一种分光器及其光谱仪的制作方法

本发明是有关一种光谱仪及其分光器，特别是一种微型分光器及其微型光谱仪。

背景技术：

传统的光谱仪通常是采用棱镜、光栅或干涉组件等分光器以实现色散效果，但必须在整体体积与光谱解析能力之间互相妥协。因此，传统的高分辨率光谱仪因为其光学系统庞大、复杂而较为昂贵。其中，棱镜型光谱仪因为结构体积较为庞大，较不符合微型化光谱仪的需求；干涉型光谱仪虽具有较佳的解析能力，但其光学设计的复杂需求较不利于光谱仪的微型化设计。

综上所述，如何实现微型、高解析以及低成本的光谱仪便是目前极需努力的目标。

技术实现要素：

本发明提供一种分光器及其光谱仪，其是利用具有梯度的导模共振滤波器作为色散组件，可以同时实现微型化以及高分辨率的光谱仪。

本发明一实施例的分光器，其用以与一光传感器组成一光谱仪。分光器包含一导模共振滤波器，其具有多个共振区。每一共振区具有彼此相异的一滤波特性，以反射一待测光源中的一第一光线或透射待测光源中的一第二光线至光传感器，其中第一光线与第二光线的波长相异。

本发明另一实施例的光谱仪一种光谱仪包含一分光器、一光传感器以及一运算单元。分光器包含一导模共振滤波器具有多个共振区，每一共振区具有彼此相异的一滤波特性，以反射一待测光源中的一第一光线或透射待测光源中的一第二光线至光传感器，其中第一光线与第二光线的波长相异。光传感器，其包含多个感光区 分别对应于多个共振区，其用以接收第一光线或第二光线以得到一光强度分布。运算单元，其依据光强度分布以及滤波特性，计算待测光源的一光谱数据。

以下经由具体实施例配合所附的附图详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为一侧视图，显示本发明一实施例的光谱仪。

图2为一曲线图，显示本发明一实施例于不同光栅周期对应不同入射光波长的穿透率。

图3为一曲线图，显示本发明一实施例对应不同光栅周期的共振光波长。

图4为一示意图，显示本发明一实施例的分光器及其光谱仪。

图5为一示意图，显示本发明另一实施例的分光器及其光谱仪。

图6为一示意图，显示本发明再一实施例的分光器及其光谱仪。

图7为一示意图，显示本发明再一实施例的分光器及其光谱仪。

图8为一曲线图，显示本发明一实施例的透射光强度。

图9为一曲线图，显示本发明另一实施例的透射光强度。

图10为一曲线图，显示本发明一实施例的参考光强度分布。

图11为一曲线图，显示本发明另一实施例的参考光强度分布。。

图12为一曲线图，显示本发明一实施例的参考光还原光谱。

图13为一曲线图，显示本发明另一实施例的参考光还原光谱。

符号说明：

A 偏振组件

L 待测光源

L1 第一光线

L2 第二光线

C1,C2,Cn 感光区

P1,P2,Pn 共振区

1 导模共振滤波器

10 介电层

12 透光层

2 光传感器

20 像素

22 运算单元

30 准直透镜

40 壳体

42 针孔

5 移动装置

6 外部光源

7 待侧样品

32 第一光纤

321 第一入光口

322 第一出光口

34 第二光纤

341 第二入光口

342 第二出光口

36 隔离器/耦合器

38 光纤段

39 准直器

具体实施方式

以下将详述本发明的各实施例，并配合附图作为例示。除了这些详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以权利要求书为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或组件并未描 述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。附图中相同或类似的组件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，附图仅为示意之用，并非代表组件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求附图的简洁。

请参照图1，本发明的一实施例的分光器，其用以与一光传感器2组成一光谱仪。分光器包含一导模共振滤波器(Guided-Mode Resonance Filter)1，其具有多个共振区P1,P2,...Pn。特别的是，每一共振区具有彼此相异的一滤波特性，亦即本发明是采用一种具有梯度的导模共振滤波器(Gradient Guided-Mode Resonance Filter)。举例而言，每一共振区沿一垂直待测光源的方向排列具有不同的光栅周期；或，每一共振区沿一垂直待测光源的方向排列具有不同的波导厚度；或，每一共振区沿一垂直待测光源的方向排列具有不同的折射率。于一实施例中，导模共振滤波器1可为一光子晶体。于另一实施例中，导模共振滤波器1可为以一介电层10设置于一透光层12所形成的一波导光栅结构，其中介电层10的折射率大于透光层12的折射率；举例而言，介电层可为TiO₂、SiN_x、ZnO、ZrO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅或HfO₂，透光层可为一玻璃、石英或一塑料材质。但针对不同的波段，介电层及透光层所选用的材料可有所不同。

可以理解的是，因为每一共振区具有相异的滤波特性，故每一共振区对应待测光源L的耦合共振波长(即第一光线的波长)，将随着波导光栅周期或波导厚度变化而有所不同。此外，一未偏振光或自然光须通过一偏振组件A以入射至导模共振滤波器1，使待测光源L具有一特定偏振方向，如图1所示。若待测光源L本质上为具有一特定偏振方向的入射光源，即不在此限。

接续上述说明，本发明的一实施例的导模共振滤波器具有梯度的波导光栅周期，其中多个共振区沿一垂直待测光源的方向排列具有逐渐减少的一共振频率。因此，不同的共振区将具有不同的耦合共振波长，以反射具有不同耦合共振波长的第一光线L1或透射待测光源L中的第二光线L2，其中第一光线L1与第二光线L2的波长相异。请一并参照图2及图3，于一实施例中，第一共振区的波导光栅周期为250nm，且其对应不同入射光波长范围的穿透率如图2中左边第一条曲线(实线)所示，其中反射的共振光波长约430nm；而第二共振区的波导光栅周期为300nm，且其对应不同入射光波长范围的穿透率如图2中左边第二条曲线(虚线)所示，其中 反射的共振光波长约510nm。简言之，每一共振区的耦合共振波长(即第一光线的波长)将互不相同。依此类推，可利用多个已知波长的参考光或一宽带的参考光对具有梯度光栅周期的多个共振区进行验证，以得到如图3所示的不同光栅周期与不同耦合共振波长的线性关系。

为了方便计算，采用透射率表示每一共振区的光学特性，可得具有梯度光栅周期的导模共振滤波器的一透射效率矩阵(Transmission efficiency matrix)T，此矩阵包含i列j行的多个透射元素t_ij，其中i为多个共振区的数量，j为不同波长的每一参考光的数量。因此，每一透射元素t_ij表示每一共振区对应每一参考光的波长所具有的透射效率。举例而言，如图2所示的一实施例中，我们采用一参考光源包含至少7个已知的光波长，分别为430nm、510nm、560nm、710nm、770nm以及860nm，照射一具有梯度光栅周期的导模共振滤波器，其中第一共振区具有一光栅周期250nm，第二共振区具有一光栅周期300nm等，共7个共振区。量测经反射的第一光线或经透射的第二光线可知，参考光源中与特定光栅周期产生共振的已知波长参考光，其透射率实际上不一定是0，而是需要实际量测以得知其光学特性。由实验量测可实际得知导模共振滤波器的透射效率矩阵T，其包含7列7行的多个透射元素t_ij。举例而言，t₂₁＝92％表示第二共振区对应参考光波长430nm的透射率为92％，亦即其第二光线L2的强度与波长430nm的参考光的强度比值为92％；t₂₂＝2％表示第二共振区对应参考光波长510nm的透射率为2％，亦即其第二光线L2的强度与波长510nm的参考光的强度比值为2％。其余依此类推，此不再赘述，上述透射效率特性的量测仅为例示性说明，但不以此为限。

可以理解的是，导模共振滤波器可经由现有的纳米工艺加以实现微型化。可在纳米尺度下逐渐改变每一共振区的波导光栅周期，使波导共振滤波器具有微型化且高分辨率的色散效果。举例说明如下，假设第一共振区的波导光栅周期长度为T1，第二共振区的波导光栅周期长度为T2...共n个共振区，且每一共振区包含m个周期重复数，则可计算出该导模共振滤波器的排列长度为(T1+T2+...+Tn)·m单位长度。就现有半导体技术而言，一导模共振滤波器的周期图样定义因受限于半导体机台工艺能力，只能做出2nm的波导光栅周期变异量。于一实施例中，多个共振区的波导光栅周期在250nm至388nm的范围内以2nm作为变异量，且每一共 振区包含100个周期重复数，则此导模共振滤波器的排列长度为2.23mm。经验证得，此导模共振滤波器经一TE偏振光的入射，便可产生506nm至700nm波长范围的共振模态。可以理解的是，针对微波范围、红外线范围、可见光范围等具有不同波长范围的待测光源，具有通常知识者可调整一导模共振滤波器的光栅周期长度、光栅周期变异量、共振区数量或周期重复数等参数，以实现一微型化分光器。举例而言，相较于一应用于可见光范围的导模共振滤波器，一应用于微波范围的导模共振滤波器所需的周期重复数可以较少，将可减少此导模共振滤波器的排列长度，并具有宽广的工作波长范围。上述实施例仅为例示性说明，具有通常知识者当可自行修饰变换，尚不以此为限。

于一实施例中，分光器更包含一光学组件，其设置于导模共振滤波器1的一入光侧，用以导引待测光源至多个共振区。举例而言，光学组件可为一准直透镜，用以导引待测光源至多个共振区；或，光学组件可为一光纤，将更有利于实现一微型化分光器，但不以此为限。

请参照图4，本发明一实施例的分光器包含一准直透镜30以及一壳体40，其中壳体40具有一狭缝或一针孔42。导模共振滤波器1与狭缝或针孔42相对设置于壳体40，且准直透镜30设置于导模共振滤波器1以及狭缝或针孔42之间。藉此微型化的分光器，将更容易与一移动装置5的光传感器2，例如一智能型手机的镜头，结合成一光谱仪，更为轻巧、简便且移动可携。

请参照图5，于另一实施例中，分光器包含一第一光纤32以及一第二光纤34。第一光纤32包含一第一入光口321以及一第一出光口322，第一入光口321用以导引一外部光源6通过第一出光口322至一待测样品7，以产生待测光源L。第二光纤34包含一第二入光口341以及一第二出光口342，第二入光口341用以导引待测光源L通过第二出光口342至导模共振滤波器1。于另一实施例中，如图6所示，分光器更包含一隔离器36，使第一光纤32的第一出光口段与第二光纤34的第二入光口段并入一光纤段38，可达到节省光纤空间的效果。较佳者，分光器更包含一准直器39与第一光纤32的第一入光口321相连接。

可以理解的是，导模共振滤波器的长度设计将随着待测光源所需的分光波长范围而改变，例如待测光源所需的光波长检测范围较小于350nm,则导模共振滤波 器的长度设计将更小于1.14mm，更有利于分光器的微型化设计。

请参考图7，于一实施例中，在较小的光波长检测范围中，若导模共振滤波器的长度约为50um已可滤除所欲检测的光波长，则导模共振滤波器1可与第二出光口342相连接或嵌入第二出光口342，以实现一微型化分光器。

以下说明本发明的一实施例的一光谱仪及其使用的算法。请继续参照图4，于一实施例中，一光谱仪包含一分光器、一光传感器2以及一运算单元22。关于分光器的技术内容如前所述，此不再详述。光传感器2包含多个感光区分别对应于多个共振区，举例而言，一像素即可为一感光区或另行定义，但不以此为限。特别的是，我们可以定义感光区的数量恰与共振区的数量相同且相互对应，因此感光区的数量等于共振区的数量。于一实施例中，光传感器2可为一感光耦合组件(CCD)。光传感器2用以接收第一光线或第二光线L2以得到一光强度分布。于一实施例中，光强度分布包含一光强度矩阵C，光强度矩阵C包含i个光强度元素，其中i为感光区或共振区的数量。因此，每一光强度元素C_i表示与每一共振区对应的每一感光区感测第一光线所得的光强度或感测第二光线L2所得的光强度。

需要说明的是，光传感器所接收的光强度矩阵C主要是由待测光源的频谱矩阵I以及导模共振滤波器的透射效率矩阵T的转置矩阵T^T所决定，且彼此满足一关系式C＝I·(T^T)。举例而言，一具有未知光谱的待测光源透射分光器后，光传感器的多个感光区将接收经透射的第二光线强度，以实际测得一光强度矩阵C。其中，分光器的导模共振滤波器可预先以多个已知波长的参考光进行实验，决定其所具有的透射效率矩阵T，如前所述，此不再赘述。

承接上述，运算单元22可依据光强度分布的光强度矩阵C以及滤波特性的透射效率矩阵T，还原待测光源的一光谱数据。其中，未知的光谱数据包含一频谱矩阵I，频谱矩阵I包含j个频谱元素，其中j为不同波长的每一参考光的数量。因此，每一频谱元素I_j表示待测光源中对应每一参考光的波长所具有的分光强度。简言之，透射效率矩阵的转置矩阵T^T及光强度矩阵C是由量测得知，而运算单元22是依据一方程式C＝I·(T^T)，经由矩阵的运算或其它数值方法，以求得频谱矩阵I，即为待测光源的光谱数据，例如待测光源的光强度分布。

于一实施例中，一分光器具有周期梯度的导模共振滤波器，其中光栅周期从 250至388nm，每2nm为一个步阶，每一共振区具有100个周期，以下验证此分光器将可针对506-700nm波长范围的待测光源进行滤波，并且将量测结果与一商用光谱仪(Ocean Optics 2000+)进行比较。

我们将量测两种不同光源的光谱，分别为第一红光(波长600nm)以及第二红光(波长约630至650nm)。首先，将第一红光入射至分光器并透射至感光耦合组件，使感光耦合组件量测各感光区的像素所得的光强度，如图8所示。相同地，将第二红光入射至分光器并透射至感光耦合组件，量测其光强度对应各像素的关系，如图9所示。

接着，经由感光耦合组件所得的光强度分布进行入射光还原，通过穿透效率矩阵及数值运算，便可得到以像素为横坐标，纵坐标为运算后的光强分布，如图10及图11所示。在入射不同的参考光于导模共振滤波器，于感光耦合组件会呈现不同的共振频谱，经由不同参考光的共振频谱，我们可以得到参考光波长与感光耦合组件像素的对应关系。因此我们将图10及图11的横坐标(原先为像素编号)转换成波长。其转换后的结果，可与商用光谱仪获得的光谱做比较，如图12及图13所示，可知本发明的光谱仪可分析一待测光源的峰值及其光谱数据。

由上述结果可知，本发明的光谱仪可以量测出正确的峰值，其与市售商用光谱仪的些微差异，可以通过更精密的导模共振滤波器工艺、更严谨的实验环境来进行最佳化。

综合上述，本发明的分光器及其光谱仪是利用具有梯度的导模共振滤波器作为色散组件，并经由导模共振滤波器的多个共振区与光传感器的多个感光区的透射效率对应关系，以得知待测光源的光谱数据，且可以同时实现微型化、高分辨率以及低成本的光谱仪。此外，本发明的导模共振滤波器可经由现有的纳米工艺加以实现微型化，在纳米尺度下逐渐改变每一共振区的波导光栅周期，使波导共振滤波器具有微型化且高分辨率的优点。因此，本发明的光谱仪可符合微型化以及可携式的应用需求，可以轻易地与智能型手机或生物传感器结合，以实现一微型光谱仪。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以此限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专 利范围内。