專(zhuān)利名稱(chēng)：紅外線(xiàn)光譜儀及應(yīng)用于其的元件組合及制造系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于紅外線(xiàn)光譜儀以及包括可應(yīng)用于紅外線(xiàn)光譜儀的組件在內(nèi)的光學(xué)組件的組合及制造的系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
紅外線(xiàn)光譜學(xué)乃起源于William Herschel發(fā)現(xiàn)到Isaac Newton所發(fā)現(xiàn)的可見(jiàn)光譜紅色部分以外的光學(xué)輻射之時(shí)。自十九世紀(jì)起，物理與化學(xué)學(xué)者便已著手研究紅外線(xiàn)輻射與不同物質(zhì)間的互相影響。那時(shí)就已發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)可吸收紅外線(xiàn)光譜的不同部分且該些吸收特征可被用于偵測(cè)與辨識(shí)化學(xué)成份種類(lèi)。直到第二次世界大戰(zhàn)第一個(gè)大型紅外線(xiàn)光譜儀才被建造，當(dāng)美國(guó)橡膠管制司(US Office of Rubber Reserve)確認(rèn)使用紅外線(xiàn)光譜學(xué)為一測(cè)量人造橡膠合成物成分的有效手段，并且要求發(fā)展具有1微米(μm)以上操作能力的紅外線(xiàn)光譜儀。自公元1950年起，紅外線(xiàn)光譜儀在科學(xué)與工程界中已獲得廣泛的接受。由巖鹽物(例如氯化鈉(NaCl))，第一代光譜儀利用紅外線(xiàn)輻射的光色散。后來(lái)，這些吸水性強(qiáng)的、或?qū)穸让舾械膸r鹽折光物體則被以玻璃基板制成的繞射光柵所取代。一般來(lái)說(shuō)，這些早期的紅外線(xiàn)光譜儀重達(dá)200磅以上且其所占體積大于7至8立方英尺。
除了此種以色散為基礎(chǔ)(dispersion-based)的紅外線(xiàn)光譜儀外，在1960年代晚期，隨著激光、計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置上的進(jìn)展，以光干涉術(shù)原理為基礎(chǔ)的新型紅外線(xiàn)光譜儀則被發(fā)展出來(lái)。由于牽涉由傅立葉轉(zhuǎn)換(FourierTransformation)的數(shù)學(xué)計(jì)算將干涉術(shù)上的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光譜，所以這些紅外線(xiàn)儀器在紅外線(xiàn)光譜學(xué)技術(shù)上也被稱(chēng)為傅氏變換紅外線(xiàn)光譜儀(FTIR)。盡管有這些傅氏變換紅外線(xiàn)光譜儀相較色散式紅外線(xiàn)光譜儀已提供高度改進(jìn)的感光度以及光譜分辨率的事實(shí)，但是這些FTIR儀器的干涉原理本質(zhì)卻要求在其操作期間必須監(jiān)控最終的環(huán)境參數(shù)。這是因?yàn)楦缮嫘g(shù)上的測(cè)量法要求兩光束部份重迭在二分之一波長(zhǎng)的距離內(nèi)，即，此種測(cè)量所要求的精確度在微米范圍內(nèi)。換言之，任何溫度上的些許改變或任何小量的振動(dòng)均將導(dǎo)致無(wú)法從此傅氏變換紅外線(xiàn)光譜儀中得到可用光譜。由于光干涉儀以及所有相關(guān)回饋與控制電路的并入，傅氏變換紅外線(xiàn)光譜儀一般重150到400磅并占有3至10立方英尺的體積。
對(duì)于很多現(xiàn)代工業(yè)、保全和軍事任務(wù)來(lái)說(shuō)，偵測(cè)表面上或大氣里化學(xué)成份的紅外線(xiàn)光譜特征的能力非常有價(jià)值。這些化學(xué)訊息經(jīng)常能用來(lái)決定一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量，或者去評(píng)估人員接近或進(jìn)入一個(gè)地區(qū)的危險(xiǎn)性。然而，由于在尺寸、重量和耐用性上的限制，紅外線(xiàn)光譜儀并沒(méi)有廣泛的被使用為這些應(yīng)用的第一線(xiàn)偵測(cè)或監(jiān)控工具，而是作為一離線(xiàn)或?qū)嶒?yàn)室驗(yàn)證工具。
為了減輕上述實(shí)施上的限制，將需要發(fā)展一種敏感的、重量輕的、耐用且小型的紅外線(xiàn)光譜儀，使能在惡劣的服務(wù)條件下偵測(cè)及/或識(shí)別不同化學(xué)成份的種類(lèi)。為了達(dá)到這些目的，一種小型的光學(xué)光譜儀的設(shè)計(jì)系需要涵蓋大范圍的紅外線(xiàn)波長(zhǎng)，特別是落入稱(chēng)作”紅外線(xiàn)光指紋”(7-14μm)區(qū)。這是因?yàn)樵谥讣y區(qū)的紅外線(xiàn)吸收特征將提供最特定的化學(xué)成份證據(jù)，而能用來(lái)識(shí)別不同的物質(zhì)。
雖然使用FTIR背后的原理去建構(gòu)更小而涵蓋大紅外線(xiàn)光譜范圍的光譜儀并不難，但對(duì)環(huán)境變化的低耐性則不符合對(duì)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用上的耐用要求。
另一個(gè)與儀器成本有關(guān)的考慮是組合的容易性。今日在所有紅外線(xiàn)光譜儀的內(nèi)部，大部分的光學(xué)組件都由玻璃材料制成。無(wú)論是色散式儀器的光柵或是在FTIR內(nèi)的鏡子，這些以玻璃為基礎(chǔ)的組件通常在它們可被固定及接著定位的前系用膠合或夾緊在基座上。膠合過(guò)程的準(zhǔn)確性、此膠或環(huán)氧基樹(shù)脂可能的收縮以及玻璃邊緣的裂損，在最后定位的精度上全都成為不確定的因素。因此，在離開(kāi)裝配線(xiàn)后，這些儀器需要經(jīng)常維修或者定位。甚至在組合過(guò)程期間，還需要有非常熟練的光學(xué)技師對(duì)所有的光學(xué)組件作適當(dāng)定位，因而使得生產(chǎn)成本較為昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種紅外線(xiàn)光譜儀及應(yīng)用于其的元件組合及制造系統(tǒng)與方法。
通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施，提供了一種對(duì)于這些以及其它在公知技術(shù)上的缺失的解決方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的紅外線(xiàn)光譜儀，可操作于波長(zhǎng)范圍為4.5微米或4.5微米以上，包含(A)入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、光柵及聚焦鏡；及(B)二維數(shù)組偵測(cè)器，其中通過(guò)該狹縫的部分輻射沿著光徑行進(jìn)，在該光徑中，該通過(guò)狹縫的部分輻射被該準(zhǔn)直鏡反射到該光柵上，接著該光柵反射部分輻射到該聚焦鏡，而后該聚焦鏡反射與聚焦部分輻射在第一聚焦面以及到該二維數(shù)組偵測(cè)器；其中該二維數(shù)組偵測(cè)器上每一行均對(duì)應(yīng)到波長(zhǎng)范圍為4.5微米或4.5微米以上的某個(gè)波長(zhǎng)，該二維數(shù)組包括復(fù)數(shù)行，其全部會(huì)對(duì)應(yīng)到橫跨波長(zhǎng)范圍為4.5微米或4.5微米以上的復(fù)數(shù)個(gè)波長(zhǎng)，且其中在該二維數(shù)組偵測(cè)器上每一對(duì)相鄰的行均對(duì)應(yīng)到波長(zhǎng)差相等的兩波長(zhǎng)；以及其中該入射狹縫、該準(zhǔn)直鏡、該光柵、該聚焦鏡以及該第一聚焦面置放于一體積等于或小于192立方英時(shí)的尺寸內(nèi)。
所述的光譜儀，其中該二維數(shù)組偵測(cè)器位于該第一聚焦面上。
所述的光譜儀，其中該二維數(shù)組偵測(cè)器位于不同于該第一聚焦面的第二聚焦面上。
所述的光譜儀，其中所有該4.5微米或4.5微米以上的波長(zhǎng)范圍介于7.5至13.5微米之間。
本發(fā)明還提供一種以至少12.5微米的位置精度與0.075度的角度精度去定位與耦合一光學(xué)組件于一基板上的方法，包含(a)以工具機(jī)將原料制成光學(xué)組件，該原料由下列群組至少其中之一選出鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹；(b)將該光學(xué)組件貼在一基座上，該基座具有一定義第一平面的平坦底面，其中一柱狀栓以垂直該第一平面而伸出該基座的平坦底面，以及其中至少第一與第二螺栓配置于第一與第二柱狀孔內(nèi)，該等柱狀孔延伸穿過(guò)該基座的該底面，此該基座的該第一與第二柱狀孔被排列垂直于該第一平面以及其內(nèi)徑與該第一及第二螺栓的外徑相對(duì)應(yīng)；(c)提供一具有定義第二平面的平坦上表面的基板，其中第一柱狀孔垂直于該第二平面而由該基板的該上表面延伸進(jìn)入該基板，以及其中至少第二與第三螺孔垂直于該第二平面而由該基板的該上表面延伸進(jìn)入該基板；(d)由同步對(duì)位該金屬栓與該基板的該第一孔、該基座的該第一孔與該基板的該第二螺孔、以及該基座的該第二孔與該基板的該第三螺孔，將該基座放置于該基板上；(e)在該基座與該基板對(duì)位的同時(shí)，該柱狀栓插入該基板的該第一柱狀孔直到該基座的該底面觸碰到該基板的該上表面，其中，隨著前述插入，該柱狀栓與該基板的該第一孔間的摩擦力將可抑制該基座以垂直于該第一與第二平面的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以及該基板的該第一孔與該柱狀栓間的緊密亦限制該基座在該基板上的橫向位移；以及(f)在步驟(e)后，分別旋入該第一與第二螺栓于該基板的該第二與第三螺孔，由此得以該精度來(lái)耦合該基座與該基板。
所述的方法，其中該基座的該第一與第二柱狀孔包括具有第一錐形端、以及該第一與該第二螺栓具有相對(duì)應(yīng)該第一錐形的第二錐形頭，由此該第一與第二螺栓定位于該基座的該第一與第二柱狀孔。
所述的方法，其中步驟(b)進(jìn)一步包含將該柱狀栓壓入該基座的另一柱狀孔中。
所述的方法，其中在該壓入步驟前，該柱狀栓的外徑大于該基座上該另一柱狀孔的內(nèi)徑。
所述的方法，其中該步驟(e)的該插入步驟包含將該柱狀栓壓入該基板的該第一柱狀孔，以及在步驟(e)的該壓入步驟前，該第一柱狀栓的外徑大于該基板上該第一柱狀孔的內(nèi)徑。
本發(fā)明提供的以至少12.5微米的位置精度與0.075度的角度精度去定位與耦合一光學(xué)組件于一基座上的方法，還包含(a)以工具機(jī)將原料制成學(xué)組件，該原料由下列群組至少其中之一選出鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹，其中該機(jī)械加工工藝包括在原料上形成至少第一、第二及第三柱狀孔，以及原料的該第二與第三柱狀孔具有螺紋；(b)提供一柱狀栓，該柱狀栓放置于該由機(jī)械加工制成的光學(xué)組件的該第一柱狀孔內(nèi)，其中該柱狀栓以垂直該光學(xué)組件的一平坦背面而伸出該平坦背面；(c)提供一基座，該基座具有一平坦前面以及至少第一、第二與第三柱狀孔，該等柱狀孔垂直于該平坦前面而由該平坦前面延伸進(jìn)入該基座，其中該基座的該復(fù)數(shù)個(gè)柱狀孔中至少第一與第二柱狀孔完全穿過(guò)該基座的厚度，該第一與第二螺栓分別配置于該基座的該第一與第二柱狀孔內(nèi)，該第一與第二螺栓的外徑與該基座的該第一與第二柱狀孔的內(nèi)徑相對(duì)應(yīng)；(d)于步驟(b)后，由同步對(duì)位該從該光學(xué)組件伸出的金屬栓與該基座的該第三孔、該光學(xué)組件的該第二螺孔與該基座的該第一孔、以及該光學(xué)組件的該第三螺孔與該基座的該第二孔，將該基座放置于該光學(xué)組件上；(e)在該基座與該光學(xué)組件對(duì)位的同時(shí)，該柱狀栓壓入該基座的該第三柱狀孔直到該光學(xué)組件的該背面觸碰到該基座的該前面，其中，隨著前述插入，該柱狀栓與該基座的該第三孔間的摩擦力將可抑制該基座以垂直于該前面與該背面的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以及該基座的該第三柱狀孔與該柱狀栓間的緊密亦限制該基座在該光學(xué)組件上的橫向位移；以及(f)在步驟(e)后，分別旋入該第一與第二螺栓于該光學(xué)組件的該第二與第三螺孔，由此得以該精度來(lái)耦合該基座與該光學(xué)組件。
所述的方法，其中該步驟(a)中還包含在該原料上以機(jī)械加工制成第四有螺紋的柱狀孔，該基座還包括第四柱狀孔，該第四柱狀孔垂直于該平坦前面而由該平坦前面延伸進(jìn)入該基座，并且完全通過(guò)該基座的厚度，其中第三螺栓置入該基座的該第四柱狀孔，該第三螺栓的外徑與在該基座的第四柱狀孔的內(nèi)徑相對(duì)應(yīng)；步驟(f)中進(jìn)一步包含有旋入該第四螺栓于光學(xué)組件的該第四螺孔。
所述的方法，其中于步驟(e)的該壓入步驟前，該柱狀栓的外徑大于該基座上該第三柱狀孔的內(nèi)徑。
所述的方法，其中步驟(b)還包含將該柱狀栓壓入該機(jī)械加工制成光學(xué)組件的該第一柱狀孔中。
所述的方法，其中于步驟(b)該壓入步驟前，該柱狀栓的外徑大于該機(jī)械加工制成光學(xué)組件的該第一柱狀孔的內(nèi)徑。
本發(fā)明還提供了一種用以形成整塊金屬光學(xué)組件的方法，包含以工具機(jī)將原料制成一整塊的組件，該組件具有第一面以及與該第一面相對(duì)的第二面，其中該整塊組件的該第一面系包含一光學(xué)組件，該光學(xué)組件由下列群組選出聚焦鏡以及準(zhǔn)直鏡，其中該機(jī)械加工工藝被用來(lái)形成第一柱狀孔，其中該第一柱狀孔用以容納一柱狀定位栓，該柱狀定位栓以垂直于該第二面所定義的一平面而伸出該第二面，該第二柱狀孔用以容納第一螺栓，該第一螺栓以垂直于該第二面所定義的該平面而伸出該第二面，該第三柱狀孔用以容納第二螺栓，該第二螺栓以垂直于該第二面所定義的該平面而伸出該第二面，以及其中該原料由下列群組至少其中之一選出鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹。
所述的方法，其中包含使用單點(diǎn)鉆石車(chē)床加工去形成該整塊金屬光學(xué)組件的該第一與第二面。
所述的方法，其中該機(jī)械加工工藝進(jìn)一步被用來(lái)形成第四柱狀孔，該第四柱狀孔用以容納第三螺栓，該第三螺栓以垂直于該第二面定義的該平面而延伸出該第二面。
本發(fā)明還提供了一種用以形成光柵組件的方法，包含以工具機(jī)將原料形成此光柵組件的第一面、第一柱狀孔，其中該第一柱狀孔垂直于該第一面由該第一面延伸進(jìn)入該原料，該第二柱狀孔用以容納第一螺栓，該第一螺栓垂直于該第一面由該第一面延伸進(jìn)入該原料，該第三柱狀孔用以容納第二螺栓，該第二螺栓垂直于該第一面而由該第一面延伸進(jìn)入該原料；將一柱狀定位栓插入該第一柱狀孔，其中于插入后，該柱狀定位栓以垂直于該第一面而伸出該原料；以環(huán)氧基樹(shù)脂復(fù)制法制造該光柵組件的第二面，其中該第二面由黏合于該機(jī)械加工制成的原料上的樹(shù)脂層所形成，以及該第二面包括一光柵；以及其中該原料由下列群組至少其中之一選出鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹。
所述的方法，其中該機(jī)械加工工藝包含使用單點(diǎn)鉆石車(chē)床加工去形成該光柵組件的該第二面。
所述的方法，其中該插入步驟還包括將該柱狀定位栓壓入該第一柱狀孔。
所述的方法，其中在壓入步驟前，該柱狀定位栓的外徑大于該第一柱狀孔的內(nèi)徑。
所述的方法，其中該光柵組件的該第一面垂直于該光柵組件的該第二面。
所述的方法，其中該光柵組件的該第一面與該光柵組件的該第二面平行。
所述的方法，其中該光柵組件的該第一面與該光柵組件的該第二面間的夾角介于零度到九十度之間。
根據(jù)本發(fā)明可滿(mǎn)足下列一些或所有的設(shè)計(jì)要求1.組件間之間隔應(yīng)被緊密排列，然而串音、不希望得到的反射或透射及/或散射應(yīng)被減少或消除；2.組件的空間與角度排列應(yīng)產(chǎn)生所要求的波長(zhǎng)覆蓋范圍(在此偵測(cè)器數(shù)組上)，而沒(méi)有過(guò)度的像差，如球面向差(spherical aberration)、彗星像差(coma)、像散(astigmatism)或色差(chromatic aberration)，且沒(méi)有過(guò)度損失通過(guò)狹縫的紅外線(xiàn)能量；3.在一些實(shí)施例中，數(shù)組偵測(cè)器(或紅外線(xiàn)照相機(jī))系位于第二焦距面上(不同于第一焦距面)，組件的排列更允許在第一聚焦面上聚焦的紅外線(xiàn)光譜(光譜照片)方便且有效地轉(zhuǎn)傳及再聚焦于在第二聚焦面上的二維數(shù)組偵測(cè)器(或紅外線(xiàn)照相機(jī))上；4.此聚焦光譜以能利用整個(gè)二維數(shù)組偵測(cè)器的寬度為佳，使得光譜分辨率可增加至最大限度；以及5.二維數(shù)組偵測(cè)器中的聚焦光譜應(yīng)以最大高度、最低甚至毫無(wú)失真為佳，使得在數(shù)組偵測(cè)器(相對(duì)應(yīng)于相同波長(zhǎng))上像素的垂直平均可被獲得或被迭加，以提高訊號(hào)對(duì)噪聲效能。


圖1為本發(fā)明的紅外線(xiàn)光譜儀的立體圖。
圖2為圖1中所示的紅外線(xiàn)光譜儀的另一視圖。
圖3顯示如圖1與圖2中所示的光譜儀的紅外線(xiàn)輻射的光徑，以及取樣與聚集光學(xué)的示意圖。
圖4A顯示本發(fā)明的在平面?zhèn)蓽y(cè)器上像素的行列間的關(guān)系以及6微米波長(zhǎng)涵蓋范圍。
圖4B顯示本發(fā)明的在平面?zhèn)蓽y(cè)器上像素的行與列間的關(guān)系以及4.5微米波長(zhǎng)涵蓋范圍。
圖5A顯示本發(fā)明的用以裝設(shè)光譜儀、光學(xué)、偵測(cè)器與電子組件的積體、小型封裝的實(shí)施例。
圖5B顯示本發(fā)明的用以裝設(shè)光譜儀、光學(xué)、偵測(cè)器與電子組件的積體、小型封裝的另一實(shí)施例。
圖5C顯示本發(fā)明的用以裝設(shè)光譜儀、光學(xué)、偵測(cè)器與電子組件的積體、小型封裝的又一實(shí)施例。
圖5D顯示依據(jù)本發(fā)明的用以裝設(shè)光譜儀、光學(xué)、偵測(cè)器與電子組件的積體小型封裝的再一實(shí)施例。
圖6與圖7，顯示本發(fā)明的用以定位與耦合一光學(xué)組件至一基板的系統(tǒng)。
圖8至圖11，顯示本發(fā)明的用以定位與耦合一光學(xué)組件至一基座的系統(tǒng)。
圖12顯示一具有直角面的金屬光柵組件，其可架設(shè)于一基板以及作為光譜儀的組件。
圖13顯示一具有平行面的光柵組件，其可定位于使用如圖8至圖11中所示的定位系統(tǒng)的基座上。
具體實(shí)施例方式
圖1與圖2分別顯示本發(fā)明的紅外線(xiàn)光譜儀100的不同角度的示意圖。光譜儀100為小型的(例如如下所述體積小于192立方英時(shí))，且可操作于波長(zhǎng)范圍為4.5微米或4.5微米以上。在一實(shí)施例中，光譜儀100可操作于7.5至13.5微米范圍中；于另一更特定的實(shí)施例中，光譜儀100可操作于7.5至13.5微米范圍內(nèi)的4.5微米或4.5微米以上。在其它的實(shí)施例中，光譜儀100則可操作于3.0至14.5微米范圍內(nèi)的4.5微米或4.5微米以上。
光譜儀100包含有一入射狹縫110、一準(zhǔn)直鏡120、一光柵130以及一聚焦鏡140。如圖3所示，通過(guò)狹縫110的部分輻射沿著一光徑行進(jìn)，在此光徑中，通過(guò)狹縫110的部分輻射被準(zhǔn)直鏡120反射到光柵130上，接著光柵130反射部分輻射到聚焦鏡140，而后聚焦鏡140反射與聚焦部分輻射在第一聚焦面160以及到二維數(shù)組偵測(cè)器150(此二維數(shù)組偵測(cè)器150可位于第一聚焦面160或其它聚焦面上)。如圖4A與圖4B所示，此二維數(shù)組偵測(cè)器150以每一列具有128以上個(gè)像素為佳，在一具體較佳實(shí)施例中，使用寬160像素×高120像素的數(shù)組偵測(cè)器。該二維數(shù)組偵測(cè)器中的聚焦光譜152以最大高度、最低甚至毫無(wú)失真為佳，致使該數(shù)組偵測(cè)器(相對(duì)應(yīng)于相同波長(zhǎng))上像素的垂直平均可被獲得或「被迭加」，以提高訊號(hào)對(duì)噪聲的效能。在較佳實(shí)施例中，可利用30個(gè)以上像素的垂直迭加來(lái)增加訊號(hào)對(duì)噪聲效能；在特佳的實(shí)施例中，則可使用50個(gè)以上像素的垂直迭加。較佳的是應(yīng)用高讀取速度于此數(shù)組偵測(cè)器以更進(jìn)一步提高訊號(hào)對(duì)噪聲比(如每秒30組全數(shù)組數(shù)據(jù)，甚且每秒60組全數(shù)組數(shù)據(jù)則為更佳)。由于周遭溫度的起伏，使其可能需要頻繁地校準(zhǔn)此數(shù)組偵測(cè)器以達(dá)到連續(xù)操作上數(shù)據(jù)穩(wěn)定的目的。由周期性及/或以事件引發(fā)的控制邏輯而觸發(fā)的手動(dòng)或自動(dòng)的起伏補(bǔ)正系統(tǒng)可用來(lái)校準(zhǔn)此數(shù)組偵測(cè)器。
如圖3與圖4所示，此二維數(shù)組偵測(cè)器上每一行150a均對(duì)應(yīng)于4.5微米或4.5微米以上的部分波長(zhǎng)范圍。此二維數(shù)組包括復(fù)數(shù)行150a，其全部對(duì)應(yīng)于橫跨4.5微米或4.5微米以上波長(zhǎng)范圍的復(fù)數(shù)個(gè)波長(zhǎng)，且在二維數(shù)組偵測(cè)器上每一對(duì)相鄰的行150a均對(duì)應(yīng)到波長(zhǎng)差相等的波長(zhǎng)。在一實(shí)施例中，此入射狹縫110、準(zhǔn)直鏡120、光柵130、聚焦鏡140以及第一聚焦面160置放于一體積等于或小于192立方英時(shí)的尺寸內(nèi)。
請(qǐng)參閱圖5A，顯示用以裝設(shè)光譜儀100和其它組件的積體、小型封裝200A。取樣模塊210A用以引導(dǎo)紅外線(xiàn)(IR)能量至光譜儀100的入射狹縫110。照相模塊230裝有偵測(cè)器(例如顯示于圖4A、圖4B)。在一實(shí)施例中，整個(gè)小型封裝200A的體積約小于700立方英時(shí)。一計(jì)算機(jī)監(jiān)控的控制模塊250可被選擇性用來(lái)操作封裝200A內(nèi)的組件，以及從其接收數(shù)據(jù)。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖5B，其為用以裝設(shè)光譜儀100與圖中所示的其它組件的積體、小型封裝200B的另一種實(shí)施例。此實(shí)施例可用來(lái)進(jìn)行表面?zhèn)蓽y(cè)，例如用以取樣一表面211，如硅晶圓、涂料層或藥錠表面。在此實(shí)施例中，此取樣模塊210B從IR光源213投射IR能量經(jīng)由聚集鏡214穿過(guò)狹長(zhǎng)孔212到樣品表面211，接著反射的IR能量利用聚焦鏡215改變方向及再聚焦而進(jìn)入光譜儀模塊100的狹縫110。在一實(shí)施例中，此小型封裝200B的整個(gè)體積約小于700立方英時(shí)，并且一計(jì)算機(jī)監(jiān)控的控制模塊250(如圖5A所示)可被選擇性用來(lái)操作封裝200B內(nèi)的組件，以及從其接收數(shù)據(jù)。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖5C，其為用以裝設(shè)光譜儀100與圖中所示的其它組件的積體、小型封裝200C的又一實(shí)施例。此實(shí)施例可被用來(lái)測(cè)量一連續(xù)移動(dòng)的樣品216。在本實(shí)施例中，一取樣模塊210C引導(dǎo)與聚焦IR能量(來(lái)自IR光源213以及使用聚焦透鏡217聚焦)至光譜儀模塊100的狹縫110，同時(shí)此移動(dòng)樣品216穿過(guò)此光徑以便連續(xù)測(cè)量樣品216。狹長(zhǎng)孔212A及212B被提供來(lái)允許移動(dòng)樣品216穿過(guò)取樣模塊210C。由將靜態(tài)樣品放在使用本實(shí)施例所示的光徑上，其亦能被測(cè)量。在一實(shí)施例中，此小型封裝200C的整個(gè)體積約小于700立方英時(shí)，并且一計(jì)算機(jī)監(jiān)控的控制模塊250(如圖5A所示)可被選擇性用來(lái)操作封裝200C內(nèi)的組件，以及從其接收數(shù)據(jù)。
現(xiàn)請(qǐng)參閱圖5D，為用以裝設(shè)光譜儀100與圖中所示的其它組件的積體、小型封裝200D的再一實(shí)施例。本實(shí)施例可被用來(lái)聚集與取樣遠(yuǎn)處的IR能量220。在本實(shí)施例中，取樣模塊210D會(huì)引導(dǎo)與聚焦IR能量(使用望遠(yuǎn)光學(xué)組件219)至光譜儀模塊100的狹縫110。在一實(shí)施例中，此小型封裝200D的整個(gè)體積約小于700立方英時(shí)，并且一計(jì)算機(jī)監(jiān)控的控制模塊250(如圖5A所示)可被選擇性用來(lái)操作封裝200D內(nèi)的組件，以及從其接收數(shù)據(jù)。
圖6與圖7顯示本發(fā)明的用以定位與耦合一光學(xué)組件310(如光譜儀100的準(zhǔn)直鏡120、光柵130或聚焦鏡140)至一基板300(如光譜儀100的基部)的系統(tǒng)。在一實(shí)施例中，此系統(tǒng)以至少12.5微米的位置精度與0.075度的角度精度去定位與耦合光學(xué)組件310于基板300上。首先以工具機(jī)將一原料制成光學(xué)組件310，此原料從鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅或鈹中選出。接著，將光學(xué)組件310固定在一基座320上，此基座320具有定義一平面320b的平坦底面320a。基座可以下列任一原料所形成鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅、鈹、鈦、鋁復(fù)合材料、石墨或石墨復(fù)合材料。光學(xué)組件310與基座320間的耦合于其后的圖8至圖11中再進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D6與圖7，一柱狀栓330垂直平面320b而延伸出基座320的平坦底面320a，以及第一與第二螺栓340、342(在其它的實(shí)施例中可增加所使用的螺栓)配置于第一與第二柱狀孔350、352內(nèi)，此第一與第二柱狀孔350、352延伸穿過(guò)基座的底面320a。此基座的第一與第二柱狀孔350、352被排列垂直于平面320b以及其內(nèi)徑與該第一及第二螺栓340、342的外徑相對(duì)應(yīng)。
基板300具有定義另一平面300b的平坦上表面300a。基板300可以下列任一原料所形成鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅、鈹、鈦、鋁復(fù)合材料、石墨或石墨復(fù)合材料。一柱狀孔302垂直于平面300b而由基板的上表面300a延伸進(jìn)入基板300。螺孔304、306垂直于平面300b而由基板的上表面300a延伸進(jìn)入基板。
由同步對(duì)位金屬栓330與基板的孔302、基座的孔350與基板的螺孔304、以及基座的孔352與基板的螺孔306，將基座320放置于基板300上。在基座320與基板300對(duì)位的同時(shí)，栓330插入基板的柱狀孔302直到基座的底面320a觸碰到基板的上表面300a。隨著柱狀栓的插入，栓330與基板的孔302間的摩擦力將可抑制基座320以垂直于平面300a、320a的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以及基板的孔302與栓330間的緊密亦限制基座320在基板300上的橫向位移。在插入后，分別旋入螺栓340、342于基板的螺孔350、352，由此得以至少在12.5微米的位置精度與0.075度的角度精度來(lái)耦合基座320與基板300。
圖8至圖11顯示本發(fā)明的用以定位與耦合一光學(xué)組件310于一基座320的系統(tǒng)。在一實(shí)施例中，此系統(tǒng)以至少12.5微米的位置精度與0.075度的角度精度去定位與耦合光學(xué)組件310與基座320。如前所述，首先以工具機(jī)將一原料制成光學(xué)組件310，此原料是從鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅或鈹中選出。此機(jī)械加工工藝包括在原料上形成柱狀孔312、314、316、318，其中柱狀孔312、314、316具有螺紋(應(yīng)理解的是，可配合相對(duì)應(yīng)的螺栓來(lái)增減孔的數(shù)量)。柱狀栓370放置于此由機(jī)械加工制成的光學(xué)組件的柱狀孔318內(nèi)，使得此栓370以垂直光學(xué)組件的平坦背面310a而伸出平坦背面310a。
基座320具有一平坦前面320c以及至少孔322、324、326，此等孔322、324、326垂直于平坦前面320c而由平坦前面320c延伸進(jìn)入基座。此等孔322、324、326中以至少二個(gè)完全穿過(guò)基座的厚度為佳，以及第一與第二螺栓(圖未示)分別配置于基座的柱狀孔322、324、326中該二個(gè)內(nèi)。此第一與第二螺栓的外徑與基座的孔322、324、326的內(nèi)徑相對(duì)應(yīng)。
接下來(lái)，由同步對(duì)位此從光學(xué)組件伸出的金屬栓370與基座的孔318、光學(xué)組件的螺孔312與基座的孔322、以及光學(xué)組件的螺孔314與基座的孔324，將基座320相對(duì)放置于光學(xué)組件310上。在基座320與光學(xué)組件310對(duì)位的同時(shí)，柱狀栓370壓入基座的柱狀孔318直到光學(xué)組件的背面310a觸碰到基座的前面320c。隨著柱狀栓370的插入，柱狀栓370與基座的孔318間的摩擦力將可抑制基座320以垂直于面310a、320c的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以及基座的柱狀孔318與柱狀栓370間的緊密亦限制基座320在光學(xué)組件310上的橫向位移。之后，分別旋入二螺栓(圖中未示)于光學(xué)組件的螺孔312、314，由此得以至少12.5微米位置精度與0.075度的角度精度去耦合基座320與光學(xué)組件310。
圖12顯示一具有直角面362、364的金屬光柵組件360，其可固定于一基板以及作為光譜儀100的組件。為了形成光柵組件360，一塊原料(如鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅或鈹)首先以機(jī)械加工形成光柵組件的面362以及垂直于面362而由面362延伸進(jìn)入原料的柱狀孔371，此等另一個(gè)柱狀孔350用以容納螺栓(圖未示)，該等螺栓垂直于面362而由該面362進(jìn)入該原料。一柱狀定位栓(圖未示)插入此柱狀孔371，使得在插入后，此定位栓以垂直于面362而延伸出此原料。光柵組件360的第二面364可使用以環(huán)氧基樹(shù)脂復(fù)制法制造。
圖13顯示另一光柵組件410，此光柵組件410可定位于一使用如圖8至圖11中所示的定位系統(tǒng)的基座上，以及之后可作為光譜儀100的組件。為了形成光柵組件，一塊原料(如鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅或鈹)首先以機(jī)械加工形成光柵組件的面420以及柱狀孔411，此等柱狀孔411(用以容納螺栓(圖中未示)垂直于面420而由面420延伸進(jìn)入原料，另一柱狀孔414用以容納另一螺栓，此螺栓垂直于面420而由該面420進(jìn)入該原料。柱狀定位栓470插入此柱狀孔411，使得在插入后，此定位栓470以垂直于面420而延伸出此原料。光柵組件410的第二面430可使用以環(huán)氧基樹(shù)脂復(fù)制法制造。第二面430可如圖13中所示與第一面420平行。在圖12與圖13中所示的光柵組件的另一實(shí)施例中，此第二面可以與第一面可為介于平行和垂直之間的任何角度。
最后，業(yè)界人士顯然在不脫離本發(fā)明思想范疇下鑒于前文所述的實(shí)施例可做多種修改及變化。因此，可理解，本發(fā)明并不限于前述的特定實(shí)施例，此等修改及變化預(yù)期皆涵括于申請(qǐng)專(zhuān)利范圍界定的本發(fā)明的精神與范圍。
權(quán)利要求
1.一種紅外線(xiàn)光譜儀，可操作于波長(zhǎng)范圍為4.5微米或4.5微米以上，包含(A)入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、光柵及聚焦鏡；及(B)二維數(shù)組偵測(cè)器，其中通過(guò)該狹縫的部分輻射沿著光徑行進(jìn)，在該光徑中，該通過(guò)狹縫的部分輻射被該準(zhǔn)直鏡反射到該光柵上，接著該光柵反射部分輻射到該聚焦鏡，而后該聚焦鏡反射與聚焦部分輻射在第一聚焦面以及到該二維數(shù)組偵測(cè)器；其中該二維數(shù)組偵測(cè)器上每一行均對(duì)應(yīng)到波長(zhǎng)范圍為4.5微米或4.5微米以上的某個(gè)波長(zhǎng)，該二維數(shù)組包括復(fù)數(shù)行，其全部會(huì)對(duì)應(yīng)到橫跨波長(zhǎng)范圍為4.5微米或4.5微米以上的復(fù)數(shù)個(gè)波長(zhǎng)，且其中在該二維數(shù)組偵測(cè)器上每一對(duì)相鄰的行均對(duì)應(yīng)到波長(zhǎng)差相等的兩波長(zhǎng)；以及其中該入射狹縫、該準(zhǔn)直鏡、該光柵、該聚焦鏡以及該第一聚焦面置放于一體積等于或小于192立方英時(shí)的尺寸內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中該二維數(shù)組偵測(cè)器位于該第一聚焦面上。
3.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中該二維數(shù)組偵測(cè)器位于不同于該第一聚焦面的第二聚焦面上。
4.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中所有該4.5微米或4.5微米以上的波長(zhǎng)范圍介于7.5至13.5微米之間。
5.一種以至少12.5微米的位置精度與0.075度的角度精度去定位與耦合一光學(xué)組件于一基板上的方法，包含(a)以工具機(jī)將原料制成光學(xué)組件，該原料由下列群組至少其中之一選出鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹；(b)將該光學(xué)組件貼在一基座上，該基座具有一定義第一平面的平坦底面，其中一柱狀栓以垂直該第一平面而伸出該基座的平坦底面，以及其中至少第一與第二螺栓配置于第一與第二柱狀孔內(nèi)，該等柱狀孔延伸穿過(guò)該基座的該底面，此該基座的該第一與第二柱狀孔被排列垂直于該第一平面以及其內(nèi)徑與該第一及第二螺栓的外徑相對(duì)應(yīng)；(c)提供一具有定義第二平面的平坦上表面的基板，其中第一柱狀孔垂直于該第二平面而由該基板的該上表面延伸進(jìn)入該基板，以及其中至少第二與第三螺孔垂直于該第二平面而由該基板的該上表面延伸進(jìn)入該基板；(d)由同步對(duì)位該金屬栓與該基板的該第一孔、該基座的該第一孔與該基板的該第二螺孔、以及該基座的該第二孔與該基板的該第三螺孔，將該基座放置于該基板上；(e)在該基座與該基板對(duì)位的同時(shí)，該柱狀栓插入該基板的該第一柱狀孔直到該基座的該底面觸碰到該基板的該上表面，其中，隨著前述插入，該柱狀栓與該基板的該第一孔間的摩擦力將可抑制該基座以垂直于該第一與第二平面的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以及該基板的該第一孔與該柱狀栓間的緊密亦限制該基座在該基板上的橫向位移；以及(f)在步驟(e)后，分別旋入該第一與第二螺栓于該基板的該第二與第三螺孔，由此得以該精度來(lái)耦合該基座與該基板。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中該基座的該第一與第二柱狀孔包括具有第一錐形端、以及該第一與該第二螺栓具有相對(duì)應(yīng)該第一錐形的第二錐形頭，由此該第一與第二螺栓定位于該基座的該第一與第二柱狀孔。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中步驟(b)進(jìn)一步包含將該柱狀栓壓入該基座的另一柱狀孔中。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中在該壓入步驟前，該柱狀栓的外徑大于該基座上該另一柱狀孔的內(nèi)徑。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該步驟(e)的該插入步驟包含將該柱狀栓壓入該基板的該第一柱狀孔，以及在步驟(e)的該壓入步驟前，該第一柱狀栓的外徑大于該基板上該第一柱狀孔的內(nèi)徑。
10.一種以至少12.5微米的位置精度與0.075度的角度精度去定位與耦合一光學(xué)組件于一基座上的方法，包含(a)以工具機(jī)將原料制成學(xué)組件，該原料由下列群組至少其中之一選出鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹，其中該機(jī)械加工工藝包括在原料上形成至少第一、第二及第三柱狀孔，以及原料的該第二與第三柱狀孔具有螺紋；(b)提供一柱狀栓，該柱狀栓放置于該由機(jī)械加工制成的光學(xué)組件的該第一柱狀孔內(nèi)，其中該柱狀栓以垂直該光學(xué)組件的一平坦背面而伸出該平坦背面；(c)提供一基座，該基座具有一平坦前面以及至少第一、第二與第三柱狀孔，該等柱狀孔垂直于該平坦前面而由該平坦前面延伸進(jìn)入該基座，其中該基座的該復(fù)數(shù)個(gè)柱狀孔中至少第一與第二柱狀孔完全穿過(guò)該基座的厚度，該第一與第二螺栓分別配置于該基座的該第一與第二柱狀孔內(nèi)，該第一與第二螺栓的外徑與該基座的該第一與第二柱狀孔的內(nèi)徑相對(duì)應(yīng)；(d)于步驟(b)后，由同步對(duì)位該從該光學(xué)組件伸出的金屬栓與該基座的該第三孔、該光學(xué)組件的該第二螺孔與該基座的該第一孔、以及該光學(xué)組件的該第三螺孔與該基座的該第二孔，將該基座放置于該光學(xué)組件上；(e)在該基座與該光學(xué)組件對(duì)位的同時(shí)，該柱狀栓壓入該基座的該第三柱狀孔直到該光學(xué)組件的該背面觸碰到該基座的該前面，其中，隨著前述插入，該柱狀栓與該基座的該第三孔間的摩擦力將可抑制該基座以垂直于該前面與該背面的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，以及該基座的該第三柱狀孔與該柱狀栓間的緊密亦限制該基座在該光學(xué)組件上的橫向位移；以及(f)在步驟(e)后，分別旋入該第一與第二螺栓于該光學(xué)組件的該第二與第三螺孔，由此得以該精度來(lái)耦合該基座與該光學(xué)組件。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該步驟(a)中還包含在該原料上以機(jī)械加工制成第四有螺紋的柱狀孔，該基座還包括第四柱狀孔，該第四柱狀孔垂直于該平坦前面而由該平坦前面延伸進(jìn)入該基座，并且完全通過(guò)該基座的厚度，其中第三螺栓置入該基座的該第四柱狀孔，該第三螺栓的外徑與在該基座的第四柱狀孔的內(nèi)徑相對(duì)應(yīng)；步驟(f)中進(jìn)一步包含有旋入該第四螺栓于光學(xué)組件的該第四螺孔。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中于步驟(e)的該壓入步驟前，該柱狀栓的外徑大于該基座上該第三柱狀孔的內(nèi)徑。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中步驟(b)還包含將該柱狀栓壓入該機(jī)械加工制成光學(xué)組件的該第一柱狀孔中。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中于步驟(b)該壓入步驟前，該柱狀栓的外徑大于該機(jī)械加工制成光學(xué)組件的該第一柱狀孔的內(nèi)徑。
15.一種用以形成整塊金屬光學(xué)組件的方法，包含以工具機(jī)將原料制成一整塊的組件，該組件具有第一面以及與該第一面相對(duì)的第二面，其中該整塊組件的該第一面系包含一光學(xué)組件，該光學(xué)組件由下列群組選出聚焦鏡以及準(zhǔn)直鏡，其中該機(jī)械加工工藝被用來(lái)形成第一柱狀孔，其中該第一柱狀孔用以容納一柱狀定位栓，該柱狀定位栓以垂直于該第二面所定義的一平面而伸出該第二面，該第二柱狀孔用以容納第一螺栓，該第一螺栓以垂直于該第二面所定義的該平面而伸出該第二面，該第三柱狀孔用以容納第二螺栓，該第二螺栓以垂直于該第二面所定義的該平面而伸出該第二面，以及其中該原料由下列群組至少其中之一選出鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中包含使用單點(diǎn)鉆石車(chē)床加工去形成該整塊金屬光學(xué)組件的該第一與第二面。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該機(jī)械加工工藝進(jìn)一步被用來(lái)形成第四柱狀孔，該第四柱狀孔用以容納第三螺栓，該第三螺栓以垂直于該第二面定義的該平面而延伸出該第二面。
18.一種用以形成光柵組件的方法，包含以工具機(jī)將原料形成此光柵組件的第一面、第一柱狀孔，其中該第一柱狀孔垂直于該第一面由該第一面延伸進(jìn)入該原料，該第二柱狀孔用以容納第一螺栓，該第一螺栓垂直于該第一面由該第一面延伸進(jìn)入該原料，該第三柱狀孔用以容納第二螺栓，該第二螺栓垂直于該第一面而由該第一面延伸進(jìn)入該原料；將一柱狀定位栓插入該第一柱狀孔，其中于插入后，該柱狀定位栓以垂直于該第一面而伸出該原料；以環(huán)氧基樹(shù)脂復(fù)制法制造該光柵組件的第二面，其中該第二面由黏合于該機(jī)械加工制成的原料上的樹(shù)脂層所形成，以及該第二面包括一光柵；以及其中該原料由下列群組至少其中之一選出鋁、鋁合金、不銹鋼、鎳、銅以及鈹。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該機(jī)械加工工藝包含使用單點(diǎn)鉆石車(chē)床加工去形成該光柵組件的該第二面。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該插入步驟還包括將該柱狀定位栓壓入該第一柱狀孔。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中在壓入步驟前，該柱狀定位栓的外徑大于該第一柱狀孔的內(nèi)徑。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該光柵組件的該第一面垂直于該光柵組件的該第二面。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該光柵組件的該第一面與該光柵組件的該第二面平行。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該光柵組件的該第一面與該光柵組件的該第二面間的夾角介于零度到九十度之間。
全文摘要
一種紅外線(xiàn)光譜儀及應(yīng)用于其的元件組合及制造系統(tǒng)與方法，包括一入射狹縫、一準(zhǔn)直鏡、一光柵、一聚焦鏡以及一第一聚焦面。通過(guò)此狹縫部分輻射沿著一光徑行進(jìn)，通過(guò)狹縫部分輻射會(huì)被準(zhǔn)直鏡反射到光柵上，接著此光柵反射部分輻射到聚焦鏡，而后該聚焦鏡會(huì)反射與聚焦部分輻射在第一聚焦面及二維數(shù)組偵測(cè)器上。二維數(shù)組偵測(cè)器中每一行均對(duì)應(yīng)到波長(zhǎng)范圍為4.5微米或4.5微米以上的波長(zhǎng)，此二維數(shù)組包括復(fù)數(shù)行，全部對(duì)應(yīng)到橫跨波長(zhǎng)范圍為4.5微米或4.5微米以上的復(fù)數(shù)個(gè)波長(zhǎng)，且在此二維數(shù)組偵測(cè)器上每一對(duì)相鄰的行均對(duì)應(yīng)到波長(zhǎng)差相等的兩波長(zhǎng)。入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、光柵、聚焦鏡及第一聚焦面置放于一等于或小于192立方英吋的體積內(nèi)。
文檔編號(hào)G01J3/28GK1712938SQ200510076490
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2005年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月22日
發(fā)明者曹美為 申請(qǐng)人:曹美為