TWI610066B - 光譜儀及其製作方法 - Google Patents

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Abstract

一種光譜儀，包括一輸入部、一繞射光柵、一影像感測 器及一波導裝置。輸入部用以接收一光學訊號。繞射光柵用以將光學訊號分離成多個光譜分量。影像感測器配置於至少部分的這些光譜分量的傳遞路徑上。波導裝置包括一第一反射面及一第二反射面。第一反射面與第二反射面之間形成一波導空間，光學訊號從輸入部經由波導空間傳遞至繞射光柵。至少部分的這些光譜分量從波導空間傳遞至影像感測器。波導裝置上形成有至少一開口，開口實質上平行於第一反射面與第二反射面的至少其中之一。一種光譜儀的製作方法亦被提出。

Description

光譜儀及其製作方法
本發明是有關於一種光學裝置及其製作方法，且特別是有關於一種光譜儀及其製作方法。
光譜儀是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。在將光線打到物質上之後，利用光反射或穿透的原理，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或穿透此物質的光線之後，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。
為了減少光線損失，光譜儀通常包含波導裝置來導引光線在內部通道中行進，以讓光譜儀的影像感測器可以感測到繞射光柵所產生的光譜。傳統的設計方式，都是將影像感測器緊貼著波導裝置，這樣最能減少光線損失。然而，本案發明人發現，影像感測器緊貼著波導裝置的設計會由於拖尾效應而造成光譜解析度降低，甚至造成所測得的光譜數據(如強度與波長)不正確。
本案所謂的「拖尾效應」，是因為光柵所產生的「像散(Astigmatism)」而產生。此現象在繞射光柵手冊(Diffraction Grating Handbook)第六版(作者為Newport Corporation的Christopher Palmer，第一版的作者為Erwin Loewen)的第90頁第一段及第94頁圖7-3及第111頁第三段及112頁圖8-1b及其說明有提到。詳細而言，當採用的凹面光柵屬於「柱面」光柵，其只能作徑向面(Tangential plane，即為子午面，實質上為水平面)上光束的聚焦，垂直面(Sagittal plane，即弧矢面)上光束無法聚焦。加上，當光線斜向入射於光柵，從波導投影出來的子午影像(Tangential focus)會呈現「彎月」狀。這種彎月狀影像的現象，即是上述的「拖尾效應」。由於彎月狀影像並非一個點狀焦點，因此會造成光譜解析度的降低。此外，由於彎月狀影像會被其波長所對應的影像感測器的像素周圍的其他像素感測到，所以亦會造成所測得的光譜數據(如強度與波長)不正確。
本發明提供一種光譜儀，其能改善因繞射光柵所產生的像散而導致的低解析度。
本發明提供一種光譜儀的製作方法，其能夠製作上述光譜儀。
本發明的一實施例提出一種光譜儀，包括一輸入部、一繞射光柵、一影像感測器及一波導裝置。輸入部用以接收一光學 訊號。繞射光柵配置於來自輸入部的光學訊號的傳遞路徑上，且用以將光學訊號分離成多個光譜分量。影像感測器配置於至少部分的這些光譜分量的傳遞路徑上。波導裝置包括一第一反射面及一第二反射面。第一反射面與第二反射面之間形成一波導空間，光學訊號從輸入部經由波導空間傳遞至繞射光柵。至少部分的這些光譜分量經由波導空間傳遞至影像感測器。波導裝置上形成有至少一開口，上述開口實質上平行於第一反射面與第二反射面的至少其中之一，且這些弧矢方向的光譜分量及光學訊號的至少其中之一有部分從開口發散至波導空間之外而不射入影像感測器。
本發明的一實施例提出一種光譜儀的製作方法，包括：利用一模擬程序決定一光譜儀的一輸入部、一繞射光柵、一影像感測器及一波導裝置的多個參數；以及依照這些參數配置輸入部、繞射光柵、波導裝置及影像感測器。輸入部用以接收一光學訊號，繞射光柵配置於來自輸入部的光學訊號的傳遞路徑上，且用以將光學訊號分離成多個光譜分量。影像感測器配置於至少部分的這些光譜分量的傳遞路徑上。波導裝置包括一第一反射面及一第二反射面，第一反射面與第二反射面之間形成一波導空間，光學訊號從輸入部經由波導空間傳遞至繞射光柵。至少部分的這些光譜分量經由波導空間傳遞至影像感測器。波導裝置上形成有至少一開口，上述開口實質上平行於第一反射面與第二反射面的至少其中之一，這些光譜分量及光學訊號的至少其中之一有部分從開口發散至波導空間之外而不射入影像感測器。其中，模擬程 序所決定的這些參數包括上述開口在光波傳導的方向上的寬度。
在本發明的實施例的光譜儀及其製作方法中，由於波導裝置上形成有至少一開口，使得光譜分量及光學訊號的至少其中之一中具有大發散角的部分從開口發散至影像感測器以外之處，因此光譜分量中會造成拖尾效應的部分可以從開口往較不會傳遞至影像感測器的方向發散。如此一來，便可以使光譜儀所感測到的光譜較為正確且光譜解析度較高。
為讓本發明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。
1‧‧‧光譜儀
10‧‧‧本體
12‧‧‧光補捉結構
20‧‧‧輸入部
30‧‧‧繞射光柵
40‧‧‧影像感測器
40S‧‧‧感測面
44‧‧‧感測元
50‧‧‧波導裝置
501、501a、501b‧‧‧開口
51‧‧‧第一反射鏡
52‧‧‧第一反射面
54、543、543’‧‧‧延伸段
55、551、552‧‧‧波導部
56‧‧‧第二反射鏡
57‧‧‧第二反射面
60‧‧‧電路板
C1、C2‧‧‧切面
O、N‧‧‧點
E1、E11、E12、E13‧‧‧末端
E55、E551、E552、E553‧‧‧出光端
F、H‧‧‧端部
G、G1、G2‧‧‧寬度
d‧‧‧節距
hh‧‧‧高度
h‧‧‧寬度
MP‧‧‧子午面
OP1‧‧‧第一光路
OP2‧‧‧第二光路
RC‧‧‧羅蘭圓
S‧‧‧波導空間
S1、S2‧‧‧光學訊號
S3‧‧‧光譜分量
S110、S120‧‧‧步驟
SP‧‧‧弧矢面
圖1顯示依據本發明之實施例之光譜儀之俯視圖。
圖2A顯示依據本發明實施例之光譜儀之立體圖。
圖2B為圖2A中的波導裝置與影像感測器的俯視圖。
圖2C與2D分別顯示依據本發明實施例之光譜儀之入光與出光狀態的剖面圖。
圖3A至圖3C顯示於感測器上之感測面上之模擬之繞射影像之分佈。
圖4A至圖4D繪示圖2B之開口的其他四種變化。
圖5為本發明的另一實施例的光譜儀之入光狀態的剖面圖。
圖6為本發明之一實施例之光譜儀的製作方法的流程圖。
圖1顯示依據本發明之實施例之光譜儀之俯視圖，而圖2A顯示依據本發明之一實施例之光譜儀1之立體圖。請參照圖1與圖2A，光譜儀1包含一輸入部20、一繞射光柵30、一影像感測器40及一波導裝置50。
在本實施例中，輸入部20、繞射光柵30、影像感測器40及波導裝置50都配置在一本體10中，而輸入部20、繞射光柵30及影像感測器40配置於羅蘭圓RC上，如圖1所示。本體10例如是光譜儀1的殼體(housing)，或者是用來裝設輸入部20、繞射光柵30、影像感測器40以及波導裝置50的架體(frame)。
繞射光柵30具有兩個端部F及H，繞射光柵30之波長分佈平面界定為子午面(tangential plane)MP。位於點A的輸入部20及位於點B的影像感測器40係位於同一平面MP上。繞射光柵30凹面的形狀一圓柱面(cylindrical surface)，而刻痕(grooves)則分佈於前述凹面。
Figure TWI610066BD00001
為羅蘭圓RC之直徑，也等於繞射光柵30凹面的曲率半徑。點O與點N也位於羅蘭圓RC上，而Δθ為入射光束之水平發散角。
輸入部20通常包含一狹縫(slit)，並裝設於本體10。輸入部20用以接收一光學訊號S1。光學訊號S1在通過輸入部20的狹縫後標記為光學訊號S2，而光學訊號S2沿著一第一光路OP1行進。光學訊號S1譬如是從光纖、外部環境、被待測物反射、或穿透待測物而來的光。
具有高度hh的繞射光柵30裝設於本體10，並配置於來自輸入部20的光學訊號S2的傳遞路徑上。繞射光柵30用以接收光學訊號S2，並將光學訊號S2分離成多個光譜分量S3。影像感測器40配置於至少部分的這些光譜分量S3的傳遞路徑上。在本實施例中，此等光譜分量S3包含至少一特定光譜分量，並分別沿著多條第二光路OP2行進。在本實施例中，繞射光柵30為一反射式凹面光柵，且將上述至少部分的這些光譜分量S3聚焦於影像感測器40的感測面40S(如圖2B所繪示)。
這些本實施例中影像感測器40所偵測到的光譜分量S3例如是屬於負三階的繞射光，但本發明不以此為限。在其他實施例中，影像感測器40所偵測到的光譜分量亦可以是屬於其他階的繞射光。
請再搭配參照圖2B至圖2D，波導裝置50裝設於本體10，並具有兩個彼此面對之第一反射面52與第二反射面57。波導裝置50能將第一光路OP1及第二光路OP2限制於第一反射面52與第二反射面57之間，以導引光學訊號S2及光譜分量S3。第一反射面52與第二反射面57之間形成一波導空間S，光學訊號S2從輸入部20經由波導空間S傳遞至繞射光柵30。至少一特定光譜分量S3經由波導空間S傳遞至影像感測器40。在本實施例中，至少一特定光譜分量S3經由波導空間S傳遞至波導空間S的一末端E1，並從末端E1出射。
影像感測器40裝設於本體10，並用以接收光譜分量S3。 影像感測器40包括至少一感測元44，感測元44具有感測面40S。影像感測器40的感測元44能配置於這些光譜分量S3的至少其中之一的聚焦位置上，並感測光譜分量S3(即特定光譜分量)，以使感測元44能將接收到的特定光譜分量傳到電腦或處理器進行處理。此外，影像感測器40可配置至於一電路板60上，並與電路板60電性連接。
在本實施例中，波導裝置50上形成有至少一開口501，開口501實質上平行於第一反射面52與第二反射面57的至少其中之一，且這些光譜分量S3及光學訊號S2的至少其中之一(在本實施例中例如是光譜分量S3)有部分從開口501發散至波導光間S之外而不射入影像感測器40。波導裝置50具有一朝向輸入部的收光側及一朝向影像感測器的出光側，且開口501可位於波導裝置50的收光側的延伸末端的切面C1與繞射光柵50之間的位置及波導裝置50的出光側的延伸末端的切面C2與繞射光柵50之間的位置的至少其中一。在本實施例中，波導裝置50更包括至少一延伸段54(在圖2B中是以兩個延伸段54為例)。延伸段54從波導空間S的末端E1往影像感測器40延伸，以定義出位於末端E1與影像感測器40之間的開口501。在本實施例中，延伸段54延伸至影像感測器40，並抵靠影像感測器40，而開口501為一缺口，且開口501在光波傳導的方向上的寬度G在本實施例中為末端E1與影像感測器40間保持的距離。當開口501位於繞射光柵30與影像感測器40之間時，上述「光波傳導的方向」即為光譜分量S2 的光波在波導空間S中傳導的方向，且定義為繞射光柵30的中心至影像感測器40的中心的方向；當開口501位於輸入部20與繞射光柵50之間時，上述「光波傳導的方向即為光學訊號S2的光波在波導空間S中的傳導方向，且定義為輸入部20的中心至繞射光柵50的中心的方向。在另一實施例中，延伸段54亦可以抵靠與影像感測器40相連的元件，以使末端E1與影像感測器40之間形成開口501，其中此元件可以是與影像感測器40相連的基座、墊片、本體10或電路板60。
在本實施例中，波導裝置50包括一第一反射鏡51及一第二反射鏡56。第一反射鏡51包括波導部55及延伸段54，其中延伸段54連接波導部55。波導部55具有出光端E55，而出光端E55朝向感測面40S延伸，並定義出波導空間S的末端E1。第一反射鏡51具有第一反射面52，而第二反射鏡56具有第二反射面57，其中第一反射面52與第二反射面57彼此面對面(face to face)。
圖2C與2D分別顯示依據本發明實施例之光譜儀之入光與出光狀態的剖面圖。請參見圖2C至圖2D，當感測元44的數目為多個時，這些感測元44可沿著垂直於圖2D的紙面的方向(即沿著圖2B的水平方向)排成一線(line)，或是排成陣列(array)。當這些感測元44排成一直線時，可以與自由曲面繞射光柵相搭配，因為自由曲面繞射光柵能將光譜分量S3聚焦在一直線上。在其他實施例中，繞射光柵50也可以是美國專利第9,146,155號所揭露的光柵。
此外，請看圖2D，開口501的寬度G會與感測面40S的寬度h有關，其中寬度h可以實質上垂直於第一反射面52與第二反射面57。
上述的寬度G的大小可利用理論來推導及/或是由軟體模擬所獲得。以下將舉例說明如何利用軟體模擬決定寬度G的大小。
藉由使用射線追蹤軟體TracePro來模擬平板式波導微型光柵(Slab-Waveguide Micro-Grating,SWMG)系統之射線追蹤，軟體TracePro能利用使用者提供之繞射效率來處理光柵繞射之光束。光柵之嚴格之繞射效率計算可以藉由使用軟體PCGrate而執行。
影像感測器40的感測面40S係被置放成能使其中心位於羅蘭圓RC上之繞射光聚焦點，且其表面係垂直於來自點O之主光束，如圖1所示。亦即，影像感測器40的感測面40S係位於焦面上。於本實施例中，使用1.50mm(水平尺寸)*0.90mm(垂直尺寸)之感測器來作模擬。尤其，在使用軟體作模擬時，寬度G可以被改變，而入射光束之垂直(在圖2A之弧矢面(sagittal plane)SP上)的發散半角也會改變，但影像感測器40的位置是固定不變。在所有模擬中，入射光束之水平的(在子午面上)發散半角維持於12°。
圖3A至圖3C顯示於影像感測器上之感測面上之模擬之繞射影像之分佈，其分別對應至寬度G=1、3與5mm。請參閱圖3A至圖3C，繞射光影像失真分割成為兩個尾部，而形成一彎月形 分佈。關於在模擬中之最寬之寬度(G=5mm)，在y方向之強度分佈係實際上大於模擬之感測面40S的寬度h。因此，顯示於圖3C之分佈係在y方向被截去，而沒有完全如圖3A與3B所示地被擷取進入到影像感測器40中。由圖3A至圖3C可知，當寬度G越大，彎月成像越不彎曲，而愈可使影像感測器40不偵測到彎月成像的兩個尾部，進而使影像感測器40所偵測到的光譜較不受到拖尾效應(即像散產生的效應)的影響。然而，當寬度G越大，彎月成像越不彎曲，因此進入感測面40S內(即h範圍內)的光能量越少(從圖3A與圖3C的比較可明顯得知)，會導致光譜訊號越弱。因此，可因應實際使用需求選擇適當的寬度G的值。
在圖3A至圖3C中以h表示之垂直像素尺寸(即感測面40S的寬度h)，其例如為200μm，其為商業上可購得之影像感測器40的感測面40S的寬度h，其他商業上可購得影像感測器40的垂直像素尺寸尚有50μm、500μm或其他尺寸。為了於直線狀影像感測器40上收集更多光訊號，可使用較大的垂直像素尺寸。然而，較大的垂直像素尺寸包含更多部分之彎月形影像的尾部(參見圖3A至圖3C)，並導致不正確的波長讀數。由此可知，除了可因應實際需求選擇適當的寬度G的值之外，亦可搭配選擇適當的寬度h值。
於本發明的實施例中，已經巧妙地設計一種用以從光譜數據中移除拖尾效應之程序，所採取的方式是：(1)先採用軟體來模擬採用不同的寬度G時所產生的結果；以及(2)選擇直線狀影像 感測器之適當的垂直像素尺寸(即寬度h)。藉由允許在感測器平面與波導邊緣之間之某個間隙，合成的焦點圖案在偵測器平面上擴張成彎月形分佈(參見圖3A至圖3C)。以垂直像素高度(即寬度h)(參見圖3A至圖3C)安置於y=0，直線狀影像感測器只擷取彎月形影像分佈之中央部分。使用此種G-h調整機制，本發明的實施例已可完全解決拖尾效應之問題。
藉此，設計者可以輕易依據影像感測器之參數來獲得或調整上述寬度G，以有效消除拖尾效應所造成的不良影響。傳統光譜儀的設計規範是為了減少光損，一定要將平面波導緊靠影像感測器。反觀本發明之實施例則是完全跳脫傳統光譜儀的設計規範，藉以讓影像感測器可以得到良好的光譜數據。
值得注意的是，雖然本發明的實施例中係以羅蘭圓及固定節距d的繞射光柵來說明，但是因為羅蘭圓及固定節距d的繞射光柵是繞射理論的基礎，所以本發明的實施例亦同時適用於非羅蘭圓及非固定節距的繞射光柵，且繞射光柵的輪廓可以包含直線、圓弧或其他曲面，所以輸入部20和影像感測器40上可以不必位於羅蘭圓RC上。
在本實施例的光譜儀1中，由於末端E1與影像感測器40間存在開口501，因此光譜分量S3中會造成拖尾效應的部分(發散角較大的部分)可以從波導空間S的末端E1往較不會傳遞至感測面40S的方向發散。如此一來，便可以使光譜儀1所感測到的光譜較不受到拖尾效應的影響。
在本實施例中，延伸段54與出光端E55旁形成的開口501為一光散逸缺口，且開口501位於光傳遞路徑(例如圖1之第二光路OP2)正投影至第一反射鏡51之第一反射面52之延伸面的位置。在圖2B中，延伸段54的數量是以兩個為例。然而，在其他實施例中，若寬度G可以維持，延伸段54也可以只有一個，例如只有圖2B右方的延伸段54。
在本實施例中，開口501的寬度G會影響上述至少部分的這些光譜分量S3的彎月形分佈，感測面40S於平行於第一反射面52的法線的方向上的寬度h會影響影像感測器40的積分範圍，由輸入部20射入波導空間S的光學訊號S2在平行於第一反射面52的法線的方向的發散半角(弧矢面上光束的發散半角)會影響彎月形的擴張。上述模擬程序透過開口501在光波傳導的方向上的寬度G、上述發散半角與感測面40S於平行於第一反射面52的法線的方向上的寬度h相配合，開口501的寬度G允許這些光譜分量有部分沿平行於第一反射面52的法線的方向發散，使發散半角衍生的彎月形分佈的兩個尾部大致上不落入影像感測器40的積分範圍中。
在本實施例中，開口501的寬度G大於或等於1毫米。在一實施例中，開口501的寬度G是落在從1毫米至5毫米的範圍中。
在本實施例中，是以第一反射鏡51具有抵靠影像感測器40的延伸段54為例，而第二反射鏡56則不抵靠影像感測器40。 然而，在其他實施例中，也可以是第二反射鏡56具有出光端(如出光端E55)及抵靠影像感測器40的延伸段(如延伸段54)，而第一反射鏡51不抵靠影像感測器40且不具有延伸段54。或者，在其他實施例中，也可以是第一反射鏡51與第二反射鏡56都各自具有出光端E55與抵靠影像感測器40的延伸段54。此外，在本實施例中，是以第一反射鏡51具有開口501而第二反射鏡56不具有開口501為例。然而，在其他實施例中，亦可以是第二反射鏡56具有開口501而第一反射鏡51不具有開口501，或者是第一反射鏡51與第二反射鏡56都具有開口501。
在本實施例中，光譜儀1更包括一光補捉結構12(如圖2D所繪示)，配置於波導空間S外，且用以吸收從開口501發散的光。光補捉結構12可以是設於本體10(即光譜儀1的殼體)上的鋸齒狀表面結構或其他適當的非平面表面結構，其上可鍍有吸光層。當從開口501發散的光入射光補捉結構12時，鋸齒狀表面結構會不斷地將光往鋸齒狀凹陷底部反射，且每反射一次吸光層就多吸收一次光。因此，光補捉結構12可以有效地將從開口501發散的光吸收，以有效減少此光變成射入影像感測器40的雜散光的機會。在另一實施例中，本體10內表面有可以鍍有吸光層，此吸光層吸收從開口501發散的光，而不採用光補捉結構12來吸光。
圖4A至圖4D繪示圖2B之開口的其他四種變化。請先參照圖4A，波導部551的出光端E551上的多個不同位置至影像感測器40的距離(即開口501在不同位置的寬度G)不完全相同。 在本實施例中，出光端E551的邊緣相對感測面40S傾斜，以定義出相對感測面40S傾斜的波導空間的末端E11。在另一實施例中，出光端E551的邊緣亦可以是不平滑邊緣，例如鋸齒狀邊緣、階梯狀邊緣或有段差的邊緣，本發明不以此為限。此外，也可依據不同波長的光的不同聚焦位置來對應在開口501的不同位置處設計不同的寬度G。
然而，在其他實施例中，如圖4B所繪示，波導部552的出光端E552的邊緣可為一弧形邊緣，以定義出呈弧形的波導空間的末端E12。末端E11與末端E12的設計可因應不同光波長在感測面40S上所產生的解析效果不同，而決定讓末端E11上對應於此波長的位置靠近感測面40S一些以提升感光強度，或遠離感測面40S一些以提升解析度。
一般而言，短波長的光的解析度較佳，所以末端E11上對應於短波長的位置可以設計成較靠近感測面40S。反之，末端E11上對應於長波長的位置可以設計成較遠離感測面40S。此外，在其他不同的實施例中，也可因應所需偵測的波長的不同而設計不同的寬度G的值。
請再參照圖4C，第一反射鏡51可包括多個開口501(例如開口501a與開口501b)，其中開口501a為封閉開口，位於繞射光柵30與影像感測器40之間。延伸段543與波導部55的出光端E553亦可形成開口501b，而此時，波導空間的末端E13是由出光端E552所定義。在本實施例中，開口501a在光波傳導的方向上 的寬度G1與開口501b在光波傳導的方向上的寬度G2可以相同或不同。當寬度G1、G2越大時，可以使越小發散角的光從開口501發散。舉例而言，寬度G2大於寬度G1，發散角為70至90度的光可從開口501a發散，而發散角為60至90度的光可從開口501b發散。在其他實施例中，亦可以是有多個封閉的開口501a排列於光波傳導的方向上。在另一實施例中，開口501(例如開口501a)在平行於第一反射面52與第二反射面57的至少其中之一的延伸方向相對於影像感測器40的感測面40S傾斜。
請再參照圖4D，相較於圖4C，在本實施例中，第一反射鏡51只有封閉的開口501a，而不具有如圖4D所繪示的開放的開口501b，此時波導空間S的末端E13是由出光端E553所定義，且末端E13直接抵靠影像感測器40。
圖5為本發明的另一實施例的光譜儀之入光狀態的剖面圖。請參照圖5，在本實施例中，波導裝置50的開口501位於輸入部20與繞射光柵30之間，其可使大發散角的光學訊號S2從開口501發散，如此亦可使會造成拖尾效應的光較不會傳遞至影像感測器40。在本實施例中，第一反射鏡51與第二反射鏡56都具有開口501。然而，在其他實施例中，亦可以是第一反射鏡51與第二反射鏡56的其中之一具有開口501。此外，在另一實施例中，亦可以是波導裝置50在輸入部20與繞射光柵30之間及繞射光柵30與影像感測器40之間都有開口501，而開口501在光波傳導的方向上的寬度G允許光學訊號S2與光譜分量S2兩者有部分沿平 行於第一反射面52或第二反射面57的法線方向發散。再者，在其他實施例中，開口501亦可以是位於波導裝置50之朝向輸入部20的一端，亦即波導裝置50在朝向輸入部20的一端形成有類似圖2B的延伸段54，以形成開放式的開口501。
圖6為本發明之一實施例之光譜儀的製作方法的流程圖。請參照圖1、圖2A至圖2E及圖6，本實施例之光譜儀的製作方法可用以製作出上述圖2A至圖2E的光譜儀1或其他實施例之光譜儀，而在此以製作出圖2A至圖2E的光譜儀1為例。本實施例之光譜儀的製作方法包括下列步驟。首先，執行步驟S110，利用上述模擬程序決定光譜儀1的輸入部20、繞射光柵30、影像感測器40及波導裝置50的多個參數。然後，執行步驟S120，依照這些參數配置輸入部20、繞射光柵30、波導裝置50及影像感測器40，例如是使輸入部20、繞射光柵30及影像感測器40依照這些參數直接或間接承靠於波導裝置50上。輸入部20、繞射光柵30、影像感測器40及波導裝置50的可採用的結構、在光路徑上的相對位置、對光產生的影像及可達到的功效的細節如上所述，在此不再重述。此外，當影像感測器40間接承靠於波導裝置50上時，可先採用一墊片承靠於波導裝置50上，影像感測器40再承靠於墊片上，而當波導裝置50與影像感測器40固定後，再將墊片抽離，而使影像感測器40與波導裝置50之間保持距離。在其他實施例中，波導裝置50亦可固定於殼體，或者是影像感測器40也可固定於殼體。
此外，上述模擬程序所決定的這些參數包括開口501在光波傳導的方向上的寬度G。在一實施例中，這些參數更包括第一反射面52與第二反射面57的距離，當此距離愈大時，彎月影像愈緩和(即較不彎曲)。
在本實施例中，輸入部20與繞射光柵30分別承靠於波導裝置50的兩定位側邊(例如是第一反射鏡51的兩定位側邊)，且此兩定位側邊、開口501與上述延伸段54例如是藉由微機電系統製程所形成。微機電系統製程能作出精密且誤差小的定位側邊、開口501與延伸段54、適合作小型的波導裝置50、可對第一反射鏡51與第二反射鏡56作出封閉開口，且製作成本低。然而，在其他實施例中，此兩定位側邊與延伸段54也可以是藉由電腦數值控制(computer numeric control,CNC)工具機來加工所製成。
由於微機電系統製程可以製作出精確度高的輪廓，因此可以製作出位置精確且平滑的上述兩定位側邊與延伸段54。如此一來，當輸入部20、繞射光柵30與影像感測器40抵靠波導裝置50時，輸入部20、繞射光柵30與影像感測器40這三者的相對位置便能夠被精確地決定。如此一來，便能夠有效地提升光譜儀的光學品質及精確度。
在本實施例中，在模擬程序中，末端E1與影像感測器40之間所保持的開口501的寬度G，是影像感測器40設定位在焦距的情況下，以多個不同的寬度進行模擬而決定末端E1與影像感測器40間所保持的開口501的寬度G。換言之，即是影像感測器40 的位置固定，而透過末端E1內縮來產生不同的開口501的寬度G，或者透過第一反射鏡51與第二反射鏡56的至少其中之一形成有開口501(如圖4C、圖4D與圖5所繪示)。
此外，模擬程序所決定的這些參數更包括感測面40S於平行於第一反射面52的法線的方向上的寬度h，其為在模擬程序中，影像感測器設定在焦距的情況下，以感測面40S於平行於第一反射面52的法線的方向上的多個不同寬度進行模擬而決定的影像感測器40的寬度h。也就是說，藉由上述模擬方式，便可決定出適當的寬度G與寬度h的搭配，其詳細過程可參照上述實施例。
上述模擬程序所決定的參數還可包括如圖1中的各元件的相對位置、光柵紋路的間距、光軸或光路徑的相對角度、波導空間S的末端E1的形狀等。如此一來，本實施例之光譜儀的製作方法便能夠製作出較不受拖尾效應影響而具有高精確度與高光學效率的光譜儀。
請再參考圖2A至圖2E，本實施例的延伸段54或其他實施例之延伸段可以利用微機電系統製程來製作，因此可以精確地抵靠影像感測器40。另外，第一反射鏡51的出光端E55也可以用微機電系統製程來製作，以定義出位置精確的波導空間S的末端E1。。
綜上所述，在本發明的實施例的光譜儀及其製作方法中，由於波導裝置上形成有至少一開口，使得光譜分量及光學訊號的至少其中之一中具有大發散角的弧矢光束從開口發散至影像 感測器以外之處，因此光譜分量中會造成拖尾效應的部分可以從開口往較不會傳遞至影像感測器的方向發散。換言之，上述開口若以反射面取代會使大發散角的弧矢光束射入影像感測器而使拖尾效應變嚴重。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故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。
40‧‧‧影像感測器
40S‧‧‧感測面
44‧‧‧感測元
501‧‧‧開口
51‧‧‧第一反射鏡
54‧‧‧延伸段
55‧‧‧波導部
60‧‧‧電路板
E1‧‧‧末端
E55‧‧‧出光端
C2‧‧‧切面
G‧‧‧寬度

Claims (24)

  1. 一種光譜儀，包括：一輸入部，用以接收一光學訊號；一繞射光柵，配置於來自該輸入部的該光學訊號的傳遞路徑上，且用以將該光學訊號分離成多個光譜分量，一影像感測器，配置於至少部分的該些光譜分量的傳遞路徑上；以及一波導裝置，包括：一第一反射面；以及一第二反射面，其中該第一反射面與該第二反射面之間形成一波導空間，該光學訊號從該輸入部經由該波導空間傳遞至該繞射光柵，該至少部分的該些光譜分量經由該波導空間傳遞至該影像感測器；其中，該波導裝置上形成有至少一開口，上述開口實質上平行於該第一反射面與該第二反射面的至少其中之一，且該些光譜分量及該光學訊號的至少其中之一有部分從該開口發散至該波導空間之外而不射入該影像感測器，其中，該波導裝置具有一朝向該輸入部的收光側及一朝向該影像感測器的出光側，且上述開口位於該波導裝置的該收光側的延伸末端的切面與該繞射光柵之間的位置及該波導裝置的該出光側的延伸末端的切面與該繞射光柵之間的位置的至少其中一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中該波導裝置更包括至少一延伸段，從該波導空間的末端往該影像感測器延伸，以定義出位於該末端與該影像感測器之間的上述開口。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光譜儀，其中該波導裝置包括：一第一反射鏡，具有該第一反射面，且包括一波導部及與該波導部連接的上述延伸段，其中該波導部朝向該影像感測器的感測面的出光端定義出該波導空間的該末端；以及一第二反射鏡，具有該第二反射面，其中該第一反射面朝向該第二反射鏡，且該第二反射面朝向該第一反射鏡。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的光譜儀，其中該出光端上的多個不同位置至該影像感測器的距離不完全相同。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的光譜儀，其中上述延伸段抵靠該影像感測器，以使該末端與該影像感測器之間形成上述開口。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的光譜儀，其中上述延伸段抵靠與該影像感測器相連的元件，以使該末端與該影像感測器之間形成上述開口。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中該開口在平行於該第一反射面與該第二反射面的至少其中之一的延伸方向相對於該影像感測器的感測面傾斜。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中該波導裝置包括至少一延伸段，從該波導空間的末端往該輸入部延伸，以定義出位於該末端與該輸入部之間的上述開口。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中該繞射光柵為一凹面光柵，且將該至少部分的該些光譜分量聚焦於該影像感測器的感測面。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中上述開口在光波傳導的方向上的寬度會影響該至少部分的該些光譜分量的彎月形分佈，該影像感測器的感測面於平行於該第一反射面的法線的方向上的寬度會影響該影像感測器的積分範圍，由該輸入部射入該波導空間的該光學訊號在平行於該第一反射面的法線的方向的發散半角會影響該彎月形的擴張，透過上述開口在光波傳導的方向上的該寬度、該發散半角與該感測面於平行於該第一反射面的法線的方向上的寬度相配合，上述開口在光波傳導的方向上的該寬度允許該光學訊號與該些光譜分量的至少其中之一有部分沿平行於該第一反射面的法線的方向發散，使該發散半角衍生的該彎月形分佈的兩個尾部大致上不落入該影像感測器的該積分範圍中。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中上述開口在光波傳導的方向上的該寬度大於或等於1毫米。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的光譜儀，其中上述開口在光波傳導的方向上的該寬度是落在從1毫米至5毫米的範圍中。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中上述開口包括一封閉開口，位於該繞射光柵與該影像感測器之間。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中上述開口位於該輸入部與該繞射光柵之間。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，更包括一光補捉結構，配置於該波導空間外，且用以吸收從該開口發散的光。
  16. 一種光譜儀的製作方法，包括：利用一模擬程序決定一光譜儀的一輸入部、一繞射光柵、一影像感測器及一波導裝置的多個參數；以及依照該些參數配置該輸入部、該繞射光柵、該波導裝置及該影像感測器，其中該輸入部用以接收一光學訊號，該繞射光柵配置於來自該輸入部的該光學訊號的傳遞路徑上，且用以將該光學訊號分離成多個光譜分量，該影像感測器配置於至少部分的該些光譜分量的傳遞路徑上，該波導裝置包括一第一反射面及一第二反射面，該第一反射面與該第二反射面之間形成一波導空間，該光學訊號從該輸入部經由該波導空間傳遞至該繞射光柵，該至少部分的該些光譜分量經由該波導空間傳遞至該影像感測器，其中，該波導裝置上形成有至少一開口，上述開口實質上平行於該第一反射面與該第二反射面的至少其中之一，該些光譜分量及該光學訊號的至少其中之一有部分從該開口發散至該波導空間之外而不射入該影像感測器，其中，該模擬程序所決定的該些參數包括上述開口在光 波傳導的方向上的寬度，其中，該波導裝置具有一朝向該輸入部的收光側及一朝向該影像感測器的出光側，且上述開口位於該波導裝置的該收光側的延伸末端的切面與該繞射光柵之間的位置及該波導裝置的該出光側的延伸末端的切面與該繞射光柵之間的位置的至少其中一。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的光譜儀的製作方法，其中該輸入部與該繞射光柵分別承靠於該波導裝置的兩定位側邊，且該兩定位側邊與上述開口是藉由微機電系統製程所形成。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的光譜儀的製作方法，其中該波導裝置更包括至少一延伸段，從該波導空間的末端往該影像感測器延伸，以定義出位於該末端與該影像感測器之間的上述開口。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的光譜儀的製作方法，其中該波導裝置包括一第一反射鏡及一第二反射鏡，該第一反射鏡具有該第一反射面，且包括一波導部及與該波導部連接的上述延伸段，該波導部之朝向該感測面的出光端定義出該波導空間的該末端，該第二反射鏡具有該第二反射面，該第一反射面朝向該第二反射鏡，該第二反射面朝向該第一反射鏡，且上述延伸段是藉由微機電系統製程所形成。
  20. 如申請專利範圍第16項所述的光譜儀的製作方法，其中該繞射光柵為一反射式凹面光柵，且將該至少部分的該些光譜分量聚焦於該影像感測器的感測面。
  21. 如申請專利範圍第16項所述的光譜儀的製作方法，其中在該模擬程序中，上述開口在光波傳導的方向上的該寬度，是該影像感測器設定在焦距的情況下，以多個不同的寬度進行模擬而決定上述開口在光波傳導的方向上的該寬度。
  22. 如申請專利範圍第16項所述的光譜儀的製作方法，其中該模擬程序所決定的該些參數更包括該影像感測器的感測面於平行於該第一反射面的法線的方向上的寬度，其為在該模擬程序中，該影像感測器設定在焦距的情況下，以該感測面於平行於該第一反射面的法線的方向上的多個不同寬度進行模擬而決定的該影像感測器的該感測面的該寬度。
  23. 如申請專利範圍第16項所述的光譜儀的製作方法，其中上述開口在光波傳導的方向上的寬度會影響該至少部分的該些光譜分量的彎月形分佈，該影像感測器的感測面於平行於該第一反射面的法線的方向上的寬度會影響該影像感測器的積分範圍，由該輸入部射入該波導空間的該光學訊號在平行於該第一反射面的法線的方向的發散半角會影響該彎月形的擴張，該模擬程序透過上述開口在光波傳導的方向上的該寬度、該發散半角與該感測面於平行於該第一反射面的法線的方向上的寬度相配合，上述開口在光波傳導的方向上的該寬度允許該光學訊號與該些光譜分量的至少其中之一有部分沿平行於該第一反射面的法線的方向發散，使該發散半角衍生的該彎月形分佈的兩個尾部大致上不落入該影像感測器的該積分範圍中。
  24. 如申請專利範圍第16項所述的光譜儀的製作方法，其中該模擬程序所決定的該些參數更包括該第一反射面與該第二反射面的距離。
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