CN106443901B - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学装置，包括结构光产生单元、至少一光传导元件以及至少一光耦合元件，该至少一光耦合元件用以衔接结构光产生单元以及至少一光传导元件，而结构光产生单元所输出的结构光的多个第一光束入射至光传导元件中以进行传输与应用。本发明能够提高光学装置的光耦合率、减小其体积。

Description

光学装置
技术领域
本发明关于一种光学装置，尤其关于一种具有光传导元件的光学装置。
背景技术
光纤是一种光传导工具，其是由玻璃或塑料等材料所制成，主要是供光束以全反射的方式传输于其中，且光纤具有低损耗、高频宽、重量轻、尺寸小、不导电等优势，现已逐渐被应用于通信、医疗、娱乐等各种领域上。例如，美国第2011/0069974号专利公开案即透过在布料中设置光纤使光信号可在布料中被传递。又例如由HALO公司所贩卖的穿戴式装置(如皮带、背带)设置有可提供警示照明的光扩散光纤(light diffusion fiber，LDF)，因此使用者(特别是老幼妇孺者或运动中的人们)可藉由穿戴该穿戴式装置来提升自我交通安全。
然而，现有应用光纤的装置至少具有下述三缺点：第一、用以提供进入光纤的光束的发光源与光纤之间的光耦合率不佳，因此光使用效能低落；第二、用以衔接发光源与光纤的光纤连接器因其尺寸过大而占据许多空间，不适合应用在穿戴式的产品上，特别是针对轻、薄、短小的应用；第三、现有技术采用透镜来聚集发光源所提供的光束，使光束得以入射至光纤内，但由于透镜具有一定的厚度，因此应用光纤的装置的体积难以有效缩小，亦成为不适合应用在穿戴式产品的原因之一。
根据以上的说明可知，现有光纤的应用上还具有改善的空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种能够提高光耦合率、减小体积的光学装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种光学装置，包括结构光产生单元、至少一光传导元件以及至少一光耦合元件，该结构光产生单元输出一结构光；该至少一光传导元件供该结构光的多个第一光束入射至该光传导元件中并进行传输；该至少一光耦合元件用以衔接该结构光产生单元以及该至少一光传导元件。
较佳地，该结构光产生单元包括发光源以及光学元件组，且该光学元件组包括衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)、折射式光学元件以及反射式光学元件中的至少一者；其中，该发光源用以提供多个第二光束，而该多个第二光束透过该光学元件组而形成该结构光。
较佳地，该衍射光学元件是由一单层基材所制成，或者，该衍射光学元件包括相互层叠的多个基材或反射或部分反射的基材。
较佳地，该衍射光学元件包括至少一光学衍射薄膜。
较佳地，该衍射光学元件还用以导引该多个第二光束的行进方向，以使该多个第二光束分别从该衍射光学元件的一相对应表面的一相对应输出口输出。
较佳地，该发光源包括至少一发光单元，且该至少一发光单元包括激光二极管(LD)、发光二极管(LED)或有机发光二极管(OLED)中的至少一者。
较佳地，该至少一发光单元以及该至少一光传导元件之间是属于单一发光单元对单一光传导元件的光耦合配置、单一发光单元对多个光传导元件的光耦合配置或多个发光单元对多个光传导元件的光耦合配置。
较佳地，该发光源用以输出具有一第一波长区间的第二光束、具有一第二波长区间的第二光束以及具有热感应波长区间的第二光束中的至少一者。
较佳地，该发光源包括具有多个光源区块的有机发光二极管(OLED)，且该多个第二光束包括相对应于该多个光源区块并具有不同颜色的光束；其中，该衍射光学元件具有多个导引区块，用以分别引导入射至其上的该些第二光束依不同路径行进并从不同位置输出。
较佳地，该至少一光传导元件包括至少一光纤。
较佳地，该光学装置还包括热处理结构，该热处理结构是供该光学装置对其所产生的热能进行对流式散热、传导式散热及/或辐射式散热。
较佳地，该热处理结构透过伯努利原理对该光学装置所产生的热能进行该对流式散热。
较佳地，该热处理结构包括第一空气出入口以及第二空气出入口，且该第一空气出入口的总出入口面积不同于该第二空气出入口的总出入口面积。
较佳地，该热处理结构包括导热件，用以供该光学装置进行该传导式散热；其中，该导热件的最大厚度在15毫米(mm)以下。
较佳地，该热处理结构包括至少一辐射件，用以供该光学装置进行该辐射式散热。
较佳地，该光学装置是应用在通信领域、安全维护领域、娱乐领域以及医疗领域中的至少一者。
较佳地，该光学装置为一穿戴式装置。
本发明光学装置中，入射至光传导元件的光束已被结构光产生单元整形，使得光学装置的发光源与光传导元件之间得以更弹性地配置。又，由于在现有技术下，结构光产生单元的厚度极小，故采用的结构光产生单元的光学装置可减少光束传输时所造成的光损耗，进而提升发光源与光传导元件之间的光耦合率，同时用以衔接发光源与光传导元件的光耦合元件以及光学装置的整体体积皆得以有效缩小。换言之，透过结构光产生单元可产生更多样化的结构光(structured lighting pattern)，进而能够提供更弹性的光耦合方式，并达成更高的光耦合率且使光学装置的整体体积弹性化或缩小化。
附图说明
图1：为本发明光学装置于一第一较佳实施例的方块概念示意图。
图2：为图1所示光学装置的结构光产生单元的概念示意图。
图3A：为本发明光学装置于一第二较佳实施例的结构光产生单元的概念俯视图。
图3B：为图3A所示结构光产生单元的概念正视图。
图4：为本发明光学装置于一第三较佳实施例的结构概念示意图。
图5：为图4所示光学装置的结构光产生单元所输出的结构光的概念示意图。
图6A：为呈带状(stripe-like)的结构光的一较佳概念示意图。
图6B：为呈涡流环状(vortex ring)的结构光的一较佳概念示意图。
图6C：为呈网格状的结构光的一较佳概念示意图。
图6D：为呈多条线光源平行排列状的结构光的一较佳概念示意图。
图6E：为呈多个点光源排列成矩形状的结构光的一较佳概念示意图。
图6F：为呈矩形面光源状的结构光的一较佳概念示意图。
图7：为本发明光学装置于一第四较佳实施例的结构概念示意图。
图8：为本发明光学装置于一第五较佳实施例的结构光产生单元的概念示意图。
图9：为图8中结构光产生单元的发光源为有机发光二极管(OLED)的一较佳概念示意图。
图10：为本发明光学装置于一第六较佳实施例的结构光产生单元的概念俯视图。
图11：为图10所示衍射光学元件的光导引路径的概念示意图。
图12：为本发明光学装置于一第七较佳实施例的结构光产生单元的概念示意图。
图13：为本发明光学装置于一第八较佳实施例的概念示意图。
具体实施方式
请参阅图1与图2，图1为本发明光学装置于一第一较佳实施例的方块概念示意图，图2为图1所示光学装置的结构光产生单元的概念示意图。光学装置1A包括结构光产生单元11A、光耦合元件12A以及光传导元件13，且结构光产生单元11A用以输出结构光21A(structure light)，而光耦合元件12A包括壳体122以及位于壳体内的耦合单元123；其中，耦合单元123是用以衔接结构光产生单元11A以及光传导元件13，使得结构光产生单元11A所输出的结构光21A的多个光束211得以入射至光传导元件13；此外，结构光21A的多个光束211于入射至光传导元件13后大都是以全反射的方式传输于光传导元件13中。于本较佳实施例中，光传导元件13可为一光纤或其本身可向外提供照明的一光扩散光纤(lightdiffusion fiber，LDF)，但并不以此为限，而光扩散光纤的技术为本技术领域普通技术人员所知悉，如公司所揭露，在此即不再予以赘述。
再者，结构光产生单元11A包括发光源111以及光学元件组，且光学元件组包括衍射光学元件112A(diffractive optical element，DOE)、折射式光学元件以及反射式光学元件中的至少一者，而发光源111用以提供多个光束1111，且该些光束1111透过光学元件组而形成结构光21A。于本较佳实施例中，发光源111所提供的多个光束1111是于通过衍射光学元件112A后形成结构光21A，但不以此为限，亦可变更设计为发光源111所提供的多个光束1111是通过折射式光学元件以及反射式光学元件后形成结构光。
此外，衍射光学元件112A可为设置在结构光产生单元11A上的一可挠的光学衍射薄膜，但不以此为限，且其是依据实际应用需求而被设计，以对通过其中的该些光束1111进行光束整形(beam shaping)，使得输出的结构光21A得以弹性变化。例如，结构光21A的多个光束211可被准确地聚集而导入至光传导元件13中；其中，如何透过设计衍射光学元件112A而使得通过其中并输出的结构光21A符合使用者的需求，为本技术领域普通技术人员所知悉，故在此即不再予以赘述。
补充说明的是，衍射光学元件112A是利用光的衍射原理来设计，其是一种相位型光学元件，主要制作方式有半导体制程(semiconductor processing)、直接刻画(directwriting)、全像术(holography)、钻石切削(point diamond turning)等；较佳者，但不以此为限，衍射光学元件112A可以下列关系式来定义：
φ(r)＝∑φi，且i＝1,2,…N；
其中，
r2＝x2+y2；
i＝(j+k)2+j+3k；
j＝o-k；
其中，φ(r)为相位函数，r为径向量，dor为衍射阶次(diffraction order)，λ为通过其中的光束的波长，dfi为衍射系数。惟，上述关系式亦为本技术领域普通技术人员所知悉，在此即不再予以赘述。
于本较佳实施例中，发光源111是单一发光单元，其可为激光二极管(LD)、发光二极管(LED)或类似于激光二极管、发光二极管等半导体类的其它发光元件，且发光源111所提供的光束1111可为具有第一波长区间的光束以及具有第二波长区间的光束中的至少一者。举例来说，发光源111所提供的光束1111可为可见光束、不可见光束以及具有热感应波长的光束中的至少一者；其次，发光源111与光传导元件13之间是属于一对一的光耦合配置，亦即衍射光学元件112A被设计为驱使发光源111所提供的光束1111于通过衍射光学元件112A后所形成的结构光21A是聚集在同一聚集处，并进而入射至光传导元件13中。
请参阅图3A与图3B，图3A为本发明光学装置于一第二较佳实施例的结构光产生单元的概念俯视图，图3B为图3A所示结构光产生单元的概念正视图。其中，本较佳实施例的光学装置大致类似于本发明第一较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述。而本较佳实施例与前述第一较佳实施例不同之处在于，因应实际的应用需求，发光源111设置于衍射光学元件112B的下方，且发光源111所提供的多个光束1111是往上方的衍射光学元件112B行进；其中，衍射光学元件112B被设计为驱使发光源111所提供的多个光束1111于入射至衍射光学元件112B时改变行进方向，使得该些光束1111从衍射光学元件112B的侧边输出并形成结构光21B，以进而入射至光传导元件13；因此，衍射光学元件112B亦具有导光的效果。
惟，上述仅为透过衍射光学元件对光束1111进行导光的一种实施例，本技术领域普通技术人员可依据实际应用需求而进行任何均等的变更设计。举例来说，衍射光学元件可被设计为驱使发光源111所提供的多个光束1111于入射至衍射光学元件时改变行进方向，使得该些光束1111从衍射光学元件的预定表面(可为任一表面)的预定输出口输出并形成结构光。
请参阅图4与图5，图4为本发明光学装置于一第三较佳实施例的结构概念示意图，图5为图4所示光学装置的结构光产生单元所输出的结构光的概念示意图。其中，本较佳实施例的光学装置1C大致类似于本发明第一与第二较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述，且为了更清楚地说明本较佳实施例，图4中光学装置1C的部分元件并未绘出。
本较佳实施例与前述第一与第二较佳实施例不同之处在于，光学装置1C包括多个光传导元件13a～13c，且发光源111与该些光传导元件13a～13c之间是属于单一发光单元对多个光传导元件的光耦合配置(图4所示为一对三的光耦合配置)，亦即衍射光学元件112C被设计为驱使发光源111所提供的光束1111于通过衍射光学元件112C后所形成的结构光21C是聚集在多个聚集处，且被聚集在不同聚集处的光束211a～211c可供分别入射至不同的光传导元件13a～13c，例如，光束211a是入射至光传导元件13a，光束211b是入射至光传导元件13b，而光束211c是入射至光传导元件13c。
当然，上述形成三个聚集处的结构光21C仅为结构光的一种实施态样，在单一发光单元对多个光传导元件的光耦合配置上，可透过对衍射光学元件进行设计，使得结构光产生单元所输出的结构光具有各种不同的实施态样，以符合实际应用上的需求。
以下再以图6A～图6F举例说明结构光的6种实施态样，但实际应用上并不以此为限，图6A示意了结构光产生单元所输出的结构光为带状(stripe-like)的结构光，图6B示意了结构光产生单元所输出的结构光为涡流环状(vortex ring)的结构光，图6C示意了结构光产生单元所输出的结构光为网格状的结构光，图6D示意了结构光产生单元所输出的结构光为多条线光源平行排列状的结构光，图6E示意了结构光产生单元所输出的结构光为多个点光源排列成矩形状的结构光，图6F示意了结构光产生单元所输出的结构光为矩形面光源状的结构光。
请参阅图7，其为本发明光学装置于一第四较佳实施例的结构概念示意图。其中，本较佳实施例的光学装置1D大致类似于本发明前述各较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述，且为了更清楚地说明本较佳实施例，图7中光学装置1D的部分元件并未绘出。而本较佳实施例与前述各较佳实施例不同之处在于，发光源111D包括多个发光单元111a～111c，该些发光单元111a～111c依据实际应用需求而呈规则性排列(如矩阵形式排列)或呈不规则排列，且任一发光单元111a～111c可为激光二极管(LD)、发光二极管(LED)或类似于激光二极管、发光二极管等半导体类的其它发光元件，而该些发光单元111a～111c所提供的光束1111a～1111c亦可包括具有第一波长区间的光束以及具有第二波长区间的光束中的至少一者。
其次，发光源111D以及该些光传导元件13a～13c之间是属于多个发光单元对多个光传导元件的光耦合配置(图7所示为三对三的光耦合配置)，亦即衍射光学元件112D被设计为驱使多个发光单元111a～111c所提供的光束于通过衍射光学元件112D后所形成的结构光21D是聚集在多个聚集处上，且被聚集在不同聚集处的光束211a～211c可供分别入射至不同的光传导元件13a～13c；其中，在多个发光单元对多个光传导元件的光耦合配置上，同样是可透过对衍射光学元件112D进行设计，使得结构光产生单元11D所输出的结构光21D具有各种不同的实施态样(可如图5、图6A～图6F所示，但不以此为限)，以符合实际应用上的需求。补充说明的是，若是该些发光单元111a～111c为可分别提供红色光束、绿色光束以及蓝色光束的发光单元，则结构光产生单元11D可输出具有混光色彩的结构光21D。
请参阅图8，其为本发明光学装置于一第五较佳实施例的结构光产生单元的概念示意图。其中，本较佳实施例的光学装置大致类似于本发明前述各较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述。而本较佳实施例与前述各较佳实施例不同之处在于，结构光产生单元11E的发光源111E为一面光源形式的发光源，如图9所示的有机发光二极管(OLED)，且发光面1112为曲面，但不以此为限，例如发光面1112亦可为平面。
请参阅图10与图11，图10为本发明光学装置于一第六较佳实施例的结构光产生单元的概念俯视图，图11为图10所示衍射光学元件的光导引路径的概念示意图。本较佳实施例的光学装置大致类似于本发明第二及第五较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述。而本较佳实施例与本发明第二及第五较佳实施例不同之处在于，面光源形式的发光源111F设置于衍射光学元件112F的下方，并具有用以提供不同颜色光束的多个光源区块(图10中光源区块111d代表用以提供第一颜色光束的光源区块，光源区块111e代表用以提供第二颜色光束的光源区块，光源区块111f代表用以提供第三颜色光束的光源区块，光源区块111g代表用以提供第四颜色光束的光源区块)，且衍射光学元件112F被设计为驱使每一光源区块111d～111g所提供的光束(图未示)于入射至衍射光学元件112F时分别被衍射光学元件112F所引导而依预定的路径行进，使得每一光源区块111d～111g所提供的光束可分别从衍射光学元件112F的相对应的输出口输出。
详言之，于本较佳实施例中，入射至衍射光学元件112F的导引区块1121的光束会被衍射光学元件112F所引导而依路径P1行进，并从衍射光学元件112F的侧边的输出口O1输出；而入射至衍射光学元件112F的导引区块1122的光束会被衍射光学元件112F所引导而依路径P2行进，并从衍射光学元件112F的侧边的输出口O2输出；又，入射至衍射光学元件112F的导引区块1123的光束会被衍射光学元件112F所引导而依路径P3行进，并从衍射光学元件112F的侧边的输出口O3输出。
惟，上述仅为一实施例，并不以此为限，本技术领域普通技术人员可依据实际应用需求而对发光源的光源区块的颜色分布、衍射光学元件及其所引导的光路径、输出口的位置进行均等的变更设计。
请参阅图12，其为本发明光学装置于一第七较佳实施例的结构光产生单元的结构概念示意图。其中，本较佳实施例的光学装置大致类似于本发明前述各较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述，且为了更清楚地说明本较佳实施例，图12中光学装置的结构光产生单元11G的部分元件并未绘出。而本较佳实施例与前述各较佳实施例不同之处在于，前述各较佳实施例中的衍射光学元件是以单层基材制成，而本较佳实施例的衍射光学元件112G则包括层叠的多个基材1124、1125(如多个光学衍射薄膜，但不以此为限)，且该些基材分别对通过其中的光束1111进行光束整形，使得结构光产生单元11G输出的结构光(图未示)更能够弹性变化。
请参阅图13，其为本发明光学装置于一第八较佳实施例的概念示意图。其中，本较佳实施例的光学装置大致类似于本发明前述各较佳实施例中所述者，在此即不再予以赘述。而本较佳实施例与前述各较佳实施例不同之处在于，光学装置1H更包括热处理结构，该热处理结构供光学装置1H对其所产生的热能进行对流式散热、传导式散热及/或辐射式散热，因此光学装置1H更能应用在穿戴式的产品上。
详言之，于本较佳实施例中，热处理结构包括形成于光耦合元件12H的壳体122H的第一空气出入口1221与第二空气出入口1222、用以贴覆于耦合单元123的导热件141以及设置于壳体122H上的多个辐射件142，且第一空气出入口1221的总出入口面积不同于第二空气出口1222的总出入口面积，以利光耦合元件12H透过伯努利原理对发光源(未示于图13)所产生的热能进行对流式散热。
又，贴覆于耦合单元123的导热件141则供发光源所产生的热能透过传导的方式向外散热；较佳者，导热件141的最大厚度T在15毫米(mm)以下，但不以此为限。此外，设置于壳体122H上的多个辐射件142则供光耦合元件12H以辐射的方式散热；较佳者，该些辐射件142为黑色或其它偏黑体(blackbody)颜色，并以凸点矩阵(dot array)形式排列分布或以条矩阵(stripe array)形式排列分布，但不以上述的数量、颜色或排列分布方式为限。
惟，上述仅为一实施例，本技术领域普通技术人员可依据实际应用需求而进行任何均等的变更设计。举例来说，可变更设计空气出入口的数量或每一空气出入口的形状与所设置的位置，抑或是变更设计导热件的形状、数量或所设置的位置，如将导热件设置于其它非发光源的热源的邻近处。此外，虽然图13是示意将热处理结构应用在光耦合元件12H上，但并不以此为限，其亦可依据实际应用需求而应用在光学装置的其它元件上。
综合以上各较佳实施例的说明，本发明光学装置中发光源所提供的光束是经由衍射光学元件的整形后才入射至光传导元件，因此光学装置的发光源与光传导元件之间得以更弹性地配置；又，由于在现有技术下，衍射光学元件的厚度可在0.5毫米(mm)以下，故采用衍射光学元件的光学装置可减少光束传输时所造成的光损耗，进而提升发光源与光传导元件之间的光耦合率，同时用以衔接发光源与光传导元件的光耦合元件以及光学装置的整体体积皆得以有效缩小。换言之，透过衍射光学元件可产生更多样化的的结构光(structuredlighting pattern)，进而能够提供更弹性的光耦合方式，并达成更高的光耦合率以及使光学装置的整体体积弹性化或缩小化。
根据以上的说明可知，本发明光学装置体积小、散热佳，无论是应用在通讯、安全、娱乐、医疗等领域上，皆适用于各种穿戴式装置，因此极具产业利用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求范围，因此凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本发明的专利保护范围内。

Claims (18)

1.一种光学装置，其特征在于，包括：
结构光产生单元，其输出一结构光，该结构光产生单元包括发光源以及衍射光学元件，该发光源包括具有多个光源区块的有机发光二极管，该衍射光学元件具有呈矩阵排列的多个导引区块，该多个导引区块分成多组，该多组导引区块用以驱使该发光源的该多个光源区块所提供的不同颜色的多个第二光束于入射至该衍射光学元件时分别被该多组导引区块引导而依预定的多个路径行进，并分别从该衍射光学元件的相对应的多个输出口输出，形成该结构光的多个第一光束；
至少一光传导元件，供该结构光的该多个第一光束入射至该光传导元件中并进行传输；以及
至少一光耦合元件，用以衔接该结构光产生单元以及该至少一光传导元件。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该衍射光学元件是由一单层基材所制成，或者，该衍射光学元件包括相互层叠的多个基材。
3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该衍射光学元件包括反射或部分反射的基材。
4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该衍射光学元件包括至少一光学衍射薄膜。
5.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该发光源包括至少一发光单元，该至少一发光单元以及该至少一光传导元件之间是属于单一发光单元对单一光传导元件的光耦合配置、单一发光单元对多个光传导元件的光耦合配置或多个发光单元对多个光传导元件的光耦合配置。
6.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该发光源用以输出具有一第一波长区间的第二光束以及具有一第二波长区间的第二光束中的至少一者。
7.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该发光源用以输出具有热感应波长区间的第二光束。
8.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该至少一光传导元件包括至少一光纤。
9.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置还包括热处理结构，该热处理结构是供该光学装置对其所产生的热能进行对流式散热、传导式散热及/或辐射式散热。
10.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置还包括热处理结构，该热处理结构透过伯努利原理对该光学装置所产生的热能进行对流式散热。
11.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，该热处理结构包括第一空气出入口以及第二空气出入口，且该第一空气出入口的总出入口面积不同于该第二空气出入口的总出入口面积。
12.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置还包括热处理结构，该热处理结构是供该光学装置对其所产生的热能进行传导式散热；该热处理结构包括导热件，用以供该光学装置进行该传导式散热；其中，该导热件的最大厚度不超过15毫米。
13.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置还包括热处理结构，该热处理结构是供该光学装置对其所产生的热能进行辐射式散热；该热处理结构包括至少一辐射件，用以供该光学装置进行该辐射式散热。
14.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置是应用在通信领域。
15.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置是应用在安全维护领域。
16.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置是应用在娱乐领域。
17.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置是应用在医疗领域。
18.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置为一穿戴式装置。
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