專利名稱：光學系統及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種光學系統, 光學系統制造工藝。
背景技術：
特別是涉及一種運用光微影技術的
輻射源的光度測定(photometry )通常利用光i普4義(spectrometer ) 來進4亍測量，光i普4義中的光柵(grating)是用來分散多頻輻射源 (multi-frequency radiation )的元4牛。這類4義器,皮廣；乏的應用在解;夾 復雜的難題并且獲取準確的結果。目前這類〗義器在4吏用上有以下問 題(l)體積非常龐大，因此價格昂貴且只能在固定位置使用；(2) 在進行寬帶的光譜測量時，需要耗費大量時間；(3)必須謹慎的操 作儀器，因此，通常需要技巧熟練的操作人員。
美國專利第5,550,375號4是供了一種用來測量氣體的紅外線光 譜感測儀100，如圖l所示，包括具有反射式光柵110的微型結構， 多頻紅外線輻射源120,以及用以接收固定波長紅外線的接收器 130。然而，該紅外線光譜感測儀只能測量較狹窄的光譜波長范圍， 如果要進行多成分分析，則光譜信號會在多個不同波長^皮吸收，而 不是僅限于紅外光區域，則此種光譜感測儀的應用即受限制。
同步光i普4義(simultaneous spectrometers ) 200也是用來才企觀寸輻 射源的裝置，如圖2所示，其包括的元件有入射狹縫(entrance slit) 220、可形成全像(holographic)的凹面(concave)光柵210以及
光電二才及管陣列沖企測器(photodiode array ) 230。以上元件的》文置位 置是固定且無法移動的，但具有高精密度以及光學能量效率良好等 可靠的優點。光電二極管陣列檢測器在此類光譜儀的應用有很大限 制，原因是光電二極管陣列檢測器是由大量單晶組成的平坦表面， <旦此種同步光譜4義的聚焦成{象點卻是曲面的分布，更準確地^兌是聚 焦成像點會分布在羅蘭圓(Rowland circle )上。因此，同步光譜儀 的最佳應用方法之一是讓羅蘭圓的半徑加大，則成像點的分布會近 似于線性平面分布，此種設計需要耗費大量空間，并且需要大型的 檢測器；另一種解決方法如美國專利第6,005,661號所描述，使用 了大量光纖，將聚焦在羅蘭圓上的不同波長信號分別導出，此種方 法可以配合光電二極管陣列檢測器，但是利用光纖導出聚焦信號會 造成能量損失以及分辨率下降的問題。
對光學系統而言可以產生線性輸出的繞射光柵是較好的選擇， 如圖3A所示，美國專利第4,695,132以及4,770,517號提供了一種 激光掃描系統300,利用一個或多個fe鏡片310將發散的光線聚焦 在線性輸出平面320上；如圖3B所示，美國專利第6,650,413號則 揭露了一種光譜儀301,使用了繞射光柵311,并利用準直器 (collimator ) 313與才交正4竟片(correcting lense ) 315的纟且合—奪車lT出 的光i普分量聚焦在一個圖^f象平面321，并在圖l象平面上呈現f sin( 9 ) 分布。
然而，以上所殺又述的發明仍然是復雜的系統，也都無法4吏光學 系統樣i小化以實現可攜式的目的。
發明內容
本發明的目的在于提供一種應用在光學系統中的繞射光柵，其 由光學微影制成，可使體積微小化以實現可攜式效果的光學系統。
本發明的另一目的在于提供一種可大量制造，使制造成本下 降，并適合長期使用的光學系統。
才艮據本發明的一個方面，4是供了一種光學系統，包括輸入部，
用以接收光學信號，預先i殳定的輸出面；以及繞射光柵，包括繞射
表面，用以將該輸入部接收的該光學信號分離成多個光譜分量
(spectral component )，并且各個光譜分量都會聚焦在該預先i殳定的 輸出面，其中該繞射表面由光孩i影工藝形成。
根據本發明的光學系統，其中還包括至少一個檢測器，其設置 在該預先i殳定的l命出面上，用以4企測該預先i殳定的豐敘出面上的該光 譜分量。
根據本發明的光學系統，其中該檢測器為電荷耦合器件(CCD, charge-coupled device )檢測器。
根據本發明的光學系統，其中該檢測器為互補金屬氧化物半導 體(CMOS, Complementary Metal-Oxide- Semiconductor )才全觀'J器。
根據本發明的光學系統，其中組成該繞射光柵的材質選自由第 3-5族半導體、第4族元素、玻璃、塑料以及金屬組成的組。
根據本發明的光學系統，其中該繞射表面為反射式繞射表面。
根據本發明的光學系統，其中該反射式繞射表面是在該繞射光 柵上鍍上至少 一層金屬薄膜而形成的。
根據本發明的光學系統，其中該反射式繞射表面是在該繞射光 柵上氣相沉積至少 一層金屬薄膜而形成的。
根據本發明的光學系統，其中該反射式繞射表面是在該繞射光 柵上鍍上至少一層金屬薄膜而形成的，其中金屬薄膜選自由銀、金、
鋁、柏、4太以及4臬組成的組。
根據本發明的光學系統，其中該輸入部為狹縫。
根據本發明的光學系統，其中該狹縫由光微影工藝形成。
根據本發明的光學系統，其中該狹縫由模制成形制成。
根據本發明的另一個方面，提供了一種光學系統，包括基板 (base plate );蓋體(cover ), i殳置在i亥基一反上，與i亥基才反形成一 內 部空間；輸入部，用以接收光學信號；預先設定的輸出面；以及繞 射光柵，包括繞射表面，用以將該輸入部接收的該光學信號分離成 多個光譜分量，并且各個光譜分量都會聚焦在該預先設定的輸出 面，其中該繞射表面由光孩i影工藝形成。
才艮據本發明的光學系統，其中還包括至少 一個間隔件(spacer )， 其夾置在該基才反與該蓋體之間。
根據本發明的光學系統，其中還包括至少一個遮光元件(light shielding element), "i殳置于it基寺反與i亥蓋體之間。
才艮據本發明的光學系統，其中該輸入部為至少 一條狹縫。
才艮據本發明的光學系統，其中組成該基才反的材質選自由第3-5 族半導體、第4族元素、玻璃、塑料以及金屬組成的組。
才艮據本發明的光學系統，其中組成該蓋體的材質選自由第3-5 族半導體、第4族元素、玻璃、塑料以及金屬組成的組。
才艮據本發明的光學系統，其中該基板面對該內部空間面，覆蓋 第一反射層。
才艮據本發明的光學系統，其中該第 一反射層由至少 一層金屬薄 膜構成。
根據本發明的光學系統，其中構成該第一反射層的材質選自由 4艮、金、鋁、柏、4太以及4臬組成的組。
根據本發明的光學系統，其中該蓋體面對該內部空間面，覆蓋 第二反射層。
根據本發明的光學系統，其中該第二反射層由至少 一層金屬薄
膜構成。
才艮據本發明的光學系統，其中構成該第二反射層的材質選自由 銀、金、鋁、賴、鈥以及鎳組成的組。
才艮據本發明的光學系統，其中在該繞射表面還包括第三反射層。
根據本發明的光學系統，其中該第三反射層是在該繞射光沖冊上 鍍上至少 一層金屬薄膜而形成的。
根據本發明的光學系統，其中該光學系統的外部還包括殼體。
根據本發明的光學系統，其中該殼體具有非反射性的內部表面。
才艮據本發明的光學系統，其中該殼體具有可吸光的內部表面。
根據本發明的光學系統，其中該殼體包覆該光學系統。
根據本發明的光學系統，其中還填充一液體于該內部空間，該 液體的反射率大于該基板、該蓋體與該繞射光4冊的反射率。
根據本發明的又一個方面，提供了 一種制造光學系統的方法，
包括才是供基一反；設置蓋體于該基板上；4是供輸入部，用以接收光 學信號；定義預先設定的輸出面；以及配置繞射光4冊元件于該光學 系統，該繞射光柵包括繞射表面，用以將該輸入部接收的該光學信 號分離成多個光譜分量，并且各個光譜分量都會聚焦在該預先設定 的輸出面，其中該繞射表面由光孩i影工藝形成。
根據本發明的制造光學系統的方法，其中還包括形成至少一個 間隔件于該基板或該蓋體之一。
根據本發明的制造光學系統的方法，其中該形成間隔件的步驟 利用光微影工藝制成。
根據本發明的制造光學系統的方法，其中該形成間隔件的步驟 是在該基一反或該蓋體上涂覆一層光阻劑，4妄著4吏光阻劑圖案化，再 -使光阻劑固化形成間隔件。
根據本發明的制造光學系統的方法，其中該形成間隔件的步驟 是模制成形。
根據本發明的制造光學系統的方法，其中還包括形成至少一個凹槽( recess)于該繞射光樹。
根艮據本發明的制造光學系統的方法，其中該形成凹槽的步驟利用光微影制程。
沖艮據本發明的制造光學系統的方法，其中該形成凹槽的步驟為 模制成形。
才艮據本發明的制造光學系統的方法，其中還包4舌形成至少 一個 第一定位件，該定位件對應于該間隔件，i殳置在另一該基4反或該蓋體。
才艮據本發明的制造光學系統的方法，其中該設置蓋體的步驟是 通過該第 一定位件與該間隔件的配合實現的。
根據本發明的制造光學系統的方法，其中還包括形成至少 一個
第二定位件，該第二定位件對應于該凹槽，設置于至少該基板與該 蓋體之間之一。
根據本發明的制造光學系統的方法，其中該配置繞射光一冊元件 的步驟是通過該凹槽與該第二定位件的配合而實現的。
圖1為現有沖支術的紅外線光i普感測4義的剖面圖2為現有沖支術的同步光i普4義示意圖3A為現有技術的激光掃描系統示意圖3B為現有沖支術的光譜4義示意圖4為本發明優選實施例的光學系統的剖面圖5為本發明優選實施例的光學系統的示意圖6為本發明優選實施例的繞射光沖冊的示意圖7為本發明優選實施例的繞射光4冊形成示意圖； 圖8為本發明優選實施例的光學系統的剖面圖； 圖9為本發明優選實施例的設置蓋體示意圖； 圖10為本發明優選實施例的繞射光4冊示意圖。
具體實施例方式
為4吏本發明的上述目的、特征以及優點更顯而易見，下文特舉 ^尤選實施例，并結合所附附圖，作i羊細il明3口下。
參照圖4和圖5，才艮據本發明的優選實施例，才是供了一種光學 系統400，該光學系統400包括基—反440、蓋體450、輸入部420、 預先設定的輸出面430、以及繞射光柵410。
基板440與蓋體450形成一內部空間445，繞射光柵410設置 在基板440上，繞射光柵410具有一繞射表面412,該繞射表面412 面只寸內部空間445。
繞射光柵410具有一繞射表面412,用以將進入光學系統400 的光學信號10分離成多個光譜分量如20、 22、 24，每個光譜分量 具有不同的波長，這些光語分量會聚焦在預先i殳定的輸出面，并且 呈現線性分布。在聚焦的情況下，光語分量在預先設定的輸出面上 所呈現的半高波寬(FWHM， full width at half maximum ),會小于 或等于預設的波長分辨率。
如圖6所示，繞射光4冊410的繞射表面412具有周期性的結構 414，該周期性結構由光微影工藝形成。如圖7所示，將設計好的 周期性結構圖形制作成光罩72,應用光學成像的原理，來自曝光光
源70發出的光線80會穿透光罩72的透明區域，光線80繼續透過 透鏡74，則光線80會與基質(substrate ) 76表面上事先涂抹的光 阻劑發生反應，也就是曝光。接著對基板上曝光與未曝光的光阻劑 進行化學處理，就可以使光罩72上的圖形轉移至基質76上，繞射 表面412的周期性結構因此形成。光微影工藝中所用的基質76可 以選用第3-5族半導體、第4族元素、玻璃、塑料或金屬。
繞射表面412為反射式繞射表面，可以選用氣相沉積、濺鍍、 蒸鍍、拋光或電鍍等方式在繞射光4冊上鍍上一層金屬薄膜，而此金 屬薄膜的材質可以是銀、金、鋁、柏、鈦或鎳。
輸入部420通常是一狹縫，光學信號10通過狹縫后進入內部 空間445; 4!r入部420也可以是光纖的末端，由纖核(fiber core ) 形成，光學信號IO經由光纖傳輸，到達光學系統400的內部空間。 狹縫可以經由上述光微影工藝方式形成，也可以使用模制成型 (molding )制作。
預定的輸出面為一平坦表面，也可以是任意幾何形狀，例如圓 弧面或波浪表面。在輸出面上》文置4企測器，可4妻收聚焦的光譜分量 信號。檢測器是光感檢測器，包括光電二極管陣列檢測器 (photodiode array ),例如電荷耦合器件或互補金屬氧化物半導體。
如圖8所示，才艮據本發明優選實施例的光學系統500,包括基 板540、蓋體550與繞射光柵510,基板540與蓋體550之間形成 一個內部空間545,其中基板與蓋體的材質可以相同或不同，通常 選自第3-5族半導體、第4族元素、玻璃、塑料或金屬等材質。
基板540與蓋體550之中具有多個間隔件560,可支撐內部空 間，并且可使該基寺反540與蓋體550之間維持所期望的距離。基4反
540與蓋體550之中具有多個遮光元件570，可以用來遮蔽不必要 的光線。
間隔件560與遮光元件570可利用模制成型或光微影工藝形成 于基板540或蓋體550之中，其中利用光微影工藝形成間隔件的步 驟是，首先在基板540或蓋體550之中涂覆一層光阻劑，接著使光 阻劑圖案化，再接著使光阻劑固化，即可形成間隔件560。間隔件 除了可以單獨設置外，也可在上述的另一基一反540或蓋體550之中 設置與間隔件560 ( 562 )相對應的第一定位件580 ( 582 )，如圖9 所示，當名欠將蓋體550 i殳置于基才反540上時，需通過第一定位件580 (582)與間隔件560 (562)的配合與引導。
如圖10所示，在繞射光沖冊510與基才反540或蓋體550的4妄觸 面i殳置至少一個凹沖曹514,并在基板540或蓋體550與繞射光一冊510 的4妄觸面i殳置至少與上述凹槽相對應的第二定位件(未示出)，當 欲將繞射光柵510與基板或蓋體接合時，需通過凹槽與第二定位件 的引導。
基—反540與內部空間545的接觸面上覆蓋至少一層第一反射 層，第一反射層通常是金屬材質，特別是銀、金、鋁、柏、鈦或鎳。 蓋體540與內部空間545的接觸面上覆蓋至少一層第二反射層，第 二反射層通常是金屬材質，特別是銀、金、鋁、粕、鈦或鎳。
繞射光柵510具有繞射表面512，繞射表面512上覆蓋至少一 層第三反射層，第三反射層的形成是將金屬鍍在繞射表面512上， 形成金屬薄膜。在內部空間545的接觸面上覆蓋一層第二反射層， 反射層通常是金屬材質，特別是銀、金、鋁、鉬、鈦或鎳。
第一反射層、第二反射層或第三反射層之一優選實施例的組成 是，50 nm的4太/200 nm 4艮/1 pm 二氧化石圭。
光學系統500的外部設置有殼體590,殼體590具有內部表面 592，內部表面必須是非反射性的表面，或者是可吸光的表面，如 此可避免外來光源影響到光學系統500的運行。
光學系統500的內部空間545可以充滿空氣或是填充適當的液 體，該液體的反射率必須大于基板、蓋體、光柵的反射率。
根據本發明的優選實施例，提供一種制造光學系統的方法，該 方法包括以下步驟提供基板并在該基板上設置蓋體；提供用以接 收光學信號的輸入部；定義預先設定的輸出面；以及配置繞射光柵， 繞射光柵具有利用光微影工藝形成的繞射表面。
根據本發明提供的一種制造光學系統的方法，另外在基板或蓋 體其中之一形成至少一個間隔件；在另 一基^反或蓋體形成至少 一個 第一定位件，并且設置蓋體的步驟通過間隔件與第一定位件的配合 而實現。
根據本發明提供的 一種制造光學系統的方法，另外在繞射光柵 上與基板或蓋體其中之一的接觸面形成至少一個凹槽；在基板或蓋 體與繞射光4冊的接觸面形成至少一個第二定位件，并且配置繞射光 柵的步驟是通過凹槽與第二定位件的配合而實現的。
因此，本發明的繞射光片冊凈皮應用于光學系統，該繞射光4冊利用 光微影工藝形成，可達到高度的精確性，并且體積微小化，可大量 制造使成本降低。
以上所述^f又為本發明的優選實施例，并非限制本發明的保護范 圍，因此凡運用本發明說明書以及圖示內容所作的簡易修飾及等同 替換等，均應包含在本發明的保護范圍內。
主要組件符號說明
10光學信號
20、 22、 24 光譜分量
100 紅外線光i普感測4義
120 多頻紅外線輻射源
200 同步光i普4義
220 入射狹縫
230 光電二極管陣列檢測器
301 311
321 410
光謙儀 繞射光柵
315才交正4竟片
影像平面 繞射光柵
414 第二輪廓
430 預先i殳定的llT出面
445內部空間
500 光學系統
110 反射式光棚-130接收器 210 凹面光牙冊300 雷射掃描系統
310 份4竟片
313 準直
400 412 420
450 510
器
320 線4生^r出平面
光學系統 繞射表面 輸入部
440 基板
蓋體
繞射光柵 540 基板
550 蓋體
562 間隔4牛
580 第一定位件
590 殼體
545 內部空間
560 間隔4牛
570 遮光元件
582 第一定位件
592 內吾P表面
權利要求
1. 一種光學系統，包括:輸入部，用以接收光學信號；預先設定的輸出面；以及繞射光柵，包括繞射表面，用以將所述輸入部接收的所述光學信號分離成多個光譜分量，并且各個光譜分量都會聚焦在所述預先設定的輸出面，其中，所述繞射表面由光微影工藝形成。
2. 根據權利要求1所述的光學系統，其中，還包括至少一個檢測 器設于所述預先設定的輸出面上，用以4全測所述預先設定的輸 出面上的所述光譜分量。
3. 根據權利要求2所述的光學系統，其中，所述檢測器為電荷耦 合器件檢測器或互#卜金屬氧化物半導體檢測器。
4. 根據權利要求2所述的光學系統，其中，組成所述繞射光柵的 材質選自由第3-5族半導體、第4族元素、玻璃、塑料以及金 屬組成的組。
5. 根據權利要求1所述的光學系統，其中，所述繞射表面為反射 式繞射表面。
6. 根據權利要求5所述的光學系統，其中，所述反射式繞射表面 是在所述繞射光柵上鍍上至少一層金屬薄膜而形成的。
7. 根據權利要求5所述的光學系統，其中，所述反射式繞射表面 是在所述繞射光柵上鍍上至少 一層金屬薄膜而形成的，所述金 屬薄膜選自由銀、金、鋁、柏、鈥以及鎳組成的組。
8. 根據權利要求1所述的光學系統，其中，所述輸入部為狹縫。
9. 根據權利要求8所述的光學系統，其中，所述狹縫由光^t影工 藝形成或模制成形制成。
10. —種光學系統，包括基板；蓋體，設置在所述基板上，與所述基板形成一內部空間； 舉lr入部，用以4妻收光學信號； 預先i殳定的llr出面；以及繞射光4冊，包括繞射表面，用以將所述^r入部4妄收的所 述光學信號分離成多個光譜分量，并且各個光譜分量都會聚焦 在所述預先設定的輸出面，其中所述繞射表面由光微影工藝形成。
11. 根據權利要求10所述的光學系統，其中，還包括至少一個間隔件，其夾置在所述基板與所述蓋體之間。
12. 根據權利要求10所述的光學系統，其中，還包括至少一個遮 光組件，設置于所述基才反與所述蓋體之間。
13. 根據權利要求10所述的光學系統，其中，組成所述基板或所 述蓋體的材質選自由第3-5族半導體、第4族元素、玻璃、塑 4牛以及金屬組成的組。
14. 根據權利要求10所述的光學系統，其中，所述基板面對所述 內部空間面覆蓋第 一反射層。
15. 根據權利要求14所述的光學系統，其中，所述第一反射層由 至少一層金屬薄膜構成，構成所述第一反射層的材質選自由 4艮、金、鋁、鉑、4太以及4臬組成的組。
16. 根據權利要求10所述的光學系統，其中，所述蓋體面對所述 內部空間面覆蓋第二反射層。
17. 根據權利要求16所述的光學系統，其中，所述第二反射層由 至少一層金屬薄膜構成，構成所述第二反射層的材質選自由 4艮、金、鋁、鉬、4太以及牽臬組成的組。
18. 根據權利要求10所述的光學系統，其中，還包括第三反射層 在所述繞射表面。
19. 根據權利要求18所述的光學系統，其中，所述第三反射層是 在所述繞射光柵上鍍上至少 一層金屬薄膜而形成的，構成所述 第三反射層的材質選自由銀、金、鋁、柏、鈦以及鎳組成的組。
20. 根據權利要求10所述的光學系統，其中，所述光學系統的外 部還包括殼體，所述殼體包覆所述光學系統。。
21. 根據權利要求20所述的光學系統，其中，所述殼體具有非反 射性或可p及光的內部表面。
22. 根據權利要求10所述的光學系統，其中，還填充一種液體于 所述內部空間，所述液體的反射率大于所述基板、所述蓋體與 所述繞射光一冊的反射率。
23. —種制造光學系統的方法，所述方法包括提供基板；設置蓋體于所述基板上； 提供輸入部，用以接收光學信號； 定義預先i殳定的llT出面；以及配置繞射光4冊元件于所述光學系統，所述繞射光片冊包括 繞射表面，用以將所述輸入部接收的所述光學信號分離成多個 光譜分量，并且各個光譜分量都會聚焦在所述預先設定的輸出 面，其中所述繞射表面由光^f效影工藝形成。
24. 根據權利要求23所述的方法，其中，還包括在所述基板或所 述蓋體之一形成至少 一個間隔件。
25. 根據權利要求24所述的方法，其中，所述形成間隔件的步驟 利用光微影工藝。
26. 才艮據權利要求24所述的方法，其中，所述形成間隔件的步驟 是在所述基板或所述蓋體上涂覆一層光阻劑，接著4吏光阻劑圖 案化，再4吏光阻劑固化形成間隔件。
27. 根據權利要求24所述的方法，其中，所述形成間隔件的步驟 是模制成形。
28. 根據權利要求23所述的方法，其中，還包括在所述繞射光柵 形成至少一個凹槽。
29. 4艮據4又利要求24所述的方法，其中，還包括形成至少一個第 一定位件，所述定位件對應于所述間隔件，設置在另一所述基 板或所述蓋體。
30. 根據權利要求29所述的方法，其中，所述設置蓋體的步驟是 通過所述第 一定位件與所述間隔件的配合而實現的。
31. 根據權利要求28所述的方法，其中，還包括形成至少一個第 二定位件，所述第二定位件對應于所述凹槽，i殳置于至少所述 基板與所述蓋體其中之一 。
32. 才艮據權利要求31所述的方法，其中，所述配置繞射光才冊元件 的步驟是通過所述凹槽與所述第二定位件的配合而實現的。
全文摘要
本發明提供一種光學系統及其制造方法，該光學系統包括輸入部，用以接收光學信號，預先設定的輸出面；以及繞射光柵，包括繞射表面，用以將該輸入部接收的該光學信號分離成多個光譜分量，并且各個光譜分量都會聚焦在該預先設定的輸出面，其中該繞射表面由光微影工藝形成。根據本發明的制造光學系統的方法，包括提供基板；設置蓋體于該基板上；提供輸入部，用以接收光學信號；定義預先設定的輸出面；以及配置繞射光柵元件于該光學系統，該繞射光柵包括繞射表面，用以將該輸入部接收的該光學信號分離成多個光譜分量，并且各個光譜分量都會聚焦在該預先設定的輸出面，其中該繞射表面由光微影工藝形成。本發明的光學系統可大量制造，并適合長期使用。
文檔編號G01J3/28GK101382666SQ20071014882
公開日2009年3月11日 申請日期2007年9月3日 優先權日2007年9月3日
發明者柯正浩 申請人:柯正浩