[發明專利]光學系統

有效

• 申請號: 201410325345.4
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN104089701B
• 公開（公告）日: 2016-11-09
• 發明（設計）人: 柯正浩
• 申請（專利權）人: 臺灣超微光學股份有限公司
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/18;G02B5/18
• 代理公司: 北京國昊天誠知識產權代理有限公司 11315
• 代理人: 許志勇

技術領域

本發明是有關于一種光學系統，且特別是有關于一種具反射型繞射光柵的光學系統。

背景技術

物質的組成通常可以用諸多的方法將其分解、離析，以了解其組成的成分，例如礦石的組成、水源所包含的化合物等。上述的分解、離析等，都屬于破壞性的檢測，一般是依需求進行必要的檢測過程。相反地，光譜分析儀則是屬于一種非破壞性的檢測儀器，其主要是利用光反射的原理，以及物質內組成結構對光不同頻段的反射、吸收或穿透程度不同的差異，按照波長排列，不同物質會顯現個別特征的光譜，進而得到物質的原子、分子等的能階結構、化學鍵性質等多方面物質結構的知識，進而得以辨認物質的成分組成及特性。

請參照圖1，圖1繪示為傳統光譜分析儀的示意圖。當光源810所產生的光線900經狹縫820射入光譜分析儀800之后，在自由空間之中射向一準直面鏡830使光線轉為平行光并射向一平面光柵840。經由光柵840的繞射結構842分光后的光線再由聚焦鏡850聚焦后，射向光學傳感器860以檢測不同波長的光強度的大小，以產生對應的影像。然而，上述傳統光譜分析儀使用的是一平面光柵，需要準直面鏡與聚焦鏡的配合才能使光線精確的被分光與聚焦，光學元件間需要精確的對位，不僅復雜且使用元件數量過多，經常因為些微的震動就造成光學元件間對位移動，制造與維修成本因此都過高，使用上至為不便，也不利于將光譜分析儀微小化以達到可攜式的目的。

發明內容

本發明有關于一種光學系統。光學系統包括輸入部、預設輸出面及反射型繞射光柵。輸入部用以接收光學信號。反射型繞射光柵包括光柵輪廓曲面及多個繞射結構，且繞射結構用以將光學信號分離為多個光譜分量。多個繞射結構分別以多個光柵間距(Pitch)設置于光柵輪廓曲面上，且至少部份光柵間距互為不同，根據實際光學仿真，依此原則設計的反射型繞射光柵可以使得光譜分量以實質上垂直于預設輸出面的方式射向預設輸出面。光柵輪廓曲面將光譜分量聚焦于預設輸出面。

本發明有關于一種反射型繞射光柵。反射型繞射光柵包括光柵輪廓曲面及多個繞射結構，且繞射結構用以將光學信號分離為多個光譜分量。多個繞射結構分別以多個光柵間距(Pitch)設置于光柵輪廓曲面上，且至少部份光柵間距互為不同，根據實際光學仿真，依此原則設計的反射型繞射光柵可以使得光譜分量以實質上垂直于預設輸出面的方式射向預設輸出面。光柵輪廓曲面將光譜分量聚焦于預設輸出面。

所謂「實質上垂直」是針對多個光譜分量中的中心波長處而言，使該中心波長處的光譜分量以垂直于預設輸出面的方式射向預設輸出面，并使其它光譜分量在預設輸出面上聚焦時具有一小于一默認值的較佳像差分辨率。根據傳統的羅蘭圓(Rowland?circle)理論，經過一個具有固定光柵間距與圓弧形光柵輪廓曲面的光柵繞射后的光線，將會聚焦在圓弧上而非一個任意的或較易實施的預設輸出面上，并且繞射后的光線與聚焦圓弧切線間幾乎不可能成垂直或接近垂直的相交。基于對羅蘭圓理論的認知，我們了解若要使繞射光線與預設輸出面成實質上垂直的關系，必須開放光柵的設計條件，容許光柵間距為非固定、以及光柵輪廓曲面為非圓弧面，通過光學仿真的方式尋找非固定的光柵間距與非圓弧面的光柵輪廓面，使繞射光線可以實質上垂直于預設輸出面的方式射向預設輸出面，如此不僅繞射效率會更好，預設輸出面也可以不必是難以具體實施的羅蘭圓上的圓弧，而可以是一個容易具體實施的其它輸出面，例如一平面上的一直線，則此一繞射光柵將具有非常高的價值。

為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下：

附圖說明

圖1繪示為傳統光譜分析儀的示意圖。

圖2繪示為依照本發明實施例的一種光學系統。

圖3繪示為繞射原理的示意圖。

圖4繪示為依照本發明實施例的一種反射型繞射光柵。

圖5繪示為像差(aberration)的示意圖。

圖6繪示為一仿真的區域光柵R_kP₀(local?grating)的像差特性曲線的示意圖。

圖7繪示為區域光柵R_kP₀所形成的像差分辨率特性曲線的示意圖。

圖8繪示為中央輪廓點P₀與參考點R₁₁至R_1m的示意圖。