TWI546523B - 多波段光譜分離裝置 - Google Patents

Description

多波段光譜分離裝置

本發明係有關一種光譜儀。具體而言，特別是一種多波段光譜分離裝置。

材料中每種原子都有自己的特徵譜線，特徵譜線可以透過光譜分析來鑒別物質的含量與種類，並進一步確認它的化學組成。舉凡半導體材料的純度、蔬果的甜度、疾病或食品檢測等，都可以透過光譜分析來確認。

近年來由於環境污染檢測、食品安全檢測、生醫病灶的判別與半導體材質檢測的相關技術逐漸受到重視，為因應檢測樣品的多樣化與急迫性，市場上逐漸開發出即時多波段檢測光譜分析儀。隨著檢測樣品的多樣性逐漸增加，樣品特性的差異性逐漸減少，為了有效鑑別待測物的差異性，目前市場上更開發出高解析度的光譜分析儀，在可見光波段的檢測大多選用1200lp/mm以上的光柵為主，然而，其所對應的光譜檢測波段範圍卻縮小至180nm以下，致使致單一光譜儀的檢測對象只侷限於某些特定物質，若要檢測此波段範圍以外的區域，須加裝高精密選轉裝置，旋轉繞射光柵至所需的波段範圍，再進行光譜儀的效正程序。但是，這種加入了精密旋轉機構的光譜儀架構，不但會增加系統的成本支出，亦無法保證光學系統的重複性與機構穩固性。且費時又繁複的檢測程序，將喪失光譜儀的 即時檢測能力。

有鑑於此，本發明之一目的在於提供一種多波段光譜分離裝置，包含第一拋物面反射鏡、複數個平面反射鏡、光柵以及第二拋物面反射鏡。第一拋物面反射鏡用以縮小入射光學訊號的發散角，並將其準直為準直光束；複數個平面反射鏡用以調整個波段主要訊號入射於光柵的入射角；光柵用以分離具有不同波長訊號成分的光束；第二拋物面反射鏡用以聚焦由光柵反射出之光學訊號於聚焦平面；其中複數個平面反射鏡具有不同的放置位置與角度。

其中，第一拋物面反射鏡，用以縮小準直光束之發散角，並產生準直光束，該準直光束之發散角之角度介於負10至正10度。

其中，該光柵係具有複數個直線刻痕，其中每一相鄰直線刻痕之間距D可介於0.6微米至5.0微米。

在一實施例中，該複數個平面反射鏡之第n個反射鏡可移動以進入該多波段光譜分離裝置之光束行進路徑，以反射第n波段之入射光束至該多波段光譜分離裝置之光柵，該光柵接收第n波段中心波長為λn的光束以θn的角度入射，再以各波段相同的繞射級數m與各波段相同的出射角度θd出射，使滿足一數學關係式D(sinθd-sinθn)=mλn。

在一實施例中，該複數個反射鏡之第n個反射鏡可以自身或延長為軸而轉動，以進入該多波段光譜分離裝置之光束行進路徑中，以反射第n波段之入射光束至該多波段光譜分離裝置之光柵，該光柵接收第n波段中心波長為λn的光束以θn的角度入射，再以各波段相同的繞射級數m與 各波段相同的出射角度θd出射，使滿足一數學關係式D(sinθd-sinθn)=mλn。

其中，該複數個反射鏡之第n個反射鏡可移動或轉動以離開該多波段光譜分離裝置之光束行進路徑。

關於本發明之優點與精神，可以藉由以下的實施方式及所附圖式得到進一步的瞭解。

11‧‧‧多波段光譜分離裝置

12‧‧‧第一拋物面反射鏡

13‧‧‧第一反射鏡

14‧‧‧第二反射鏡

15‧‧‧光柵

16‧‧‧第二拋物面反射鏡

17‧‧‧狹縫

18‧‧‧處理裝置

V‧‧‧光學訊號

C‧‧‧準直光束

圖1A係為本發明之一實施例示意圖。

圖1B係為本發明之另一實施例示意圖。

圖1C係為本發明之另一實施例示意圖。

圖2係為本發明之另一實施例示意圖。

以下將以圖式配合文字敘述揭露本發明的複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。此外，為簡化圖式起見，一些習知的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪出。

請參閱圖1A，本實施例之多波段光譜分離裝置11較佳包含第一拋物面反射鏡12、第二波段用之第二平面反射鏡13、第一波段用之第一平面反射鏡14、光柵15、第二拋物面反射鏡16、狹縫17以及處理裝置18。待測樣本所射入之光學訊號較佳為一種包含兩種波段波長的光學訊號V，光學訊號V較佳可透過狹縫17入射至兩波段光譜分離裝置11內部，透過狹縫17將光學訊號V中的空間雜光過濾，僅容許較窄範圍的發散光束入射。

過濾後的光學訊號V入射至第一拋物面反射鏡12，第一拋物面反射鏡12將光學訊號V準直化為準直光束C，並將其導引至第二波段用之第二平面反射鏡13上。於本實施例中，第一拋物面反射鏡12用以縮小準直光束C的發散角，其中發散角角度較佳係介於負10度至正10度。

第二波段用之第二平面反射鏡13將準直光束C反射至光柵15，光柵15用以接收第二波段用之第二平面反射鏡13反射出的準直光束C。由光柵15將入射的第二波段之準直光束C依照不同的波長成分進行分離。於本實施例中，光柵15較佳為一種線型光柵，但不以此為限。光柵15上具有複數個直線刻痕(圖未示)，其中每一相鄰直線刻痕之間距較佳可固定為D。其中，第二波段準直光束C之中心波長為λ2的光束以θ2的角度入射至光柵15，並以θd的角度由光柵15出射。於此情況下，此系統滿足以下的數學關係式：D(sinθd-sinθ2)=λ2。

接著，由第二拋物面反射鏡16將來自光柵15所反射主要之第二波段具有不同波長的光學訊號，分別聚焦至聚焦反射鏡16的焦平面中心位置附近或是處理裝置18的接收區內。處理裝置18可以是偵測裝置，較佳為一種光偵測器，但不以此為限。處理裝置18可依照光束照射的位置，判定所入射光束在各不同波長成份之組成比例。於其他較佳實施例中，處理裝置18也可以連接至外部的裝置(例如電腦或其他類似的裝置)進行後續的分析、儲存等處理作業。

請繼續參照圖1A，兩波段光譜分離裝置11較佳更包含第一波段用之第一平面反射鏡14，作用如同第二波段用之第二反射鏡13，用以將準直光束C反射至光柵15。需說明的是，本實施例之第一波段用之第一平 面反射鏡14與第二波段用之第二平面反射鏡13的擺放位置與角度不相同，如圖1A所示，較佳可放置於第二波段用之第二平面反射鏡13與第一拋物面反射鏡12之間。值得注意的是，第一波段用之第一平面反射鏡14可移動或轉動以進入或離開準直光束C在兩波段光譜分離裝置11中的行進路徑。於此實施例中，第一波段用之第一平面反射鏡14可以在垂直於準直光束C由第一拋物面反射鏡12至第二拋段用之第二平面反射鏡13的路徑上來回移動。第一波段用之第一平面反射鏡14可連接設置於移動裝置上，例如馬達或其他類似的移動裝置。

當第一波段用之第一平面反射鏡14進入準直光束C的路徑時，準直光束C會藉由第一波段用之第一平面反射鏡14反射至光柵15，此時準直光束C之第一波段中心波長為λ1的光束會以θ1的角度入射至光柵15。並且，藉由調整第一波段用之第一平面反射鏡14的擺放位置與光柵15之間的相對角度，可以使準直光束C之第一波段中心波長為λ1的光束同樣以θd的角度由光柵15出射。於此情況下，此系統滿足以下的數學關係式：D(sinθd-sinθ1)=λ1。類似地，再由第二拋物面反射鏡16將來自光柵15所反射第一波段具有不同波長的光學訊號分別聚焦至聚焦反射鏡16的焦平面中心位置附近或是處理裝置18的接收區內

綜合上述兩種情況，藉由調整第一波段用之第一平面反射鏡或第二波段用之第二平面反射鏡的擺放位置及其與光柵之間的相對角度，可以使各波段中心波長之準直光束分別以不同的入射角入射，再以各波段相同之出射角出射。並且滿足D(sinθd-sinθn)=λn之數學關係式。

據此設計，於本實施例的多波段光譜分離裝置11中，若為兩 波段光譜分離裝置為例，n的值為1與2。若為三波段光譜分離裝置，n的值為1，2與3，以此類推至多波段光譜分離裝置，n的值為1，2，…至n。

本發明之另一實施例，其整體架構與前述實施例大致相同，其差異在於第一波段用之第一平面反射鏡14的作動方式。如圖1B所示，第一波段用之第一平面反射鏡14係以某一端為支點，以轉動的方式進入準直光束C在兩波段光譜分離裝置11中的行進路徑。需說明的是，於此實施例中，第一波段用之第一平面反射鏡14係轉動90度的角度進入行進路徑中，但並不以此角度為限。第一波段用之第一平面反射鏡14可連接設置於轉動裝置或旋轉裝置上，以利轉動。其餘的作動機制與光行進方式與前述實施例相同，在此不另行贅述。

本發明之另一實施例，如圖1C所示，主要架構亦與前述實施例相同，其差異在於第一波段用之第一平面反射鏡14可以上下移動的方式來進入或離開準直光束C在兩波段光譜分離裝置11中的行進路徑。

本發明之另一實施例，利用單一平面反射鏡完成兩波段檢測訊號的切換，如圖2所示，平面反射鏡位於14的位置並與入射光束夾θ14的角度，使準直光束C之第一波段中心波長為λ1的光束會以θ1的角度入射至光柵15並且滿足D(sinθd-sinθ1)=λ1之數學關係式，用以檢測第一波段的光譜訊號。若要檢測第二波段的光譜訊號，反射鏡可沿入射光束行進方向移動至13的位置並與入射光束夾θ13的角度，使準直光束C之第二波段中心波長為λ2的光束會以θ2的角度入射至光柵15。並且滿足D(sinθd-sinθ2)=λ2之數學關係式。

相較於先前技術，本發明之多波段光譜分離裝置具有較簡單 之結構，能減少成本支出，並且，在相同解析度下，具有更寬廣的檢測波段範圍。

藉由以上具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制，任何熟知此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做各種更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

11‧‧‧多波段光譜分離裝置

12‧‧‧第一拋物面反射鏡

13‧‧‧第一反射鏡

14‧‧‧第二反射鏡

15‧‧‧光柵

16‧‧‧第二拋物面反射鏡

17‧‧‧狹縫

18‧‧‧處理裝置

V‧‧‧光學訊號

C‧‧‧準直光束

Claims (11)

1. 一種多波段光譜分離裝置，包含：一第一拋物面反射鏡，用以縮小入射光束之發散角為一準直光束；複數個平面反射鏡，係分別對應於不同波段的準直光束，該複數個平面反射鏡具有不同的放置位置與角度，用以分別反射不同波段的準直光束；一光柵，用以接收具不同入射角之複數個平面反射鏡反射出之準直光束，並分別將不同波段準直光束之不同波長光學訊號分離；以及一第二拋物面反射鏡，用以聚焦該光柵反射出之該具有不同波長光學訊號的光束於一焦平面。
2. 如請求項1所述之多波段光譜分離裝置，其中該光柵係具有複數個直線刻痕，其中每一相鄰直線刻痕之間距為D。
3. 如請求項2所述之多波段光譜分離裝置，其中該間距D介於0.6微米至5.0微米。
4. 如請求項1所述之多波段光譜分離裝置，其中該光柵接收第n波段中心波長為λn的光束以θn的角度入射，再以各波段相同的繞射級數m與相同的出射角度θd出射，使滿足一數學關係式D(sinθd-sinθn)=mλn，其中n為自然數，D為光柵直線刻痕之間距，且介於0.6微米至5.0微米之間。
5. 如請求項4所述之多波段光譜分離裝置，其中該複數個平面反射鏡之第n個平面反射鏡可移動以進入該多波段光譜分離裝置之光束行進路徑，以反射第n波段之入射光束至該多波段光譜分離裝置之光柵，使滿足該數學關係式，其中n為自然數。
6. 如請求項4所述之多波段光譜分離裝置，其中該複數個平面反射鏡之第n個平面反射鏡可轉動以進入該多波段光譜分離裝置之光束行進路徑，以反射第n波段之入射光束至該多波段光譜分離裝置之光柵，使滿足該數學關係式，其中n為自然數。
7. 如請求項6所述之複數個平面反射鏡之第n個平面反射鏡，可以自身之一端點為軸而轉動，其中n為自然數。
8. 如請求項1所述之多波段光譜分離裝置，其中該複數個平面反射鏡之第n個平面反射鏡可移動或轉動以離開該多波段光譜分離裝置之光束行進路徑，其中n為自然數。
9. 一種多波段光譜分離裝置，包含：一第一拋物面反射鏡，用以縮小入射光束之發散角為一準直光束；一平面反射鏡，用以反射不同波段之準直光束；一光柵，用以接收該反射鏡反射出之該準直光束，並將不同波段準直光束之不同波長光學訊號分離；以及一聚焦反射鏡，用以聚焦該光柵反射出之該具有不同波長光學訊號的光束於一焦平面；其中該平面反射鏡可沿入射光束之行進路徑移動並轉動，以反射入射光束至光柵。
10. 如請求項9所述之多波段光譜分離裝置，其中該光柵係具有複數個直線刻痕，其中每一相鄰直線刻痕之間距為D。
11. 如請求項9所述之多波段光譜分離裝置，其中該光柵接收第n波段中心波長為λn的光束以θn的角度入射，再以各波段相同的繞射級數m與相同的 出射角度θd出射，使滿足一數學關係式D(sinθd-sinθn)=mλn，其中n為自然數，D為光柵直線刻痕之間距，且介於0.6微米至5.0微米。