专利名称：：光学系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种新颖的绕射光栅，尤其涉及一种使用于光学系统的绕射光栅。
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，光谱仪中的光栅(grating)是用来分散多频辐射源(multi-frequencyradiation)的元件。这类仪器被广泛的应用在解决复杂的难题并且获取准确的结果。目前这类仪器在使用上有以下问题(l)体积非常庞大，因此价格昂贵且只能在固定位置使用；(2)在进行宽带的光谱测量时，需要耗费大量时间；(3)必须谨慎的操作仪器，因此通常需要技巧熟练的操作人员。美国专利号5,550,375提出了一项用来测量气体的红外线光谱感测仪100，如图1所示，包括一个具有反射式光栅110的微型结构，一个多频红外线辐射源120，以及用以接收固定波长红外线的接收器130。然而，此红外线光谱感测仪只能测量较狭窄的光谱波长范围，若欲进行多成份分析，则光谱信号会在数个不同波长被吸收，非仅限于红外光区域，则此种光谱感测仪的应用即有所限制。同步光谱仪(simultaneousspectrometers)200也是用来侦测辐射源的装置，如图2所示，其包含的元件有一个入射狭缝(entranceslit)220、一个可形成全像(hologmphic)的凹面(concave)光栅210以及一个光电二极管阵列侦测器(photodiodearmy)230。以上元件的放置位置是固定且无法移动的，但具有高精密度以及光学能量效率良好等可靠的优点。光电二极管阵列侦测器在此类光谱仪的应用有很大限制，原因是光电二极管阵列侦测器是由大量单晶组成的平坦表面，但此种同步光谱仪的聚焦成像点却是曲面的分布，更准确的说法是聚焦成像点会分布在罗兰圆(Rowlandcirde)上。因此同步光谱仪的最佳应用方法之一是让罗兰圆的半径加大，则成像点的分布会近似于线性平面分布，此种设计需要耗费大量空间，并且需要大型的侦测器；另一种解决方法如美国专利号6，005，661所示，使用了大量光纤，将聚焦在罗兰圆上的不同波长信号分别导出，此种方法可以配合光电二极管阵列侦测器，但是利用光纤导出聚焦信号，会造成能量损失以及分辨率下降的问题。一个可以产生线性输出的绕射光栅对光学系统而言是较好的选择，如图3A所示，美国专利号4,695,132以及4,770,517提出了一种激光扫描系统300,利用一个或多个fB镜片310将四散的光线聚焦在线性输出平面320上；如图3B所示，美国专利号6,650,413则是披露一项光谱仪301，使用了绕射光栅311，并利用准直器(collimator)313与校正镜片(correctinglense)315的组合将输出的光谱分量聚焦在一个影像平面321，并在影像平面上呈现fsin(e)分布。然而，以上所叙述的发明仍然是复杂的系统，也都无法使光学系统微小化达到可携式的目的。
发明内容本发明的目的是提出一种应用在光学系统中的绕射光栅，可用以使全波段的光谱分量(包括红外光、可见光以及紫外光)，依波长呈线性分布在影像平面上，并且拥有良好的影像质量。本发明的另一目的是提出一种构造简单、可使体积微小化达到可携式效果的光学系统。本发明的又一目的是提出一种可大量制造，使制造成本下降，并适合长期使用的光学系统。根据以上目的，本发明提供的是一种光学系统，包括输入部，用以接收光学信号，预先设定的输出面；以及绕射光栅，绕射光栅具有绕射表面，绕射表面具有第一轮廓，第一轮廓是由多个点组成，各个点是由不同的方程式所决定，用以将来自输入部的光学信号分离成多个光谱分量，且各个光谱分量会聚焦在预先设定的输出面。图1为已有技术的红外线光谱感测仪剖面图图2为己有技术的同步光谱仪示意图图3A为已有技术的激光扫描系统示意图图3B为已有技术的光谱仪示意图图4本发明一较佳实施例的光学系统剖面图图5本发明一较佳实施例的光学系统示意图图6本发明一较佳实施例的光学系统示意图图7本发明一较佳实施例的绕射光栅示意图图8为绕射光栅轮廓比较图图9实验系统示意图图10A本发明一较佳实施例的光迹追踪图图IOB-D本发明一较佳实施例的光谱图图11A本发明一较佳实施例的光迹追踪图图11B-D本发明一较佳实施例的光谱图图12A比较例的光迹追踪图图12B-D比较例的光谱图主要元件标记说明10光学信号100红外线光谱感测仪110反射式光栅120多频红外线辐射源130接收器200同步光谱仪210凹面光栅220入射狭缝230光电二极管阵列侦测器300激光扫描系统301光谱仪310伤镜片311绕射光栅313准直器315校正镜片320线性输出平面321影像平面400光学系统410绕射光栅412绕射表面414第二轮廓420输入部430预先设定的输出面440基板445内部空间450盖体610绕射光栅615第一轮廓Gl-3光栅D侦测器具体实施例方式为达成上述功效与目的，本发明所采用的目的、构造技术特征以及其功效，兹绘图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能如后所列，优点完全明了。请参考图4与图5，根据本发明的一较佳实施例，提供光学系统400，此光学系统400的组成包括了基板(baseplate)440、盖体(cover)450、输入部420、预先设定的输出面430、以及绕射光栅410。基板440与盖体450之间形成一个内部空间445，基板440与盖体450之中具有多个间隔件(spacer)(图中未示出)，可支撑内部空间，且可使该基板440与盖体450之间维持所需距离。根据本发明一较佳实施例，绕射光栅410设置在基板440上，绕射光栅410具有绕射表面412，此绕射表面412面对内部空间445。输入部420通常是狭缝，光学信号10通过狭缝后进入内部空间445;输入部420亦可是光纤的末端，光学信号10通过光纤传输，到达光学系统400的内部空间。根据本发明一较佳实施例，该光学系统的输入部为狭缝并结合光纤，利用光纤将光学信号10传输，从光纤末端通过该狭缝进入该光学系统400。绕射表面412大致上呈现凹面状，具有第一轮廓，第一轮廓是由多个点所组成，这些点的位置是各自由不同的光学路径方程式(opticalpathequatkm)所导出，这个方程式的代表式为F=F^G)￥，是多项式展开式，其中的参数包括上述这些点预先决定的垂直间隔、入射狭缝宽度、入射光径长度、入射角度、绕射角度、绕射光径长度、光谱分量分辨率、最大解析波长、最小解析波长、绕射级数以及预先设定的输出面等。如图6所示，根据本发明一较佳实施例，绕射光栅610具有第一轮廓，第一轮廓615由多个P点所构成，P点的坐标由《，o),l)表示，其中《，co，1分别为P点于x，y,z坐标轴的分量，其中设定Po的坐标为(O，0，0);有一单一波长的光学信号A，其在xy平面的投影点A'与PQ的距离r为入射光径长、A'、Po的联机与x坐标轴的夹角为入射角cx;此光学信号A通过Po后会到达预先设定的输出面的Bo点，Bo在xy平面的投影点B'与P。的距离r'为绕射光径长度、B，及Po的联机与x坐标轴的夹角为绕射角p。将r、r'、ct、|3、预期光栅宽度、预期分辨率、预期量测波长范围、入射狭缝宽度等参数代入光径方程式F=F#0)￥，可以推算组成第一轮廓的多个P点之多个方程式，并且进一步求得该第一轮廓的坐标位置。绕射表面412具有周期性结构的第二轮廓414。根据本发明一较佳实施例，第二轮廓414为锯齿状的周期性结构，锯齿的顶端具有固定角度，且锯齿顶端投影的垂直间隔d为光栅间距(gmtingpitch)。本发明一较佳实施例如图7所示，是等距离光栅间距，亦可以是不等距(variable)的光栅间距，此第二轮廓414由多个三角形所构成，这些三角型顶端的联机构成第一轮廓。这些三角型可以是全等三角型或相异三角形，角度经过计算，可使特定绕射阶数的绕射效率达到最佳化。根据本发明一较佳实施例，如图5所示，其中的绕射光栅410是反射式光栅，将进入光学系统400的光学信号10分离成多个光谱分量(spectralcomponent)如20、22、24，每个光谱分量具有不同的波长，这些光谱分量会聚焦在预先设定的输出面，并且呈现线性分布。在聚焦的情况下，光谱分量在预先设定的输出面上所呈现的半高波宽(FWHM，fullwidthathalfmaximum),会小于或等于预设的波长分辨率。预定的输出面是平坦表面，亦可是任意几何形状，例如圆弧面或是波浪表面。在输出面上放置侦测器，可接收聚焦的光谱分量信号。侦测器是光感侦测器，包括光电二极管阵列侦测器(photodiodearray),例如电荷耦合器(CCD，charge-coupleddevice)或互补式金属-氧化层-半导体(CMOS，ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)。本发明较具体的实施例如下所示实施例1提供光栅G1，其表面轮廓如图9所示。实验条件如图8所示，入射狭缝宽度s^62.5pm、入射角度=75°、入射光径长度r,=30mm、绕射级数m-2、光栅间距d:3pm、光栅Gl放置于坐标轴x上、平面侦测器D与x轴的夹角e为69,3°。图10A所示为光迹追踪软件Tmcepro3.22版本测试光栅G1在此条件下的绕射情形。图10B、图10C、图10D分别为侦测器D对360nm、550nm、720nm附近的分辨率测试结果，可以发现光栅Gl在此三个波长范围皆可达到2nm的分辨率。实施例2提供光栅G2，其表面轮廓如图9所示。实验条件如图8所示，入射狭缝宽度sf62.5pm、入射角度(x^75。、入射光径长度n=30mm、绕射级数m-2、光栅间距d-3iam、光栅G2系放置于坐标轴x上、平面侦测器D与x轴的夹角e为80.5。。图11A所示为光迹追踪软件Tracepro3.22版本测试光栅G2在此条件下的绕射情形。图11B、图11C、图11D分别为侦测器D对360nm、550nm、720nm附近的分辨率测试结果，可以发现光栅G2在此三个波长范围亦可达到2nm的分辨率。比较例1提供光栅G3，其表面轮廓如图9所示，为符合罗兰圆设计的光栅。实验条件如图8所示，入射狭缝宽度s!-62.5fim、入射角度a^75。、入射光径长度n=30mm、绕射级数111=2、光栅间距d-3nm、光栅G2系放置于坐标轴x上、平面侦测器D与x轴的夹角为73.64°。图12A所示为光迹追踪软件Tracepro3.22版本测试光栅G3在此条件下的散射情形。其分辨率测试如图12B-12D所示，在波长360nm附近的分辨率不佳、在550nm附近可以达到完美分辨率，在720nm附近的分辨率仅约4nm左右。实验结果数据比较如表1所示，其中Oe为侦测器D与波长550nm光谱分量的夹角、r2为反射光径长度，本发明提供的实施例l及实施例2，反射光径长度在8-12mm之间，实施例3的罗兰圆光栅G3则是需要80-105mm之间的反射光径长度。这样的结果证明，本发明无需广大空间，可适用于微型化的光学系统。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表1是以，本发明的绕射光栅应用于光学系统，此绕射光栅根据预先决定的波长范围来进行设计，因此可使用在全波段的光谱分析(包括x射线、紫外光、可见光以及红外光)。本光学系统即适用于多成分化合物的光度测定分析，可以获得完整的量测数据。本发明的绕射光栅应用于光学系统，可将光学信号分离成多个光谱分量，在无需加长光径的情况下，使光谱分量聚焦在线性平面上，包括了分光(dispersion)以及聚焦(foucusing)两项功能，因此可取代准直器(collimator)与校正镜片(correctinglenses)。援此，本光学系统的元件数量降低，并达到微小化效果，可用在可携式的光学仪器。根据本发明一较佳实施例，该光学系统可使用半导体制程制成微小的结构，其中绕射光栅可使用光刻电铸模造(LithographyElectroformingMicroMolding)或是微机电方法(microelectromechanical)制造，如此一来不但可达高度的精确性，且可大量制造，使制造成本下降，并适合长期使用。以上所述仅为本发明之较佳实施例，非因此即局限本发明的权利要求，故凡运用本发明说明书及图示内容所为额简易修饰及等效结构变化等，均应同理包含于本发明的权利要求内，阖先叙明。权利要求1.光学系统，包括输入部，用以接收光学信号；预先设定的输出面，以及绕射光栅；其特征为该绕射光栅用以将该输入部接收之的该光学信号分离成多个光谱分量，且各个光谱分量皆会聚焦在该预先设定的输出面。2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征为该预先设定的输出面是平坦表面。3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征为这些光谱分量是线性分布在该预先设定的输出面。4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征为另包含至少一个侦测器设于该预先设定的输出面上，用以侦测该预先设定的输出面上的这些光谱分量。5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征为该侦测器是光感侦测器°6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征为该输入部是狭缝。7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征为该输入部是光纤末端。8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征为该绕射光栅是反射式光栅°9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征为该绕射光栅具有大致呈凹面的绕射表面。10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征为该绕射光栅具有绕射表面且该绕设表面具有锯齿状轮廓。11.光学系统，包括用以接收光学信号的输入部；预先设定的输出面；以及绕射光栅，用以使该输入部接收的该光学信号分离成多个光谱分第一轮廓是由多个点所组成，上述这些点的位置各自由不同的方程式所导出，因此使得每个光谱分量都会聚焦在该预先设定的输出面上。12.根据权利要求11所述的光学系统，其特征为上述这些点的方程式是将该各点预先决定的垂直间隔、分辨率、最大解析波长、最小解析波长、绕射级数、入射狭缝宽度以及该预先设定的输出面的方程式代入路径方程式F=F^wY而得，其中W、l为坐标参数。13.根据权利要求11所述的光学系统，其特征为该绕射表面具有锯齿状第二轮廓，且该锯齿的顶端形成该第一轮廓。14.根据权利要求13所述的光学系统，其特征为该锯齿的顶端具有固定角度。15.光学系统，包含基板；设于该基板上方的盖体，该盖体与该基板之间形成内部空间；绕射光栅元件，具有绕射表面面对该内部空间；输入部，设于该光学系统用以接收光学信号；预先设定的输出面设于该光学系统；其中该绕射光栅元件用以使从该输入部接收的该光学信号分离成多个光谱分量；其特征为该绕射光栅具有绕射表面，该绕射表面具有第一轮廓，该第一轮廓是由多个点所组成，上述这些点的位置各自由不同的方程式所导出，因此使得每个光谱分量都会聚焦在该预先设定的输出面上。16.根据权利要求15所述的光学系统，其特征为另包含多个间隔件夹置在该基板与该盖体之中。17.根据权利要求15所述的光学系统，其特征为该绕射光栅设置于该基板上。全文摘要本发明提供的是一种光学系统，包括输入部，用以接收光学信号，预先设定的输出面；以及绕射光栅，绕射光栅具有绕射表面，绕射表面具有第一轮廓，第一轮廓是由多个点组成，各个点是由不同的方程式所决定，用以将来自输入部的光学信号分离成多个光谱分量，且各个光谱分量会聚焦在预先设定的输出面。文档编号G01J3/00GK101295050SQ20071009756公开日2008年10月29日申请日期2007年4月27日优先权日2007年4月27日发明者柯正浩申请人:柯正浩