TWI404894B

TWI404894B - 照明系統

Info

Publication number: TWI404894B
Application number: TW098144316A
Authority: TW
Inventors: Po Heng Lin; Chien Sheng Liu; Chia Hsu Chen; Yi Hsuan Chiang
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2013-08-11
Also published as: TW201122371A; US20110149574A1

Description

照明系統

本發明是有關於一種照明系統，且特別是有關於一種解決散斑(speckle)問題的照明系統。

隨著目前工程及科學技術的日新月異，以往許多工程及科學所無法解釋的物理或生理現象，都因為影像裝置的演進，而逐漸對其機制或反應能夠有所觀測及研究。但隨著科學的持續發展，於生醫研究、物化研究、微流體分析及高速製程的機制與反應日益複雜，而傳統影像偵測裝置已逐漸無法應付高速及多樣性的檢測。因此，提升影像偵測裝置的各種解析度，如：色彩、時間、空間及尺寸的解析度，都有助於影像偵測裝置應用於生醫、物化、微流體分析及高速製程機制與反應的觀測及研究。

在影像偵測裝置的演進過程中，雷射曝光源已被大量用來取代白光曝光源，主要是因為使用雷射所拍攝的影像品質對比度較高且解析度高。此外，雷射光源亦可以用來作為投影裝置的光源。由於雷射光源所發出的光具有很高的色純度，因此能使投影裝置所投影出的影像畫面具有較廣的色域。

然而，由於雷射光源所發出的雷射光束之同調性極高，因此當雷射光束照射不平滑物體的表面，物體表面散射之雷射光束因干涉(interference)，而於人眼或影像感測器上產生散班圖形，其中散斑圖形是一種不規則的雜訊狀圖案。散斑現象會導致影像畫面之不規則亮暗雜點，造成影像偵測裝置及投影裝置的光學品質下降。

本發明提供一種照明系統，其能有效降低散斑現象的程度。

本發明之一實施例提出一種照明系統，其包括一光源及一磁光元件(magneto-optical device)。光源適於發出一光束，且光束至少部分具有偏振性。磁光元件配置於光束的傳遞路徑上，且包括多個磁光材料單元。這些磁光材料單元適於配置於光束的傳遞路徑上，且這些磁光材料單元的旋光度(optical rotation)至少部分不相同。磁光元件適於運動，以使這些磁光材料單元相對於光束運動。

基於上述，本發明之實施例之照明系統採用適於運動的磁光元件來將光束的偏振狀態打亂，而使組成光束之多道子光束的偏振狀態在空間上呈散亂分佈，且多道子光束的偏振狀態在空間上的分佈隨著時間而變化。如此一來，便可有效降低散斑現象。

為讓本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A為本發明之一實施例之照明系統的結構示意圖，圖1B為圖1A中之磁光元件的正視圖，圖2A為圖1A之光束沿著I-I線的剖面示意圖，圖2B為圖1A之磁光元件沿著II-II線的剖面示意圖，而圖2C為圖1A之光束沿著III-III線的剖面示意圖。

請先參照圖1A與圖1B，本實施例之照明系統100包括一光源110及一磁光元件120。光源110適於發出一光束112，且光束112至少部分具有偏振性。在本實施例中，光源110例如為一雷射產生器，且光束112例如為一雷射光束，即一同調光束，其中雷射光束實質上為線偏振光束。然而，熟此技藝者當知在其他實施例中，光束112亦可以是其他種類的偏振光束，例如圓偏振光束、橢圓偏振光束或其他非同調之偏振光束。在本實施例中，光源110例如為一連續式雷射產生器，但本發明並不以此為限，其適於發出連續的雷射光束。然而，在其他實施例中，光源110亦可以是一脈衝式雷射產生器，其適於發出脈衝雷射光束。

磁光元件120配置於光束112的傳遞路徑上，且包括多個磁光材料單元126。這些磁光材料單元126適於配置於光束112的傳遞路徑上，且這些磁光材料單元126的旋光度至少部分不相同。磁光元件120適於運動，以使這些磁光材料單元126相對於光束112運動。

為了便於說明，圖1A中將尚未通過磁光元件120的光束112標示為L0，且將通過磁光元件120之後的光束112標示為L1。在本實施例中，磁光元件120適於轉動，例如繞轉動軸線Z旋轉(圖1B中所繪示是以沿著轉動方向R旋轉為例)，以使位於光束112(即光束L0)的照射範圍中之磁光材料單元126的空間分佈隨時間而改變。然而，在其他實施例中，磁光元件120亦可以是藉由平移而使位於光束112(即光束L0)的照射範圍中之磁光材料單元126的空間分佈隨時間而改變。或者，在其他實施例中，磁光元件120亦可以同時藉由轉動與平移而使位於光束112(即光束L0)的照射範圍中之磁光材料單元126的空間分佈隨時間而改變。

在本實施例之照明系統100中，由於這些磁光材料單元126的旋光度至少部分不相同，且由於這些磁光材料單元126相對於光束運動，因此位於光束112的照射範圍中之磁光材料單元126的空間分佈隨時間而改變，亦即使位於光束112的照射範圍中之磁光元件120的旋光度之空間分佈隨時間而改變。如此一來，分別照射於這些磁光材料單元126上之光束112的多道子光束的偏振態，便會受到旋光度之空間分佈隨時間變化的影響，而在不同的位置與不同的時間產生至少部分不相同的偏振態。由於不同偏振態的光之反射、散射與干涉效果不同，因此經由磁光元件120作用後的光束112(即光束L1)照射在被照物體上時，散斑現象便能夠被有效抑制。

在本實施例中，磁光元件120包括一基板122，其配置於光束112的傳遞路徑上。此外，這些磁光材料單元126配置於基板122上。在本實施例中，基板122例如為一透光基板，但本發明並不以此為限，且磁光元件120適於讓光束穿透。此外，在本實施例中，這些磁光材料單元126形成一磁光材料薄膜124。這些磁光材料單元126的材料包括釓鐵鈷(GdFeCo)、鋱鐵鈷(TbFeCo)、磁光玻璃(鋱鋁硼矽酸鹽)、摻雜釔鐵石榴石或上述材料之組合等。值得注意的是，本發明並不限定磁光材料單元126的材料為上述之材料。於其他實施例中，磁光材料單元126的材料亦可以為其他具磁光特性的材料。

磁光材料單元126的旋光度與磁光單元126的各項參數遵循以下關係式：

φ=V‧B‧d

其中，φ為偏振光在通過磁光材料單元126後偏振態被旋轉的角度(亦即旋光度)，V為費爾德常數，B為磁光材料單元126在與光束112的傳遞方向平行之方向上的磁通密度，而d為磁光材料單元126在與光束112的傳遞方向平行之方向上的厚度T。在本實施例中，藉由使這些磁光材料單元126在與光束112的傳遞方向平行之方向上的磁通密度至少部分不相同，可使這些磁光材料單元126的旋光度至少部分不相同。然而，在其他實施例中，亦可以藉由使這些磁光材料單元126的費爾德常數至少部分不相同，或藉由使這些磁光材料單元126的厚度T至少部分不相同，來使這些磁光材料單元126的旋光度至少部分不相同。或者，在其他實施例中，亦可以藉由使這些磁光材料單元126的費爾德常數、厚度T及磁通密度之至少其中兩者至少部分不相同，來使這些磁光材料單元126的旋光度至少部分不相同。

在本實施例中，這些磁光材料單元126的旋光度在空間上呈亂數分佈，如此可增進磁光元件120改善散斑現象的效果。旋光度在空間上的亂數分佈可藉由使這些磁光材料單元126的費爾德常數、厚度T及磁通密度之至少其中之一在空間上呈亂數分佈來達成。

值得注意的是，這些磁光材料單元126可以是一體成形地形成磁光材料薄膜124，此磁光材料薄膜124上不同位置的旋光度呈空間上連續變化，而磁光材料單元126僅是人為定義出的多個虛擬的微小區塊。然而，在其他實施例中，磁光材料單元126亦可以各自為一微小的實體區塊。舉例而言，相鄰的兩磁光材料單元126可因採用不同材料或不同的厚度而在實體上可被區分為不同的兩區塊。值得注意的是，本發明並不限定磁光材料單元126的形狀為矩形，亦不限定磁光材料單元126的排列方式呈矩形陣列式。熟此技藝者當知在其他實施例中，磁光材料單元126的形狀亦可以是其他的幾何形狀或不規則形狀，而排列方式亦可以呈其他形式的陣列、其他排列方式或不規則排列。

當採用磁通密度的不同來造成旋光度不同時，磁光元件120會具有簡單的製程與較低的成本。舉例而言，磁光元件120的製作方式可為先將磁光元件120加熱，接著再利用磁頭依序對磁光材料單元126作不同程度的磁化。最後，再使磁光元件120回到常溫，即完成磁光元件120的製作。相較於採用其他原理(例如利用光路徑變化或光相位變化)來降低散斑現象會有光利用率下降及光學元件成本過高等問題而造成普及困難，本實施例之磁光元件120之低成本與製程簡易的優勢將使本實施例之照明系統100更容易量產與普及。本實施例之照明系統100可用於雷射脈衝光高速攝影技術或雷射投影技術，而有良好的光學效果。

請再參照圖1A與圖2A至圖2C，圖1B中磁光元件120之區域A中的多個磁光材料單元126可依在二度空間中的排列順序標示為A11、A12、A13、A14、…、A21、A22、…、A31、…、A41、…等(如圖2B所繪示)，而光束L0可分為多道子光束L011、L012、L013、L014、…、L021、L022、…、L031、…、L041…等(如圖2A所繪示)。這些子光束L011、L012、L013、L014、…、L021、L022、…、L031、…、L041…分別照射於這些磁光材料單元A11、A12、A13、A14、…、A21、A22、…、A31、…、A41、…。這些磁光材料單元A11、A12、A13、A14、…、A21、A22、…、A31、…、A41、…在與光束112的傳遞方向平行之方向上的磁通密度分別標示為B11(t)、B12(t)、B13(t)、B14(t)、…、B21(t)、B22(t)、…、B31(t)、…、B41(t)、…，這些磁通密度為時間t的函數，亦即會隨時間而變化。這是因為在不同時間中，會有不同的磁光材料單元126的組合切入光束112的傳遞路徑且切入區域A中，而由於磁光材料單元126的磁通密度在空間上呈亂數分佈，因此會使得區域A中的磁通密度分佈在不同時間中呈現不同的狀態。如圖2C所繪示，當光束L0通過磁光元件120後，光束L1的子光束L111、L112、L113、L114、…、L121、L122、…、L131、…、L141…之各別的偏振態相對於子光束L011、L012、L013、L014、…、L021、L022、…、L031、…、L041…之偏振態的旋轉角度會分別為φ11(t)、φ12(t)、φ13(t)、φ14(t)、…、φ21(t)、φ22(t)、…、φ31(t)、…、φ41(t)、…，亦即這些偏振態除了在空間上呈散亂分佈之外，亦會隨著時間而變化(即為時間t的函數)。因此，當光束L1照射於被照射物體時，散斑現象會被有效抑制。

圖3為本發明之另一實施例之照明系統的結構示意圖。請參照圖3，本實施例之照明系統100a與圖1A之照明系統100類似，而兩者的差異如下所述。本實施例之照明系統更包括一致動器130，其連接至磁光元件120，以驅使磁光元件120運動。致動器130例如為一電磁式致動器、一壓電式致動器、一氣壓式致動器、一液壓式致動器或利用其他物理原理致動的致動器。在本實施例中，致動器130例如為一馬達，但本發明並不以此為限，其適於驅使磁光元件120旋轉。然而，在其他實施例中，致動器130亦可以是驅使磁光元件120平移，或驅使磁光元件120同時旋轉與平移。

本實施例之照明系統100a類似於圖1A之照明系統100，而兩者的差異如下所述。在本實施例之照明系統100a更包括一光均勻化元件140。為了便於讀者了解，在圖3中尚未通過光均勻化元件140的光束112標示為L1，而通過光均勻化元件140後的光束112標示為L2。光均勻化元件140配置於來自磁光元件120的光束112(即光束L1)之傳遞路徑上。光均勻化元件140適於使光束112均勻化，以使光束112(即光束L1)在通過光均勻化元件140後(通過後之光束即為光束L2)，能更均勻地照射於被照射物50。光均勻化元件140例如是光積分柱(light integration rod)、透鏡陣列(lens array)或其他適當的光束整型元件。當照明系統100a應用於影像偵測系統中時，被照射物50即是待測物體，而當照明系統100a應用於投影系統時，被照射物50即是屏幕，且被照射物50與光均勻化元件140之間可配置有空間光調變器(spatial light modulator)，以產生影像畫面。

圖4為本發明之又一實施例之照明系統的結構示意圖。本實施例之照明系統100b類似於圖3之照明系統100a，而兩者的差異如下所述。在本實施例之照明系統100b中，磁光元件120b更包括一反射膜128，配置於基板122(即透光基板)上，以反射光束112。如此一來，便可使光路產生彎折，而對不同的系統產生較佳的適用性。在其他實施例中，基板亦可以是一反射片，反射片的表面可鍍上反射膜以反射光束112，或反射片本身是由反射材質所構成而無須鍍膜就可反射光束112。

綜上所述，本發明之實施例之照明系統採用適於運動的磁光元件來將光束的偏振狀態打亂，而使組成光束之多道子光束的偏振狀態在空間上呈散亂分佈，且隨著時間而變化。如此一來，便可有效降低散斑現象。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

50．．．被照射物

100、100a、100b．．．照明系統

110．．．光源

112、L0、L1、L2．．．光束

120、120b．．．磁光元件

122‧‧‧基板

124‧‧‧磁光材料薄膜

126、A11、A12、A13、A14、A21、A22、A31、A41‧‧‧磁光材料單元

128‧‧‧反射膜

130‧‧‧致動器

140‧‧‧光均勻化元件

A‧‧‧區域

B11(t)、B12(t)、B13(t)、B14(t)、B21(t)、B22(t)、B31(t)、B41(t)‧‧‧磁通密度

L011、L012、L013、L014、L021、L022、L031、L041、L111、L112、L113、L114、L121、L122、L131、L141‧‧‧子光束

R‧‧‧轉動方向

T‧‧‧厚度

Z‧‧‧轉動軸線

φ 11(t)、φ 12(t)、φ 13(t)、φ 14(t)、φ 21(t)、φ 22(t)、φ 31(t)、φ 41(t)‧‧‧旋轉角度

圖1A為本發明之一實施例之照明系統的結構示意圖。

圖1B為圖1A中之磁光元件的正視圖。

圖2A為圖1A之光束沿著I-I線的剖面示意圖。

圖2B為圖1A之磁光元件沿著II-II線的剖面示意圖。

圖2C為圖1A之光束沿著III-III線的剖面示意圖。

圖3為本發明之另一實施例之照明系統的結構示意圖。

圖4為本發明之又一實施例之照明系統的結構示意圖。

100．．．照明系統

110．．．光源

112、L0、L1．．．光束

120．．．磁光元件

122．．．基板

124．．．磁光材料薄膜

126．．．磁光材料單元

T．．．磁光材料薄膜厚度

Z．．．轉動軸線

Claims

一種照明系統，包括：一光源，適於發出一光束，其中該光束至少部分具有偏振性；以及一磁光元件，配置於該光束的傳遞路徑上，且包括多個磁光材料單元，其中該些磁光材料單元適於配置於該光束的傳遞路徑上，該些磁光材料單元的旋光度至少部分不相同，且該磁光元件適於運動，以使該些磁光材料單元相對於該光束運動，其中該光束在同一時間點上照射於該些磁光材料單元中的多個磁光材料單元，且被照射的該些磁光材料單元的旋光度分佈隨著該些磁光材料單元相對於該光束運動而產生變化。
如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該些磁光材料單元的費爾德常數至少部分不相同。
如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該些磁光材料單元的厚度至少部分不相同。
如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該些磁光材料單元在與該光束的傳遞方向平行之方向上的磁通密度至少部分不相同。
如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該磁光元件包括一基板，配置於該光束的傳遞路徑上，其中該些磁光材料單元配置於該基板上。
如申請專利範圍第5項所述之照明系統，其中該基板為一反射片，以反射該光束。
如申請專利範圍第5項所述之照明系統，其中該基板為一透光基板，且該磁光元件適於讓該光束穿透。
如申請專利範圍第5項所述之照明系統，其中該基板為一透光基板，且該磁光元件更包括一反射膜，配置於該透光基板上。
如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該些磁光材料單元形成一磁光材料薄膜。
如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該些磁光材料單元的旋光度在空間上呈亂數分佈。
如申請專利範圍第1項所述之照明系統，更包括一致動器，連接至該磁光元件，以驅使該磁光元件運動。
如申請專利範圍第11項所述之照明系統，其中該致動器適於驅使該磁光元件旋轉。
如申請專利範圍第11項所述之照明系統，其中該致動器適於驅使該磁光元件平移。
如申請專利範圍第11項所述之照明系統，其中該致動器為一電磁式致動器、一壓電式致動器、一氣壓式致動器或一液壓式致動器。
如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該光源為一雷射產生器，且該光束為一雷射光束。
如申請專利範圍第15項所述之照明系統，其中該雷射產生器為一連續式雷射產生器或一脈衝式雷射產生器。
如申請專利範圍第1項所述之照明系統，更包括一光均勻化元件，配置於來自該磁光元件的該光束之傳遞路徑上。