TWI550323B

TWI550323B - 可調式光譜再合成裝置

Info

Publication number: TWI550323B
Application number: TW104144561A
Authority: TW
Inventors: 張君瑋
Original assignee: 宏明科技有限公司
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2016-09-21
Also published as: TW201723610A

Description

可調式光譜再合成裝置

本發明有關分光裝置，尤指一種使用楔形濾光器的可調式光譜再合成裝置。

檢測不同物體需要不同光譜的光線，但一般的分光裝置只能提供單一種特定頻段的輸出光，所以應用的範圍非常受限。

有些傳統的架構是將不同頻段的多個濾光片設置在轉輪等機械式的切換裝置上，並藉由轉動切換裝置的方式，將適合的特定濾光片移動到特定的位置進行濾光，以提供所需頻段的輸出光。

然而，機械式的切換裝置體積較大且需要較長的切換時間，而且能提供的輸出光頻段數量仍受限於所使用的濾光片特性及個數，導致其應用彈性仍然十分有限。

有鑑於此，如何有效增加輸出光的頻段變化彈性，並更有效地縮短切換頻段所需的時間，實為業界有待解決的問題。

本說明書提供一種可調式光譜再合成裝置的實施例，其包含：一楔形濾光器，包含多個濾光區段，分別用於過濾一入射光以同時產生多道不同頻段的光線；一液晶模組，包含有多個閘控區段，分別用於閘控該楔形濾光器所產生的該多道不同頻段的光線；一驅動電路，耦接於該液晶模組，設置成驅動該液晶模組中的液晶分子；一參數設定電路，設置成依據使用者的控制產生一或多個設置參數；一控制電路，耦接於該驅動電路與該參數設定電路，設置成依據該一或多個設置參數控制該驅動電路分別調整該多個閘控區段，以選擇性地將該多個閘控區段中的一或多個選定閘控區段設置為可透光狀態，並同時將其他閘控區段設置為不可透光狀態，以使該多道不同頻段的光線在同一時間中只有部分頻段的光線得以通過該液晶模組；以及一光路徑調整裝置，設置成調整通過該液晶模組的光線的行進路徑，以合成出光譜成分異於該入射光的一輸出光。

上述實施例的優點之一，是驅動電改變液晶模組中的液晶分子旋轉角度所需的時間很短，因此控制電路可非常迅速地改變光路徑調整裝置的輸出光線的光譜成分。

上述實施例的另一優點，是無需在可調式光譜再合成裝置中設置切換多個濾光片所需的移動部件，故可有效減少可調式光譜再合成裝置體積大小及重量。

本發明的其他優點將藉由以下的說明和圖式進行更詳細的解說。

100、400、500‧‧‧可調式光譜再合成裝置

102‧‧‧入射光

104‧‧‧輸出光

110‧‧‧楔形濾光器

111-117‧‧‧濾光區段

120‧‧‧液晶模組

121-127‧‧‧閘控區段

130‧‧‧驅動電路

140‧‧‧參數設定電路

150‧‧‧控制電路

160‧‧‧光路徑調整裝置

170‧‧‧第一偏振片

180‧‧‧第二偏振片

圖1為本發明一第一實施例的可調式光譜再合成裝置簡化後的分解示意圖。

圖2為圖1中的液晶模組與偏振片組合後的示意圖。

圖3為圖1的可調式光譜再合成裝置產生另一種不同光譜成分的輸出光的示意圖。

圖4為本發明一第二實施例的可調式光譜再合成裝置簡化後的分解示意圖。

圖5為本發明一第三實施例的可調式光譜再合成裝置簡化後的分解示意圖。

以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。

圖1為本發明一第一實施例的可調式光譜再合成裝置(tunable light spectrum resynthesizing device)100簡化後的分解示意圖。可調式光譜再合成裝置100包含一楔形濾光器(wedge filter)110、一液晶模組(liquid crystal module)120、一驅動電路(driver circuit)130、一參數設定電路(parameter setting circuit)140、一控制電路150、一光路徑調整裝置(light path redirecting device)160、一第一偏振片170、以及一第二偏振片180。

在可調式光譜再合成裝置100中，楔形濾光器110包含多個濾光區段(filter section)，分別用於過濾一寬頻段的入射光102以同時產生多道不同頻段的光線。前述寬頻段的入射光102，指的是頻段涵蓋範圍超過300nm寬的光線。實作上，楔形濾光器110可用一線性變化濾光器(linear variable filter)來實現，或者，亦可用一傳統的分光稜鏡來實現。

液晶模組120位於楔形濾光器110的出光方向上，且包含有多個閘控區段(gating section)，分別用於閘控楔形濾光器110所產生的多道不同頻段的光線，亦即，分別用於控制是否讓楔形濾光器110輸出的多道不同頻段的光線通過液晶模組120。

為了方便說明起見，以下假設楔形濾光器110包含濾光區段111-117且液晶模組120包含閘控區段121-127。閘控區段121-127分別用於控制是否讓濾光區段111-117輸出的多道不同頻段的光線通過液晶模組120。

例如，入射光102的頻段可以涵蓋350-850nm的範圍。在一實施例中，濾光區段111只允許入射光102中屬於一第一頻段(例如，350-420nm的頻段)的光譜成分通過，濾光區段112只允許入射光102中屬於一第二頻段(例如，421-490nm的頻段)的光譜成分通過，其餘依此類推。因此，濾光區段117只允許入射光102中屬於一第七頻段(例如，771-850nm的頻段)的光譜成分通過。

閘控區段121用於控制是否讓濾光區段111輸出的第一頻段的光線通過液晶模組120、閘控區段122用於控制是否讓濾光區段112輸出的第二頻段的光線通過液晶模組120，其餘依此類推。因此，閘控區段127用於控制是否讓濾光區段117輸出的第七頻段的光線通過液晶模組120。

請注意，前述的濾光區段111-117可以只是虛擬的分段概念，而不侷限相鄰的兩個濾光區段之間一定要存在實體間隔結構。相仿地，前述的閘控區段121-127也可以只是虛擬的分段概念，而不侷限相鄰的兩個閘控區段之間一定要存在實體間隔結構。

驅動電路130耦接於液晶模組120，設置成驅動液晶模組120中的液晶分子(liquid crystal cell)。參數設定電路140設置成依據使用者的控制，產生一或多個與可調式光譜再合成裝置100的輸出光譜組成成分有關的設置參數。實作上，參數設定電路140可以用各種指令或參數輸入裝置來實現。

控制電路150耦接於驅動電路130與參數設定電路140，設置成依據參數設定電路140產生的一或多個設置參數，控制驅動電路130分別調整液晶模組120中的多個閘控區段121-127，以選擇性地將閘控區段121-127中的一或多個選定閘控區段(selected gating section)設置為可透光狀態，並同時將其他未選定的閘控區段設置為不可透光狀態，以使濾光區段111-117輸出的多道不同頻段的光線，在同一時間中只有部分頻段的光線得以通過液晶模組120。

光路徑調整裝置160位於液晶模組120的出光方向上，並設置成調整通過液晶模組120的光線的行進路徑，以合成出光譜成分異於入射光102的一輸出光104。實作上，光路徑調整裝置160可以用分別連接到多個閘控區段121-127的出光面的多束光纖或多個導光裝置來實現，也可以用設置於液晶模組120的出光面方向上的單一聚光透鏡來實現。

在圖1的實施例中，第一偏振片170位於楔形濾光器110與液晶模組120之間，而第二偏振片180則位於液晶模組120與光路徑調整裝置160之間。第一偏振片170與第二偏振片180兩者的偏振方向與液晶模組120相配合，以共同控制光線是否可輸出到光路徑調整裝置160。

實作上，可以直接將第一偏振片170與第二偏振片180直接設置在液晶模組120的入光面及出光面上，如圖2所示，以減少可調式光譜再合成裝置100的體積。

由前述說明可知，使用者只要利用參數設定電路140調整設置參數，控制電路150便會控制驅動電路130改變各閘控區段121-127中的液晶分子旋轉角度，以個別控制閘控區段121-127是否允許光線通過。

例如，當使用者需要可調式光譜再合成裝置100輸出的光線是由入射光102中屬於第一頻段、第三頻段、及第六頻段的光譜成分所組成時，使用者可利用參數設定電路140設置對應的參數。此時，如圖1所示，控制電路150會控制驅動電路130將分別與入射光102中的第一頻段、第三頻段、及第六頻段的光譜成分相對應的選定閘控區段121、123、及126都設置為可透光狀態，並同時將其他的閘控區段122、124、125、及127設置為不可透光狀態，以使楔形濾光器110輸出的多道不同頻段的光線在同一時間中只有第一頻段、第三頻段、及第六頻段的光譜成分得以通過液晶模組120。

如此一來，光路徑調整裝置160所合成的輸出光104的光譜成分，便會是僅由入射光102中屬於第一頻段、第三頻段、及第六頻段的光譜成分所組成，而不會包含其他頻段的光譜成分。

又例如，當使用者需要可調式光譜再合成裝置100輸出的光線是由入射光102中屬於第三頻段、第四頻段、及第五頻段的光譜成分所組成時，使用者可利用參數設定電路140設置對應的參數。此時，如圖3所示，控制電路150會控制驅動電路130將分別與入射光102中的第三頻段、第四頻段、及第五頻段的光譜成分相對應的選定閘控區段123、124、及125設置為可透光狀態，並同時將其他的閘控區段121、122、126、及127設置為不可透光狀態，以使楔形濾光器110輸出的多道不同頻段的光線在同一時間中只有第三頻段、第四頻段、及第五頻段的光譜成分得以通過液晶模組120。

如此一來，光路徑調整裝置160所合成的輸出光304的光譜成分，便會是僅由入射光102中屬於第三頻段、第四頻段、及第五頻段的光譜成分所組成，而不會包含其他頻段的光譜成分。

由於驅動電路130改變液晶模組120中的液晶分子旋轉角度所需的時間很短(遠少於0.1秒)，因此使用者只要透過參數設定電路140改變設置參數，控制電路150便可非常迅速地改變能通過液晶模組120的光譜成分，進而改變光路徑調整裝置160的輸出光線的光譜成分。

在部分實施例中，控制電路150還可依據參數設定電路140產生的該一或多個設置參數，控制驅動電路130分別設置前述各選定閘控區段(例如，121、123、126)的液晶分子旋轉角度，以分別控制各選定閘控區段的光通量大小。換言之，控制電路150可進一步控制個別選定閘控區段的光通量大小，使不同選定閘控區段的光通量大小有所不同。藉此，可進一步增加可調式光譜再合成裝置100可提供的輸出光線的多樣性與變化態樣。

請特別注意，在前述的楔形濾光器110與液晶模組120之間並未設置有任何擴散片(diffuser sheet)或擴散板(diffuser plate)，否則會干擾到閘控區段121-127所接收到的光線頻段彼此間的區別性，這點與傳統的液晶顯示器會在液晶模組與背光源之間設置使光線均勻化的擴散片或擴散板架構有很大不同。

在前述的實施例中，楔形濾光器110中的濾光區段個數以及液晶模組120中的閘控區段個數，只是一示範性的實施例，而非侷限本發明的實際實施方式。實作上，楔形濾光器110的濾光區段個數以及液晶模組120的閘控區段個數都可增加或減少，還可將液晶模組120的閘控區段個數設置成與楔形濾光器110的濾光區段個數不同。

另外，在前述的實施例中，可調式光譜再合成裝置100同時使用了第一偏振片170與第二偏振片180，但這只是一示範性的實施例，而非侷限本發明的實際架構。

例如，圖4為本發明一第二實施例的可調式光譜再合成裝置400簡化後的分解示意圖。可調式光譜再合成裝置400的架構很類似前述的可調式光譜再合成裝置100，但可調式光譜再合成裝置400中省略了前述的第二偏振片180，以減少所需的元件數量。

又例如，圖5為本發明一第三實施例的可調式光譜再合成裝置500簡化後的分解示意圖。可調式光譜再合成裝置500的架構也很類似前述的可調式光譜再合成裝置100，但可調式光譜再合成裝置500中省略了前述的第一偏振片170，以減少所需的元件數量。

前述有關於可調式光譜再合成裝置100中的其他元件的運作、連接關係、實作方式、以及相關優點的描述，亦適用於可調式光譜再合成裝置400及500中。為了簡潔起見，在此不重複敘述。

由前述說明可知，控制電路150藉由控制驅動電路130改變各閘控區段121-127中的液晶分子旋轉角度的方式，可分別決定閘控區段121-127是否允許濾光區段111-117輸出的不同頻段的光線進入光路徑調整裝置160。由於驅動電路130改變液晶模組120中的液晶分子旋轉角度所需的時間極短，遠少於傳統機械式的切換裝置切換濾光片所需的時間，因此，前述的可調式光譜再合成裝置100、400、或500改變光路徑調整裝置160的輸出光線的光譜成分的速度，遠快於傳統的機械式架構。

另外，由於前述的可調式光譜再合成裝置100、400、或500中無需設置切換多個濾光片所需的移動部件(moving part)，故可有效減少可調式光譜再合成裝置100、400、或500的體積大小及重量。再者，液晶模組120本身具有偏振性，因此利用液晶模組120做為濾光區段111-117輸出的不同頻段光線的閘控裝置，可提供具有偏振效果的輸出光線，更適合某些領域中的應用。

在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。

在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非說明書中特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。

在說明書及申請專利範圍當中所提及的「元件」(element)一詞，包含了構件(component)、層構造(layer)、或區域(region)的概念。

圖式的某些元件的尺寸及相對大小會被加以放大，或者某些元件的形狀會被簡化，以便能更清楚地表達實施例的內容。因此，除非申請人有特別指明，圖式中各元件的形狀、尺寸、相對大小及相對位置等僅是便於說明，而不應被用來限縮本發明的專利範圍。此外，本發明可用許多不同的形式來體現，在解釋本發明時，不應僅侷限於本說明書所提出的實施例態樣。

為了說明上的方便，說明書中可能會使用一些與空間中的相對位置有關的敘述，對圖式中某元件的功能或是該元件與其他元件間的相對空間關係進行描述。例如，「於…上」、「在…上方」、「於…下」、「在…下方」、「高於…」、「低於…」、「向上」、「向下」等等。所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，這些與空間中的相對位置有關的敘述，不僅包含所描述的元件在圖式中的指向關係(orientation)，也包含所描述的元件在使用、運作、或組裝時的各種不同指向關係。例如，若將圖式上下顛倒過來，則原先用「於…上」來描述的元件，就會變成「於…下」。因此，在說明書中所使用的「於…上」的描述方式，解釋上包含了「於…下」以及「於…上」兩種不同的指向關係。同理，在此所使用的「向上」一詞，解釋上包含了「向上」以及「向下」兩種不同的指向關係。

在說明書及申請專利範圍中，若描述第一元件位於第二元件上、在第二元件上方、連接、接合、耦接於第二元件或與第二元件相接，則表示第一元件可直接位在第二元件上、直接連接、直接接合、直接耦接於第二元件，亦可表示第一元件與第二元件間存在其他元件。相對之下，若描述第一元件直接位在第二元件上、直接連接、直接接合、直接耦接、或直接相接於第二元件，則代表第一元件與第二元件間不存在其他元件。

以上僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明請求項所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。

100‧‧‧可調式光譜再合成裝置