CN103759826B - 具有杂散光滤除构造的微型光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有杂散光滤除构造的微型光谱仪。所述的微型光谱仪包括一输入部、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过滤区段或第二过滤区段之中而被滤除。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。

Description

具有杂散光滤除构造的微型光谱仪

本申请是申请日为2010年4月19日，申请号为201080064332.6，发明名称为“具有杂散光滤除构造的微型光谱仪”的申请的分案申请。

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

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过滤区段或第二过滤区段之中而被滤除。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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显示依据本发明较佳实施例的具有杂散光滤除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侧视图；

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'：微型绕射光栅

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

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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除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侧视图。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6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24T，第二齿状结构24T与第一齿状结构22T置于相对位置。第一齿状结构22T与第二齿状结构24T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。第一及第二过滤区段22、24包括很多尖锐的齿状结构，齿状结构是用来阻挡第二光信号S2(即杂散光)，并将其导引至齿状结构之间的凹槽内，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24一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，其中角度θ为第一光讯号S1与输入部10的光轴之间的夹角，角度θ是被第一齿状结构22T所定义，角度2θ-θ是被第二齿状结构24T所定义。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S1不会进入过滤区段中，故不会被过滤区段消耗。第二光信号S2会进入过滤区段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皆可由过滤区段而消弭，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件。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。

Claims (16)

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过滤区段或所述第二过滤区段之中而被滤除；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；

其中所述杂散光滤除构造配置于所述输入部与所述微型绕射光栅之间。

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。

13.一种光谱仪，其特征在于，包含：

一输入部，用以接收一从一预设角度之范围内进入所述光谱仪内部的第一光讯号及一从所述预设角度之范围外进入所述光谱仪内部的第二光讯号；

一杂散光滤除构造，包含具有一第一齿状结构的一第一过滤区段以及具有一第二齿状结构的一第二过滤区段，上述第一齿状结构与上述第二齿状结构用以阻挡所述第二光讯号；

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讯号并将所述第一光讯号分离成复数个光谱分量；以及

一光传感器，接收被所述微型绕射光栅所分离的光；

其中所述杂散光滤除构造配置于所述输入部与所述微型绕射光栅之间。

14.如权利要求13所述的光谱仪，其特征在于，所述第一过滤区段与所述第二过滤区段具有多个三角形凹口，而第二光讯号进入其中一所述三角形凹口中经过多次反射而耗弱。

15.一种光谱仪，其特征在于，包含：

一输入部；

一微型绕射光栅，接收通过所述输入部的一第一光讯号，并将所述第一光讯号分离成复数个光谱分量；

一杂散光滤除构造，包括具有至少一第一齿状结构的一第一过滤区段以及具有一第二齿状结构的一第二过滤区段，上述第一齿状结构与上述第二齿状结构用以阻挡所述光谱分量中超出一预设角度之外的光，并使所述光谱分量中落于所述预设角度之内的光通过；以及

一光传感器，接收通过所述杂散光滤除构造的光；

其中所述杂散光滤除构造配置于所述微型绕射光栅与所述光传感器之间。

16.如权利要求15所述的光谱仪，其特征在于，所述第一过滤区段与所述第二过滤区段具有多个三角形凹口，而所述光谱分量中超出所述预设角度之外的光进入其中一所述三角形凹口中经过多次反射而耗弱。