专利名称：光学系统及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统, 光学系统制造工艺。
背景技术：
特别是涉及一种运用光微影技术的
辐射源的光度测定(photometry )通常利用光i普4义(spectrometer ) 来进4亍测量，光i普4义中的光栅(grating)是用来分散多频辐射源 (multi-frequency radiation )的元4牛。这类4义器,皮广；乏的应用在解;夹 复杂的难题并且获取准确的结果。目前这类〗义器在4吏用上有以下问 题(l)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。
美国专利第5,550,375号4是供了一种用来测量气体的红外线光 谱感测仪100，如图l所示，包括具有反射式光栅110的微型结构， 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，该红外线光谱感测仪只能测量较狭窄的光谱波长范围， 如果要进行多成分分析，则光谱信号会在多个不同波长^皮吸收，而 不是仅限于红外光区域，则此种光谱感测仪的应用即受限制。
同步光i普4义(simultaneous spectrometers ) 200也是用来才企观寸辐 射源的装置，如图2所示，其包括的元件有入射狭缝(entrance slit) 220、可形成全像(holographic)的凹面(concave)光栅210以及
光电二才及管阵列冲企测器(photodiode array ) 230。以上元件的》文置位 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。光电二极管阵列检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检测器是由大量单晶组成的平坦表面， <旦此种同步光谱4义的聚焦成{象点却是曲面的分布，更准确地^兌是聚 焦成像点会分布在罗兰圓(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 检测器；另一种解决方法如美国专利第6,005,661号所描述，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检测器，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。
对光学系统而言可以产生线性输出的绕射光栅是较好的选择， 如图3A所示，美国专利第4,695,132以及4,770,517号提供了一种 激光扫描系统300,利用一个或多个fe镜片310将发散的光线聚焦 在线性输出平面320上；如图3B所示，美国专利第6,650,413号则 揭露了一种光谱仪301,使用了绕射光栅311,并利用准直器 (collimator ) 313与才交正4竟片(correcting lense ) 315的纟且合—夺车lT出 的光i普分量聚焦在一个图^f象平面321，并在图l象平面上呈现f sin( 9 ) 分布。
然而，以上所杀又述的发明仍然是复杂的系统，也都无法4吏光学 系统樣i小化以实现可携式的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用在光学系统中的绕射光栅，其 由光学微影制成，可使体积微小化以实现可携式效果的光学系统。
本发明的另一目的在于提供一种可大量制造，使制造成本下 降，并适合长期使用的光学系统。
才艮据本发明的一个方面，4是供了一种光学系统，包括输入部，
用以接收光学信号，预先i殳定的输出面；以及绕射光栅，包括绕射
表面，用以将该输入部接收的该光学信号分离成多个光谱分量
(spectral component )，并且各个光谱分量都会聚焦在该预先i殳定的 输出面，其中该绕射表面由光孩i影工艺形成。
根据本发明的光学系统，其中还包括至少一个检测器，其设置 在该预先i殳定的l命出面上，用以4企测该预先i殳定的丰叙出面上的该光 谱分量。
根据本发明的光学系统，其中该检测器为电荷耦合器件(CCD, charge-coupled device )检测器。
根据本发明的光学系统，其中该检测器为互补金属氧化物半导 体(CMOS, Complementary Metal-Oxide- Semiconductor )才全观'J器。
根据本发明的光学系统，其中组成该绕射光栅的材质选自由第 3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料以及金属组成的组。
根据本发明的光学系统，其中该绕射表面为反射式绕射表面。
根据本发明的光学系统，其中该反射式绕射表面是在该绕射光 栅上镀上至少 一层金属薄膜而形成的。
根据本发明的光学系统，其中该反射式绕射表面是在该绕射光 栅上气相沉积至少 一层金属薄膜而形成的。
根据本发明的光学系统，其中该反射式绕射表面是在该绕射光 栅上镀上至少一层金属薄膜而形成的，其中金属薄膜选自由银、金、
铝、柏、4太以及4臬组成的组。
根据本发明的光学系统，其中该输入部为狭缝。
根据本发明的光学系统，其中该狭缝由光微影工艺形成。
根据本发明的光学系统，其中该狭缝由模制成形制成。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光学系统，包括基板 (base plate );盖体(cover ), i殳置在i亥基一反上，与i亥基才反形成一 内 部空间；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，包括绕射表面，用以将该输入部接收的该光学信号分离成 多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在该预先设定的输出 面，其中该绕射表面由光孩i影工艺形成。
才艮据本发明的光学系统，其中还包括至少 一个间隔件(spacer )， 其夹置在该基才反与该盖体之间。
根据本发明的光学系统，其中还包括至少一个遮光元件(light shielding element), "i殳置于it基寺反与i亥盖体之间。
才艮据本发明的光学系统，其中该输入部为至少 一条狭缝。
才艮据本发明的光学系统，其中组成该基才反的材质选自由第3-5 族半导体、第4族元素、玻璃、塑料以及金属组成的组。
才艮据本发明的光学系统，其中组成该盖体的材质选自由第3-5 族半导体、第4族元素、玻璃、塑料以及金属组成的组。
才艮据本发明的光学系统，其中该基板面对该内部空间面，覆盖 第一反射层。
才艮据本发明的光学系统，其中该第 一反射层由至少 一层金属薄 膜构成。
根据本发明的光学系统，其中构成该第一反射层的材质选自由 4艮、金、铝、柏、4太以及4臬组成的组。
根据本发明的光学系统，其中该盖体面对该内部空间面，覆盖 第二反射层。
根据本发明的光学系统，其中该第二反射层由至少 一层金属薄
膜构成。
才艮据本发明的光学系统，其中构成该第二反射层的材质选自由 银、金、铝、賴、钬以及镍组成的组。
才艮据本发明的光学系统，其中在该绕射表面还包括第三反射层。
根据本发明的光学系统，其中该第三反射层是在该绕射光冲册上 镀上至少 一层金属薄膜而形成的。
根据本发明的光学系统，其中该光学系统的外部还包括壳体。
根据本发明的光学系统，其中该壳体具有非反射性的内部表面。
才艮据本发明的光学系统，其中该壳体具有可吸光的内部表面。
根据本发明的光学系统，其中该壳体包覆该光学系统。
根据本发明的光学系统，其中还填充一液体于该内部空间，该 液体的反射率大于该基板、该盖体与该绕射光4册的反射率。
根据本发明的又一个方面，提供了 一种制造光学系统的方法，
包括才是供基一反；设置盖体于该基板上；4是供输入部，用以接收光 学信号；定义预先设定的输出面；以及配置绕射光4册元件于该光学 系统，该绕射光栅包括绕射表面，用以将该输入部接收的该光学信 号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在该预先设定 的输出面，其中该绕射表面由光孩i影工艺形成。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中还包括形成至少一个 间隔件于该基板或该盖体之一。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该形成间隔件的步骤 利用光微影工艺制成。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该形成间隔件的步骤 是在该基一反或该盖体上涂覆一层光阻剂，4妄着4吏光阻剂图案化，再 -使光阻剂固化形成间隔件。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该形成间隔件的步骤 是模制成形。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中还包括形成至少一个凹槽( recess)于该绕射光樹。
根艮据本发明的制造光学系统的方法，其中该形成凹槽的步骤利用光微影制程。
冲艮据本发明的制造光学系统的方法，其中该形成凹槽的步骤为 模制成形。
才艮据本发明的制造光学系统的方法，其中还包4舌形成至少 一个 第一定位件，该定位件对应于该间隔件，i殳置在另一该基4反或该盖体。
才艮据本发明的制造光学系统的方法，其中该设置盖体的步骤是 通过该第 一定位件与该间隔件的配合实现的。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中还包括形成至少 一个
第二定位件，该第二定位件对应于该凹槽，设置于至少该基板与该 盖体之间之一。
根据本发明的制造光学系统的方法，其中该配置绕射光一册元件 的步骤是通过该凹槽与该第二定位件的配合而实现的。
图1为现有冲支术的红外线光i普感测4义的剖面图2为现有冲支术的同步光i普4义示意图3A为现有技术的激光扫描系统示意图3B为现有冲支术的光谱4义示意图4为本发明优选实施例的光学系统的剖面图5为本发明优选实施例的光学系统的示意图6为本发明优选实施例的绕射光冲册的示意图7为本发明优选实施例的绕射光4册形成示意图； 图8为本发明优选实施例的光学系统的剖面图； 图9为本发明优选实施例的设置盖体示意图； 图10为本发明优选实施例的绕射光4册示意图。
具体实施例方式
为4吏本发明的上述目的、特征以及优点更显而易见，下文特举 ^尤选实施例，并结合所附附图，作i羊细il明3口下。
参照图4和图5，才艮据本发明的优选实施例，才是供了一种光学 系统400，该光学系统400包括基—反440、盖体450、输入部420、 预先设定的输出面430、以及绕射光栅410。
基板440与盖体450形成一内部空间445，绕射光栅410设置 在基板440上，绕射光栅410具有一绕射表面412,该绕射表面412 面只寸内部空间445。
绕射光栅410具有一绕射表面412,用以将进入光学系统400 的光学信号10分离成多个光谱分量如20、 22、 24，每个光谱分量 具有不同的波长，这些光语分量会聚焦在预先i殳定的输出面，并且 呈现线性分布。在聚焦的情况下，光语分量在预先设定的输出面上 所呈现的半高波宽(FWHM， full width at half maximum ),会小于 或等于预设的波长分辨率。
如图6所示，绕射光4册410的绕射表面412具有周期性的结构 414，该周期性结构由光微影工艺形成。如图7所示，将设计好的 周期性结构图形制作成光罩72,应用光学成像的原理，来自曝光光
源70发出的光线80会穿透光罩72的透明区域，光线80继续透过 透镜74，则光线80会与基质(substrate ) 76表面上事先涂抹的光 阻剂发生反应，也就是曝光。接着对基板上曝光与未曝光的光阻剂 进行化学处理，就可以使光罩72上的图形转移至基质76上，绕射 表面412的周期性结构因此形成。光微影工艺中所用的基质76可 以选用第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料或金属。
绕射表面412为反射式绕射表面，可以选用气相沉积、溅镀、 蒸镀、抛光或电镀等方式在绕射光4册上镀上一层金属薄膜，而此金 属薄膜的材质可以是银、金、铝、柏、钛或镍。
输入部420通常是一狭缝，光学信号10通过狭缝后进入内部 空间445; 4!r入部420也可以是光纤的末端，由纤核(fiber core ) 形成，光学信号IO经由光纤传输，到达光学系统400的内部空间。 狭缝可以经由上述光微影工艺方式形成，也可以使用模制成型 (molding )制作。
预定的输出面为一平坦表面，也可以是任意几何形状，例如圓 弧面或波浪表面。在输出面上》文置4企测器，可4妻收聚焦的光谱分量 信号。检测器是光感检测器，包括光电二极管阵列检测器 (photodiode array ),例如电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体。
如图8所示，才艮据本发明优选实施例的光学系统500,包括基 板540、盖体550与绕射光栅510,基板540与盖体550之间形成 一个内部空间545,其中基板与盖体的材质可以相同或不同，通常 选自第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料或金属等材质。
基板540与盖体550之中具有多个间隔件560,可支撑内部空 间，并且可使该基寺反540与盖体550之间维持所期望的距离。基4反
540与盖体550之中具有多个遮光元件570，可以用来遮蔽不必要 的光线。
间隔件560与遮光元件570可利用模制成型或光微影工艺形成 于基板540或盖体550之中，其中利用光微影工艺形成间隔件的步 骤是，首先在基板540或盖体550之中涂覆一层光阻剂，接着使光 阻剂图案化，再接着使光阻剂固化，即可形成间隔件560。间隔件 除了可以单独设置外，也可在上述的另一基一反540或盖体550之中 设置与间隔件560 ( 562 )相对应的第一定位件580 ( 582 )，如图9 所示，当名欠将盖体550 i殳置于基才反540上时，需通过第一定位件580 (582)与间隔件560 (562)的配合与引导。
如图10所示，在绕射光冲册510与基才反540或盖体550的4妄触 面i殳置至少一个凹冲曹514,并在基板540或盖体550与绕射光一册510 的4妄触面i殳置至少与上述凹槽相对应的第二定位件(未示出)，当 欲将绕射光栅510与基板或盖体接合时，需通过凹槽与第二定位件 的引导。
基—反540与内部空间545的接触面上覆盖至少一层第一反射 层，第一反射层通常是金属材质，特别是银、金、铝、柏、钛或镍。 盖体540与内部空间545的接触面上覆盖至少一层第二反射层，第 二反射层通常是金属材质，特别是银、金、铝、粕、钛或镍。
绕射光栅510具有绕射表面512，绕射表面512上覆盖至少一 层第三反射层，第三反射层的形成是将金属镀在绕射表面512上， 形成金属薄膜。在内部空间545的接触面上覆盖一层第二反射层， 反射层通常是金属材质，特别是银、金、铝、钼、钛或镍。
第一反射层、第二反射层或第三反射层之一优选实施例的组成 是，50 nm的4太/200 nm 4艮/1 pm 二氧化石圭。
光学系统500的外部设置有壳体590,壳体590具有内部表面 592，内部表面必须是非反射性的表面，或者是可吸光的表面，如 此可避免外来光源影响到光学系统500的运行。
光学系统500的内部空间545可以充满空气或是填充适当的液 体，该液体的反射率必须大于基板、盖体、光栅的反射率。
根据本发明的优选实施例，提供一种制造光学系统的方法，该 方法包括以下步骤提供基板并在该基板上设置盖体；提供用以接 收光学信号的输入部；定义预先设定的输出面；以及配置绕射光栅， 绕射光栅具有利用光微影工艺形成的绕射表面。
根据本发明提供的一种制造光学系统的方法，另外在基板或盖 体其中之一形成至少一个间隔件；在另 一基^反或盖体形成至少 一个 第一定位件，并且设置盖体的步骤通过间隔件与第一定位件的配合 而实现。
根据本发明提供的 一种制造光学系统的方法，另外在绕射光栅 上与基板或盖体其中之一的接触面形成至少一个凹槽；在基板或盖 体与绕射光4册的接触面形成至少一个第二定位件，并且配置绕射光 栅的步骤是通过凹槽与第二定位件的配合而实现的。
因此，本发明的绕射光片册净皮应用于光学系统，该绕射光4册利用 光微影工艺形成，可达到高度的精确性，并且体积微小化，可大量 制造使成本降低。
以上所述^f又为本发明的优选实施例，并非限制本发明的保护范 围，因此凡运用本发明说明书以及图示内容所作的简易修饰及等同 替换等，均应包含在本发明的保护范围内。
主要组件符号说明
10光学信号
20、 22、 24 光谱分量
100 红外线光i普感测4义
120 多频红外线辐射源
200 同步光i普4义
220 入射狭缝
230 光电二极管阵列检测器
301 311
321 410
光谦仪 绕射光栅
315才交正4竟片
影像平面 绕射光栅
414 第二轮廓
430 预先i殳定的llT出面
445内部空间
500 光学系统
110 反射式光棚-130接收器 210 凹面光牙册300 雷射扫描系统
310 份4竟片
313 准直
400 412 420
450 510
器
320 线4生^r出平面
光学系统 绕射表面 输入部
440 基板
盖体
绕射光栅 540 基板
550 盖体
562 间隔4牛
580 第一定位件
590 壳体
545 内部空间
560 间隔4牛
570 遮光元件
582 第一定位件
592 内吾P表面
权利要求
1. 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，包括绕射表面，用以将所述输入部接收的所述光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在所述预先设定的输出面，其中，所述绕射表面由光微影工艺形成。
2. 根据权利要求1所述的光学系统，其中，还包括至少一个检测 器设于所述预先设定的输出面上，用以4全测所述预先设定的输 出面上的所述光谱分量。
3. 根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述检测器为电荷耦 合器件检测器或互#卜金属氧化物半导体检测器。
4. 根据权利要求2所述的光学系统，其中，组成所述绕射光栅的 材质选自由第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑料以及金 属组成的组。
5. 根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述绕射表面为反射 式绕射表面。
6. 根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述反射式绕射表面 是在所述绕射光栅上镀上至少一层金属薄膜而形成的。
7. 根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述反射式绕射表面 是在所述绕射光栅上镀上至少 一层金属薄膜而形成的，所述金 属薄膜选自由银、金、铝、柏、钬以及镍组成的组。
8. 根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述输入部为狭缝。
9. 根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述狭缝由光^t影工 艺形成或模制成形制成。
10. —种光学系统，包括基板；盖体，设置在所述基板上，与所述基板形成一内部空间； 举lr入部，用以4妻收光学信号； 预先i殳定的llr出面；以及绕射光4册，包括绕射表面，用以将所述^r入部4妄收的所 述光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦 在所述预先设定的输出面，其中所述绕射表面由光微影工艺形成。
11. 根据权利要求10所述的光学系统，其中，还包括至少一个间隔件，其夹置在所述基板与所述盖体之间。
12. 根据权利要求10所述的光学系统，其中，还包括至少一个遮 光组件，设置于所述基才反与所述盖体之间。
13. 根据权利要求10所述的光学系统，其中，组成所述基板或所 述盖体的材质选自由第3-5族半导体、第4族元素、玻璃、塑 4牛以及金属组成的组。
14. 根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述基板面对所述 内部空间面覆盖第 一反射层。
15. 根据权利要求14所述的光学系统，其中，所述第一反射层由 至少一层金属薄膜构成，构成所述第一反射层的材质选自由 4艮、金、铝、鉑、4太以及4臬组成的组。
16. 根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述盖体面对所述 内部空间面覆盖第二反射层。
17. 根据权利要求16所述的光学系统，其中，所述第二反射层由 至少一层金属薄膜构成，构成所述第二反射层的材质选自由 4艮、金、铝、钼、4太以及牵臬组成的组。
18. 根据权利要求10所述的光学系统，其中，还包括第三反射层 在所述绕射表面。
19. 根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述第三反射层是 在所述绕射光栅上镀上至少 一层金属薄膜而形成的，构成所述 第三反射层的材质选自由银、金、铝、柏、钛以及镍组成的组。
20. 根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述光学系统的外 部还包括壳体，所述壳体包覆所述光学系统。。
21. 根据权利要求20所述的光学系统，其中，所述壳体具有非反 射性或可p及光的内部表面。
22. 根据权利要求10所述的光学系统，其中，还填充一种液体于 所述内部空间，所述液体的反射率大于所述基板、所述盖体与 所述绕射光一册的反射率。
23. —种制造光学系统的方法，所述方法包括提供基板；设置盖体于所述基板上； 提供输入部，用以接收光学信号； 定义预先i殳定的llT出面；以及配置绕射光4册元件于所述光学系统，所述绕射光片册包括 绕射表面，用以将所述输入部接收的所述光学信号分离成多个 光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在所述预先设定的输出 面，其中所述绕射表面由光^f效影工艺形成。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中，还包括在所述基板或所 述盖体之一形成至少 一个间隔件。
25. 根据权利要求24所述的方法，其中，所述形成间隔件的步骤 利用光微影工艺。
26. 才艮据权利要求24所述的方法，其中，所述形成间隔件的步骤 是在所述基板或所述盖体上涂覆一层光阻剂，接着4吏光阻剂图 案化，再4吏光阻剂固化形成间隔件。
27. 根据权利要求24所述的方法，其中，所述形成间隔件的步骤 是模制成形。
28. 根据权利要求23所述的方法，其中，还包括在所述绕射光栅 形成至少一个凹槽。
29. 4艮据4又利要求24所述的方法，其中，还包括形成至少一个第 一定位件，所述定位件对应于所述间隔件，设置在另一所述基 板或所述盖体。
30. 根据权利要求29所述的方法，其中，所述设置盖体的步骤是 通过所述第 一定位件与所述间隔件的配合而实现的。
31. 根据权利要求28所述的方法，其中，还包括形成至少一个第 二定位件，所述第二定位件对应于所述凹槽，i殳置于至少所述 基板与所述盖体其中之一 。
32. 才艮据权利要求31所述的方法，其中，所述配置绕射光才册元件 的步骤是通过所述凹槽与所述第二定位件的配合而实现的。
全文摘要
本发明提供一种光学系统及其制造方法，该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，包括绕射表面，用以将该输入部接收的该光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在该预先设定的输出面，其中该绕射表面由光微影工艺形成。根据本发明的制造光学系统的方法，包括提供基板；设置盖体于该基板上；提供输入部，用以接收光学信号；定义预先设定的输出面；以及配置绕射光栅元件于该光学系统，该绕射光栅包括绕射表面，用以将该输入部接收的该光学信号分离成多个光谱分量，并且各个光谱分量都会聚焦在该预先设定的输出面，其中该绕射表面由光微影工艺形成。本发明的光学系统可大量制造，并适合长期使用。
文档编号G01J3/28GK101382666SQ20071014882
公开日2009年3月11日 申请日期2007年9月3日 优先权日2007年9月3日
发明者柯正浩 申请人:柯正浩