TWI670483B - 光學干涉裝置、相移陣列及用以產生空間分佈干涉光圖樣之方法 - Google Patents

光學干涉裝置、相移陣列及用以產生空間分佈干涉光圖樣之方法 Download PDF

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Abstract

一種光學干涉裝置100被揭露於此。在所述之一實施例中，光學干涉裝置100包含：用以接收準直光束的相移陣列108。相移陣列108具有一陣列的單元128，自準直光束的各射束產生光通道，其中至少部分之光通道具有不同之相位偏移。光學干涉裝置100更包含具有焦距之聚焦透鏡110，且聚焦透鏡110經配置以自光通道同時地產生在聚焦透鏡110的聚焦平面中之聚焦光束及在相移陣列108下游處供光學偵測器116所偵測之影像。光學干涉裝置100亦包含光學空間濾波器112，光學空間濾波器112配置於聚焦透鏡110之焦距上，並經配置以對聚焦光束進行濾 波，以產生供光學偵測器116所偵測之零級的空間分佈干涉光圖樣。一種用以產生空間分佈干涉光圖樣的方法亦被揭露。

Description

光學干涉裝置、相移陣列及用以產生空間分佈干涉光圖樣之方法
本發明係關於光學干涉裝置。
光學干涉裝置的一個範例是光柵光譜儀(grating spectrometer)，光柵光譜儀通常用來測量光在電磁波光譜(electromagnetic spectrum)的一個特定區段的光譜特性(spectral properties)。當應用在分光技術(spectroscopy)時，測量值可接著被分析以判斷曝露於光之材料的特性。
然而，現有的光譜儀不是尺寸相對較大，就是若在尺寸很小的情形下，受到低光通量(light throughput)以及低光譜解析度的困擾。
本發明之一目的在於提供光學干涉裝置，以克服先前技術的至少一個缺點及(或)提供大眾一個有用的選項。
在第一態樣中，提供有一個光學干涉裝置，光學干涉裝置包含：用以接收準直(collimated)光束的相移陣列，相移陣列具有一陣列的單元，此陣列的單元用以自準直光束的各射束產生複數光通道，其中至少部分之光通道具有不同之相位偏移；具有焦距之聚焦元件且聚焦元件經配置以自光通道同時地產生在聚焦元件的聚焦平面中之聚焦光束及在相移陣列下游(downstream)處供光學偵測器116所偵測之影像影像；以及光學空間濾波器，配置於聚焦元件之焦距上，且光學空間濾波器經配置以對聚焦光束進行濾波，以產生供光學偵測器所偵測之零級的空間分佈干涉光圖樣。
所述的實施例的一個優點在於，此實施例可使光學干涉裝置的部件排列在相同的光學平面上，並可因此得到一個緊密的(compact)光學干涉裝置。
需注意的是，聚焦元件可包含微透鏡(lenslet)陣列，每一微透鏡經配置以接收一些光通道或各自的光通道。在此一實施例中，光學空間濾波器包含開孔(aperture)陣列，每一開孔經配置於微透鏡陣列的各微透鏡的焦距上。
較佳地，該陣列的單元之至少一些單元為空白單元，空白單元不影響入射至各空白單元的射束之相位。這樣的設計在測量光源均勻度相當有用，且測量的資訊可用以補償不均勻的照射。
相移陣列可具有不同的組態和尺寸。舉例來說，於一個實施例中，該陣列的單元之至少一些單元可包含薄層狀(lamellar)結構。在一個實施例中，薄層狀結構包含相交錯的複數凸起表面及複數凹陷表面。薄層狀結構可具有偶數或奇數的凸起表面及凹陷表面。在另一範例中，相交錯的凸起表面及凹陷表面可形成同心圖樣。
特別地，聚焦元件可為聚焦透鏡或鏡子。光學準直器可形成為光學干涉裝置的一部分，且若在此狀況下，則光學干涉裝置更包含經配置以產生準直光束之光學準直器。光學干涉裝置亦可更包含入射孔，入射孔用以將入射光導向光學準直器。
較佳地，干涉圖(interferogram)可自空間分佈干涉光圖樣推導出，且光譜可自干涉圖藉由線性方程式之系統而推導出。線性方程式可包含逆矩陣(matrix inversion)之使用。
光學干涉裝置可使用在不同的應用中，且因此，光學干涉裝置可適於作為傅里葉光譜儀(Fourier spectrometer)或是拉曼光譜儀(Raman spectrometer)。
光學干涉裝置亦可適以同時偵測兩個(或更多個)的分光通道(spectroscopic channel)。因此，光學干涉裝置可更包含額外相移陣列，額外相移陣列鄰接相移陣列而配置，其中額外相移陣列接收經配置以參考光束。
由於光學干涉裝置的緊密尺寸，光學干涉裝置可適以與手持或可攜裝置使用，以進行穿透率(transmission)或是吸收率(absorbance)的量測。因此，在第二態樣中，提供有一種結合產品，於結合產品中具有如上所述的光學干涉裝置，且光學干涉裝置包含光學外殼，光學外殼用以容置光學準直器、相移陣列、聚焦透鏡以及空間濾波器，且該光學干涉裝置包含具有光學偵測器之可攜式運算裝置，光學偵測器為照相機或焦面陣列(foeal plane array)之形式，光學外殼係適以與照相機或焦面陣列相合，其中照相機可經配置以偵測空間分佈干涉光圖樣。
在第三態樣中，提供有相移陣列，相移陣列用以接收準直光束，相移陣列具有一陣列的單元，此陣列的單元自準直光束的各射束產生複數光通道，至少一些之光通道具有不同之相位偏移；其中此陣列的單元包含至少一些空白單元，空白單元不影響入射至各空白單元的射束之相位；且此陣列的單元包含薄層狀結構，薄層狀結構具有不同深度之單元，具 有不同深度之單元用以產生具有不同之相位偏移的光通道。
所述的實施例的一個優點在於，這樣的設計使得光源均勻度被同時地測量，且此資訊可接著被用以補償不均勻的照射。以此方式，光譜資訊可被計算出。
較佳地，空白單元為可為大致平的。在一實施例中，薄層狀結構可包含相交錯的複數凸起表面及複數凹陷表面。薄層狀結構可包含偶數或奇數的凸起表面及凹陷表面。在一所述的實施例中，交錯的凸起表面及凹陷表面形成同心圖樣。
在第四態樣中，提供有用以產生空間分佈干涉光圖樣之方法，方法包含以下步驟：接收準直光束，從所接收之準直光束的各射束產生複數光通道，至少一些的光通道具有不同之相位偏移；提供具有焦距之聚焦元件；由聚焦元件自光通道同時產生在聚焦元件的聚焦平面中之聚焦光束及供光學偵測器所偵測之在下游處的影像；以及提供光學空間濾波器於聚焦元件之焦距上，且使光學空間濾波器對聚焦光束進行濾波，以產生供光學偵測器所偵測之零級的空間分佈干涉光圖樣。
應理解與一個態樣相關的特徵，亦可與其他態樣相關。
100‧‧‧光譜儀
102‧‧‧入射光學空間濾波器
104‧‧‧入射孔
106‧‧‧準直透鏡
108‧‧‧相移陣列
110‧‧‧聚焦透鏡
112‧‧‧出射光學空間濾波器
114‧‧‧出射孔
116‧‧‧光學偵測器
118‧‧‧空白單元
118a‧‧‧表面
120‧‧‧垂直條紋
122‧‧‧水平條紋
124‧‧‧陣列區段
126‧‧‧單元區段
128‧‧‧單元
130‧‧‧單元
130a‧‧‧照射表面
130b‧‧‧薄層狀結構
130c‧‧‧凸起表面
130d‧‧‧凹陷表面
132‧‧‧單元
132a‧‧‧照射表面
132b‧‧‧薄層狀結構
132c‧‧‧凸起表面
132d‧‧‧凹陷表面
134‧‧‧單元
134a‧‧‧薄層狀結構
134b‧‧‧凸起表面
134c‧‧‧凹陷表面
136‧‧‧小平面
138‧‧‧小平面
140‧‧‧主光軸
142‧‧‧縱軸
200‧‧‧第一替代光譜儀配置
202‧‧‧替代相移陣列
204‧‧‧微透鏡陣列
206‧‧‧微透鏡
208‧‧‧光通道
210‧‧‧開孔陣列
212‧‧‧狹縫孔
214‧‧‧次級微透鏡陣列
216‧‧‧次級微透鏡
218‧‧‧偵測器陣列
300‧‧‧第二替代光譜儀配置
302‧‧‧替代相移陣列
304‧‧‧微透鏡陣列
306‧‧‧開孔陣列
308‧‧‧次級微透鏡陣列
310‧‧‧偵測器陣列
312‧‧‧針孔開孔
400‧‧‧智慧型手機
500‧‧‧第一相移陣列變形
502‧‧‧薄層狀結構
504‧‧‧前側凸起結構
506‧‧‧凹槽
508‧‧‧背側延長凸起結構
510‧‧‧背側延長凹陷結構
530‧‧‧相移陣列變形
532‧‧‧薄層狀結構
534‧‧‧前側凸起元件
536‧‧‧凹陷元件
538‧‧‧階梯形式
550‧‧‧第三相移陣列變形
552‧‧‧反射性薄層狀結構
554‧‧‧前側凸起結構
556‧‧‧前側凹陷表面
558‧‧‧背側表面
560‧‧‧階梯狀結構
562‧‧‧反射性塗層
564‧‧‧背側反射性塗層
現將參照附隨的圖式而說明示例性的實施例，其中：第1圖為依據一較佳實施例之以光譜儀形式的光學干涉裝置的概要圖，且光學干涉裝置包括相移陣列；第2圖為第1圖的光譜儀的側視圖；第3圖為第1圖的相移陣列的放大圖；第4圖為第3圖的相移陣列的單元區段的放大圖；第5圖繪示以空白單元形式的單一個單元做為第4圖的單元區段的一個示例性單元；第6圖繪示具有第一薄層狀結構的單一個單元做為第4圖的單元區段的一個示例性單元；第7圖繪示具有第二薄層狀結構的單一個單元做為第4圖的單元區段的一個示例性單元；第8圖繪示具有同心圖樣的單一個單元做為第4圖的單元區段的一個示例性單元；第9圖繪示第6圖的單一個單元，且繪示出穿越此單元的兩個小平面的平面光波；第10圖為第9圖的兩個小平面的剖視圖；第11圖為顯示於第1圖和第2圖中的替代光譜儀配置之概要圖，且光譜儀包含具有複數微透鏡； 第12圖為第11圖的替代光譜儀配置的上剖視圖；第13圖為顯示於第1圖和第2圖中的另一替代光譜儀配置的概要圖，且光譜儀包含複數微透鏡；第14圖為比較在350奈米的波長，為達到從10奈米至0.5奈米範圍的光譜解析度時，一個示例性的光譜儀以及第1圖的光譜儀所需之準直角度的圖式；第15圖為繪示示例性的光譜儀和第1圖的光譜儀所需的準直角度的比例的圖式；第16圖繪示第1圖之光譜儀相對2公釐刻度之放大示例性尺寸，以說明如第15圖中所建議的光譜儀在縮小尺寸上的可能性；第17圖繪示第16圖的光譜儀，且光譜儀與智慧型手機的相機連接；第18圖為將光通量比值TMCFTS/TGating繪示為在λmin=350奈米波長下的光譜解析度的函數的圖式，其中TMCFTS為第1圖的光譜儀100的光通量，且TGating為示例性的光柵裝置的光通量；以及第19至23圖繪示第1圖之相移陣列108之替代的示例性形狀及結構。
第1圖為依據一較佳實施例以光譜儀100的形式的光學干涉裝置的概要圖。光譜儀100包含具有入射孔104的入射光學空間濾波器102、準直透鏡106、相移陣列108、為聚焦透鏡110的形式的聚焦元件，以及具有出射孔114的出射光學空間濾波器112。
入射光學空間濾波器102經配置以自一光源(未繪示)接收光，且入射光學空間濾波器102經配置以將光自光源限制並引導至準直透鏡106。準直透鏡106對光進行準直以成為準直光束，以使相移陣列108以自準直光束的各射束產生複數光通道。應理解至少一些的光通道具有不同之相位偏移。
聚焦透鏡110自相移陣列108接收光通道，且聚焦透鏡110經配置以在聚焦透鏡110的聚焦平面中產生聚焦光束。出射光學空間濾波器112(以及出射孔114)配置於聚焦透鏡110的焦距處，且出射光學空間濾波器112經配置以自聚焦透鏡110接收聚焦光束，以產生供光學偵測器116所偵測之零級的空間分佈干涉光圖樣。
需注意的是，除了聚焦光束外，聚焦透鏡110亦經配置以同時產生相移陣列108的影像，並投射此影像，以供光學偵測器116所偵測。
光學偵測器116紀錄像素化(pixelated)的干涉圖樣，並可傳送此像素資訊至處理模組，以計算光的光譜組成(spectral composition)。
第3圖為第1圖中的光譜儀的相移陣列108的放大圖，並且相移陣列108由具微結構(因此相當合適地被稱為微相移陣列(micro-phase shifter array或MPSA))、透明的材料(如玻璃或塑膠)所形成。於本實施例中，相移陣列108包含複數空白單元118，空白單元118經配置為網格結構，網格結構形成橫跨相移陣列108的五個垂直條紋120及水平條紋122。如第3圖中所示，空白單元118的網格結構將相移陣列108分成6×6的陣列區段124(雖然陣列區段的數目可相應地改變)，各個陣列區段124包括數個單元區段126。
第4圖為，具有N×M個單元或是單元元件的單元區段126之一者的放大圖。在本實施例中，單元區段126由4×4個單元128組成，且這些單元128和一些空白單元118鄰接。每個單元在每個單元的頂端與底端間的單元各自的結構深度，與每個單元的周邊單元均不同。這造成了變動或不同的結構深度(請參照第4圖的梯狀結構)，且因此各個個別的單元128呈現不同的光學相位特性。當來自準直透鏡106的準直光束被導引至相移陣列108上時，單元 128將產生各光通道(或量測通道)。空白單元118(或當與其他單元128相較時之「零深度」的單元)用以紀錄越過相移陣列之光源的空間強度分佈。應理解這些空白單元118不影響入射至這些空白單元118的準直光束的射束的相位，但是這些空白單元118是用以量測強度(在不影響射束相位的情形下)。需提及的是，為了計算或量測光譜資訊，需要有下列資訊：a)由相移陣列108產生的干涉圖樣；以及b)光譜儀100的相移陣列108的照射的不均勻度。
藉由空白單元118，有可能量測光源的均勻度，並利用這個資訊來補償不均勻的照射。造成入射光射束的相移的單元128以及相移陣列108的空白單元118的組合允許同時監看照射相移陣列的光源分佈。
再次地，空間強度分佈對於不均勻照射的補償相當有用。將數百個個別的單元128排列於包含空白單元118之一個方向或兩個垂直的方向上構成用於光譜計算之第3圖的相移陣列108。這樣的方式相當有用，因為這樣的方式避免使用額外的空白片來偵測光源均勻度的需求。
第4圖繪示一個4×4的單元區段126，即表示單元區段126是由16個個別單元128組成，單元128經配置以與數個空白單元118相鄰接。第5圖繪示空白單元118之一者的結構，空白單元118在所有的表面118a上為平面的或是大致上是平的。
應理解單元128可根據欲獲得的量測結果而具有不同的形狀、大小以及結構。第6圖繪示第一範例單元130，第一範例單元130具有照射表面130a以及設置於照射表面130a上的薄層狀結構130b。在這第一範例單元130中，薄層狀結構130b包含數目相同且相交錯的複數凸起表面130c及複數凹陷表面130d，且凸起表面130c及凹陷表面130d具有實質上相等的寬度。在此範例中，共有四個交錯的凸起表面130c及凹陷表面130d，其數目為偶數。而無需贅言，凸起表面130c及凹陷表面130d的數目也可為奇數。
第7圖繪示具有照射表面132a的第二範例單元132，且第二範例單元132具有照射表面132a以及同樣設置於照射表面132a上的薄層狀結構132b。與第一範例單元130不同的是，薄層狀結構132b具有不同數目且相交錯的凸起表面132c及凹陷表面132d，且這些相交錯的凸起表面132c及凹陷表面132d的寬度也彼此不同。
可以設想的是，一個單元的薄層狀結構可具有不同的結構及尺寸，且一個範例是如第8圖所示，係具有同心薄層狀結構134a的第三範例單元134，且薄層狀結構134a具有相交錯的凸起表面134b及凹陷表面134c。
使用設置在單元128間的空白單元118允許同時監看照射相移陣列的光源分佈。這樣的方式將可對不均勻的照射進行補償。
接著，將適合討論相移陣列108是如何在射束穿越相移陣列108時，將光的射束進行折射。為求簡化，第9圖繪示第6圖的單一個單元130，且繪示出穿越單元130的第一小平面136及第二小平面138的平面光波u1j及u2j。為方便解釋，第一小平面136為凸起表面130c之一者且第二小平面138為凹陷表面130d之一者，並因而在兩個小平面136、138間產生一深度。第10圖為第9圖的兩個小平面136、138的剖視圖，並繪示出X軸及Y軸。
為了解折射率(refractive index)在光譜範圍上的分佈，假設平面光波u1j及u2j沿X軸方向穿越單元130的兩個小平面136及138而行進，且兩個小平面136及138分別具有厚度L及dj(亦即單元長度)。
在第10圖的厚度L處，兩個光波或光束所減少的振幅可由下式計算：
其中，k0=真空波數(下標”0”表示真空)；L=第一小平面136的最大厚度；dj=第二小平面138的厚度；j=計數相移陣列108的各個個別的單元128的自然數；以及t=時間。
利用此定義：n(k 0)=n'(k 0)+iK(k 0) (方程式：1-3)
其中n’=實數折射率(real refractive index)；以及K=消光常數(extinction constant)。
據此，兩個平面光波u1j及u2j間的干涉可由下式計算：
由方程式1-4，與能量成正比的兩個平面光波u1j及u2j的振幅的和的絕對值之平方，是由下式計算：
接著，在非吸收材料(non-absorbing material)的簡化狀況中，K=0：
因此，在第j個單元的設計光譜範圍內之波數值為(k01l=1,2,…，且為單元數目)之光譜能量可由下式計算：
其中，。
且為光源的光譜能量分佈。
由方程式1-7，可計算出包含多個線性方程式的系統，且此些線性方程式可利用逆矩陣而求解，以得到由單元130所產生的干涉圖樣。在利用傅立葉轉換計算干涉圖(interferogram)的狀況下，將需要對頻譜的額外修正，以補償與波數有關的峰值偏移。
雖然以上說明是基於單元130，但是明顯的，這樣的說明類似地應用在整個相移陣列108上。
明顯地，聚焦元件可以其他形式實現，而不限於第1圖及第2圖中所示的聚焦透鏡110。舉例來說，除了使用單一聚焦透鏡110來對整個相移陣列 108成像外，各相移陣列的單元128可由個別的微透鏡成像，且這樣的第一替代光譜儀配置200是顯示於第11圖中(一些組成元件省略繪示，以便於解釋)，而第12圖為第11圖的配置的上剖視圖。
第一替代光譜儀配置200包括替代相移陣列202，類似於第1圖中所示的陣列，但是包含第6圖所示的單元130的陣列(亦即具有薄層狀結構130b)以及空白單元118。與單一聚焦透鏡110的設計不同，第一替代光譜儀配置200包含微透鏡陣列204，微透鏡陣列204包含複數微透鏡206，各微透鏡206經配置以自各單元130(或在此情況下亦可能為空白單元118)接收光通道208。此光通道208在第11圖中是繪示為陰影。在替代例中，可以設想的是，各個微透鏡206可經配置以接收各個單元130(或在此情況下亦可能為空白單元118)所產生的多個光通道。
第一替代光譜儀配置200更包括以開孔陣列210的形式實現的光學空間濾波器，開孔陣列210配置於微透鏡陣列204之焦距上。開孔陣列210包括複數個狹縫孔212(slit aperture)，各個狹縫孔212配置於對應的微透鏡206的焦距上。更進一步地，在微透鏡陣列204及開孔陣列210的下游處，第一替代光譜儀配置200亦包括具有複數次級微 透鏡216的次級微透鏡陣列214以及以偵測器陣列218的形式實現的光學偵測器。
如第12圖中所示，次級微透鏡216經配置以對來自開孔陣列210的光束重新聚焦為單一像素或是一組集合像素，並由偵測器陣列218的各個偵測器220所偵測。
藉由微透鏡陣列204的使用，可能達成一個非常緊密的光譜儀。應理解微透鏡陣列204(以及次級微透鏡陣列214)可由兩個或多個相結合的個別透鏡陣列形成，諸如兩個交叉圓柱(crossed cylindrical)微透鏡陣列，而非第11圖中所示的單一透鏡陣列。無需贅言，替代相移陣列202可以其他形式形成，其中一個進一步的範例繪示於第13圖中，第13圖繪示第二替代光譜儀配置300。
第二替代光譜儀配置300包括替代相移陣列302，類似於第11圖中所示的陣列，但是包含第8圖所示的單元134的陣列(亦即具有同心圓的薄層狀結構134a)以及空白單元118。類似地，微透鏡陣列304配置於下游處，並且配置於微透鏡陣列304的焦距上的開孔陣列306、次級微透鏡陣列308以及偵測器陣列310亦配置於下游處。
由於相移陣列302的同心結構，與第11圖的配置不同，開孔陣列306包括數個圓形或是針孔 開孔312，以接收來自相移陣列302的(折射的)光束。
所述的實施例以及替代配置具有許多優點，並解決許多問題。舉例來說：
更寬的自由頻譜工作範圍(free spectral working range)：
分光元件例如光柵或是稜鏡傾向於限制裝置的光譜的頻寬，光譜的頻寬稱為自由光譜範圍。舉例來說，光柵在正常入射情形下的色散方程式(dispersion formula)由下式所描述：d(sin θ m +sin α)=mλ (方程式：2-1)
其中d=狹縫間隔，亦即所謂的光柵常數；m=繞射階數(diffraction order)；θm=第m繞射階數的繞射角度；α=相較光柵法線(grating normal)的入射角；以及λ=波長。
因此，當α=0，給定的固定光柵間隔d的繞射光柵，以及諸如為第一(m=1)的繞射階數時，繞射射束θm將在角度θm=1=sin-1(λ/d)時形成最大值。同樣的方式可應用在m=2且波長為λ/2時，暗示了用以繞射光柵的自由頻譜範圍被侷限至一個倍頻(octave)工作頻帶(λmax/λmin<2)。因此， 習知的光柵光譜儀需要對超過光柵的工作頻帶的波長進行濾波。
相對的，在實施例中所述的光學干涉裝置不需要對波長進行濾波，且可被修改以在由光學偵測器決定的所有光譜頻寬下工作，此光譜頻寬典型地可為一個數量級。
較低的製造公差(manufacturing tolerance)：
光柵可由機械刻劃(mechanical ruling)或是全像術(holography)來製造。在機械刻劃的情形下，光柵的製造需求非常多。眾所皆知，光柵的各個槽面須為平整的，並具有平順的直邊，並在小於λmin/10的尺度上不能具有不規則形狀。槽間隔需維持在約為波長的1%內。以具有10×10平方公釐的尺寸之光柵為例，以及波長λmin為300奈米的情形下，此一需求必需達到在10公釐的凹槽之全部長度上具有30奈米的製造公差。這相當於沿一小平面上需要3微徑度(μrad)的角度容忍誤差，以及遠低於30奈米的表面粗糙度。在高度的平整度之需求下，由於光柵不能在製程中扭曲，而使得低成本的複製技術發展變得困難。
在全像術的情形下，由於光柵圖樣是透過兩個同調(coherent)雷射光束的干涉產生，此需求較自然地達成，然而，全像術的光柵並不容易閃耀 (blazed)，且相較於刻劃光柵(ruled grating)具有非常低的效能。
在所述實施例中，是建議利用個別的單元130、132、134以形成相移陣列108，且因此，整個表面可被認為是被分為多個小表面元件，並在表面平整度上需要較低的公差水平。比較波長為300奈米的兩種形式，用於所述的實施例的表面平整度的公差僅有約30毫徑度(mrad)的範圍，且在當維持表面粗糙度的類似需求時，對於公差的嚴苛程度少了四個數量級。
光軸上(on-optical-axis)系統：
光柵通常不論是在傳送(折射)或是反射模式下，都是離軸(off-axis)地被使用。相較下，所述的實施例提供一個傳送組件(如上所述)，提供具有使所有光學元件位於同一光軸上的優點。這導致了低光學像差(aberrations)，且因此可達成具有最小數目的光學元件的緊密裝置。可以設想的是，所述的實施例可類似地延伸至反射組件。
在具有非常緊密的光學干涉裝置後，有可能修改裝置以與手持式電子裝置(諸如智慧型手機)使用。當然，在這樣的應用後，由於整合在智慧型手機中的光譜儀將隨處可見與隨手可得，本發明大幅降低在日常生活中、商業、工業、科學、醫學、美妝、生物學領域中使用光譜學(spectroscopy)的使 用門檻，同時提供勝於其他習知的光譜學方式的光譜學的優點。
緊密裝置尺寸：
於實施例中所述的光譜儀100不需要高度的準直，因此允許緊密短小焦距長度的準直器和尺寸。
在習知具有準直器的光柵光譜儀中，準直器的焦距長度以及入射孔大小對光譜解析度有非常大的影響。
準直角度φ是由下式得知：
其中，=光源點的直徑；以及f=準直器的焦距長度。
為了將光譜中的兩個波長分開，光柵必須將入射的光束分散至大於準直角度的角度(例如△θ=θm,λ2-θm,λ1>φ)。請參見方程式2-1中λ、θ m 等參數的定義。
因此，光譜解析度(兩個鄰近的解析光譜線間的差距△λ=λ2-λ1)無可避免地被準直角度φ所限制。解析度可由對方程式2-1微分來估測：△λ/△θ=d cos(θm)/m (方程式：2-3)
假設△θφ，則將造成： ；對小準直角度而 言 (方程式：2-4)
或是φ△λm/(dcos(θm))
根據方程式2-4的結果，光柵光譜儀必須將φ維持在最小值，以保持較高的解析度(較小的△λ值)，並因此不是需要小的入射孔(較小的)，就是需要具有低接收角度以及就光學角度而言較長的準直器配置(較大的焦距長度f)。
在第1圖之所述實施例中，光譜解析度係取決於干涉光束間產生的最大光學路徑差距。不論是在當相移陣列單元的干涉光束由於傾斜角度而有角度π的相差時(狀況1)，或是當準直角度大到足以將最長波長的零級繞射階數與最短波長的第一繞射階數重疊時(狀況2)，準直角度φ設下解析度的限制。
這將使：φ=最小值[狀況1，狀況2]，其中：
狀況1：φ=cos-1(1-λ/2δmax) (方程式：2-5)
當△λ=λ2/(2δmax)，將使：φ=cos-1(1-△λ/λ)
△λ=(1-cos(φ))λ
狀況2：φ=cos-1(√((P/λmin)2/(1+P/λmin)2)) (方程式：2-6)
其中，P=相移陣列的週期；以及λmin=光譜中之最小波長。
相應地，P的值可在P=3至10λmax的範圍中選擇，以避免或最小化相移陣列100的偏振效應(polarization effects)。值得一提的是，刻意設計之具有小於3λmax的週期之相移陣列提供對偏振靈敏度高的量測以及偏振相關的偵測，且刻意設計之具有小於3λmax的週期之相移陣列為所述實施例的範圍的一部分。
第14圖為比較在350奈米的波長，為達到從10奈米至0.5奈米範圍的光譜解析度時，一個示例性的光譜儀以及所述實施例的光譜儀100(第14圖中的MC FTS)所需之準直角度的圖式。示例性的光譜儀具有每公釐1200條線的典型光柵，且線條AA標示了對於這樣的光譜儀所需的準直角度。如由第14圖所理解的，當需要達到10奈米的解析度時，這樣的光譜儀的光柵需要小於0.013徑度的準直角度。相對的，在週期P=3λmax時(亦即最大波長，在本範例中為700奈米)，所述實施例的光譜儀100被狀況2限制在0.16徑度，和前一個光譜儀相較寬鬆了12倍，並在第14圖中由線條BB繪示。對所述的實施例的光譜儀100來說，準直角度可由狀況1或狀況2(方程式2-5或2-6)其中較小者決定。
為比較示例性的光譜儀以及所述實施例的光譜儀100，第15圖為繪示在波長為350奈米時，要達到從10奈米至0.1奈米的範圍的光譜解析度，在第 1圖的光譜儀和示例性的光譜儀間所需的準直角度的比例的圖式。第15圖的圖式呈現光譜儀100在縮小尺寸和光通量(throughput)優點上的潛力。可觀察到的是，特別在高解析度的情形下，光譜儀100的表現比示例性的光譜儀高出一至兩個數量級。舉例來說：在最小波長350奈米時，要達到1奈米的解析度，光譜儀100在週期為10λmax時允許較示例性的光譜儀40倍大的準直角度φ。根據方程式2-2，當兩種光譜儀間的開孔尺寸維持為常數時，光譜儀100的準直器的焦距長度可減小40倍。明顯地，準直器長度的減少將降低整體系統的尺寸，同時準直器長度的減少大大地改進進入光譜儀的輻射的整體接收角度，並因此同時大大地改進光的收集能力。這對罕見的光學應用(諸如拉曼光譜學)來說或是當感測器如智慧型手機中的互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor；CMOS)感測器的靈敏度較低時，是非常重要的優點，特別是在光通量上的優點。
第16圖繪示光譜儀100相對2公釐刻度之放大示例性實際尺寸，以說明所述實施例在尺寸上的優點。並且，第17圖繪示第16圖的光譜儀100置入於光學外殼中，並與典型的智慧型手機400的相機連接，且光譜儀100的主光軸140實質上與智慧型手機400的縱軸142垂直。可以設想的是，亦可不需以上 述的方式實現，且光譜儀100亦可能以使光譜儀100的主光軸140實質上與智慧型手機400的縱軸142平行的方式連接。亦可以設想的是，光譜儀100的大小可進一步縮小，特別是以如第11圖中所建議的微透鏡陣列204的方式，以使光譜儀100可整合進智慧型手機的外殼內。
高光通量：
眾所皆知的，光學系統的光通量(T)或是幾何擴展量(geometrical extent)是由光束的截面積(A)和光束的投影立體角(projected solid angle,Ω)的乘積決定：T=AΩ (方程式：2-7)
投影立體角是由下式決定：Ω=πsin2(Θ) (方程式：2-8)
其中Θ表示可通過光學系統的子午射線(meridional ray)之最大光錐的一半角度。
光通量是描述一個裝置在透過光學系統收集與傳送輻射的能力的決定性優點要素。在以下的推導中，可推知相對於習知光柵光譜儀裝置的優點。如先前所述，光通量對罕見的光學應用(諸如拉曼光譜學)，或是當感測器靈敏度較低時，或是當捕捉訊號的積分時間較短時很重要。
對光譜儀100來說，光通量將遇到如對準直角度所述之相同情形。因此，Θ不是受限於給定解 析度所需的準直角度(先前段落中的狀況1)，就是受限於從光譜儀100發出的最短波長(λmin)的第一繞射階數的角度(標示為MCFTS)(狀況2)，取兩個角度的較小者。這將使：TMCFTS=最小值[TMCFTS.1,TMCFTS.2]
狀況1：結合方程式2-5、2-7及2-8，並設定需求為Θφ，光通量將由下式決定：
狀況2：sin(θ)=λmin/P (方程式：2-10)
其中，θ=第一繞射階數的角度；以及P=光柵單元的週期。
結合方程式2-7、2-8及2-10，並設定需求為Θφ，則光通量將由下式決定：
其中，A=在考慮整個系統的光通量的情況時，相移陣列108(MPSA)的結構的總面積，或是在個別考慮各量測通道的情況時，由單一單元元件的面積所給出。
為了推導方程式2-9與方程式2-11，兩個方程式sin2(cos-1(x))=1-x2以及sin2(sin-1(x))=x2分別為了較小的x值而簡化。
為比較光通量T與習知的光譜儀(諸如光柵裝置)，TGating將可結合方程式2-1、2-4、2-7與2-8估測出。利用簡化的式子cos(sin-1(x))=√(1-x2)，可得知輻射在垂直入射進這樣的光柵裝置時的光通量可由下式決定：
其中，A=照射的光柵面積；△λ=波長解析度；m=繞射階數；λ=探測光束(probing beam)的波長；以及d=光柵裝置的凹槽週期。
利用在討論準直器需求時相同的假設，對於兩個裝置在P=100λmax、P=10λmax及P=3λmax時，照射區域A均為相等的情形下，藉由在λmin在350奈米波長下(λmax是設定為700奈米)的條件下繪示TMCFTS/TGating的光通量比例為光譜解析度的函數，而比較兩個裝置的光通量TMCFTS/TGating。其結果繪示於第18圖中，顯示出所述實施例的光譜儀100在光通量上的優點。特別是在高解析度時，光譜儀100相較於1200條的光柵裝置，可增加光通量高達四個數量級。這對罕見的光學應用(諸如拉曼光譜學)來說，或是對光學感測器靈 敏度較低的情況來說，是個非常大的優點。與偵測快速的訊號有同等的重要性，更高的光通量改善系統的速度表現，因為光譜儀100可在給定時間週期中收集到更多光子，因而容許更短的積分時間。
空間濾波：
與所知的技術不同，空間濾波技術是與相移陣列108相結合。如第1圖所示，出射光學空間濾波器112(可具有單一狹縫孔或是圓孔陣列)是設置於聚焦透鏡110的焦點上，以對較高階繞射光空間過濾並避免較高階繞射光進入光學偵測器116中。同樣地，若使用微透鏡陣列204以及開孔陣列210，亦可運用同樣的方式。這避免了所知技術(諸如Soller準直器)的複雜度，並因此降低光學元件與系統的成本。
光譜學可具有非常廣的領域的應用，且一個決定性的因素是光譜範圍。舉例來說，在可視光譜學的領域以及使用智慧型手機相機作為讀取和運算工具，這樣的應用可延伸至工業應用外，而遍及個別的智慧型手機使用者。智慧型手機市場不斷地在擴張，且因此，智慧型手機的光譜儀可提供相當大的潛力，諸如血糖水平或血氧水平偵測，到紫外光A(ultraviolet A,UVA)的量測，其中紫外光A量測可用以預測或判斷在日光浴下的癌症風險及紫外光保護。此外，將光譜儀與智慧型手機平台結合， 此提供低成本重點照護(point-of-care)感測的解決方案，此允許資訊可以透過網路傳送，包括反饋、位置辨識以及利用雲端服務的數據紀錄(data logging)。
一般來說，可視光譜學提供的資訊關於：
●原子間的電子躍遷-原子資訊>在紅外線所提供的分子資訊外；
●在螢光光譜學中，由激發態(excited state)至基態(ground state)的轉換；
●在拉曼光譜學中，可得到分子資訊>具高度影響力。
○使用雷射激發，經修改用於可視光譜的高解析度相移陣列加上智慧型手機，來計算紅外光中的拉曼共振。可能難以偵測之非常低的訊號強度。
●比色學：精確的色彩判斷，包括判斷用以標示濃度或酸度改變的標示劑的顏色改變，例如做為pH值指示劑的甲基橙(methyl orange)的顏色改變。側流式(lateral flow)檢測，藉此顏色改變可由光譜儀100讀取，以回報特定事件(諸如懷孕)。
○濃度監測：可視光譜學允許藉由使光通過未知樣品而量化濃度並藉由比較經穿透之I與送入之I0來計算穿透率。由穿透率T，可計算出吸收率A=log(1/T)。
●比爾定律允許透過A=εCl計算濃度，其中A為吸收率，ε為莫耳吸收係數(molar absorptivity coefficient)(公升/莫耳公分)，C為吸收物質的濃度(莫耳/公升)，且l為路徑長度(公分)。
●化學標定-在可視光譜中，發色團(chromophores)吸光能力強，因此可將發色團附著於欲偵測的分子上。
●由濃度比例量測來檢查酶(enzymes)(蛋白質位於所有的活細胞中)。酶可由附著對紫外光/可見光反應的標記分子來量測。
■在醫藥方面最被廣為使用為用以組織受損的指示劑。當細胞因生病而受損，酶將流入血液中，且流入的量表示組織受損的嚴重度。
●對和有機化合物(organic compounds)高度結合的過渡金屬離子(transition metal ions)的溶液，以及生物大分子(biological macromolecules)進行定量測定。
過渡金屬離子的溶液可被染色。金屬離子溶液的顏色將被大大地影響。
●醫藥方面：
○光脈式血氧濃度計(pulse oximeter)，量測穿越手指的穿透光及監看血氧含量(blood oxygen content)。
○非侵入式腫瘤偵測：根據腫瘤所增加之自發螢光(autofluorescence)以及不同的光學特性，分辨腫瘤與健康組織。
所述的實施例不應被視為具限制性。舉例來說，將不同的輪廓深度的個別單元128配置在一起，導致如第3圖及第4圖所示的全域性的相移陣列108，而將空白單元配置遍布相移陣列108的方式可為下列任一種形式：以方格網狀、圓形或是隨機分佈的方式配置。所需的空白單元數目取決於所預期的均勻照射的程度。單元128可為光柵單元。
光學偵測器116可為任何對電磁輻射敏感的裝置，諸如用於待偵測的光(諸如紫外光)之光電耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)或是互補式金屬氧化物半導體的光子偵測器。用於紅外線輻射的水銀碲化鎘(Mercury cadmium telluride,MCT或HgCdTe)及/或熱偵測器亦可被使用。偵測器的材料以及包含光譜儀100的光學元件的光譜特性，決定了光譜工作頻帶。在可視光譜儀的情形下，所呈現的光譜儀可使用智慧型手機或是其他電子裝置(諸如平板電腦)的相機系統來讀取干涉圖樣。此外，智慧型手機的處理器可用以計算所需 的傅立葉轉換或是逆矩陣，以得到光譜資訊。這樣的配置是繪示在第17圖中。
光譜儀100以及不同元件(例如入射光學空間濾波器102、準直透鏡106、相移陣列108等)的大小可經由設計或是最佳化，並且光譜儀100亦可能整合為智慧型手機的光學系統的一部分。亦可能在智慧型手機400中，可使用額外的光學元件(諸如對來自出射光學空間濾波器112的出射孔114的光束進行準直的第三透鏡)以進一步縮小系統尺寸。在額外加入準直透鏡的情形中，相移陣列108的影像接著形成於「無限遠」處，而智慧型手機的相機光學元件需鎖定在「無限遠」的焦距，以在偵測器平面處形成相移陣列108的影像。更進一步地，如果光譜儀100經配置以與智慧型手機的縱軸142平行，可沿著智慧型手機400的縱軸142的光學路徑配置鏡子，以達成高度緊密的光譜儀組件。為避免透鏡系統造成的色差現象(chromatic aberrations)，可採用消色差透鏡(achromatic lenses)。
如果使用智慧型手機(或是諸如平板電腦之可攜式電子裝置)來處理干涉圖樣，智慧型手機的相機可做為光學偵測器116運作，並且藉由此方式，相機可記錄由光譜儀100所產生的像素式干涉圖樣，且智慧型手機的處理器可將此資訊繪示為干涉 圖，以呈現結果，其中光譜組成係透過傅立葉轉換或是逆矩陣而計算。
兩個(或更多個)相同的彼此鄰接之相移陣列108亦可能建構或是配置，且此方式允許同時對兩個(或更多個)光譜學通道進行偵測。這對穿透率送或是吸收率的量測特別重要。舉例來說，一個相移陣列可被用於樣品光束，而其他的相移陣列可被用於參考光束。這樣的方式可以用類似於第1圖中的聚焦鏡片以及出射孔，並使一個相移陣列鄰接於另一個相移陣列，且兩個相移陣列被成像於光電耦合元件的不同位置來執行。另一個方式中，類似的量測可利用第11圖的微透鏡陣列204來執行。在穿透率量測的情形中，樣品光束和參考光束可接著藉由在用於樣品光束之相移陣列前放置樣品於準直光束中，而參考光束的路徑未被阻擋而被同時量測。
第1圖中所示的光譜儀100的一些元件並非必要。舉例來說，可以設想的是，準直透鏡106並非必須。
相移陣列108可以不同的形狀和尺寸來製造。舉例來說，相移陣列108可具有三角形的剖面或是對角延伸的梯階表面。第19至23圖繪示相移陣列108的替代示例性形狀及結構，可具有梯狀的前側表面、梯狀的背側表面或是兩者的結合。舉例來說，第19圖繪示第一相移陣列變形500，具有透射式的薄層 狀結構502(光束CC繪示出透射的形式)，且薄層狀結構502具有延長的前側凸起結構504，與前側延長的凹槽506交錯。薄層狀結構502亦包含背側延長凸起結構508以及背側延長凹陷結構510。應理解前側延長凸起結構504具有不同的高度(沿著Y軸延伸)且在此變形中，前側延長凸起結構504的高度如第19圖中所示沿著X軸(亦即垂直於Y軸)而增加。更進一步地，薄層狀結構502包括背側階式表面512，沿著薄層狀結構502的Z軸方向增加階數。
在另一變形中，第20圖繪示第二相移陣列變形530，具有反射式的薄層狀結構532，且薄層狀結構532包括一列前側凸起元件534，與凹陷元件536交錯。明顯地，前側凸起元件534具有不同的高度，且此亦可由第21圖觀察出，第21圖為第二相移陣列變形530沿著第20圖的方向DD的後視圖。應理解凹陷元件536係以階梯方式538而配置。在這個變形中，前側凸起元件534以及凹陷元件536的表面塗佈有反射層，且當光由上方(繪示為光射束EE)進入時，光射束不是被前側凸起元件534就是被凹陷元件536反射。
在進一步的變形中，第22圖繪示第三相移陣列變形550，具有由不同介質(諸如以空氣做為介質1以及以聚甲基丙烯酸甲脂(polymethylmethacrylate；PMMA)做為介 質2)所形成的反射性薄層狀結構552。薄層狀結構552包括前側凸起結構554，配置於前側凹陷表面556間，且前側凸起結構554亦具有不同的高度輪廓。第三相移陣列變形550具有背側表面558，背側表面558具有階梯狀結構560，且階梯狀結構560具有如第23圖中所示的對角延伸漸增的階梯，第23圖為第22圖中的第三相移陣列變形550的後視圖。前側凸起結構554的頂表面被塗佈有反射性塗層562，且背側表面558類似地被塗佈有背側反射性塗層564。藉由這樣的方式，射入前側凸起結構554的頂表面的光射束將如箭頭FF所示被反射性塗層562所反射(不會穿透介質2)，而射入前側凹陷表面556的光射束則會穿透介質2，但如箭頭GG所示被背側反射性塗層564所反射。
應理解由這些變形可知，相移陣列108的其他結構或配置可被使用。
現已完整地描述本發明，明顯地，在本領域中熟習此技術者在不脫離所請求之範圍內，可於此對本發明作許多的修改。

Claims (23)

  1. 一種光學干涉裝置，包括：一相移陣列，配置以允許一準直(collimated)光束通過該相移陣列，該相移陣列具有一陣列的單元(cell)，該陣列的單元用以自該準直光束的各複數射束(ray)產生複數光通道(optical light channel)，該等光通道具有不均勻的照射，其中該陣列的單元包括多個薄層狀結構單元及多個空白單元，該等薄層狀結構單元具有變動的深度，該等空白單元配置成鄰近於該等薄層狀結構單元的至少一些，該等光通道的至少一些具有由該等薄層狀結構單元所產生的多個變動相移，且其中該等空白單元能夠紀錄空間強度分佈並測量該準直光束的均勻性；一聚焦元件，該聚焦元件具有一焦距，且該聚焦元件經配置以自由該等薄層結構單元和空白單元所產生的該等光通道同時地產生在該聚焦元件的一聚焦平面中之一聚焦光束及在該相移陣列下游(downstream)處供一光學偵測器所偵測之一影像；以及一光學空間濾波器(spatial filter)，配 置於該聚焦元件之該焦距上，且該光學空間濾波器經配置以對該聚焦光束進行濾波，以產生供該光學偵測器所偵測之零級的一空間分佈干涉光圖樣。
  2. 如請求項1所述之光學干涉裝置，其中該聚焦元件包含一微透鏡(lenslet)陣列，各微透鏡經配置以接收一些該等光通道或一個別光通道。
  3. 如請求項2所述之光學干涉裝置，其中該光學空間濾波器包含一開孔(aperture)陣列，各開孔配置於該微透鏡陣列中的各該微透鏡的該焦距上。
  4. 如請求項1所述之光學干涉裝置，其中該薄層狀結構包含相交錯的複數凸起表面及複數凹陷表面。
  5. 如請求項4所述之光學干涉裝置，其中該薄層狀結構包含偶數的該等凸起表面及該等凹陷表面。
  6. 如請求項4所述之光學干涉裝置，其中該薄層狀結構包含奇數的該等凸起表面及該等凹 陷表面。
  7. 如請求項4所述之光學干涉裝置，其中相交錯的該等凸起表面及該等凹陷表面形成一同心圖樣。
  8. 如請求項1至7任一項所述之光學干涉裝置，其中該聚焦元件為一聚焦透鏡或一鏡子。
  9. 如請求項1至7任一項所述之光學干涉裝置，更包含一光學準直器(collimator)，該光學準直器經配置以產生該準直光束。
  10. 如請求項9所述之光學干涉裝置，更包含一入射孔，該入射孔用以將一入射光導向該光學準直器。
  11. 如請求項1至7任一項所述之光學干涉裝置，其中一干涉圖(interferogram)係自該空間分佈干涉光圖樣推導出，且一光譜係自該干涉圖藉由使用多個線性方程式之一系統推導出。
  12. 如請求項11所述之光學干涉裝置，其中藉由使用多個線性方程式之一系統自該干涉圖推導出一光譜包含使用逆矩陣(matrix inversion)。
  13. 如請求項1至7任一項所述之光學干涉裝置，其中該光學干涉裝置為一傅里葉光譜儀(Fourier spectrometer)的形式。
  14. 如請求項1至7任一項所述之光學干涉裝置，其中該光學干涉裝置為一拉曼光譜儀(Raman spectrometer)的形式。
  15. 如請求項1至7任一項所述之光學干涉裝置，更包含一額外相移陣列，該額外相移陣列經配置以鄰接該相移陣列，其中該額外相移陣列經配置以接收一參考光束。
  16. 如請求項1至7任一項所述之光學干涉裝置，該光學干涉裝置包含一光學外殼，以容置該光學準直器、該相移陣列、該聚焦透鏡以及該光學空間濾波器；及一可攜式運算裝置，該可攜式運算裝置具有該光學偵測器，該光學偵測器為一照相機或一焦面陣列(focal plane array)之形式，該光學外殼經配置以與該照相機或該焦面陣列相合，其中該照相機經配置以偵測該空間分佈干涉光圖樣。
  17. 一種相移陣列，配置以允許一準直光束通過該相移陣列，該相移陣列具有一陣列的單元，該陣列的單元用以自該準直光束的各射束產生複數光通道，該等光通道具有不均勻的照射，其中該陣列的單元包括多個薄層狀結構單元及多個空白單元，該等薄層狀結構單元具有變動的深度，該等空白單元配置成鄰近於該等薄層狀結構單元的至少一些，該等光通道的至少一些具有由該等薄層狀結構單元所產生的多個變動相移，且其中該等空白單元能夠紀錄空間強度分佈並測量該準直光束的均勻性。
  18. 如請求項17所述之相移陣列，其中該等空白單元為大致平的。
  19. 如請求項17或18所述之相移陣列，其中該薄層狀結構包含相交錯的複數凸起表面及複數凹陷表面。
  20. 如請求項17或18所述之相移陣列，其中該薄層狀結構包含偶數的複數凸起表面及複數凹陷表面。
  21. 如請求項17或18所述之相移陣列，其中該薄層狀結構包含奇數的複數凸起表面及複數凹陷表面。
  22. 如請求項19所述之相移陣列，其中相交錯的該等凸起表面及該等凹陷表面形成一同心圖樣。
  23. 一種用以產生一空間分佈干涉光圖樣之方法，該方法包含以下步驟：將一準直光束通過一相移陣列，該相移陣列具有一陣列的單元，該陣列的單元包括多個薄層狀結構單元及多個空白單元，該等薄層狀結構單元具有變動的深度，該等空白單元配置成鄰近於該等薄層狀結構單元的至少一些；以自該準直光束的各射束產生複數光通道，該等光通道具有不均勻的照射，其中該等光通道的至少一些具有由該等薄層狀結構單元所產生的多個變動相移，且其中該等空白單元能夠紀錄空間強度分佈並測量該準直光束的均勻性；提供具有一焦距之一聚焦元件；由該聚焦元件自由該等薄層結構單元和該等 空白單元所產生的該等光通道同時地產生在該聚焦元件之一聚焦平面的一聚焦光束及在供一光學偵測器所偵測之下游處的一影像；以及提供一光學空間濾波器於該聚焦元件之該焦距上，且藉由該光學空間濾波器對該聚焦光束進行濾波，以產生供該光學偵測器所偵測之零級的一空間分佈干涉光圖樣。
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