[发明专利]光学系统

说明书

技术领域

本发明是有关于一种光学系统，且特别是有关于一种具反射型绕射光栅的光学系统。

背景技术

物质的组成通常可以用诸多的方法将其分解、离析，以了解其组成的成分，例如矿石的组成、水源所包含的化合物等。上述的分解、离析等，都属于破坏性的检测，一般是依需求进行必要的检测过程。相反地，光谱分析仪则是属于一种非破坏性的检测仪器，其主要是利用光反射的原理，以及物质内组成结构对光不同频段的反射、吸收或穿透程度不同的差异，按照波长排列，不同物质会显现个别特征的光谱，进而得到物质的原子、分子等的能阶结构、化学键性质等多方面物质结构的知识，进而得以辨认物质的成分组成及特性。

请参照图1，图1绘示为传统光谱分析仪的示意图。当光源810所产生的光线900经狭缝820射入光谱分析仪800之后，在自由空间之中射向一准直面镜830使光线转为平行光并射向一平面光栅840。经由光栅840的绕射结构842分光后的光线再由聚焦镜850聚焦后，射向光学传感器860以检测不同波长的光强度的大小，以产生对应的影像。然而，上述传统光谱分析仪使用的是一平面光栅，需要准直面镜与聚焦镜的配合才能使光线精确的被分光与聚焦，光学元件间需要精确的对位，不仅复杂且使用元件数量过多，经常因为些微的震动就造成光学元件间对位移动，制造与维修成本因此都过高，使用上至为不便，也不利于将光谱分析仪微小化以达到可携式的目的。

发明内容

本发明有关于一种光学系统。光学系统包括输入部、预设输出面及反射型绕射光栅。输入部用以接收光学信号。反射型绕射光栅包括光栅轮廓曲面及多个绕射结构，且绕射结构用以将光学信号分离为多个光谱分量。多个绕射结构分别以多个光栅间距(Pitch)设置于光栅轮廓曲面上，且至少部份光栅间距互为不同，根据实际光学仿真，依此原则设计的反射型绕射光栅可以使得光谱分量以实质上垂直于预设输出面的方式射向预设输出面。光栅轮廓曲面将光谱分量聚焦于预设输出面。

本发明有关于一种反射型绕射光栅。反射型绕射光栅包括光栅轮廓曲面及多个绕射结构，且绕射结构用以将光学信号分离为多个光谱分量。多个绕射结构分别以多个光栅间距(Pitch)设置于光栅轮廓曲面上，且至少部份光栅间距互为不同，根据实际光学仿真，依此原则设计的反射型绕射光栅可以使得光谱分量以实质上垂直于预设输出面的方式射向预设输出面。光栅轮廓曲面将光谱分量聚焦于预设输出面。

所谓「实质上垂直」是针对多个光谱分量中的中心波长处而言，使该中心波长处的光谱分量以垂直于预设输出面的方式射向预设输出面，并使其它光谱分量在预设输出面上聚焦时具有一小于一默认值的较佳像差分辨率。根据传统的罗兰圆(Rowland circle)理论，经过一个具有固定光栅间距与圆弧形光栅轮廓曲面的光栅绕射后的光线，将会聚焦在圆弧上而非一个任意的或较易实施的预设输出面上，并且绕射后的光线与聚焦圆弧切线间几乎不可能成垂直或接近垂直的相交。基于对罗兰圆理论的认知，我们了解若要使绕射光线与预设输出面成实质上垂直的关系，必须开放光栅的设计条件，容许光栅间距为非固定、以及光栅轮廓曲面为非圆弧面，通过光学仿真的方式寻找非固定的光栅间距与非圆弧面的光栅轮廓面，使绕射光线可以实质上垂直于预设输出面的方式射向预设输出面，如此不仅绕射效率会更好，预设输出面也可以不必是难以具体实施的罗兰圆上的圆弧，而可以是一个容易具体实施的其它输出面，例如一平面上的一直线，则此一绕射光栅将具有非常高的价值。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1绘示为传统光谱分析仪的示意图。

图2绘示为依照本发明实施例的一种光学系统。

图3绘示为绕射原理的示意图。

图4绘示为依照本发明实施例的一种反射型绕射光栅。

图5绘示为像差(aberration)的示意图。

图6绘示为一仿真的区域光栅R_kP₀(local grating)的像差特性曲线的示意图。

图7绘示为区域光栅R_kP₀所形成的像差分辨率特性曲线的示意图。

图8绘示为中央轮廓点P₀与参考点R₁₁至R_1m的示意图。