TWI445939B - 平板波導傳遞光損耗檢測方法 - Google Patents
平板波導傳遞光損耗檢測方法 Download PDFInfo
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Description
本發明是涉及一種檢測方法，特別是指一種平板波導傳遞光損耗檢測方法。
光學平板波導在現今光電產業為非常重要的光學應用技術，尤其是光電顯示領域，如美國專利US 2005/0084228 A1、US 7325960 B2、US 2009/0316072 A1、US 2011/0069510 A1以及US 2011/0228558 A1等，皆直接表述其重要之處。近年來將光學平板波導運用於光觸媒化工反應器內，作為光化學反應器之驅動元件或光觸媒之載台與光觸媒反應驅動元件。所以光學平板波導之耦光效率與光學平板波導內部光傳遞時之損耗為本技術之重要核心關鍵門檻。
另一方面，近年來環境污染問題日益惡化，而利用光觸媒或光化學方法之汙染物消除，具有極重要之意義與發展潛力。在進行光催化還原反應過程中，通常將光觸媒微粒與反應溶液均勻混合，使懸浮於反應溶液中的光觸媒有效率地進行光催化還原反應。將光觸媒微粒混合入反應溶液中的反應系統，具有高反應效率的優點，但是需要將光觸媒從反應溶液中回收，不僅增加處理過程的
複雜度，同時也增加處理的時間及成本。另外的問題是如何提供讓光觸媒有足夠的受光照面積，以進行具量產式的光催化反應。1977年，Marinangeli與Ollis提出光纖光觸媒反應器的構想，將二氧化鈦光觸媒附著於光纖表面，讓反應物接觸二氧化鈦薄膜的表面，同時讓反應光源在光纖內傳播，使二氧化鈦光觸媒與入射光進行光催化還原反應。如美國公告第5875384號、第5919422號及第6238630號專利之描述，光波導光觸媒雖反應槽體積小且反應效率佳，然而其光波導光觸媒反應器需固定在反應槽內，因此反應物之質傳效率較低。
所以，本發明之發明人在中華民國專利申請案號096107772與美國專利7,927,553號皆揭露了使用「包含可運動適形導光板之光觸媒反應器」以加速光觸媒反應之進行。另一方面，上述技術也必須進一步地應用平板波導作為光化學反應激發或反應強化光之傳遞介面，以消除作用過程中對於所使用光之吸收或散射損耗，達到光化學反應器之最佳化設計。
為此，本發明之發明人提出一種平板波導傳遞光損耗檢測方法，作為光電檢測之重要技術，更可應用於化學工程、環境工程等綠色科技之技術延伸，以解決上述習知技藝之困難與需求。
有鑑於上述習知技藝之各項缺點，本發明之目的就是在提供一種平板波導傳遞光損耗檢測方法。平板波導傳遞光損耗檢測方法可應用於一光觸媒反應器，光觸媒反應器可包含一輸入光產生器、一光耦合器、一平板波導、一光反射裝置以及一光量測裝置，其中平板波導傳遞光損耗檢測方法包含下列步驟：
利用輸入光產生器所產生之一輸入光分別經過光耦合器、光反射裝置或先經過光耦合器再經過光反射裝置，並傳送至光量測裝置，可獲得光耦合器、光反射裝置或光耦合器與光反射裝置之組合之至少一光學參數；以及利用輸入光經過光耦合器，接續進入平板波導，再由平板波導之一側傳遞至光反射裝置以反射至光量測裝置，光量測裝置根據至少一光學參數，可獲得平板波導之一光耗損量；其中光反射裝置可為一環型金屬環，環型金屬環可具有一環型金屬反射面，以使輸入光經過環型金屬反射面後，可實質上完全地反射至光量測裝置。
較佳地，平板波導傳遞光損耗檢測方法更可包含下列步驟：利用輸入光直接照射至光量測裝置以獲得輸入光之一初始參數；以及光量測裝置可根據至少一光學參數及初始參數以獲得平板波導之光耗損量。
較佳地，至少一光學參數可包含一光耦合器光耗損量、一光反射裝置光耗損量或光耦合器光耗損量與光反射裝置光耗損量之組合。
較佳地，光觸媒反應器更可包含一旋轉平面鏡，平板波導傳遞光損耗檢測方法更可包含下列步驟：利用輸入光經過旋轉平面鏡，以反射輸入光至光反射裝置。
較佳地，輸入光產生器可為一氣體燈源、一半導體燈源或一經光學元件調制之燈源。
較佳地，調制燈源用之光學元件可為一穿透式光學元件、一反射式光學元件或一光學傳遞介面波導。
較佳地，光耦合器可為一穿透式光學元件或一反射式光學元件。
較佳地，平板波導可為一光學基板材料、一光化學反應催化材料或承載有光化學反應催化材料之光學基板材料。
較佳地，平板波導可為具有一對稱中心之一圓形或一多邊形。
較佳地，光量測裝置可為半導體量測器、光電倍增管量測器或光譜儀。
承上所述，本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法可作為光電檢測之重要技術，更可應用於化學工程、環境工程等綠色科技之技術延伸。藉由本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法，可直接量測不同平板波導基板之光損耗，以促使平板波導應用於光觸媒或表面電漿增效之相關應用加速發展，具有重要之研究應用及其附加價值。
10‧‧‧輸入光產生器
100‧‧‧輸入光
11‧‧‧光耦合器
12‧‧‧平板波導
13‧‧‧光反射裝置
14‧‧‧光量測裝置
15‧‧‧旋轉平面鏡
16‧‧‧光積分球
17‧‧‧檔板
18‧‧‧環型金屬環
180‧‧‧環型金屬反射面
20‧‧‧光耦合器露出光
21‧‧‧光耦合器側向光
22‧‧‧雜散射光
23‧‧‧平面鏡反射光
24‧‧‧虛擬橢圓
25‧‧‧平板波導輸出光
400、401‧‧‧步驟
第1圖 係為本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法之流程圖。
第2圖 係為本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法之第一操作示意圖。
第3圖 係為本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法之第二操作示意圖。
第4圖 係為本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法之第三操作示意圖。
第5圖 係為本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法之第四操作示意圖。
第6圖 係為本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法之第五操作示意圖。
第7圖 係為本發明之平板波導傳遞損耗檢測方法之第六操作示意圖。
第8圖 係為本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法之光反射裝置之示意圖。
以下將參照相關圖式，說明依本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法之實施例，為使便於理解，下列所述之任一實施例中之相同作用之相同元件係以相同之元件符號標示來說明。
請參閱第1圖，其係為本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法之流程圖。平板波導傳遞光損耗檢測方法可應用於一光觸媒反應器，光觸媒反應器可包含一輸入光產生器、一光耦合器、一平板波導、一光反射裝置以及一光量測裝置。如圖所示，平板波導傳遞光損耗檢測方法包含下列步驟：400：利用輸入光產生器所產生之一輸入光分別經過光耦合器、光反射裝置或先經過光耦合器再經過光反射裝置，並傳送至光量測裝置，可獲得光耦合器、光反射裝置或光耦合器與光反射裝置之組合之至少一光學參數；以及401：利用輸入光經過光耦合器，接續進入平板波導，再由平板波導之一側傳遞至光反射裝置以反射至光量測裝置，光量測裝置根據至少一光學參數，可獲得平板波導之一光耗損量。
換言之，本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法可藉由量測光觸媒反應器之各項元件之至少一光學參數，用以得知光在平板波導中行進時之傳遞耗損量，並可穩定與即時最佳化光觸媒反應器之系統操作。
請一併參閱第2圖至第8圖，其皆係為本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法之操作示意圖。
在第2圖中，輸入光產生器10可將輸入光100未經過任何光學元件，直接照射光量測裝置14。如此，將可獲得輸入光100之初始參數，也就是輸入光100之初始光能量總和。其中，輸入光產生器10可為氣體燈源、半導體燈源或光學元件調制之燈源。此外，燈源之調制用光學元件更可為穿透式光學元件、反射式光學元件或光學傳遞介面波導。
另一方面，使用者更可根據至少一光學參數及初始參數以獲得平板波導之光耗損量。至少一光學參數可包含光耦合器光耗損量、光反射裝置光耗損量或光耦合器光耗損量與光反射裝置光耗損量之組合。以下之示範態樣為便於描述，至少一光學參數將會配合各個相應之光學元件，並分別以光耦合器光耗損量、光反射裝置光耗損量表示。
值得注意的是，使用者可根據所欲得知之輸入光100之任何光學性質而選擇不同種類之光量測裝置14，如：半導體量測器、光電倍增管量測器、光譜儀或其他能將光能量經過序列程序轉變成可數值化與可記錄之光能量總和、旋光方向、相位與偏振等光學參數之元件或設備，但不應以此為侷限。舉例來說，若使用者欲得
知輸入光100之頻譜分布情形，即可使用光譜儀。另，在後述實施例中之示範態樣所描述之任何光源或輸入光100經由任何光學元件所反射、折射或散射所得到之光源，使用者可根據欲得知上述各項光源之至少一光學參數，得以選擇不同種類之光量測裝置14，且不應以此為侷限。
在第3圖中，輸入光產生器10可將輸入光100輸入經過光耦合器11，由於光耦合器11並無法完全使通過光耦合器11的輸入光100作完全之轉向，故會有光耦合器露出光20、光耦合器側向光21以及雜散射光22的產生。然而，光耦合器11本身根據材質或結構設計之不同，其本身亦具有一定程度之光耦合器光耗損量，故可藉由光積分球16配合光量測裝置14以量測輸入光100經過光耦合器11所產生之所有光耦合器露出光20、光耦合器側向光21以及雜散射光22之總和光能量強度。因此，可藉由第2圖所量測之輸入光100之初始光能量總和，以回推獲得光耦合器光耗損量。如此一來，使用者即可藉由此方法檢測並最佳化光耦合器11之結構設計或材質之選用，以達到降低光耦合器11本身之光耦合器光耗損量之功效。值得注意的是，光耦合器可為穿透式光學元件或反射式光學元件。
在第4圖至第6圖中，輸入光產生器10可將輸入光100輸入經過光耦合器11，並使光量測裝置14僅接收光耦合器露出光20，以測量光耦合器露出光20之強度(如第4圖所示)。請再接續參閱第5圖，輸入光產生器10可將輸入光100輸入經過已知反射率之旋轉平面鏡15，旋轉平面鏡可擺設為45度角，藉由此旋轉平面鏡15可讓輸入光100反射轉向成為平面鏡反射光23並進入光反射裝置13，平
面鏡反射光23經由光反射裝置13聚焦及反射後，可將平面鏡反射光23集中至光量測裝置14。因此，於此實施態樣所收集到之光能量總和扣除已知旋轉平面鏡15之反射損耗以及輸入光100之初始光能量總和，將可以獲得輸入光100經過光反射裝置13之光反射裝置光耗損量。
值得注意的是，光反射裝置13可為環型金屬環18，但不以此為侷限。環型金屬環18具有環型金屬反射面180(如第8圖所示)，並環型金屬環18係為虛擬橢圓24之一部分環繞而成，平面鏡反射光23被設置為經過虛擬橢圓24之其中一焦點，並接續環型金屬反射面180反射至虛擬橢圓24之另一焦點，光量測裝置14則被設置於該另一焦點上，以使被反射之光源實質上完全地反射至該光量測裝置。藉由上述環型金屬環18之反射特性，並配合可自體驅動自轉之旋轉平面鏡15，因此可量測整體光反射裝置13(環型金屬環18)之光反射裝置光耗損量。
請再接續參閱第6圖，輸入光產生器10可將輸入光100輸入經過光耦合器11，光耦合器11可使輸入光100轉向產生光耦合器側向光21以及光耦合器露出光20。值得注意的是，更可提供一檔板17將光耦合器露出光20阻擋，僅使光耦合器側向光21經過光反射裝置13聚焦集中至光量測裝置14，以獲得光耦合器側向光21經過光反射裝置13後之光能量強度。
如第7圖所示，輸入光產生器10可將輸入光100輸入經過光耦合器11，光耦合器11可使輸入光100轉向以進入平板波導12，並在平板波導12內進行光傳遞。藉由提供一檔板17可將光耦合器露出光20阻擋，以避免光耦合器露出光20進入光量測裝置14。在平板波
導12內傳遞之光傳遞至平板波導12之邊緣，將耦合輸出成為平板波導輸出光25，平板波導輸出光25再經過光反射裝置13聚焦集中至光量測裝置14，以測量平板波導輸出光25經過光反射裝置13後之光能量強度。
值得注意的是，平板波導輸出光25從平板波導12之邊緣輸出之角度與平板波導12之厚度有關，平板波導12之厚度越大，則輸出之角度越小，反之平板波導12之厚度越小，則輸出之角度越大。其中，平板波導12可為光學基板材料或光化學反應催化材料，平板波導12之形狀更可為具有對稱中心之圓形或多邊形。
另一方面，藉由得知輸入光100之初始光能量總和、光耦合器光耗損量、光反射裝置光耗損量以及平板波導輸出光25之光能量強度，即可推得平板波導之光耗損量。也就是說，藉由本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法，可直接量測不同平板波導基板之光損耗，作為不同來源之平板波導基板之一快速且便利之檢測機制，有利於針對不同平板波導基板之最佳化設計以及應用。
此外，本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法所使用之光學元件可在必要時做適度之變形或添加用於調制光路之必要元件用以完整收集光能量。故未描述之其他必要輔助添加設備不應據以限制本發明之專利範圍。
在另一個實施態樣中，本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法所應用的平板波導，更可依使用者欲應用之範圍而可選擇性地鍍製光化學反應催化材料於平板波導上，因此對於輸入光進入平板波導後之能量吸收或散射耗損，將會決定於平板波導之材料及其所
添加之光化學反應催化材料。
實施例：
以下將會就本發明之應用實施例以更進一步說明本發明之操作方式。
本發明之實施例為圓形平板波導傳遞光損耗檢測法之光學數值模擬結果。此光學數值模擬可以驗證LED光源輸入光藉由光耦合器(例如：二次光學結構)耦光至平板波導之中央必擴散至邊緣輸出。其輸出光即可藉由本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法蒐集至光量測裝置。
其操作方式描述如下：輸入光經由光耦合器之光學耦合後再進入平板波導進行傳遞，當傳遞至平板波導之邊緣時，將會從平板波導之邊緣輸出平板波導輸出光至光反射裝置(如：環形金屬環)，光反射裝置會將平板波導輸出光往環形金屬環之橢圓面焦點集中。在本實施例中，輸入光係使用一般5公厘直徑之商用3瓦250流明光輸出高功率白光LED，平板波導係採用圓形平板波導，其厚度為0.5公厘，使用聚乙烯材質，且中央有15公厘直徑穿孔。環形金屬環之環型金屬反射面長軸為98.4公厘，短軸為50公厘，焦點之間距約為84.8公厘，長軸傾斜角度為45度，其環型金屬反射面之剖面高度為12公厘。此處假設圓形平板波導表面鍍製有反射吸收率為30%之光觸媒膜層。經由數值模擬軟體Apilux optical software之計算，平板波導輸出光可聚焦於環形金屬環之橢圓反射面焦點。
計算LED光源所產生之輸入光經由光耦合器之光學耦合，總亮度
為112流明之光可轉變為進入圓形平板波導之光，由平板波導邊緣輸出之平板波導輸出光量測為46流明，也就是說共有66流明之傳遞光被光觸媒膜層所吸收。由於圓形平板波導傳遞輸入光時，在內部傳遞之光之吸收率是與光觸媒膜層之反射吸收率有關，因此亦可藉由傳遞光之被吸收量66流明反推，獲得光觸媒膜層之光反射吸收率為30%。
綜上所述，本發明之平板波導傳遞光損耗檢測方法係為光電檢測之重要技術，不僅提供檢測各種平板波導應用於光觸媒、表面光化學或表面電漿之技術領域，更可提供使用者進行光電相關研究之各項所需訊息，大大地提昇了光電產業相關領域之研究與發展之速度，直接地增加了其附加之價值。
以上所述僅為示例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
400、401‧‧‧步驟
Claims (10)
- 一種平板波導傳遞光損耗檢測方法，其應用於一光觸媒反應器，該光觸媒反應器包含一輸入光產生器、一光耦合器、一平板波導、一光反射裝置以及一光量測裝置，其中該平板波導傳遞光損耗檢測方法包含下列步驟：利用該輸入光產生器所產生之一輸入光分別經過該光耦合器、該光反射裝置或先經過該光耦合器再經過該光反射裝置，並傳送至該光量測裝置，以獲得該光耦合器、該光反射裝置或該光耦合器與該光反射裝置之組合之至少一光學參數；以及利用該輸入光經過該光耦合器，接續進入該平板波導，再由該平板波導之一側傳遞至該光反射裝置以反射至該光量測裝置，該光量測裝置根據該至少一光學參數，以獲得該平板波導之一光耗損量；其中該光反射裝置係為一環型金屬環，該環型金屬環具有一環型金屬反射面，以使光源經過該環型金屬反射面後，實質上地反射至該光量測裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述之平板波導傳遞光損耗檢測方法，更包含下列步驟：利用該輸入光直接照射至該光量測裝置以獲得該輸入光之一初始參數；以及該光量測裝置根據該至少一光學參數及該初始參數以獲得該平板波導之該光耗損量。
- 如申請專利範圍第1項所述之平板波導傳遞光損耗檢測方法，其中該至少一光學參數包含一光耦合器光耗損量、一光反射裝置光耗損量或該光耦合器光耗損量與該光反射裝置光耗損量之組合。
- 如申請專利範圍第3項所述之平板波導傳遞光損耗檢測方法，該光觸媒反應器更包含一旋轉平面鏡，該平板波導傳遞光損耗檢測方法更包含下列步驟：利用該輸入光經過該旋轉平面鏡，以反射該輸入光至該光反射裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述之平板波導傳遞光損耗檢測方法，其中該輸入光產生器係為一氣體燈源、一半導體燈源或一光學元件調制之燈源。
- 如申請專利範圍第5項所述之平板波導傳遞光損耗檢測方法，其中用以調制該光學元件調制之燈源之一光學元件係為一穿透式光學元件、一反射式光學元件或一光學傳遞介面波導。
- 如申請專利範圍第1項所述之平板波導傳遞光損耗檢測方法，其中該光耦合器係為一穿透式光學元件或一反射式光學元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之平板波導傳遞光損耗檢測方法，其中該平板波導係為一光學基板材料或一光化學反應催化材料。
- 如申請專利範圍第8項所述之平板波導傳遞光損耗檢測方法，其中該平板波導係為具有一對稱中心之一圓形或一多邊形。
- 如申請專利範圍第1項所述之平板波導傳遞光損耗檢測方法，其中該光量測裝置係為半導體量測器、光電倍增管量測器或光譜儀。
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