[发明专利]光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种新颖的绕射光栅，尤其涉及一种使用于光学系统的绕射光栅。

背景技术

辐射源的光度测定(photometry)通常利用光谱仪(spectrometer)来进行量测，光谱仪中的光栅(grating)是用来分散多频辐射源(multi-frequencyradiation)的元件。这类仪器被广泛的应用在解决复杂的难题并且获取准确的结果。目前这类仪器在使用上有以下问题(1)体积非常庞大，因此价格昂贵且只能在固定位置使用；(2)在进行宽带的光谱测量时，需要耗费大量时间；(3)必须谨慎的操作仪器，因此通常需要技巧熟练的操作人员。

美国专利号5,550,375提出了一项用来测量气体的红外线光谱感测仪100，如图1所示，包括一个具有反射式光栅110的微型结构，一个多频红外线辐射源120，以及用以接收固定波长红外线的接收器130。然而，此红外线光谱感测仪只能测量较狭窄的光谱波长范围，若欲进行多成份分析，则光谱信号会在数个不同波长被吸收，非仅限于红外光区域，则此种光谱感测仪的应用即有所限制。

同步光谱仪(simultaneous spectrometers)200也是用来侦测辐射源的装置，如图2所示，其包含的元件有：一个入射狭缝(entrance slit)220、一个可形成全像(holographic)的凹面(concave)光栅210以及一个光电二极管阵列侦测器(photodiode array)230。以上元件的放置位置是固定且无法移动的，但具有高精密度以及光学能量效率良好等可靠的优点。光电二极管阵列侦测器在此类光谱仪的应用有很大限制，原因是光电二极管阵列侦测器是由大量单晶组成的平坦表面，但此种同步光谱仪的聚焦成像点却是曲面的分布，更准确的说法是聚焦成像点会分布在罗兰圆(Rowland circle)上。因此同步光谱仪的最佳应用方法之一是让罗兰圆的半径加大，则成像点的分布会近似于线性平面分布，此种设计需要耗费大量空间，并且需要大型的侦测器；另一种解决方法如美国专利号6,005,661所示，使用了大量光纤，将聚焦在罗兰圆上的不同波长信号分别导出，此种方法可以配合光电二极管阵列侦测器，但是利用光纤导出聚焦信号，会造成能量损失以及分辨率下降的问题。

一个可以产生线性输出的绕射光栅对光学系统而言是较好的选择，如图3A所示，美国专利号4,695,132以及4,770,517提出了一种激光扫描系统300，利用一个或多个fθ镜片310将四散的光线聚焦在线性输出平面320上；如图3B所示，美国专利号6,650,413则是披露一项光谱仪301，使用了绕射光栅311，并利用准直器(collimator)313与校正镜片(correctinglense)315的组合将输出的光谱分量聚焦在一个影像平面321，并在影像平面上呈现fsin(θ)分布。

然而，以上所叙述的发明仍然是复杂的系统，也都无法使光学系统微小化达到可携式的目的。

发明内容

本发明的目的是提出一种应用在光学系统中的绕射光栅，可用以使全波段的光谱分量(包括红外光、可见光以及紫外光)，依波长呈线性分布在影像平面上，并且拥有良好的影像质量。

本发明的另一目的是提出一种构造简单、可使体积微小化达到可携式效果的光学系统。

本发明的又一目的是提出一种可大量制造，使制造成本下降，并适合长期使用的光学系统。

根据以上目的，本发明提供的是一种光学系统，包括输入部，用以接收光学信号，预先设定的输出面；以及绕射光栅，  绕射光栅具有绕射表面，绕射表面具有第一轮廓，第一轮廓是由多个点组成，各个点是由不同的方程式所决定，用以将来自输入部的光学信号分离成多个光谱分量，且各个光谱分量会聚焦在预先设定的输出面。

附图说明

图1    为已有技术的红外线光谱感测仪剖面图

图2    为已有技术的同步光谱仪示意图

图3A   为已有技术的激光扫描系统示意图

图3B   为已有技术的光谱仪示意图

图4    本发明一较佳实施例的光学系统剖面图

图5    本发明一较佳实施例的光学系统示意图

图6    本发明一较佳实施例的光学系统示意图

图7    本发明一较佳实施例的绕射光栅示意图

图8    为绕射光栅轮廓比较图

图9    实验系统示意图

图10A  本发明一较佳实施例的光迹追踪图