CN103018007A - 一种光学感测系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学感测系统及其装置，此光学感测系统包含有光学媒介以及多个光学感测装置。各个光学感测装置则分别地包含有一聚光模块、一滤光模块、一光匀化模块以及一光接收模块。通过对滤光模块的摆放位置及方式进行调整，本发明较现有的光学感测系统更为精确的同时亦明显地减少了偏振的产生。以使本发明的光学感测系统能克服先前技术既存的问题以得被应用于各个领域。再者，通过本发明所包含的远心系统，本发明的收光角度得以适量的被控制且光均匀化及消偏振的能力亦进一步的被加强。

Description

一种光学感测系统及装置

技术领域

本发明涉及一种光学感测系统及装置，尤其涉及一种旨于提供了较佳整体系统准确度以及光学误差表现的光学感测系统及装置。

背景技术

请参照图1A，其绘述了现有的典型光学感测系统的示意图，此光学感测系统揭示于中国台湾专利第535004号。如图中所示，此光学感测系统20具有一透镜220、一光分歧装置230与一光接收装置240。此光分歧装置230具有一个入光面230a与三个出光面230b。其中，入光面230a位于透镜220的聚焦平面，以接收来自透镜的光线。而三个出光面230b则是分别对准光接收装置240的三个光谱修正滤光片244，以提供光线至光接收器246。此外，如图1B所示，其绘述了现有的光纤束的剖面示意图，此光分歧装置230由光纤束构成。由入光面230a视之，此光纤束区域可区分为六等份A1、A2、A3、A4、A5以及A6。其中位于相对侧的部分，例如A1与A4，光纤束延伸至同一个出光面230b。其次，由于光分歧装置230必须将数量庞大的光纤紧密的聚集成束，其制作不易且成本昂贵。若是减少光纤的数量，固然可以降低制作成本，但却会增加各个光纤间的空隙g，而导致光量使用率的下降。

据此，请参照图2，图2绘述了另一现有的光学感测系统的示意图，此光学感测系统揭示于中国台湾专利第I290220号。如图中所绘示，此光学系统30具有一聚光装置、一光匀化模块与一光接收装置。其中，聚光装置用以使此待测区域所发出的特定光束会聚于其后方的一聚焦平面。光匀化模块位于此聚焦平面，用以使会聚于聚焦平面的光线扩散混合。光接收装置位于光匀化模块的后方，用以接受由光匀化模块向后投射的光线。图2的光学感测系统克服了图1系统的问题并能于具兼顾光量使用率以及制作成本的前题下，有效的对低亮度光源进行量测。

然而，当图2的光学感测系统被应用于单点式分光光谱仪时，其效果强差人意，探究其原因是因现有技术的整体系统准确度以及光学误差要求未达光谱仪的要求。

据此，有鉴于现有技术中存在上述的缺失，如何研发出一种可提升现有光学感测系统中整体系统准确度及能改善因其必然光学误差的系统，实为相关业界再加以思索并为突破的目标及方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的一目的在于提供一种光学感测系统及装置，可以解决受测面板上的待测区域投射至光学感测系统的光线放射角不一致的问题，以解决液晶示面板具有指向性而不利于测量的困难。

除此以外，本发明的另一目的在于提供一种光学感测系统及装置，进一步改善现有技术的系统准确性以及偏振的问题。

本发明提供一种光学感测装置，对准至一显示面板上的一待测区域，用以撷取该待测区域所放射的光线，该光学感测装置至少包含有一聚光模块、一滤光模块、一光匀化模块以及一光接收模块。此聚光模块包含有第一透镜，第一透镜用以使待测区域成像于第一透镜后方的一聚焦平面。滤光模块设置于聚光模块的后方，用于过滤聚光模块输出并具有相对应偏振特性的光线。光匀化模块位于滤光模块后的聚焦平面上，用以使会聚于该聚焦平面的光线扩散。光接收模块则位于光匀化模块的后方，用以接受由光匀化模块向后投射的光线。

本发明提供一种光学感测系统，其包含有一光学媒介，多个光学感测装置以及一光谱仪。光学媒介对准至显示面板上的待测区域，光学媒介用于调整自待测区域输出的光线。光学感测装置设置于光学媒介的后方，用以撷取待测区域所放射的光线。光谱仪设置于光接收模块的后方，用于接收并分析自光接收模块输出的光线。

此光学媒介指一被动式三维显示眼镜或主动式三维显示眼镜。除此之外，光学感测系统进一步的包含有一光谱仪。光谱仪设置于光接收模块的后方，用于接收并分析自光接收模块输出的光线。

上述的光学感测装置对准至一显示面板上的待测区域，用以撷取待测区域所放射的光线。此光学感测装置包含有一聚光模块、一滤光模块、一光匀化模块以及一光接收模块。此聚光模块包含有第一透镜，第一透镜用以使待测区域成像于第一透镜后方的一聚焦平面。滤光模块设置于聚光模块的后方，用于过滤聚光模块输出并具有相对应偏振特性的光线。光匀化模块位于滤光模块后的聚焦平面上，用以使会聚于该聚焦平面的光线扩散。光接收模块则位于光匀化模块的后方，用以接受由光匀化模块向后投射的光线。

其中，此待测区域所放射的光线中，放射角小于一第二预设角的光线始能穿过孔径光栏而成像于聚焦平面。据此，本发明的光学感测装置形成有一远心光学系统。于实际应用时，滤光模块指一消偏振片。

再者，此光接收模块亦可以进一步包含有第二透镜、至少一光检测器以及至少一光谱修正滤光片。第二透镜位于该光匀化模块的后方，用以将由该光匀化模块向后投射的光线转换为平行光。各个光检测器分别地设置于该第二透镜的后方，用于接收部分由该光匀化模块向后投射的光线。光谱修正滤光片则分别设置于光检测器以及第二透镜之间，用于调整自该第二透镜向后投射的光线的光谱。

然而，于实际使用时，光接收模块不以上述的设计为限，其亦可以利用一准直透镜以及一光纤替代之。此准直透镜设置于该第二透镜的后方，用于调整自该第二透镜输出的光线的方向。再者，光纤包含有一入光端以及出光端，入光端相对应于准直透镜的方向，用于接收自准直透镜输出的光线。而出光端则相对应于上述的光谱仪，用于将自入光端输入的光线输出至光谱仪。

简而言之，本发明揭露了一种光学感测系统及其装置，通过对现有的光学感测系统进行改良以使其准确度大幅提升，以进一步的使其能够应用于现有光学感测系统无法应用的领域中。再者，通过本发明的物方远心系统，本发明的收光角度得以适量的被限制且达到光均匀化及消偏振的功能。关于本发明的优点与精神可以借由以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1A绘述了现有技术的典型光学感测系统的示意图。

图1B绘述了现有技术的光纤束的剖面示意图。

图2绘述了现有技术的中国台湾专利第I290220号的示意图。

图3绘述了本发明的光学感测系统的一具体实施例的示意图。

图4绘述了本发明的光学感测装置的一具体实施例的示意图。

图5绘述了本发明的光学感测装置的另一具体实施例的示意图。

图6A绘述了现有技术的中国台湾专利第I290220号的误差列表。

图6B绘述了本发明的误差列表。

其中，附图标记说明如下：

1：光学感测系统 100：光学感测装置

110：聚光模块 111：第一透镜

120：滤光模块 130：光匀化模块

140：光接收模块 141：第二透镜

142：光谱修正滤光片 143：光检测器

144：准直透镜 145：光纤

150：聚焦平面 200：光学媒介

300：运算装置 400：显示面板

410：待测区域 A2：光轴

x：第一预设角 y：第二预设角

20：光学感测系统

220：透镜 230：光分歧装置

230a：入光面 230b：出光面

240：光接收装置 244：光谱修正滤光片

246：光接收器 30：光学系统

g：空隙

具体实施方式

除非有另外定义，否则本说明书所用的所有技术及科学术语，皆具有与本领域普通技术人员通常所了解的意义相同的意义。另外，本说明书目前所述者仅属本发明的众多实例方法的其中之一，在本发明的实际使用时，可使用与本说明书所述方法及装置相类似或等效的任何方法或手段为之。再者，本说明书中所提及的一数目以上或以下，为包含数目本身。

且应了解的是，本说明书揭示执行所揭示功能的某些方法、流程，并不以说明书中所记载的顺序为限，除说明书有明确排除，否则各步骤、流程先后顺序的安排端看使用者的要求而自由调整。再者，本说明书中的各附图间的各元件间的比例已经过调整以维持各图面的简洁，故此，除了说明书有明确说明外，图面中的各个元件的相对应大小、位置以及形状均仅供参考，在不脱离本发明的发明观念下，各个元件的大小、位置以及形状等特征的安排端看使用者的要求而自由变更。另外，考量本发明的各元件的性质为相互类似，故各元件间的说明、标号为相互适用。再者，本说明中，若称甲元件设置于乙元件的后方，其意指同一光线通过甲元件的时间较乙元件为早，而乙元件并不以设置于甲元件的正后方为限。

为使本发明能更清楚的被说明，请参照以下本发明详细说明及其中所包括的实例，以更容易地理解本发明。本发明揭露了一种光学感测装置及系统，更明确的说，本发明的光学感测装置及系统分别可用于对显示面板所发出的光线进行感测。

请参阅图3，图3绘述了本发明的光学感测系统的一具体实施例的示意图。由图可见，此光学感测系统1包含有多个光学感测装置100、一光学媒介200以及一运算装置300。此光学感测系统1对准显示面板400上的待测区域410以撷取显示面板400上的各个待测区域410所放射的光线并将其转换为电子信号。这些电子信号会通过传输线或无线传输模块等方式传送至一运算装置300以对其进行演算、分析，以对显示面板400各部分的光学与色彩特性进行测量与分析。

此光学媒介200泛指对光线的光学特性进行调整的装置，光学特性一词指光线的强度、频谱、行进方向等特性。更明确的说，于本具体实施例中，光学媒介200指一被动式三维显示眼镜。然而，本发明的光学媒介并不以上述的说明为限，按其使用者的需要，光学媒介200亦得为主动式三维显示眼镜等其他具有滤光、调光特性的元件。此运算装置300指一彩色分析仪或一单点式光谱仪。

更进一步的，下列将对本发明的光学感测装置100进行细部的说明，请参阅图4，图4绘述了本发明的光学感测装置的一具体实施例的示意图。由图可见，本发明的多个光学感测装置100分别包含有聚光模块110、滤光模块120、光匀化模块130以及光接收模块140。其中，聚光模块110用以使待测区域410成像于第一透镜111后方的一聚焦平面150。滤光模块120设置于聚光模块110以及待测区域410之间，用于过滤输出自聚光模块110并具有一指定偏振特性的光线。光匀化模块130位于聚焦平面150，用以使会聚于聚焦平面150的光线扩散混合并均匀向后投射。光接收模块140位于光匀化模块130的后方，用以接受由光匀化模块130向后投射的光线。

此聚光模块110包含有第一透镜111。其中，第一透镜111用以使待测区域410所发出的特定光束会聚于其后方的聚焦平面150。值得注意的是，前述聚光模块110使本发明的光学感测装置100构成一远心光学系统，而使显示面板400的待测区域410所放射的光线中，放射角小于第二预设角y的光线，始能穿过孔径光栏而会聚于聚焦平面150并进入光匀化模块130。换言之，此聚光模块110使待测区域410的不同位置所投射进入光匀化模块130的光线，具有相同的第二预设角y。也因此，本发明的光学感测系统1可以适用于具有明显指向性的液晶显示面板的色彩分析。

滤光模块120泛指用于过滤该聚光模块110输出并具有一指定偏振特性的光线的光学模块，更明确的说，本发明的滤光模块120为一消偏振片(depolarizer)，其可用于减少光线的偏振特性。需注意的是，考量滤光模块120的特性，滤光模块120所处的位置建议为光匀化模块130以及聚光模块110之间。反之，若消偏振片设置于光匀化模块130的后方，则其将无法有效的改善系统精度。

此光接收模块具有一第二透镜141、三个并排的光检测器143与三个光谱修正滤光片142。第二透镜141位于光匀化模块130的后方并与光匀化模块130距离一倍于此第二透镜141的焦距的距离。也就是说，光匀化模块130位于第二透镜141前方的聚焦平面150上。光匀化模块130向后投射的光线经由第二透镜141转换为平行光投射至光谱修正滤光片142与光检测器143。值得注意的是，每一个光检测器143的前方分别配置有一光谱修正滤光片142，而三个光谱修正滤光片142分别对应至三刺激值XYZ，以决定光检测器143所能接收的光谱范围。

为了使投射至各个光谱修正滤光片142的光量尽量相同，由第二透镜141的光轴A2方向观之，如图4所示，三个并排的光检测器143与其相对应的光谱修正滤光片142，以第二透镜141的光轴A2为对称中心排列。此光匀化模块130可以是一个全像式扩散片，以使会聚于聚焦平面150的光线充分扩散混合于第一预设角x的范围内向后投射。除因此元件的特性，使扩散后的光量得以在空间分布上，得到均匀化的效果；也因此元件光接受面的直径较小于第二透镜141的直径，可将此元件视为将其接收面所接收到的光量，重新以一接近理想点光源的方式向后扩散，而使均匀化的效果更佳。又，为了使光匀化模块130向后投射的光线尽量为光检测器143所接收。此第一预设角x的角度必须配合第二透镜141的尺寸与其焦距距离而调整，此外，此第一预设角x的角度亦可能因光匀化模块130所应用的手段不同而有所变化。就本发明的较佳实施例而言，第一预设角x大于10度，且最好是介于15度至25度。

值得注意的是，前述全像式扩散片仅是本发明光匀化模块130的一较佳实施例。本发明的光匀化模块130亦可使用光纤、光纤束、光导管、或材质、形状、构造相类似的光学元件实现。举例来说，可将光纤及光纤束依照全像式扩散片外观及直径大小作类似的排列，以近似于全像式扩散片的设计来达到集中光量并且使光线以特定角度向后放射的目的；而光导管除可采用与上述的设计方式外，亦可使用一漏斗状光导管，其入光面的面积对应于前述全像式扩散片，而出光面的面积对应于第二透镜141。

请参阅图5，图5绘述了本发明的另一具体实施例，于本具体实施例中，相异于图4的具体实施例，光接收模块140包含有一第二透镜141，一准直透镜144(Collimator lens)以及一光纤145。第二透镜141的设置方式及特征与图4的具体实施例相似，故将不再予赘述。

准直透镜144设置于第二透镜141的后方，用于调整自第二透镜141输出的光线的方向。更明确的说，本发明的准直透镜144指得使多条光束通过且使些光束相互水平的光学元件。然而，本发明不以准直透镜144的存在为必要，按使用者对精度的需求而予以自由加入或移除。此光纤145用于接收并传导自准直透镜144向后投射或输出的光线。更明确的说，本发明的光纤145具有一入光端以及一出光端，本发明的光纤145的入光端朝向准直透镜144以接收其输出的光线，光线自入光端进入并自出光端输出至光谱仪。需注意的是，此光纤145可作一定程度的挠曲，故光谱仪可设置于相对应于准直透镜144的任何位置。

进一步地，为对本发明的功效进行说明，特引列现有技术与本发明的误差数列予以比对。请一并参阅图6A及图6B，图6A绘述了中国台湾专利I290220的误差列表。图6B绘述了本发明的误差列表。需注意的是，图中所记述的X、Y、Z分别的代表受测光线于X、Y、Z轴向的误差以及其误差比率。由图6A及图6B可见，本发明于X轴及Y轴的误差的绝对差值分别为1.68％以及0.81％，而本发明使用滤光模块后，误差的绝对差值为0.27％以及0.12％，其效能分别的被改善了百分之八十以上。由此可见，相对于现有技术，本发明可有效的改善光线的偏振现象以及准确度。

综上所述，本发明揭露了一种光学感测系统及其装置，本发明是通过对现有的光学感测系统进行改良以使其准确度大幅提升，以进一步的使其能应用于现有光学感测系统无法应用的领域中。再者，通过本发明的物方远心系统，本发明的收光角度得以适量的被限制且达到光均匀化及消偏振的功能。

借由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明权利要求范围的范畴内。因此，本发明权利要求的范畴应根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (10)

1.一种光学感测装置，对准至一显示面板上的一待测区域，用以撷取该待测区域所放射的光线，其特征在于，该光学感测装置其至少包含：

一聚光模块，包含有一第一透镜，该第一透镜用以使该待测区域成像于该第一透镜后方的一聚焦平面；

一滤光模块，设置于该聚光模块的后方，用于过滤输出自该聚光模块并具有相对应偏振特性的光线；

一光匀化模块，位于该滤光模块后的该聚焦平面上，用以使会聚于该聚焦平面的光线扩散；以及

一光接收模块，位于该光匀化模块的后方，以接受由该光匀化模块向后投射的光线。

2.如权利要求1所述的光学感测装置，其特征在于，该光学感测装置为一远心光学系统。

3.如权利要求1所述的光学感测装置，其特征在于，该滤光模块为一消偏振片。

4.如权利要求1所述的光学感测装置，其特征在于，该光接收模块还包含有：

一第二透镜，位于该光匀化模块的后方，用以将由该光匀化模块向后投射的光线转换为平行光。

5.如权利要求4所述的光学感测装置，其特征在于，该光接收模块还包含有：

至少一光检测器，分别地设置于该第二透镜的后方，用于接收部分由该光匀化模块向后投射的光线；

至少一光谱修正滤光片，设置于该光检测器以及该第二透镜之间，用于调整自该第二透镜向后投射的光线的光谱。

6.如权利要求5所述的光学感测装置，其特征在于，该光接收模块还包含有：

一准直透镜，设置于该第二透镜的后方，用于调整自该第二透镜输出的光线的方向；以及

一光纤，其包含有一入光端及一出光端，该入光端相对应于该准直透镜，用于接收并传导该准直透镜向后投射的光线。

7.如权利要求6所述的光学感测装置，其特征在于，还包含有光谱仪，设置于该光接收模块的后方，用于接收并分析自该光纤的该出光端输出的光线。

8.一种光学感测系统，用以撷取并分析一显示面板上的一待测区域所放射的光线，其特征在于，该光学感测系统包含：

一光学媒介，对准至该显示面板上的该待测区域，该光学媒介用于调整自该待测区域输出的光线；以及

多个光学感测装置，设置于该光学媒介的后方，用以撷取该待测区域所放射的光线，每一个所述光学感测装置包含：

一聚光模块，包含有一第一透镜，该第一透镜用以使该待测区域成像于该第一透镜后方的一聚焦平面；

一滤光模块，设置于该聚光模块的后方，用于过滤输出自该聚光模块并具有相对应偏振特性的光线；

一光匀化模块，位于该滤光模块后的该聚焦平面上，用以使会聚于该聚焦平面的光线扩散；以及

一光接收模块，位于该光匀化模块的后方，以接受由该光匀化模块向后投射的光线。

9.如权利要求8所述的光学感测系统，其特征在于，该光学媒介为一被动式三维显示眼镜或一主动式三维显示眼镜。

10.如权利要求8所述的光学感测系统，其特征在于，还包含有：

一光谱仪，设置于该光接收模块的后方，用于接收并分析自该光接收模块输出的光线。

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