TWI472893B - 光學控制系統及其方法 - Google Patents

Description

光學控制系統及其方法

本發明係關於光學控制系統及其方法；具體而言，本發明係關於一種能夠控制照射深度並提升效率之光學控制系統及其方法。

隨著科技迅速發展，國人的生活品質亦隨之提升。具體而言，現代人越來越注重外表，使得業者不斷研發許多相關技術。常見的技術不外乎有肌膚檢測、醫療保養、特殊美容治療、雷射醫療，其中尤以雷射醫療最為風行。

顧名思義，雷射醫療係透過雷射光線照射在欲處理之表面以進行各種加工。在習知技術中，不同波長之雷射光線提供不同效果，像是波長落在660nm的光線能夠加速傷口癒合，或波長係為808nm的光線能夠止痛。值得注意的是，不同波長的光線投射在表面上時能進入不同深度的組織，進而處理不同的狀況。然而，傳統式的雷射裝置僅能透過單一波長的雷射光源照射表面，無法同時在表面上進行不同深度之處理。

在實際應用中，調整單一波長的雷射光線之聚焦位置能改變光線照射深度，但這種方法較為費工且費時。再者，即使調整聚焦位置能夠改變深度，卻同時改變了光線的照射範圍，導致產生多餘的光照現象。再者，對於大面積的區域而言，傳統式的雷射裝置產生之光線僅以單點照射表面，需透過移動光線之照射點以完成大面積的掃描，故無法有效率的進行大面積的加工。

具體而言，相較於其他光源，使用雷射光源之光學裝置之優勢在於高能量及高效能。然而，傳統式的雷射裝置無法同時透過不同波長進行不同深度之處理，且無法針對大面積的區域解決費時的問題。

因此，需要一種能改變照射深度並提升效率的光學控制系統及其方法。

有鑑於上述先前技術的問題，本發明提出一種能控制波長並調整照射深度的光學控制系統及其方法。

於一方面，本發明提供一種透過控制模組調整波長之光學控制系統及其方法，以改變照射深度。

於一方面，本發明提供一種能夠照射大面積之光學控制系統及其方法，以提升系統效率。

本發明之一方面在於提供一種光學控制系統，包含光源模組及光路控制模組。光源模組包含複數個光源，該等光源以光源模組之中點為圓心呈環形排列且可選擇性開啟。當光源開啟時，光源射出光線。光路控制模組包含至少一拋物面單元及雙曲面單元，其中每一個拋物面單元具有反射凹面且包圍形成中空區域，雙曲面單元具有對應反射凹面之反射凸面，且反射凸面之中點與中空區域之連接線穿過圓心。光線射至拋物面單元之反射凹面，而反射凹面反射光線至雙曲面單元之反射凸面，反射凸面改變光線之光路並集中射至物體之表面。

值得注意的是，光學控制系統進一步包含控制模組。控制模組輸出複數個控制訊號，光源依照該等控制訊號之光源控制訊號開啟並產生光線。當開啟之光源之數量改變時，光線射入物體之深度改變。

此外，至少一光源進一步具有第一光源及第二光源，其中第一光源及第二光源分別射出具有不同波長之第一光線及第二光線，第一光線及第二光線進入物體之表面時分別具有第一深度及第二深度。

相較於先前技術，根據本發明之光學控制系統及其方法係透過選擇性開啟該等光源，其中該等光源具有相對應之波長，使得光線射至物體之表面能具有不同深度。此外，光學控制系統依照光源控制訊號開啟光源，更能夠改變光源數量，進而控制光線射入物體之深度。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

根據本發明之一具體實施例，提供一種光學控制系統，用以控制照射深度。

請參照圖1，圖1係繪示本發明之光學控制系統之實施例示意圖。如圖1所示，光學控制系統1A包含光源模組10及光路控制模組20。光源模組10包含複數個光源11，該等光源11以光源模組10之中點12為圓心呈環形排列且可選擇性開啟。當光源11開啟時，光源11射出光線100。需說明的是，光源11可以是發光二極體光源、半導體雷射光源、二極體雷射光源、光纖雷射光源、飛梭雷射光源、銣雅鉻雷射光源(Nd：YAG Laser)、鉺雅鉻雷射光源、氣體雷射光源及紅寶石雷射，但不以此為限。

如圖1所示，光路控制模組20包含至少一拋物面單元210及雙曲面單元220，其中每一個拋物面單元210具有反射凹面211且包圍形成中空區域212。具體而言，該等拋物面單元210能夠環形排列並共同包圍形成中空區域212。此外，每一個拋物面單元210呈對稱性排列，且與相鄰之拋物面單元210具有相同或不相同之間距。如圖2A所示，圖2A係繪示拋物面單元之另一實施例示意圖。在此實施例中，拋物面單元210A係呈環形，且反射凹面211係為環形凹面。於另一實施例中，如圖2B所示，該等拋物面單元210B呈環形排列，且拋物面單元210B係與相鄰之拋物面單元210B具有相同之間距。

請參照圖1，雙曲面單元220具有對應反射凹面211之反射凸面221，且反射凸面221之中點與中空區域212之連接線穿過圓心。亦即，反射凸面221之中點與中空區域212之中點串接為一連接線，且該連接線穿過光源模組10之中點12。在此實施例中，反射凹面211較佳為拋物表面，且反射凸面221較佳為雙曲表面。值得注意的是，光線100射至拋物面單元210之反射凹面211，而反射凹面211反射光線100至雙曲面單元220之反射凸面221，反射凸面221改變光線100之光路並集中射至物體2之表面22。

需說明的是，光路控制模組20能夠匯聚該等光源11所射出之光線100，並使光線100能夠集中而以單點照射於表面22上。也就是說，光路控制模組20分別透過拋物面單元210及雙曲面單元220之拋物面及雙曲面特性，能將照射於反射凹面211之光線100全數反射至反射凸面221，進而將光線100集中射至表面22。

此外，光學控制系統1A進一步包含控制模組30。如圖1所示，控制模組30連接至光源模組10並輸出複數個控制訊號，光源11依照該等控制訊號之光源控制訊號開啟並產生光線100。當開啟之光源11之數量改變時，光線100射入物體2之深度亦隨之改變。舉例而言，當開啟之光源11之數量增加，光線100之能量增加，則光線100射入物體2之深度就會越深；反之，開啟之光源11之數量減少，光線100之能量減少，則光線100射入物體2之深度就會變淺。

請參照圖3，圖3係繪示本發明之光源模組之實施例示意圖。如圖3所示，光源模組10包含該等光源11，且每一個光源11具有相同波長並以光源模組10之中點12為圓心呈環形排列。需說明的是，該等光源11係以中點12為中心呈對稱型排列。也就是說，圖3所示之該等光源11射出光線100至光學控制模組20時，因反射凹面211的形狀係為環形，且呈環形排列的該等光源11面對反射凹面211，所以反射凹面211能反射光源11射出之光線100。

在此實施例中，光學控制系統1A透過具有相同波長的光源11之光線100，並藉由控制模組30改變開啟之光源11之數量，即能改變光線100射入物體2之深度，以達到有效控制深度之目的。

請參照圖4，圖4係繪示本發明之光源模組之另一實施例示意圖。如圖4所示，至少一光源11進一步具有第一光源110及第二光源120，其中第一光源110及第二光源120分別射出具有不同波長之第一光線及第二光線，第一光線及第二光線進入物體之表面時分別具有第一深度及第二深度。此外，光源模組10之第一光源110及第二光源120係為對稱排列。在實際應用中，光學控制系統1A不但能夠透過改變該等光源11之數量以調整深度，更能夠透過利用不同波長的光源11，使得相對應之光線100能在表面22上射入不同深度。

在其他實施例中，光源模組10更進一步具有不同波長之光源11，使得相對應之光線100照射於物體2時能有更多不同之深度，以達到本發明之目的。在實際應用中，物體2係為人體皮膚。使用波長為1540nm之光源11，其光線100射入皮膚之深度係為1mm。而使用波長為1200nm至1800nm之光源11，其光線100射入皮膚之深度係為3mm。此外，使用銣雅鉻雷射光源為光源11的話，其波長為1064nm，其光線100射入皮膚之深度可達5至10mm。

請參照圖5，圖5係繪示本發明之光學控制系統之另一實施例示意圖。如圖5所示，相較於光學控制系統1A，光學控制系統1B進一步包含分光模組40，其中分光模組40具有至少一分光單元410及至少一第一反射單元420。

分光單元410係為平面透鏡並與入射之光線100具有角度101，其中角度101係為分光單元410之法線與光路控制模組20射出光線100之平均方向之夾角，且角度101較佳為45度。如圖5所示，光路控制模組20射出光線100之平均方向係為第一方向71。需說明的是，光線100自光路控制模組20射出並以第一方向71進入分光單元410，分光單元410允許部分光線100穿透並反射其餘光線100，其中穿透之光線100沿著第一方向71行進並入射於物體2，且反射之光線100沿著第二方向72行進，其中第二方向72係垂直於第一方向71。

如圖5所示，至少一第一反射單元420係為平面反射鏡並與入射之光線100具有角度102，設置相鄰於分光單元410，其中角度102係為第一反射單元420之法線與光路控制模組20射出光線100之平均方向之夾角，且角度102較佳為45度。當光線100以第二方向72射至第一反射單元420時，第一反射單元420反射光線100並改變光線100之行進方向為第三方向73，使得光線100以第三方向73入射於物體2。需說明的是，第三方向73係垂直於第二方向72。

在此實施例中，相較於光學控制系統1A，光學控制系統1B係透過分光單元410及第一反射單元420，使得光線100能夠同時在物體2之不同區域進行加工，進而提升效率。

請參照圖6，圖6係繪示本發明之光學控制系統之實施例示意圖。如圖6所示，光學控制系統1C進一步包含掃描模組50。掃描模組50具有第二反射單元510及第三反射單元520，且第二反射單元510及第三反射單元520分別以第二反射單元510及第三反射單元520之中線為軸心進行旋轉以改變自光路控制模組20射出之光線100之行進方向至物體2之表面22中之不同區域。

具體而言，第二反射單元510係以中線511對準第二耦接器512之軸心。在實際情況中，中線511為第二反射單元510及第二耦接器512之旋轉軸心並垂直於第一方向71。值得注意的是，光線100於第二反射單元510進行反射，使得光線100之行進方向由第一方向71變為第二方向72。在實際應用中，第二耦接器512以中線511為軸心進行旋轉，以使第二反射單元510以中線511為軸心旋轉並改變自光路控制模組20射出之光線100之行進方向。亦即，當光線100自第二反射單元510反射時，由於第二反射單元510依照中線511旋轉，使得第二方向72於垂直中線511之平面進行擺動。

如圖6所示，第三反射單元520係以中線521對準第三耦接器522之軸心。在實際情況中，中線521為第三反射單元520及第三耦接器522之旋轉軸心並平行於第一方向71。值得注意的是，當光線100於第三反射單元520進行反射，使得光線100之行進方向由第二方向72變為第四方向74。於實際應用中，第三耦接器522以中線521為軸心進行旋轉，使得第三反射單元520以中線521為軸心旋轉並改變自第二反射單元510反射之光線100之行進方向。亦即，當光線100自第三反射單元520反射時，由於第三反射單元520依照中線521旋轉，使得第四方向74於垂直中線521之平面進行擺動。

在此實施例中，物體2之表面22具有第一參考線81及垂直於第一參考線81之第二參考線82。需說明的是，第一參考線81平行於第一方向71，而第二參考線82垂直於第一方向71。在實際情況中，當第二反射單元510進行旋轉時，光線100沿著平行第一參考線81之方向於表面22上形成至少一第一照射軌跡811。相對地，當第三反射單元520進行旋轉時，光線100沿著平行第二參考線82之方向於表面22上形成至少一第二照射軌跡821。

相較於光學控制系統1A，光學控制系統1C係透過第二反射單元510及第三反射單元520進行旋轉，使得光線100能夠在表面2進行二維之照射。

需說明的是，在其他實施例中，本發明不僅能透過具有不同波長之光線100以控制照射於表面22之深度，更能夠藉由光路控制模組20之移動以達到相同目的。具體而言，光路控制模組20係沿著平行於光線100自光源11射出之方向進行順向或逆向之移動，其中該方向係為第一方向71，且該等光線100能依照光路控制模組20之移動以調整於表面22照射之集中程度，進而達到控制照射深度之目的。值得注意的是，本發明不僅能夠單獨使用圖1、圖5或圖未示之實施例所載明之技術特徵達到改變照射深度之功效，也能夠依照實際需求組合上述實施例之特徵來完成目的，並無特定之限制。

請參照圖7，圖7係繪示本發明之光學控制方法之流程圖。如圖7所示，光學控制方法包括：步驟1001，選擇性開啟至少一光源以產生光線；步驟1003，以光路控制模組接收光線；步驟1005，藉光線射至拋物面單元之反射凹面以反射光線至雙曲面單元之反射凸面，透過反射凸面改變光線之光路並集中射至物體之表面。亦即，藉由選擇性開啟所需光源並利用光路控制模組之拋物面單元及雙曲面單元之光學設計，以達到調整照射深度之功效。

請參照圖8，圖8係繪示本發明之光學控制方法之流程圖。除上述步驟外，如圖8所示，光學控制方法更包括：步驟1001A，選擇性開啟至少一光源以產生光線，並依照光源控制訊號開啟光源；步驟1002A，改變光源之開啟數量以調整改變光源射出第一光線進入物體之深度。換句話說，圖8所示之該等步驟能夠藉由控制光源之開啟數量以達到控制深度之功效。換句話說，當開啟之光源之數量增加，光線之能量增加，則光線射入物體2之深度就會越深；反之，開啟之光源之數量減少，光線之能量減少，則光線射入物體之深度就會變淺。

請參照圖9，圖9係繪示本發明之光學控制方法之流程圖。除圖7所示之步驟外，如圖9所示，光學控制方法更包括：步驟1002B，開啟第一光源及第二光源以分別射出第一光線及第二光線，且以第一光線及第二光線進入物體之表面時分別具有第一深度及第二深度。在實際應用中，具有不同波長之光源所產生之光線能夠對應不同之深度。因此，光學控制方法能夠依照實際需求配合所需光源，進而達到調整深度之功效。

請參照圖10，圖10係繪示本發明之分光方法之流程圖。除圖7所示之步驟外，如圖10所示，分光方法包含：步驟1900，射出光線並以第一方向進入分光單元；步驟1910，於分光單元允許部份光線穿透；步驟1911，沿著第一方向行進並藉光線入射於物體；步驟1920，於分光單元反射其餘光線，且其餘光線沿著第二方向行進；以及步驟1921，藉光線射至第一反射單元以改變光線之行進方向為第三方向並入射於物體。在實際情況中，圖10所示之步驟能夠使光線同時在不同區域進行照射，具體改善以往僅能同時照射單點之問題，透過多點照射以提升效率。

請參照圖11，圖11係繪示本發明之掃描方法之流程圖。除圖7所示之步驟外，如圖11所示，掃描方法包括：步驟1930，射出光線至第二反射單元；以及步驟1931，分別旋轉第二反射單元及第三反射單元並改變光線之行進方向以射出光線至物體之表面中之不同區域。亦即，該掃瞄方法能夠透過第二反射單元及第三反射單元之旋轉，進而光線能在表面上進行二維掃描，進而達到掃描較大區域之功效。

請參照圖12，圖10係繪示本發明之光學控制方法之流程圖。除圖7所示之步驟外，如圖10所示，光學控制方法進一步包括：步驟1940，沿著平行於光線自光源射出之相同方向移動光路控制模組；以及步驟1950，沿著平行於光線自光源射出之相反方向移動光路控制模組。需說明的是，圖12所示之步驟透過移動光路控制模組，同樣能達到調整深度之功效。

在實際應用中，本發明依照實際需求利用圖7、圖8、圖9及圖12之任一光學控制方法以改變光線在表面上照射之深度，或是利用上述光學控制方法之任意組合以完成目的，並無特定之限制。

相較於先前技術，根據本發明之光學控制系統及其方法係透過選擇性開啟該等光源11，其中該等光源11具有相對應之波長，使得光線100射至物體2之表面22能具有不同深度。也就是說，當該等光源11具有相同之波長時，光學控制系統能夠依照光源控制訊號開啟光源11，透過改變光源11數量以控制光線100射入物體2之深度。相對地，當該等光源11分別具有不同之波長時，光學控制系統能夠依照光源控制訊號控制該等光源11之開啟，同樣能達到控制深度之目的。此外，透過分光模組40及掃描模組50，光學控制系統進一步於表面2進行不同區域之照射，且提供二維掃瞄之功能，進而達到提升效率之目的。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1A、1B、1C‧‧‧光學控制系統

10‧‧‧光源模組

20‧‧‧光路控制模組

30‧‧‧控制模組

40‧‧‧分光模組

50‧‧‧掃描模組

60‧‧‧偵測模組

71‧‧‧第一方向

72‧‧‧第二方向

73‧‧‧第三方向

74‧‧‧第四方向

81‧‧‧第一參考線

82‧‧‧第二參考線

811‧‧‧第一照射軌跡

821‧‧‧第二照射軌跡

11‧‧‧光源

12‧‧‧中點

100‧‧‧光線

101、102‧‧‧角度

110‧‧‧第一光源

120‧‧‧第二光源

210‧‧‧拋物面單元

211‧‧‧反射凹面

212‧‧‧中空區域

220‧‧‧雙曲面單元

221‧‧‧反射凸面

410‧‧‧分光單元

420‧‧‧第一反射單元

510‧‧‧第二反射單元

511‧‧‧中線

512‧‧‧第二耦接器

520‧‧‧第三反射單元

521‧‧‧中線

522‧‧‧第三耦接器

2‧‧‧物體

22‧‧‧表面

210A、210B‧‧‧拋物面單元

圖1係繪示本發明之光學控制系統之實施例示意圖；

圖2A係繪示拋物面單元之另一實施例示意圖

圖2B係繪示拋物面單元之另一實施例示意圖

圖3係繪示本發明之光源模組之實施例示意圖；

圖4係繪示本發明之光源模組之另一實施例示意圖；

圖5係繪示本發明之光學控制系統之另一實施例示意圖；

圖6係繪示本發明之光學控制系統之另一實施例示意圖；

圖7係繪示本發明之光學控制方法之流程圖；

圖8係繪示本發明之光學控制方法之流程圖；

圖9係繪示本發明之光學控制方法之流程圖；

圖10係繪示本發明之分光方法之流程圖；

圖11係繪示本發明之掃描方法之流程圖；以及

圖12係繪示本發明之光學控制方法之流程圖。

1A．．．光學控制系統

2．．．物體

10．．．光源模組

20．．．光路控制模組

30．．．控制模組

11．．．光源

12．．．中點

22．．．表面

100．．．光線

210．．．拋物面單元

211．．．反射凹面

212．．．中空區域

220．．．雙曲面單元

221．．．反射凸面

Claims (15)

1. 一種光學控制系統，包含：一光源模組，包含複數個光源，該等光源以該光源模組之中點為一圓心呈環形排列且可選擇性開啟，當該光源開啟時，該光源射出一光線；以及一光路控制模組，包含至少一拋物面單元及一雙曲面單元，其中每一個拋物面單元具有一反射凹面，且該至少一拋物面單元包圍形成一中空區域，該雙曲面單元具有對應該反射凹面之一反射凸面，且該反射凸面之中點與該中空區域之連接線穿過該圓心；其中該光線射至該拋物面單元之該反射凹面，該反射凹面反射該光線至該雙曲面單元之該反射凸面，該反射凸面改變該光線之光路並集中射至一物體之一表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學控制系統，進一步包含：一控制模組，輸出複數個控制訊號，該光源依照該等控制訊號之一光源控制訊號開啟並產生該光線，當開啟之該光源之數量改變時，該光線射入該物體之深度改變。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學控制系統，其中該反射凹面係為環形凹面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學控制系統，其中該至少一光源進一步具有一第一光源及一第二光源，該第一光源及該第二光源分別射出具有不同波長之一第一光線及一第二光線，該第一光線及該第二光線進入該物體之該表面時分別具有一第一深度及一第二深度。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光學控制系統，其中該光源模組之該第一光源及該第二光源係為對稱排列。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學控制系統，進一步包含一分光模組，該分光模組具有：至少一分光單元，係為平面透鏡並與入射之光線具有角度，該光線自該光路控制模組射出並以一第一方向進入該分光單元，該分光單元允許部分該光線穿透並反射其餘該光線，其中穿透之該光線沿著該第一方向行進並入射於該物體，且反射之該光線沿著一第二方向行進；以及至少一第一反射單元，係為平面反射鏡並與入射之光線具有角度，設置相鄰於該分光單元，當該光線以該第二方向射至該第一反射單元時，該第一反射單元反射該光線並改變該光線之行進方向為一第三方向，使得該光線以該第三方向入射於該物體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學控制系統，進一步包含：一掃描模組，具有一第二反射單元及一第三反射單元，且該第二反射單元及第三反射單元分別以該第二反射單元及該第三反射單元之中線為軸心進行旋轉以改變自該光路控制模組射出之該光線之行進方向至該物體之該表面中之不同區域。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學控制系統，其中該光路控制模組係沿著平行於該光線自該光源射出之方向進行順向或逆向之移動。
9. 一種光學控制方法，用以控制如申請專利範圍第1至8項其中之一所述之光學控制系統，包含下列步驟：(a)　選擇性開啟該至少一光源以產生該光線；(b)　以該光路控制模組接收該光線；以及(c)　藉該光線射至該拋物面單元之該反射凹面以反射該光線至該雙曲面單元之該反射凸面，透過該反射凸面改變該光線之光路並集中射至該物體之該表面。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光學控制方法，其中步驟(a)進一步包含：依照該光源控制訊號開啟該光源；以及改變該光源之開啟數量以調整改變該光源射出該第一光線進入該物體之該深度。
11. 如申請專利範圍第9項所述之光學控制方法，進一步包含：開啟該第一光源及該第二光源以分別射出該第一光線及該第二光線，且以該第一光線及該第二光線進入該物體之該表面時分別具有該第一深度及該第二深度。
12. 如申請專利範圍第9項所述之光學控制方法，進一步包含：射出該光線並以該第一方向進入該分光單元；於該分光單元允許部份該光線穿透；以及沿著該第一方向行進並藉該光線入射於該物體。
13. 如申請專利範圍第12項所述之光學控制方法，進一步包含：於該分光單元反射其餘該光線，且其餘該光線沿著該第二方向行進；以及藉該光線射至該第一反射單元以改變該光線之行進方向為該第三方向並入射於該物體。
14. 如申請專利範圍第9項所述之光學控制方法，進一步包含：射出該光線至該第二反射單元及第三反射單元；以及分別旋轉該第二反射單元及第三反射單元並改變該光線之行進方向以射出該光線至該物體之該表面中之不同區域。
15. 如申請專利範圍第9項所述之光學控制方法，進一步包含：沿著平行於該光線自該光源射出之相同方向移動該光路控制模組；以及沿著平行於該光線自該光源射出之相反方向移動該光路控制模組。