CN104792697A - 透镜色差式光谱测量装置及光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

一种透镜色差式光谱测量装置及光谱测量方法。一种光谱测量装置(1)，其包括光吸收系统(2)及像散检测系统(3)，其中该光吸收系统(2)可接收由光源(5)所发出的具有不同波长的光线，并将该光线依据其不同的波长聚焦于不同焦点位置，通过光吸收系统(2)的该光线进一步被导入该像散检测系统(3)以进行对该光线的光谱测量。

Description

透镜色差式光谱测量装置及光谱测量方法

技术领域

本发明涉及一种透镜色差式光谱测量装置及使用该装置进行一种光谱测量的方法。

背景技术

光谱仪或分光仪是将成分复杂的光分解为光谱线的设备，再通过仪器的显示和分析，经常被用于比对分析物品中所含有的元素等成分。习知光谱仪或光谱测量技术皆属分光光谱式，主要是将光源发出的光线通过色散元件，其中所含有的不同波长的光线可依该色散元件的光学特性，而被分开排列在不同位置，最后再借助检测所分出的各波长的光线位置，辨别各该光线的波长。

图1显示习知的棱镜式光谱仪，其使用棱镜6将入射光线分成不同波长在不同位置的出射光线。图2显示习知的光栅式光谱仪，其利用光栅7将入射光线分成不同波长在不同位置的出射光线。此二例中的元件61及71检知被分成在不同位置的出射光线，为光检测元件。

虽然因为工艺技术的提升，得以制造出超密像素与超高解析能力的光检测元件，使光谱仪的检测能力得以提升，但利用色散元件(如棱镜或光栅)的分光机制在光谱检测上仍有一定的极限。虽可借助导光或将成像位置拉远等方式以放大分光后的各不同波长的光线的相对位置，但这些方式却会同时引入复杂的光学噪声，或增加该光检测装置的体积。另一种提升各不同波长的光线的相对位置的分辨率的方案，是借助改变光栅线宽来达到更好的分光效果，然其制造上有相当的困难度，且成本更高。

又，针对棱镜与光栅两种色散元件的光学极限的限制，进一步发展出法布里-珀罗干涉式(或干涉法)光谱仪，其对于所测量的光线拥有极高的色散率，因而可得到极高的光谱分辨能力，但该光谱仪需使用较为复杂的光学系统元件及电子电路设备以实现其强大的光谱检测能力，因此价位很高。

此外，美国专利US 7,483,135B2揭露一种用于共焦光谱仪的像散式光圈(Astigmatic Aperturing)，有别于以往采用共焦技术的聚焦透镜搭配光圈(针孔)的方法，其利用像散透镜对于横轴与纵轴具有不同放大率的特性并搭配针孔，成功地使待测光线聚焦到两个不同的聚焦平面上，可更有效的滤除离焦光线，并有助于针孔位置的置放与孔径大小的安排，以利后端单色仪的分光与判断，但其未直接利用光学像散的方法进行光谱的分色与检测。又，2011年由郑仲翔等人所发表的“应用于工具机误差检测之多自由度雷射光学尺研制”论文中揭露：利用光栅与一维光检测器的简易设置，将其安装于半导体激光的出光处可定量测量到半导体雷射的波长变动量(约10-6)，且进而达到检测与回授控制波长的功能，但其分辨率则受限于维光检测器的解析能力与激光光点大小等问题。又如，2013年由Jason K.Streit等人发表的“Chromatic aberration short-wave infrared spectroscopy:Nanoparticle spectra without a spectrometer”(Anal.Chem.,Vol.85,pp1337-1341)揭露：利用一般荧光显微镜对于短波长红外线(SWIR)具有相当严重的透镜色差缺陷，进行纳米碳管表面的检测，其机制即是利用不同波长对于同一物镜具有不同的聚焦位置，最后借助影像装置判断聚焦深度的不同，来判断纳米碳管表面的特性。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种透镜色差式光谱测量装置，其相较于现有的光譜检测装置可大幅提升对于不同波长的光线的辨别能力，且不必通过复杂的电子处理与计算即可轻易达成；其利用一般光学透镜对不同波长的入射光具有不同焦点的特性，再配合像散检测元件对于不同焦点的离焦讯号具有超高灵敏度的特点，进而可大幅提升对于光谱的解析能力至10^-3纳米(pm)以下的等级。

本发明的另一目的为提供一种透镜色差式光谱测量装置，其具有高度的可靠性、体积微小化、高经济效益、高准确度及其本身装置构造简单等优势。

为此，本发明的光谱测量装置包括光吸收系统及像散检测系统，其中光吸收系统由针孔与色差聚焦透镜所组成，其可接收由光源所发出的具有不同波长的光线并将该光线依据其不同的波长聚焦于不同焦点位置，之后，该光线进一步导入像散检测系统以进行对该光线的光谱测量，其中该像散检测系统由聚焦透镜、导光透镜组、像散透镜及光学检测器所组成。

就本案发明的光谱测量装置与上述2011年郑仲翔等人的文献所揭露者比较，该文献所使用的检测机制为“传统光栅式光谱仪检测技术”，而本案发明使用“透镜色差式的技术”，两者所使用的分光元件不同，且本案发明较易实现且成本与工艺的难易度皆大幅降低。

又，就本案发明的光谱测量装置与上述Jason K.Streit等人的文献所揭露者比较，其中最大的差异在于两者所使用的讯号检测装置的不同；Jason K.Streit等人使用CCD等影像装置而借助判断光斑大小来计算出聚焦位置，然其灵敏度受限于CCD本身的解析能力，因此需要较为复杂的影像辨识软件；而本案发明利用像散法的检测机制构成，其单纯靠电压变化即可得到聚焦点的变异情形，如此则较为直觉且容易分析与处理。

本发明的特征可通过以下具体实施方式所揭示的实施例及附图而更容易理解。

附图说明

图1为先前技术的棱镜式光谱仪的示意图；

图2为先前技术的光栅式光谱仪的示意图；

图3显示本发明的光谱测量装置的立体示意图；

图4显示本发明的色差聚焦透镜对于入射光线的色散技术示意图；

图5为光线经色差聚焦透镜后的波长变化对应焦点位置的关系曲线图的示例；

图6为光检测器依像散法所得的焦点位置与电压的关系曲线图的示例；及

图7显示光检测器测得650nm与790nm两种不同波长的光所对应的二焦点的距离差(△f)的位移讯号图的示例。

具体实施方式

图3显示本申请的透镜色差式光谱测量装置的实施例。

光谱测量装置1主要包括光吸收系统2及像散检测系统3。光吸收系统2是由针孔21及色差聚焦透镜23所构成，而像散检测是统3是由聚焦透镜31、导光镜组33、像散透镜35及光检测器37所构成。

如图3所示，由待测光源5所发出的具有不同波长的光线，进入本发明的光谱测量装置1的光吸收系统2，穿过针孔21的光线入射并通过色差聚焦透镜23；其中，该色差聚焦透镜23可为具有任意焦点或任意数值孔径(N.A.)的一般光学透镜、球透镜或聚焦透镜等等，其中一个实用例为数值孔径0.4的透镜，详见以下说明。

该入射的光线通过色差聚焦透镜23后，即因光学色差原理(请参图4，即光学上，透镜无法将各种波长的光都聚焦在同一点上的现象；因为透镜对不同波长的光线有不同的折射率，而发生的“色散现象”)，使该光线依据其所具有的不同波长而分别在不同的位置上聚焦。而该光线的不同波长与其对应的聚焦的焦点位置的关系如下：

$\frac{1}{f}=[(B+\frac{C}{{\mathrm{\λ}}^2})-1]\×P_{\mathrm{Lens}}$

其中，f表示色差聚焦透镜23的焦距，可由此焦距得出实际光束焦点的位置；B与C为柯西方程式(Cauchy's equation)的透镜材料系数；λ代表入射光的波长；P_Lens代表该色差聚焦透镜的透镜常数。举例而言，采用数值孔径0.4的塑料非球面透镜作为色差聚焦透镜23，其有效焦距为0.33毫米；图5显示此种采用色差聚焦透镜23时，光线的不同波长及其所对应聚焦焦点位置的关系曲线图。图3中的F为各个波长的光线的不同聚焦焦点位置所形成的聚焦区域的示意。

在该光线通过色差聚焦透镜23并依其不同的波长而在对应不同位置聚焦之后，随即进入光谱测量装置1的像散检测系统3；该光线经由聚焦透镜31与导光透镜组33，而被导引往像散透镜35。其中，如图3所示，导光透镜组33包括有反射镜331、准直透镜333及分光镜335。

关于像散透镜35，其具有不同的纵向及横向放大曲率，故对于不同聚焦位置的光线将产生不同的成像光斑，造成像差；此种像差可为该光检测器37所检测出，因此推算出不同波长光线的聚焦焦点位置，进一步推算得到各光线的不同波长的讯息。其中，光检测器37可为任意的光电转换元件，例如，光电检知放大整合电路，判断上是利用不同焦点位置对于光检测器将会获得不同的电压值；如图6所示，其显示使用光电检知放大整合电路作为光检测器37所得到的焦点位置与电压关系的曲线图，其中分别显示有远焦(Far focus)、正焦(Focus)及近焦(Near Focus)三者，而可通过光电检知放大整合电路的光电转换得出聚焦位置与电压的关系曲线，此即S-Curve，也可称之为聚焦误差讯号；且经过校正，可得知电压与位移的相对关系，更通过讯号撷取装置，将电压讯号存取并进行位移分析，以判断出实际交点位置，最后即可判断出入射光的光波波长。图7显示使用光电检知放大整合电路作为光检测器37所得到的650nm与790nm两种波长的不同的焦点位置(P1为650nm波长的光的焦点位置；而P2为790nm波长的光的焦点位置)所造成的焦点位置距离差(△f＝P2-P1)的讯号。由以上可知，光谱测量装置1可经由光检测器37检测光线通过色差聚焦透镜23而产生的聚焦焦点位置的不同，间接可得知入射光的波长讯息。

本案的光谱测量装置1拥有极高的光谱解析能力，甚至可至10^-3纳米(pm)以下的等级，例如，通过图5与图7所示的数据关系，可确定光谱测量装置1对于1纳米的波长变动可获得约150纳米以上的焦点位置距离差；而若要进一步提升其解析能力，只需选择具有合适的P_Lens透镜常数的色差聚焦透镜23或者改变该色差聚焦透镜23的参数。

此外，一般市售的光驱读取头也具有如图3所示本案的光谱测量装置1的像散检测系统3的结构，故本案的像散检测系统3可直接使用市售任意型号的光驱读取头来取代；而该光驱读取头也可使用全像光学模块(Holographic Optical Element,HOE)来取代，由外部撷取其中的光检测器37所检知的光信息，通过光电信号转换及适当接口，输出聚焦位置与电压的关系曲线，以得知入射光的波长讯息。由本案的方式能得到过去所无的简单且经济实用的光谱测量手段。

应了解，例示性实施例仅说明本发明，且本领域的技术人员可在不脱离本发明的范畴的情况下设计上文描述的实施例的许多变化。因此希望所有这些变化包括于以下权利要求书及其等效物的范畴内。

Claims (11)

1.一种光谱测量装置(1)，其包括

光吸收系统(2)，其包括：

针孔(21)，其容许从待测光源(5)所发射出的具有不同波长的光线通过；及

色差聚焦透镜(23)，其可将所述针孔(21)所汇集的所述光线依据不同波长而分别聚焦于不同的位置；

像散检测系统(3)，其包括：

聚焦透镜(31)；

导光透镜组(33)；

像散透镜(35)，其具有不同的纵向及横向放大曲率；及光检测器(37)；

其中，所述聚焦透镜(31)接收已通过所述色差聚焦透镜(23)聚焦的所述光线，而所述导光透镜组(33)将所述聚焦透镜(31)所接收的所述光线导向所述像散透镜(35)，所述光线经导向通过所述像散透镜(35)后进而被所述光检测器(37)所检测。

2.如权利要求1所述的光谱测量装置(1)，其中所述导光透镜组(33)包括反射镜(331)、准直透镜(333)及分光镜(335)。

3.如权利要求1所述的光谱测量装置(1)，其中所述色差聚焦透镜(23)可为可具有任何焦距或任何数值孔径的光学透镜、球透镜或聚焦透镜。

4.如权利要求1所述的光谱测量装置(1)，其中所述光检测器(37)可为光电转换元件。

5.如权利要求4所述的光谱测量装置(1)，其中所述光检测器(37)可为光电检知放大整合电路。

6.如权利要求1所述的光谱测量装置(1)，其中所述像散检测系统(3)可为光驱读取头。

7.一种光谱测量方法，包含下列步骤：

待测光源(5)所发射出的具有不同波长的光线自针孔(21)通过；

将通过所述针孔(21)的所述光线通过色差聚焦透镜(23)，使所述光线依据其不同的波长而分别聚焦于不同的位置；

将所述通过所述色差聚焦透镜(23)且已依据其不同的波长而分别聚焦于不同的位置的光线经由聚焦透镜(31)及导光透镜组(33)而导向具有不同的纵向与横向放大曲率的像散透镜(35)，所述像散透镜(35)可针对所述光线的不同波长所对应的不同的聚焦位置而造成像差；及

利用光检测器(37)检测所述像差，进一步得到所述光线的各波长的讯息。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述导光透镜组(33)包括反射镜(331)、准直透镜(333)及分光镜(335)。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述色差聚焦透镜(23)可为可具有任何焦距或任何数值孔径的光学透镜、球透镜或聚焦透镜。

10.如权利要求7所述的方法，其中所述光检测器(37)可为光电转换元件。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述光检测器(37)可为光电检知放大整合电路。