CN106908390B - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学装置，包括至少一匣门、匣门控制单元、偏振光产生单元以及光谱响应分析单元，且偏振光产生单元以及光谱响应分析单元皆位于匣门的一侧，当匣门控制单元使匣门开启时，偏振光产生单元所产生的至少一偏振光束可通过匣门而向外投射至位于匣门的另一侧的受测物上并产生散射，且受测物所散射的光束会回射并通过匣门而入射至光谱响应分析单元，以供光谱响应分析单元进行光谱响应分析。本发明可提高光学装置的信噪比并能够获得更为详尽且多元的受测物的内在信息。

Description

光学装置
技术领域
本发明关于一种光学装置，尤其关于一种用于光谱检测的光学装置。
背景技术
随着电子工业的演进以及工业技术的蓬勃发展，各种电子设备大都朝着轻便、易于携带的方向进行开发与设计，以利使用者随时随地应用于移动商务或娱乐休闲等用途。而又由于近年来机、光、电的整合与应用受到重视的程度日益增加，因此各式各样的光学装置(如影像撷取装置、发光装置等)正广泛地延伸应用至各种产品上，如智能型手机、穿戴式电子装置等体积小且方便携带的可携式电子设备，故使用者得以于有需求时随时取出并进行使用，不仅具有重要的商业价值，更让一般大众的日常生活增添色彩。
再者，随着生活质量的提升，人们希望电子设备具有更多元化的功能，也因此对于应用在电子设备上的光学装置产生更多的诉求；而为了响应此些诉求，现已有一些微型化的光谱设备被提出以获得受测物的内在信息(如成分、材质或特性)；举例来说，以色列的Consumer Physics公司所开发的便携式分子扫描设备(SCIO)，其可先透过将蓝光投射至受测物上，再进而利用红外光(NIR)技术分析从该受测物上反射的光束的光谱响应来获得受测物的成分，如食物的热量和糖分含量，抑或是植物的生长状况等。
在相关的领域中，还有其它的公司开发类似的微型化光谱设备，例如韩国的Nanoλ(nanolambda)公司所开发的芯片式光谱侦测设备(Appllo sensor/nano spectrum-on-a-chip)、日本的滨松(Hamamatsu)公司所开发的微型光谱仪等；此外，上述日本滨松公司所开发的微型光谱仪仅具有光束接收的元件，而不具有用以输出光束的元件，例如型号为C12666MA的光谱仪。
然而，目前的微型化光谱设备大都具有信噪比(S/N ratio)不佳以及整体厚度无法有效缩小的缺陷，且由于其用以投射至受测物上的光束的形态单调，因此透过光谱响应分析后所能获得的受测物的内在信息有限，故具有改善的空间。
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，提供一种信噪比(S/N ratio)佳、整体厚度小、能够获得更为详尽、多元的受测物的内在信息的光学装置。
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，包括至少一匣门、偏振光产生单元、光谱响应分析单元以及匣门控制单元，该偏振光产生单元位于该至少一匣门的一侧，用以产生至少一偏振光束(polarized light)；该光谱响应分析单元位于该至少一匣门的该侧；该匣门控制单元用以使该至少一匣门开启或关闭；其中，该至少一偏振光束是于该匣门控制单元使该至少一匣门开启时通过该至少一匣门而向外投射至位于该至少一匣门的一另一侧的一受测物上并产生散射，且该受测物所散射的至少部分光束回射并通过该至少一匣门而入射至该光谱响应分析单元，以供该光谱响应分析单元进行一光谱响应分析。
较佳地，该至少一偏振光束包括一线偏振光束、一圆偏振光束以及一椭圆偏振光束中的至少一者。
较佳地，该偏振光产生单元包括一发光源。
较佳地，该发光源为偏振光源(polarized light source)。
较佳地，该偏振光源具有一长空间同调长度(long coherence length)的特性。
较佳地，该发光源包括一激光二极管(LD)、一发光二极管(LED)、一有机发光二极管(OLED)以及一热光源(thermal source)中的至少一者。
较佳地，该偏振光产生单元还包括一光学元件，该光学元件位于该至少一匣门与该发光源之间，并用以于该发光源所提供的一来源光束入射至该光学元件时，将该来源光束分离为该至少一偏振光束。
较佳地，该光学元件还将回射并通过该至少一匣门的该至少部分光束导引向该光谱响应分析单元行进。
较佳地，该光学元件包括一衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)。
较佳地，该衍射光学元件为一衍射光学薄膜。
较佳地，该光学元件上涂布波长相依膜(wavelength-dependent coating)以及偏振相依膜(polarization-dependent coating)中的至少一者。
较佳地，该匣门控制单元是依据一时序编程(time-sequence programming)而使该至少一匣门开启或关闭。
较佳地，该至少一匣门为单一匣门，且该偏振光产生单元以及该光谱响应分析单元共享该单一匣门；或者，该至少一匣门包括相对应于该偏振光产生单元的第一匣门以及相对应于该光谱响应分析单元的第二匣门。
较佳地，该第一匣门以及该第二匣门是被同步开启或同步关闭。
较佳地，该光谱响应分析是用以识别该受测物的一内在信息。
较佳地，该内在信息包括一成分信息、一材质信息、一质地纹理(texture)信息或一特性。
较佳地，该光学装置应用于一可携式电子装置。
较佳地，该光学装置的厚度不大于7毫米(mm)。
较佳地，该光学装置还包括透镜单元；该透镜单元设置于该偏振光产生单元与该受测物之间，用以将该偏振光产生单元所产生的该至少一偏振光束予以准直(collimating)或聚焦(focusing)至该受测物上；或者，该透镜单元设置于该受测物与该光谱响应分析单元之间，用以将该受测物所散射的该至少部分光束予以准直(collimating)或聚焦(focusing)至该光谱响应分析单元。
较佳地，该光学装置还包括反射光学单元；该反射光学单元设置于该偏振光产生单元与该受测物之间，用以导引该偏振光产生单元所产生的该至少一偏振光束的行进方向；或者，该反射光学单元设置于该受测物与该光谱响应分析单元之间，用以导引该受测物所散射的该至少部分光束的行进方向。
较佳地，该光学装置还包括第一透镜单元以及第二透镜单元，且该第一透镜单元设置于该偏振光产生单元与该受测物之间，而该第二透镜单元设置于该受测物与该光谱响应分析单元之间；其中，该第二透镜单元是用以收集该受测物所散射的该至少部分光束，而该第一透镜单元是供该偏振光产生单元所产生的该至少一偏振光束通过，并调整该受测物上被该至少一偏振光束投射的一被投射区域，以进而提升该第二透镜单元的一收光效能。
本发明光学装置通过设置可被控制开启或关闭的匣门，使得光谱响应分析单元接收自受测物回射的光束的时间区段得以被控制，令光谱响应分析单元不必始终处于收光状态，从而提高了信噪比(S/N ratio)，以进而提升光谱响应分析的质量；而且，本发明通过投射偏振光束于受测物上并进而分析其光谱响应以检测受测物的内在信息，由于可用以投射至受测物上分光束的形态多样化，如包括有线偏振光束(S偏振光束、P偏振光束)、圆偏振光束以及椭圆偏振光束等，而受测物对于投射至其上的不同形态的光束会具有不同的光谱响应，因此透过光谱响应分析后所能获得的受测物的内在信息将更为详尽且多元；此外，本发明的结构设计使其整体厚度减小，特别是其光学元件可设计呈薄膜状，进一步有效降低整体厚度。
附图说明
图1：为本发明光学装置于一第一较佳实施例的概念示意图。
图2：为本发明光学装置于一第二较佳实施例的概念示意图。
图3：为本发明光学装置于一第三较佳实施例的概念示意图。
图4：为本发明光学装置于一第四较佳实施例的概念示意图。
图5：为本发明光学装置于一第五较佳实施例的概念示意图。
图6：为本发明光学装置应用于可携式电子装置的一较佳结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，其为本发明光学装置于一第一较佳实施例的概念示意图。光学装置1A包括匣门11、信号连接于匣门11的匣门控制单元12、位于匣门11内侧的偏振光产生单元13以及同样位于匣门11内侧的光谱响应分析单元14，且偏振光产生单元13用以产生偏振光束L2(polarized light)，而匣门控制单元12则用以使匣门11开启或关闭。
再者，偏振光产生单元13包括发光源131以及位于发光源131与匣门11之间的光学元件132，且光学元件132是用以于发光源131所提供的来源光束L1入射至其上时将来源光束L1分离为偏振光束L2，还用以导引从匣门11外侧入射至其上的光束L3往光谱响应分析单元14行进；其中，偏振光束L2的形态可包括线偏振光束(S偏振光束或P偏振光束)、圆偏振光束以及椭圆偏振光束中的至少一者。
于一实施态样中，光学元件132为一衍射光学元件(diffractive opticalelement，DOE)，且其是依据实际应用需求而被设计，以对入射至其上的光束L1、L3进行分光或导引行进方向，而如何透过设计衍射光学元件而使通过衍射光学元件并输出的光束L1、L3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。可选择地，衍射光学元件可被设计呈薄膜状，藉以微小化光学装置1A的体积。而于另一实施态样中，光学元件132上涂布有一波长相依膜(wavelength-dependent coating)及/或一偏振相依膜(polarization-dependent coating)，藉以对入射至其上的光束L1、L3进行调制(modulation)，例如调制材料为荧光或磷光粉参杂、抑或液晶材料并以压控或电控进行调制。较佳者，但不以此为限，光学装置1A的整体厚度不大于7毫米(mm)。
又，于本较佳实施例中，发光源131可由激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、热光源(thermal source)以及类似于激光二极管、发光二极管、有机发光二极管等半导体类的其它发光元件中的至少一者所组成，且发光源131所提供的来源光束L1中可包括具有第一波长区间的光束及/或具有第二波长区间的光束。举例来说，发光源131所提供的来源光束L1可包括可见光束以及不可见光束(如紫外光束、红外光束、近红外光束或远红外光束等)。
接下来说明本发明光学装置1A的运作过程。当光学装置1A欲对位于匣门11外侧的受测物9进行检测时，匣门控制单元12会使匣门11开启，其如图1中以虚线所描绘的开启状态，使得偏振光产生单元13所产生的偏振光束L2可于通过匣门11后向外输出以投射至受测物9上，并进而于受测物9上产生散射，且受测物9所散射的至少部分光束L3会回射并通过匣门11而直接入射至光谱响应分析单元14，或经由光学元件132的导引而入射至光谱响应分析单元14，因此光谱响应分析单元14就可对入射至其上的光束L3进行光谱响应分析。
其中，具有不同内在信息的受测物9会对投射至其上的相同形态的偏振光束L2产生不同的响应，例如当相同形态的偏振光束L2投射至不同的受测物9上时，受测物9会因其内在信息的不同而对偏振光束L2的吸收程度不同、反射程度不同或产生其它不同程度的响应，而具有相同内在信息的受测物9对于投射至其上的不同形态的偏振光束L2亦会产生不同的响应，故藉由光谱响应分析单元14的光谱响应分析结果可识别受测物9的内在信息。
其次，匣门控制单元12还可依据一时序编程(time-sequence programming)而使匣门11开启或关闭，当匣门控制单元12依据预定的时序编程使匣门11开启或关闭时，偏振光束L2亦会因此时序性地投射至受测物9上；在一些实际应用的情况中，受测物9会因其具有特定的内在信息而对时序性投射至其上的偏振光束L2产生特定的时序性响应，故藉由时序性地将偏振光束L2投射至受测物9上并进而透过光谱响应分析单元14进行光谱响应分析亦能够识别出受测物9的内在信息。
再者，可识别的内在信息包括有受测物9的成分、受测物9的材质或质地纹理(texture)、受测物9的特性等，但不以上述为限。可选择地，受测物9的内在信息可经由将光谱响应分析的结果传送至一预先建构的数据库(图未示)中进行比对而获得，亦即该预先建构的数据库包括有各种内在信息及其相对应的光谱响应的关系数据，以供与光谱响应分析单元14的光谱响应分析结果相比对；此外，该预先建构的数据库可被设置于光学装置1A中、具有光学装置1A的电子装置(如图6所示的可携式电子装置2)中或能够进行网络联机的云端设备(图未示)中。
特别说明的是，由于本发明光学装置1A中设置有可被控制开启或关闭的匣门11，因此光谱响应分析单元14接收自受测物9回射的光束L3的时间区段得以被控制，也就是令光谱响应分析单元14仅于偏振光产生单元13产生偏振光束L2之前/后的一时间区段进行收光，而并非是一直处于收光的状态，故光学装置1A的信噪比(S/N ratio)可被改善，以进而提升光谱响应分析的质量。
请参阅图2，其为本发明光学装置于一第二较佳实施例的概念示意图。其中，本较佳实施例的光学装置1B大致类似于本发明第一较佳实施例中所述之处，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，偏振光产生单元13以及光谱响应分析单元14并非是共享匣门；也就是说，光学装置1B还包括相对应于偏振光产生单元13的第一匣门11’以及相对应于光谱响应分析单元14的第二匣门11”，当第一匣门11’被开启时，偏振光产生单元13所产生的偏振光束L2可于通过第一匣门11’后向外输出以投射至受测物9上，而当第二匣门11”被开启时，受测物9所散射的至少部分光束L3就可回射并通过第二匣门11”而直接入射至光谱响应分析单元14，或经由光学元件132的导引而入射至光谱响应分析单元14。
于一实施态样中，当偏振光产生单元13的发光源131包括单一发光元件时，第一匣门11’以及第二匣门11”是被同步控制开启及关闭；而于另一实施态样中，当偏振光产生单元13的发光源131包括多个发光元件时，则第一匣门11’以及第二匣门11”是依据实际应用需求(如依据每一发元件提供来源光束的时序)而分别或同步被开启及关闭。
请参阅图3，其为本发明光学装置于一第三较佳实施例的概念示意图。其中，本较佳实施例的光学装置1C大致类似于本发明第一较佳实施例中所述之处，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，偏振光产生单元13’的发光源131’为可直接提供偏振光束L2的偏振光源(polarized light source)，故光学装置1C中可不设置如图1所示的光学元件132；较佳者，但不以此为限，发光源131’具有一长空间同调长度(long coherence length)的特性，使多个偏振光束L2及多个光束L3于行进后仍可有干涉(interference)的效果，从而能够对受测物9的内在信息反应或其响答(response)可被有效分类，以增进光谱辨识的效果。
于本较佳实施例中，光学装置1C还包括第一透镜单元151以及第二透镜单元152，且第一透镜单元151设置于偏振光产生单元13’与受测物9之间，用以将由偏振光产生单元13’所产生的偏振光束L2予以准直(collimating)或聚焦(focusing)至受测物9上，而第二透镜单元152设置于受测物9与光谱响应分析单元14之间，用以将受测物9所散射的至少部分光束L3予以准直(collimating)或聚焦(focusing)至光谱响应分析单元14。
请参阅图4，其为本发明光学装置于一第四较佳实施例的概念示意图。其中，本较佳实施例的光学装置1D大致类似于本发明第一较佳实施例中所述之处，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，光学装置1D还包括第一透镜单元161以及第二透镜单元162，且第一透镜单元161设置于偏振光产生单元13与受测物9之间，其是供偏振光产生单元13所产生的偏振光束L2通过，以调整受测物9上被偏振光束L2所投射的一被投射区域91的大小及/或位置，而第二透镜单元162设置于受测物9与光谱响应分析单元14之间，用以收集受测物9所散射的至少部分光束L3。
其中，第二透镜单元162的收光效能因应受测物9上的被投射区域91的大小及/或位置的不同而改变，亦即本发明可透过第一透镜单元161而调整受测物9上被投射区域91的大小及/或位置，以进而提升第二透镜单元162的收光效能，如此一来，受测物9所散射的光束L3中会有更多的光束能够回射至光学装置1D的光谱响应分析单元14，以供光谱响应分析单元14进行光谱响应分析。
请参阅图5，其为本发明光学装置于一第五较佳实施例的概念示意图。其中，本较佳实施例的光学装置1E大致类似于本发明第一较佳实施例中所述之处，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，为了光路设计的需求，光学装置1E更包括第一反射光学单元171以及第二反射光学单元172，且第一反射光学单元171设置于偏振光产生单元13与受测物9之间，用以导引由偏振光产生单元13所产生的偏振光束L2的行进方向，使偏振光束L2投射至受测物9上，而第二反射光学单元172则设置于受测物9与光谱响应分析单元14之间，用以导引受测物9所散射的至少部分光束L3的行进方向，使受测物9所散射的至少部分光束L3可回射至光学装置1E的光谱响应分析单元14。
请参阅图6，其为本发明光学装置应用于可携式电子装置的一较佳结构示意图。可携式电子装置2可为手机、平板电脑或穿戴式装置，但不以上述为限，并包括光学装置1，该光学装置1可为上述第一较佳实施例至第五较佳实施例中的任一光学装置；是以，使用者可利用随身携带的可携式电子装置2中的光学装置1获得任一受测物9的内在信息，如空气的质量、食物的热量、水果的甜度、植物的生长状况等。特别是针对社会大众日益重视的食品安全问题，由于本发明光学装置能供使用者于享用食物之前事先地检测食物的成分，因此本发明更具产业利用价值。补充说明的是，图6仅为本发明光学装置的应用实施例，本技术领域普通技术人员皆可由图6的教示而依据实际需求将本发明光学装置应用至其它电子装置上。
根据以上的说明可知，本发明除了能够有效提升信噪比(S/N ratio)以及降低整体厚度外，在对受测物进行检测的过程中，由于可用以投射至受测物上的光束的形态多样化，如包括有线偏振光束(S偏振光束、P偏振光束)、圆偏振光束以及椭圆偏振光束等，且受测物对于投射至其上的不同形态的光束会具有不同的光谱响应，因此透过光谱响应分析后所能获得的受测物的内在信息将更为详尽且多元。
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 (19)

1.一种光学装置，其特征在于，包括：
至少一匣门；
偏振光产生单元，位于该至少一匣门的一侧，用以产生至少一偏振光束；
光谱响应分析单元，位于该至少一匣门的该侧；以及
匣门控制单元，用以使该至少一匣门开启或关闭；
其中，该至少一偏振光束是于该匣门控制单元使该至少一匣门开启时通过该至少一匣门而向外投射至位于该至少一匣门的一另一侧的一受测物上并产生散射，且该受测物所散射的至少部分光束回射并通过该至少一匣门而入射至该光谱响应分析单元，以供该光谱响应分析单元进行一光谱响应分析；
其中，该匣门控制单元是依据一时序编程而使该至少一匣门开启或关闭；且该光学装置应用于一可携式电子装置。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该至少一偏振光束包括一线偏振光束、一圆偏振光束以及一椭圆偏振光束中的至少一者。
3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该偏振光产生单元包括一发光源。
4.如权利要求3所述的光学装置，其特征在于，该发光源为偏振光源。
5.如权利要求4所述的光学装置，其特征在于，该偏振光源具有一长空间同调长度的特性。
6.如权利要求3所述的光学装置，其特征在于，该发光源包括一激光二极管、一发光二极管、一有机发光二极管以及一热光源中的至少一者。
7.如权利要求3所述的光学装置，其特征在于，该偏振光产生单元还包括一光学元件，该光学元件位于该至少一匣门与该发光源之间，并用以于该发光源所提供的一来源光束入射至该光学元件时，将该来源光束分离为该至少一偏振光束。
8.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于，该光学元件还将回射并通过该至少一匣门的该至少部分光束导引向该光谱响应分析单元行进。
9.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于，该光学元件包括一衍射光学元件。
10.如权利要求9所述的光学装置，其特征在于，该衍射光学元件为一衍射光学薄膜。
11.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于，该光学元件上涂布波长相依膜以及偏振相依膜中的至少一者。
12.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该至少一匣门为单一匣门，且该偏振光产生单元以及该光谱响应分析单元共享该单一匣门；或者，该至少一匣门包括相对应于该偏振光产生单元的第一匣门以及相对应于该光谱响应分析单元的第二匣门。
13.如权利要求12所述的光学装置，其特征在于，该第一匣门以及该第二匣门是被同步开启或同步关闭。
14.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光谱响应分析是用以识别该受测物的一内在信息。
15.如权利要求14所述的光学装置，其特征在于，该内在信息包括一成分信息、一材质信息、一质地纹理信息或一特性。
16.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置的厚度不大于7毫米。
17.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置还包括透镜单元；该透镜单元设置于该偏振光产生单元与该受测物之间，用以将该偏振光产生单元所产生的该至少一偏振光束予以准直或聚焦至该受测物上；或者，该透镜单元设置于该受测物与该光谱响应分析单元之间，用以将该受测物所散射的该至少部分光束予以准直或聚焦至该光谱响应分析单元。
18.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置还包括反射光学单元；该反射光学单元设置于该偏振光产生单元与该受测物之间，用以导引该偏振光产生单元所产生的该至少一偏振光束的行进方向；或者，该反射光学单元设置于该受测物与该光谱响应分析单元之间，用以导引该受测物所散射的该至少部分光束的行进方向。
19.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置还包括第一透镜单元以及第二透镜单元，且该第一透镜单元设置于该偏振光产生单元与该受测物之间，而该第二透镜单元设置于该受测物与该光谱响应分析单元之间；其中，该第二透镜单元是用以收集该受测物所散射的该至少部分光束，而该第一透镜单元是供该偏振光产生单元所产生的该至少一偏振光束通过，并调整该受测物上被该至少一偏振光束投射的一被投射区域。
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