TWI452268B - 用於收光之光學頭及使用其之光學系統 - Google Patents

用於收光之光學頭及使用其之光學系統 Download PDF

Info

Publication number
TWI452268B
TWI452268B TW101138142A TW101138142A TWI452268B TW I452268 B TWI452268 B TW I452268B TW 101138142 A TW101138142 A TW 101138142A TW 101138142 A TW101138142 A TW 101138142A TW I452268 B TWI452268 B TW I452268B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
reflective
optical
light
incident
cosine
Prior art date
Application number
TW101138142A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201416647A (zh
Inventor
Chien Hsiang Hung
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
Priority to TW101138142A priority Critical patent/TWI452268B/zh
Priority to CN201310432079.0A priority patent/CN103728015B/zh
Priority to US14/052,204 priority patent/US9678251B2/en
Publication of TW201416647A publication Critical patent/TW201416647A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI452268B publication Critical patent/TWI452268B/zh
Priority to US15/592,201 priority patent/US10114154B2/en

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

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Description

用於收光之光學頭及使用其之光學系統
本發明關於一種光學元件，特別是關於一種收光用之光學頭。
光譜儀(spectrometer)及照度計(lux meter)等光學系統已廣泛地應用於許多產業，包括：生物技術、環境科技、電子、食品/飲料、工業化學、材料及製藥等。而隨著光電技術之發展，光學系統有逐漸微型化之趨勢。相對於實驗室易損壞且需經常校準的傳統光學系統而言，微型化技術更使光學系統可以走出實驗室，成為可攜的泛用檢驗儀器，並產生各種創新的應用，如在居家、外出、田野調查、現場驗貨、產線驗料等場合裡，檢驗血液、尿液、農藥殘留、水質、紫外線強度、水果甜度、假酒、偽鈔、偽藥、珠寶、空氣品質、料件色差、光電產品品質等等，其應用相當廣泛地涵蓋各個生活環節及產業領域。
上述光學系統通常具有收集散射光之光學頭以及量測光學頭所收集之散射光光之測光裝置。在照度計中，測光裝置可僅為一感光元件(photo sensor)，而在光譜儀中，測光裝置則利用光柵等技術將成分複雜的光分離為分色光(dispersed light)，並以感光元件將分色光轉為電訊號以供使用者進行進一步之分析。光學頭所收集之光量可影響到光學系統整體之感度(sensitivity)，因此需要一種較有效 率之光學頭。目前之光學頭多僅使用餘弦校正器(cosine corrector)，如此雖可使不同角度射入光學頭之入射光皆有實質上相同之穿透率(transmission rate)，但無法有效提高進入測光裝置之光線。
實施例提供一種光學頭，用以接收一入射光，光學頭包含一穿透式餘弦校正元件以及一反射元件(partial reflector)。穿透式餘弦校正元件配置於入射光之一光徑上(optical path)，入射光在射入穿透式餘弦校正元件後被轉換為朗伯場形(Lambertian)之一散射光，且不同角度射入穿透式餘弦校正元件之入射光對穿透式餘弦校正元件具有實質上相同之穿透率。反射元件具有至少一光學輸出區與一反光區，反射元件朝向穿透式餘弦校正元件配置，而穿透式餘弦校正元件對反射元件遮蔽入射光，其中部分來自穿透式餘弦校正元件之散射光射入光學輸出區，未射入光學輸出區之散射光則射入反光區，而射入反光區之散射光被反射至穿透式餘弦校正元件及/或反光區之其他部分。
在此實施例中，其中至少一光學輸出區可為多個光學輸出區，而這些光學輸出區可相對於反射元件之中心軸對稱配置，這些光學輸出區的面積可實質上相同。此外，反射元件可為凹面鏡、具回反射結構之平面鏡、具回反射結構之凹面鏡、具擴散結構之平面元件或具擴散結構之凹面元件其中之一。另外，穿透式餘弦校正元件上可配置有多 個反射器，連接穿透式餘弦校正元件，其朝向反射元件設置，且與穿透式餘弦校正元件實質上共平面，將來自反射元件之散射光反射至光學輸出區及/或反光區。
另一實施例提供一種光學頭，用以接收一入射光，光學頭包含一反射式餘弦校正元件、一反射元件以及一收光元件。反射式餘弦校正元件具有一光學輸出區以及一反光散射區，反射式餘弦校正元件配置於入射光之一光徑上。反射元件朝向反射式餘弦校正元件設置，而收光元件配置於光學輸出區以接收來自反射式餘弦校正元件之散射光，且收光元件之收光範圍在將來自反射式餘弦校正元件之散射光反射至光學輸出區之部分之反射元件內。從另一角度來看，收光元件之收光範圍透過反射元件的映射會落在反射式餘弦校正元件內。其中入射光射入反光散射區，並被反射式餘弦校正元件轉換為朗伯場形之一散射光，而使不同角度射入反射式餘弦校正元件之入射光對反射式餘弦校正元件具有實質上相同之反射率，散射光入射反射元件及/或反光散射區之其他部分。
在此實施例中，反射式餘弦校正元件可為平面或凹面，而反射元件可為凸面鏡、平面鏡、凹面鏡、具擴散結構之平面元件或具擴散結構之凹面元件其中之一。另外，光學頭更可包含一管狀反射壁，其環繞反射式餘弦校正元件與反射元件，且形成一光通道使入射光通過光通道射入反射式餘弦校正元件而提高入射光射入反射式餘弦校正元件之比例。
在上述各實施例之光學頭中可有一快門裝置，用以控制散射光是否可通過光學輸出區。快門裝置可包含快門元件與致動元件，快門元件配置於光學輸出區處，而致動元件可控制快門元件是否使散射光通過。
另一實施例提供一種光學系統，其包含一光學頭以及至少一測光裝置。光學頭包含一穿透式餘弦校正元件以及一反射元件。穿透式餘弦校正元件配置於入射光之一光徑上，並將入射光轉換為一散射光。反射元件具有一光學輸出區以及一反光區，且反射元件朝向穿透式餘弦校正元件設置，其中穿透式餘弦校正元件對入射光遮蔽反射元件，散射光透過光學輸出區輸出。測光裝置接收來自光學頭之散射光並將其轉換為電訊號。
在一實施例中，至少一光學輸出區可為多個光學輸出區，而這些光學輸出區可相對於反射元件之中心軸對稱配置，這些光學輸出區的面積可實質上相同。另外，至少一測光裝置可為多個測光裝置，而各光學輸出區可直接或透過波導連接至不同之測光裝置。
又一實施例中提供一種光學系統，其包含一光學頭以及一測光裝置。光學頭包含一反射式餘弦校正元件、一反射元件以及一收光元件。反射式餘弦校正元件具有一光學輸出區以及一反光散射區，且反射式餘弦校正元件配置於入射光之一光徑上。反射元件朝向反射式餘弦校正元件配置，而其中反射式餘弦校正元件將入射光轉換為一散射光，且透過光學輸出區輸出。測光裝置接收來自光學輸出 區之散射光並將其轉換為電訊號。
在一實施例中，上述各光學系統中之測光裝置為一感光元件。在另一實施例中，測光裝置包含分光元件及感光元件。來自光學頭散射光經過分光元件後形成分色光，而感光元件偵測分色光，並將其轉換為電訊號以供進一步分析。此外，上述各光學系統中之光學頭可具備有前述所有光學頭之特徵。
上述之光學頭以反射元件或反射區反射來自餘弦校正元件之散射光，如此，未進入光學輸出區之散射光可被反射元件回收而可能再次進入光學輸出區，藉此提高散射光進入光學輸出區的比例而增加光學頭可收集之入射光。此外，使用餘弦校正元件可使進入光學頭之入射光的反射率或穿透率不受入射角影響，而可形成更均勻之散射光以得到較準確之量測結果。另外，餘弦校正元件同時亦具備朗伯散射之性質，使入射光及來自反射元件之散射光均勻地散射而進一步增進量測之準確性。
第1圖為本發明一光學頭之實施例之側面示意圖，請先參照第1圖。第1圖繪示用以接收入射光L之光學頭100，其具有反射元件110以及穿透式餘弦校正元件120，而反射元件110朝向穿透式餘弦校正元件120設置。反射元件110具有可使光通過之光學輸出區112，以及可反射光之反光區114，欲測量之入射光L在射入穿透式餘弦校正 元件120後被轉換為朗伯場型之散射光L'。當光打在穿透式餘弦校正元件120上，穿透式餘弦校正元件120會在其兩面分別產生具朗伯場型之散射光，且散射光的強度不會受到入射光的角度影響。更具體地說，穿透式餘弦校正元件120對於不同角度的入射光會有實質上相同之穿透率及朗伯散射特性。此外，穿透式餘弦校正元件120對於不同角度的入射光也會有實質上相同之反射率及朗伯散射特性。
舉例來說，穿透式餘弦校正元件120可使以不同角度射入穿透式餘弦校正元件120之入射光L對穿透式餘弦校正元件120具有實質上相同之穿透率及朗伯散射特性，且穿透式餘弦校正元件120對入射光L遮蔽反射元件110，因此入射光L不會直接射入反射元件110，而僅有散射光L'射入反射元件110。
承上述，來自餘弦校正元件120之散射光L'射入反射元件110時，一部分射入反射元件110之光學輸出區112。未進入光學輸出區112之散射光L'一部分射入反光區114而反射回到穿透式餘弦校正元件120，部分被反射回穿透式餘弦校正元件120之散射光L'會在此進行二次朗伯而反射回反射元件110。尚未進入光學輸出區112之散射光L'可不斷重複上述步驟至進入光學輸出區112或因衰減(attenuation)而消失。未進入光學輸出區112之散射光L'亦可被反光區114反射至反光區114之另一部分，再被反射回穿透式餘弦校正元件120，或是在反光區114中來回 反射而因衰減消失。其中來自穿透式餘弦校正元件120之散射光L'可能射入反射元件110之光學輸出區112或是反射元件110之反光區114，而被反射元件110之反光區114反射之散射光L'可能射入光學輸出區112、穿透式餘弦校正元件120，或是反光區114之其他部分。
利用反射元件110將穿過穿透式餘弦校正元件120但未進入光學輸出區112之散射光L'反射回穿透式餘弦校正元件120，可回收再利用未進入光學輸出區112之散射光L'而大幅提高散射光L'進入光學輸出區112之比例，進而增加光學頭100所收集到之散射光量。另外，使用穿透式餘弦校正元件120收光可使入射光L對穿透式餘弦校正元件120之穿透率及朗伯散射特性皆不受入射光L的入射角度影響。另一方面，使用穿透式餘弦校正元件120收光可使來自反射元件110的散射光L'對穿透式餘弦校正元件120之反射率及朗伯散射特性皆不受入射光L的入射角度影響。因此，在光學頭100中，進入光學輸出區112的光量就實質上不會受到入射光L的入射角度影響而不同。
在其他實施例中，第1圖中之穿透式餘弦校正元件120上更可配置有至少一反射器。第2a-2d圖為本發明其他實施例之穿透式餘弦校正元件與反射器之正面示意圖。請參照第2a-2d圖，在第2a及2b圖中，圓形反射器150a及環形反射器150b連接穿透式餘弦校正元件120，而第2c圖中，一矩形反射器150c連接穿透式餘弦校正元件120，而第2d圖中有二矩形反射器150d連接穿透式餘弦校正元件 120，上述之各反射器皆朝向反射元件110，且與穿透式餘弦校正元件120實質上共平面。加入反射器可使散射光L'在被反射元件110反射後再被反射器150a-d反射回反射元件110。反射器150a-d若配置在適當位置可增加進入光學輸出區112之散射光L'，在第2a圖中之實施例更可減少製作穿透式餘弦校正元件120所需之材料。反射器可為以反光材料製成之反光片或反光板，以黏著材料或固定件固定至穿透式餘弦校正元件120上，亦可直接在穿透式餘弦校正元件上以反光材料形成鍍膜作為反射器。
上述反射器150a-d之配置僅為例示，亦可以其他形狀、數量、及位置配置，例如環繞中央區域之三個三角形反光器。熟悉此項技藝者可依需求配置。
在第1圖中之反射元件110繪示為一凹面鏡，但反射元件110亦可視需求使用具回反射結構之平面鏡、具回反射結構之凹面鏡、具擴散結構之平面元件或具擴散結構凹面元件等方式實施。使用具有回反射結構之反射元件，可使射入反射元件周邊區域之散射光被反射至穿透式餘弦校正元件，以增加散射光再被穿透式餘弦校正元件反射至位於反射元件之中央之光學輸出區的可能性。使用具有擴散結構之反射元件亦可達到類似之效果。
另外，第1圖中之光學輸出區112實質上位於反射元件110之中央，被反光區114環繞，但光學輸出區112亦可位於反射元件110上之其他位置，例如位於反射元件之周邊，只要光學輸出區112能讓部分來自穿透式餘弦校正 元件120之散射光L'射入即可，熟悉此項技藝者可依需求做其他形式之配置。
除此之外，更可在本實施例之光學頭中加上一波導。第3a圖為本發明另一實施例之光學頭之側面示意圖。請參照第3a圖，光學頭100a之光學輸出區112配置有穿過反射元件110之波導130。波導130之收光範圍可涵蓋整個透穿式餘弦校正元件120之面積，如第3a圖中之S所示；第3b及3c圖繪示波導之收光範圍之其他實施方式，請參照第3b及3c圖。光學輸出區112之收光範圍亦可僅涵蓋部分之透穿式餘弦校正元件120之面積，如第3b圖中之S'所示，或是大於透穿式餘弦校正元件120之面積，如第3c圖中之S”所示。
在一實施例中，上述反射元件可有複數個光學輸出區，這些光學輸出區可相對於反射元件之中心軸配置，這些光學輸出區的面積可實質上相同，以使各光學輸出區之入光量相同。在其他實施例中，本領域技術者也可依其需求改變多個光學輸出區的配置位置及/或面積，使各光學輸出區之入光量成一比例。
第4圖為本發明另一光學頭之實施例之側面示意圖，請參照第4圖。光學頭200用以量測入射光L。光學頭200具有反射元件210、反射式餘弦校正元件220以及收光元件250，而反射元件210與反射式餘弦校正元件220面對面設置。反射元件210與反射式餘弦校正元件220間可以透過支架240連結，在圖中繪示二支支架240連接於反射 元件210與反射式餘弦校正元件220之外圍，但熟悉此項技藝者亦可使用其他數量之支架240，並配置於其他位置，例如僅一支支架或三支支架，而支架可以透光材料製成，且配置於反射式餘弦校正元件220上較接近光學輸出區222之位置，只要可將反射元件210固定於反射式餘弦校正元件220上，並使來自反射元件210之光可進入光學輸出區222即可。熟悉此項技藝者亦可使用其他形式連接反射元件210與反射式餘弦校正元件220，例如使用網格透光材料形成之管狀支架。反射式餘弦校正元件220具有一光學輸出區222以及一反光散射區224。入射光L在射入反射式餘弦校正元件220之反光區224後被轉換為朗伯場型之散射光L'，並被反射至反射元件210。反射元件210將部分散射光L'反射回反射式餘弦校正元件220，並使部分散射光L'進入光學輸出區222。收光元件250配置於光學輸出區222處以收集進入光學輸出區222之散射光L'，而收光元件250之收光範圍S落在能將來自該反射式餘弦校正元件220之散射光L'反射至光學輸出區222之部分之反射元件210內。詳細來說，反射元件210除了反射來自反射式餘弦校正元件220散射光L'外，亦可能反射其他未被反射式餘弦校正元件220反射之光，而收光元件250之收光範圍S應限制於僅接收來自反射式餘弦校正元件220反射之散射光L'。如此僅有經反射元件210反射之散射光L'可進入收光元件250。在此實施例中，整個反射元件210皆將反射式餘弦校正元件220之散射光L'反射至光學輸出 區222，因此收光元件250之收光範圍S可等同於反射元件210之面積。在其他實施例中，若反射元件210亦反射其他非來自反射式餘弦校正元件220之光，則收光元件250之收光範圍亦可小於反射元件210以使收光元件250僅接收來自經過反射式餘弦校正元件220反射之散射光L'。
在本實施例中，反射元件210使來自反射式餘弦校正元件220之散射光L'可在反射元件210與反射式餘弦校正元件220之間來回反射至進入光學輸出區222。以提高散射光L'進入光學輸出區222之比例。此外收光元件250之收光範圍S與反射元件210之範圍相同，因此入射光L不會直接射入光學輸出區222，而需先經過反光散射區224。如此可使不同角度之入射光L對反射式餘弦校正元件220皆有實質上相同之反射率，而使光學頭可對不同角度收光仍可維持實質上相同的入光量。此外，反射式餘弦校正元件220與第1圖中所使用之穿透式餘弦校正元件120相較下，在將入射光L轉換為散射光L'時具有較高之轉換率。
本實施例之反射式餘弦校正元件可為平面或凹面。第5圖為本發明另一光學頭之實施例之側面示意圖，請參照第5圖。第5圖之實施例與第4圖中之實施例大致相同，因此本實施例中與第4圖之實施例相同或相似之元件以相同之元件符號標示。本實施例與第4圖之實施例不同處在於第5圖中之反射式餘弦校正元件220a為凹面。
第4及第5圖中之光學頭更可具有一管狀反射壁以提高入射光射入反射式餘弦校正元件之比例，以下雖以第4 圖之光學頭為例說明，但此特徵亦可用於第5圖之實施例中或其他類似實施例。第6圖為本發明另一光學頭之實施例之側面示意圖，請參照第6圖。第6圖之實施例與第4圖中之實施例大致相同，因此本實施例中與第4圖之實施例相同或相似之元件以相同之元件符號標示。本實施例與第4圖之實施例之不同處在於第6圖中之光學頭200b更包括一管狀反射壁230。管狀反射壁230環繞反射元件210及反射式餘弦校正元件220以形成讓入射光L通過之一光通道T。入射光L被限制於光通道T中而射入反射式餘弦校正元件220，如此可回收行進方向並非朝向反射式餘弦校正元件220之入射光L'，以提高入射光L進入反射式餘弦校正元件220之比例。
此外，上述各實施例中之光學頭之光學輸出區222位於反射式餘弦校正元件220之中央，但光學輸出區222亦可位於反射式餘弦校正元件220上之其他位置，例如位於反射式餘弦校正元件之周邊，只要光學輸出區222能讓部分來自反射元件210之散射光L'射入即可，熟悉此項技藝者可依需求做其他形式之配置。
另外，反射元件210可視需求以凸面鏡、平面鏡、凹面鏡、具有擴散結構之平面或具有擴散結構之凹面實施之。使用凸面鏡可使來自反光散射區224之周邊的散射光L'更容易被反射入光學輸出區222；而擴散結構可使被反射元件210所反射之散射光L'具有更大之發散角(divergence angle)，經適當配置可提高進入光學輸出區 222之散射光的比例。
上述各光學頭可搭配測光裝置而形成一完整光學系統。第7圖為本發明使用第1圖中之光學頭100之光學系統之一實施例之功能方塊圖。請參照第7圖，在本實施例中，與第1圖相同或相似之元件以相同之元件符號標示。本實施例之光學系統400a包含一光學頭100以及一測光裝置300a。散射光L'在射入反射元件110之光學輸出區112後射入測光裝置300a，並被轉換為電訊號以供後續分析處理。
光學系統400a之測光裝置300a可包含一感光元件310，其接收來自光學輸出區112之散射光L'後將其轉換為電訊號。第8圖繪示第1圖之光學頭應用於光譜儀之功能方塊圖。請參照第8圖，在光譜儀之應用中，光學系統400b之測光裝置300b可包含分光元件(例如為光柵)320，並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轉換為電訊號以供後續分析處理。
應注意在此及以後所使用之「分色光(dispersed light)」一詞意指一光束中不同波長之成分具有不同之光徑，其中各成分之頻率範圍可為可見光波段，亦可為紫外線波段或紅外線波段。
上述各光學系統可具有一快門裝置配置於光學輸出區與測光裝置之間。第9圖繪示本發明使用快門裝置之光學系統之功能方塊圖。請參照第9圖，本實施例之光學系統400c更可具有一快門裝置500，用以控制來自光學輸出區 112之散射光L'是否可進入測光裝置300。快門裝置500可包含一快門元件510、一致動元件520以及一控制單元530。在本實施例中，快門元件510位於反射元件110之光學輸出區112與測光裝置300之間，控制單元530控制致動元件520，使致動單元520驅動配置於光學輸出區112與測光裝置300之間之快門元件510。控制單元530可透過致動元件520使快門元件510打開或關閉，以決定來自光學輸出區112之散射光L'是否能到達測光裝置300。舉例而言，致動元件520可為一線圈，而快門元件510為一快門簾，而控制單元530對致動元件520通以正或負電流可決定快門元件510打開或關閉。光學系統400c更具有一處理單元410，與測光裝置300及快門裝置500連接。
快門裝置500可用來校正測光裝置300。舉例而言，處理單元410可先透過控制單元530關閉快門元件510，並由測光裝置300讀取電訊號(例如為透過一類比-數位轉換器讀取)，此訊號即為暗雜訊訊號。處理單元410可依此暗雜訊訊號進行校正以在後續之量測中得到較準確之結果。
在其他實施例中，快門元件510亦可為一液晶面板，而致動元件520則控制快門元件510中之液晶之偏向，以決定散射光L'是否可通過。
在其他實施例中，控制單元530也可配置於快門裝置500之外，例如可與處理單元410整合在一起。
上述各光學系統中之測光裝置之測光裝置之各元件 間、以及光學頭與測光裝置間可以波導連接以減少光線逸出造成之損失。此外，在光學頭之反射元件具有複數個光學輸出區之實施例中，光學系統可具有複數個測光裝置，而各光學輸出區可直接或透過波導連接至不同之測光裝置。
應注意雖第7、8、9圖之實施例中之光學系統使用第1圖中之光學頭，但上述所有實施例中之光學頭皆可搭配測光裝置而用於光學系統中，例如使用第4圖之光學頭之光學系統。此外，熟悉此項技藝者亦可將第7、8、9圖中之特徵應用於具有其他光學頭之光學系統中，實施方式請參照第7、8、9圖及其對應之說明，在此不多做贅述。
綜上所述，與先前技術相較之下至少具有以下優點：
1.以反射元件反射來自餘弦校正元件之散射光，如此，未進入光學輸出區之散射光可被反射元件回收而可能再次進入光學輸出區，藉此提高散射光進入光學輸出區的比例，進而提高光學系統整體之感度。
2.餘弦校正元件具備朗伯散射之性質，使入射光及來自反射元件之散射光均勻地散射。因此，使用餘弦校正元件可使入射光之入光量較不受入射角影響。
應注意上述所有特徵及實施例皆僅為範例，並可經修改及組合以得到不同之實施例且不悖離本發明之精神。因此，本發明之範疇不應限於上述之實施例及圖式，而應以申請專利範圍為準。
L‧‧‧入射光
L'‧‧‧散射光
Ls‧‧‧分色光
S、S'、S"‧‧‧收光範圍
T‧‧‧光通道
100、100a、100b、100c、200、200a、200b‧‧‧光學頭
110‧‧‧反射元件
112、222‧‧‧光學輸出區
114‧‧‧反光區
120‧‧‧穿透式餘弦校正元件
130‧‧‧波導
150a-150d‧‧‧反射器
210‧‧‧反射元件
220‧‧‧反射式餘弦校正元件
224‧‧‧反光散射區
230‧‧‧管狀反射壁
240‧‧‧支架
250‧‧‧收光元件
300a、300b‧‧‧測光裝置
310‧‧‧感光元件
320‧‧‧分光元件
400、400a、400b、400c‧‧‧光學系統
410‧‧‧處理單元
500‧‧‧快門裝置
510‧‧‧快門元件
520‧‧‧致動元件
530‧‧‧控制單元
第1圖為光學頭之一實施例之側面示意圖。
第2a-2d圖為反射器在第1圖之穿透式餘弦校正元件上之正面示意圖。
第3a-3c圖為第1圖之光學頭配置波導之側面示意圖。
第4圖為光學頭之另一實施例之側面示意圖。
第5圖為具凹面反射式餘弦校正元件之光學頭之側面示意圖。
第6圖為第4圖之光學頭配置管狀反射壁之側面示意圖。
第7圖為第1圖之光學系統應用於照度計之功能方塊圖。
第8圖為第1圖之光學系統應用於光譜儀之功能方塊圖
第9圖為第1圖之光學系統配置快門裝置之功能方塊圖。
L‧‧‧入射光
L'‧‧‧散射光
100‧‧‧光學頭
110‧‧‧反射元件
112‧‧‧光學輸出區
120‧‧‧穿透式餘弦校正元件

Claims (29)

  1. 一種光學頭，用以接收一入射光，該光學頭包含：一穿透式餘弦校正元件，配置於該入射光之一光徑上，該入射光在射入該穿透式餘弦校正元件後被轉換為朗伯場形之一散射光，且不同角度射入該穿透式餘弦校正元件之該入射光對該穿透式餘弦校正元件具有實質上相同之穿透率；以及一反射元件，具有至少一光學輸出區與一反光區，該反射元件朝向該穿透式餘弦校正元件配置，而該穿透式餘弦校正元件對該反射元件遮蔽該入射光，其中部分來自該穿透式餘弦校正元件之該散射光射入該光學輸出區，未射入該光學輸出區之該散射光則射入該反光區，而射入該反光區之該散射光被反射至該穿透式餘弦校正元件及/或反光區之其他部分。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學頭，其中該反射元件具有多個光學輸出區。
  3. 如申請專利範圍第2項之光學頭，其中該反射元件之該些光學輸出區相對於反射元件之中心軸對稱。
  4. 如申請專利範圍第2項之光學頭，其中該些光學輸出區的面積實質上相同。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學頭，其中該反射元件為凹面鏡、具回反射結構之平面鏡、具回反射結構之凹面鏡、具擴散結構之平面元件或具擴散結構之凹面元件其中之一。
  6. 如申請專利範圍第1項之光學頭，更包含一或多個反射器，連接該穿透式餘弦校正元件，朝向該反射元件，上述反射器與該穿透式餘弦校正元件實質上共平面。
  7. 一種光學頭，用以接收一入射光，該光學頭包含：一反射式餘弦校正元件，具有一光學輸出區以及一反光散射區，該反射式餘弦校正元件配置於該入射光之一光徑上；一反射元件，朝向該反射式餘弦校正元件設置，其中該入射光射入該反光散射區，並被該反射式餘弦校正元件轉換為朗伯場形之一散射光，而使不同角度射入該反射式餘弦校正元件之該入射光對該反射式餘弦校正元件具有實質上相同之反射率，該散射光入射該反射元件及/或該反光散射區之其他部分；以及一收光元件，配置於該反射式餘弦校正元件之該光學輸出區處以接收來自該反射元件之該散射光，且該收光元件之收光範圍在可將來自該反射式餘弦校正元件之該散射光反射至該光學輸出區之該部分之該反射元件內。
  8. 如申請專利範圍第7項之光學頭，其中該反射式餘弦校正元件為平面或凹面。
  9. 如申請專利範圍第7項之光學頭，其中該反射元件為凸面鏡、平面鏡、凹面鏡、具擴散結構之平面元件或具擴散結構之凹面元件其中之一。
  10. 如申請專利範圍第7項之光學頭，更包含一管狀反射壁，環繞該反射式餘弦校正元件與該反射元件，且形成一光通道使該入射光通過該光通道射入該反射式餘弦校正元件。
  11. 一種光學系統，用於量測一入射光，該光學系統包含：一光學頭，包含：一穿透式餘弦校正元件，配置於該入射光之一光徑上，並將該入射光轉換為一散射光；以及一反射元件，具有至少一光學輸出區以及一反光區，該反射元件朝向該穿透式餘弦校正元件設置，其中該穿透式餘弦校正元件對該入射光遮蔽該反射元件；以及至少一測光裝置，將來自該光學輸出區之該散射光轉換為電訊號。
  12. 如申請專利範圍第11項之光學系統，其中該反射 元件具有多個光學輸出區。
  13. 如申請專利範圍第12項之光學系統，其中該反射元件之該些光學輸出區相對於反射元件之中心軸對稱。
  14. 如申請專利範圍第12項之光學系統，其中該反射元件之各該些光學輸出區連接至不同之測光裝置。
  15. 如申請專利範圍第14項之光學系統，其中該反射元件之該些光學輸出區與該些測光裝置間透過波導連接。
  16. 如申請專利範圍第11項之光學系統，其中該測光裝置為一感光元件。
  17. 如申請專利範圍第11項之光學系統，其中該測光裝置包含：一分光元件，來自該光學頭之該散射光射入該分光元件，並被該分光元件轉換為一分色光；以及一感光元件，將來自該分光元件之該分色光轉換為一電訊號。
  18. 如申請專利範圍第11項之光學系統，更具有一快門裝置，該快門裝置包含：一快門元件，設置於該光學輸出區與該測光裝置之 間；以及一致動單元，用以控制快門元件，以決定快門元件使散射光通過或遮蔽散射光。
  19. 如申請專利範圍第11項之光學系統，更具有一波導，而該測光裝置與該光學頭間透過該光學輸出區以該波導連接。
  20. 如申請專利範圍第11項之光學系統，其中該光學頭之該反射元件為凹面鏡、具回反射結構之平面鏡、具回反射結構之凹面鏡、具擴散結構之平面元件或具擴散結構之凹面元件其中之一。
  21. 如申請專利範圍第11項之光學系統，更具有一或多個反射器連接該穿透式餘弦校正元件，上述反射器與該穿透式餘弦校正元件實質上共平面。
  22. 一種光學系統，用以量測一入射光，該光學系統包含：一光學頭，包含：一反射式餘弦校正元件，具有一光學輸出區以及一反光散射區，且該反射式餘弦校正元件配置於該入射光之一光徑上；以及一反射元件，朝向該反射式餘弦校正元件配置， 並對該入射光遮蔽該光學輸出區，其中該反射式餘弦校正元件將該入射光轉換為一散射光，且透過該光學輸出區輸出；以及一測光裝置，用以量測來自該光學頭之該散射光。
  23. 如申請專利範圍第22項之光學系統，其中該測光裝置為一感光元件，將來自該光學頭之該散射光轉為一電訊號。
  24. 如申請專利範圍第22項之光學系統，其中該測光裝置包含：一分光元件，來自該光學頭之該散射光射入該分光元件，並被該分光元件轉換為一分色光；以及一感光元件，來自該分光元件之該分色光射入該感光元件，並被該感光元件轉換為一電訊號。
  25. 如申請專利範圍第22項之光學系統，更具有一快門裝置，該快門裝置包含：一快門元件，設置於該光學輸出區與該測光裝置之間；以及一致動單元，用以控制快門元件，以決定快門元件使散射光通過或遮蔽散射光。
  26. 如申請專利範圍第22項之光學系統，其中該測光 裝置與該光學頭間透過該光學輸出區以一波導連接。
  27. 如申請專利範圍第22項之光學系統，其中該光學頭之該反射式餘弦校正元件為平面或凹面。
  28. 如申請專利範圍第22項之光學系統，其中該光學頭之該反射元件為凸面鏡、平面鏡、凹面鏡、具擴散結構之平面元件或具擴散結構之凹面元件其中之一。
  29. 如申請專利範圍第22項之光學系統，其中該光學頭更包含一管狀反射壁，環繞該反射式餘弦校正元件與該反射元件，且形成一光通道使該入射光通過該光通道射入該反射式餘弦校正元件。
TW101138142A 2012-10-16 2012-10-16 用於收光之光學頭及使用其之光學系統 TWI452268B (zh)

Priority Applications (4)

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
CN201310432079.0A CN103728015B (zh) 2012-10-16 2013-09-22 光学头及使用其的光学系统
US14/052,204 US9678251B2 (en) 2012-10-16 2013-10-11 Optical head for receiving light and optical system using the same
US15/592,201 US10114154B2 (en) 2012-10-16 2017-05-11 Optical head for receiving light and optical system using the same

Applications Claiming Priority (1)

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

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201416647A TW201416647A (zh) 2014-05-01
TWI452268B true TWI452268B (zh) 2014-09-11

Family

ID=50452190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
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

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 (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200609554A (en) * 2004-08-04 2006-03-16 Asahi Glass Co Ltd Liquid crystal lens element and optical head
CN201069386Y (zh) * 2007-09-06 2008-06-04 复旦大学 Led光通量测试装置
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
TW201144775A (en) * 2009-11-09 2011-12-16 Nat Univ Tsing Hua Imaging spectrometer
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

Family Cites Families (8)

* 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
KR100754695B1 (ko) * 2006-06-20 2007-09-03 삼성전자주식회사 광송신기 및 이를 이용한 광무선 네트워크
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
TW200912917A (en) * 2007-09-14 2009-03-16 Sunplus Mmedia Inc Optical head with diffuser structure
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

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200609554A (en) * 2004-08-04 2006-03-16 Asahi Glass Co Ltd Liquid crystal lens element and optical head
CN201069386Y (zh) * 2007-09-06 2008-06-04 复旦大学 Led光通量测试装置
TW201144775A (en) * 2009-11-09 2011-12-16 Nat Univ Tsing Hua 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

Also Published As

Publication number Publication date
CN103728015A (zh) 2014-04-16
CN103728015B (zh) 2016-04-20
US9678251B2 (en) 2017-06-13
US20140110569A1 (en) 2014-04-24
US10114154B2 (en) 2018-10-30
US20170307791A1 (en) 2017-10-26
TW201416647A (zh) 2014-05-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106802284B (zh) 一种光纤近红外检测系统
CN203132991U (zh) 无可动部件的多通道角度调制型spr传感器检测系统
US6841792B2 (en) ATR crystal device
US9568365B2 (en) ATR infrared spectrometer
JP2009210457A (ja) 分光偏光計測装置
TWI452268B (zh) 用於收光之光學頭及使用其之光學系統
CN108458787A (zh) 中阶梯光栅型空间外差拉曼光谱仪光路结构
KR101108497B1 (ko) 적외선 가스 센서
JPS61292043A (ja) 分光測色計の光検出プロ−ブ
HU188795B (en) Detecting arrangement for meassuring the intensity of radiation scattering at a given angle from a sample exposed to radiation of given angle of incidence
KR100781968B1 (ko) 광경로 길이를 변경할 수 있는 비분산 적외선 가스 농도측정장치
JP6666881B2 (ja) 物質濃度測定装置
JP7486178B2 (ja) 分光分析装置
CN106979955A (zh) 光学传感器
CN206594055U (zh) 水分测定装置
CN103575230B (zh) 光学无色差聚焦系统
RU219174U1 (ru) Рабочая головка светодиодного спектрометра
US11821836B2 (en) Fully compensated optical gas sensing system and apparatus
CN216116364U (zh) 一种微型光栅光谱仪
US20230384156A1 (en) Systems and methods to redistribute field of view in spectroscopy
US20240077419A1 (en) Diffuse multi-reflection optical device with light re-direction for spectrometer collection
RU2634372C1 (ru) Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционных элементов (варианты)
CN113375798A (zh) 一种微型光栅光谱仪
RU157299U1 (ru) Устройство для регистрации индикатрисы рассеяния излучения от контролируемой поверхности
CN114812396A (zh) 一种光谱共焦测量系统

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees