CN103293102A - 光学检测装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光学检测装置及其工作方法。光学检测装置包含光路模块、致动模块及数据处理模块。光路模块是用以发射一光源至一待测物质并接收待测物质反射光源所产生的一光学信号。致动模块是用以致使待测物质产生一振动。数据处理模块是用以纪录分析关于待测物质的物质特性的一检测结果并分别调控光路模块及致动模块的检测参数。
Description
技术领域
本发明是与光学检测有关，特别是关于一种能够通过非接触且非破坏的手段同时检测出物质的机械及光学特性的光学检测装置及其工作方法。
背景技术
一般而言，当我们判断一物质功能时，常以物质所具有的机械特性及光学特性作为重要的参考因素，并且是通过针对该些参考因素的检测来做出该物质是否保有其应有功能的依据。
常见的物质特性检测手段大致可以分为破坏性及非破坏性两大类型。前者大多是以外力分解破坏待测物质原来的系统后，得到待测物质的切片或样本；后者则是通过光、电、磁、声等非破坏性的方法直接对物质进行量测。对于某些特定领域而言，例如生物活体的检测，是以采用非破坏性的方式进行检测较佳，以避免对于生物活体造成损伤。
于各种非破坏性的物质特性检测方法中，超音波检测方法已发展多年，算是一项相当成熟的物质特性检测技术，广泛地被运用在各种物质的检测上。然而，由于超音波所能达到的解析度不够理想，导致当使用者欲利用超音波检测方法进行较细微的物质分析时，较难以得到理想的检测结果。此一缺点对于生理组织结构的系统及生物体(动物及植物)物质的检测的影响尤其明显，亟需其他较佳的检测装置及方法，才能够得到较为理想的生物特性检测结果。
因此，本发明提出一种光学检测装置及其工作方法，以解决上述问题。
发明内容
根据本发明的一具体实施例为一种光学检测装置。于此实施例中，光学检测装置包含光路模块、致动模块及数据处理模块。光路模块是用以发射一光源至一待测物质并接收待测物质反射光源所产生的一光学信号。致动模块是用以致使待测物质产生一振动。数据处理模块是耦接至光路模块及致动模块，并是用以纪录分析关于待测物质的物质特性的一检测结果并分别调控光路模块及致动模块的检测参数。
于实际应用中，该检测结果是包含待测物质的机械特性及光学特性，待测物质的机械特性是包含弹性系数及粘性系数且待测物质的光学特性是包含光穿透特性、光吸收特性及光反射特性。光路模块的检测参数包含发射光波长、发射光能量、光发射角度及光接收角度；致动模块的检测参数包含致动能量、致动频率/波长、致动时间及致动强度。致动模块为接触式设计或是利用气动、声波的非接触式设计。光路模块是包含具有不同功能的复数个光学单元，以提供一光干涉效果。该复数个光学单元至少包含一发射单元及一接收单元，发射单元是用以发射光源至待测物质，并且接收单元是用以接收待测物质反射光源所产生的光学信号。
根据本发明的第二具体实施例为一种光学检测装置工作方法。于此实施例中，光学检测装置包含光路模块、致动模块及数据处理模块。该方法包含下列步骤：(a)光路模块发射一光源至一待测物质并接收待测物质反射光源所产生的一光学信号；(b)致动模块致使待测物质产生一振动；(c)数据处理模块纪录分析关于待测物质的物质特性的一检测结果并分别调控光路模块及致动模块的检测参数。
相较于现有技术，根据本发明的光学检测装置及其工作方法是结合光学干涉技术与致使物质产生振动的方式，以非接触且非破坏的手段同时检测出待测物质的机械及光学特性，故可得到较为理想的物质特性检测结果。再者，根据本发明的光学检测装置及其工作方法的应用范围相当广泛，不仅适用于生物活体，也适用于非生物体，还可进一步搭配矩阵探头及扫瞄平台，以作为大量快速的检测。此外，根据本发明的光学检测装置及其工作方法也可通过模式设定的方式分别针对已知物质及未知物质做不同的检测参数设定，以得到较佳的确认及检测结果。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1为根据本发明的一较佳具体实施例中的光学检测装置的功能方块图。
图2为图1中的光路模块的一实施例。
图3为另一实施例中的光学检测装置的功能方块图。
图4为光学检测装置对于动物性待测物质进行检测的示意图。
图5A为由频域检测运算结果获得共振频率。
图5B为由时域的振幅信号变化反推出合理的待测物质的机械特性。
图6为根据本发明的另一较佳具体实施例的光学检测装置工作方法的流程图。
图7为根据本发明的另一较佳具体实施例的光学检测装置工作方法的流程图。
【主要元件符号说明】
S10~S34：流程步骤
1、1’：光学检测装置 10、10’：光路模块
12、12’：致动模块 14、14’：数据处理模块
100：发射单元 102：接收单元
16’：区域选择模块 18’：模式设定模块
L：光源 M：待测物质
P：光学信号 P1~P3：振幅峰值
具体实施方式
根据本发明的一较佳具体实施例为一种光学检测装置。请参照图1，图1为本实施例的光学检测装置的功能方块图。如图1所示，光学检测装置1包含光路模块10、致动模块12及数据处理模块14。其中，数据处理模块14分别耦接至光路模块10及致动模块12。
接下来，将分别针对光学检测装置1所包含的各模块及其具有的功能进行详细的介绍。
于此实施例中，光路模块10是用以发射一光源至一待测物质并接收待测物质反射光源所产生的一光学信号。实际上，光路模块10可包含分别具有不同功能的复数个光学单元，以提供一光干涉效果，故能够对于待测物质的不同位置进行深度方向的光干涉检测。请参照图2，图2为光路模块10的一实施例。
如图2所示，光路模块10可包含有发射单元100及接收单元102，其中发射单元100是用以发射光源L至待测物质M，而接收单元102则是用以接收待测物质M反射光源L所产生的光学信号P。需说明的是，本发明的光学检测装置1的光路模块10也可包含有其他光学单元，并不以图2所示的发射单元100及接收单元102为限。实际上，光路模块10也可通过光学同调断层扫瞄(Optical Coherence Tomography, OCT)技术对待测物质M进行深度方向的深层检测，但不以此为限。
致动模块12是用以致使待测物质M产生一振动，使得待测物质M能够于不同的时间下分别处于静止状态与振动状态。实际上，致动模块12可以是接触式设计或是利用气动、声波等原理的非接触式设计，并无特定的限制。数据处理模块14是用以纪录分析关于待测物质M的物质特性的一检测结果并分别调控光路模块10及致动模块12的检测参数。
于实际应用中，关于待测物质M的物质特性的检测结果可包含待测物质M的机械特性及光学特性。举例来说，待测物质M的机械特性可包含弹性系数及粘性系数等，而待测物质M的光学特性可包含光穿透特性、光吸收特性及光反射特性等，但不以此为限。至于光路模块10的检测参数可包含发射光波长、发射光能量、光发射角度及光接收角度等参数；致动模块12的检测参数可包含致动能量、致动频率/波长、致动时间及致动强度等致动参数。
更详细地说，数据处理模块14除了纪录并调控致动模块12致使待测物质M产生振动时所使用的致动参数外，数据处理模块14还会判读光路模块10所接收到的待测物质M于静止状态及振动状态下分别反射光源L所产生的不同光学信号并据以计算出待测物质M的机械特性及光学特性。
接下来，请参照图3，图3为本发明的光学检测装置的另一具体实施例。如图3所示，光学检测装置1’除了包含有光路模块10’、致动模块12’及数据处理模块14’之外，还进一步包含有区域选择模块16’及模式设定模块18’。其中数据处理模块14’分别耦接至光路模块10’、致动模块12’、 区域选择模块16’及模式设定模块18’。
于此实施例中，区域选择模块16’是用以于待测物质上选出一待测区域以供光学检测装置1’进行检测。需注意的是，在区域选择模块16’选定待测区域的过程中，光路模块10’及致动模块12’皆为启动状态，且数据处理模块14’仍可同时调控修正较佳的光路模块10’及致动模块12’的检测参数。
实际上，由于待测物质为连续体状态，故使用者可通过区域选择模块16’选出待测物质上的较佳的待测区域，由此避免受污染区域或振动节点区域等较不适宜进行检测的区域。此外，区域选择模块16’所选定的待测区域也可加以记录存档，以作为后续追踪检测的参考依据。
如前所述，由于区域选择模块16’进行待测区域选定的过程中，关于待测物质深度方向的各层结构的光学特性(例如穿透、反射及吸收等)已可获得初步的确认，因此，当光学检测装置1’是对已知物质进行功能品质确认时，数据处理模块14’可进行数据的比较分析，由此判断待测物质是否夹杂有其他结构，或待测物质的光学特性是否与预设参考值产生明显偏差。
于此实施例中，模式设定模块18’是用以选择性地设定光学检测装置1’处于已知物质模式或未知物质模式下，由此对于已知物质或未知物质作出不同的检测参数设定。
于已知物质模式下，数据处理模块14’是将其所得到的待测物质的检测结果与储存于数据库的复数个预设检测结果进行快速比对，以确认待测物质是否为某一特定已知物质。一般而言，已知物质模式大多应用于待测物质的功能品质确认，例如对于动植物等农产品进行抽样检测或对于人体组织器官进行检测。
于未知物质模式下，由于待测物质为第一次检测，故使用者需先选定待测物质所具有的层状性质(例如整体、单一层或复数层等)，数据处理模块14’再根据待测物质的层状性质自数据库选出相对应的计算模式(例如刚体+粘弹性体、单层粘弹性体或复合弹性体)以及较佳的光路模块10’与致动模块12’的检测参数，以供光路模块10’及致动模块12’对待测物质进行检测而能获得较佳致动方式及量测结果。
当光学检测装置1’开始进行检测时，致动模块12’将会对于待测物质进行复数次起振驱动，而光路模块10’则会持续地对于待测物质进行静止状态及振动状态下的光学干涉检测。至于数据处理模块14’则会同步地记录致动模块12’的该些致动参数并与光路模块10’所获得的光检测数据进行数据的记录及整合。接着，数据处理模块14’配合模式设定模块18’所设定的已知物质模式或未知物质模式对上述检测数据进行运算分析，以得到包含待测物质的机械特性及光学特性的检测结果，并将检测结果加以显示出来。
为了能够充分说明本发明的光学检测装置的实际工作情形，以下将通过光学检测装置对于一动物性物质进行检测的实例作为说明。
请参照图4，图4为光学检测装置对于动物性待测物质进行检测的示意图。如图4所示，致动模块12对待测物质M进行起振，致使待测物质M产生振动。需说明的是，图4所示出的是致动模块12接触到待测物质M的接触式设计，实际上，致动模块12也可以是非接触式设计，例如通过气动或声波等方式致使待测物质M产生振动，端视实际需求而定。
光路模块10的发射单元100及接收单元102则同步对于待测物质M的不同位置进行深度方向的光干涉检测。于实际应用中，无论是光路模块10或致动模块12的探头或驱动头均可采用矩阵式设计或单一式搭配扫瞄机台设计，由此能够对于待测物质M的不同位置进行检测。此外，光路模块10或致动模块12的探头或驱动头也可采用具有旋转角度功能的设计，以增进检测结果的准确度。
针对待测物质M上不同位置所得到的动态检测结果(位移/变形量)即可作为选定检测区域之用，也可作为设定较佳的致动模块12的致动参数之用。接着，再经由数据比对之后，即可确认待测物质M深度方向的光学特性与内建数据是否一致，故可于复数个预设检测模式中直接选定某一检测模式进行实际检测。当检测模式已选定后，可连结至数据库所储存的物质机械特性模拟模型，例如由单一个或复数个弹簧与阻尼器所构成的系统模型，但不以此为限。因此，当检测开始时，即以该模型进行数据运算分析。举例而言，可先由频域检测运算结果获得共振频率(请参照图5A，通过变换致动模块12的驱动频率可得到不同的振幅峰值P1~P3)，再通过时域的振幅信号变化(致动模块12的起振频率接近共振频率)反推出合理的待测物质M的机械特性(弹性系数及粘性系数，请参照图5B)。最后，即可获得待测物质M的光学特性及机械特性。
根据本发明的另一较佳具体实施例为一种光学检测装置工作方法。于此实施例中，光学检测装置包含光路模块、致动模块及数据处理模块。请参照图6，图6为此实施例的光学检测装置工作方法的流程图。
如图6所示，首先，该方法执行步骤S12，光路模块发射一光源至一待测物质并接收待测物质反射光源所产生的一光学信号。接着，该方法执行步骤S14，致动模块致使待测物质产生一振动。实际上，步骤S12与S14的先后顺序可互相调换或同时执行均可，端视实际需求而定。之后，该方法执行步骤S16，数据处理模块纪录分析关于待测物质的物质特性的一检测结果并分别调控光路模块及致动模块的检测参数。
于另一实施例中，光学检测装置除了包含有光路模块、致动模块及数据处理模块之外，还进一步包含有区域选择模块及模式设定模块。请参照图7，该方法是先执行步骤S20，区域选择模块于待测物质上选出一待测区域以供检测。接着，于步骤S22中，数据处理模块进行数据建立及比对。然后，于步骤S24中，模式设定模块选择性地设定光学检测装置处于已知物质模式或未知物质模式下，由此对于已知物质或未知物质作出不同的检测参数设定。
于已知物质模式下，数据处理模块是将待测物质的检测结果与储存于一数据库的复数个预设检测结果进行快速比对，以确认待测物质是否为某一特定已知物质；于未知物质模式下，使用者是先选定待测物质所具有的一层状性质，数据处理模块再根据层状性质自数据库选出相对应的光路模块及致动模块的检测参数，以供光路模块及致动模块对待测物质进行检测。
接着，光学检测装置即开始进行检测。于步骤S26中，光路模块发射一光源至待测区域并接收待测区域反射光源所产生的一光学信号。于步骤S28中，致动模块致使待测物质产生一振动。实际上，步骤S26与S28的先后顺序可互相调换或同时执行均可，端视实际需求而定。于步骤S30中，数据处理模块同步地记录致动模块的该些致动参数并与光路模块所获得的光检测数据进行数据的记录及整合。于步骤S32中，数据处理模块配合模式设定模块所设定的模式对上述检测数据进行运算分析，以得到包含待测物质的机械特性及光学特性的检测结果。最后，于步骤S34中，数据处理模块将检测结果加以显示。
相较于现有技术，根据本发明的光学检测装置及其工作方法是结合光学干涉技术与致使物质产生振动的方式，以非接触且非破坏的手段同时检测出待测物质的机械及光学特性，故可得到较为理想的物质特性检测结果。再者，根据本发明的光学检测装置及其工作方法的应用范围相当广泛，不仅适用于生物活体，也适用于非生物体，还可进一步搭配矩阵探头及扫瞄平台，以作为大量快速的检测。此外，根据本发明的光学检测装置及其工作方法也可通过模式设定的方式分别针对已知物质及未知物质做不同的检测参数设定，以得到较佳的确认及检测结果。
通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
Claims (10)
1.一种光学检测装置，其特征在于，包含：
一光路模块，用以发射一光源至一待测物质并接收该待测物质反射该光源所产生的一光学信号；
一致动模块，用以致使该待测物质产生一振动；以及
一数据处理模块，耦接至该光路模块及该致动模块，用以纪录分析关于该待测物质的物质特性的一检测结果并分别调控该光路模块及该致动模块的检测参数。
2.如权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于，该检测结果是包含该待测物质的机械特性及光学特性，该待测物质的机械特性是包含弹性系数及粘性系数且该待测物质的光学特性是包含光穿透特性、光吸收特性及光反射特性。
3.如权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于，该光路模块是包含具有不同功能的复数个光学单元，以提供一光干涉效果，该复数个光学单元至少包含一发射单元及一接收单元，该发射单元是用以发射该光源至该待测物质，并且该接收单元是用以接收该待测物质反射该光源所产生的该光学信号。
4.如权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于，该光路模块的检测参数包含发射光波长、发射光能量、光发射角度及光接收角度；该致动模块的检测参数包含致动能量、致动频率/波长、致动时间及致动强度，该致动模块为接触式设计或是利用气动、声波的非接触式设计。
5.如权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于，该数据处理模块纪录并调控该致动模块致使该待测物质产生该振动时所使用的致动参数；该数据处理模块判读该光路模块所接收到的该待测物质于静止及振动状态下分别反射该光源所产生的不同光学信号并据以计算出该待测物质的机械特性及光学特性。
6.如权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于，进一步包含：
一区域选择模块，耦接至该数据处理模块，用以于该待测物质上选出一待测区域以供检测；以及
一模式设定模块，耦接至该数据处理模块，用以选择性地设定该光学检测装置处于一已知物质模式或一未知物质模式下；
其中，于该已知物质模式下，该数据处理模块是将该待测物质的该检测结果与储存于一数据库的复数个预设检测结果进行快速比对，以确认该待测物质为一特定已知物质；于该未知物质模式下，使用者是先选定该待测物质所具有的一层状性质，该数据处理模块再根据该层状性质自该数据库选出相对应的该光路模块及该致动模块的检测参数，以供该光路模块及该致动模块对该待测物质进行检测。
7.一种工作一光学检测装置的方法，其特征在于，该光学检测装置包含一光路模块、一致动模块及一数据处理模块，该方法包含下列步骤：
(a)该光路模块发射一光源至一待测物质并接收该待测物质反射该光源所产生的一光学信号；
(b)该致动模块致使该待测物质产生一振动；以及
(c)该数据处理模块纪录分析关于该待测物质的物质特性的一检测结果并分别调控该光路模块及该致动模块的检测参数。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该检测结果包含该待测物质的机械特性及光学特性，该待测物质的机械特性包含弹性系数及粘性系数且该待测物质的光学特性包含光穿透特性、光吸收特性及光反射特性，该光路模块的检测参数包含发射光波长、发射光能量、光发射角度及光接收角度，该致动模块的检测参数包含致动能量、致动频率/波长、致动时间及致动强度，该致动模块为接触式设计或是利用气动、声波的非接触式设计。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该光路模块包含具有不同功能的复数个光学单元，以提供一光干涉效果，该复数个光学单元至少包含一发射单元及一接收单元，该发射单元是用以发射该光源至该待测物质，并且该接收单元是用以接收该待测物质反射该光源所产生的该光学信号，该数据处理模块纪录并调控该致动模块致使该待测物质产生该振动时所使用的致动参数，该数据处理模块判读该光路模块所接收到的该待测物质于静止及振动状态下分别反射该光源所产生的该光学信号并计算出该待测物质的机械特性及光学特性。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包含下列步骤：
于该待测物质上选出一待测区域以供检测；以及
选择性地设定该光学检测装置处于一已知物质模式或一未知物质模式下；
其中，于该已知物质模式下，该数据处理模块是将该待测物质的该检测结果与储存于一数据库的复数个预设检测结果进行快速比对，以确认该待测物质为一特定已知物质；于该未知物质模式下，使用者先选定该待测物质具有一层状性质，该数据处理模块再根据该层状性质自该数据库选出相对应的该光路模块及该致动模块的检测参数，以供该光路模块及该致动模块对该待测物质进行检测。
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