CN108693111A - 光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种光谱仪，其包括光栅、微机电扫描镜、光传递模块以及光传感器。光栅适于接收入射的待测光，且光栅适于将待测光调制为调制光。调制光经由光传递模块传递至微机电扫描镜且在微机电扫描镜上发生反射。另外，光传感器用以接收被微机电扫描镜反射的调制光。本发明的光谱仪可达成制造成本低，光谱仪的体积小且测量时间短的优点。

Description

光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱仪，特别涉及一种具有扫描式反射镜的光谱仪。

背景技术

光谱仪作为一种检测仪器，其可以接收来自待测物的光线，并产生相对应的光谱图。待测物的吸收光谱或激发光谱会反映在光谱图上，且待测物的物质成份或相关特性便可藉由分析光谱图而得知。目前而言，光谱仪已被大量使用于空气检测、液体检测、农药检测以及其它生物相关检测的领域。

一种现有的光谱仪架构使用具有呈线性排列的多个光感测区域的光感测模块。在此种光谱仪架构中，当待测光入射光栅后会被光栅依角度分离成具有不同波长的多个部分，并传递至光感测模块。光感测模块线性排列的这些光感测区域分别接收待测光具有不同波长的部分，进而产生连续的光谱图。然而，若要实现高分辨率的光谱图，则有赖光感测模块划分出大量的光感测区域，例如必须采用密度高且价格昂贵的感光耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)阵列来实现，且光感测模块与光栅也必须准确地对位。因此，此种光谱仪架构的成本高昂。

另一种现有的光谱仪架构则改采用单一的光感测元件，并将光栅固定于可转动的平台上。当待测光入射光栅后，藉由平台随着时间的转动，待测光具有不同波长的部分便可以分时地传递至光感测元件中以产生连续的光谱图。然而，为了使光栅可以转动，除了需设置承载光栅的平台以外，还需设置相应的转动构件(如电机)，使得整体光谱仪架构体积变大。另外，光栅的转动会造成待测光的入射角改变，使得待测光具有不同波长的部分的出射角度也随之改变。因此，在分时测量不同光波长的过程中，光栅转动与光感测元件感测的控制复杂度较高，且精度要求也较高，并造成测量时间较长。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种光谱仪，其成本较低，体积较小，且测量时间较短。

本发明的其它目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或是其它目的，本发明之一实施例提供一种光谱仪，其包括光栅、微机电扫描镜、光传递模块以及光传感器。光栅适于接收入射的待测光，且光栅适于将待测光调制为调制光。调制光经由光传递模块传递至微机电扫描镜且在微机电扫描镜上发生反射。光传递模块设置于光栅与微机电扫描镜之间，且光传递模块位于调制光的传递路径上。另外，光传感器用于接收被微机电扫描镜反射的调制光。

基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的上述实施例中，光栅适于将入射的待测光调制为调制光。调制光经由光传递模块传递至微机电扫描镜，且调制光在微机电扫描镜上发生反射后被光传感器所接收。在本发明实施例中，调制光反映了待测光具有不同波长的部分在空间中的分布。因此，藉由驱动微机电扫描镜的摆动，光传感器便可以分时地接收到待测光具有不同波长的部分，进而产生对应于待测光的光谱图。由于本发明实施例的光谱仪可以采用单一的光感测元件，且不必设置相关转动机构而将光栅设计为可转动，使得本发明实施例的光谱仪具有较低的成本，且其体积较小。另外，待测光入射光栅的入射角可以被固定，使得光谱仪的测量控制较为容易，且测量时间较短。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并结合附图作详细说明如下。

附图说明

图1绘示本发明一实施例的光谱仪的概要示意图；

图2绘示图1实施例的光谱仪的微机电扫描镜在一摆动位置的概要示意图；

图3绘示图1实施例的光谱仪的微机电扫描镜在另一摆动位置的概要示意图；以及

图4绘示图1实施例的光谱仪的光传感器在不同时间接收到光线(调制光)的概要示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下结合附图的优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1绘示本发明一实施例的光谱仪的概要示意图，请参考图1。在本实施例中，光谱仪100适于接收入射的待测光L1，并产生对应于待测光L1的光谱图。待测光L1例如是通过待测物(如检测样品)受光激发或受光反射而产生，或者例如是待测物自发光而产生。另外，待测物的物质成份或相关特性可例如是藉由分析待测光L1的光谱图而得知。然而，光谱仪100的检测对象以及光谱仪100的应用并不以此为限。具体而言，本实施例的光谱仪100包括光栅110、微机电扫描镜(MEMS scanning mirror)120、光传递模块130以及光传感器140。光栅110适于接收入射的待测光L1，且光栅110适于将待测光L1调制为调制光L2。

在本实施例中，当待测光L传递至光栅110并发生反射时，待测光L会依据不同的波长而被分光，而形成调制光L2，在其它实施例中，光栅110也可以是穿透式光栅，待测光L会依据不同的波长而被分光，而形成调制光L2，不以此为限。调制光L2具有不同波长的多个部分光束，而这些部分光束分别为具有不同的波长。详细而言，这些光束具有的较小的波长范围，且这些光束在空间中以不同的角度离开光栅110。因此，这些光束随着行进而彼此逐渐分离。举例而言，在本实施例中，调制光L2的这些光束例如是多个单色光，包括单色光L21、单色光L22以及单色光L23。单色光L21例如是红光，单色光L22例如是绿光，而单色光L23例如是蓝光，但不以此为限。然而在其它实施例中，离开光栅110的调制光L2亦可以至少根据待测光L的光谱以及光栅110的结构形状或分布密度而具有不同数量、不同颜色且在空间中彼此分离的单色光，本发明并不以此为限。

在本实施例中，光谱仪100还包括光学调整模块150，配置于待测光L1的传递路径上。光学调整模块150例如是包括狭缝SL、透镜152、透镜154以及透镜156。待测光L1通过狭缝SL后例如是自狭缝处以点光源的形式发散并依序通过透镜152、透镜154以及透镜156。具体而言，狭缝SL也可以由针孔所取代，可依制造者的设计加以改变，不以此为限。此外，透镜152、透镜154以及透镜156用以调整待测光L1的发散情形，例如是适度地收敛待测光L1，使得待测光L1通过光学调整模块150后准直地传递至光栅110，也就是待测光L1呈现平行光束传递至光栅110。在其它实施例中，光学调整模块150可以依据实际需求而设置其它数量的透镜或其它类型的光学元件，本发明并不以此为限。

在本实施例中，当待测光L1通过光学调整模块150并传递至光栅110后，待测光L1被光栅110以分光的方式，调制成调制光L2(包括单色光L21、单色光L22以及单色光L23)，且调制光L2传递至光传递模块130，光传递模块130设置于光栅110与微机电扫描镜120之间，且光传递模块130位于调制光L2的传递路径上。光传递模块130例如包括第一聚焦透镜132、反射镜134以及第二聚焦透镜136。具体而言，来自光栅110的调制光L2通过第一聚焦透镜132后被反射镜134反射，且被反射镜134反射的调制光L2通过第二聚焦透镜136后传递至微机电扫描镜120。详细而言，通过第一聚焦透镜132的单色光L21、单色光L22以及单色光L23分别汇聚至反射镜134，且自反射镜134反射并通过第二聚焦透镜136的单色光L21、单色光L22以及单色光L23分别以不同的角度入射至微机电扫描镜120。在本实施例中，第一聚焦透镜132、反射镜134以及第二聚焦透镜136例如是通过调整调制光L2收敛或发散的情形，将调制光L2中具有不同波长的这些部分光(如单色光L21、单色光L22以及单色光L23)引导至不同的行进路径上。在一些实施例中，光传递模块130可基于实际光学需求而设置不同类型或不同数量的光学元件，以对传递于其中的调制光L2作光学上的调整，本发明并不以此为限。

在本实施例中，调制光L2经由光传递模块130传递至微机电扫描镜120且在微机电扫描镜120上发生反射，而光传感器140用以接收被微机电扫描镜120反射的调制光L2。具体而言，调制光L2在微机电扫描镜120上发生反射后传递至参考平面PL，而光传感器140位于参考平面PL上。详细而言，光传感器140例如是位于参考平面PL的位置P1上，用以接收调制光L2。光传感器140例如包括光电二极管(photodiode)与光电转换电路，但不以此为限，适于接收光线后产生对应的电信号。

在本实施例中，被微机电扫描镜120反射的调制光L2的这些部分光束，如单色光L21、单色光L22以及单色光L23，分别传递至参考平面PL上的不同的多个位置。具体而言，参考图1，单色光L22传递至参考平面PL上的位置P1，而位于位置P1的光传感器140便可用以接收传递至位置P1的调制光L2的一部分，亦即，光传感器140可以接收到单色光L22。此时，单色光L21传递至参考平面PL上的位置P2，且单色光L23传递至参考平面PL上的位置P3。

详细而言，光谱仪100还包括处理器160，电连接至光传感器140。当光传感器140接收调制光L2时会产生电信号S，且电信号S传递至处理器160。举例而言，当光传感器140接收到单色光L22时会产生对应于单色光L22的电信号S，且处理器160可以根据电信号S产生此单色光L22的光强度信息。当处理器160接收到对应于不同单色光(如单色光L21、单色光L22以及单色光L23)的电信号后，处理器160可以产生对应于待测光L1的光谱图。处理器160例如是中央处理单元(central processing unit,CPU)，或是其它可编程的一般用途或特殊用途的微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、可编程控制器、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits,ASIC)、可编程逻辑设备(Programmable Logic Device,PLD)或其它类似装置或这些装置的组合。

图2绘示图1实施例的光谱仪的微机电扫描镜在一摆动位置的概要示意图，且图3绘示图1实施例的光谱仪的微机电扫描镜在另一摆动位置的概要示意图，请先参考图2。在本实施例中，微机电扫描镜120例如是单个反射镜。微机电扫描镜120适于沿着一转轴往复地摆动，以改变被微机电扫描镜120反射的调制光L2的这些部分光束(如单色光L21、单色光L22以及单色光L23)的传递路径，藉以使光传感器140依时序接收到调制光L2不同的这些部分光束。具体而言，当微机电扫描镜120摆动至如图2所绘示的摆动位置时，单色光L21传递至参考平面PL上的位置P1，单色光L22传递至参考平面PL上的位置P4，且单色光L23传递至参考平面PL上的位置P5。此时，位于位置P1的光传感器140便可用以接收传递至位置P1的单色光L21，亦即，光传感器140可以接收到单色光L21。

接着，请参考图3，当微机电扫描镜120摆动至如图3所绘示的摆动位置时，单色光L21传递至参考平面PL上的位置P6，单色光L22传递至参考平面PL上的位置P7，且单色光L23传递至参考平面PL上的位置P1。此时，位于位置P1的光传感器140便可用以接收传递至位置P1的单色光L23，亦即，光传感器140可以接收到单色光L23。

图4绘示图1实施例的光谱仪的光传感器在不同时间依序接收到光线(调制光)的概要示意图，请参考图4。在本实施例中，当微机电扫描镜120从图2所绘示的摆动位置摆动至图1所绘示的摆动位置，再从图1所绘示的摆动位置摆动至图3所绘示的摆动位置的过程中，光传感器140可以依序接收到所有由光传递模块130传递的调制光L2包括单色光L21、单色光L22以及单色光L23。换言之，微机电扫描镜120摆动一次的过程中，光传感器140便可以接收到调制光L2所有的光波段。在本发明的不同实施例中，光传感器140可以在微机电扫描镜120摆动一次的过程中感测到调制光L2所有或者是一部分的单色光所对应的光波段，本发明并不以此为限。

在本实施例中，微机电扫描镜120适于沿着以特定摆角往复地摆动，且此摆角例如是落在50度以内(±25度摆动)。在光谱仪100进行测量的过程中，微机电扫描镜120往复地摆动数次，使得光传感器140可以在其可感测光波段范围内，在每个波长上感测到多个数据点。因此，整体而言，光传感器140在其可感测光波段范围内可以感测到较强的光强度，使得光传感器140可较为准确地对调制光L2(待测光L1)进行不同波长的感测，并可减少噪声的影响或是少数检测失误的影响。在本实施例中，光传感器140可以结合微机电扫描镜120的摆动而同步地进行取样(即接收调制光L2并产生电信号)，而处理器160可以再将感测调制光L2的整体光波段所产生的电信号转换为对应于待测光L1的连续的光谱图。

在本实施例中，微机电扫描镜120可以进行快速的摆动。举例而言，微机电扫描镜120的摆动频率落在20千赫(kHz)至22千赫的范围内。在一些实施例中，为了结合微机电扫描镜120的摆动以及光传感器140对调制光L2的感测，微机电扫描镜120可以具有较低的摆动频率。举例而言，为了配合光传感器140的反应时间，以使光传感器140在微机电扫描镜120往复摆动一次的过程之中可感测到单色光对应的完整的光波段，微机电扫描镜120的摆动频率可以设计得较低。在这些实施例中，微机电扫描镜120的摆动频率可以是60赫兹(Hz)，但本发明并不以此为限。

在本实施例中，光栅110适于将入射的待测光L1调制为调制光L2。调制光L2经由光传递模块130传递至微机电扫描镜120，且调制光L2在微机电扫描镜上发生反射后被光传感器140所接收。具体而言，调制光L2反映了待测光L1具有不同波长的部分在空间中的分布。因此，藉由驱动微机电扫描镜120的摆动，光传感器140便可以分时地接收到调制光L2具有不同波长的部分，进而产生对应于待测光L1的光谱图。在本实施例中，光谱仪100可以采用单一的光感测元件，而可不必采用昂贵的具有呈线性排列的多个光感测区域的光感测模块来接收调制光L2，因此光谱仪100结构较为精简，而具有较低的成本。另外，光谱仪100的光栅110可以设计为固定式的，而可不必设置相关转动机构，因此光谱仪100的整体体积较小。除此之外，由于固定式的光栅110的设置可以使得待测光L1入射光栅110的入射角保持固定，因此可以减少或消除因入射角改变而造成待测光L1出射于光栅110的角度发生改变的因素。也就是说，待测光L1可以大致保持固定的角度提供至微机电扫描镜120，使得后续微机电扫描镜120摆动与光传感器140感测的控制复杂度以及控制的精度要求可以大幅降低，而有益于光谱仪100的量产。此外，本实施例的光谱仪100的测量控制较为容易，且其测量时间较短。

请再参考图1，在本实施例中，优选地，待测光L1在光栅110上形成的光斑与调制光L2在微机电扫描镜120上形成的光斑在光学上互为共轭(conjugated)。也就是说，待测光L1在光栅110上形成的光斑与调制光L2在微机电扫描镜120上形成的光斑例如是具有相同或具有倍率关系的大小或相同的形状。此时，光谱仪100可以达到优选的光学设计。此外，在一些实施例中，待测光L1通过狭缝SL所形成的光斑与调制光L2在反射镜134上形成的光斑也为共轭，具有相同或具有倍率关系的大小或相同的形状。此时，光谱仪100也可以达到优选的光学设计。

另外，在本实施例中，光栅110的排列密度会决定调制光L2的光发散角，而在微机电扫描镜120至光传感器140的距离为固定的情况下，调制光L2具有越大的光发散角则调制光L2反射至参考平面PL的区域也越大。具体而言，光谱仪100可产生的光谱图的分辨率和调制光L2反射至参考平面PL的区域大小有关。因此，可以依据光栅110的结构设计(光栅110的密度)以及所需的光谱图的分辨率而设计微机电扫描镜120至光传感器140适当的距离。在本实施例中，光谱图的分辨率例如可达5纳米。另外，光谱仪100可测量待测光L1的光波长范围和光栅110的结构设计(光栅110的排列密度)以及光传感器的种类有关，本发明并不对光栅110的密度以及光传感器140的种类进行设限。

综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的上述实施例中，光栅适于将入射的待测光调制为调制光。调制光经由光传递模块传递至微机电扫描镜，且调制光在微机电扫描镜上发生反射后被光传感器所接收。在本发明实施例中，调制光反映了待测光具有不同波长的部分在空间中的分布。因此，藉由驱动微机电扫描镜的摆动，光传感器便可以分时地接收到待测光具有不同波长的部分，进而产生对应于待测光的光谱图。由于本发明实施例的光谱仪可以采用单一的光感测元件，且不必设置相关转动机构而将光栅设计为可转动，使得本发明实施例的光谱仪具有较低的成本，且其体积较小。另外，待测光入射光栅的入射角可以被固定，使得光谱仪的测量控制较为容易，且测量时间较短。

以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或申请专利范围中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

符号说明

100：光谱仪

110：光栅

120：微机电扫描镜

130：光传递模块

132：第一聚焦透镜

134：反射镜

136：第二聚焦透镜

140：光传感器

150：光学调整模块

152、154、156：透镜

160：处理器

L1：待测光

L2：调制光

L21、L22、L23：单色光

P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7：位置

PL：参考平面

S：电信号

SL：狭缝

Claims (10)

1.一种光谱仪，其特征在于所述光谱仪包括：

光栅，适于接收入射的待测光，其中所述光栅适于将所述待测光调制为调制光；

微机电扫描镜；

光传递模块，所述光传递模块设置于所述光栅与所述微机电扫描镜之间且位于所述调制光的传递路径上，其中所述调制光经由所述光传递模块传递至所述微机电扫描镜且在所述微机电扫描镜上发生反射；以及

光传感器，用于接收被所述微机电扫描镜反射的所述调制光。

2.如权利要求1所述的光谱仪，其中所述调制光包括具有不同波长的多个部分光束，且被所述微机电扫描镜反射的所述调制光的所述多个部分光束分别传递至参考平面上的不同的多个位置，其中所述光传感器位于所述位置上，用于接收传递至所述位置的所述调制光的所述部分光束。

3.如权利要求2所述的光谱仪，其中所述微机电扫描镜适于沿着转轴往复地摆动，以改变被所述微机电扫描镜反射的所述调制光的所述多个部分光束的传递路径，藉以使所述光传感器依时序接收到所述调制光不同的所述多个部分光束。

4.如权利要求2所述的光谱仪，其中所述调制光的所述多个部分光束分别为具有不同波长的多个单色光。

5.如权利要求1所述的光谱仪，其中微机电扫描镜适于沿着转轴以摆角往复地摆动，且所述摆角落在50度以内。

6.如权利要求1所述的光谱仪，其中所述光传递模块包括第一聚焦透镜、反射镜以及第二聚焦透镜，来自所述光栅的所述调制光通过所述第一聚焦透镜后被所述反射镜反射，且被所述反射镜反射的所述调制光通过所述第二聚焦透镜后传递至所述微机电扫描镜。

7.如权利要求1所述的光谱仪，其中所述待测光在所述光栅上形成的光斑与所述调制光在所述微机电扫描镜上形成的光斑互为光学共轭。

8.如权利要求1所述的光谱仪，其中所述待测光通过狭缝后传递至所述光栅。

9.如权利要求1所述的光谱仪，还包括光学调整模块，配置于所述待测光的传递路径上，且所述待测光通过所述光学调整模块后准直地传递至所述光栅。

10.如权利要求1所述的光谱仪，还包括处理器，电连接至所述光传感器，其中所述光传感器接收所述调制光而产生电信号，且所述处理器根据所述电信号产生对应于所述待测光的光谱图。