CN101382666A - 光学系统及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学系统及其制造方法，该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，包括绕射表面，用以将该输入部接收的该光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在该预先设定的输出面，其中该绕射表面由光微影工艺形成。根据本发明的制造光学系统的方法，包括：提供基板；设置盖体于该基板上；提供输入部，用以接收光学信号；定义预先设定的输出面；以及配置绕射光栅元件于该光学系统，该绕射光栅包括绕射表面，用以将该输入部接收的该光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在该预先设定的输出面，其中该绕射表面由光微影工艺形成。本发明的光学系统可大量制造，并适合长期使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学系统，特别是涉及一种运用光微影技术的光学系统制造工艺。
背景技术
辐射源的光度测定(photometry)通常利用光谱仪(spectrometer)来进行测量，光谱仪中的光栅(grating)是用来分散多频辐射源(multi-frequency radiation)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：(1)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。
美国专利第5,550,375号提供了一种用来测量气体的红外线光谱感测仪100，如图1所示，包括具有反射式光栅110的微型结构，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，该红外线光谱感测仪只能测量较狭窄的光谱波长范围，如果要进行多成分分析，则光谱信号会在多个不同波长被吸收，而不是仅限于红外光区域，则此种光谱感测仪的应用即受限制。
同步光谱仪(simultaneous spectrometers)200也是用来检测辐射源的装置，如图2所示，其包括的元件有：入射狭缝(entrance slit)220、可形成全像(holographic)的凹面(concave)光栅210以及光电二极管阵列检测器(photodiode array)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。光电二极管阵列检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检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，更准确地说是聚焦成像点会分布在罗兰圆(Rowland circle)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，并且需要大型的检测器；另一种解决方法如美国专利第6,005,661号所描述，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检测器，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。
对光学系统而言可以产生线性输出的绕射光栅是较好的选择，如图3A所示，美国专利第4,695,132以及4,770,517号提供了一种激光扫描系统300，利用一个或多个fθ镜片310将发散的光线聚焦在线性输出平面320上；如图3B所示，美国专利第6,650,413号则揭露了一种光谱仪301，使用了绕射光栅311，并利用准直器(collimator)313与校正镜片(correcting lense)315的组合将输出的光谱分量聚焦在一个图像平面321，并在图像平面上呈现f sin(θ)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以实现可携式的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用在光学系统中的绕射光栅，其由光学微影制成，可使体积微小化以实现可携式效果的光学系统。
本发明的另一目的在于提供一种可大量制造，使制造成本下降，并适合长期使用的光学系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种光学系统，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，包括绕射表面，用以将该输入部接收的该光学信号分离成多个光谱分量(spectral component)，并且各个光谱分量都会聚焦在该预先设定的输出面，其中该绕射表面由光微影工艺形成。
根据本发明的光学系统，其中还包括至少一个检测器，其设置在该预先设定的输出面上，用以检测该预先设定的输出面上的该光谱分量。
根据本发明的光学系统，其中该检测器为电荷耦合器件(CCD，charge-coupled device)检测器。
根据本发明的光学系统，其中该检测器为互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)检测器。
根据本发明的光学系统，其中组成该绕射光栅的材质选自由第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料以及金属组成的组。
根据本发明的光学系统，其中该绕射表面为反射式绕射表面。
根据本发明的光学系统，其中该反射式绕射表面是在该绕射光栅上镀上至少一层金属薄膜而形成的。
根据本发明的光学系统，其中该反射式绕射表面是在该绕射光栅上气相沉积至少一层金属薄膜而形成的。
根据本发明的光学系统，其中该反射式绕射表面是在该绕射光栅上镀上至少一层金属薄膜而形成的，其中金属薄膜选自由银、金、铝、铂、钛以及镍组成的组。
根据本发明的光学系统，其中该输入部为狭缝。
根据本发明的光学系统，其中该狭缝由光微影工艺形成。
根据本发明的光学系统，其中该狭缝由模制成形制成。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光学系统，包括：基板(base plate)；盖体(cover)，设置在该基板上，与该基板形成一内部空间；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，包括绕射表面，用以将该输入部接收的该光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在该预先设定的输出面，其中该绕射表面由光微影工艺形成。
根据本发明的光学系统，其中还包括至少一个间隔件(spacer)，其夹置在该基板与该盖体之间。
根据本发明的光学系统，其中还包括至少一个遮光元件(lightshielding element)，设置于该基板与该盖体之间。
根据本发明的光学系统，其中该输入部为至少一条狭缝。
根据本发明的光学系统，其中组成该基板的材质选自由第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料以及金属组成的组。
根据本发明的光学系统，其中组成该盖体的材质选自由第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料以及金属组成的组。
根据本发明的光学系统，其中该基板面对该内部空间面，覆盖第一反射层。
根据本发明的光学系统，其中该第一反射层由至少一层金属薄膜构成。
根据本发明的光学系统，其中构成该第一反射层的材质选自由银、金、铝、铂、钛以及镍组成的组。
根据本发明的光学系统，其中该盖体面对该内部空间面，覆盖第二反射层。
根据本发明的光学系统，其中该第二反射层由至少一层金属薄膜构成。
根据本发明的光学系统，其中构成该第二反射层的材质选自由银、金、铝、铂、钛以及镍组成的组。
根据本发明的光学系统，其中在该绕射表面还包括第三反射层。
根据本发明的光学系统，其中该第三反射层是在该绕射光栅上镀上至少一层金属薄膜而形成的。
根据本发明的光学系统，其中该光学系统的外部还包括壳体。
根据本发明的光学系统，其中该壳体具有非反射性的内部表面。
根据本发明的光学系统，其中该壳体具有可吸光的内部表面。
根据本发明的光学系统，其中该壳体包覆该光学系统。
根据本发明的光学系统，其中还填充一液体于该内部空间，该液体的反射率大于该基板、该盖体与该绕射光栅的反射率。
根据本发明的又一个方面，提供了一种制造光学系统的方法，包括：提供基板；设置盖体于该基板上；提供输入部，用以接收光学信号；定义预先设定的输出面；以及配置绕射光栅元件于该光学系统，该绕射光栅包括绕射表面，用以将该输入部接收的该光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在该预先设定的输出面，其中该绕射表面由光微影工艺形成。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中还包括形成至少一个间隔件于该基板或该盖体之一。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该形成间隔件的步骤利用光微影工艺制成。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该形成间隔件的步骤是在该基板或该盖体上涂覆一层光阻剂，接着使光阻剂图案化，再使光阻剂固化形成间隔件。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该形成间隔件的步骤是模制成形。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中还包括形成至少一个凹槽(recess)于该绕射光栅。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该形成凹槽的步骤利用光微影制程。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该形成凹槽的步骤为模制成形。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中还包括形成至少一个第一定位件，该定位件对应于该间隔件，设置在另一该基板或该盖体。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该设置盖体的步骤是通过该第一定位件与该间隔件的配合实现的。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中还包括形成至少一个第二定位件，该第二定位件对应于该凹槽，设置于至少该基板与该盖体之间之一。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该配置绕射光栅元件的步骤是通过该凹槽与该第二定位件的配合而实现的。
附图说明
图1为现有技术的红外线光谱感测仪的剖面图；
图2为现有技术的同步光谱仪示意图；
图3A为现有技术的激光扫描系统示意图；
图3B为现有技术的光谱仪示意图；
图4为本发明优选实施例的光学系统的剖面图；
图5为本发明优选实施例的光学系统的示意图；
图6为本发明优选实施例的绕射光栅的示意图；
图7为本发明优选实施例的绕射光栅形成示意图；
图8为本发明优选实施例的光学系统的剖面图；
图9为本发明优选实施例的设置盖体示意图；
图10为本发明优选实施例的绕射光栅示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征以及优点更显而易见，下文特举优选实施例，并结合所附附图，作详细说明如下。
参照图4和图5，根据本发明的优选实施例，提供了一种光学系统400，该光学系统400包括：基板440、盖体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形成一内部空间445，绕射光栅410设置在基板440上，绕射光栅410具有一绕射表面412，该绕射表面412面对内部空间445。
绕射光栅410具有一绕射表面412，用以将进入光学系统400的光学信号10分离成多个光谱分量如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，full width at half maximum)，会小于或等于预设的波长分辨率。
如图6所示，绕射光栅410的绕射表面412具有周期性的结构414，该周期性结构由光微影工艺形成。如图7所示，将设计好的周期性结构图形制作成光罩72，应用光学成像的原理，来自曝光光源70发出的光线80会穿透光罩72的透明区域，光线80继续透过透镜74，则光线80会与基质(substrate)76表面上事先涂抹的光阻剂发生反应，也就是曝光。接着对基板上曝光与未曝光的光阻剂进行化学处理，就可以使光罩72上的图形转移至基质76上，绕射表面412的周期性结构因此形成。光微影工艺中所用的基质76可以选用第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料或金属。
绕射表面412为反射式绕射表面，可以选用气相沉积、溅镀、蒸镀、抛光或电镀等方式在绕射光栅上镀上一层金属薄膜，而此金属薄膜的材质可以是银、金、铝、铂、钛或镍。
输入部420通常是一狭缝，光学信号10通过狭缝后进入内部空间445；输入部420也可以是光纤的末端，由纤核(fiber core)形成，光学信号10经由光纤传输，到达光学系统400的内部空间。狭缝可以经由上述光微影工艺方式形成，也可以使用模制成型(molding)制作。
预定的输出面为一平坦表面，也可以是任意几何形状，例如圆弧面或波浪表面。在输出面上放置检测器，可接收聚焦的光谱分量信号。检测器是光感检测器，包括光电二极管阵列检测器(photodiode array)，例如电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体。
如图8所示，根据本发明优选实施例的光学系统500，包括基板540、盖体550与绕射光栅510，基板540与盖体550之间形成一个内部空间545，其中基板与盖体的材质可以相同或不同，通常选自第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料或金属等材质。
基板540与盖体550之中具有多个间隔件560，可支撑内部空间，并且可使该基板540与盖体550之间维持所期望的距离。基板540与盖体550之中具有多个遮光元件570，可以用来遮蔽不必要的光线。
间隔件560与遮光元件570可利用模制成型或光微影工艺形成于基板540或盖体550之中，其中利用光微影工艺形成间隔件的步骤是，首先在基板540或盖体550之中涂覆一层光阻剂，接着使光阻剂图案化，再接着使光阻剂固化，即可形成间隔件560。间隔件除了可以单独设置外，也可在上述的另一基板540或盖体550之中设置与间隔件560(562)相对应的第一定位件580(582)，如图9所示，当欲将盖体550设置于基板540上时，需通过第一定位件580(582)与间隔件560(562)的配合与引导。
如图10所示，在绕射光栅510与基板540或盖体550的接触面设置至少一个凹槽514，并在基板540或盖体550与绕射光栅510的接触面设置至少与上述凹槽相对应的第二定位件(未示出)，当欲将绕射光栅510与基板或盖体接合时，需通过凹槽与第二定位件的引导。
基板540与内部空间545的接触面上覆盖至少一层第一反射层，第一反射层通常是金属材质，特别是银、金、铝、铂、钛或镍。盖体540与内部空间545的接触面上覆盖至少一层第二反射层，第二反射层通常是金属材质，特别是银、金、铝、铂、钛或镍。
绕射光栅510具有绕射表面512，绕射表面512上覆盖至少一层第三反射层，第三反射层的形成是将金属镀在绕射表面512上，形成金属薄膜。在内部空间545的接触面上覆盖一层第二反射层，反射层通常是金属材质，特别是银、金、铝、铂、钛或镍。
第一反射层、第二反射层或第三反射层之一优选实施例的组成是，50nm的钛/200nm银/1μm二氧化硅。
光学系统500的外部设置有壳体590，壳体590具有内部表面592，内部表面必须是非反射性的表面，或者是可吸光的表面，如此可避免外来光源影响到光学系统500的运行。
光学系统500的内部空间545可以充满空气或是填充适当的液体，该液体的反射率必须大于基板、盖体、光栅的反射率。
根据本发明的优选实施例，提供一种制造光学系统的方法，该方法包括以下步骤：提供基板并在该基板上设置盖体；提供用以接收光学信号的输入部；定义预先设定的输出面；以及配置绕射光栅，绕射光栅具有利用光微影工艺形成的绕射表面。
根据本发明提供的一种制造光学系统的方法，另外在基板或盖体其中之一形成至少一个间隔件；在另一基板或盖体形成至少一个第一定位件，并且设置盖体的步骤通过间隔件与第一定位件的配合而实现。
根据本发明提供的一种制造光学系统的方法，另外在绕射光栅上与基板或盖体其中之一的接触面形成至少一个凹槽；在基板或盖体与绕射光栅的接触面形成至少一个第二定位件，并且配置绕射光栅的步骤是通过凹槽与第二定位件的配合而实现的。
因此，本发明的绕射光栅被应用于光学系统，该绕射光栅利用光微影工艺形成，可达到高度的精确性，并且体积微小化，可大量制造使成本降低。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非限制本发明的保护范围，因此凡运用本发明说明书以及图示内容所作的简易修饰及等同替换等，均应包含在本发明的保护范围内。
主要组件符号说明
10 光学信号
20、22、24 光谱分量
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 面光栅
220 射狭缝
230 光电二极管阵列检测器 300 雷射扫描系统
301 光谱仪 310 fθ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
500 光学系统 510 绕射光栅
540 基板 545 内部空间
550 盖体 560 间隔件
562 间隔件 570 遮光元件
580 第一定位件 582 第一定位件
590 壳体 592 内部表面。
Claims (32)
1.一种光学系统，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，包括绕射表面，用以将所述输入部接收的所述光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在所述预先设定的输出面，其中，所述绕射表面由光微影工艺形成。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，还包括至少一个检测器设于所述预先设定的输出面上，用以检测所述预先设定的输出面上的所述光谱分量。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述检测器为电荷耦合器件检测器或互补金属氧化物半导体检测器。
4.根据权利要求2所述的光学系统，其中，组成所述绕射光栅的材质选自由第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料以及金属组成的组。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述绕射表面为反射式绕射表面。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述反射式绕射表面是在所述绕射光栅上镀上至少一层金属薄膜而形成的。
7.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述反射式绕射表面是在所述绕射光栅上镀上至少一层金属薄膜而形成的，所述金属薄膜选自由银、金、铝、铂、钛以及镍组成的组。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述输入部为狭缝。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述狭缝由光微影工艺形成或模制成形制成。
10.一种光学系统，包括:
基板；
盖体，设置在所述基板上，与所述基板形成一内部空间；
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，包括绕射表面，用以将所述输入部接收的所述光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在所述预先设定的输出面，其中所述绕射表面由光微影工艺形成。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，还包括至少一个间隔件，其夹置在所述基板与所述盖体之间。
12.根据权利要求10所述的光学系统，其中，还包括至少一个遮光组件，设置于所述基板与所述盖体之间。
13.根据权利要求10所述的光学系统，其中，组成所述基板或所述盖体的材质选自由第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料以及金属组成的组。
14.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述基板面对所述内部空间面覆盖第一反射层。
15.根据权利要求14所述的光学系统，其中，所述第一反射层由至少一层金属薄膜构成，构成所述第一反射层的材质选自由银、金、铝、铂、钛以及镍组成的组。
16.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述盖体面对所述内部空间面覆盖第二反射层。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其中，所述第二反射层由至少一层金属薄膜构成，构成所述第二反射层的材质选自由银、金、铝、铂、钛以及镍组成的组。
18.根据权利要求10所述的光学系统，其中，还包括第三反射层在所述绕射表面。
19.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述第三反射层是在所述绕射光栅上镀上至少一层金属薄膜而形成的，构成所述第三反射层的材质选自由银、金、铝、铂、钛以及镍组成的组。
20.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述光学系统的外部还包括壳体，所述壳体包覆所述光学系统。。
21.根据权利要求20所述的光学系统，其中，所述壳体具有非反射性或可吸光的内部表面。
22.根据权利要求10所述的光学系统，其中，还填充一种液体于所述内部空间，所述液体的反射率大于所述基板、所述盖体与所述绕射光栅的反射率。
23.一种制造光学系统的方法，所述方法包括:
提供基板；
设置盖体于所述基板上；
提供输入部，用以接收光学信号；
定义预先设定的输出面；以及
配置绕射光栅元件于所述光学系统，所述绕射光栅包括绕射表面，用以将所述输入部接收的所述光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在所述预先设定的输出面，其中所述绕射表面由光微影工艺形成。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，还包括在所述基板或所述盖体之一形成至少一个间隔件。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述形成间隔件的步骤利用光微影工艺。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述形成间隔件的步骤是在所述基板或所述盖体上涂覆一层光阻剂，接着使光阻剂图案化，再使光阻剂固化形成间隔件。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，所述形成间隔件的步骤是模制成形。
28.根据权利要求23所述的方法，其中，还包括在所述绕射光栅形成至少一个凹槽。
29.根据权利要求24所述的方法，其中，还包括形成至少一个第一定位件，所述定位件对应于所述间隔件，设置在另一所述基板或所述盖体。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述设置盖体的步骤是通过所述第一定位件与所述间隔件的配合而实现的。
31.根据权利要求28所述的方法，其中，还包括形成至少一个第二定位件，所述第二定位件对应于所述凹槽，设置于至少所述基板与所述盖体其中之一。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述配置绕射光栅元件的步骤是通过所述凹槽与所述第二定位件的配合而实现的。
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