TW201303273A - 可提升光均勻度的分光裝置 - Google Patents

Abstract

一種可提升光均勻度的分光裝置，包含：一光源單元、一分光器、一第一集光鏡、一均光件，以及一第二集光鏡。該分光器用於使該光源單元的光通過後產生單色光。該均光件包括一個中空柱狀的本體、一個披覆在該本體的內周面的反射膜、一個朝向該第一集光鏡的入光面、一個相反於該入光面的出光面，以及一個圍繞該光源單元之一光軸並能將光線多重反射的反射面，該反射面界定出一個供光線通過的通道。藉由該均光件的光均勻化作用，使位在一照射平面上的樣品能受到均勻的光照，提升光譜量測及樣品分析的準確度。

Description

可提升光均勻度的分光裝置

本發明是有關於一種分光裝置，特別是指一種應用於光譜量測設備中，並可提升光均勻度的分光裝置。

參閱圖1，為一種已知的分光裝置1，主要包含：一光源11以及一分光器12。該光源1發出的光可被圖未示出的反射鏡、集光鏡等光學元件導入該分光器12，光線受到該分光器12的分光、調制後，由該分光器12產生單色光，單色光可直接或經由其它光學元件後射向一照射平面10。該照射平面10可供一個待量測之樣品擺放，且該樣品與一量測裝置連接，依照不同的量測方式可進行不同的光譜量測，例如吸收光譜、反射光譜、穿透光譜等等，藉此用於分析樣品的化學組成、表面形態、光學特性等性質。

由於該分光裝置1未設置用於使光線均勻化的光學元件，所以該分光器12產生的單色光照射在該照射平面10上是不均勻的，如圖2所示，在該照射平面10中心處的光強度最強，越往該平面的外圍的光強度越弱，此光線不均勻的現象過於嚴重，導致光線無法均勻地照射在整個樣品上，影響後續的光譜測量結果及樣品分析的準確性。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有均勻光線的功能、可提升光均勻度的分光裝置。

於是，本發明可提升光均勻度的分光裝置，包含：一光源單元、一分光器、一第一集光鏡、一均光件，以及一第二集光鏡。

該分光器位於該光源單元的一側，用於使該光源單元的光通過後產生單色光。該第一集光鏡位於該分光器的一側，並將該分光器產生的單色光聚焦。該均光件位於該第一集光鏡的一側，並包括一個中空柱狀的本體、一個披覆在該本體的內周面的反射膜、一個朝向該第一集光鏡的入光面、一個相反於該入光面的出光面，以及一個貫穿該入光面及該出光面並且圍繞該光源單元之一光軸的反射面。所述入光面及出光面都是由該本體及反射膜共同形成，該反射面為該反射膜的內側表面，且該反射面界定出一個沿著該光軸而軸向延伸的通道，該通道用於供從該第一集光鏡入射而來的光通過，該反射面用於將光多次反射後再使光由該出光面射出。該第二集光鏡位於該均光件的一側，並將通過該均光件而來的光聚焦。

本發明之功效：藉由該均光件的光均勻化作用，使一照射平面上的光照均勻，而且光線在進入該均光件之前與之後，分別受到該第一集光鏡及該第二集光鏡聚光，能提升光線強度，有利於後續的樣品光譜分析。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在本發明被詳細描述前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3、4，本發明可提升光均勻度的分光裝置之第一較佳實施例，可應用在一光譜量測設備中，作為該量測設備的前段分光架構，所述分光裝置包含：一光源單元2、一分光器3、一第一集光鏡4、一中空的均光件5，以及一第二集光鏡6。在本文中，以光傳播行進的方向為前方。

該光源單元2包括一個光源21，以及一個設置在該光源21周圍的反射鏡22。該光源21可以為鹵素燈或氙(Xe)燈，但不限於此，該光源21發出的光為一種全光譜光線。定義一個通過該光源21且平行於光傳播方向而前後延伸的光軸L。該反射鏡22是與該光源21間隔地排列在該光軸L上，並且自該光源21的後方朝前且朝該光源的上下周圍延伸，用於反射該光源21發出的光，使光線朝該分光器3的方向聚焦射出，本實施的反射鏡22為橢圓反射鏡22。

該分光器3位於該光源單元2的前方，並且為單色光分光器(monochromator)，用於使該光源21的光通過後產生單色光，所述單色光的波長可以為200奈米(nm)～1800奈米的單色光。所述分光器3實際上是利用稜鏡或光柵的色散現象，或是濾波鏡組(filters)來產生色光，但由於該分光器3非本發明的改良重點，所以不再說明。

該第一集光鏡4位於該分光器3的前方，用於將該分光器3產生的單色光聚焦後再朝該均光件5傳播，該第一集光鏡4的具體例為一凸透鏡。

該均光件5沿著該光軸L而間隔排列在該第一集光鏡4的前方，本實施例的均光件5為一個中空的積分柱鏡，沿著該光軸L而長向延伸，並包括一個四邊形的中空長柱狀的本體51，以及一個披覆在該本體51的內周面的反射膜52。該本體51的材料例如金屬、玻璃、石英或矽，但不限於此，該本體51實際上是由四片上下左右設置且前後長向延伸的基板結合而形成。該反射膜52的材料為反射率介於60%～99.99%的材料，可以為金屬、介電材料或金屬與介電材料的組合，而且可以為單層膜，也可以為多層膜。藉由該本體51作為該均光件5的基本架構，而該反射膜52具有良好的光反射性，能提升光線反射率與光線朝前傳播的效率。

該本體51及該反射膜52結合而形成該均光件5後，該均光件5包括一個朝向該第一集光鏡4的入光面53、一個相反於該入光面53的出光面54，以及一個圍繞該光軸L地前後向延伸並貫穿該入光面53及出光面54的反射面55。在本實施例中，該入光面53及出光面54是由該本體51及反射膜52的端部表面共同形成；該反射面55是由該反射膜52單獨形成，亦即為該反射膜52的內側表面，且該反射面55界定出一個沿該光軸L軸向延伸的長形的通道50。

本實施例的均光件5為一個橫截面呈方形的中空均勻長柱狀體，該入光面53及出光面54的形狀及大小皆相同，該入光面53與出光面54的距離相當於該均光件5的長度為a，較佳地a為10公釐(mm)～200公釐，所述a也相當於該通道50沿著該光軸L而延伸的長度。該通道50的左右方向的寬度為b，該通道50的上下方向的高度為c，且b及c皆為2mm～20mm，b及c可以相同，也可以不相同。在上述限定的數值範圍內，使該均光件5在小尺寸的設計下就能達到良好的均光效果，有利於元件體積縮小、輕量化的需求。

該第二集光鏡6位於該均光件5的前方，使通過該均光件5的光聚焦後再傳播，進而照射一個位於前方的照射平面7。該第二集光鏡6的具體例為一凸透鏡。

本發明使用時，該光源21的光受到該反射鏡22聚光反射並朝該分光器3入射，分光器3產生的單色光被該第一集光鏡4聚焦後射向該均光件5，單色光自該均光件5的入光面53進入該通道50，光通過該通道50的過程中，受到該反射面55的多重反射，使光在該均光件5內部被均勻地反射及漫射，並因為該均光件5的前後向長度夠長(也就是前述限定的長度a)而使光反射次數夠多，因而提升射出光的均勻度，被均勻化的光由該出光面54射向該第二集光鏡6，並被該第二集光鏡6聚焦後，以接近平行光的方式射向該照射平面7。

因此，受到該均光件5的均勻化作用之後，照射在該照射平面7的光強度均勻，即使是該照射平面7的外圍部位的光強度仍相當接近該中央部位的光強度，因此當一個待量測的樣品設置在該照射平面7的所在位置時，樣品整體都能受到均勻的光照，提升光譜量測的準確性及樣品分析的準確性。

值得一提的是：因為該均光件5的反射面55的良好反射效果，能降低光的能量損耗，使進入該均光件5內的大部分光線都可再由該出光面54射出，而且使射出光線的能量及角度都較為集中，可提升光線的利用率。

需要說明的是，該均光件5不限於圖4揭露之形態，例如也可以如圖5所示，其截面大小是由該入光面53朝該出光面54的方向逐漸變大，在此情況下，該通道50的前後向長度是指該入光面53與該出光面54之間的最短距離，且該通道50無論在任何部位所測量到的左右寬度b，同樣都是落在2mm～20mm的範圍內；該均光件5也可以如圖6所示，為六邊形的中空長柱狀體，但實施時不需限制其邊數。

綜上所述，藉由該均光件5的光均勻化作用，使照射平面7上的光照均勻，而且光線在進入該均光件5之前與之後，分別受到該第一集光鏡4及該第二集光鏡6聚光，能提升光線強度，有利於後續的光譜分析。

參閱圖7，本發明可提升光均勻度的分光裝置之第二較佳實施例與該第一較佳實施例大致相同，不同的地方在於，本實施例的光源單元2還包括一個位於該光源21及該分光器3之間的輔助集光鏡23，該輔助集光鏡23的具體例為一凸透鏡，用於將該光源21的光及該反射鏡22反射的光聚焦後再朝該分光器3傳播，能提升光強度。當然，當設置該輔助集光鏡23時，該分光器3、反射鏡22、光源21等元件的位置都要作調整，以達到最佳的集光效果。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．光源單元

21．．．光源

22．．．反射鏡

23．．．輔助集光鏡

3．．．分光器

4．．．第一集光鏡

5．．．均光件

51．．．本體

52．．．反射膜

53．．．入光面

54．．．出光面

55．．．反射面

50．．．通道

6．．．第二集光鏡

7．．．照射平面

a．．．通道的長度

b．．．通道的寬度

c．．．通道的高度

L．．．光軸

圖1是一種已知分光裝置的示意圖，圖中的箭頭用於示意光線；

圖2是該分光裝置之一照射平面的前視圖，用於示意該照射平面上的光照不均勻；

圖3是本發明可提升光均勻度的分光裝置之一第一較佳實施例的示意圖，圖中的箭頭用於示意光線；

圖4是該第一較佳實施例的一均光件的立體圖；

圖5是一立體圖，顯示本發明之另一種形態的均光件；

圖6是一立體圖，顯示本發明之又一種形態的均光件；及

圖7是本發明可提升光均勻度的分光裝置之一第二較佳實施例的示意圖，圖中的箭頭用於示意光線。

2．．．光源單元

21．．．光源

22．．．反射鏡

3．．．分光器

4．．．第一集光鏡

5．．．均光件

53．．．入光面

54．．．出光面

55．．．反射面

50．．．通道

6．．．第二集光鏡

7．．．照射平面

a．．．通道的長度

L．．．光軸

Claims (8)

1. 一種可提升光均勻度的分光裝置，包含：一光源單元；一分光器，位於該光源單元的一側，用於使該光源單元的光通過後產生單色光；一第一集光鏡，位於該分光器的一側，並將該分光器產生的單色光聚焦；一均光件，位於該第一集光鏡的一側，並包括一個中空柱狀的本體、一個披覆在該本體的內周面的反射膜、一個朝向該第一集光鏡的入光面、一個相反於該入光面的出光面，以及一個貫穿該入光面及該出光面並且圍繞該光源單元之一光軸的反射面，所述入光面及出光面都是由該本體及反射膜共同形成，該反射面為該反射膜的內側表面，且該反射面界定出一個沿著該光軸而軸向延伸的通道，該通道用於供從該第一集光鏡入射而來的光通過，該反射面用於將光多次反射後再使光由該出光面射出；及一第二集光鏡，位於該均光件的一側，並將通過該均光件而來的光聚焦。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之可提升光均勻度的分光裝置，其中，該通道沿著該光軸而延伸的長度為10mm～200mm。
3. 依據申請專利範圍第1或2項所述之可提升光均勻度的分光裝置，其中，該通道的寬度為b，該通道的高度為c，且b及c皆為2mm～20mm。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之可提升光均勻度的分光裝置，其中，該均光件的本體為金屬、玻璃、石英或矽，該反射膜為金屬、介電材料，或金屬與介電材料的組合。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之可提升光均勻度的分光裝置，其中，該分光器產生的單色光的波長為200nm～1800nm。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之可提升光均勻度的分光裝置，其中，該光源單元包括一個光源，以及一個用於反射該光源發出的光並使光朝該分光器的方向聚焦射出的反射鏡。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之可提升光均勻度的分光裝置，其中，該反射鏡為橢圓反射鏡。
8. 依據申請專利範圍第6或7項所述之可提升光均勻度的分光裝置，其中，該光源單元還包括一個位於該光源及該分光器之間的輔助集光鏡，該輔助集光鏡將該光源的光及該反射鏡反射的光聚焦後再朝該分光器傳播。