TWI704379B - 光譜儀 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種光譜儀，包含彼此依序排列的光纖輸入端、準直透鏡、轉軸、光柵、聚焦透鏡及焦平面。光纖輸入端的入射光經過準直透鏡變為第一平行光，此第一平行光包含不同成分的光波長。經由光柵之分光將不同成分的光波長分離為多個不同波長的平行光後，再經由聚焦透鏡之聚焦而將輸出光射至焦平面上的成像位置。光譜儀可旋轉準直透鏡與光纖輸入端，以改變焦平面上的成像位置。

Description

光譜儀
本發明係與光譜儀有關，尤其是關於一種能夠調整/校正成像位置的光譜儀。
近年來由於電子、生化、醫學、光電等各領域蓬勃發展，因此使用光譜儀來分析材料的各種光物理、光化學現象的需求日益增加。光譜儀是物理化學分析儀器的一種，依適用的波長可區分為不同種類的光譜儀，如紫外光-可見光譜儀、近紅外線光譜儀和紅外線光譜儀等。
光譜儀的主要的功用是將成分複雜的光分解為光譜線的科學儀器，由稜鏡或繞射光柵等構成，當複色光通過分光元件(例如光柵、稜鏡)進行分光後，依照光的波長(或頻率)的大小依序排列而成的圖案。光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的一部分，在這個波長範圍內的電磁輻射被稱作可見光。利用光譜儀可測量物體表面反射的光線、穿透物體的穿透光和物體的吸收光。
然而，傳統的光譜儀在實際應用時仍會遭遇到不少問題，例如使用者不易調整/校正光線聚焦於焦平面上的成像位置，亟待克服。
有鑑於此，本發明提出一種光譜儀，以克服先前技術所遭遇到的問題。
依據本發明之一具體實施例為一種光譜儀。於此實施例中，光譜儀包含彼此依序排列的光纖輸入端(Fiber input)、準直透鏡(Collimator lens)、轉軸(Rotating shaft)、光柵(Grating)、聚焦透鏡(Focal lens)及焦平面(Focal plane)。光纖輸入端提供的入射光經過準直透鏡變為第一平行光，此第一平行光包含不同成分的光波長。經由光柵之分光將不同成分的光波長分離為多個不同波長的平行光後，再經由聚焦透鏡將其聚焦於焦平面上的成像位置。其中，光譜儀旋轉準直透鏡與光纖輸入端，以改變焦平面上的成像位置。
於一實施例中，當準直透鏡與光纖輸入端旋轉時，光纖輸入端之位移方向與焦平面上的成像位置之位移方向彼此相反。
於一實施例中，當光纖輸入端向下位移時，焦平面上的成像位置係向上位移。
於一實施例中，當光纖輸入端向上位移時，焦平面上的成像位置係向下位移。
於一實施例中，準直透鏡與光纖輸入端的旋轉方向為順時針方向或逆時針方向。
依據本發明之另一具體實施例亦為一種光譜儀。於此實施例中，光譜儀包含彼此依序排列的光纖輸入端、中繼透鏡(Relay lens)、準直透鏡、光柵、聚焦透鏡及焦平面。光纖輸入端提供的入射光經過中繼透鏡之延伸射至準直透鏡而變為第一平行光，並經由光柵之分光將不同成分的光波長分離為多個不同波長的平行光後，再經由聚焦透鏡將其聚焦於焦平面上的成像位置。其中，光譜儀移動中繼透鏡與光纖輸入端，以改變焦平面上的成像位置。
於一實施例中，當中繼透鏡與光纖輸入端移動時，中繼透鏡與光纖輸入端之位移方向與焦平面上的成像位置之位移方向彼此相反。
於一實施例中，當中繼透鏡與光纖輸入端向上位移時，焦平面上的成像位置係向下位移。
於一實施例中，當中繼透鏡與光纖輸入端向下位移時，焦平面上的成像位置係向上位移。
於一實施例中，當中繼透鏡與光纖輸入端移動時，中繼透鏡與光纖輸入端之位移方向與入射光射至準直透鏡上的入射位置之位移方向彼此相同。
於一實施例中，當中繼透鏡與光纖輸入端向上位移時，入射光射至準直透鏡上的入射位置亦向上位移。
於一實施例中，當中繼透鏡與光纖輸入端向下位移時，入射光射至準直透鏡上的入射位置亦向下位移。
相較於先前技術，本發明的光譜儀能夠簡單地透過旋轉或位移其輸入端元件之方式來上下移動光線聚焦於焦平面上的成像位置，進而達到方便使用者調整/校正光譜儀的成像位置之具體功效。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
現在將詳細參考本發明的示範性實施例，並在附圖中說明所述示範性實施例的實例。在圖式及實施方式中所使用相同或類似標號的元件/構件是用來代表相同或類似部分。
依據本發明之一具體實施例為一種光譜儀。於實際應用中，光譜儀的主要功用是將成分複雜的光分解為光譜線，其可依照光的波長（或頻率）的大小順次排列形成的圖案可依適用的波長可區分為不同種類的光譜儀，例如紫外光-可見光譜儀、近紅外線光譜儀及紅外線光譜儀等，但不以此為限。
請參照圖1及圖2，圖1及圖2係分別繪示此實施例中之光譜儀的上視圖及側視圖。
如圖1及圖2所示，光譜儀1可包含彼此依序排列的光纖輸入端(Fiber input)FIN、準直透鏡(Collimator lens)CL、轉軸(Rotating shaft)RS、光柵(Grating)GT、聚焦透鏡(Focal lens)FL及焦平面(Focal plane)CP。其中，此實施例中之光纖輸入端(Fiber input)FIN與準直透鏡(Collimator lens)CL被設計為可一起旋轉，故可將其定義為旋轉組合10，但不以此為限。
實際上，準直透鏡CL係用以將其接收到的複數道入射光轉變為複數道彼此平行的準直光；光柵GT係用以作為分光元件，其透過有規律的結構使入射光的振幅或相位(或兩者同時)受到週期性空間調製；聚焦透鏡FL係用以將其接收到的複數道入射光聚焦於焦平面CP上。
於此實施例中，光纖輸入端FIN提供入射光至準直透鏡CL並由準直透鏡CL將其變為第一平行光射向光柵GT。接著，光柵GT對第一平行光進行分光後射出多個不同波長的平行光後至聚焦透鏡FL，然後，聚焦透鏡FL再將其聚焦於焦平面CP上的原始成像位置L。
需說明的是，此實施例中之光譜儀1可透過旋轉準直透鏡CL與光纖輸入端FIN所構成的旋轉組合10之方式來達到改變上述的原始成像位置L的效果。於此實施例中，當準直透鏡CL與光纖輸入端FIN所構成的旋轉組合10旋轉時，光纖輸入端FIN的位置會改變，並且光纖輸入端FIN之位移方向會與焦平面CP上的原始成像位置L之位移方向彼此相反。
舉例而言，如圖3所示，當準直透鏡CL與光纖輸入端FIN所構成的旋轉組合10沿第一旋轉方向進行旋轉時，若光纖輸入端FIN向下DN位移至第一輸入位置F1，則焦平面CP上的成像位置將會從原始成像位置L向上UP位移至第一成像位置L1。
於另一實施例中，如圖4所示，當準直透鏡CL與光纖輸入端FIN所構成的旋轉組合10沿第二旋轉方向進行旋轉時，若光纖輸入端FIN向上UP位移至第二輸入位置F2，則焦平面CP上的成像位置將會從原始成像位置L向下DN位移至第二成像位置L2。
需說明的是，準直透鏡CL與光纖輸入端FIN所構成的旋轉組合10的前述第一旋轉方向及第二旋轉方向可分別是順時針方向及逆時針方向，並無特定之限制。換言之，此實施例中之光譜儀1可藉由以不同旋轉方向旋轉其旋轉組合10的方式來上下移動焦平面CP上的原始成像位置L，進而達到調整/校正成像位置之效果。
依據本發明之另一具體實施例亦為一種光譜儀。請參照圖5及圖6，圖5及圖6係分別繪示此實施例中之光譜儀的上視圖及側視圖。
如圖5及圖6所示，光譜儀2可包含彼此依序排列的光纖輸入端FIN、中繼透鏡(Relay lens)RL、準直透鏡CL、光柵GT、聚焦透鏡FL及焦平面CP。其中，此實施例中之光纖輸入端FIN與中繼透鏡RL被設計為可一起位移，故可將其定義為位移組合20，但不以此為限。
實際上，中繼透鏡RL通常由安裝於鏡筒中的兩組鏡片所構成，但不以此為限。構成中繼透鏡RL的鏡片可以是普通球面透鏡，亦可以是非球面透鏡，端視實際需求而定。中繼透鏡RL之主要功用在於：有效延伸成像系統的焦距長度，並可減少機構上的干涉。
於此實施例中，光纖輸入端FIN提供的入射光經由中繼透鏡RL之延伸後射至準直透鏡CL，然後再由準直透鏡CL輸出第一平行光，並由光柵GT對第一平行光進行分光後射出多個不同波長的平行光後至聚焦透鏡FL，再由聚焦透鏡FL將其聚焦於焦平面CP上的原始成像位置L。
需說明的是，此實施例中之光譜儀2可藉由移動中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN構成的位移組合20的方式來達到改變上述的原始成像位置L的效果。
於此實施例中，當中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN構成的位移組合20尚未移動時，中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN係對齊中心軸AX。當中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN構成的位移組合20開始移動時，中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN會開始偏離中心軸AX，並且中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN之位移方向會與焦平面CP上的原始成像位置L之位移方向相反。
舉例而言，如圖7所示，當中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN構成的位移組合20向上UP位移(亦即向上UP偏離中心軸AX)第一距離D1時，焦平面CP上的成像位置會由原始成像位置L向下DN位移至第二成像位置L2。
如圖8所示，當中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN構成的位移組合20向下DN位移(亦即向下DN偏離中心軸AX)第二距離D2時，焦平面CP上的成像位置會由原始成像位置L向上UP位移至第一成像位置L1。
換言之，此實施例中之光譜儀2可透過以不同方向移動其位移組合20的方式來達到上下移動焦平面CP上的原始成像位置L，進而達到調整/校正成像位置之效果。
除此之外，於此實施例中，當中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN構成的位移組合20開始移動時，位移組合20所提供的入射光射至準直透鏡CL上的入射位置亦會隨之改變，並且中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN之位移方向與入射光射至準直透鏡CL上的入射位置之位移方向彼此相同。
舉例而言，如圖7所示，當中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN構成的位移組合20向上UP位移(亦即向上UP偏離中心軸AX)第一距離D1時，入射光射至準直透鏡CL上的入射位置亦會向上UP位移(亦即向上UP偏離中心軸AX)。
如圖8所示，當中繼透鏡RL與光纖輸入端FIN構成的位移組合20向下DN位移(亦即向下DN偏離中心軸AX)第二距離D2時，入射光射至準直透鏡CL上的入射位置亦會向下DN位移(亦即向下DN偏離中心軸AX)。
相較於先前技術，本發明的光譜儀能夠簡單地透過旋轉或位移其輸入端元件之方式來上下移動光線聚焦於焦平面上的成像位置，進而達到方便使用者調整/校正光譜儀的成像位置之具體功效。
1:光譜儀 10:旋轉組合 FIN:光纖輸入端 CL:準直透鏡 RS:轉軸 GT:光柵 FL:聚焦透鏡 CP:焦平面 L:原始成像位置 L1:第一成像位置 L2:第二成像位置 F1:第一輸入位置 F2:第二輸入位置 UP:向上 DN:向下 2:光譜儀 20:位移組合 RL:中繼透鏡 FP:焦點 AX:中心軸 D1:第一距離 D2:第二距離
本發明所附圖式說明如下： 圖1係繪示本發明的一實施例中之光譜儀的上視圖。 圖2係繪示圖1中之光譜儀的側視圖。 圖3係繪示當準直透鏡與光纖輸入端旋轉時，光纖輸入端向下位移且焦平面上的成像位置向上位移的示意圖。 圖4係繪示當準直透鏡與光纖輸入端旋轉時，光纖輸入端向上位移且焦平面上的成像位置向下位移的示意圖。 圖5係繪示本發明的另一實施例中之光譜儀的上視圖。 圖6係繪示圖5中之光譜儀的側視圖。 圖7係繪示當中繼透鏡與光纖輸入端向上位移時，焦平面上的成像位置係向下位移的示意圖。 圖8係繪示當中繼透鏡與光纖輸入端向下位移時，焦平面上的成像位置係向上位移的示意圖。
1:光譜儀
10:旋轉組合
FIN:光纖輸入端
CL:準直透鏡
RS:轉軸
GT:光柵
FL:聚焦透鏡
CP:焦平面

Claims (12)

  1. 一種光譜儀，包含： 彼此依序排列的一光纖輸入端(Fiber input)、一準直透鏡(Collimator lens)、一轉軸(Rotating shaft)、一光柵(Grating)、一聚焦透鏡(Focal lens)以及一焦平面(Focal plane)，該光纖輸入端提供的一入射光經過該準直透鏡變為一第一平行光，然後經由光柵之分光將不同成分的光波長分離為多個不同波長的平行光後，再經由該聚焦透鏡將其聚焦於該焦平面上的一成像位置； 其中，該光譜儀旋轉該準直透鏡與該光纖輸入端，以改變該焦平面上的該成像位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光譜儀，其中當該準直透鏡與該光纖輸入端旋轉時，該光纖輸入端之位移方向與該焦平面上的該成像位置之位移方向彼此相反。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光譜儀，其中當該光纖輸入端向下位移時，該焦平面上的該成像位置係向上位移。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之光譜儀，其中當該光纖輸入端向上位移時，該焦平面上的該成像位置係向下位移。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光譜儀，其中該準直透鏡與該光纖輸入端的旋轉方向為順時針方向或逆時針方向。
  6. 一種光譜儀，包括： 彼此依序排列的一光纖輸入端(Fiber input)、一中繼透鏡(Relay lens)、一準直透鏡(Collimator lens)、一光柵(Grating)、一聚焦透鏡(Focal lens)以及一焦平面(Focal plane)，該光纖輸入端的一入射光經過該中繼透鏡射至該準直透鏡而變為一第一平行光，經由光柵之分光將不同成分的光波長分離為多個不同波長的平行光後，再經由該聚焦透鏡將其聚焦於該焦平面上的一成像位置； 其中，該光譜儀移動該中繼透鏡與該光纖輸入端，以改變該焦平面上的該成像位置。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光譜儀，其中當該中繼透鏡與該光纖輸入端移動時，該中繼透鏡與該光纖輸入端之位移方向與該焦平面上的該成像位置之位移方向彼此相反。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光譜儀，其中當該中繼透鏡與該光纖輸入端向上位移時，該焦平面上的該成像位置係向下位移。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之光譜儀，其中當該中繼透鏡與該光纖輸入端向下位移時，該焦平面上的該成像位置係向上位移。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之光譜儀，其中當該中繼透鏡與該光纖輸入端移動時，該中繼透鏡與該光纖輸入端之位移方向與該入射光射至該準直透鏡上的一入射位置之位移方向彼此相同。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光譜儀，其中當該中繼透鏡與該光纖輸入端向上位移時，該入射光射至該準直透鏡上的該入射位置亦向上位移。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之光譜儀，其中當該中繼透鏡與該光纖輸入端向下位移時，該入射光射至該準直透鏡上的該入射位置亦向下位移。
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