TW201738585A - 曲面繞射光柵、光譜儀及曲面繞射光柵製造方法 - Google Patents

曲面繞射光柵、光譜儀及曲面繞射光柵製造方法 Download PDF

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Abstract

一種曲面繞射光柵，包括一基板以及一金屬層。基板為一二維曲板結構，基板具有一第一表面、一第二表面及複數微結構。第一表面與第二表面對應設置，該些微結構設置於第二表面上，各該微結構為一鋸齒狀結構，且該微結構具有明確的閃耀角(blazed angle)。金屬層設置於該些微結構上，金屬層具有與該些微結構相對應的複數繞射結構。

Description

曲面繞射光柵、光譜儀及曲面繞射光柵製造方法
本發明係關於一種曲面繞射光柵製造方法，特別關於一種曲面繞射光柵、光譜儀及曲面繞射光柵製造方法。
光譜儀是一種將成分複雜的光學訊號分解為光譜線的科學儀器，在環境偵測、醫學診斷、空間或地質探勘等領域中，光譜儀為常見的分析工具。如圖1所示，習知的光譜儀需要一入射單元42、兩個凹面鏡441、442分別作為收光與聚焦光束、一個平面繞射光柵元件41以及一個檢測陣列43進行光學訊號的分解，而具閃耀角(blazed angle)光柵於一階繞射方向上具有最高的繞射效率，因此常被運用於光譜儀的繞射元件中。然而，由於一般光譜儀的光學配置會使系統體積變得龐大，需要光學校準，因此如何提供一種具有收光、聚焦且高繞射功能的繞射光柵，以大幅縮小光譜儀系統體積為本發明的重要特色。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種曲面繞射光柵、光譜儀及曲面繞射光柵製造方法，其曲面繞射光柵為一二維曲面結構，且於曲面繞射光柵的彎曲基板上具有複數鋸齒狀微結構，使光柵具有高光譜色散效率及凹面鏡的收光與聚焦功能，降低製程的複雜性，並提供比常規更高的光譜解析度，大幅縮小光譜儀的系統體積與重量。
為達上述目的，依據本發明之一種曲面繞射光柵，包括一基板以及一金屬層。基板為一二維曲板結構，基板具有一第一表面、一第二表面及複數微結構。第一表面與第二表面對應設置，該些微結構設置於第 二表面上，各該微結構為一鋸齒狀結構，各微結構具有一第一槽面及第二槽面，金屬層設置於該些微結構上，金屬層具有與該些微結構相對應的複數繞射結構。其中，該些微結構的第二槽面的法線與第二表面的法線的夾角角度(圖2C的角度θb)實質相等於曲面繞射光柵之閃耀角度，此為曲面繞射光柵的閃耀角(blazed angle)。閃耀角是繞射光柵的重要參數，可把輻射能從零級光譜處集中到所要求的波長範圍。當入射角、繞射角和閃耀角相等時，繞射光柵上的槽面繞射的光最強。
在一實施例中，繞射結構具有實質閃耀角。
在一實施例中，該些繞射結構的製作於二維曲面上。
在一實施例中，各該繞射結構的繞射波長為300nm~2000nm。
在一實施例中，該些繞射結構的線密度為200~20000lines/cm。
在一實施例中，基板材料為熱塑性塑膠，如聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂或其任意組合。
在一實施例中，金屬層材料為金、銀、鋁或其任意組合。
本發明更提供一種光譜儀，包括一入射單元、一如上所述的曲面繞射光柵以及一感測單元。入射單元具有一入射狹縫，入射狹縫接收一光學訊號(待測光)。曲面繞射光柵的第二表面(曲面表面)聚焦並收集光學訊號(待測光)，經第二表面的該些繞射結構將光學訊號(待測光)繞射為數個光譜分量。第二表面同時將這些繞射光聚焦於感測單元上，感測單元接收該些光譜分量。因為閃耀角結構，第一階繞射光具有高繞射效率。
在一實施例中，感測單元為一感光耦合元件或一互補式金屬氧化物半導體。
在一實施例中，入射單元更具有一光纖或複數光纖。
本發明更提供一種曲面繞射光柵的製造方法包括，將一基板與一第一模具放置於一壓力室內，第一模具為一般具有閃耀角的平面繞射光柵元件，其中基板具有一第一表面及一第二表面，第二表面與第一模具 對應設置；加熱第一模具，並注入一氣體於壓力室內，使基板的第二表面形成複數微結構，各該微結構為一鋸齒狀結構，各該微結構具有一第一槽面及一第二槽面。其中，至少部分的該些微結構的第二槽面的法線與第二表面的法線的夾角角度實質相等於該曲面繞射光柵之閃耀角度；將該基板與一第二模具放置於壓力室內，其中第二模具具有一凹面的二維曲面結構，第一表面與凹面對應設置；加熱第二模具，並注入一氣體於壓力室內，使基板形成一二維曲板結構，該些微結構位於的第二表面為一凹面；以及使一金屬層沉積於基板的第二表面上，金屬層具有與該些微結構相對應的複數繞射結構。
在一實施例中，該加熱溫度為100℃~300℃。
在一實施例中，注入氣體的壓力為1~10kg/cm2。
在一實施例中，更包括於金屬沉積前，修整該基板。
承上所述，本發明之曲面繞射光柵及光譜儀，其曲面繞射光柵的二維彎曲基板可提供收光與聚焦功能，而金屬層具有與基板上的微結構相對應的繞射結構，該繞射結構具有實質閃耀角，能使第一階繞射光具有最高光譜繞散效率，此曲面繞射光柵整合曲面鏡與光柵，大幅縮小光譜儀的系統體積，並且不用額外的光學校準；而本發明之曲面繞射光柵的製造方法，係利用簡單的二次熱壓印配合氣體加壓的方式，取代昂貴且複雜的化學製程，以減少製造成本及製程時間，降低製程的複雜性，達到容易生產且製作出高質量的二維曲面繞射光柵之功效。
1‧‧‧曲面繞射光柵
11‧‧‧基板
111‧‧‧第一表面
112‧‧‧第二表面
113‧‧‧微結構
1131‧‧‧第一槽面
1132‧‧‧第二槽面
12‧‧‧金屬層
121‧‧‧繞射結構
2‧‧‧入射單元
21‧‧‧入射狹縫
3‧‧‧感測單元
41‧‧‧平面繞射光柵元件
42‧‧‧入射單元
43‧‧‧檢測陣列
441、442‧‧‧凹面鏡
A、B‧‧‧端點
C‧‧‧點
A-A‧‧‧線段
P‧‧‧局部
C1‧‧‧凹面
L‧‧‧寬度
S‧‧‧光譜儀
S01、S02、S03、S04、S041、S05‧‧‧步驟
M1‧‧‧第一模具
M2‧‧‧第二模具
NC1、NC2‧‧‧法線
PC‧‧‧壓力室
FWHM‧‧‧半峰全幅值
θb‧‧‧角度、閃耀角
λ、λpeak1、λpeak2‧‧‧波長
△λ‧‧‧解析度
Ppeak1、Ppeak2‧‧‧像素位置
圖1為習知的一種光譜儀的立體示意圖。
圖2A為本發明一實施例的一種曲面繞射光柵的立體示意圖。
圖2B為圖2A所示的曲面繞射光柵沿A-A線段的剖面示意圖。
圖2C為圖2B所示的曲面繞射光柵的局部P的放大圖示意圖。
圖3為本發明一實施例的一種光譜儀的立體示意圖。
圖4為本發明一實施例的曲面繞射光柵製造方法的流程圖。
圖5A至圖5F為圖4所示的曲面繞射光柵製造方法的示意圖。
圖6為本發明一實驗例的不同波長的雷射光束經曲面繞射光柵繞射後擷取的實驗數據圖。
圖7為本發明另一實驗例的不同波長的截面強度分佈的實驗數據圖。
圖8為本發明另一實驗例的光譜儀圖像的實驗數據的示意圖。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種結構，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請同時參照圖2A、圖2B以及圖2C，圖2A為本發明一實施例的一種曲面繞射光柵的立體示意圖，圖2B為圖2A所示的曲面繞射光柵沿A-A線段的剖面示意圖，圖2C為圖2B所示的曲面繞射光柵的局部P的放大圖示意圖。
本發明提供一種曲面繞射光柵1，包括一基板11以及一金屬層12。基板11為一二維曲板結構，基板11具有一第一表面111、一第二表面112及複數微結構113。第一表面111與第二表面112對應設置，該些微結構113設置於第二表面112上，各該微結構113為一鋸齒狀結構，該微結構113具有一第一槽面1131及一第二槽面1132。其中，至少部分的該些微結構113的第二槽面1132的法線與第二表面112的法線的夾角角度實質相等於曲面繞射光柵1之閃耀角。金屬層設置於該些微結構113上，金屬層12具有與該些微結構113相對應的複數繞射結構121，繞射結構121實質相等於微結構113。在本實施例中，該些繞射結構121一致性高且產生的繞射波長為300nm~1000nm。其中，該些繞射結構的一致性是指以實質為閃耀角的一繞射結構為基準，其曲面繞射光柵上的所有繞射結構與此基準的相近度。
承上所述，至少部分的該些繞射結構121實質為閃耀角。在此為求圖式簡潔，以下將以基板11的微結構113取代金屬層12的繞射結構121進行說明，如圖2C所示，在本實施例中，該些微結構113及該些繞射結構121的線密度為200~20000lines/cm，而一個微結構113於第二表面 112所佔的寬度L約為數微米，因此在微觀的條件下，基板11的第二表面112可視為一直線，第二表面112的法線NC2等與第二槽面1132上的任意點C的法線NC1具有夾角角度θb，即滿足此微結構113實質為一閃耀角θb，進而得知其繞射結構121亦實質為一閃耀角。其中，第二槽面1132上的任意點C為第二槽面1132上的任意一點，亦可為第二槽面1132的二端點A、B。
在本實施例中，基板11材料為熱塑性塑膠，如聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂或其任意組合，而金屬層12材料為金、銀、鋁或其任意組合。
如圖3所示，本發明更提供一種光譜儀S包括一入射單元2，一如上所述的曲面曲面繞射光柵1以及一感測單元3。入射單元2具有一入射狹縫21，入射狹縫21接收一光學訊號；曲面繞射光柵1的第二表面112聚焦光學訊號，該些繞射結構121將光學訊號繞射為數個光譜分量，而感測單元3接收該些光譜分量。其中感測單元3為一感光耦合元件或一互補式金屬氧化物半導體，
在本實施例中，入射單元除了為入射狹縫21以外，更可為一光纖或線性排列的複數光纖(圖式未示)，且入射單元2及感測單元3可利用智慧型手機或相機等智慧型隨身電子裝置達到相同功效。
本發明之曲面繞射光柵及光譜儀，其中曲面繞射光柵的二維彎曲基板可提供如凹面鏡般的收光與聚焦功能，而金屬層具有與基板上的微結構相對應的複數繞射結構，且至少部分的該些繞射結構實質為閃耀角，能使曲面繞射光柵具有高光譜色散效率並提供比常規更高的光譜解析度，進而大幅縮小光譜儀的系統體積。
請同時參照圖4及圖5A至圖5F，圖4為本發明一實施例的曲面繞射光柵製造方法的流程圖，圖5A至圖5F為圖4所示的曲面繞射光柵製造方法的示意圖。
本發明更提供一種曲面繞射光柵的製造方法，其步驟包括：將一基板11與一第一模具M1放置於一壓力室PC內，其中基板11具有一第一表面111及一第二表面112，第一模具M1上有複數溝槽，該些溝槽實 質為閃耀角結構，第二表面112與第一模具M1對應設置(步驟S01)。
加熱第一模具M1至基板11的玻璃相變溫度(glass transition temperature,Tg)以上，並注入一氣體於壓力室PC內，壓力室PC內的壓力升高，使得基板11的第二表面112因熱變形與加壓而形成複數微結構113。而各該微結構113為一鋸齒狀結構，各該微結構113具有一第一槽面1131及一第二槽面1132，其中，至少部分的該些微結構113的第二槽面1132的法線與第二表面112的法線的夾角角度實質相等於曲面繞射光柵之閃耀角度(步驟S02)。其中，第二表面112上至少部份的各該微結構113實質為閃耀角結構。
翻轉基板11，使基板11的第一表面111與第二表面112倒置，再將基板11與一第二模具M2放置於壓力室PC內，第二模具M2為一凹面鏡或一凹透鏡。其中第二模具M2具有一凹面C1，凹面C1為一二維曲面結構，第一表面111與凹面C1對應設置(步驟S03)。
加熱第二模具M2至基板11的玻璃相變溫度以上，並注入一氣體於壓力室PC內，壓力室PC內的壓力升高，使得基板11因熱變形與加壓而形成一二維曲板結構，該些微結構113位於的第二表面112為一凹面(步驟S04)。
修整基板11(步驟S041)，將基板11利用裁切、剪斷、壓斷、磨除或修邊等機械加工方式去除基板11的多餘塑料。
使一金屬層12沉積於基板11的第二表面112上，金屬層12具有與該微結構113相對應的複數繞射結構121(步驟S05)，且該些繞射結構121實質為閃耀角結構。
關於本實施例中，兩次熱壓印(步驟S02、S04)中的加熱溫度為100℃~300℃，且其輔助熱壓印時注入氣體的壓力為1~10kg/cm2。
本發明之曲面繞射光柵製造方法，係利用簡單的二次熱壓印配合氣體加壓的方式，可將模具上的閃耀角溝槽及凹面有效地轉印於基板的第二表面上，並取代昂貴且複雜的化學製程，減少製造成本及製程時間，降低製程的複雜性，達到容易生產且製作出高質量的二維曲面繞射光柵之功效。
以下將以數個實驗例，說明上述製造方法所製作出的曲面繞射光柵及光譜儀之特性。
請同時參照圖3以及圖6(a)至圖6(c)，第一實驗例係利用圖3的光譜儀結構進行實驗分析，其中曲面繞射光柵1的基板11的焦距為10.5cm且各該微結構113的線密度為1200lines/mm，本實驗例係利用感光元件為電荷耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)的相機捕捉不同波長光源從曲面繞射光柵繞射出的繞射圖像後，再計算其光譜解析度。
其光譜解析度△λ可藉由下列方程式定義：
其中λpeak1,2為雷射光束的波長，Ppeak1,2為CCD圖像中最大波峰的像素位置，FWHM為CCD圖像輪廓線中，聚焦光束的半峰全幅值(full width at half maximum,FWHM)。
圖6(a)為不同波長的聚焦雷射光束經本實驗例的曲面繞射光柵繞射後擷取的CCD圖像，波長λ分別為473nm及532nm的雷射光束從曲面繞射光柵反射後所捕捉的CCD圖像中，利用Lorentzian分佈計算出的半峰全幅值及聚焦雷射光束的最大波峰位置，再利用得到的譜線輪廓進行的分析，其結果分別顯示於圖6(b)及圖6(c)中；圖6(b)及圖6(c)分別是波長為473nm與波長為532nm的雷射光束的半峰全幅值及聚焦雷射光束的最大波峰位置圖。由本實驗例得知，本實驗例的曲面繞射光柵的光譜解析度為0.8nm，與商業用光譜儀的光譜解析度相當。
請同時參照圖7(a)至圖7(c)，在第二實驗例中，利用不同波長的白光光源及紅色雷射光束估算出本實驗例的光譜儀系統的光譜解析度。圖7(a)為不同波長的截面強度分佈CCD圖像，圖7(b)為波長及像素關係的線性擬合圖，圖7(c)為波長為632nm的紅色雷射光之光譜解析度。
本實驗例可利用白光及單光儀更進一步估算其光譜解析度。如圖7(a)中選自波長為652,657,662,667,672,677,682,687及692nm的白光光源，其不同波長的截面強度分佈如圖7(a)所示。且由上述方程式中，本實驗例的光譜儀系統於波長範圍內的像素-波長解析度如圖7(b)所示 估計為0.08nm/像素。之後利用波長為632nm的紅色雷射光束來驗證本實驗例之光譜儀系統的光譜解析度，如圖7(c)所示，紅色雷射光束量測的半峰全幅值為11.85像素，其值再乘上0.08nm/像素時，其值為0.9nm。由此得知，本實驗例的光譜儀系統的光譜解析度高達0.9nm。
在第三實驗例中，利用光源波長間距為1nm的複數個波長，估算出本實驗例的光譜儀系統的像素解析度。如圖8(a)為波長為525nm至625nm且間距為25nm的光譜影像，圖8(b)為圖8(a)的像素轉換至波長與其像素解析度的線性擬合，圖8(c)為光源波長間距為1nm的光譜圖，圖8(d)為圖8(c)的像素轉換至波長與其像素解析度的線性擬合。
本實驗例係利用智慧形手機或相機與本實驗例的光譜儀系統進行其像素解析度的估算。如圖8(a)所示，選擇波長分別為525,550,575,600和625nm的白光源通過單色儀進行量測並記錄其光點，其像素轉換至波長的素解析度的線性擬合如圖8(b)所示，其顯示出0.271nm/像素的光譜解析度。而另一組檢測光譜及其像素轉換至波長的素解析度的線性擬合如圖8(c)及圖8(d)所示，其顯示出0.27nm/像素的光譜解析度。由本實驗例可得知，本實驗例的光譜儀系統具有高穩定性。
綜上所述，本發明之曲面繞射光柵及光譜儀，其中曲面繞射光柵的二維彎曲基板可提供如凹面鏡般的收光與聚焦功能，而金屬層具有與基板上的微結構相對應的繞射結構，且該繞射結構具實質為閃耀角，能使曲面繞射光柵具有高光譜色散效率並提供高的光譜解析度及高穩定性，進而達到大幅縮小光譜儀的系統體積的功效。
此外，本發明之曲面繞射光柵的製造方法，係利用簡單的二次熱壓印配合氣體加壓的方式，可將模具上的閃耀角溝槽及凹面有效地轉印於基板的第二表面上，並取代昂貴且複雜的化學製程，減少製造成本及製程時間，降低製程的複雜性，達到容易生產且製作出高質量的二維曲面繞射光柵之功效。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1‧‧‧曲面繞射光柵
11‧‧‧基板
111‧‧‧第一表面
112‧‧‧第二表面
113‧‧‧微結構
12‧‧‧金屬層
121‧‧‧繞射結構
A-A‧‧‧線段

Claims (18)

  1. 一種曲面繞射光柵，包括：一基板，該基板為一二維曲板結構，該基板具有一第一表面、一第二表面及複數微結構，該第一表面與該第二表面對應設置，該些微結構設置於該第二表面上，各該微結構為一鋸齒狀結構，各該微結構具有一第一槽面及一第二槽面，其中，至少部分的該些微結構的該第二槽面的法線與該第二表面的法線的夾角角度實質相等於該曲面繞射光柵之閃耀角度；以及一金屬層，設置於該些微結構上，該金屬層具有與該些微結構相對應的複數繞射結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的曲面繞射光柵，其中至少部分的該些繞射結構實質為閃耀角。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的曲面繞射光柵，其中各該繞射結構的繞射波長為300nm~2000nm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的曲面繞射光柵，其中該些繞射結構的線密度為200~20000lines/cm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的曲面繞射光柵，其中該基板材料為熱塑性塑膠，如聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂或其任意組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的曲面繞射光柵，其中該金屬層材料為金、銀、鋁或其任意組合。
  7. 一種光譜儀，包括：一入射單元，具有一入射狹縫，該入射狹縫接收一光學訊號；一如申請專利範圍第1項所述的曲面繞射光柵，該第二表面聚焦該光學訊號，該些繞射結構將該光學訊號繞射為數個光譜分量；以及一感測單元，接收該些光譜分量。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的光譜儀，其中該感測單元為一感光耦合元件或一互補式金屬氧化物半導體。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的光譜儀，其入射單元更具有一光纖或複數 光纖。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的光譜儀，其中該曲面繞射光柵至少部分的該些繞射結構實質為閃耀角。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的光譜儀，其中該曲面繞射光柵的各該繞射結構的繞射波長為300nm~2000nm。
  12. 如申請專利範圍第7項所述的光譜儀，其中該曲面繞射光柵的該些繞射結構的線密度為200~20000lines/cm。
  13. 如申請專利範圍第7項所述的光譜儀，其中該曲面繞射光柵的該基板材料為熱塑性塑膠，如聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂或其任意組合。
  14. 如申請專利範圍第7項所述的光譜儀，其中該曲面繞射光柵的該金屬層材料為金、銀、鋁或其任意組合。
  15. 一種曲面繞射光柵的製造方法，包括：將一基板與一第一模具放置於一壓力室內，其中該基板具有一第一表面及一第二表面，該第二表面與該第一模具對應設置；加熱該第一模具，並注入一氣體於該壓力室內，使該基板的該第二表面形成複數微結構，各該微結構為一鋸齒狀結構，各該微結構具有一第一槽面及一第二槽面，其中，至少部分的該些微結構的該第二槽面的法線與該第二表面的法線的夾角角度實質相等於該曲面繞射光柵之閃耀角度；將該基板與一第二模具放置於該壓力室內，其中該第二模具具有一凹面，該凹面為一二維曲面結構，該第一表面與該凹面對應設置；加熱該第二模具，並注入一氣體於該壓力室內，使該基板形成一二維曲板結構，該些微結構位於的該第二表面為一凹面；以及使一金屬層沉積於該基板的該第二表面上，該金屬層具有與該些微結構相對應的複數繞射結構。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的曲面繞射光柵製造方法，其中該加熱溫度為100℃~300℃。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的曲面繞射光柵製造方法，其中注入氣體 的壓力為1~10kg/cm2。
  18. 如申請專利範圍第15項所述的曲面繞射光柵製造方法，更包括：於金屬層沉積前，修整該基板。
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