CN103115677A - 光谱测量系统与光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光谱测量系统与光谱测量方法，该光谱测量系统包括：一第一无聚焦模块，用以接收一待测物所发出的一入射光，使得入射光平行于一系统法线；一第一光栅，用以将不同波长的入射光绕射成不同的出射角度；一第二无聚焦模块，从第一光栅所输出的入射光中筛选出一特定波长，使得第一光栅只输出具有特定波长的一绕射光；一第二光栅，用以消除绕射光的光程差；以及一第三无聚焦模块，用以接收从第二光栅所输出的绕射光，以便输出与系统法线平行的一单色光。

Description

光谱测量系统与光谱测量方法

技术领域

本发明涉及光谱测量系统，特别是涉及一种全域式光谱测量系统。

背景技术

由于工业上的进步，工业产品越来越多样化，使得测量产品的光谱不再只能限于单点测量。举例来说，由于发光二极管(LED)具有耐用、寿命长、轻巧、低耗电并且不含有害物质(例如汞)的特性，因此使用发光二极管的照明技术已经变成照明产业与半导体产业未来非常重要的发展方向。一般而言，发光二极管广泛地应用于白光照明装置、指示灯、车用信号灯、车用大灯、闪光灯、液晶显示器的背光模块、投影机的光源、户外显示单元...等等。

由于发光二极管的光学检测技术大多采用单点测量，所以采用全域式光谱测量技术时，现有技术是使用液晶可调型滤波片(liquid-crystal tunable filter，LCTF)或脑断层影像光谱仪(computed tomographic imaging spectrometer，CTIS)，但以上两者技术皆具有光谱分辨率不足的问题。因此亟需一种光谱测量系统与光谱测量方法，兼顾光谱分辨率与全域式取像的特点，来测量待测物的光谱。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种光谱测量系统，包括：一第一无聚焦模块，用以接收一待测物所发出的一入射光，使得入射光平行于一系统法线；一第一光栅，用以将不同波长的入射光绕射成不同的出射角度；一第二无聚焦模块，从第一光栅；以及一第二无聚焦模块，用以接收从第二光栅所输出的绕射光，以便输出与系统法线平行的一单色光。

本发明也提供一种光谱测量方法，适用于一光谱测量系统，光谱测量系统包括一第一无聚焦模块、一第二无聚焦模块、一第三无聚焦模块、一第一光栅与一第二光栅，光谱测量方法包括：通过第一无聚焦模块接收一待测物所发出的一入射光，使得入射光平行于一系统法线；通过第一光栅与第二无聚焦模块，从第一无聚焦模块所输出的入射光中筛选出一特定波长，使得第二无聚焦模块只输出具有特定波长的一绕射光；通过第一光栅、第二光栅和第二无聚焦模块消除第一光栅所造成的光程差；以及通过第三无聚焦模块接收从第二光栅所输出的绕射光，以便输出与系统法线平行的一单色光。

为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

附图说明

图1是本发明的光谱测量系统的一实施例；

图2是本发明的光栅G1的一示意图；

图3是本发明的入射角θi、绕射角θd和角度Δθ之间的关系图；

图4是本发明实施例的一影像图，用以说明利用光谱测量系统100取得待测物150的影像；以及

图5是本发明的光谱测量方法的一流程图。

主要组件符号说明

100：光谱测量系统；

G1～G2：光栅；

L1～L7：透镜；

110、120、130：无聚焦模块；

140：面形光侦测器；

150：待测物；

160：控制单元；

C1：入射光；

C2：绕射光；

C3：单色光；

A1、A2：光圈；

P1～P6：点；

NL：系统法线；

θi：入射角；

θd：绕射角；

Δθ：角度；

400：影像。

具体实施方式

图1是本发明的光谱测量系统的一实施例。如图1所示，光谱测量系统100包括无聚焦模块(afocal system)110、120与130、光栅G1与G2和面形光侦测器140。举例来说，无聚焦模块110用以接收一待测物150所发出的一入射光C1，使得入射光C1平行于系统法线(normal line)NL。光栅G1用以将入射光C1不同波长的光绕射成不同的角度，并且经由透镜L3及光圈A2筛选出一特定波长，以便只输出具有特定波长的绕射光C2。光栅G1、G2及透镜L3、L4和L5用以消除来自点P1、P2及P3不同位置的绕射光C2间的光程差，举例来说，光栅G2转动的方向与角度与光栅G1改变的方向与角度相同，以便补偿光栅G1所造成的光程差。无聚焦模块120用以接收从光栅G2所输出的绕射光C2，以便输出与系统法线NL平行的一单色光C3。无聚焦模块130(包含光圈A2和透镜L3、L4和L5)设置在光栅G1与G2之间，用以改变来自点P1、P2及P3不同位置的光迹路径并用光圈A2提高光谱分辨率。

控制单元160设置在面形光侦测器140，用以控制光栅G1，使得入射光C1与光栅G1的入射角对应于特定波长。控制单元160也控制光栅G2，使得光栅G2转动的角度与光栅G1改变的角度相同，以便经由透镜L3、L4和L5补偿来自点P1、P2及P3的绕射光C2间的光程差。在某些实施例中，控制单元也可设置在光侦测器140之外，但不限于此。在本发明实施例中，光栅G1与G2互为平行，即使光栅G1和G2转动之后，光栅G1与G2仍为平行。面形光侦测器140用以接收单色光C3，以便纪录单色光C3的强度。在本发明实施例中，面形光侦测器140可以是电荷耦合组件(Charge-coupledDevice，CCD)，利用快照的方式，把待测物150的不同波长影像分别取像并纪录，以供使用者分析。

详细而言，无聚焦模块110包括一透镜L1与L2和光圈A1。透镜L1用以接收入射光C1，而透镜L2用以将入射光C1平行射出。光圈A1设置在透镜L1与L1之间，用以提高光谱分辨率，以避免串音噪声(cross talk)。

无聚焦模块130设置在光栅G1与G2之间，用以改变来自点P1、P2及P3不同位置的光迹路径并用光圈A2提高光谱分辨率。无聚焦模块130包括透镜L3、L4和L5与光圈A2。透镜L3用以接收绕射光C2。透镜L4用以改变绕射光C2的光迹。光圈A2设置在透镜L3与L4之间，用以提高光谱分辨率。透镜L5用以将绕射光C2平行输出。

无聚焦模块120包括透镜L6与L7。透镜L6用以接收绕射光C2，而透镜L7用以改变绕射光C2的光迹。在某些实施例中，无聚焦模块120也具有光圈A3(未绘出)，设置在透镜L6与L7之间，用以提高光谱分辨率。

图2是本发明的光栅G1的一示意图。如图2所示，光栅G1用以将入射光C1筛选出特定波长的光，其中θi为入射角，θd为绕射角，Δθ为绕射光C2与系统法线NL的夹角。θi与θd间的关系可以由公式1与公式2所表示：

$\frac{\mathrm{\λ}}{d}=(\sin \mathrm{\θi}+\sin \mathrm{\θd})----$ 公式1

θd＝Δθ-θi    ----公式2

其中d为光栅条纹间距，角度Δθ与d为定值。因此，通过改变入射角θi，即可筛选出特定波长λ的光。

图3是本发明的入射角θi、绕射角θd和角度Δθ之间的关系图。如图3所示，在测量待测物150的可见光影像(波长为374nm至781nm)并且将角度Δθ维持在一定值(例如40度)时，光谱测量系统100的入射角θi与绕射角θd均未偏转超过90°，因此在可见光的范围内，本发明实施例可充分测量到待测物150的每个波长的影像。

图4是本发明实施例的一影像，用以说明利用光谱测量系统100取得待测物150的影像。如图4所示，影像400相当锐利且无像差，因此光谱测量系统100非常适合测量大面积的待测物。

图5是本发明的光谱测量方法的一流程图，如图所示，光谱测量方法包括下列步骤。

于步骤S51，通过无聚焦模块110接收待测物150所发出的入射光C1，使得入射光C1平行于系统法线NL。于步骤S52，通过光栅G1将入射光C1不同波长的光绕射成不同的角度，经由透镜L3及光圈A2筛选出具有一特定波长的绕射光C2。于步骤S53，通过光栅G1、G2及无聚焦模块130(例如透镜L3、L4和L5)消除相同平面不同位置的绕射光的光程差(例如同一平面上分别来自点P1、P2和P3的光)。于步骤S54，通过无聚焦模块120接收绕射光C2，以便输出与系统法线NL平行的单色光C3。

综上所述，通过无聚焦模块110、120和130及光栅G1和G2，可使得远离光轴中心点P1的点P2、P3(如图1所示)可毫无偏差地平行入射点P5、P6(如图1所示)，并且待测物150在点P2与P3的影像不会产生变形，因此达到全域式取像的效果。

以上叙述许多实施例的特征，使所属技术领域中具有通常知识者能够清楚理解本说明书的形态。所属技术领域中具有通常知识者能够理解其可利用本发明揭示内容为基础以设计或更动其它制作工艺及结构而完成相同于上述实施例的目的及/或达到相同于上述实施例的优点。所属技术领域中具有通常知识者也能够理解不脱离本发明的精神和范围的等效构造可在不脱离本发明的精神和范围内作任意的更动、替代与润饰。

Claims (10)

1.一种光谱测量系统，包括：

第一无聚焦模块，用以接收一待测物所发出的一入射光，使得上述入射光平行于一系统法线；

第一光栅，用以将不同波长的上述入射光绕射成不同的出射角度；

第二无聚焦模块，从上述第一光栅所输出的上述入射光中筛选出一特定波长，使得上述第二无聚焦模块只输出具有上述特定波长的一绕射光至第二光栅；

第二光栅及无聚焦模块，用以消除上述绕射光的光程差；以及

第三无聚焦模块，用以接收从上述第二光栅所输出的上述绕射光，以便输出与上述系统法线平行的一单色光。

2.如权利要求1所述的光谱测量系统，包括控制单元，用以调整上述第一光栅，使得从上述第一无聚焦模块所输出的上述入射光与上述第一光栅的入射角对应于上述特定波长。

3.如权利要求2所述的光谱测量系统，其中上述控制单元控制上述第二光栅，使得上述第二光栅转动的方向与角度与上述第一光栅改变的方向与角度相同，以便补偿上述第一光栅所造成的光程差。

4.如权利要求3所述的光谱测量系统，包括面形光侦测器，用以接收上述单色光，以便纪录上述单色光的强度。

5.如权利要求4所述的光谱测量系统，其中上述第一无聚焦模块包括：

第一透镜，用以接收上述入射光；

第二透镜，用以将上述入射光平行输出至上述第一光栅；以及

第一光圈，设置在上述第一透镜与上述第二透镜之间，用以提高光谱分辨率。

6.如权利要求5所述的光谱测量系统，还包括第三无聚焦模块，设置在上述第一光栅与上述第二光栅之间，其中上述第三无聚焦模块包括：

第三透镜，用以接收从上述第一光栅所输出的上述绕射光；

第四透镜，用以改变从上述第三透镜所输出的上述绕射光的光迹；

第二光圈，设置在上述第三透镜与上述第四透镜之间，用以提高光谱分辨率，其中上述第三透镜与上述第二光圈从上述第一光栅所输出的光筛选出一特定波长，以便只输出具有上述特定波长的上述绕射光；以及

第五透镜，用以将上述绕射光平行输出至上述第二光栅。

7.如权利要求6所述的光谱测量系统，其中上述第三无聚焦模块包括：

第六透镜，用以接收从上述第二光栅所输出的上述绕射光；以及

第七透镜，用以改变从上述第六透镜所输出的上述绕射光的光迹，以便输出与上述系统法线平行的上述单色光至上述面形光侦测器。

8.一种光谱测量方法，适用于一光谱测量系统，上述光谱测量系统包括第一无聚焦模块、第二无聚焦模块、第三无聚焦模块、第一光栅与第二光栅，上述光谱测量方法包括：

通过上述第一无聚焦模块接收一待测物所发出的一入射光，使得上述入射光平行于一系统法线；

通过上述第一光栅与上述第二无聚焦模块，从上述第一无聚焦模块所输出的上述入射光中筛选出一特定波长，使得上述第二无聚焦模块只输出具有上述特定波长的一绕射光；

通过上述第二光栅和上述第二无聚焦模块消除上述第一光栅所造成的光程差；以及

通过上述第三无聚焦模块接收从上述第二光栅所输出的上述绕射光，以便输出与上述系统法线平行的一单色光。

9.如权利要求8所述的光谱测量方法，还包括：

调整上述第一光栅，使得上述入射光与上述第一光栅的入射角对应于上述特定波长；以及

调整上述第二光栅，使得上述第二光栅转动的角度和方向与上述第一光栅转动的角度和方向相同，以便补偿上述第一光栅所造成的光程差。

10.如权利要求9所述的光谱测量方法，还包括通过一面形光侦测器接收上述单色光，以便分析上述待测物的影像。

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