CN103728015B - 光学头及使用其的光学系统 - Google Patents

光学头及使用其的光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN103728015B
CN103728015B CN201310432079.0A CN201310432079A CN103728015B CN 103728015 B CN103728015 B CN 103728015B CN 201310432079 A CN201310432079 A CN 201310432079A CN 103728015 B CN103728015 B CN 103728015B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
reflective
optical
cosine correcting
correcting element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201310432079.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103728015A (zh
Inventor
洪健翔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OTO Photonics Inc
Original Assignee
OTO Photonics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by OTO Photonics Inc filed Critical OTO Photonics Inc
Publication of CN103728015A publication Critical patent/CN103728015A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103728015B publication Critical patent/CN103728015B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0273—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0422—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using light concentrators, collectors or condensers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0295—Constructional arrangements for removing other types of optical noise or for performing calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0414—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or plane beam-splitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0425—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/044—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using shutters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0474—Diffusers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/021—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or particular reflectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0216—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using light concentrators or collectors or condensers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0232—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using shutters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0297—Constructional arrangements for removing other types of optical noise or for performing calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0076—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a detector

Abstract

本发明公开了一种接收入射光的光学头及使用其的光学系统，其中一实施例的光学头包含穿透式余弦校正元件以及朝向穿透式余弦校正元件配置的反射元件。穿透式余弦校正元件配置于入射光的一光径上，并对反射元件遮蔽入射光。入射光在射入穿透式余弦校正元件后被转换为朗伯光形的一散射光。反射元件具有光学输出区与反光区，其中光学输出区使散射光通过，而反光区反射散射光至穿透式余弦校正元件及/或反光区的其他部分。本发明提高了散射光进入光学输出区的比例从而增加光学头可收集的入射光。

Description

光学头及使用其的光学系统
技术领域
本发明关于一种光学元件，特别是关于一种收光用的光学头及使用其的光学系统。
背景技术
光谱仪（spectrometer）及照度仪（luxmeter）等光学系统已广泛地应用于许多产业，包括：生物技术、环境科技、电子、食品/饮料、工业化学、材料及制药等。而随着光电技术的发展，光学系统有逐渐微型化的趋势。相对于实验室易损坏且需经常校准的传统光学系统而言，微型化技术更使光学系统可以走出实验室，成为可携的泛用检验仪器，并产生各种创新的应用，如在居家、外出、田野调查、现场验货、产线验料等场合里，检验血液、尿液、农药残留、水质、紫外线强度、水果甜度、假酒、伪钞、伪药、珠宝、空气品质、料件色差、光电产品品质等等，其应用相当广泛地涵盖各个生活环节及产业领域。
上述光学系统通常具有收集散射光的光学头以及量测光学头所收集的散射光光的测光装置。在照度计中，测光装置可仅为一感光元件（photosensor），而在光谱仪中，测光装置则利用光栅等技术将成分复杂的光分离为分色光（dispersedlight），并以感光元件将分色光转为电信号以供使用者进行进一步的分析。光学头所收集的光量可影响到光学系统整体的感度（sensitivity），因此需要一种较有效率的光学头。目前的光学头多仅使用余弦校正器（cosinecorrector），如此虽可使不同角度射入光学头的入射光皆有实质上相同的穿透率（transmissionrate），但无法有效提高进入测光装置的光线。
发明内容
实施例提供一种光学头，用以接收一入射光，光学头包含一穿透式余弦校正元件以及一反射元件（partialreflector）。穿透式余弦校正元件配置于入射光的一光径上（opticalpath），入射光在射入穿透式余弦校正元件后被转换为朗伯光形（Lambertian）的一散射光，且不同角度射入穿透式余弦校正元件的入射光对穿透式余弦校正元件具有实质上相同的穿透率。反射元件具有至少一光学输出区与一反光区，反射元件朝向穿透式余弦校正元件配置，而穿透式余弦校正元件对反射元件遮蔽入射光，其中部分来自穿透式余弦校正元件的散射光射入光学输出区，未射入光学输出区的散射光则射入反光区，而射入反光区的散射光被反射至穿透式余弦校正元件及/或反光区的其他部分。
在此实施例中，其中至少一光学输出区可为多个光学输出区，而这些光学输出区可相对于反射元件的中心轴对称配置，这些光学输出区的面积可实质上相同。此外，反射元件可为凹面镜、具回反射结构的平面镜、具回反射结构的凹面镜、具扩散结构的平面或具扩散结构的凹面其中之一。另外，穿透式余弦校正元件上可配置有多个反射器，连接穿透式余弦校正元件，其朝向反射元件设置，且与穿透式余弦校正元件实质上共平面，将来自反射元件的散射光反射至光学输出区及/或反光区。
另一实施例提供一种光学头，用以接收一入射光，光学头包含一反射式余弦校正元件、一反射元件以及一收光元件。反射式余弦校正元件具有一光学输出区以及一反光散射区，反射式余弦校正元件配置于入射光的一光径上。反射元件朝向反射式余弦校正元件设置，而收光元件配置于光学输出区以接收来自反射式余弦校正元件的散射光，且收光元件的收光范围在将来自反射式余弦校正元件的散射光反射至光学输出区的部分的反射元件内。从另一角度来看，收光元件的收光范围通过反射元件的映射会落在反射式余弦校正元件内。其中入射光射入反光散射区，并被反射式余弦校正元件转换为朗伯光形的一散射光，而使不同角度射入反射式余弦校正元件的入射光对反射式余弦校正元件具有实质上相同的反射率，散射光入射反射元件及/或反光散射区的其他部分。
在此实施例中，反射式余弦校正元件可为平面或凹面，而反射元件可为凸面镜、平面镜、凹面镜、具扩散结构的平面或具扩散结构的凹面其中之一。另外，光学头更可包含一管状反射壁，其环绕反射式余弦校正元件与反射元件，且形成一光通道使入射光通过光通道射入反射式余弦校正元件而提高入射光射入反射式余弦校正元件的比例。
在上述各实施例的光学头中可有一快门装置，用以控制散射光是否可通过光学输出区。快门装置可包含快门元件与致动元件，快门元件配置于光学输出区处，而致动元件可控制快门元件是否使散射光通过。
另一实施例提供一种光学系统，其包含一光学头以及至少一测光装置。光学头包含一穿透式余弦校正元件以及一反射元件。穿透式余弦校正元件配置于入射光的一光径上，并将入射光转换为一散射光。反射元件具有一光学输出区以及一反光区，且反射元件朝向穿透式余弦校正元件设置，其中穿透式余弦校正元件对入射光遮蔽反射元件，散射光通过光学输出区输出。测光装置接收来自光学头的散射光并将其转换为电信号。
在一实施例中，至少一光学输出区可为多个光学输出区，而这些光学输出区可相对于反射元件的中心轴对称配置，这些光学输出区的面积可实质上相同。另外，至少一测光装置可为多个测光装置，而各光学输出区可直接或通过波导连接至不同的测光装置。
又一实施例中提供一种光学系统，其包含一光学头以及一测光装置。光学头包含一反射式余弦校正元件、一反射元件以及一收光元件。反射式余弦校正元件具有一光学输出区以及一反光散射区，且反射式余弦校正元件配置于入射光的一光径上。反射元件朝向反射式余弦校正元件配置，而其中反射式余弦校正元件将入射光转换为一散射光，且通过光学输出区输出。测光装置接收来自光学输出区的散射光并将其转换为电信号。
在一实施例中，上述各光学系统中的测光装置为一感光元件。在另一实施例中，测光装置包含分光元件及感光元件。来自光学头散射光经过分光元件后形成分色光，而感光元件侦测分色光，并将其转换为电信号以供进一步分析。此外，上述各光学系统中的光学头可具备有前述所有光学头的特征。
上述的光学头以反射元件或反光区反射来自余弦校正元件的散射光，如此，未进入光学输出区的散射光可被反射元件回收而可能再次进入光学输出区，藉此提高散射光进入光学输出区的比例而增加光学头可收集的入射光。此外，使用余弦校正元件可使进入光学头的入射光的反射率或穿透率不受入射角影响，而可形成更均匀的散射光以得到较准确的量测结果。另外，余弦校正元件同时亦具备朗伯散射的性质，使入射光及来自反射元件的散射光均匀地散射而进一步增进量测的准确性。
附图说明
图1为光学头的一实施例的侧面示意图。
图2a-2d为反射器在图1的穿透式余弦校正元件上的正面示意图。
图3a-3c为图1的光学头配置波导的侧面示意图。
图4为光学头的另一实施例的侧面示意图。
图5为具凹面反射式余弦校正元件的光学头的侧面示意图。
图6为图4的光学头配置管状反射壁的侧面示意图。
图7为图1的光学系统应用于照度计的功能方块图。
图8为图1的光学系统应用于光谱仪的功能方块图
图9为图1的光学系统配置快门装置的功能方块图。
【主要元件符号说明】
L：入射光
L'：散射光
Ls：分色光
S、S'、S''：收光范围
T：光通道
100、100a、100b、100c、200、200a、200b：光学头
110：反射元件
112、222：光学输出区
114：反光区
120：穿透式余弦校正元件
130：波导
150a-150d：反射器
210：反射元件
220：反射式余弦校正元件
224：反光散射区
230：管状反射壁
240：支架
250：收光元件
300a、300b：测光装置
310：感光元件
320：分光元件
400、400a、400b、400c：光学系统
410：处理单元
500：快门装置
510：快门元件
520：致动元件
530：控制单元
具体实施方式
图1为本发明一光学头的实施例的侧面示意图，请先参照图1。图1绘示用以接收入射光L的光学头100，其具有反射元件110以及穿透式余弦校正元件120，而反射元件110朝向穿透式余弦校正元件120设置。反射元件110具有可使光通过的光学输出区112，以及可反射光的反光区114，欲测量的入射光L在射入穿透式余弦校正元件120后被转换为朗伯光型的散射光L'。当光打在穿透式余弦校正元件120上，穿透式余弦校正元件120会在其两面分别产生具朗伯光型的散射光，且散射光的强度不会受到入射光的角度影响。更具体地说，穿透式余弦校正元件120对于不同角度的入射光会有实质上相同的穿透率及朗伯散射特性。此外，穿透式余弦校正元件120对于不同角度的入射光也会有实质上相同的反射率及朗伯散射特性。
举例来说，穿透式余弦校正元件120可使以不同角度射入穿透式余弦校正元件120的入射光L对穿透式余弦校正元件120具有实质上相同的穿透率及朗伯散射特性，且穿透式余弦校正元件120对入射光L遮蔽反射元件110，因此入射光L不会直接射入反射元件120，而仅有散射光L'射入反射元件110。
承上述，来自余弦校正元件120的散射光L'射入反射元件110时，一部分射入反射元件110的光学输出区112。未进入光学输出区112的散射光L'一部分射入反光区114而反射回到穿透式余弦校正元件120，部分被反射回穿透式余弦校正元件120的散射光L'会在此进行二次朗伯而反射回反射元件110。尚未进入光学输出区112的散射光L'可不断重复上述步骤至进入光学输出区112或因衰减（attenuation）而消失。未进入光学输出区112的散射光L'亦可被反光区114反射至反光区114的另一部分，再被反射回穿透式余弦校正元件120，或是在反光区114中来回反射而因衰减消失。其中来自穿透式余弦校正元件120的散射光L'可能射入反射元件110的光学输出区112或是反射元件110的反光区114，而被反射元件110的反光区114反射的散射光L'可能射入光学输出区112、穿透式余弦校正元件120，或是反光区114的其他部分。
利用反射元件110将穿过穿透式余弦校正元件120但未进入光学输出区112的散射光L'反射回穿透式余弦校正元件120，可回收再利用未进入光学输出区112的散射光L'而大幅提高散射光L'进入光学输出区112的比例，进而增加光学头100所收集到的散射光量。另外，使用穿透式余弦校正元件120收光可使入射光L对穿透式余弦校正元件120的穿透率及朗伯散射特性皆不受入射光L的入射角度影响。另一方面，使用穿透式余弦校正元件120收光可使来自反射元件110的散射光L'对穿透式余弦校正元件120的反射率及朗伯散射特性皆不受入射光L的入射角度影响。因此，在光学头100中，进入光学输出区112的光量就实质上不会受到入射光L的入射角度影响而不同。
在其他实施例中，图1中的穿透式余弦校正元件120上更可配置有至少一反射器。图2a-2d为本发明其他实施例的穿透式余弦校正元件与反射器的正面示意图。请参照图2a-2d，在图2a及图2b中，圆形反射器150a及环形反射器150b连接穿透式余弦校正元件120，而图2c中，一矩形反射器150c连接穿透式余弦校正元件120，而图2d中有二矩形反射器150d连接穿透式余弦校正元件120，上述的各反射器皆朝向反射元件110，且与穿透式余弦校正元件120实质上共平面。加入反射器可使散射光L'在被反射元件110反射后再被反射器150a-d反射回反射元件110。反射器150a-d若配置在适当位置可增加进入光学输出区112的散射光L'，在图2a中的实施例更可减少制作穿透式余弦校正元件120所需的材料。反射器可为以反光材料制成的反光片或反光板，以粘着材料或固定件固定至穿透式余弦校正元件120上，亦可直接在穿透式余弦校正元件上以反光材料形成镀膜作为反射器。
上述反射器150a-d的配置仅为例示，亦可以其他形状、数量、及位置配置，例如环绕中央区域的三个三角形反光器。本领域技术人员可依需求配置。
在图1中的反射元件110绘示为一凹面镜，但反射元件110亦可视需求使用具回反射结构的平面、具回反射结构的凹面、具扩散结构的平面或具扩散结构凹面等方式实施。使用具有回反射结构的反射元件，可使射入反射元件周边区域的散射光被反射至穿透式余弦校正元件，以增加散射光再被穿透式余弦校正元件反射至位于反射元件的中央的光学输出区的可能性。使用具有扩散结构的反射元件亦可达到类似的效果。
另外，图1中的光学输出区112实质上位于反射元件110的中央，被反光区114环绕，但光学输出区112亦可位于反射元件110上的其他位置，例如位于反射元件的周边，只要光学输出区112能让部分来自穿透式余弦校正元件120的散射光L'射入即可，本领域技术人员可依需求做其他形式的配置。
除此之外，更可在本实施例的光学头中加上一波导。图3a为本发明另一实施例的光学头的侧面示意图。请参照图3a，光学头100a的光学输出区112配置有穿过反射元件110的波导130。波导130的收光范围可涵盖整个透穿式余弦校正元件120的面积，如图3a中的S所示；图3b及图3c绘示波导的收光范围的其他实施方式，请参照图3b及图3c。光学输出区112的收光范围亦可仅涵盖部分的透穿式余弦校正元件120的面积，如图3b中的S'所示，或是大于透穿式余弦校正元件120的面积，如图3c中的S”所示。
在一实施例中，上述反射元件可有多数个光学输出区，这些光学输出区可相对于反射元件的中心轴配置，这些光学输出区的面积可实质上相同，以使各光学输出区的入光量相同。在其他实施例中，本领域技术者也可依其需求改变多个光学输出区的配置位置及/或面积，使各光学输出区的入光量成一比例。
图4为本发明另一光学头的实施例的侧面示意图，请参照图4。光学头200用以量测入射光L。光学头200具有反射元件210、反射式余弦校正元件220以及收光元件250，而反射元件210与反射式余弦校正元件220面对面设置。反射元件210与反射式余弦校正元件220间可以通过支架240连结，在图中绘示二支支架240连接于反射元件210与反射式余弦校正元件220的外围，但本领域技术人员亦可使用其他数量的支架240，并配置于其他位置，例如仅一支支架或三支支架，而支架可以透光材料制成，且配置于反射式余弦校正元件220上较接近光学输出区222的位置，只要可将反射元件210固定于反射式余弦校正元件220上，并使来自反射元件210的光可进入光学输出区222即可。本领域技术人员亦可使用其他形式连接反射元件210与反射式余弦校正元件220，例如使用网格透光材料形成的管状支架。反射式余弦校正元件220具有一光学输出区222以及一反光散射区224。入射光L在射入反射式余弦校正元件220的反光区224后被转换为朗伯光型的散射光L'，并被反射至反射元件210。反射元件210将部分散射光L'反射回反射式余弦校正元件220，并使部分散射光L'进入光学输出区222。收光元件250配置于光学输出区222处以收集进入光学输出区222的散射光L'，而收光元件250的收光范围S落在能将来自该反射式余弦校正元件220的散射光L'反射至光学输出区222的部分的反射元件210内。详细来说，反射元件210除了反射来自反射式余弦校正元件220散射光L'外，亦可能反射其他未被反射式余弦校正元件220反射的光，而收光元件250的收光范围S应限制于仅接收来自反射式余弦校正元件220反射的散射光L'。如此仅有经反射元件210反射的散射光L'可进入收光元件250。在此实施例中，整个反射元件210皆将反射式余弦校正元件220的散射光L'反射至光学输出区222，因此收光元件250的收光范围S可等同于反射元件210的面积。在其他实施例中，若反射元件210亦反射其他非来自反射式余弦校正元件220的光，则收光元件250的收光范围亦可小于反射元件210以使收光元件250仅接收来自经过反射式余弦校正元件220反射的散射光L'。
在本实施例中，反射元件210使来自反射式余弦校正元件220的散射光L'可在反射元件210与反射式余弦校正元件220之间来回反射至进入光学输出区222。以提高散射光L'进入光学输出区222的比例。此外收光元件250的收光范围S与反射元件210的范围相同，因此入射光L不会直接射入光学输出区222，而需先经过反光散射区224。如此可使不同角度的入射光L对反射式余弦校正元件220皆有实质上相同的反射率，而使光学头可对不同角度收光仍可维持实质上相同的入光量。此外，反射式余弦校正元件220与图1中所使用的穿透式余弦校正元件120相较下，在将入射光L转换为散射光L'时具有较高的转换率。
本实施例的反射式余弦校正元件可为平面或凹面。图5为本发明另一光学头的实施例的侧面示意图，请参照图5。图5的实施例与图4中的实施例大致相同，因此本实施例中与图4的实施例相同或相似的元件以相同的元件符号标示。本实施例与图4的实施例不同处在于图5中的反射式余弦校正元件220a为凹面。
图4及图5中的光学头更可具有一管状反射壁以提高入射光射入反射式余弦校正元件的比例，以下虽以图4的光学头为例说明，但此特征亦可用于图5的实施例中或其他类似实施例。图6为本发明另一光学头的实施例的侧面示意图，请参照图6。图6的实施例与图4中的实施例大致相同，因此本实施例中与图4的实施例相同或相似的元件以相同的元件符号标示。本实施例与图4的实施例的不同处在于图6中的光学头200b更包括一管状反射壁230。管状反射壁230环绕反射元件210及反射式余弦校正元件220以形成让入射光L通过的一光通道T。入射光L被限制于光通道T中而射入反射式余弦校正元件220，如此可回收行进方向并非朝向反射式余弦校正元件220的入射光L'，以提高入射光L进入反射式余弦校正元件220的比例。
此外，上述各实施例中的光学头的光学输出区222位于反射式余弦校正元件220的中央，但光学输出区222亦可位于反射式余弦校正元件220上的其他位置，例如位于反射式余弦校正元件的周边，只要光学输出区222能让部分来自反射元件210的散射光L'射入即可，本领域技术人员可依需求做其他形式的配置。
另外，反射元件210可视需求以凸面镜、平面镜、凹面镜、具有扩散结构的平面或具有扩散结构的凹面实施之。使用凸面镜可使来自反光散射区224的周边的散射光L'更容易被反射入光学输出区222；而扩散结构可使被反射元件210所反射的散射光L'具有更大的发散角（divergenceangle），经适当配置可提高进入光学输出区222的散射光的比例。
上述各光学头可搭配测光装置而形成一完整光学系统。图7为本发明使用图1中的光学头100的光学系统的一实施例的功能方块图。请参照图7，在本实施例中，与图1相同或相似的元件以相同的元件符号标示。本实施例的光学系统400a包含一光学头100以及一测光装置300a。散射光L'在射入反射元件110的光学输出区112后射入测光装置300a，并被转换为电信号以供后续分析处理。
光学系统400a的测光装置300a可包含一感光元件310，其接收来自光学输出区112的散射光L'后将其转换为电信号。图8绘示图1的光学头应用于光谱仪的功能方块图。请参照图8，在光谱仪的应用中，光学系统400b的测光装置300b可包含分光元件（例如为光栅）320，并被分光而形成一分色光Ls。分色光Ls射入感光元件310而被感光元件310转换为电信号以供后续分析处理。
应注意在此及以后所使用的「分色光（dispersedlight）」一词意指一光束中不同波长的成分具有不同的光径，其中各成分的频率范围可为可见光波段，亦可为紫外线波段或红外线波段。
上述各光学系统可具有一快门装置配置于光学输出区与测光装置之间。图9绘示本发明使用快门装置的光学系统的功能方块图。请参照图9，本实施例的光学系统400c更可具有一快门装置500，用以控制来自光学输出区112的散射光L'是否可进入测光装置300。快门装置500可包含一快门元件510、一致动元件520以及一控制单元530。在本实施例中，快门元件510位于反射元件110的光学输出区112与测光装置300之间，控制单元530控制致动元件520，使致动单元520驱动配置于光学输出区112与测光装置300之间的快门元件510。控制单元530可通过致动元件520使快门元件510打开或关闭，以决定来自光学输出区112的散射光L'是否能到达测光装置300。举例而言，致动元件520可为一线圈，而快门元件510为一快门帘，而控制单元530对致动元件520通以正或负电流可决定快门元件510打开或关闭。光学系统400c更具有一处理单元410，与测光装置300及快门装置500连接。
快门装置500可用来校正测光装置300。举例而言，处理单元410可先通过控制单元530关闭快门元件510，并由测光装置300读取电信号（例如为通过一类比-数位转换器读取），此信号即为暗噪音信号。处理单元410可依此暗噪音信号进行校正以在后续的量测中得到较准确的结果。
在其他实施例中，快门元件510亦可为一液晶面板，而致动元件520则控制快门元件510中的液晶的偏向，以决定散射光L'是否可通过。
在其他实施例中，控制单元530也可配置于快门装置500之外，例如可与处理单元410整合在一起。
上述各光学系统中的测光装置的测光装置的各元件间、以及光学头与测光装置间可以波导连接以减少光线逸出造成的损失。此外，在光学头的反射元件具有多数个光学输出区的实施例中，光学系统可具有多数个测光装置，而各光学输出区可直接或通过波导连接至不同的测光装置。
应注意虽图7、8、9的实施例中的光学系统使用图1中的光学头，但上述所有实施例中的光学头皆可搭配测光装置而用于光学系统中，例如使用图4的光学头的光学系统。此外，本领域技术人员亦可将图7、8、9中的特征应用于具有其他光学头的光学系统中，实施方式请参照图7、8、9及其对应的说明，在此不多做赘述。
综上所述，与先前技术相较的下至少具有以下优点：
1.以反射元件反射来自余弦校正元件的散射光，如此，未进入光学输出区的散射光可被反射元件回收而可能再次进入光学输出区，藉此提高散射光进入光学输出区的比例，进而提高光学系统整体的感度。
2.余弦校正元件具备朗伯散射的性质，使入射光及来自反射元件的散射光均匀地散射。因此，使用余弦校正元件可使入射光的入光量较不受入射角影响。
应注意上述所有特征及实施例皆仅为范例，并可经修改及组合以得到不同的实施例且不悖离本发明的精神。因此，本发明的范畴不应限于上述的实施例及图式，而应以申请专利范围为准。

Claims (33)

1.一种光学头，用以接收一入射光，其特征在于，该光学头包含：
一穿透式余弦校正元件，配置于该入射光的一光径上，该入射光在射入该穿透式余弦校正元件后被转换为朗伯光形的一散射光，且不同角度射入该穿透式余弦校正元件的该入射光对该穿透式余弦校正元件具有实质上相同的穿透率；以及
一反射元件，具有至少一光学输出区与一反光区，该反射元件朝向该穿透式余弦校正元件配置，而该穿透式余弦校正元件对该反射元件遮蔽该入射光，其中部分来自该穿透式余弦校正元件的该散射光射入该光学输出区，未射入该光学输出区的该散射光则射入该反光区，而射入该反光区的该散射光被反射至该穿透式余弦校正元件及/或反光区的其他部分。
2.如权利要求1的光学头，其特征在于，该反射元件具有多个光学输出区。
3.如权利要求2的光学头，其特征在于，该反射元件的该多个光学输出区相对于反射元件的中心轴对称。
4.如权利要求2的光学头，其特征在于，该多个光学输出区的面积实质上相同。
5.如权利要求1的光学头，其特征在于，该反射元件为凹面镜或平面镜。
6.如权利要求1的光学头，其特征在于，该反射元件为具回反射结构的平面、具回反射结构的凹面、具扩散结构的平面或具扩散结构的凹面。
7.如权利要求1的光学头，其特征在于，更包含一或多个反射器，连接该穿透式余弦校正元件，朝向该反射元件，上述反射器与该穿透式余弦校正元件实质上共平面。
8.一种光学头，用以接收一入射光，其特征在于，该光学头包含：
一反射式余弦校正元件，具有一光学输出区以及一反光散射区，该反射式余弦校正元件配置于该入射光的一光径上；
一反射元件，朝向该反射式余弦校正元件设置，其中该入射光射入该反光散射区，并被该反射式余弦校正元件转换为朗伯光形的一散射光，而使不同角度射入该反射式余弦校正元件的该入射光对该反射式余弦校正元件具有实质上相同的反射率，该散射光入射该反射元件及/或该反光散射区的其他部分；以及
一收光元件，配置于该反射式余弦校正元件的该光学输出区处以接收来自该反射元件的该散射光，且该收光元件的收光范围在将来自该反射式余弦校正元件的该散射光反射至该光学输出区的该部分的该反射元件内。
9.如权利要求8的光学头，其特征在于，该反射式余弦校正元件为平面或凹面。
10.如权利要求8的光学头，其特征在于，该反射元件为凸面镜或平面镜。
11.如权利要求8的光学头，其特征在于，该反射元件为具回反射结构的平面、具回反射结构的凹面、具扩散结构的平面或具扩散结构的凹面。
12.如权利要求8的光学头，其特征在于，更包含一管状反射壁，环绕该反射式余弦校正元件与该反射元件，且形成一光通道使该入射光通过该光通道射入该反射式余弦校正元件。
13.一种光学系统，用于量测一入射光，其特征在于，该光学系统包含：
一光学头，包含：
一穿透式余弦校正元件，配置于该入射光的一光径上，并将该入射光转换为一散射光；以及
一反射元件，具有至少一光学输出区以及一反光区，该反射元件朝向该穿透式余弦校正元件设置，其中该穿透式余弦校正元件对该入射光遮蔽该反射元件；以及
至少一测光装置，将来自该光学输出区的该散射光转换为电信号。
14.如权利要求13的光学系统，其特征在于，该反射元件具有多个光学输出区。
15.如权利要求14的光学系统，其特征在于，该反射元件的该多个光学输出区相对于反射元件的中心轴对称。
16.如权利要求14的光学系统，其特征在于，该反射元件的该多个光学输出区连接至不同的测光装置。
17.如权利要求16的光学系统，其特征在于，该反射元件的该多个光学输出区与该不同的测光装置间通过波导连接。
18.如权利要求13的光学系统，其特征在于，该测光装置为一感光元件。
19.如权利要求13的光学系统，其特征在于，该测光装置包含：
一分光元件，来自该光学头的该散射光射入该分光元件，并被该分光元件转换为一分色光；以及
一感光元件，将来自该分光元件的该分色光转换为一电信号。
20.如权利要求13的光学系统，其特征在于，更具有一快门装置，该快门装置包含：
一快门元件，设置于该光学输出区与该测光装置之间；以及
一致动单元，用以控制快门元件，以决定快门元件使散射光通过或遮蔽散射光。
21.如权利要求13的光学系统，其特征在于，更具有一波导，而该测光装置与该光学头间通过该光学输出区以该波导连接。
22.如权利要求13的光学系统，其特征在于，该光学头的该反射元件为凹面镜或平面镜。
23.如权利要求13的光学系统，其特征在于，该反射元件为具回反射结构的平面、具回反射结构的凹面、具扩散结构的平面或具扩散结构的凹面。
24.如权利要求13的光学系统，其特征在于，更具有一或多个反射器连接该穿透式余弦校正元件，上述反射器与该穿透式余弦校正元件实质上共平面。
25.一种光学系统，用以量测一入射光，其特征在于，该光学系统包含：
一光学头，包含：
一反射式余弦校正元件，具有一光学输出区以及一反光散射区，且该反射式余弦校正元件配置于该入射光的一光径上；以及
一反射元件，朝向该反射式余弦校正元件配置，并对该入射光遮蔽该光学输出区，其中该反射式余弦校正元件将该入射光转换为一散射光，且通过该光学输出区输出；以及
一测光装置，用以量测来自该光学头的该散射光。
26.如权利要求25的光学系统，其特征在于，该测光装置为一感光元件，将来自该光学头的该散射光转为一电信号。
27.如权利要求25的光学系统，其特征在于，该测光装置包含：
一分光元件，来自该光学头的该散射光射入该分光元件，并被该分光元件转换为一分色光；以及
一感光元件，来自该分光元件的该分色光射入该感光元件，并被该感光元件转换为一电信号。
28.如权利要求25的光学系统，其特征在于，更具有一快门装置，该快门装置包含：
一快门元件，设置于该光学输出区与该测光装置之间；以及
一致动单元，用以控制快门元件，以决定快门元件使散射光通过或遮蔽散射光。
29.如权利要求25的光学系统，其特征在于，该测光装置与该光学头间通过该光学输出区以一波导连接。
30.如权利要求25的光学系统，其特征在于，该光学头的该反射式余弦校正元件为平面或凹面。
31.如权利要求25的光学系统，其特征在于，该光学头的该反射元件为凸面镜或平面镜。
32.如权利要求25的光学系统，其特征在于，该光学头的该反射元件为具回反射结构的平面、具回反射结构的凹面、具扩散结构的平面或具扩散结构的凹面。
33.如权利要求25的光学系统，其特征在于，该光学头更包含一管状反射壁，环绕该反射式余弦校正元件与该反射元件，且形成一光通道使该入射光通过该光通道射入该反射式余弦校正元件。
CN201310432079.0A 2012-10-16 2013-09-22 光学头及使用其的光学系统 Expired - Fee Related CN103728015B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW101138142A TWI452268B (zh) 2012-10-16 2012-10-16 用於收光之光學頭及使用其之光學系統
TW101138142 2012-10-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103728015A CN103728015A (zh) 2014-04-16
CN103728015B true CN103728015B (zh) 2016-04-20

Family

ID=50452190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310432079.0A Expired - Fee Related CN103728015B (zh) 2012-10-16 2013-09-22 光学头及使用其的光学系统

Country Status (3)

Country Link
US (2) US9678251B2 (zh)
CN (1) CN103728015B (zh)
TW (1) TWI452268B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112903596B (zh) * 2021-02-02 2023-10-17 国家纳米科学中心 一种测量非线性光学系数的z扫描测量装置及测量方法
DE102021133529B3 (de) 2021-12-16 2023-03-16 JB Hyperspectral Devices GmbH Optische Empfangseinrichtung, Messbaugruppe, Messgerät und Verfahren zur Herstellung einer optischen Empfangseinrichtung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201034729Y (zh) * 2007-04-17 2008-03-12 杭州远方光电信息有限公司 一种快速光谱仪
CN201069386Y (zh) * 2007-09-06 2008-06-04 复旦大学 Led光通量测试装置
DE102010031813A1 (de) * 2010-03-15 2011-09-15 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Offsetabgleich von Drehwinkel-Sensorvorrichtungen
CN202188903U (zh) * 2011-07-25 2012-04-11 四川中测科技投资有限公司 基于分光光谱光度、夜视辐射强度测试仪

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI86345C (fi) * 1988-12-02 1992-08-10 Wallac Oy Foerfarande och anordning foer raettande av maetningsfel vid vaetskescintillationsraekning.
JPH0862039A (ja) * 1994-08-26 1996-03-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光空間伝送の受光装置
JP2001176118A (ja) * 1999-12-15 2001-06-29 Minolta Co Ltd 光ヘッド、記録再生装置、および固浸レンズ
WO2006013901A1 (ja) * 2004-08-04 2006-02-09 Asahi Glass Company, Limited 液晶レンズ素子および光ヘッド装置
KR100754695B1 (ko) * 2006-06-20 2007-09-03 삼성전자주식회사 광송신기 및 이를 이용한 광무선 네트워크
TW200912917A (en) * 2007-09-14 2009-03-16 Sunplus Mmedia Inc Optical head with diffuser structure
US20110109903A1 (en) * 2009-11-09 2011-05-12 National Tsing Hua University Imaging Spectrometer
CN201637488U (zh) * 2010-03-11 2010-11-17 上海玻色智能科技有限公司 太阳光谱测量系统
CN202255621U (zh) * 2011-08-09 2012-05-30 浙江大合建设工程检测有限公司 一种光合辐射照度计

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201034729Y (zh) * 2007-04-17 2008-03-12 杭州远方光电信息有限公司 一种快速光谱仪
CN201069386Y (zh) * 2007-09-06 2008-06-04 复旦大学 Led光通量测试装置
DE102010031813A1 (de) * 2010-03-15 2011-09-15 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Offsetabgleich von Drehwinkel-Sensorvorrichtungen
CN202188903U (zh) * 2011-07-25 2012-04-11 四川中测科技投资有限公司 基于分光光谱光度、夜视辐射强度测试仪

Also Published As

Publication number Publication date
US20170307791A1 (en) 2017-10-26
TW201416647A (zh) 2014-05-01
US10114154B2 (en) 2018-10-30
US20140110569A1 (en) 2014-04-24
CN103728015A (zh) 2014-04-16
TWI452268B (zh) 2014-09-11
US9678251B2 (en) 2017-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11162843B2 (en) Spectrometer device and system
KR101988697B1 (ko) 휴대용 분광계
US9007590B2 (en) Apparatus for measuring transmittance
US6630999B2 (en) Color measuring sensor assembly for spectrometer devices
JP5565458B2 (ja) 測定用光学系ならびにそれを用いた色彩輝度計および色彩計
CN102519915B (zh) 一种光伏玻璃光谱雾度的分光测量装置及测量方法
CN108169135A (zh) 光谱检测仪
EP2562520B1 (en) Optical system for measurements, and luminance colorimeter and colorimeter using same
CN103851413A (zh) 分光式同轴光源装置
CN108458787B (zh) 中阶梯光栅型空间外差拉曼光谱仪光路结构
US8675194B2 (en) Apparatus for measuring the retroreflectance of materials
CN103728015B (zh) 光学头及使用其的光学系统
CN105758566B (zh) 玻璃表面应力仪
KR20160099620A (ko) Atr 적외 분광기
CN112424575A (zh) 测光装置
CN106556568A (zh) 利用衰减全反射的红外光谱仪和扫描仪
KR100781968B1 (ko) 광경로 길이를 변경할 수 있는 비분산 적외선 가스 농도측정장치
CN203176909U (zh) 分光式同轴光源装置
JPH049464B2 (zh)
US11607158B2 (en) Sensor and biosensor
CN105954286A (zh) 一种基于旋转滤光片单色器的能见度测量仪
CN205786353U (zh) 一种基于旋转滤光片单色器的能见度测量仪
CN206594055U (zh) 水分测定装置
CN106979955A (zh) 光学传感器
CN106198398B (zh) 一种清晰度测量装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160420

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee