CN111121651A - 光学测量稳定性控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学测量稳定性控制系统，其包括机壳、循环流场、光学测量系统以及散热流场。机壳具有密闭空间。循环流场位于密闭空间中且适于产生在密闭空间中流动的气流。光学测量系统位于密闭空间中且位于气流的流动路径上。散热流场与机壳连接且位于流动路径的终端。散热流场通过热传导及强制对流将热排出密闭空间。

Description

光学测量稳定性控制系统
技术领域
本发明涉及一种光学系统，且特别是涉及一种光学测量稳定性控制系统。
背景技术
光学测量系统以非接触式测量方式测量物体的表面形貌(高度或深度等资讯)，因此可避免对物体造成破坏。此外，光学测量系统还具有高检测效率、能够进行全尺寸检测以及适用于产线等优点。架设在具有通风孔的机壳中的光学测量系统可有效排热，但其影像品质容易受到灰尘或水等的影响，导致测量结果不利判读。另一方面，架设在密闭机壳中的光学测量系统具有高防尘、防水效果，但因无法有效排出密闭空间中的热，且受产线环境温度变异影响，使得测量结果因温度飘移效应而不稳定。
发明内容
本发明提供一种光学测量稳定性控制系统，其具有提升测量稳定性。
本发明的一种光学测量稳定性控制系统包括机壳、循环流场、光学测量系统以及散热流场。机壳具有密闭空间。循环流场位于密闭空间中且适于产生在密闭空间中流动的气流。光学测量系统位于密闭空间中且位于气流的流动路径上。散热流场与机壳连接且位于流动路径的终端。散热流场通过热传导及强制对流，将热排出密闭空间。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的一实施例的一种光学测量稳定性控制系统的示意图；
图2是图1的光学测量稳定性控制系统中的气流的流动路径的示意图；
图3是可应用于图1的光学测量稳定性控制系统的温度控制系统的方块图。
符号说明
1：光学测量稳定性控制系统
10：机壳
11：循环流场
12：光学测量系统
13：散热流场
33：温度控制系统
100：透光部
101：遮光部
110、1310：主动式散热元件
111、112、113、114、115、116：循环流场流道结构
120：第一光源
121：第二光源
122：影像传感器
123：合光元件
124：聚焦镜组
130：热交换器
131、336：散热模块
330：显示模块
331：输入模块
332：通讯模块
333：微处理器
334：温度感测元件
335：驱动器
337、338：电源供应元件
1300：热传导基材
1301、1311：热交换鳍片
1312：感温装置
AF：气流
B1、B2：光束
F：流场
H：热
O：待测物体
P1：第一部分
P2：第二部分
S：空间
具体实施方式
本文中所提到的方向用语，例如：“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而并非用来限制本发明。在附图中，各附图绘示的是特定实施例中所使用的方法、结构及/或材料的通常性特征。然而，这些附图不应被解释为界定或限制由这些实施例所涵盖的范围或性质。举例来说，为了清楚起见，各膜层、区域及/或结构的相对尺寸、厚度及位置可能缩小或放大。
在本文中，相同或相似的元件将采用相同或相似的标号，且将省略其赘述。此外，不同实施例中的特征在没有冲突的情况下可相互组合，且依本说明书或权利要求所作的简单的等效变化与修饰，都仍属本专利涵盖的范围内。另外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名分立(discrete)的元件或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限，也并非用以限定元件的制造顺序或设置顺序。
图1是依照本发明的一实施例的一种光学测量稳定性控制系统1的示意图。图2是图1的光学测量稳定性控制系统1中的气流AF的流动路径的示意图。
请参照图1及图2，光学测量稳定性控制系统1适于测量待测物体O的表面形貌。举例来说，当待测物体O具有盲孔(未示出)时，光学测量稳定性控制系统1可测量所述盲孔的深度；当待测物体O的表面具有高低起伏时，光学测量稳定性控制系统1可测量所述高低起伏的断差；当待测物体O具有凸出部(未示出)时，光学测量稳定性控制系统1可测量所述凸出部的高度。
光学测量稳定性控制系统1是以非接触式(光学)测量方式测量待测物体O的表面形貌，即无需以探针接触待测物体O即可测量待测物体O的表面形貌。因此，光学测量稳定性控制系统1可避免传统接触式测量方式对于待测物体O造成的破坏。对应地，光学测量稳定性控制系统1可测量任何耐光照射且具有反光特性的物体，而不限于坚硬的物体。
光学测量稳定性控制系统1包括机壳10、循环流场11、光学测量系统12以及散热流场13。机壳10具有适于容置元件的空间S。空间S可以是密闭空间。具体地，机壳10可采用气密设计(无通风孔设计)，即机壳10可不具有让内外气体流通的通风孔。如此，除了可提高防尘、防水的效果之外，还可降低外部环境(例如风或温度)对于机壳10内部环境的影响及干扰。
依据不同的需求，机壳10可包括多种材质的多个部件组装而成。所述多种材质可包括金属、玻璃或塑胶等，但不以此为限。举例来说，机壳10可包括透光部100。透光部100适于让光束(如光束B1以及光束B2)通过，以利表面形貌的测量。此外，机壳10还可包括多个遮光部101。多个遮光部101与透光部100共同围设出空间S。多个遮光部101适于遮蔽光束(如环境光束，未示出)，以避免环境光束干扰测量结果。多个遮光部101可具有由易释放辐射热的材质(深色或表面粗糙的材质)制成的本体，以通过热辐射将热排出密闭空间(空间S)。另一方面，多个遮光部101也可具有由不易吸收辐射热的材质(如玻璃或塑胶等)制成的本体，以避免吸收辐射热。依据不同的需求，透光部100以及多个遮光部101中的每一个的本体的至少一表面上可形成有粗糙化结构、涂层、光学膜、装饰层、其他结构及/或膜层等。
循环流场11位于密闭空间(空间S)中且适于产生在密闭空间中流动的气流AF(参照图2)。举例来说，循环流场11可包括主动式散热元件110以及多通路流道(例如包括循环流场流道结构111至循环流场流道结构116等)。
密闭空间中的气流AF由主动式散热元件110产生。主动式散热元件110适于克服密闭空间(空间S)中的高静压，且能带动足够的流场流速，进而达到热导引的效果。举例来说，主动式散热元件110可包括合成喷流装置、压电喷流装置、微型鼓风机(micro-blower)、微型扇(micro-fan)、微型泵(micro-pump)或其他能够产生气流AF的元件。微型扇可包括轴流扇、离心扇或其他适于架设在密闭空间(空间S)中的风扇。
多通路流道(例如包括循环流场流道结构111至循环流场流道结构116)在密闭空间(空间S)中形成多个流道。这些流道有助于导引气流AF，使气流AF朝规定的流动方向或依照规定的流动路径流动。此外，这些流道位于光束(如光束B1以及光束B2)的传递路径之外，亦即这些流道不位于光束的传递路径上，以避免影响光束的传递或造成光束的偏折或介面反射等。
图2示出循环流场流道结构111至循环流场流道结构116在密闭空间中形成第一流道(如外侧流道，参见由多个粗实线箭头连线所形成的流动路径)以及第二流道(如内侧流道，参见由多个细实线箭头连线所形成的流动路径)，其中气流AF的第一部分P1在第一流道中流动，且气流AF的第二部分P2在第二流道中流动。然而，密闭空间中的循环流场流道结构以及流道各自的数量以及多个流道的布置方式可依需求改变，而不以此为限。
光学测量系统12位于密闭空间中且位于气流AF的流动路径上。举例来说，光学测量系统12可包括第一光源120、第二光源121以及影像传感器122。第一光源120适于输出光束B1，第二光源121适于输出光束B2，且影像传感器122适于接收被待测物体O反射的光束B1以及光束B2。通过第一光源120输出的光束B1以及第二光源121输出的光束B2照射待测物体O，并以影像传感器122接收被待测物体O反射的光束B1以及光束B2，可利用三角测量法计算出待测物体O的表面高度或深度变化。
第一光源120以及第二光源121可包括激光源；对应地，光束B1以及光束B2可为激光光束，但光源的种类不以此为限。此外，影像传感器122可包括互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)元件，但影像传感器122的种类也不以此为限。
第一光源120、第二光源121以及影像传感器122在工作时(开启状态下)会产生热。多通路流道可依照这些热源(包括第一光源120、第二光源121以及影像传感器122)的分布进行设计，使主动式散热元件110所产生的气流AF流经每一个热源并将这些分散的热源所产生的热导向散热流场13，由此使密闭空间达到均热的效果。举例来说，第一光源120可位于第一流道中，且第一光源120工作所产生的热可经由气流AF的第一部分P1导向散热流场13；第二光源121可位于第二流道中，且第二光源121工作所产生的热可经由气流AF的第二部分P2导向散热流场13；影像传感器122可位于第一流道以及第二流道中，且影像传感器122工作所产生的热可经由气流AF的第一部分P1以及第二部分P2导向散热流场13。
依据不同的需求，光学测量系统12可进一步包括其他元件。举例来说，光学测量系统12可进一步包括合光元件123以及聚焦镜组124。合光元件123设置在第一光源120输出的光束B1以及第二光源121输出的光束B2的传递路径上，且合光元件123适于将光束B1以及光束B2合并。举例来说，合光元件123可包括至少一棱镜，但不以此为限。聚焦镜组124设置在被待测物体O反射的光束B1以及光束B2的传递路径上，且聚焦镜组124适于将被待测物体O反射的光束B1以及光束B2汇聚至影像传感器122。举例来说，聚焦镜组124可包括至少一透镜。
散热流场13与机壳10连接且位于流动路径的终端(影像传感器122的后方可视为流动路径的终端)。散热流场13可通过热传导及强制对流将热排出密闭空间(空间S)。具体地，散热流场13可包括热交换器130以及散热模块131。
热交换器130位于密闭空间中且位于流动路径的终端。举例来说，热交换器130可包括热传导基材、散热座、热交换鳍片或上述至少两个的组合。图1及图2示意性绘示出热交换器130包括热传导基材1300以及热交换鳍片1301，但热交换器130的组成不以此为限。
热传导基材1300可固定(例如锁固)于机壳10的侧壁上且包括铝合金基板、铜合金基板、双相流导热基板或双相流导热管，但不以此为限。在另一实施例中，机壳10可具有容置孔(未示出)，且热传导基材1300可嵌于机壳10的容置孔中。在此架构下，热传导基材1300可视为机壳10的部件之一。在一实施例，热交换器130可包括致冷芯片(未示出)，且致冷芯片可嵌于机壳10的容置孔中。在包括致冷芯片的架构下，热交换器130可包括也可不包括热交换鳍片1301。经由多通路流道导引至散热流场13的热H可通过多面积的热交换鳍片1301传导至热传导基材1300(或致冷芯片)。热传导基材1300(或致冷芯片)可将传导至热交换鳍片1301的热H均匀化并利用热传导将热H传导至位于机壳10外部的散热模块131。
散热模块131可包括主动式散热元件、散热座、热交换鳍片、水冷模块、感温装置或上述至少两个的组合。图1及图2示意性绘示出散热模块131包括主动式散热元件1310、热交换鳍片1311以及感温装置1312，但散热模块131的组成不以此为限。
主动式散热元件1310适于提供足够的流场F，以将经由热传导而导引至热交换鳍片1311的热H传递至外部环境。举例来说，主动式散热元件1310可包括合成喷流装置、压电喷流装置、鼓风机、风扇、泵或其他能够产生气流的元件。风扇可包括轴流扇、离心扇或其他合适的风扇。
感温装置1312可包括温度感测元件，以侦测密闭空间(空间S)中的温度。将感温装置1312设置在机壳10的外部可方便感温装置1312的组装以及替换。
在一实施例中，散热模块131可与温度控制系统整合，使密闭空间(空间S)维持恒温。如此，除了有助于维持光学元件的操作特性(如波长、频率、光功率及暗电流等)的一致性之外，还可降低温度飘移所导致的测量误差，并提升测量精度以及测量稳定性。
图3是可应用于图1的光学测量稳定性控制系统1的温度控制系统33的方块图。请参照图3，温度控制系统33可包括显示模块330、输入模块331、通讯模块332、微处理器333、温度感测元件334、驱动器335、散热模块336、电源供应元件337以及电源供应元件338。
显示模块330可显示温度控制指令、受控体(如温度感测元件)的温度以及散热模块336的运转状态(如转速)等。输入模块331与显示模块330耦接，且使用者可通过输入模块331输入控制指令。显示模块330与输入模块331可整合于一电子装置中。所述电子装置可包括桌上型计算机或任何种类的可携式电子装置，如笔记型计算机、平板计算机或手机等。显示模块330可为例如荧幕等，输入模块331可为例如键盘或触控荧幕等。
通讯模块332耦接于输入模块331、显示模块330以及微处理器333。通讯模块332适于将控制指令转换成微处理器333所能接收与发送的信号，并将信号传送至微处理器333。通讯模块332可为无线通讯器或无线网络或蓝牙等等。
微处理器333耦接于通讯模块332、温度感测元件334、驱动器335、散热模块336以及电源供应元件337。微处理器333将来自通讯模块332的信号转换为控制信号并将控制信号传递至驱动器335。散热模块336可为主动式散热器件，例如风扇、泵或致冷芯片等等。
驱动器335耦接于微处理器333以及散热模块336。驱动器335根据控制信号调节散热模块336(如主动式散热元件1310)的输出功率(如转速)且可向微处理器333回授调节信号。
温度感测元件334耦接于微处理器333，且温度感测元件334可向微处理器333回授受控体的温度信号，让微处理器333进行信号分析以及控制信号调节。举例来说，当受控体的温度较高时，可对应提升散热模块336的转速。相反地，当受控体的温度较低时，可对应降低散热模块336的转速。
散热模块336耦接于微处理器333，且散热模块336可向微处理器333回授信号(如转速)。微处理器333可依据散热模块336回授的信号确认散热模块336的运转状态(如转速是否异常)。
电源供应元件337耦接于微处理器333，以提供微处理器333所需的电力。电源供应元件338耦接于散热模块336，以提供散热模块336所需的电力。
利用温度控制系统33，光学测量稳定性控制系统可维持稳定的温度、提升测量精度并大幅降低测量误差。传统的光学测量系统在环境温度变化超过摄氏4度时，会造成12μm的测量误差。相较之下，本发明实施例的光学测量稳定性控制系统在环境温度变化超过摄氏5度时，有2.3μm的测量误差。
综上所述，在本发明的实施例中，光学测量系统设置在密闭空间中，除了可提高防尘、防水的效果之外，还可降低外部环境(例如风或温度)对于机壳内部环境的影响及干扰。此外，光学测量系统工作所产生的热可经由循环流场导引至散热流场，再经由散热流场将热排出密闭空间。因此，本发明的光学测量稳定性控制系统可维持相对小的温度变化，而能够降低温度飘移对于测量结果的负面影响，从而具有提升测量稳定性。在一实施例中，散热模块可与温度控制系统整合，使密闭空间维持恒温。如此，除了有助于维持光学元件的操作特性的一致性之外，还可进一步降低温度飘移所导致的测量误差，并提升测量精度以及测量稳定性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光学测量稳定性控制系统，其特征在于，包括：
机壳，具有密闭空间；
循环流场，位于该密闭空间中且适于产生在该密闭空间中流动的气流；
光学测量系统，位于该密闭空间中且位于该气流的流动路径上；以及
散热流场，与该机壳连接且位于该流动路径的终端，其中该散热流场通过热传导及强制对流将热排出该密闭空间。
2.根据权利要求1所述的光学测量稳定性控制系统，其特征在于，该机壳采用无通风孔设计，且该机壳包括多种材质的多个部件组装而成。
3.根据权利要求1所述的光学测量稳定性控制系统，其特征在于，该循环流场包括主动式散热元件以及多通路流道，该密闭空间中的该气流由该主动式散热元件产生，该多通路流道在该密闭空间中形成第一流道以及第二流道，该气流的第一部分在该第一流道中流动，且该气流的第二部分在该第二流道中流动。
4.根据权利要求3所述的光学测量稳定性控制系统，其特征在于，该主动式散热元件包括合成喷流装置、压电喷流装置、微型鼓风机、微型扇或微型泵。
5.根据权利要求3所述的光学测量稳定性控制系统，其特征在于，该光学测量系统包括第一光源、第二光源以及影像传感器，该第一光源位于该第一流道中，该第二光源位于该第二流道中，且该影像传感器位于该第一流道以及该第二流道中。
6.根据权利要求1所述的光学测量稳定性控制系统，其特征在于，该散热流场包括热交换器以及散热模块。
7.根据权利要求6所述的光学测量稳定性控制系统，其特征在于，该热交换器位于该密闭空间中且位于该流动路径的终端，该热交换器包括热传导基材、散热座、热交换鳍片或上述至少两个的组合。
8.根据权利要求7所述的光学测量稳定性控制系统，其特征在于，该热传导基材固定于该机壳的侧壁上且包括铝合金基板、铜合金基板、双相流导热基板或双相流导热管。
9.根据权利要求6所述的光学测量稳定性控制系统，其特征在于，该热交换器包括致冷芯片，该机壳具有容置孔，且该致冷芯片嵌于该机壳的该容置孔中。
10.根据权利要求6所述的光学测量稳定性控制系统，其特征在于，该散热模块包括主动式散热元件、散热座、热交换鳍片、水冷模块、感温装置或上述至少两个的组合。
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