TWI519768B - 微型光譜儀 - Google Patents

Description

微型光譜儀

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種微型光譜儀。

光譜儀係一種非破壞性的檢測儀器，其例如可應用於辨認物質之成份組成與特性。於將光線打到物質上之後，利用光反射的原理，以及物質內組成結構對光不同頻段的反射、吸收或穿透的差異，光譜儀接收從此物質反射的光線之後，會呈現對應之光譜。由於不同物質會顯現個別特徵的光譜，如此進而得以辨認物質之成份組成與特性。

要達到如上之功效，光譜儀內部之各元件的位置配置必須很精確，如果任何元件有微小的平移、旋轉或損壞，都會影響到光譜儀所能達成的效用。因此如何可以使光譜儀中各元件可以精密且快速地配置到正確的位置上，實為業界所致力的方向之一。

本發明提供一種微型光譜儀，其光波導能固定光柵。

所謂的微型光譜儀，是一種微小型的光譜儀，其中之光柵為一微型繞射光柵，該微型繞射光柵一般係由微機電製程(MEMS)、半導體製程、光刻電鑄模造(Lithographie GaVanoformung Abformung，LIGA)或其他製程所製造出來，微型繞射光柵的光柵高度一般約有數十微米至數百微米，一方面因為微型繞射光柵厚度有限，一方面因為配合光柵製程所用材質一般都較易碎裂之故，微型繞射光柵的組裝與定位變得並不容易。

根據本發明之一方面，提出一種微型光譜儀，包括輸入部、影像擷取元件、微型繞射光柵以及波導裝置。微型繞射光柵用以將光學訊號分離為複數個光譜分量，並使這些光譜分量射向影像 擷取元件。光學訊號係於波導裝置中傳送，而波導裝置具有光柵容置槽。光柵容置槽具有兩相鄰的側壁，並位於輸入部與影像擷取元件之間。光柵容置槽用以容置微型繞射光柵，其中微型繞射光柵沿著這些側壁而抵住於波導裝置。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

50‧‧‧光學訊號

51‧‧‧光譜分量

60、61‧‧‧端點處

70‧‧‧轉折處

100‧‧‧微型光譜儀

200‧‧‧輸入部

300‧‧‧波導裝置

310‧‧‧光柵容置槽

311‧‧‧定位線

320‧‧‧第一波導板

330‧‧‧第二波導板

331‧‧‧開口

340‧‧‧側板

350‧‧‧空腔式波導

400‧‧‧影像擷取元件

500‧‧‧微型繞射光柵

600‧‧‧軟墊

700‧‧‧固定板

800‧‧‧保護板

D1‧‧‧第一厚度

D2‧‧‧第二厚度

θ‧‧‧轉折角度

α‧‧‧夾角

第1圖繪示實施例中微型光譜儀之分解圖。

第2圖繪示第1圖微型光譜儀部份俯視圖。

第3圖繪示第2圖沿A-A’虛線之剖面圖。

第4圖繪示第3圖之裝置加上固定板後之剖面圖。

第5圖繪示微型光譜儀的組裝方法流程圖。

第6圖繪示微型光譜儀的另一組裝方法流程圖。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並不會限縮本發明欲保護之範圍。此外，實施例中之圖式係省略不必要之元件，以清楚顯示本發明之技術特點。

以下說明請同時參照第1圖到第3圖。第1圖繪示實施例中微型光譜儀100之分解圖。第2圖繪示第1圖中微型光譜儀100部份之俯視圖。第3圖繪示第2圖之微型光譜儀沿剖面線A-A’之剖面圖。

微型光譜儀100包括一輸入部200、一影像擷取元件400、一微型繞射光柵500、一光柵容置槽310、一軟墊600以及一固定板700，較佳而言，微型光譜儀100更可包含一波導裝置300。

如上述之微型光譜儀100中，波導裝置300(如第1圖所示)包括一第一波導板320、一第二波導板330及二側板340。其中，第二波導板330係具有一開口331，光柵容置槽310(請參照第2圖)係由開口331與第一波導板320之上表面所定義。二側板340係設置於第一波導板320與第二波導板330之間，以形成一波導350，光學訊號50係於波導350中傳送，在設計的選擇上，波導350可例如是空腔式波導，但空腔中亦可填滿 適當的介質(例如玻璃、塑膠、或壓克力等)。第二波導板330之開口331的位置係對應至軟墊600之配置位置，於第二波導板330設置在二側板340上時，開口331係使軟墊600外露出來。

較佳地，如第1圖中之微型光譜儀100更包括一保護板800設置於第一波導板320之外部。在本實施例中，保護保800係設置於第一波導板320之一平面上，此平面相對於二側板340所在之平面。因為第一波導板320如果沒有保護板800的保護的話，則第一波導板320將直接暴露於外界，使得第一波導板320容易受到污損、敲擊及碰撞，造成微型光譜儀100內部元件偏移而影響微型光譜儀100的效能，或是造成微型光譜儀100的使用年限縮短。更進一步，使用固定板700可對波導裝置300形成更周全的保護，例如是保護板800與固定板700共同形成一空間，此空間用以容置波導裝置300，同時保護波導裝置300免於受到外界的污損與碰撞。

於本實施例中，光柵容置槽310係位於波導裝置300上以開口331定義出來的空間，但具體實施時，可選擇性的將光柵容置槽設置於微型光譜儀100之機殼(未繪示)、保護板800、或其他可以在輸入部200與影像擷取元件400之間安置微型繞射光柵500的適當機構上。輸入部200用以接收一光學訊號50。波導裝置300係用以讓光學訊號50於其中傳送，於本實施例中，波導裝置300具有一光柵容置槽310用以容置微型繞射光柵500，光柵容置槽310在本實施例中是一個矩形的區域，且基本上具有四面側壁，而這四面側壁也是開口331的側壁，其中兩相鄰的側壁將作為本實施例中定位微型繞射光柵500的定位線311，本實施例中另外的兩相鄰的側壁在定位上則無特定的作用(詳後述)。

微型繞射光柵500用以將於波導裝置300中傳送之光學訊號50分離為多個光譜分量51，並使此些光譜分量51射向影像擷取元件400。軟墊600係疊放在微型繞射光柵500之上，微型繞射光柵500與軟墊600係配置於光柵容置槽310中。於本實施例中，固定板700係設置於波導裝置300之上，對軟墊600施以一壓縮的力量，以使微型繞射光柵500固定於光柵容置槽310中，在設計的選擇上，固定板700亦可鎖定於微型光譜 儀100之機殼(未繪示)之上、或把保護板800擴大到超過波導裝置300而將固定板700鎖定在保護板800上，設計上只要足以對軟墊600施以壓縮之力量即可，因此固定板700亦可屬於微型光譜儀100之機殼之一部分或以微型光譜儀100之電路板(未繪示)充當之，未必要是一個獨立的元件，其設置位置也無特定限制。

另外，在本實施例中，微型光譜儀100之影像擷取元件400例如係設置在保護板800上，且影像擷取元件400為例如是電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)，或互補式金氧半元件(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)。另外，在本實施例中，輸入部200例如亦設置於保護板800上。

在本實施例中，微型光譜儀100之波導裝置300為飛鏢型結構。本實施例之飛鏢型結構具有一轉折處70，轉折處70延伸出二板狀物，此二板狀物形成一轉折角度θ，轉折角度θ例如是介在90到180度之間。此外，二板狀物遠離轉折處70的邊緣分別為端點處60與端點處61。本實施例之輸入部200設置於端點處61，影像擷取元件400設置於端點處60，而光柵容置槽310係設置於轉折處70。在本實施例中，保護板800之結構為對應於波導裝置300的飛鏢型結構，但這並非用以限縮本發明之精神與範圍，保護板800可為例如是矩形或其他形狀，波導裝置300則可以盡量的縮小使其剛好可以覆蓋住光學訊號50之行進路線，並將保護板800擴大到明顯超出波導裝置300的範圍，如此則可將上述光柵容置槽310設計在保護板800靠近轉折處70的地方，使微型繞射光柵恰可以接收來自輸入部200的光學訊號50進行分光。

接著，將針對微型光譜儀100中的微型繞射光柵500及軟墊600的位置關係做詳細的解說。於第2圖中，第二波導板330已設置在二側板340上，但未繪示固定板700。微型繞射光柵500設置於第一波導板320上，在本實施例中微型繞射光柵500為一切割成具有實質上矩形輪廓的晶片，其組裝時可移動的範圍為光柵容置槽310的區域，也就是第2圖之矩形區域，此光柵容置槽310矩形區域中一組相鄰邊係由第二波導板330之開口331的兩相鄰側壁定義。詳細地說，此第二波導板330上相鄰二邊係 形成開口331之相鄰二側壁。光柵容置槽310矩形區域之另外相鄰二邊則由側板340定義(此二相鄰邊在定位上無特定的作用，詳如下述)。

軟墊600疊放在微型繞射光柵500之上。在本實施例中，軟墊600係以黏性物質疊放黏貼於微型繞射光柵500之上，設計選擇上亦可簡單的疊放接觸而不以黏性物質黏貼。軟墊600之操作係例如施予一外力以撥動軟墊600來帶動微型繞射光柵500向前移動。因此，施加一外力使軟墊600往第二波導板330之開口331之左前側靠近光學訊號50行進的一方(也就是光柵容置槽310之左前側)靠近時，微型繞射光柵500也連同往第二波導板330之開口331之左前側(也就是光柵容置槽310之左前側)靠近，一直移動到碰到第二波導板330之開口331左前側二相鄰的側壁後，微型繞射光柵500會抵住第二波導板330的開口331左前側的二相鄰的側壁，使微型繞射光柵500之設置位置確定，並沿著光柵容置槽310左前側的二相鄰側壁而抵住於波導裝置300。也就是說，微型繞射光柵500的相鄰兩側的壁面會分別接觸光柵容置槽310的兩相鄰側壁，如第2與3圖所示。設計上光柵容置槽310之矩形區域的左前側的二相鄰邊--也就是本實施例中的第二波導板330的開口331左前側的二相鄰側壁--所交叉的夾角α就是作為定位微型繞射光柵500在整體光譜儀光路的正確位置的定位線311。

此一定位線311所在位置係在整體光譜儀設計時預先設計好的，當微型繞射光柵500靠緊在定位線311上時，微型繞射光柵500就會被置放在預先設計的光路中光柵應該放置的正確位置上，而藉由本實施例的軟墊600之操作模式，則可以輕易的將微型繞射光柵500置放在精確的位置。在本實施例中，夾角α係為一矩形夾角。

當然，具有一矩形夾角的定位線311的光柵容置槽310來定位具有矩形輪廓的微型繞射光柵500只是設計上的選擇之一，三角形、非直角的四邊形、其他多邊型或其他足以定位的形狀(如橢圓形、特定曲線等)的邊緣，都可以採用作為微型繞射光柵500的定位線311，只要能與微型繞射光柵500之輪廓配合，或者將微型繞射光柵500之輪廓切割成可以與光柵容置槽310之定位線311所構成的形狀配合即可，雖然有製作上是否比 較麻煩或成本較高的問題，但都不脫本案之發明精神。由上得知，軟墊600配合光柵容置槽310之設計具體改善了微型繞射光柵500設置之方便性與精確性。

請參照第3圖做更進一步的說明。因為側板340的厚度小於微型繞射光柵500的厚度，且如第3圖所示，在光柵容置槽310之左側，第二波導板330向右凸出於側板340，使微型繞射光柵500可抵住第二波導板330以確定微型繞射光柵500的位置。第二波導板330上的開口331係依據微型光譜儀100之光路設計來決定開口331的位置，不同的光路需求就對應到不同的開口331位置，據此設計好的開口331位置則用以決定微型繞射光柵500設置的位置。

上述內容說明如何決定微型繞射光柵500位置並將微型繞射光柵500精準的移動到預期的位置，接下來請同時參照第3圖與第4圖更進一步說明微型繞射光柵500位置確定後如何固定住微型繞射光柵500，其中第4圖繪示第3圖之光譜儀加上固定板700後之剖面圖。

請參照第3圖，第一厚度D1為微型繞射光柵500及軟墊600的厚度總和，第二厚度D2為側板340及第二波導板330的厚度總和。在第3圖中，第一厚度D1大於第二厚度D2。其中，軟墊600係由具有彈性的材質製成，例如是矽膠。利用具有彈性的材質遭到壓縮後具有恢復力使其恢復至初始狀態的性質，來固定住微型繞射光柵500。

請參照第4圖，設置上固定板700後，固定板700覆蓋住軟墊600並且壓縮軟墊600使其厚度變小，於固定板700設置後，微型繞射光柵500及軟墊600的厚度將改變為第二厚度D2(第一厚度D1大於第二厚度D2)。被壓縮的軟墊600為了恢復原本的厚度，所以同時對微型繞射光柵500及固定板700施加恢復力，此時微型繞射光柵500因為軟墊600的恢復力而固定在光柵容置槽310中。

再者，由於微型光譜儀100走向微型化的趨勢，微型繞射光柵500本身之製造也是越來越微小與精密。為了符合微型化的趨勢，微型繞射光柵500可使用半導體技術製造，因此微型繞射光柵500的材質例如是矽晶、三五族半導體材料或單晶材料。在使用半導體相關材料製造微型 繞射光柵500的趨勢下，像例如是矽晶、三五族半導體材料或單晶材料這類材料，容易因為外力施加過大造成微型繞射光柵500碎裂，因此使用具有彈性材質的軟墊600，除了可固定住微型繞射光柵500外，也不用擔心因為施加過大的外力讓微型繞射光柵500損傷。

另一方面，本發明亦提出微型光譜儀100的組裝方法，以下說明請參照第5圖，第5圖繪示微型光譜儀100的組裝方法流程圖。在本實施例仍如第1圖所示，係針對一種具有波導裝置300的微型光譜儀100，並採用將光柵容置槽310設置於波導裝置300上以開口331定義出來的空間的做法。首先，在步驟S101中，提供一波導裝置300，該波導裝置300係供一光學訊號50係於該波導裝置300中傳送，波導裝置300具有一光柵容置槽310。

接著，在步驟S102中，配置一輸入部200於光學訊號50之傳送路徑之起點，用以接收光學訊號50。然後，在步驟S103中，配置一影像擷取元件400於光學訊號50之傳送路徑之終點。接著，在步驟S104中，提供一微型繞射光柵500與一軟墊600，軟墊600疊放於微型繞射光柵500之上，藉由移動軟墊600，使微型繞射光柵500放置於光柵容置槽310中且位於光學訊號50之傳送路徑上，用以將於波導裝置300中傳送之光學訊號50分離為多個光譜分量51，並使此些光譜分量51射向影像擷取元件400。

然後，在步驟S105中，提供一固定板700，於本實施例中，固定板700係設置於波導裝置300上並覆蓋光柵容置槽310，固定板700更壓縮軟墊600，以使微型繞射光柵500固定於光柵容置槽310中，在設計上的選擇中，固定板700也可以鎖定於微型光譜儀100之機殼(未繪示)之上、或把保護板800擴大到超過波導裝置300而將固定板700鎖定在保護板800上，設計上只要足以對軟墊600施以壓縮之力量即可，因此固定板700亦可屬於微型光譜儀100之機殼之一部分或以微型光譜儀100之電路板(未繪示)充當之，未必要是一個獨立的元件，其設置位置也無特定限制。

另一微型光譜儀100的組裝方法，請參照第6圖。第6圖繪示微型光譜儀的另一組裝方法流程圖。在第6圖中，步驟S201~S205與第 5圖之步驟S101~S105類似，因此不予贅述。在步驟S206中，提供保護板800於波導裝置的外部，在本實施例中，保護板800係安裝於波導裝置300之一平面上，此平面係相對於固定板700之平面，用以保護波導裝置300免於受到外界的碰撞與污損。

本發明上述實施例所揭露之微型光譜儀，係使用軟墊疊合微型繞射光柵之技術手段達到可精確設置微型繞射光柵位置以及免除外力施加過大壓壞光柵的狀況。微型繞射光柵本身即為小型的元件，移動或是翻轉都是不易的事情，更遑論精確的設置到所預定的位置。尤其在光譜儀微型化的現代，光譜儀做得越來越小，對於內部光學傳送的精確性要求更是大幅提高，而微型繞射光柵為微型光譜儀中最重要的元件，其設置些微的偏差或損壞，即造成微型光譜儀的精確性與效能之降低。

習知技術中對於光柵的移動翻轉僅能針對光柵本身操作，微型化後更小的微型繞射光柵只會使光柵設置與移動之精確度要求提高。本發明之實施例中，使用軟墊疊合微型繞射光柵之設計，使得藉由移動軟墊，間接達到移動微型繞射光柵之效果。

更進一步地，在微型光譜儀中定義光柵容置槽之位置可確定微型繞射光柵設置位置，再藉由移動軟墊使微型繞射光柵抵住光柵容置槽之定位邊或定位線使微型繞射光柵移到所預定之位置。接著，使用固定板覆蓋並壓縮軟墊，利用軟墊的恢復力使微型繞射光柵固定住在光柵容置槽中。使用具有彈性的軟性材質來固定微型繞射光柵不僅不用擔心施力過大損傷微型繞射光柵的問題，也不會因為施力太小使得微型繞射光柵鬆脫。另一方面，本發明亦提出微型光譜儀之組裝方法，此組裝流程簡單易懂，不需要繁雜的程序即可組裝出光譜儀。

整體而言，本發明之實施例解決以往微型光譜儀中微型繞射光柵設置不易的問題，更進步一地提供在設置微型繞射光柵時避免壓壞微型繞射光柵之技術手段。尤其是使用易碎材質例如是半導體材料時，此技術手段更是使安裝微型繞射光柵變得精準且安全的關鍵。甚者，本發明所提出的實施例之微型光譜儀組裝方法簡單不繁雜，使微型光譜儀的製程更具便利性與精確性。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

50‧‧‧光學訊號

51‧‧‧光譜分量

60、61‧‧‧端點處

70‧‧‧轉折處

100‧‧‧微型光譜儀

200‧‧‧輸入部

300‧‧‧波導裝置

311‧‧‧定位線

320‧‧‧第一波導板

330‧‧‧第二波導板

331‧‧‧開口

340‧‧‧側板

350‧‧‧空腔式波導

400‧‧‧影像擷取元件

500‧‧‧微型繞射光柵

600‧‧‧軟墊

700‧‧‧固定板

800‧‧‧保護板

θ‧‧‧轉折角度

α‧‧‧夾角

Claims (10)

1. 一種微型光譜儀，包括：一輸入部，用以接收一光學訊號；一影像擷取元件；一微型繞射光柵，用以將該光學訊號分離為複數個光譜分量，並使該些光譜分量射向該影像擷取元件；及一波導裝置，該光學訊號係於該波導裝置中傳送，該波導裝置具有一光柵容置槽，該光柵容置槽具有兩相鄰的側壁，並位於該輸入部與該影像擷取元件之間，用以容置該微型繞射光柵，其中該微型繞射光柵沿著該些側壁而抵住於該波導裝置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀，更包括一軟墊，係疊放於該微型繞射光柵之上，該微型繞射光柵與該軟墊係配置於該光柵容置槽中。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微型光譜儀，更包括一固定板，該固定板係對該軟墊施以一壓縮之力量，使該微型繞射光柵固定於該光柵容置槽中。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀，其中該光柵容置槽具有一定位線，該定位線構成一預設的形狀，該形狀與該微型繞射光柵之輪廓配合，使該微型繞射光柵根據該定位線進行組裝定位。
5. 如申請專利範圍第4項所述之微型光譜儀，其中該微型繞射光柵之輪廓實質上係為一四邊形，該定位線交叉構成一夾角，該微型繞射光柵係將該四邊形預設的兩相鄰邊緊靠於該夾角進行組裝定位。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀，其中該波導裝置包括： 一第一波導板與一第二波導板，該第二波導板係具有一開口，該光柵容置槽係由該開口與該第一波導板之上表面所定義，且該開口具有該些側壁。
7. 如申請專利範圍第3項所述之微型光譜儀，其中該波導裝置包括：一第一波導板與一第二波導板，該第二波導板係具有一開口，該光柵容置槽係由該開口與該第一波導板之上表面所定義，且該開口具有該些側壁。
8. 如申請專利範圍第7項所述之微型光譜儀，其中該波導裝置更包括：二側板，係設置於該第一波導板與該第二波導板之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之微型光譜儀，其中該軟墊與該微型繞射光柵之厚度之和為一第一厚度，而該二側板之一與該第二波導板厚度之和為一第二厚度，該第一厚度係大於該第二厚度。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微型光譜儀，該波導裝置為一飛鏢型結構，該飛鏢型結構具有一轉折處，該光柵容置槽係設置於該轉折處。