TWI269869B - Compact infrared spectrometer, and methods and system for manufacture and assembly of components used in same - Google Patents

Description

1269869 九、發明說明： _ 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於紅外線光譜儀以及包括可應用於紅 ^ 外線光譜儀之元件在内的光學元件之組合及製造之系 統與方法。 【先前技術】 紅外線光譜學乃起源於William Herschel發現到 Isaac Newton所發現之可見光譜紅色部分以外的光學輻 ⑩ 射之時。自十九世紀起，物理與化學學者便已著手研究 紅外線輻射與不同物質間的互相影響。那時就已發現不 同物質可吸收紅外線光譜的不同部分且該些吸收特徵 可被用於偵測與辨識化學成份種類。直到第二次世界大 戰第一個大型紅外線光譜儀才被建造，當美國橡膠管制 司（US Office of Rubber Reserve)確認使用紅外線光譜學 係為一測量人造橡膠合成物成分的有效手段，並且要求 發展具有1微米（μηι)以上操作能力的紅外線光譜儀。自 φ 西元！95〇年起，紅外線光譜儀在科學與工程界中已獲 得廣泛的接受。藉由岩鹽物（例如：氯化鈉(NaCl))，第 一代光譜儀係利用紅外線輻射的光色散。後來，這些吸 水性強的、或對濕度敏感的岩鹽折光物體則被以玻璃基 板製成的繞射光柵所取代。一般來說，這些早期的紅外 線光譜儀重達200磅以上且其所佔體積大於7至8立方 ^ 英尺。 除了此種以色散為基礎（dispersion-based)的紅外線 光譜儀外，在1960年代晚期，隨著雷射、電腦與資料 6 1269869 儲存裝置上的進展，以光干涉術原理為基礎的新型紅外 線光譜儀則被發展出來。由於牽涉藉由傅立葉轉換 (Fourier Transformation)的數學計算將干涉術上的測量 數據轉換成光譜，所以這些紅外線儀器在紅外線光譜學 技術上也被稱為傅氏變換紅外線光譜儀(FTIR)。儘管有 這些傅氏變換紅外線光譜儀相較色散式紅外線光譜儀 已提供高度改進的感光度以及光譜解析度的事實，但是 這些FTIR儀器的干涉原理本質卻要求在其操作期間必 須監控最終的環境控制參數。這是因為干涉術上的測量 法要求兩光束部份重疊在二分之一波長的距離内，即， 此種測量所要求之精確度在微米範圍内。換言之，任何 溫度上的些許改變或任何小量的振動均將導致無法從 此傅氏變換紅外線光譜儀中得到可用光譜。由於光干涉 儀以及所有相關回饋與控制電路的併入，傅氏變換紅外 線光譜儀一般重150到400磅並佔有3至10立方英尺 的體積。 對於很多現代工業、保全和軍事任務來說，偵測表 面上或大氣裡化學成份的紅外線光譜特徵的能力非常 有價值。這些化學訊息經常能用來決定一個生產過程的 品質，或者去評估人員接近或進入一個地區的危險性。 然而，由於在尺寸、重量和财用性上的限制，紅外線光 言兽儀並沒有廣泛的被使用為這些應用的第一線偵測或 監控工具，而是作為一離線或實驗室驗證工具。 為了減輕上述實施上的限制，將需要發展一種敏感 的、重量輕的、财用且小型的紅外線光譜儀，使能在惡 7 I269869 劣的服務條件下偵測及/或識 了達到這些目的，一種小型：上學成份的種類。為 涵蓋大範_紅外線波長，特'光譜儀的設計係需要 紋”（7-14㈣區。這是因為二洛入稱作”紅外線光指 將提供最特定的化學成份證據’日^的，外線吸收特徵 質。 爆而能用來識別不同的物

外線建構更小而涵蓋大紅 則不符合對專業應用曰上的：要:;對環境變化的低耐性 =個與儀器成本有_考慮是組合的容易性。今 ± 士 *紅外線光譜儀的内部’大部分的光學元件都係 玻^材料製成。無論是色散式儀器的光概或是在

FTIR =的鐃=，這些以玻璃為基礎的元件通常在它們可被固 疋及接著疋位之前係用膠合或夾緊在基座上。膠合過程 的準1性、此膠或環氧基樹脂可能的收縮以及玻璃邊緣 的表損，在最後定位的精度上全都成為不確定的因素。

因此，在離開裝配線之後，這些儀器需要經常維修或者 定位。甚至在組合過程期間，還需要有非常熟練的光學 技師對所有的光學元件作適當定位，因而使得生產成本 較為昂貴。本發明係提供一種對於這些以及其他在習知 技術上的缺失的解決之道。 【發明内容】 在本發明中，一種色散式紅外線光譜儀係被設計成 與二維紅外線偵測器串聯工作。藉由將光徑緊密封裝於 光譜儀内及嚴格地控制光束的發散與收斂，本發明玎達 8 1269869 小巧的目的，且同時在一涵蓋4·5微米以上紅外線光譜 的二維偵測器上形成一聚焦紅外線光譜照片。 為更進一步提高光譜儀的耐用性，所有光學元件與 其固定用裝置係以金屬製成而非玻璃，使得光譜儀非常 耐撞與耐震。並且，由於其工作原理係色散而非干涉， 所以此光譜儀較不易因環境改變而受損。

為了改善此一紅外線光譜儀在組合及維修上的容 易性，此光譜儀中的光學元件及元件模組均採用放入/ 鎖定結構的設計方式。此設計將簡化組合過程並同時實 現無需使用焊接、銅焊或膠合的永久定位。在一實施例 中，此組合方法在組合過程期間並不需要為品管目的而 進行精密複雜的光學測試，因此其更具成本效益。最 後，由於其耐用之設計以及永久定位，此光譜儀於運轉 後僅需極小的維修，使得其成為一更實際的工具而能應 用於工廠、公眾場地與戰場上。在一實施例中，本發明 係揭露一種可操作於波長範圍為4.5微米或4.5微米以

上的小型光譜儀（以7.5到13.5微米範圍之4.5微米至6.0 微米為佳）。此光譜儀包含有一入射狹缝(entrance slit)、 一準直鏡(collimating mirror)、一光柵(grating)、一聚焦 鏡（focusing mirror)以及一第一聚焦面（f|rst f〇cal plane);通過此狹缝的部分輻射係沿著一光經行進， 此光徑中，此通過狹缝的部分輻射係被準直鏡 栅上，接著此光柵反射部分輻射到聚焦鏡，而後兮=光 鏡反射與聚焦部分輻射在第一聚焦面以及到二=聚焦 偵測器（此二維陣列偵測器可位於第一聚焦:、、、陣列 …、囬或其他的 9 1269869 聚焦面上）；在二維陣列偵測器上每一列均對應到波長範 圍為4.5微米至6.0微米的其中一部分，此二維陣列包 括複數行，其全部對應於橫跨4.5微米以上範圍的複數 個波長，且在二維陣列偵測器上每一對相鄰的行均對應 到波長差相等的波長；此入射狹缝、準直鏡、光柵、聚 焦鏡以及第一聚焦面係置放於一體積等於或小於192立 方英吋的尺寸内，使更可滿足下列一些或所有的設計要 求： 1. 元件間的間隔應被緊密排列，然而串音、不希望 得到的反射或透射及/或散射應被減少或消除； 2. 元件的空間與角度排列應產生所要求的波長覆 蓋範圍（在此偵測器陣列上），而沒有過度的像差，如： 球面向差（spherical aberration)、彗星像差（coma)、像散 (astigmatism)或色差（chromatic aberration)，且沒有過度 損失通過狹缝的紅外線能量； 3. 在一些實施例中，陣列偵測器（或紅外線照相機) 係位於第二焦距面上（不同於第一焦距面），元件的排列 更允許在第一聚焦面上聚焦的紅外線光譜（光譜照片）方 便且有效地轉傳及再聚焦於在第二聚焦面上的二維陣 列偵測器（或紅外線照相機）上； 4. 此聚焦光譜以能利用整個二維陣列偵測器之寬 度為佳，使得光譜解析度可增加至最大限度；以及 5. 二維陣列偵測器中的聚焦光譜應以最大高度、最 低甚至毫無失真為佳，使得在陣列偵測器（相對應於相同 波長）上像素的垂直平均可被獲得或被疊加，以提高訊號 10 1269869 對雜訊效能。 本發明另揭露一種以至少12·5微米位置精度與 0.075度角度精度來定位與搞合一光學元件於一基板上 的方法。以工具機將原料製成一光學元件，該原料係由 鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹中選出。該光學元 件亦可以單點鑽石車床（Singie-p〇int Diamond Turning) 加工法製成。該光學元件將被固定在一基座上，該基座 係具有定義第一平面的平坦底面。一柱狀栓係以垂直第 馨 一平面伸出基座的平坦底面，以及其中至少第一與第二 螺栓配置於第一與第二柱狀孔内，此第一與第二柱狀孔 係延伸穿過基座的底面。此該基座的第一與第二柱狀孔 係被排列垂直於第一平面，以及其内徑與第一及第二螺 栓的外徑相對應。提供具有定義第二平面的平坦上表面 的基板，其中第一柱狀孔係垂直於第二平面由基板的上 表面延伸進入基板，以及其中至少第二與第三螺孔係垂 直於第二平面由基板的上表面延伸進入基板。藉由同步 對位金屬栓與基板的第一孔、基座的第一孔與基板的第 • 二螺孔、以及基座的第二孔與基板的第三螺孔，將基座 放置於基板上。在基座與基板對位的同時，柱狀栓係插 入基板的第一柱狀孔直到基座的底面觸碰到基板的上 表面。隨著柱狀栓的插入，柱狀栓與基板的第一孔間的 、摩擦力將可抑制基座以垂直於第一與第二平面的軸線 旋轉，以及基板的第一孔與柱狀栓間的緊密亦限制基座 在基板上的橫向位移。在插入後，分別旋入第—與第二 螺栓於基板的第二與第三螺孔，藉此得以前述精度（即， 11 1269869 至少12.5微米的位置精度與〇·〇75度之角度精度）去耦人 基座與基板。更高精度耦合需求之達成，可利用具有^ ' 一錐形端，以及該第一與該第二螺栓係具有相對應該^ •一錐形端的弟一錐形頭，藉此該第一與第二螺栓定位於 該基座的該第一與第二柱狀孔。 、 本發明更進一步揭露一種以至少12.5微米位置精度與 0.075度角度精度來定位與耦合一光學元件於一基座上 的方法。先以工具機將原料製成一光學元件，該原料係 • 由鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹中選出。該光學 几件亦可以單點鑽石車床加工法製成。此機械加工製程 包括在原料上形成至少第一、第二及第三柱狀孔，^及 匕材料中弟一與弟二柱狀孔係具有螺紋。一柱狀检放置 於由機械加工製成的光學元件的第一柱狀孔内，其中柱 狀检係以垂直該光學元件的一平坦背面伸出該平坦背 面。&供一基座，此基座係具有一平坦前面以及至少第 、第一與第三柱狀孔，這些柱狀孔係垂直於該平坦前 _ 面而由該平坦前面延伸進入基座。基座的複數個柱狀孔 中至夕、弟一與弟二柱狀孔係完全穿過基座的厚度，以及 弟—與第二螺栓係分別配置於基座的第一與第二柱狀 孔内。此第一與第二螺栓之外徑係與基座的第一與第二 板狀孔的内徑相對應。接下來，藉由同步對位此從光學 ‘ 凡件伸出的金屬栓與基座的第三孔、光學元件的第二螺 、 ^與基座的第一孔、以及光學元件的第三螺孔與基座的 第二孔，將基座放置於光學元件上。在基座與光學元件 對位的同時，柱狀栓係被壓入基座的第三柱狀孔直到光 12 1269869 學元件的背面觸碰到基座的前面。隨著柱狀栓的插入， 柱狀栓與基座的第三孔間的摩擦力將可抑制基座以垂 直於前面與背面的軸線旋轉，以及基座的第三柱狀孔與 柱狀栓間的緊密亦限制基座在光學元件上的橫向位 移。之後，分別旋入第一與第二螺栓於光學元件的第二 與第三螺孔，藉此得以前述精度（即至少12.5微米之位 置精度與0.075度之角度精度）去耦合基座與光學元件。 更南精度搞合需求之達成^可利用具有弟一錐形端，以 及該第一與該第二螺栓係具有相對應該第一錐形端的 第二錐形頭，藉此該第一與第二螺栓定位於該基座的該 第一與第二柱狀孔。 本發明又進一步揭露一種用以形成整塊(monolithic) 金屬光學元件的方法。將一塊原料（例如，銘，銘合金， 不鏽鋼，鎳，銅或鈹）以機械加工製成一體成形的元件， 此元件具有第一面以及與該第一面相對的第二面◦此整 塊元件的第一面係包含一聚焦鏡或者一準直鏡。該光學 元件亦可以單點鑽石車床加工法製成。此機械加工製程 係被用來形成第一柱狀孔、該第一柱狀孔係用以容納一 柱狀定位栓，此柱狀定位栓係以垂直於該第二面所定義 的一平面而伸出該第二面，此第二柱狀孔係用以容納第 一螺栓，此第一螺栓係以垂直於前述第二面所定義的平 面而伸出第二面，此第三柱狀孔係用以容納第二螺栓， 此第二螺栓係以垂直於前述第二面所定義的平面而伸 出第二面。另外，此光學元件的第二面係可垂直於第一 面，或者介於平行和垂直之間的任何角度。 13 1269869 以升據i發明另—目的，本發明再進—步揭露一種用 乂光柵兀件的方法。將一塊原料(例如，鋁，鋁合 ^二鏽鋼，鎳’銅或鈹)以機械加工形成一光柵元件: :::，該！一柱狀孔係垂直於第一面由第-面延伸進 栓二柱狀孔係用以容納第—螺栓，此第一螺 ί用面由第一面延伸進入原料，第三柱狀孔 =延伸進人原料。將—柱狀定位栓插人第-柱狀Γ 料η:狀定位栓係以垂直於第一面而伸出原 枓以％乳基树脂複製法製造該光栅元件的第二苴 ::第二面係垂直於第一面’此第二面係由一黏合於： 機械加工製成的原料上的樹脂層所形成，以及此第」面 !括-光栅。此外，此光栅元件的第二面細j:: 平订，或者介於平行和垂直之間的任何角度。該第二 光柵元件之形成亦可以單點鑽石車床加工法 【實施方式】 第一圖與第二圖係分別顯示本發明之紅外 儀100的不同角度的示意圖。光譜儀⑽係、為小型= 如：如下所述體積小於192立方英时），且可操作於波 範圍為4.5微米或4.5微米以上。在一實施例中，、：二 儀1〇〇可操作於7.5至13.5微米範圍中；於另—更^ 的實施例中，光譜儀100可操作於7 5至13 5微米範 内之4.5微米至6.G微米。在其他的實施例_ 則可操作於3.0至！4.5微米範圍内之4 至曰儀〇 微米。 ，王〇·υ 14 1269869

光瑨儀100係包含有一入射狹缝11 〇、一準直鏡 120、一光栅130以及一聚焦鏡14〇。如第三圖所示，通 過狹縫110的部分輕射係沿著一光徑行進，在此光徑 中，通過狹缝110的部分輻射係被準直鏡12〇反射到光 柵130上，接著光柵130反射部分輻射到聚隹鏡14〇, 而後聚焦鏡14G反射與聚焦部分韓射在第—聚焦面16〇 以及二維陣列债測器15〇 (此二維陣列偵測器15〇可 位於弟-?炎焦面160或其他聚焦面上)。如第四a圖盥 第四B圖所示’此二維陣列偵測器15〇以每一 π 2個像丰在一具體較佳實施例中，係使用寬160 像素X面120像素的陣列偵測器。該二維陣列_ 的聚焦光譜152以最大高度、最低甚至毫|失直為;： 致使該陣列制器（相對應於㈣波長}上像

得或「相疊力”’以提高訊號對雜訊的效J 增加訊號對誠魏；在特㈣^ = 加來 個以上德去的千古田， 例中，則可使用5〇

2 乂上像素的垂直§加。較佳的係 陣列偵測器以更進-步提其㈣心门貝取迷度於此 植全陣列資料，其日^遽對雜訊比(如：每秒30 、、且王丨早列貝枓，甚且母秒6〇組全 由於週遭溫度的起伏，使其可能 ^地單了)。 細以達到連續操作上資料穩定的：：„陣列 及/或以事件引發之控制邏輯而觸發的手：：期性 伏補正系統可用來校準轉列彳貞測器。4自動的起 如弟二圖與第四圖所示，此 列150b均對應於4.5微米至 =谓測裔上母一 未的部分範圍。此二 15 1269869 ^陣列包括複數行l5〇a，其全部對應於橫跨 6.0微米範圍的複數個波長，在- a未至 -對相雜，彻上i 施例中，此入射狹縫no、準直鏡120、光二f30 :: 鏡140以及第-聚焦s 16〇係置 了二 192立方英相尺相。 “'_或小於

请芩閱第五A圖，係顯示用以裝設光譜⑻ 他兀件的積體、小型封裝2〇〇A。取樣 ^ :二，雖量至光譜儀1〇〇的入㈣ 二：裝有偵測器(例如：顯示於第四A圖、第四b 圖者)。在-實施例中，整個小型封裝2 小於料。—電腦監控之控制模組25(^ = 擇性用來㈣難2GGA内的元件，以及從其接收資料。

現請參閱第五Β目，其為用以裝設光譜儀1〇〇與圖 中所不的其他元件的積體、小型封裝2〇〇Β的另一種實 施例。此實施例係可用來進行表面偵測，例如：用以取 樣一表面211，如矽晶圓、塗料層或藥錠表面。在此實 施例中，此取樣模組21〇Β從IR光源213投射IR能量 經由聚集鏡214穿過狹長孔212到樣品表面211，接著 反射的IR能量係利用聚焦鏡215改變方向及再聚焦而 進入光譜儀模組1 〇〇内的狹缝11 〇。在一實施例中，此 小型封裝200B的整個體積係約小於7〇〇立方英吋，並 且一電腦監控之控制模組250(如第5A圖所示）可被選 擇性用來操作封裝200B内的元件，以及從其接收資料。 現請參閱第五C圖，其為用以裝設光譜儀100與圖 16 1269869 中所示的其他元件的積體、小型封裝200C的又一實施 例。此實施例可被用來測量一連續移動的樣品216。在 本實施例中，一取樣模組210C係引導與聚焦IR能量（來 自IR光源213以及使用聚焦透鏡217聚焦）至光譜儀模 組100的狹缝110，同時此移動樣品216穿過此光徑以 便連續測量樣品216。狹長孔212A及212B係被提供來 允許移動樣品216穿過取樣模組210C。藉由將靜態樣品 放在使用本實施例所示的光徑上，其亦能被測量。在一 實施例中，此小型封裝200C的整個體積係約小於700 立方英吋，並且一電腦監控之控制模組250(如第五A圖 所示）可被選擇性用來操作封裝200C内的元件，以及 從其接收資料。 現請參閱第五D圖，為用以裝設光譜儀1〇〇與圖中 所示的其他元件的積體、小型封裴200D的再一實施例。 本實施例係可被用來聚集與取樣遠處的IR能量220。在 本實施例中，取樣模組210D會引導與聚焦IR能量（使 用望遠光學元件219)至光譜儀模組1〇〇的狹縫11〇。在 一實施例中，此小型封裝200D的整個體積係約小於7〇〇 立方英吋，並且一電腦監控之控制模組250(如第五A圖 所示）可被選擇性用來操作封裝200D内的元件，以及 從其接收資料。 弟六圖與第七圖係顯示本發明之用以定位與|禺合 一光學元件310(如：光譜儀100的準直鏡丨2〇、光柵13〇 或聚焦鏡140)至一基板300(如：光譜儀1〇〇的基部）的 系統。在一實施例中，此系統係以至少12.5微米之位置 17 1269869 精度與0.075度之角度精度去定位與耦合光學元件310 於基板300上。首先以工具機將一原料製成光學元件 310，此原料係從銘、銘合金、不鎊鋼、錄、銅或鈹中 選出。該光學元件亦可以單點鑽石車床加工法製成。接 著，將光學元件310固定在一基座320上，此基座320 具有定義一平面320b的平坦底面320a。基座可以下列 任一原料所形成：銘、IS合金、不銹鋼、鎳、銅、鈹、 欽、銘複合材料、石墨或石墨複合材料。光學元件310 與基座320間的耦合係於其後的第八圖至第十一圖中再 進一步詳細說明。 請再參閱第六圖與第七圖，一柱狀栓330係垂直平 面320b而延伸出基座320的平坦底面320a，以及第一 與第二螺栓340、342(在其他的實施例中係可增加所使 用的螺栓）配置於第一與第二柱狀孔350、352内，此第 一與第二柱狀孔350、352係延伸穿過基座的底面320a。 此基座的第一與第二柱狀孔350、352係被排列垂直於 平面320b以及其内徑與該第一及第二螺栓340、342的 外徑相對應。 基板300具有定義另一平面300b的平坦上表面 300a。基板300可以下列任一原料所形成：鋁、鋁合金、 不銹鋼、錄、銅、皱、鈦、銘複合材料、石墨或石墨複 合材料。一柱狀孔302係垂直於平面300b而由基板的 上表面300a延伸進入基板300。螺孔304、306係垂直 於平面300b而由基板的上表面300a延伸進入基板。 藉由同步對位金屬栓330與基板的孔302、基座的 18 1269869 孔350與基板的螺孔304、以及基座的孔352與基板的 螺孔306，將基座320放置於基板300上。在基座320 與基板300對位的同時，栓330係插入基板的柱狀孔302 直到基座的底面320a觸碰到基板的上表面3〇〇a。隨著 柱狀栓的插入，栓330與基板的孔302間的摩擦力將可 抑制基座320以垂直於平面300a、320a的軸線旋轉，以 及基板的孔302與栓330間的緊密亦限制基座320在基 板300上的橫向位移。在插入後，分別旋入螺栓34〇、 342於基板的螺孔350、352，藉此得以至少在12.5微米 之位置精度與0.075度之角度精度來耦合基座32〇與基 板300。更咼精度麵合需求之達成，可利用具有第一錐 形端，以及該第一與該第二螺栓34〇、342係具有相對 應該第一錐形端的第二錐形頭，藉此該第一與第二螺栓 疋位於該基座的該第一與第二柱狀孔350、352。 第八圖至第十一圖係顯示本發明之用以定位與耦 合一光學兀件310於一基座32〇的系統。在一實施例 中，此系統係以至少12.5微米之位置精度與〇 〇75度之 角度精度去定位與耦合光學元件31〇與基座32〇。如前 所述，首先以工具機將一原料製成光學元件31Q，此原 料係從鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅或皱中選出。該光 學兀件亦可以單點鑽石車床加工法製成。此機械加工製 私係包括在原料上形成柱狀孔312、314、316、318，其 中柱狀孔312、314、316係具有螺紋(應理解的係，可配 合相對應的螺栓來增減孔的數量）。柱狀栓37()放置於此 由機械加工製成的光學元件的柱狀孔318内，使得此栓 19 1269869 370係以垂直光學元件的平坦背面31 Oa而伸出平坦背面 310a。 基座320係具有一平坦前面320c以及至少孔322、 324、326、328，此等孔 322、324、326、328 係垂直於 平坦前面320c而由平坦前面320c延伸進入基座。此等 孔322、324、326中以至少二個係完全穿過基座之厚度 為佳，以及第一與第二螺栓（圖未示）係分別配置於基座 的柱狀孔322、324、326中該二個内。此第一與第二螺 _ 栓之外徑係與基座的孔322、324、326的内徑相對應。 接下來，藉由同步對位此從光學元件伸出的金屬栓 370與基座的孔328、光學元件的螺孔312與基座的孔 322、以及光學元件的螺孔314與基座的孔324，將基座 320相對放置於光學元件310上。在基座320與光學元 件310對位的同時，光學元件310上突出之柱狀栓370 係壓入基座的柱狀孔328直到光學元件的背面3l〇a觸碰 到基座的前面320c。隨著柱狀栓370的插入，柱狀栓370 與基座的孔328間的摩擦力將可抑制基座320以垂直於 φ 面31〇a、320c的軸線旋轉，以及基座的柱狀孔328與柱 狀栓370間的緊密亦限制基座320在光學元件31〇上的 橫向位移。之後，分別旋入二螺栓（圖中未示）於光學元 件的螺孔312、314，藉此得以至少ΐ2·5微米位置精度 . 與0·075度之角度精度去耦合基座320與光學元件31〇。 更咼精度耦合需求之達成，可利用具有第一錐形端，以 、 及該第一與該第二螺栓係具有相對應該第一錐形端的 第二錐形頭，藉此該第一與第二螺栓定位於該基座的該 20 1269869 第一與第二柱狀孔。 第十二圖係顯示一具有直角面362、364的金屬光 柵元件360，其可固定於一基板以及作為光譜儀1〇〇的 元件。為了形成光柵元件360，一塊原料(如：鋁、鋁合 金、不銹鋼、鎳、銅或鈹）首先以機械加工形成光柵元件 的面364以及垂直於面364而由面362延伸進入原料的 柱狀孔371，此等柱狀孔350、352係用以容納螺栓（圖 未示），該等螺栓係垂直於面362而由該面362進入該原 _ 料。一柱狀定位栓（圖未示）係插入此柱狀孔371，使得在 插入後，此定位栓係以垂直於面362而延伸出此原料。 光柵元件360的第二面364可使用以環氧基樹脂複製法 製造。該光栅元件之形成亦可以單點鑽石車床加工法達 成。 第十三圖係顯示另一光柵元件41 〇，此光柵元件410 係可定位於一使用如第八圖至第十一圖中所示的定位 系統的基座上，以及之後係可作為光譜儀1〇〇的元件。 為了形成光栅元件，一塊原料（如：銘、銘合金、不銹鋼、 φ 鎳、銅或鈹）首先以機械加工形成光栅元件的第一面420 以及螺孔411，此等螺孔411(用以容納螺栓（圖中未示）) 係垂直於面420而由面420延伸進入原料，另一柱狀孔 414係用以容納另一柱狀定位栓470，此柱狀定位栓470 • 係垂直於面420而由該面420進入該原料。柱狀定位栓 470係插入此柱狀孔414，使得在插入後，此定位栓470 係以垂直於面420而延伸出此原料◦光柵元件41〇的第 二面430可使用以環氧基樹脂複製法製造。第二面43〇 21 1269869 可如第十三圖中所示與第一面420平行。在第十二圖與 第十三圖中所示的光柵元件的另一實施例中，此第二面 可以與第一面可為介於平行和垂直之間的任何角度。 最後，業界人士顯然在不脫離本發明思想範疇下鑑 於前文所述之實施例可做多種修改及變化。因此，可理 解，本發明並不限於前述之特定實施例，此等修改及變 化預期皆涵括於如隨附之申請專利範圍界定之本發明 之精神與範圍。

22 1269869 【圖式簡單說明】 為本發明之紅外線光譜儀 。 視圖弟-圖係為弟-圖中所示之紅外線光譜儀之另_ ⑴圖係顯示如第一圖與第二圖中所示之光皱镉 的紅=的光徑，以及取樣與聚集光學的上儀 弟四A圖係顯不本發明之在平面偵 列間=_以及6.0微米波長涵絲圍貞。…像素的行 第四B圖係顯示本發明之在平面 與列，請以及4.5微米波長涵蓋範圍：像素的行 第五A圖係顯示本發明之用 制㈣許元件的碰、小型縣先學、 弟圖係顯示本發明之用以裝設光譜儀、光歲 f與電子元件的積體、小型封裝之另-實施例Γ 弟五C圖係顯示本發明之用以裝設光 偵、測，電子科的積體、小型封裝之又—實施;^、 =五D圖係顯示依據本發明之用以裝 學電子元件的積體小型封裝之再一實二 ，、圖Μ弟七圖，係顯不本發明之 一光學元件至一基板的系統。 疋彳/、耦合 十：Γ係顯示本發明之用以定位與耦 口 光學兀件至一基座的系統。 巧 第十二圖係顯示—具有直角面的金屬光栅元件，龙 可采，於一基板以及作為光譜儀的元件。 ^ 第十一圖係頒不一具有平行面的光栅元件，其可定 23 1269869 位於使用如第八圖至第十一圖中所示的定位系統的基 座上。 【主要元件符號說明】 100光譜儀 110入射狹缝 120準直鏡 13 0光桃搁 140聚焦鏡 150二維陣列偵測器 150a 行 150b 列 152聚焦光譜 160第一聚焦面 200A、200B、200C、200D 封裝 210A、210B、210C、210D 取樣模組 211表面 212狹長孔 212A、212B狹長孔 213紅外線光源 214聚集鏡 215聚焦鏡 216連續移動的樣品 217聚焦透鏡 219望遠光學元件 220紅外線能量 24 1269869 230照相模組 250電腦監控之控制模組 300基板 300a平坦上表面 300b平面 302柱狀孔 304螺孔 306螺孔 310光學元件 310a平坦背面 312螺孔 314螺孔 316螺孔 318柱狀孔 320基座 320a平坦底面 320b平面 320c平坦前面 322第一柱狀孔 324第二柱狀孔 326第三柱狀孔 328第四柱狀孔 330柱狀定位栓 340第一螺栓 342第二螺栓 25 1269869 第一柱狀孔 第二柱狀孔 金屬光柵元件 面 面 柱狀定位栓 柱狀孔 光柵元件 螺孔 柱狀孔 第一面 第二面 柱狀定位栓 26

Claims (1)

1269869 、申請專利範圍： •-種小型光譜儀，其可操作於波 ό·0微米，包含·· 固勹4·5楗未至 (Α)入射狹缝、準直鏡、光栅及聚焦鏡，·及 ⑻偵：器;ΐ中通過該狹缝的部分輻射係 =者先瓜仃進，在該光徑中，該通過狹 ❿ 2. 4, 輻射係被該準直鏡反射到該光栅上，接著該Ζ 反射部分輻射到該聚焦鏡，而後 ^ ς器、：刀輻射在弟一聚焦面以及到該二維陣列债 n ί I ^二維陣列偵測11上每—列均對_波I =沪米至6·0微米的某個波長’該二維陣列 ^括長數仃，其全部會對應職跨波 】 米的複數個波長，且其中在該 iir對相鄰的行均對應到波長差相等的兩波 其中該入射狹縫、該準直鏡、該光柵、 2該第-聚焦面係置放於—體積等 方英吋的尺寸内。 、…2立 如申請專利範圍第！項所述之光譜儀，其中兮 列價測器係位於該第一聚焦面上。μ 一、、隹陣 如申請專利範圍第i項所述之光譜儀，其中兮 :偵測器係位於不同於該第一聚焦面的第：以 如申請專利範圍第丨項所述之光譜儀，其中所有該4 · 5 27 1269869 破米至6·0微米的波長範圍係介於7·5至 間。 倣水之 5·種以至少12·5微米之位置精度與0·075度之角 J去定位與輕合一光學元件於一基板上的方；度: ⑷以工具機將原料製成光學元件，該原料係由下列 2組至少其中之-選出··鋁、鋁合金、不銹鋼、 鎳、銅以及鈹； (b)將，光學元件貼在一基座上，該基座係具有—定 義f一平面的平坦底面，其中一柱狀栓係以垂直 /弟..平面而伸出该基座的平坦底面，以及其中 至少，二與第二螺栓配置於第一與第二柱狀孔 内，該等柱狀孔係延伸穿過該基座的該底面，此 ，基座的該第一與第二柱狀孔係被排列垂直於該 第一平面以及其内徑與該第一及第二螺栓的外徑 相對應； (C)提供一具有定義第二平面的平坦上表面的基板， 其中第一柱狀孔係垂直於該第二平面而由該基板 的該上表面延伸進入該基板，以及其中至少第二 與第二螺孔係垂直於該第二平面而由該基板的該 上表面延伸進入該基板； (d)藉由同步對位該金屬栓與該基板的該第一孔、該 基座的该第一孔與該基板的該第二螺孔、以及該 基座的该第二孔與該基板的該第三螺孔，將該基 座放置於該基板上； 28 1269869 (e) 在該基座與該基板對位的同時，該柱狀栓係插入 該基板的該第一柱狀孔直到該基座的該底面觸碰 到該基板的該上表面，其中，隨著前述插入，該 柱狀检與該基板的該弟一孔間的摩彳祭力將可抑制 該基座以垂直於該第一與第二平面的軸線旋轉， 以及該基板的該第一孔與該柱狀栓間的緊密亦限 制該基座在該基板上的橫向位移，以及 (f) 在步驟(e)後，分別旋入該第一與第二螺栓於該基 板的該第二與第三螺孔，藉此得以該精度來耦合 該基座與該基板。 6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該基座的該 第一與第二柱狀孔係包括：具有第一錐形端，以及該 第一與該第二螺栓係具有相對應該第一錐形端的第 二錐形頭，藉此該第一與第二螺栓定位於該基座的該 第一與第二柱狀孔。 7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中步驟(b)進一 步包含將該柱狀栓壓入該基座的另一柱狀孔中。 8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中在該壓入步 驟前，該柱狀栓的外徑係大於該基座上該另一柱狀孔 的内徑。 9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該步驟（e) 的該插入步驟係包含將該柱狀栓壓入該基板的該第 一柱狀孔，以及在步驟（e)的該壓入步驟前，該第一柱 狀栓的外徑係大於該基板上該第一柱狀孔的内徑。 10. —種以至少12.5微米之位置精度與0.075度之角度精 29 1269869 度去定位與耦合一光學元件於一基座上的方法，包 含： (a) 以工具機將原料製成學元件，該原料係由下列群 組至少其中之一選出：鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、 銅以及鈹，其中該機械加工製程係包括：在原料 上形成至少第一、第二及第三柱狀孔，以及原料 之該第二與第三柱狀孔係具有螺紋； (b) 提供一柱狀栓，該柱狀栓放置於該由機械加工製 成的光學元件的該第一柱狀孔内，其中該柱狀栓 係以垂直該光學元件的一平坦背面而伸出該平坦 背面； (c) 提供一基座，該基座係具有一平坦前面以及至少 第一、第二與第三柱狀孔，該等柱狀孔係垂直於 該平坦前面而由該平坦前面延伸進入該基座，其 中該基座的該複數個柱狀孔中至少第一與第二柱 狀孔係完全穿過該基座的厚度，該第一與第二螺 栓係分別配置於該基座的該第一與第二柱狀孔 内，該第一與第二螺栓之外徑係與該基座的該第 一與第二柱狀孔的内徑相對應； (d) 於步驟(b)後，藉由同步對位該從該光學元件伸出 的金屬栓與該基座的該第三孔、該光學元件的該 第二螺孔與該基座的該第一孔、以及該光學元件 的該第二螺孔與該基座的該第二孔，將該基座放 置於該光學元件上； (e) 在該基座與該光學元件對位的同時，該柱狀栓係 30 1269869 壓入該基座的該第三柱狀孔直到該光學元件的該 背面觸碰到該基座的該前面，其中，隨著前述插 入，該柱狀栓與該基座的該第三孔間的摩擦力將 可抑制該基座以垂直於該前面與該背面的軸線旋 轉，以及該基座的該第三柱狀孔與該柱狀栓間的 緊密亦限制該基座在該光學元件上的橫向位移， 以及 (f)在步驟(e)後，分別旋入該第一與第二螺栓於該光 B 學元件的該第二與第三螺孔，藉此得以該精度來 搞合該基座與該光學元件。 1L如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該步驟(a) 中更包含在該原料上以機械加工製成第四有螺紋的 柱狀孔，該基座更包括第四柱狀孔，該第四柱狀孔係 垂直於該平坦前面而由該平坦前面延伸進入該基 座，並且完全通過該基座的厚度，其中第三螺栓係置 入該基座的該第四柱狀孔，該第三螺栓之外徑係與在 該基座的第四柱狀孔的内徑相對應；步驟(f)中進一步 φ 包含有旋入該第四螺栓於光學元件的該第四螺孔。 12.如申請專利範圍第10項所述之方法，其中於步驟(e) 的該壓入步驟前，該柱狀栓的外徑係大於該基座上該 第三柱狀孔的内徑。 , 13.如申請專利範圍第10項所述之方法，其中步驟(b)更 包含將該柱狀栓壓入該機械加工製成光學元件的該 第一柱狀孔中。 14.如申請專利範圍第10項所述之方法，其中於步驟(b) 31 1269869 的该壓入步驟前’該柱狀栓 製成光學元件的該第一柱狀孔：二大㈣機械加工 .一種用則彡絲塊金屬光學元件的方法，係包含： 以工具機將原料製成一 ’、 有第-面以及與該第:上; 兀件的該第一面係包含一光 了中。亥整塊 T Ψ · ^ Λ 牛，5亥光學元件係由 制 出.水焦鏡以及準直鏡，苴中竽機;Η、τ Ϊ程;被用來形成第-柱狀孔，其中該二 第二面所定義的—平面而;二=係二垂直於該 孔係用以容納第-^ I , ^ —面，該第二柱狀 二面所定義的該平面而伸出：螺t係：f直於該第 係用以容納第二泛於H f心—面’該第三柱狀孔 面所定義的該平面而伸出螺：係以垂:於該第二 係由下列群組至少其=:亥=面紹以=令該原料 鋼、錄、銅以及鈹。 紹、紹合金、不錄 16. ==第I5項所述之方法’其中包含使用 第-與第二^形成該整塊金屬光學元件的該 17. =利 ^ 係二成第四柱狀孔，該第四柱狀孔 “義的該平面而延伸出該第二面。直於•一 .種用以形成光柵元件的方法，包含： 以工具機將原料形成此光柵元件的第—面、第一 32 1269869 柱狀孔，其中該第一柱狀孔係垂直於該第—面由該第 , —面延伸進入該原料，該第二柱狀孔係用以容納第一 螺栓’該第一螺栓係垂直於該第一面由該第一面延伸 ，入該原料’該第三柱狀孔制以額第二螺检，該 弟二螺栓係垂直於該第一面而由該第一面延伸進乂 该原料； y將一柱狀定位栓插入該第一柱狀孔，其中於插入 馨 =餘狀定錄係㈣直於該第—面而伸出該原 μ银虱基树脂複製法製造該光柵元件的第二 八中。亥第一面係由黏合於該機械加工 上=層所形成，以及該第二面包括-; /、中该原料係由下列群組至少其中之一琴 鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹。 * 元點鑽石車床μ去形成該光拇 20.如申請專利範圍第18項所述之方法，1㈣插入+ 項所述之方法’其中在壓入步 ;刚，錄狀定位栓的外㈣大於該第-柱狀孔的;; 22.::二7==8項所述之方法，其中該光柵元 專如圍$ 18項所述之方法，其中該光栅元 33 l269869 件的該第一面與該光柵元件的該第二 24·如申清專利範圍第π項所述之方法 件的該第—面與該光柵元 介於零度到九十度之間。^亥弟 面平行。 ’其中該光柵元 二面間的夾角係

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