.此聚焦光谱以能利用整个二维数组侦测器的宽度为佳，使得光谱分辨率可增加至最大限度；以及5.二维数组侦测器中的聚焦光谱应以最大高度、最低甚至毫无失真为佳，使得在数组侦测器(相对应于相同波长)上像素的垂直平均可被获得或被迭加，以提高讯号对噪声效能。
图1为本发明的红外线光谱仪的立体图。
图2为图1中所示的红外线光谱仪的另一视图。
图3显示如图1与图2中所示的光谱仪的红外线辐射的光径，以及取样与聚集光学的示意图。
图4A显示本发明的在平面侦测器上像素的行列间的关系以及6微米波长涵盖范围。
图4B显示本发明的在平面侦测器上像素的行与列间的关系以及4.5微米波长涵盖范围。
图5A显示本发明的用以装设光谱仪、光学、侦测器与电子组件的积体、小型封装的实施例。
图5B显示本发明的用以装设光谱仪、光学、侦测器与电子组件的积体、小型封装的另一实施例。
图5C显示本发明的用以装设光谱仪、光学、侦测器与电子组件的积体、小型封装的又一实施例。
图5D显示依据本发明的用以装设光谱仪、光学、侦测器与电子组件的积体小型封装的再一实施例。
图6与图7，显示本发明的用以定位与耦合一光学组件至一基板的系统。
图8至图11，显示本发明的用以定位与耦合一光学组件至一基座的系统。
图12显示一具有直角面的金属光栅组件，其可架设于一基板以及作为光谱仪的组件。
图13显示一具有平行面的光栅组件，其可定位于使用如图8至图11中所示的定位系统的基座上。
具体实施例方式
图1与图2分别显示本发明的红外线光谱仪100的不同角度的示意图。光谱仪100为小型的(例如如下所述体积小于192立方英时)，且可操作于波长范围为4.5微米或4.5微米以上。在一实施例中，光谱仪100可操作于7.5至13.5微米范围中；于另一更特定的实施例中，光谱仪100可操作于7.5至13.5微米范围内的4.5微米或4.5微米以上。在其它的实施例中，光谱仪100则可操作于3.0至14.5微米范围内的4.5微米或4.5微米以上。
光谱仪100包含有一入射狭缝110、一准直镜120、一光栅130以及一聚焦镜140。如图3所示，通过狭缝110的部分辐射沿着一光径行进，在此光径中，通过狭缝110的部分辐射被准直镜120反射到光栅130上，接着光栅130反射部分辐射到聚焦镜140，而后聚焦镜140反射与聚焦部分辐射在第一聚焦面160以及到二维数组侦测器150(此二维数组侦测器150可位于第一聚焦面160或其它聚焦面上)。如图4A与图4B所示，此二维数组侦测器150以每一列具有128以上个像素为佳，在一具体较佳实施例中，使用宽160像素×高120像素的数组侦测器。该二维数组侦测器中的聚焦光谱152以最大高度、最低甚至毫无失真为佳，致使该数组侦测器(相对应于相同波长)上像素的垂直平均可被获得或「被迭加」，以提高讯号对噪声的效能。在较佳实施例中，可利用30个以上像素的垂直迭加来增加讯号对噪声效能；在特佳的实施例中，则可使用50个以上像素的垂直迭加。较佳的是应用高读取速度于此数组侦测器以更进一步提高讯号对噪声比(如每秒30组全数组数据，甚且每秒60组全数组数据则为更佳)。由于周遭温度的起伏，使其可能需要频繁地校准此数组侦测器以达到连续操作上数据稳定的目的。由周期性及/或以事件引发的控制逻辑而触发的手动或自动的起伏补正系统可用来校准此数组侦测器。
如图3与图4所示，此二维数组侦测器上每一行150a均对应于4.5微米或4.5微米以上的部分波长范围。此二维数组包括复数行150a，其全部对应于横跨4.5微米或4.5微米以上波长范围的复数个波长，且在二维数组侦测器上每一对相邻的行150a均对应到波长差相等的波长。在一实施例中，此入射狭缝110、准直镜120、光栅130、聚焦镜140以及第一聚焦面160置放于一体积等于或小于192立方英时的尺寸内。
请参阅图5A，显示用以装设光谱仪100和其它组件的积体、小型封装200A。取样模块210A用以引导红外线(IR)能量至光谱仪100的入射狭缝110。照相模块230装有侦测器(例如显示于图4A、图4B)。在一实施例中，整个小型封装200A的体积约小于700立方英时。一计算机监控的控制模块250可被选择性用来操作封装200A内的组件，以及从其接收数据。
现请参阅图5B，其为用以装设光谱仪100与图中所示的其它组件的积体、小型封装200B的另一种实施例。此实施例可用来进行表面侦测，例如用以取样一表面211，如硅晶圆、涂料层或药锭表面。在此实施例中，此取样模块210B从IR光源213投射IR能量经由聚集镜214穿过狭长孔212到样品表面211，接着反射的IR能量利用聚焦镜215改变方向及再聚焦而进入光谱仪模块100的狭缝110。在一实施例中，此小型封装200B的整个体积约小于700立方英时，并且一计算机监控的控制模块250(如图5A所示)可被选择性用来操作封装200B内的组件，以及从其接收数据。
现请参阅图5C，其为用以装设光谱仪100与图中所示的其它组件的积体、小型封装200C的又一实施例。此实施例可被用来测量一连续移动的样品216。在本实施例中，一取样模块210C引导与聚焦IR能量(来自IR光源213以及使用聚焦透镜217聚焦)至光谱仪模块100的狭缝110，同时此移动样品216穿过此光径以便连续测量样品216。狭长孔212A及212B被提供来允许移动样品216穿过取样模块210C。由将静态样品放在使用本实施例所示的光径上，其亦能被测量。在一实施例中，此小型封装200C的整个体积约小于700立方英时，并且一计算机监控的控制模块250(如图5A所示)可被选择性用来操作封装200C内的组件，以及从其接收数据。
现请参阅图5D，为用以装设光谱仪100与图中所示的其它组件的积体、小型封装200D的再一实施例。本实施例可被用来聚集与取样远处的IR能量220。在本实施例中，取样模块210D会引导与聚焦IR能量(使用望远光学组件219)至光谱仪模块100的狭缝110。在一实施例中，此小型封装200D的整个体积约小于700立方英时，并且一计算机监控的控制模块250(如图5A所示)可被选择性用来操作封装200D内的组件，以及从其接收数据。
图6与图7显示本发明的用以定位与耦合一光学组件310(如光谱仪100的准直镜120、光栅130或聚焦镜140)至一基板300(如光谱仪100的基部)的系统。在一实施例中，此系统以至少12.5微米的位置精度与0.075度的角度精度去定位与耦合光学组件310于基板300上。首先以工具机将一原料制成光学组件310，此原料从铝、铝合金、不锈钢、镍、铜或铍中选出。接着，将光学组件310固定在一基座320上，此基座320具有定义一平面320b的平坦底面320a。基座可以下列任一原料所形成铝、铝合金、不锈钢、镍、铜、铍、钛、铝复合材料、石墨或石墨复合材料。光学组件310与基座320间的耦合于其后的图8至图11中再进一步详细说明。
请再参阅图6与图7，一柱状栓330垂直平面320b而延伸出基座320的平坦底面320a，以及第一与第二螺栓340、342(在其它的实施例中可增加所使用的螺栓)配置于第一与第二柱状孔350、352内，此第一与第二柱状孔350、352延伸穿过基座的底面320a。此基座的第一与第二柱状孔350、352被排列垂直于平面320b以及其内径与该第一及第二螺栓340、342的外径相对应。
基板300具有定义另一平面300b的平坦上表面300a。基板300可以下列任一原料所形成铝、铝合金、不锈钢、镍、铜、铍、钛、铝复合材料、石墨或石墨复合材料。一柱状孔302垂直于平面300b而由基板的上表面300a延伸进入基板300。螺孔304、306垂直于平面300b而由基板的上表面300a延伸进入基板。
由同步对位金属栓330与基板的孔302、基座的孔350与基板的螺孔304、以及基座的孔352与基板的螺孔306，将基座320放置于基板300上。在基座320与基板300对位的同时，栓330插入基板的柱状孔302直到基座的底面320a触碰到基板的上表面300a。随着柱状栓的插入，栓330与基板的孔302间的摩擦力将可抑制基座320以垂直于平面300a、320a的轴线旋转，以及基板的孔302与栓330间的紧密亦限制基座320在基板300上的横向位移。在插入后，分别旋入螺栓340、342于基板的螺孔350、352，由此得以至少在12.5微米的位置精度与0.075度的角度精度来耦合基座320与基板300。
图8至图11显示本发明的用以定位与耦合一光学组件310于一基座320的系统。在一实施例中，此系统以至少12.5微米的位置精度与0.075度的角度精度去定位与耦合光学组件310与基座320。如前所述，首先以工具机将一原料制成光学组件310，此原料是从铝、铝合金、不锈钢、镍、铜或铍中选出。此机械加工工艺包括在原料上形成柱状孔312、314、316、318，其中柱状孔312、314、316具有螺纹(应理解的是，可配合相对应的螺栓来增减孔的数量)。柱状栓370放置于此由机械加工制成的光学组件的柱状孔318内，使得此栓370以垂直光学组件的平坦背面310a而伸出平坦背面310a。
基座320具有一平坦前面320c以及至少孔322、324、326，此等孔322、324、326垂直于平坦前面320c而由平坦前面320c延伸进入基座。此等孔322、324、326中以至少二个完全穿过基座的厚度为佳，以及第一与第二螺栓(图未示)分别配置于基座的柱状孔322、324、326中该二个内。此第一与第二螺栓的外径与基座的孔322、324、326的内径相对应。
接下来，由同步对位此从光学组件伸出的金属栓370与基座的孔318、光学组件的螺孔312与基座的孔322、以及光学组件的螺孔314与基座的孔324，将基座320相对放置于光学组件310上。在基座320与光学组件310对位的同时，柱状栓370压入基座的柱状孔318直到光学组件的背面310a触碰到基座的前面320c。随着柱状栓370的插入，柱状栓370与基座的孔318间的摩擦力将可抑制基座320以垂直于面310a、320c的轴线旋转，以及基座的柱状孔318与柱状栓370间的紧密亦限制基座320在光学组件310上的横向位移。之后，分别旋入二螺栓(图中未示)于光学组件的螺孔312、314，由此得以至少12.5微米位置精度与0.075度的角度精度去耦合基座320与光学组件310。
图12显示一具有直角面362、364的金属光栅组件360，其可固定于一基板以及作为光谱仪100的组件。为了形成光栅组件360，一块原料(如铝、铝合金、不锈钢、镍、铜或铍)首先以机械加工形成光栅组件的面362以及垂直于面362而由面362延伸进入原料的柱状孔371，此等另一个柱状孔350用以容纳螺栓(图未示)，该等螺栓垂直于面362而由该面362进入该原料。一柱状定位栓(图未示)插入此柱状孔371，使得在插入后，此定位栓以垂直于面362而延伸出此原料。光栅组件360的第二面364可使用以环氧基树脂复制法制造。
图13显示另一光栅组件410，此光栅组件410可定位于一使用如图8至图11中所示的定位系统的基座上，以及之后可作为光谱仪100的组件。为了形成光栅组件，一块原料(如铝、铝合金、不锈钢、镍、铜或铍)首先以机械加工形成光栅组件的面420以及柱状孔411，此等柱状孔411(用以容纳螺栓(图中未示)垂直于面420而由面420延伸进入原料，另一柱状孔414用以容纳另一螺栓，此螺栓垂直于面420而由该面420进入该原料。柱状定位栓470插入此柱状孔411，使得在插入后，此定位栓470以垂直于面420而延伸出此原料。光栅组件410的第二面430可使用以环氧基树脂复制法制造。第二面430可如图13中所示与第一面420平行。在图12与图13中所示的光栅组件的另一实施例中，此第二面可以与第一面可为介于平行和垂直之间的任何角度。
最后，业界人士显然在不脱离本发明思想范畴下鉴于前文所述的实施例可做多种修改及变化。因此，可理解，本发明并不限于前述的特定实施例，此等修改及变化预期皆涵括于申请专利范围界定的本发明的精神与范围。
权利要求
1.一种红外线光谱仪，可操作于波长范围为4.5微米或4.5微米以上，包含(A)入射狭缝、准直镜、光栅及聚焦镜；及(B)二维数组侦测器，其中通过该狭缝的部分辐射沿着光径行进，在该光径中，该通过狭缝的部分辐射被该准直镜反射到该光栅上，接着该光栅反射部分辐射到该聚焦镜，而后该聚焦镜反射与聚焦部分辐射在第一聚焦面以及到该二维数组侦测器；其中该二维数组侦测器上每一行均对应到波长范围为4.5微米或4.5微米以上的某个波长，该二维数组包括复数行，其全部会对应到横跨波长范围为4.5微米或4.5微米以上的复数个波长，且其中在该二维数组侦测器上每一对相邻的行均对应到波长差相等的两波长；以及其中该入射狭缝、该准直镜、该光栅、该聚焦镜以及该第一聚焦面置放于一体积等于或小于192立方英时的尺寸内。
2.如权利要求1所述的光谱仪，其中该二维数组侦测器位于该第一聚焦面上。
3.如权利要求1所述的光谱仪，其中该二维数组侦测器位于不同于该第一聚焦面的第二聚焦面上。
4.如权利要求1所述的光谱仪，其中所有该4.5微米或4.5微米以上的波长范围介于7.5至13.5微米之间。
5.一种以至少12.5微米的位置精度与0.075度的角度精度去定位与耦合一光学组件于一基板上的方法，包含(a)以工具机将原料制成光学组件，该原料由下列群组至少其中之一选出铝、铝合金、不锈钢、镍、铜以及铍；(b)将该光学组件贴在一基座上，该基座具有一定义第一平面的平坦底面，其中一柱状栓以垂直该第一平面而伸出该基座的平坦底面，以及其中至少第一与第二螺栓配置于第一与第二柱状孔内，该等柱状孔延伸穿过该基座的该底面，此该基座的该第一与第二柱状孔被排列垂直于该第一平面以及其内径与该第一及第二螺栓的外径相对应；(c)提供一具有定义第二平面的平坦上表面的基板，其中第一柱状孔垂直于该第二平面而由该基板的该上表面延伸进入该基板，以及其中至少第二与第三螺孔垂直于该第二平面而由该基板的该上表面延伸进入该基板；(d)由同步对位该金属栓与该基板的该第一孔、该基座的该第一孔与该基板的该第二螺孔、以及该基座的该第二孔与该基板的该第三螺孔，将该基座放置于该基板上；(e)在该基座与该基板对位的同时，该柱状栓插入该基板的该第一柱状孔直到该基座的该底面触碰到该基板的该上表面，其中，随着前述插入，该柱状栓与该基板的该第一孔间的摩擦力将可抑制该基座以垂直于该第一与第二平面的轴线旋转，以及该基板的该第一孔与该柱状栓间的紧密亦限制该基座在该基板上的横向位移；以及(f)在步骤(e)后，分别旋入该第一与第二螺栓于该基板的该第二与第三螺孔，由此得以该精度来耦合该基座与该基板。
6.如权利要求5所述的方法，其中该基座的该第一与第二柱状孔包括具有第一锥形端、以及该第一与该第二螺栓具有相对应该第一锥形的第二锥形头，由此该第一与第二螺栓定位于该基座的该第一与第二柱状孔。
7.如权利要求5所述的方法，其中步骤(b)进一步包含将该柱状栓压入该基座的另一柱状孔中。
8.如权利要求7所述的方法，其中在该压入步骤前，该柱状栓的外径大于该基座上该另一柱状孔的内径。
9.如权利要求7所述的方法，其中该步骤(e)的该插入步骤包含将该柱状栓压入该基板的该第一柱状孔，以及在步骤(e)的该压入步骤前，该第一柱状栓的外径大于该基板上该第一柱状孔的内径。
10.一种以至少12.5微米的位置精度与0.075度的角度精度去定位与耦合一光学组件于一基座上的方法，包含(a)以工具机将原料制成学组件，该原料由下列群组至少其中之一选出铝、铝合金、不锈钢、镍、铜以及铍，其中该机械加工工艺包括在原料上形成至少第一、第二及第三柱状孔，以及原料的该第二与第三柱状孔具有螺纹；(b)提供一柱状栓，该柱状栓放置于该由机械加工制成的光学组件的该第一柱状孔内，其中该柱状栓以垂直该光学组件的一平坦背面而伸出该平坦背面；(c)提供一基座，该基座具有一平坦前面以及至少第一、第二与第三柱状孔，该等柱状孔垂直于该平坦前面而由该平坦前面延伸进入该基座，其中该基座的该复数个柱状孔中至少第一与第二柱状孔完全穿过该基座的厚度，该第一与第二螺栓分别配置于该基座的该第一与第二柱状孔内，该第一与第二螺栓的外径与该基座的该第一与第二柱状孔的内径相对应；(d)于步骤(b)后，由同步对位该从该光学组件伸出的金属栓与该基座的该第三孔、该光学组件的该第二螺孔与该基座的该第一孔、以及该光学组件的该第三螺孔与该基座的该第二孔，将该基座放置于该光学组件上；(e)在该基座与该光学组件对位的同时，该柱状栓压入该基座的该第三柱状孔直到该光学组件的该背面触碰到该基座的该前面，其中，随着前述插入，该柱状栓与该基座的该第三孔间的摩擦力将可抑制该基座以垂直于该前面与该背面的轴线旋转，以及该基座的该第三柱状孔与该柱状栓间的紧密亦限制该基座在该光学组件上的横向位移；以及(f)在步骤(e)后，分别旋入该第一与第二螺栓于该光学组件的该第二与第三螺孔，由此得以该精度来耦合该基座与该光学组件。
11.如权利要求10所述的方法，其中该步骤(a)中还包含在该原料上以机械加工制成第四有螺纹的柱状孔，该基座还包括第四柱状孔，该第四柱状孔垂直于该平坦前面而由该平坦前面延伸进入该基座，并且完全通过该基座的厚度，其中第三螺栓置入该基座的该第四柱状孔，该第三螺栓的外径与在该基座的第四柱状孔的内径相对应；步骤(f)中进一步包含有旋入该第四螺栓于光学组件的该第四螺孔。
12.如权利要求10所述的方法，其中于步骤(e)的该压入步骤前，该柱状栓的外径大于该基座上该第三柱状孔的内径。
13.如权利要求10所述的方法，其中步骤(b)还包含将该柱状栓压入该机械加工制成光学组件的该第一柱状孔中。
14.如权利要求10所述的方法，其中于步骤(b)该压入步骤前，该柱状栓的外径大于该机械加工制成光学组件的该第一柱状孔的内径。
15.一种用以形成整块金属光学组件的方法，包含以工具机将原料制成一整块的组件，该组件具有第一面以及与该第一面相对的第二面，其中该整块组件的该第一面系包含一光学组件，该光学组件由下列群组选出聚焦镜以及准直镜，其中该机械加工工艺被用来形成第一柱状孔，其中该第一柱状孔用以容纳一柱状定位栓，该柱状定位栓以垂直于该第二面所定义的一平面而伸出该第二面，该第二柱状孔用以容纳第一螺栓，该第一螺栓以垂直于该第二面所定义的该平面而伸出该第二面，该第三柱状孔用以容纳第二螺栓，该第二螺栓以垂直于该第二面所定义的该平面而伸出该第二面，以及其中该原料由下列群组至少其中之一选出铝、铝合金、不锈钢、镍、铜以及铍。
16.如权利要求15所述的方法，其中包含使用单点钻石车床加工去形成该整块金属光学组件的该第一与第二面。
17.如权利要求15所述的方法，其中该机械加工工艺进一步被用来形成第四柱状孔，该第四柱状孔用以容纳第三螺栓，该第三螺栓以垂直于该第二面定义的该平面而延伸出该第二面。
18.一种用以形成光栅组件的方法，包含以工具机将原料形成此光栅组件的第一面、第一柱状孔，其中该第一柱状孔垂直于该第一面由该第一面延伸进入该原料，该第二柱状孔用以容纳第一螺栓，该第一螺栓垂直于该第一面由该第一面延伸进入该原料，该第三柱状孔用以容纳第二螺栓，该第二螺栓垂直于该第一面而由该第一面延伸进入该原料；将一柱状定位栓插入该第一柱状孔，其中于插入后，该柱状定位栓以垂直于该第一面而伸出该原料；以环氧基树脂复制法制造该光栅组件的第二面，其中该第二面由黏合于该机械加工制成的原料上的树脂层所形成，以及该第二面包括一光栅；以及其中该原料由下列群组至少其中之一选出铝、铝合金、不锈钢、镍、铜以及铍。
19.如权利要求18所述的方法，其中该机械加工工艺包含使用单点钻石车床加工去形成该光栅组件的该第二面。
20.如权利要求18所述的方法，其中该插入步骤还包括将该柱状定位栓压入该第一柱状孔。
21.如权利要求19所述的方法，其中在压入步骤前，该柱状定位栓的外径大于该第一柱状孔的内径。
22.如权利要求18所述的方法，其中该光栅组件的该第一面垂直于该光栅组件的该第二面。
23.如权利要求18所述的方法，其中该光栅组件的该第一面与该光栅组件的该第二面平行。
24.如权利要求18所述的方法，其中该光栅组件的该第一面与该光栅组件的该第二面间的夹角介于零度到九十度之间。
全文摘要
一种红外线光谱仪及应用于其的元件组合及制造系统与方法，包括一入射狭缝、一准直镜、一光栅、一聚焦镜以及一第一聚焦面。通过此狭缝部分辐射沿着一光径行进，通过狭缝部分辐射会被准直镜反射到光栅上，接着此光栅反射部分辐射到聚焦镜，而后该聚焦镜会反射与聚焦部分辐射在第一聚焦面及二维数组侦测器上。二维数组侦测器中每一行均对应到波长范围为4.5微米或4.5微米以上的波长，此二维数组包括复数行，全部对应到横跨波长范围为4.5微米或4.5微米以上的复数个波长，且在此二维数组侦测器上每一对相邻的行均对应到波长差相等的两波长。入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜及第一聚焦面置放于一等于或小于192立方英吋的体积内。
文档编号G01J3/28GK1712938SQ200510076490
公开日2005年12月28日 申请日期2005年6月17日 优先权日2004年6月22日
发明者曹美为 申请人:曹美为