TW202032096A

TW202032096A - 光譜自校準光柵以及光譜儀

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Publication number: TW202032096A
Application number: TW108105032A
Authority: TW
Inventors: 林靖淵; 張家榮; 李鴻慶
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-09-01
Also published as: TWI677665B

Abstract

一種光譜自校準光柵，其包括微型光柵以及校正記號。微型光柵以及校正記號被光束照射後分別在成像面上形成繞射圖案以及校正圖案。依據繞射圖案以及校正圖案之間的距離，校正繞射圖案的光譜。另提供一種使用光譜自校準光柵的光譜儀。

Description

光譜自校準光柵以及光譜儀

本揭露是有關於一種光柵以及光譜儀，且特別是有關於一種光譜自校準光柵以及使用所述光譜自校準光柵的光譜儀。

光譜分析包括非破壞性、具化學鑑別力、具波長變通性、靈敏度高及分析速度快等優點，因此近年來使用光譜儀來分析材料的各種光物理現象或光化學現象的需求日遽增加。

光譜儀主要是藉由分光元件進行分光，並經由光接收器接收來自分光元件的光束，再藉由後端運算來得出對應的光譜。近年來，具有運算以及照相功能的行動裝置越來越普及，若能將光譜儀與行動裝置整合，將有助於降低生產成本並提升應用的普及化，且在未來便攜型光譜儀的市場開發具有相當大的潛力。

目前有技術提出以光碟光柵搭配手機來形成便攜型光譜儀，但此種光譜儀存在諸多問題。例如，當入射光的光強度過高時，光接收器所截取到的不同色光的光強度會過飽和，導致校正誤差過大。此外，由於光碟光柵過於簡陋，無法精準分光，導致光接收器所截取到的影像模糊，而無法正確判斷光譜位置資訊，進而產出錯誤的光譜圖。

基於上述，如何降低校正誤差以及提升判斷光譜位置資訊的正確性，便成為本領域研發人員亟欲解決的問題。

本揭露提供一種光譜自校準光柵，其有助於降低校正誤差以及提升判斷光譜位置資訊的正確性。

本揭露提供一種光譜儀，其可有效地校正光譜以及判斷光譜位置資訊。

本揭露的一種光譜自校準光柵包括微型光柵以及校正記號。微型光柵以及校正記號被光束照射後分別在成像面上形成繞射圖案以及校正圖案。依據繞射圖案以及校正圖案之間的距離，校正繞射圖案的光譜。

本揭露的一種光譜儀包括光譜自校準光柵以及光接收器。光譜自校準光柵包括微型光柵以及校正記號。微型光柵以及校正記號被光束照射後分別在光接收器的成像面上形成繞射圖案以及校正圖案。依據繞射圖案以及校正圖案之間的距離，校正繞射圖案的光譜。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

實施方式中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本發明。在附圖中，各圖式繪示的是特定示範實施例中所使用的方法、結構及/或材料的通常性特徵。然而，這些圖式不應被解釋為界定或限制由這些示範實施例所涵蓋的範圍或性質。舉例來說，為了清楚起見，各膜層、區域及/或結構的相對尺寸、厚度及位置可能縮小或放大。

在實施方式中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號，且將省略其贅述。此外，不同示範實施例中的特徵在沒有衝突的情況下可相互組合，且依本說明書或申請專利範圍所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本專利涵蓋之範圍內。另外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名分立（discrete）的元件或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限，也並非用以限定元件的製造順序或設置順序。

圖1是本揭露的一實施例的一種光譜儀1的示意圖。圖2是圖1的光譜自校準光柵10的一種仰視圖。請參照圖1及圖2，光譜儀1包括光譜自校準光柵10以及光接收器11。光譜自校準光柵10包括微型光柵100以及校正記號101。微型光柵100以及校正記號101被光束B照射後分別在光接收器11的成像面110上形成繞射圖案PD以及校正圖案PC。依據繞射圖案PD（如繞射圖案PD的第1階繞射圖案PD1）以及校正圖案PC之間的距離（如距離D11、距離D12、距離D13）校正繞射圖案PD的光譜。

詳細來說，光譜自校準光柵10中的微型光柵100適於將光束B（如白光）中不同波長的光（也可稱作不同色光）在空間中（如方向X上）展開。具體地，每一個色光通過微型光柵100後形成第0階繞射圖案至第n階繞射圖案的繞射圖案，其中n為整數，例如n可為±1、±2…，n的絕對值越大，距離第0階繞射圖案越遠，且光強度越弱。以下為方便說明，以n=1作為示例，但本發明不以此為限。

依據繞射原理，不同色光的第0階繞射圖案會在相同位置處成像（圖1以第0階繞射圖案PD0表示不同色光的第0階繞射圖案的集成），且不同色光的同一階繞射圖案與第0階繞射圖案PD0之間的距離會與該色光的波長的大小呈正相關。換句話說，波長較長的光束的第1階繞射圖案與第0階繞射圖案PD0之間的距離會大於波長較短的光束的第1階繞射圖案與第0階繞射圖案PD0之間的距離。

圖1中以第1階繞射圖案PD1表示不同色光的第1階繞射圖案的集成，且圖1示意性繪示出紅光的第1階繞射圖案PD11、綠光的第1階繞射圖案PD12以及藍光的第1階繞射圖案PD13。由於紅光的波長大於綠光的波長，且綠光的波長大於藍光的波長，因此第1階繞射圖案PD11與第0階繞射圖案PD0之間的距離D11大於第1階繞射圖案PD12與第0階繞射圖案PD0之間的距離D12，且第1階繞射圖案PD12與第0階繞射圖案PD0之間的距離D12大於第1階繞射圖案PD13與第0階繞射圖案PD0之間的距離D13。

由於不同色光的第1階繞射圖案（如第1階繞射圖案PD11、第1階繞射圖案PD12或第1階繞射圖案PD13）會成像在光接收器11上的不同位置處，因此將光接收器11的成像面110的位置設置成至少與第1階繞射圖案PD1的位置重疊，便可由光接收器11的位置-光強度的資訊（包括光接收器11的每個位置所對應的光強度及不同色光的第1階繞射圖案彼此之間的距離）推得光譜的相對位置-光強度的資訊。

然而，第0階繞射圖案PD0的光強度（即不同色光的第0階繞射圖案的光強度總合）會比任一個第1階繞射圖案（如第1階繞射圖案PD11、第1階繞射圖案PD12或第1階繞射圖案PD13）的光強度高出許多。在未設置校正記號101的架構下，若光接收器11的成像面110的位置設置成除了與第1階繞射圖案PD1的位置重疊之外，還與第0階繞射圖案PD0的位置重疊，則光接收器11所截取到的光強度容易過飽和，而無法有效辨識不同色光的第1階繞射圖案的光強度，進而無法校正光譜。另一方面，若為了避免光接收器11所截取到的光強度過飽和，而將光接收器11的成像面110的位置設置成不與第0階繞射圖案PD0的位置重疊（例如僅與第1階繞射圖案PD1的位置重疊），則光接收器11所獲得的位置-光強度的資訊將不包括不同色光的第1階繞射圖案與第0階繞射圖案PD0之間的距離。由於缺少了基準位置，光譜儀只能得到光譜的相對位置資訊，而無法得到光譜的絕對位置資訊（也就是無法知曉每個光強度所對應的實際波長）。其結果，當光譜儀受到環境變化影響而產出錯誤（偏移）的光譜圖時，難以正確校正光譜。

在本實施例中，光接收器11的成像面110的位置設置成除了與第1階繞射圖案PD1的位置重疊之外，還與第0階繞射圖案PD0的位置重疊，以獲得光譜的絕對位置資訊。此外，藉由校正記號101的設置來降低第0階繞射圖案PD0所在處的光強度，以改善光強度過飽和的問題。

詳細來說，校正記號101的尺寸設計成對光束B不會產生繞射現象。例如，校正記號101的尺寸（如寬度以及長度）大於10微米。如此一來，光束B1穿過校正記號101而在光接收器11的成像面110上形成校正圖案PC（如具有對應於校正記號101的形狀的陰影）。由於此校正圖案PC會與光束B1穿過微型光柵100而在光接收器11的成像面110上所形成的第0階繞射圖案PD0皆位於校正感測區R中，因此可大幅降低第0階繞射圖案PD0所在處的光強度，使得每個色光的第1階繞射圖案（包括第1階繞射圖案PD11、第1階繞射圖案PD12以及第1階繞射圖案PD13）的光強度可被有效辨識。此外，校正圖案PC的中心可作為基準位置。由於成像面110與微型光柵100之間的距離D（如光束穿過微型光柵100後聚焦在成像面110上所需的距離）、微型光柵100的規格（如每釐米多少條狹縫，例如每釐米200、300或600條狹縫，但不以此為限）、第1階繞射光束（如光束B2）與穿過微型光柵100以及校正記號101的光束（光束B1）之間的夾角θ具有相依性關係，因此利用不同色光的第1階繞射圖案與該基準位置之間的距離（如距離D11、距離D12以及距離D13）可獲得光譜的絕對位置資訊及每個絕對位置（波長）所對應的光強度。

其結果，光譜儀1不易受到光強度飽和的影響，而可在不同的光量測場合量測絕對光譜，且可依據所測得的絕對光譜進行光譜校正，因此除了可降低校正誤差之外，還具有高環境適應性及高便利性等優點。此外，相較於採用光碟光柵的便攜型光譜儀，光譜儀1可具有較佳的分光能力，即具有較佳的分光解析度（分光解析度可由微型光柵100的規格進行調整）以及校正性能，因此能提升判斷光譜位置資訊的正確性以及市場競爭力。另外，由於分光解析度以及校正性能的提升，因此光譜儀1可應用於水、油質及螢光等檢定領域。再者，相對於傳統的光譜儀，光譜儀1除了具有成本低以及結構簡單等優點之外，還具有體積小的優點，而有利於與行動裝置（如手機、平板電腦等）整合。舉例來說，當光譜儀1與行動裝置整合時，行動裝置的照相模組可作為光譜儀1的光接收器11。

依據不同的需求，光譜自校準光柵10可選擇性地包括其他的元件或膜層。舉例來說，光譜自校準光柵10可進一步包括基板102、光學層103以及遮光層104。光學層103設置在基板102面向光接收器11的表面S1上，且光學層103具有多個狹縫1030以及與所述多個狹縫1030具有相同深度的多個凹槽1031。請同時參照圖2，在本實施例中，所述多個狹縫1030沿方向X排列且分別沿方向Y延伸。微型光柵100包括所述多個狹縫1030；校正記號101包括所述多個凹槽1031，且在方向X與方向Y所構成的平面上的形狀例如為十字型。基板102為透光基板，如玻璃基板。光學層103為透光層，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或其他高分子聚合物所形成。

遮光層104設置在基板102背對光接收器11的表面S2上，且遮光層104設置成使得在成像面110上所形成的繞射圖案PD僅包括微型光柵100的第0階繞射圖案PD0及第1階繞射圖案PD1。換句話說，遮光層104設置成使得第-1階以下的繞射圖案（如第-1階繞射圖案至第-n階繞射圖案）以及第2階以上的繞射圖案（如第2階繞射圖案至第n階繞射圖案）不會成像在成像面110上。如此，可降低後續的運算量及運算功耗，並提升運算速度。舉例來說，遮光層104為非透光材質製成，且遮光層104具有開孔1040，此開孔1040重疊於至少部分校正記號101以及至少部分微型光柵100（所述多個狹縫1030的部分）。

應說明的是，上述元件或膜層的說明僅為舉例，依據不同的需求，可增設或省略上述元件或膜層，且上述元件或膜層的材料及相對設置關係（包括數量、排列方式、形狀和尺寸等）可依需求改變。舉例來說，微型光柵100以及校正記號101可設置在基板102背對光接收器11的表面S2上，而遮光層104可設置在基板102面向光接收器11的表面S1上。或者，微型光柵100以及校正記號101除了可如圖1所示那樣位於同一基板（基板102）的同一表面（如表面S1）上之外，也可分別位於不同基板上。或者，校正記號101的形狀除了可為十字型之外，也可為圓形或其他形狀。

圖3A至圖3D及圖3E至圖3H分別是圖2中的光譜自校準光柵10沿剖線A-A’及剖線B-B’的製造流程圖。在一實施例中，光譜自校準光柵10係以半導體製程技術製作。請參照圖3A至圖3D（沿剖線A-A’），並請同時參照圖3E至圖3H（沿剖線B-B’），利用黃光製程在基板SUB上形成用於定義圖2中的所述多個狹縫1030及多個凹槽1031的圖案P（圖3A及圖3E）。接著，對基板SUB進行例如蝕刻製程，以形成具有與所述多個狹縫1030與多個凹槽1031對應的圖案P’的基板SUB’（圖3B及圖3F）。然後，將此基板SUB’的圖案P’轉印至基板102上的光學層103’（圖3C及圖3G)，以形成具有所述多個狹縫1030及多個凹槽1031的光學層103（圖3D及圖3H）。最後，可選擇性地在基板102上形成圖1所示的遮光層104。

應說明的是，圖3A至圖3H僅用以說明圖2的光譜自校準光柵10的其中一種製造流程，但光譜自校準光柵10的製造流程或製造方式不以此為限。

圖4是本揭露的另一實施例的一種光譜儀2的剖面示意圖。請參照圖1及圖2，光譜儀2與光譜儀1的主要差異如下所述。除了光譜自校準光柵10以及光接收器11之外，光譜儀2還包括外殼12、準直元件13以及聚焦元件14。

外殼12罩設在光接收器11上，且將準直元件13、光譜自校準光柵10以及聚焦元件14容納於其內部。此外，外殼12具有讓光束B通過的狹縫120。準直元件13設置在來自狹縫120的光束B的傳遞路徑上，以將來自狹縫120的光束B準直化。舉例來說，準直元件13可包括至少一個準直透鏡，但不以此為限。遮光層104設置在準直元件13與光學層103之間。微型光柵100以及校正記號101設置在來自準直元件13的光束B的傳遞路徑上，且微型光柵100以及校正記號101共同落在來自準直元件13的光束B的照射範圍內。例如，至少部分的微型光柵100以及至少部分的校正記號101共同落在來自準直元件13的光束B的照射範圍內。聚焦元件14設置在來自光譜自校準光柵10的光束（如光束B1及光束B2）的傳遞路徑上，且聚焦元件14將來自光譜自校準光柵10的光束匯聚至光接收器11，以形成繞射圖案PD以及校正圖案PC。舉例來說，聚焦元件14可包括至少一個聚焦透鏡，但不以此為限。

圖5是圖4的光譜儀2的校正操作的流程圖。請參照圖4及圖5，在進行光譜自校正時，光束B會入射狹縫120（步驟51）而被修正為由單點向準直元件13傳遞的扇形光束。準直元件13將來自狹縫120的光束B準直化（步驟52），而形成朝光譜自校準光柵10傳遞的平行光或近似平行光。接著，來自準直元件13的光束B入射光譜自校準光柵10（步驟53），其中入射光譜自校準光柵10的光束B中的第一部分（如光束B1）穿過微型光柵100以及校正記號101，且入射光譜自校準光柵10的光束B中的第二部分（如光束B2）形成第1階繞射光束。聚焦元件14將來自光譜自校準光柵10的光束（包括光束B1及光束B2）匯聚至光接收器11（步驟54），以形成繞射圖案PD以及校正圖案PC。光接收器11可將光強度轉換成影像訊號，此影像訊號被傳遞至與光接收器11耦接的處理器（未繪示）。再由處理器來校正光譜（步驟55）。

具體地，處理器可擷取光譜影像，並由校正圖案PC與不同色光的第1階繞射圖案之間的距離去推算光譜的絕對位置資訊及每個絕對位置（波長）所對應的光強度。藉由此光譜校正，便能描繪出光譜訊號，並分析光譜圖。

圖6是波長與光強度的關係圖，用以顯示校正前後的光譜。請參照圖6，圖6所示的是氘燈光源校正前後的光譜訊號。氘燈光源的光譜因環境影響而導致其光譜偏移至錯誤的位置（例如比正確位置更偏左）。然而，藉由前述光譜自校正後，可將氘燈光源的光譜向右校正回正確的位置。

綜上所述，在本揭露的實施例中，藉由校正記號搭配微型光柵的設計，能夠在改善光強度過飽和的問題的同時，獲得光譜的絕對位置資訊及每個絕對位置（波長）所對應的光強度。其結果，光譜儀不易受到光強度飽和的影響，而可在不同的光量測場合量測絕對光譜，且可依據所測得的絕對光譜進行光譜校正，因此除了可降低校正誤差之外，還具有高環境適應性及高便利性等優點。此外，光譜儀可具有較佳的分光能力，即具有較佳的分光解析度（分光解析度可由微型光柵的規格進行調整）以及校正性能，因此能提升判斷光譜位置資訊的正確性以及市場競爭力。另外，由於分光解析度以及校正性能的提升，因此光譜儀可應用於需要高分光解析度的檢定領域。再者，光譜儀除了具有成本低以及結構簡單等優點之外，還具有體積小的優點，而有利於與行動裝置（如手機、平板電腦等）整合。在一實施例中，光譜自校準光柵還可設置遮光層，以降低後續的運算量及運算功耗，並提升運算速度。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1、2:光譜儀 10:光譜自校準光柵 11:光接收器 12:外殼 13:準直元件 14:聚焦元件 51、52、53、54、55:步驟 100:微型光柵 101:校正記號 102、SUB、SUB’:基板 103、103’:光學層 104:遮光層 110:成像面 120、1030:狹縫 1031:凹槽 1040:開孔 B、B1、B2:光束 D、D11、D12、D13:距離 P、P’:圖案 PC:校正圖案 PD:繞射圖案 PD0:第0階繞射圖案 PD1、PD11、PD12、PD13:第1階繞射圖案 R:校正感測區 S1、S2:表面 X、Y:方向 θ:夾角 A-A’、B-B’:剖線

圖1是本揭露的一實施例的一種光譜儀的示意圖。圖2是圖1的光譜自校準光柵的一種仰視圖。圖3A至圖3D及圖3E至圖3H分別是圖2中的光譜自校準光柵沿剖線A-A’及剖線B-B’的製造流程圖。圖4是本揭露的另一實施例的一種光譜儀的剖面示意圖。圖5是圖4的光譜儀的校正操作的流程圖。圖6是波長與光強度的關係圖，用以顯示校正前後的光譜。

1:光譜儀

10:光譜自校準光柵

11:光接收器

100:微型光柵

101:校正記號

102:基板

103:光學層

104:遮光層

110:成像面

1030:狹縫

1031:凹槽

1040:開孔

B、B1、B2:光束

D、D11、D12、D13:距離

PC:校正圖案

PD:繞射圖案

PD0:第0階繞射圖案

PD1、PD11、PD12、PD13:第1階繞射圖案

R:校正感測區

S1、S2:表面

X、Y:方向

θ:夾角

Claims

一種光譜自校準光柵，包括：一微型光柵；以及一校正記號，其中該微型光柵以及該校正記號被光束照射後分別在一成像面上形成一繞射圖案以及一校正圖案，依據該繞射圖案以及該校正圖案之間的距離，校正該繞射圖案的光譜。
如申請專利範圍第1項所述的光譜自校準光柵，其中該微型光柵以及該校正記號共同位於一基板的一表面上。
如申請專利範圍第1項所述的光譜自校準光柵，其中該微型光柵以及該校正記號分別位於不同基板上。
如申請專利範圍第1項所述的光譜自校準光柵，其中該微型光柵包括多個狹縫，且該校正記號包括與所述多個狹縫的每一個具有相同深度的凹槽。
如申請專利範圍第1項所述的光譜自校準光柵，其中該校正記號的尺寸設計成對該光束不會產生繞射現象。
如申請專利範圍第1項所述的光譜自校準光柵，更包括：一遮光層，設置成使得在該成像面上所形成的該繞射圖案僅包括該微型光柵的第0階繞射圖案及第1階繞射圖案。
如申請專利範圍第1項所述的光譜自校準光柵，其中該校正圖案與該繞射圖案的第0階繞射圖案皆位於一校正感測區。
一種光譜儀，包括：一光譜自校準光柵，包括一微型光柵以及一校正記號；以及一光接收器，其中該微型光柵以及該校正記號被光束照射後分別在該光接收器的一成像面上形成一繞射圖案以及一校正圖案，依據該繞射圖案以及該校正圖案之間的距離，校正該繞射圖案的光譜。
如申請專利範圍第8項所述的光譜儀，其中該微型光柵以及該校正記號位於同一基板的同一表面上。
如申請專利範圍第8項所述的光譜儀，其中該微型光柵以及該校正記號分別位於不同基板上。
如申請專利範圍第8項所述的光譜儀，其中該微型光柵包括多個狹縫，且該校正記號包括與該些狹縫的每一個具有相同深度的凹槽。
如申請專利範圍第8項所述的光譜儀，其中該校正記號的尺寸設計成對該光束不會產生繞射現象。
如申請專利範圍第8項所述的光譜儀，其中該光譜自校準光柵，更包括：一遮光層，設置成使得在該成像面上所形成的該繞射圖案僅包括該微型光柵的第0階繞射圖案及第1階繞射圖案。
如申請專利範圍第8項所述的光譜儀，其中該校正圖案與該繞射圖案的第0階繞射圖案皆位於一校正感測區。
如申請專利範圍第8項所述的光譜儀，更包括：一準直元件，設置在該光束的傳遞路徑上，其中該微型光柵以及該校正記號設置在來自該準直元件的該光束的傳遞路徑上，且該微型光柵以及該校正記號共同落在來自該準直元件的該光束的照射範圍內。