CN100451614C - 光谱影像测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种具有空间解析能力及光谱解析能力的光谱影像测量装置。该光谱影像测量装置包含一用以收集来自一样品的光能量的像方远心镜、一设置于该像方远心镜后的光狭缝、一用以准直来自该光狭缝的光束的非球面镜、一可将该光束的不同波长色散成不同出射角度子光束的波长色散组件、一用以聚焦该子光束的消色差镜、一用以检测该子光束的强度的光检测组件。该波长色散组件可为一穿透式或反射式的绕射光栅，而该光检测组件可为一二维数组光检测器。

Description

光谱影像测量装置
技术领域
本发明是关于一种光谱影像测量装置，特别是关于一种具有空间解析能力及光谱解析能力的光谱影像测量装置。
背景技术
一般的光学影像技术只能测量物体上各点的空间信息(即物体的影像)，并无法获得光谱信息，而必须再藉助光谱影像测量技术才能同时获得物体的空间及光谱信息。亦即，在原本的光学影像系统中，必须再加入分光组件才可获得光谱信息。
在已知的光谱影像测量技术中，点扫描(point scanning)因需将探头或样品做二维移动，测量时间较长且数据需逐点组合，影像易失真；区域影像撷取(global imaging)因使用滤光片等分光组件，波长分辨率受到限制。因此，前述二种方法并不适于用在大面积样品上进行快速且高空间/光谱解析的测量。特而言之，在大面积样品上进行快速且高空间/光谱解析的测量，必须以线扫描(line scanning)的方式来实现。因为线扫描仅需做单一方向移动即可测量样品的光谱影像，具有测量速度上的优越性，且易于进行影像映像(mapping)，因而影像不易失真。再者，由于使用光色散(dispersion)组件，光谱分辨率较高。
然，已知具有线形视野(field of view，FOV)的光谱影像测量装置，因视野内各物点光经过装置内部的透镜、反射镜及色散组件后会引起的很大的像差，例如球差(spherical aberration)、慧差(coma aberration)、色差(chromaticaberration)等，在二维检测器上的成像光点会有严重的扩大及变形现象，导致邻近成像光点间彼此重叠而无法分辨，因此其空间分辨率及光谱分辨率均受限制而无法提高。由此可知，在发展光谱机器视觉(spectral machine vision)时，产业上迫切需要一种能提高分辨率的新设计。
图1是一已知的光谱影像测量装置10。该光谱影像测量装置10是利用一光收集器30，将一样品12的视野内Y轴上各点发出的光能量14，穿透一光狭缝16导引至一球面镜(spherical lens)18。该光能量14由一球面镜18准直后再入射一绕射光栅(diffraction grating)20，以将不同波长色散成不同出射角的子光束22。之后，再利用一聚焦镜24将该子光束22聚焦于一电荷耦合传感器(Charge Couple Device，CCD)26上，以同时撷取该样品12的空间及光谱信息。图中狭缝16的开口长轴平行y轴，短轴平行x轴。
图2(a)是一已知的光收集器30的示意图，其是使用一多芯光纤(multi-track fiber)40，其利用光纤42靠近样品12进行测量。多芯光纤40插于数值口径匹配器(F-number matcher)43之中，藉由反射镜44及凹面反射镜45的会聚，使得三条光纤42中的光能量能在该光狭缝16处，呈现如图2(b)的三个光点影像46。惟，该样品12上的可分析视野的大小与空间分辨率是取决于该多芯光纤40内含的光纤42的排列方式、光纤直径大小以及光纤数量。因此可利用测量的信道(channel)极有限，图2的通度数仅为3。此外，进行测量时该多芯光纤40必须相当靠近该样品12才能收集来自该样品12的光能量14，造成测量困难。因此，此一设计主要是应用于光谱影像分辨率要求较低的实验性质的光谱影像测量。
图3是另一已知的光收集器30的作用示意图，其是使用一成像镜(imaginglens)50。该成像镜50将该光能量14先收集到该光狭缝16上，再经由一球面镜(spherical lens)54将该光能量14导引至一光栅56上。该光狭缝16的宽度及该电荷耦合传感器26的尺寸，决定了该样品12上的可分析视野的大小。惟，由于该样品12的离轴(off-axis)光束经由该成像镜50入射至该光狭缝16时，主光线(principle ray)与光轴58形成一夹角θ1(即与光轴58不平行)，造成该离轴光束在经过该球面镜54之后仍存有很大的不准直性，无法满足准直光入射至该光栅56的要求，因而降低了在电荷耦合传感器26上呈现的光谱分辨率。此外，此一不准直性亦会造成额外的像差，更降低了该电荷耦合传感器26上呈现的空间分辨率。因此可利用测量的信道，受制于光谱/空间分辨率而无法提高。由此可知，此一设计只能应用在低解析度要求的比对上，并无法产生真正高空间/光谱解析的光谱影像。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有空间解析能力及光谱解析能力的光谱影像测量装置。
为达到上述目的，本发明揭示一种具有空间解析能力及光谱解析能力的光谱影像测量装置。该光谱影像测量装置包含一用以收集来自一样品的光能量的像方远心镜、一用以准直来自该像方远心镜的光束的非球面镜、一设置于该像方远心镜与该非球面镜间的光狭缝、一可将该光束不同波长色散成的不同出射角度子光束的波长分离色散组件、一用以检测该子光束的强度的光检测组件以及一设置于该波长色散组件与该光检测组件间的消色差镜。该波长色散组件可为一绕射光栅，而该光检测组件可为一电荷耦合传感器。此外，该光检测组件亦可由若干个以二维数组方式排列的光检测器构成。
与已知技艺相比，本发明由于使用该像方远心镜及该非球面准直镜，在该样品的视野内不论来自正轴(on-axis)或离轴的光能量均可近似准直入射至该波长色散组件。再者，本发明在该波长色散组件与该光检测组件的间设置一消色差镜，其可降低色差所造成的成像点位置差异。此两种方法降低了整个系统的像差，使样品正轴或离轴的不同波长光能量，在该光检测组件上所形成的成像光点扩散程度缩小。由此可知，本发明可同时缩小光谱分辨率及空间分辨率数值，而使可利用测量的信道数目大幅度提高，因而适宜作为一高密度信道的光谱影像测量装置。
附图说明
图1是一已知的光谱影像测量装置；
图2(a)及图2(b)是一已知的光收集器的示意图；
图3是另一已知的光收集器的作用示意图；
图4示例本发明第一实施例的光谱影像测量装置；
图5是本发明所用非球面镜的作用示意图；
图6是本发明所用消色差镜的作用示意图；
图7是本发明第一实施例的光谱影像测量装置的成像点图；
图8示例本发明第二实施例的光谱影像测量装置。
图中主要组件符号说明：
  10光谱影像测量装置   12样品
  14光能量   16光狭缝
  18球面镜   20绕射光栅
  22子光束   24聚焦镜
  26电荷耦合传感器   30光收集器
  40多芯光纤   42光纤
  43数值口径匹配器   44反射镜
  45凹面聚焦镜   46光点影像
  50成像镜   54球面镜
  56光栅   58光轴
  100光谱影像测量装置   101线型视野
  102样品   104光能量
  110像方远心镜   112光轴
  120非球面镜   130光狭缝
  140波长色散组件   150光检测组件
  160消色差镜   162、164、166子光束
  170二维数组检测器平面   172二维数组检测器平面
  180正轴光   182正轴光的主光线
  190离轴光   192离轴光的主光线
  200光谱影像测量装置   220反射式非球面镜
  240反射式绕射光栅   260反射镜
具体实施方式
图4示例本发明第一实施例的光谱影像测量装置100。该光谱影像测量装置100包含一用以收集来自一样品102的光能量104的像方远心镜110、一设置于该像方远心镜110后的光狭缝130、一用以准直来自该光狭缝130的光束的非球面镜120、一可将该光束的不同波长色散成不同出射角度子光束的波长色散组件140、一用以聚焦该子光束的消色差镜160、一用以检测该子光束光的强度的光检测组件150。
该波长色散组件140可为一穿透式绕射光栅(diffraction grating)，而该光检测组件150可为一电荷耦合传感器或二维数组检测器。亦即，该光检测组件150亦可由若干个以二维数组方式排列的光检测器构成。图4中x轴即色散轴，该波长色散组件140将该光能量104在此x轴方向色散开来。该样品102上的线型视野101是取决于该光狭缝130的开口大小及该光谱影像测量装置100的放大率。
该光能量104包含一正轴光180及若干个离轴光190。该正轴光180的主光线182是重合于该光谱影像测量装置100的光轴112。该离轴光190是藉由该像方远心镜110先将其主光线192转变为平行于该光轴112后再入射至该光狭缝130。之后，即可轻易地藉由该非球面镜120将该离轴光190修正成近似准直光(即修正各光线彼此近似平行)后再入射至该波长色散组件140，如图5所示。同理，该非球面镜120亦将该正轴光180修正成近似准直光后再入射至该波长色散组件140。
图6是本发明的消色差镜160的作用示意图。如图6所示，三束不同波长的子光束162、164及166(例如：400纳米、600纳米及800纳米)聚焦于其后方的不同位置上。由于色差的影响，子光束162、164及166的成像点有位置差Δd。如果该光检测组件150的表面是位于平面170上，则子光束162、164及166在该光检测组件150上会形成三个不同大小的成像点，其大小次序为子光束166＞子光束164＞子光束162。为了使子光束162、164及166在该光检测组件150上形成的成像点的差异最小，必须旋转该光检测组件150一旋转角θ2以将其表面移动至平面172。惟，旋转该光检测组件150增加了安装该光谱影像测量装置100的光学组件的困难度。本发明在该非球面镜120与该光检测组件150之间设置该消色差镜160，其可降低色差所造成的成像点位置差Δd，使得不同波长的子光束162、164及166在该光检测组件150上可形成大小相近的成像点。
简言之，本发明是藉由该像方远心镜110平行来自该样品102的光能量104，并藉由该非球面镜120准直来自该像方远心镜的光束4。该像方远心镜110将该离轴光190的主光线192转变为平行于该正轴光180的主光线182。该非球面镜120将该正轴光180的所有光线转变为平行于其主光线182，且将该偏轴光190的所有光线转变为平行于其主光线192。
图7是本发明第一实施例的光谱影像测量装置100的成像点图。如图7所示，本发明的光谱影像测量装置100藉由该像方远心镜110及该非球面准直镜120，在该样品102的线型视野101内，不论来自正轴或离轴的光能量104均可近似准直入射至该绕射光栅140。再者，该消色差镜160可降低色差所造成的位置差异。因此物方线视野101内不论来自正轴或离轴的不同波长子光束，在该光检测组件150上均有很小的成像光点。
图8示例本发明第二实施例的光谱影像测量装置200。相较于图4所示采用穿透式结构的光谱影像测量装置100，图8的光谱影像测量装置200是采用反射式架构。特而言之，该光谱影像测量装置200使用一反射式非球面镜220、一反射式绕射光栅240以及一反射镜260。
相比已知技艺，本发明可同时缩小光谱分辨率及空间分辨率数值，因而可成为一高密度信道的光谱影像测量装置。
以上实施例仅为说明本发明的原理及功能，并非限制本发明。因此熟悉本技术的人员对上述实施例所做的不违背本发明精神的修改及变化，仍为本发明所涵盖。本发明的权利范围应如本专利申请权利要求所列。

Claims (10)

1.一种光谱影像测量装置，其特征在于其包含：
一像方远心镜，用以收集来自一样品的光能量；
一非球面镜，用以准直来自该像方远心镜的光束；
一波长色散组件，可将该光束色散成不同波长的子光束；
一光检测组件，用以检测该子光束的强度；以及
一设置于该波长色散组件与该光检测组件间的消色差镜。
2.根据权利要求1所述的光谱影像测量装置，其特征在于其另包含一设置于该像方远心镜与该非球面镜间的光狭缝。
3.根据权利要求1所述的光谱影像测量装置，其特征在于该光检测组件是一电荷耦合传感器。
4.根据权利要求1所述的光谱影像测量装置，其特征在于该该光侦测组件系由二维数组方式排列的光检测器构成。
5.根据权利要求1所述的光谱影像测量装置，其特征在于该波长色散组件是一绕射光栅。
6.根据权利要求1所述的光谱影像测量装置，其特征在于该波长色散组件是一穿透式绕射光栅。
7.根据权利要求1所述的光谱影像测量装置，其特征在于其另包含一设置于该子光束的光路上的反射镜与反射式波长色散组件，该波长色散组件是一反射式绕射光栅，且该非球面镜是一反射式非球面镜。
8.一种光谱影像测量方法，其特征在于其包含下列步骤：
使来自一样品的光能量的主光线平行于一光轴；
准直该光能量的光束；
色散该光束为不同波长的子光束；
使用消色差镜降低色差所造成的成像点位置差；以及
检测该子光束的强度。
9.根据权利要求8所述的光谱影像测量方法，其特征在于使来自一样品的光能量主光线平行于一光轴是将该光能量的一离轴光的主光线转变为平行于一正轴光的主光线。
10.根据权利要求9所述的光谱影像测量方法，其特征在于准直该光能量的光束是将该正轴光的所有光线转变为平行于其主光线，且将该离轴光的所有光线转变为平行于其主光线。
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