CN104089701B - 光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种光学系统和反射型绕射光栅。该光学系统包括输入部、预设输出面及反射型绕射光栅。输入部用以接收光学信号，且反射型绕射光栅包括多数个绕射结构及为非圆弧面的光栅轮廓曲面。绕射结构用以将光学信号分离为多数个光谱分量，且绕射结构分别以多个光栅间距设置于光栅轮廓曲面上。至少部份的光栅间距互为不同，使得光谱分量以实质上垂直于预设输出面的方式射向预设输出面。光栅轮廓曲面用以将光谱分量聚焦于该预设输出面。

Description

光学系统

技术领域

本发明是有关于一种光学系统，且特别是有关于一种具反射型绕射光栅的光学系统。

背景技术

物质的组成通常可以用诸多的方法将其分解、离析，以了解其组成的成分，例如矿石的组成、水源所包含的化合物等。上述的分解、离析等，都属于破坏性的检测，一般是依需求进行必要的检测过程。相反地，光谱分析仪则是属于一种非破坏性的检测仪器，其主要是利用光反射的原理，以及物质内组成结构对光不同频段的反射、吸收或穿透程度不同的差异，按照波长排列，不同物质会显现个别特征的光谱，进而得到物质的原子、分子等的能阶结构、化学键性质等多方面物质结构的知识，进而得以辨认物质的成分组成及特性。

请参照图1，图1绘示为传统光谱分析仪的示意图。当光源810所产生的光线900经狭缝820射入光谱分析仪800之后，在自由空间之中射向一准直面镜830使光线转为平行光并射向一平面光栅840。经由光栅840的绕射结构842分光后的光线再由聚焦镜850聚焦后，射向光学传感器860以检测不同波长的光强度的大小，以产生对应的影像。然而，上述传统光谱分析仪使用的是一平面光栅，需要准直面镜与聚焦镜的配合才能使光线精确的被分光与聚焦，光学元件间需要精确的对位，不仅复杂且使用元件数量过多，经常因为些微的震动就造成光学元件间对位移动，制造与维修成本因此都过高，使用上至为不便，也不利于将光谱分析仪微小化以达到可携式的目的。

发明内容

本发明有关于一种光学系统。光学系统包括输入部、预设输出面及反射型绕射光栅。输入部用以接收光学信号。反射型绕射光栅包括光栅轮廓曲面及多个绕射结构，且绕射结构用以将光学信号分离为多个光谱分量。多个绕射结构分别以多个光栅间距(Pitch)设置于光栅轮廓曲面上，且至少部份光栅间距互为不同，根据实际光学仿真，依此原则设计的反射型绕射光栅可以使得光谱分量以实质上垂直于预设输出面的方式射向预设输出面。光栅轮廓曲面将光谱分量聚焦于预设输出面。

本发明有关于一种反射型绕射光栅。反射型绕射光栅包括光栅轮廓曲面及多个绕射结构，且绕射结构用以将光学信号分离为多个光谱分量。多个绕射结构分别以多个光栅间距(Pitch)设置于光栅轮廓曲面上，且至少部份光栅间距互为不同，根据实际光学仿真，依此原则设计的反射型绕射光栅可以使得光谱分量以实质上垂直于预设输出面的方式射向预设输出面。光栅轮廓曲面将光谱分量聚焦于预设输出面。

所谓「实质上垂直」是针对多个光谱分量中的中心波长处而言，使该中心波长处的光谱分量以垂直于预设输出面的方式射向预设输出面，并使其它光谱分量在预设输出面上聚焦时具有一小于一默认值的较佳像差分辨率。根据传统的罗兰圆(Rowlandcircle)理论，经过一个具有固定光栅间距与圆弧形光栅轮廓曲面的光栅绕射后的光线，将会聚焦在圆弧上而非一个任意的或较易实施的预设输出面上，并且绕射后的光线与聚焦圆弧切线间几乎不可能成垂直或接近垂直的相交。基于对罗兰圆理论的认知，我们了解若要使绕射光线与预设输出面成实质上垂直的关系，必须开放光栅的设计条件，容许光栅间距为非固定、以及光栅轮廓曲面为非圆弧面，通过光学仿真的方式寻找非固定的光栅间距与非圆弧面的光栅轮廓面，使绕射光线可以实质上垂直于预设输出面的方式射向预设输出面，如此不仅绕射效率会更好，预设输出面也可以不必是难以具体实施的罗兰圆上的圆弧，而可以是一个容易具体实施的其它输出面，例如一平面上的一直线，则此一绕射光栅将具有非常高的价值。

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，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1绘示为传统光谱分析仪的示意图。

图2绘示为依照本发明实施例的一种光学系统。

图3绘示为绕射原理的示意图。

图4绘示为依照本发明实施例的一种反射型绕射光栅。

图5绘示为像差(aberration)的示意图。

图6绘示为一仿真的区域光栅R_kP₀(local grating)的像差特性曲线的示意图。

图7绘示为区域光栅R_kP₀所形成的像差分辨率特性曲线的示意图。

图8绘示为中央轮廓点P₀与参考点R₁₁至R_1m的示意图。

图9绘示为参考点R₁₁至R_1m与中央轮廓点P₀的联机所形成的区域光栅R₁₁P₀至R_1mP₀的像差特性曲线的示意图。

图10绘示为区域光栅R₁₁P₀至R_1mP₀的像差分辨率特性曲线的示意图。

图11绘示为中央轮廓点P₀、参考点R₁₁至R_1m、参考点R₂₁至R_2n及参考点R₃₁至R_3p的示意图。

图12绘示为参考点R₂₁至R_2n与中央轮廓点P₀的联机所形成n个仿真的区域光栅R₂₁P₀到R_2nP₀的像差特性曲线的示意图。

图13绘示为n个仿真的区域光栅R₂₁P₀到R_2nP₀的像差分辨率特性曲线的示意图。

图14绘示为中央轮廓点P₀、参考点R₁₁至R_1m、参考点R₂₁至R_2n、参考点R₃₁至R_3p、参考点R₄₁至R_4q及参考点R₅₁至R_5r的示意图。

图15绘示为中央轮廓点P₀、轮廓点P₁及轮廓点P₂的示意图。

图16绘示为中央轮廓点P₀、轮廓点P₁、轮廓点P₂及绕射结构的示意图

图17绘示依照本发明实施例的一种光学系统的立体分解图。

图18绘示光线于图17光学系统的光通道中行进的示意图。

图19绘示图17中消光元件的消光机制的示意图。

【主要元件符号说明】

10：光学系统

12：输入部

14：反射型绕射光栅

16、860：光学传感器

52：偏离光学信号

120：上波导板

122：第一反射面

130：下波导板

132：第二反射面

270：第一消光元件

270a、272a：侧边

272：第二消光元件

162：预设输出面

142：光栅轮廓曲面

144：绕射结构

200、400(1)～400(m)、600(1)～600(n)：像差特性曲线

300、500(1)～500(m)、700(1)～400(n)：像差分辨率特性曲线

611～61m、711～71n：特性曲线

800：传统光谱分析仪

810：光源

820：狭缝

830：准直面镜

840：光栅

850：聚焦镜

900：光线

A：光点

d0～d2：光栅间距

d0’：初始距离

L、50：光学信号

L1～Ln：光谱分量

P₀：中央轮廓点

P₁、P₂、P₃：轮廓点

R_k、R₁₁～R_1m、R₂₁～R_2n、R₃₁～R_3p、R₄₁～R_4q、R₅₁至R_5r：参考点

y1、y2：位置

△y’、△y’(h)、△y’(w)：像差

α：入射角

β：反射角

θ：角度

△λ_A：像差分辨率

△x1、△x2、△y1、△y2、△y3：距离

具体实施方式

下述实施例有关于一种光学系统及其反射型绕射光栅。光学系统包括输入部、预设输出面及反射型绕射光栅。输入部用以接收光学信号，且反射型绕射光栅包括光栅轮廓曲面及多个绕射结构。绕射结构用以将光学信号分离为多个光谱分量，且绕射结构分别以多个光栅间距(Pitch)设置于该光栅轮廓曲面上。至少部份的光栅间距互为不同，使得光谱分量以实质上垂直于预设输出面的方式射向预设输出面。绕光栅轮廓曲面用以将光谱分量聚焦于该预设输出面。上述所谓「实质上垂直」是针对多个光谱分量中的中心波长处而言，使该中心波长处的光谱分量以垂直于预设输出面的方式射向预设输出面，并使其它光谱分量在预设输出面上聚焦时具有一小于一默认值的较佳像差分辨率。

请同时参照图2、图3及图4，图2绘示为依照本发明实施例的一种光学系统，图3绘示为绕射原理的示意图。图4绘示为依照本发明实施例的一种反射型绕射光栅。光学系统10例如为光谱分析仪，且光学系统10包括输入部12、反射型绕射光栅14及光学传感器16。输入部12例如为狭缝或光纤末端，并用以接收光学信号L。光学传感器16包括预设输出面162，预设输出面162是各波长光线绕射后的各预设聚焦点的联机，并非一个实体的物体，预设输出面162例如为一平面上的一直线，且例如为电荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)或互补式金属-氧化层-半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)的光学影像接收面。

反射型绕射光栅14包括光栅轮廓曲面142及多个绕射结构144。绕射结构144用以将光学信号L分离为光谱分量L1至Ln，且光谱分量的个数至少大于3。光谱分量L1至Ln分别包括一特定波长范围内的所有光线，且特定波长范围可根据光学系统10的分辨率来决定。举例来说，若光学系统10的分辨率为1.5纳米(nm)，则光谱分量L1可包括一个1.5纳米(nm)波长范围的所有光线，例如包括400纳米(nm)至401.5纳米(nm)的所有光线，如此则光谱分量L2即包括波长范围为401.5纳米(nm)至403纳米(nm)的光线，以此类推。光谱分量L1至Ln于预设输出面162所呈现的半高全宽(Full Widthat Half Maximum,FWHM)的分辨率小于一默认值。绕射结构144并不局限于某种特定形状，绕射结构144可以例如为三角形、圆形、椭圆形或方形。为方便说明起见，图4绘示的绕射结构144的形状以相似三角形为例说明。绕射结构144分别以多个光栅间距(Pitch)设置于光栅轮廓曲面142上。至少部份的光栅间距互为不同，使得光谱分量L1至Ln以实质上垂直于预设输出面162的方式射向预设输出面162。互不相同的光栅间距的个数可视实际设计予以调整，为方便说明起见，图4绘示仅以3个互不相同的光栅间距d0至d2为例说明。

前述光栅轮廓曲面142用以将光谱分量L1至Ln聚焦于预设输出面162。光栅轮廓曲面142进一步包括多个轮廓点，为方便说明起见，图4绘示仅以轮廓点P₀至P₃表示。而后序将进一步介绍如何决定光栅轮廓曲面142的轮廓点位置，以达到可以使光谱分量L1至Ln以实质上垂直于预设输出面162的方式射向预设输出面162的目的。光栅间距d0至d2分别即为由轮廓点P₀至P₁、P₁至P₂及P₂至P₃的线段长度。

由于本发明的反射型绕射光栅14包含有光栅轮廓曲面与绕射结构，所以兼具分光及聚焦的功能，因此可取代传统光学系统中的准直面镜与聚焦镜，进而减少光学系统10中元件的使用数量以及复杂的对位问题。此外，由于光谱分量L1至Ln实质上垂直射向预设输出面16，因此，将可获得较佳的光学感测品质。

请参照图5、6及7，图5绘示为像差(aberration)的示意图，图6绘示为一参考点R_k与中央轮廓点P₀的联机所形成的一个仿真的区域光栅R_kP₀(local grating R_kP₀)的像差特性曲线的示意图，图7绘示为区域光栅R_kP₀的像差分辨率(aberration inducedspectral resolution)特性曲线的示意图。中央轮廓点P₀为前述光栅轮廓曲面142的中心点，参考点R_k是光学仿真与调整过程中暂时选择的下一个轮廓点，当一单一波长光线从一已知的入射角α射向以P₀与R_k联机的线段长度为光栅间距的仿真的区域光栅R_kP₀时，绕射后在预设聚焦面上的聚焦位置可能会与一理想的聚焦点有一像差。当不同波长光线从一已知的入射角α射向以不同参考点与中央轮廓点P₀所形成仿真的区域光栅的绕射之后，则各仿真的区域光栅各自会造成不同的像差特性曲线，其中所谓理想的聚焦点是指，一单一波长光线从一已知的入射角α，射向一个光栅间距的值为一初始距离d0’的仿真光栅的中央轮廓点P₀时，根据光栅公式(Grating Equation)计算所得的绕射角度β与预设聚焦面的交点位置。举例来说，假设有一单一波长光线A1其波长为λ1，理想上应射至预设输出面162的位置y1。然而，依绕射原理该单一波长光线A1经仿真的区域光栅R_kP₀绕射后，以光栅公式计算仿真之，实际上却射至预设输出面162的位置y2。位置y2与位置y1间的距离即称为像差△y1’(aberration)。相似地，假设该单一波长光线A1的波长为λ2，经仿真的区域光栅R_kP₀绕射后，也会对应地形成像差△y2’。将λ1至λn等不同波长的入设光线所对应的像差△y’值在坐标面上连接起来即形成图6区域光栅R_kP₀的像差特性曲线200。

前述像差△y’可经由光栅公式(Grating Equation)推得像差分辨率(aberration induced spectral resolution)其中，光栅间距d0为区域光栅R_kP₀的光栅间距；绕射角β为该假设的单一波长光线A1经区域光栅R_kP₀绕射后的角度，其为λ的函数；λ为A1的波长；m为绕射阶数；距离r’为A1的绕射光线由区域光栅R_kP₀绕射至预设输出面162的距离。在光栅间距d0、绕射角β、波长λ、绕射阶数m及距离r’已知的前提下，每一个像差△y’值都能通过光栅公式找出对应的像差分辨率△λ_A。换言的，图6绘示的像差特性曲线200通过光栅公式可以进一步转换为图7绘示的像差分辨率特性曲线300。

为使使光谱分量L1至Ln以实质上垂直于预设输出面162的方式射向预设输出面162，首先需如图3中根据绕射基本原理，选定待分光的光谱分量L1至Ln中的一中心波长光线、择定一入射角、并依下述方式选定一初始距离d0’作为绕射基本原理中的一个固定间距的光栅的间距，代入光栅公式即可得到该中心波长光线的绕射角β。得到中心波长光线的绕射角β之后，即可将预设输出面设定在与该中心波长的绕射光线相垂直的角度上，回头开放光栅的设计条件，容许变动光栅间距为非固定、并容许变动光栅轮廓曲面，通过光学仿真寻找反射型绕射光栅14的光栅轮廓曲面142上的轮廓点所在位置，使所有波长的入射线经过仿真后的光栅的绕射之后，都可得到一小于一预定值的较佳的像差分辨率。反射型绕射光栅14的光栅轮廓曲面142上的轮廓点所在位置可以从中央轮廓点P₀为基准点出发，通过光学仿真反复调整光栅间距与区域的光栅轮廓(local grating profile)，寻找出像差分辨率△λ_A小于一预定值的位置点作为较佳的次一轮廓点P₁所在位置，再从轮廓点P₁为基准点出发，以同样的光学仿真反复调整光栅间距与区域的光栅轮廓，寻找出像差分辨率△λ_A小于一预定值的位置点作为较佳再次一个的轮廓点P₂所在位置，如此重复，直到反射型绕射光栅14的光栅轮廓曲面142被不同光栅间距的区域光栅轮廓布满为止，如此求得的反射型绕射光栅14将会是以光学仿真法所能求得的较佳光栅，其与一假想上应该实质垂直射向预设输出面162的理想光栅间具有小于一预定值的像差分辨率。

以下说明如何反复调整光栅间距与区域光栅轮廓。首先说明光学仿真与调整过程中暂时选择的轮廓点—即参考点R_ij的符号意义，其中的指示符号i代表第i次的调整，指示符号j代表第j个参考点，因此R_ij即代表第i次调整时所选择的多个参考点中的第j个。

请同时参照图8、图9及图10，图8绘示为中央轮廓点P₀与参考点R₁₁至R_1m的示意图，图9绘示为参考点R₁₁至R_1m与轮廓点P₀的联机所形成的仿真的区域光栅R₁₁P₀至R_1mP₀的像差特性曲线的示意图，图10绘示为仿真的区域光栅R₁₁P₀至R_1mP₀的像差分辨率特性曲线的示意图。前述光栅轮廓曲面142的中央轮廓点P₀为光栅轮廓曲面142的中心点，为了决定前述光栅轮廓曲面142的次一轮廓点P₁，通常先从纵向上离中央轮廓点P₀一初始距离d0’的一个参考点出发。

需说明的是，初始距离d0’通常可由制程极限决定，寻找P₁时选择的初始距离d0’的等级(order)会决定最后每一个光栅结构144的光栅间距的等级，若初始距离d0’大约是数微米的等级，以光学仿真决定的每一个光栅结构144的光栅间距就大约也是数微米的等级，一般不会是数十微米的等级，然而初始距离d0’也是一个跟一光学系统的整体分辨率(total spectral resolution)相关的参数，较小的初始距离d0’值理论上可以得到较佳的整体分辨率，但是制程上是否可以做出那样微小的光栅会是个问题，因此仿真上会迁就制程极限，选择一个制程极限上可以达成的最小等级的初始距离d0’值来作为寻找P₁时选择的第一个距离值。以目前的半导体蚀刻制程技术来说，制作以半导体基底材料作为材质的绕射光栅所面临的制程极限约为数微米，因此选择数微米的初始距离d0’值会是实际上较可行的，到了次微米等级虽然整体分辨率表现可能较佳，但已经是现有半导体蚀刻技术很难控制得很好的程度了。

因此，光学仿真可以选择从纵向上离中央轮廓点P₀一初始距离d0’的位置作为起始基准点，于通过该基准点与x轴平行的横向上尝试选择m个参考点R₁₁至R_1m，参考点R₁₁至R_1m的选择方式可以是从基准点出发互相距离一固定距离的m个点，后续的仿真也可以用相同方式选择该次仿真的多个参考点，但上述的固定距离可以在一次次的仿真间逐渐缩小以因应最终收敛的现象或做其它适当的变动。参考点R₁₁至R_1m与中央轮廓点P₀所连成的m条线段长度各别代表光学仿真时的一个仿真的区域光栅(local grating)R₁₁P₀到R_1mP₀的光栅间距，根据光栅公式，该m个仿真的区域光栅R₁₁P₀到R_1mP₀分别会造成m个不同程度的像差，将不同波长的光线所造成的像差值记录下来即会形成如图9所绘示的△y’(h)的m条像差特性曲线400(1)至400(m)，而区域光栅R₁₁P₀到R_1mP₀所对应的像差特性曲线400(1)至400(m)通过光栅公式可以进一步转换为图10绘示的像差分辨率特性曲线500(1)至500(m)。

为了获得较佳的聚焦效果，可由像差分辨率特性曲线500(1)至500(m)中找出一较佳的像差分辨率特性曲线500(i)，并选择形成像差分辨率特性曲线500(i)的参考点R_1i做为区域较佳的参考点，上述所谓较佳的像差分辨率的定义，可以简单的根据各波长的像差分辨率的和来比较，或是简单的从所有小于一默认值的特性曲线中挑选一个，或是另外设定一判断标准后依该标准来选择。选定R_1i做为第一次仿真的区域较佳的参考点后，后续可以再以R_1i为基准点进行第二次光学仿真与调整，在通过参考点R_1i的纵轴方向上选择n个参考点R₂₁到R_2n加以仿真，以相同方法选择一具有较佳的像差分辨率的另一个区域较佳参考点R_2j，再换成以R_2j为基准点进行第三次光学仿真与调整，继续重复相同的方法分别在横向与纵向上变动参考点的位置，持续选择一具有较佳的像差分辨率的最新区域较佳参考点，直到收敛为止。

请同时参照图11、图12及图13，图11绘示为中央轮廓点P₀、参考点R₁₁至R_1m、参考点R₂₁至R_2n及参考点R₃₁至R_3p的示意图，图12绘示为参考点R₂₁至R_2n与中央轮廓点P₀的联机所形成n个仿真的区域光栅R₂₁P₀到R_2nP₀的像差特性曲线的示意图，图13绘示为n个仿真的区域光栅R₂₁P₀到R_2nP₀的像差分辨率特性曲线的示意图。当区域较佳的参考点R_1i找到后，继续以参考点R_1i为基准点进行第二次光学仿真与调整，并于通过参考点R_1i的纵轴方向上尝试选择n个参考点R₂₁至R_2n。需说明的是，由于参考点R_1i本身也有可能是参考点R₂₁至R_2n中的一个参考点，因此为方便说明起见，在图11绘示中以参考点R_1i同时为参考点R₂₁为例说明。

相似地，n个仿真的区域光栅R₂₁P₀到R_2nP₀所形成的像差△y’(w)如图11所绘示，且n个仿真的区域光栅R₂₁P₀到R_2nP₀所对应的像差特性曲线600(1)至600(n)通过光栅公式可以进一步转换为图12绘示的像差分辨率特性曲线700(1)至700(n)。为了获得较佳的聚焦效果，可由像差分辨率特性曲线700(1)至700(n)中找出一较佳的像差分辨率的特性曲线700(j)，并选择形成像差分辨率特性曲线700(j)的参考点R_2j为区域较佳参考点。

跟着，再以参考点R_2j为基准点进行第三次光学仿真与调整，并于通过参考点R_2j的横轴方向上尝试选择p个参考点R₃₁至R_3p。需说明的是，由于参考点R_2j本身也有可能是参考点R₃₁至R_3p中的一个参考点，因此为方便说明起见，在图11绘示中以参考点R_2j同时为参考点R_3v为例说明。相似地，根据参考点R₃₁至R_3p与中央轮廓点P₀的联机所形成的p个仿真的区域光栅R₃₁P₀到R_3pP₀也能找出对应的p数条像差特性曲线，将这些像差特性曲线通过光栅公式可以进一步转换为p数条像差分辨率特性曲线。为了获得较佳的聚焦效果，可由这多条像差分辨率特性曲线中找出一较佳的像差分辨率的特性曲线，并选择形成此像差分辨率特性曲线的参考点R_3k为区域较佳参考点。

请参照图14、图15及图16，图14绘示为中央轮廓点P₀、参考点R₁₁至R_1m、参考点R₂₁至R_2n、参考点R₃₁至R_3p、参考点R₄₁至R_4q及参考点R₅₁至R_5r的示意图，图15绘示为中央轮廓点P₀、轮廓点P₁及轮廓点P₂的示意图，图16绘示为中央轮廓点P₀、轮廓点P₁、轮廓点P₂及绕射结构的示意图。

当区域较佳的参考点R_3k找到后，继续以参考点R_3k为基准点进行第四次光学仿真与调整，并于通过参考点R_3k的纵轴方向上尝试选择q个参考点R₄₁至R_4q。需说明的是，由于参考点R_3k本身也有可能是参考点R₄₁至R_4q中的一个参考点，因此为方便说明起见，在图14绘示中是以参考点R_3k同时为参考点R_4s为例说明。相似地，根据参考点R₄₁至R_4q与中央轮廓点P₀的联机所形成的q个仿真的区域光栅R₄₁P₀到R_4qP₀也能找出对应的q数条像差特性曲线，将这些像差特性曲线通过光栅公式可以进一步转换为q条像差分辨率特性曲线。为了获得较佳的聚焦效果，可由这多条像差分辨率特性曲线中找出一较佳的像差分辨率的特性曲线，并选择形成此像差分辨率特性曲线的参考点R_4t为区域较佳参考点。

跟着，再以参考点R_4t为基准点进行第五次光学仿真与调整，并于通过参考点R_4t的横轴方向上尝试选择r个参考点R₅₁至R_5r。需说明的是，由于参考点R_4t本身也有可能是参考点R₅₁至R_5r中的一个参考点，因此为方便说明起见，在图14绘示中是以参考点R_4t同时为参考点R_5u为例说明。相似地，根据参考点R₅₁至R_5r与中央轮廓点P₀的联机所形成的r个仿真的区域光栅R₅₁P₀到R_5rP₀也能找出对应的r数条像差特性曲线，将这些像差特性曲线通过光栅公式可以进一步转换为r条像差分辨率特性曲线。为了获得较佳的聚焦效果，可由这多条像差分辨率特性曲线中找出一较佳的像差分辨率的特性曲线，并选择形成此像差分辨率特性曲线的参考点R_5r为区域较佳参考点。

通过反复地重复上述步骤，将可发现参考点横向及纵向可调整的距离会越来越小而有逐渐收敛的趋势，当参考点在横向及纵向可调整的距离逐渐减少至一默认值时，则将此参考点做为光栅轮廓曲面142上的轮廓点P₁，其后再以P₁为寻找P₂的出发点，根据上述设定参考点反复仿真与调整方法，找出较佳的下一个轮廓点P₂。而光栅轮廓曲面142上的其它轮廓点也可通过上述相同的方式来决定。当前述光栅轮廓曲面142上的所有轮廓点决定后，即可在两两轮廓点的线段上布上相似三角形、方形或其它适当结构来形成绕射结构144，而所有轮廓点的联机则为光栅轮廓曲面本身。如此一来，即能实现上述反射型绕射光栅14。

需附带说明的是，根据实际仿真结果，最后择定的轮廓点P₁的位置事实上会非常接近甚至等于纵轴上离中央轮廓点P₁一初始距离d0’的位置点，其原因是图5中的理想聚焦点y1就是以一个光栅间距等于初始距离d0’的仿真光栅代入光栅公式得到的，因此当以上述纵轴上离中央轮廓点P₁一初始距离d0’的位置点作为仿真的起始点时，那一点几乎就是像差最小的收敛点。然而，当越往光栅轮廓曲面的外围寻找轮廓点时，像差值就有越大的趋势，最后收敛处就也会有离前一个轮廓点越远的趋势，以半导体蚀刻制程在以硅为基底的材质上刻制光栅结构为例，若d0’选择2.5微米，则P₀跟P₁的距离大约就是2.5微米，但最外围的光栅结构的光栅间距可能会达3到4微米甚至更大。

本发明的反射型绕射光栅因具有一非平面的光栅轮廓曲面以及互不相等的光栅间距，传统以精密的钻石刀在平面式的金属或玻璃表面上刻制绕射结构的方法，变得不再适合，其原因至少包含钻石刀难以变动刻制的间距以及难以在非平面的物质表面操作，因此本发明的反射型绕射光栅较适当的制程与材质的选择会是以半导体基底材料(例如硅或三五族半导体材料)为其材质，以蚀刻方式在晶圆垂直面上往下蚀刻出光栅轮廓曲面与光栅结构，之后再从晶圆上切割出来。

请参照图17、图18及图19，图17绘示依照本发明实施例的一种光学系统的立体分解图，图18绘示为光线于图17光学系统的光通道中行进的示意图，图19绘示为图17中消光元件的消光机制的示意图。前述光学系统10进一步更可包括上波导板120、下波导板130、第一消光元件270与第二消光元件272。

下波导板130实质上平行于上波导板120设置。上波导板120具有第一反射面122，而下波导板130具有与第一反射面122相对的第二反射面132。第一反射面122与第二反射面132之间形成光通道140，使来自于输入部12的光学信号50如图18所示在光通道140内行进。上述第一反射面122与第二反射面132间形成的光通道140一般为空腔式，有别于光线在光纤中传送所采用的全反射原理，本发明将光学信号限制在该些反射面间反复反射而向前传送，但亦可填满适当的介质(例如玻璃、塑料、或压克力等)供光学信号在当中反复反射而向前传送、同时防止落尘或其它污染物累积在上下波导板之上而影响波导板的平整度与反射率。

前述上波导板120与下波导板130必须具有良好的平整度与反射率，才可使光学信号50在上波导板120与下波导板130之间行进时，达到最低的损耗与最佳的光源集中效果。因此，上波导板120及下波导板130的材质例如是不锈钢、硅芯片、玻璃、光盘片或硬盘片。此外，如果上波导板120及下波导板130所使用的材料反射率未达所需的标准，可在第一反射面122与第二反射面132上分别设置一层高反射膜以解决此问题，较佳地高反射膜的材料为铝膜。

为了防止第一反射面122与第二反射面132的表面随着时间发生氧化、锈蚀、粗糙等情形，而降低反射面表面的平整度与反射率，可在第一反射面122与第二反射面132的高反射膜上分别设置第一保护膜与第二保护膜，保护膜的材料例如是二氧化硅。

图1绘示的传统光谱分析仪800其光线于内部腔体传送，很可能有发散而造成光信号太弱致受到杂散光过度干扰的问题，而且传统光谱分析仪800占用的体积较大。通过使光学信号50于光通道140行进，可使得光学系统10的光线更为集中，不易发散，可以有效地提高光学系统的效率。此外，由于本实施例的光学系统10还可以另外加上第一消光元件270与第二消光元件272，因而较不会受到杂散光的影响，故更可让光学传感器16产生更精确的影像，当对应影像传给后级电路时，后续以不同波长的光强度进行光学信号所代表的物理或生化意义的判断的正确度可以更加提高。

第一消光元件270与第二消光元件272的横切面的一侧边呈锯齿状，该些锯齿状侧边面向光通道140。例如第一消光元件270的侧边270a与第二消光元件272的侧边272a面向光通道140。第一消光元件270与第二消光元件272分别配置于光通道140的两侧，用以吸收从输入部12射出的射出角度大于一特定角度的光学信号。举例来说，此特定角度例如为角度θ，其与第一消光元件270与第二消光元件272的锯齿状结构相关。假设偏离光学信号52的行进角度大于角度θ。当偏离光学信号52的行进角度大于角度θ时，偏离光学信号52可能会射入锯齿状结构的其中一个三角形凹口中。消光元件的锯齿状结构可以让如图19中的偏离光学信号52在锯齿状结构的凹口中来回反射而耗弱。如此一来，原本会造成杂散光信号的偏离光学信号52皆可由锯齿状结构而消弭，进而使所欲得到的光谱分量更为清楚分明。

本发明上述实施例所揭露的微型光谱仪的光学机构，规范从输入部进入的光学信号，于上下波导板之间的光通道中行进，如此可让光学信号更为集中且不易发散。再搭配上锯齿状的消光元件更可让入射角度过大的光学信号被消弭，进而减少到达影像撷取元件的杂散光，使得所欲得到的光谱分量不会受到杂散光的干扰，得到更清晰的影像。

本发明上述实施例所揭露的光学系统，具有多项优点，以下仅列举部分优点说明如下：

一、减少光学系统中元件的使用数量。

二、使光谱分量可以实质上垂直于一预设输出面，以获得较佳的光学感测品质。

三、使光学信号可以集中在一波导中传送、并将杂散光滤除，配合上述可以使光谱分量垂直于一预设输出面的光栅设计即成为一完美的光学系统。

综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当以权利要求所界定的为准。

Claims (11)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

一输入部，用以接收一光学信号；

一预设输出面；以及

一反射型绕射光栅，包括：

一光栅轮廓曲面，该光栅轮廓曲面为非圆弧面；以及

多个绕射结构，用以将该光学信号分离为多个光谱分量，该些绕射结构分别以多个光栅间距(Pitch)设置于该光栅轮廓曲面上，至少部份的该些光栅间距互为不同，使得该些光谱分量以实质上垂直于该预设输出面的方式射向该预设输出面；

一上波导板，具有一第一反射面；以及

一下波导板，实质上平行于该上波导板设置，并具有一第二反射面，该第一反射面与该第二反射面相对，该第一反射面与该第二反射面之间形成一光通道，使来自于该输入部的该光学信号在该光通道内行进。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该些光谱分量的个数至少大于3。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该预设输出面为一平面上的一直线。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该预设输出面为一电荷耦合元件(Charge Couple Device,CCD)的一光学影像接收面。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该预设输出面为一互补式金属-氧化层-半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)的一光学影像接收面。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该反射型绕射光栅的光栅轮廓曲面与绕射结构刻制于一半导体基底材料上。

7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，该半导体基底材料为硅。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该上波导板及该下波导板的材质为不锈钢、硅芯片、玻璃、光盘片或硬盘片。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该光通道为空腔式。

10.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，该光通道更以玻璃或塑料填满。

11.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，更包括一第一消光元件与一第二消光元件分别配置于该光通道的两侧，该第一消光元件与该第二消光元件的横切面的一侧边呈锯齿状，该些锯齿状侧边面向该光通道，用以吸收射出角度大于一特定角度的该光学信号。