CN105352442A - 光学量测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的题目是光学量测装置及方法。一种光学量测装置，包括光源模块、感测单元、参考镜组、光耦合模块以及处理单元。参考镜组的致动器以扫描速度带动参考镜往复移动。光源模块传递第一光线至光耦合模块，光耦合模块将部份第一光线传递至待测物、部份第一光线传递至参考镜组，第一光线被待测物、参考镜组反射后依序传递至光耦合模块及处理单元。光源模块传递第二光线至待测物，第二光线被反射后再传递至感测单元，感测单元传递感测信号给处理单元，据此处理单元提供相对速度值。依据相对速度值与扫描速度，计算厚度。

Description

光学量测装置及方法

技术领域

本发明关于一种光学量测装置以及方法。

背景技术

由于光学量测技术具有非侵入、快速反应等优点，因此常被应用于非接触性的检测。例如可应用于检测眼球内部的构造或是皮肤下层的组织等等。然而，无论是何种光学量测技术，皆会遭遇量测机台、受测物的生理反应、或受测者移动所造成的量测误差的问题。

以采用光学同调断层法的眼角膜量测装置为例，为了避免上述的误差产生的解决的方法有二，其一可透过加快量测扫描时间、使得于量测期间的振动的影响降低的方式。或者，可透过于量测装置中设置两组光源模块，两组光源模块可同时产生两道光束进行光学同调相干，以补正机台与角膜的相对振动。但前者的作法，即便缩短了扫描时间，依然存在机台与待测物的相对运动干扰量测结果的情况，且于量测装置中提高扫描时间亦有技术难度。而后者的光路较复杂，且设置额外的光源模块亦会使得成本增加。

因此，如何将量测过程中机台与受测物的相对运动产生的误差排除或降低的方法及装置为本领域的重要的课题之一。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种修正光学量测的光学量测装置以及方法，进一步而言，透过本发明装置以及方法可以降低量测过程的误差。

为达上述目的，本发明提供一种光学量测装置，其包括光源模块、感测单元、参考镜组、光耦合模块以及处理单元。

光源模块提供第一光线以及第二光线。参考镜组其包括致动器以及参考镜，致动器以扫描速度带动参考镜往复移动。光耦合模块将第一光线传递至参考镜组以及待测物。

光源模块传递第一光线至光耦合模块，光耦合模块将部份第一光线传递至待测物、部份第一光线传递至参考镜组，第一光线被待测物的表面反射后依序传递至光耦合模块及处理单元，第一光线被参考镜组反射后依序传递至光耦合模块及处理单元。

光源模块传递第二光线至待测物，第二光线被待测物的表面反射后传递至感测单元，据此感测单元传递感测信号给处理单元，处理单元依据感测信号提供相对速度值。依据相对速度值与参考镜组的扫描速度，计算厚度。

在本发明一实施例中，厚度由扫描速度与相对速度值相加后除以待测物折射率的积分所产生。

在本发明一实施例中，处理单元利用以下的公式计算厚度：

$L={\∫}_0^T\frac{\mathrm{Vr}+\mathrm{Vs}}{n}\mathrm{dt}$

其中，V_r是扫描速度，V_S为相对速度值，n为待测物折射率。

在本发明一实施例中，处理单元利用以下的公式计算厚度L：

$\begin{array}{cc}L=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\frac{\mathrm{Vr}}{n}*\{1+(\sqrt{\left(\frac{1+\mathrm{\β}}{1-\mathrm{\β}}\right)}-1)/n\}\mathrm{dt}& \mathrm{\β}=\frac{n*\mathrm{Vs}}{\mathrm{Vr}}\end{array}$

其中，V_r是扫描速度，V_S为相对速度值，n为待测物折射率。

在本发明一实施例中，其中于第一时序，被待测物反射的第一光线与被参考镜组反射的第一光线产生建设性干涉，据此处理单元提供第一光程差。于第二时序，待测物反射的第一光线与被参考镜组反射的第一光线产生建设性干涉，据此处理单元提供第二光程差，依据第一与第二光程差，处理单元得以计算第一时序与第二时序的时间差。

本发明更可提供一种光学量测方法，用于光学量测装置，且光学量测装置的参考镜组具有扫描速度，其步骤更包括：藉由光源模块提供光线至待测物表面。光线被待测物表面反射并传递至感测单元。感测单元传递感测信号给处理单元，感测信号包括光线移动速度。处理单元依据感测信号提供光源模块与待测物表面的相对速度值。依据相对速度值与参考镜组的扫描速度，计算待测物的厚度。

在本发明一实施例中，其中步骤包括：依据扫描速度与相对速度值相加后除以待测物折射率的积分，以计算厚度。

在本发明一实施例中，其中厚度L为：

$L={\∫}_0^T\frac{\mathrm{Vr}+\mathrm{Vs}}{n}\mathrm{dt}$

其中，V_r是扫描速度，V_S为相对速度值，n为待测物折射率。

在本发明一实施例中，厚度L为：

$\begin{array}{cc}L=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\frac{\mathrm{Vr}}{n}*\{1+(\sqrt{\left(\frac{1+\mathrm{\β}}{1-\mathrm{\β}}\right)}-1)/n\}\mathrm{dt}& \mathrm{\β}=\frac{n*\mathrm{Vs}}{\mathrm{Vr}}\end{array}$

其中，Vr是扫描速度，VS为相对速度值，n为待测物折射率。

综上所述，本发明可透过光源模块与感测单元，计算出光学量测装置与待测物的相对速度值，并依据参考镜组的扫描速度与相对速度计算出待测物的厚度，透过此修正，以排除、降低光学量测装置与待测物相对振动、量测过程中的环境干扰对量测精度的影响，以达到提高量测精度的目的。

此外，本发明亦可使得光学量测装置不须额外装设或设计抗震结构，简化光学量测装置的设计、降低成本。且，本发明透过既有的光学量测设备的架构，进行量测以及修正，仅须于处理单元内导入修正，即可在不须额外装设补正单元亦不须汰换既有设备的情况下，大幅的改善量测精度，实为经济且效果显著。

附图说明

图1为本发明的一种光学量测方法的步骤流程图。

图2为光学量测装置的架构示意图。

图3为光学量测装置的感测单元应用的示意图。

图4为感测单元量测结果的示意图。

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依本发明较佳实施例的一种光学量测装置以及方法，其中相同的构件、步骤将以相同的参照符号加以说明。且，以下实施例及附图中，与本发明非直接相关的组件、步骤均已省略而未绘示；且附图中各组件间的尺寸关系仅为求容易了解，非用以限制实际比例。

请一并参考图1至图4，图1为本发明的一种光学量测方法的步骤流程图。图2为光学量测装置的架构示意图。图3为光学量测装置的感测单元应用的示意图。图4为感测单元量测结果的示意图。

为达上述目的，本发明提供一种光学量测装置1，其包括光源模块10、感测单元11、光耦合模块12、参考镜组13以及处理单元14。

光源模块10提供第一光线L1以及第二光线L2。且若应用于人眼的角膜、视网膜量测时，为了顾及被量测者的舒适程度，则此光源模块10可为一宽带雷射光源(例如本实施例的中心光源的波长可介于1030nm，且频宽可为20至40nm，但不以不可见光为限制)。此宽带雷射光源可透过窄频雷射光源射入激发材料以提供，但不以此方法为限。

参考镜组13可至少包括致动器133(micro-actuator)以及参考镜132，参考镜132可透过致动器133往复移动(例如可透过传动平台移动，图未绘出)，且致动器133以扫描速度V_r带动参考镜132的移动，实际上的扫描速度可透过马达的转速换算得知。其中，参考镜132与致动器133可为两个独立构件或是整合成单一构件(例如可将参考镜132贴附于致动器133上)。

光耦合模块12可将光源模块10的第一光线L1传递至参考镜组13以及待测物E。光耦合模块12将部份第一光线L1传递至参考镜组13，以及光耦合模块12将部份第一光线L1传递至参考镜组13待测物E。本实施例的光耦合模块12可为分光器，但不以分光器为限制。例如可将光源模块10的50％的光线反射进入参考镜组13，而其余50％的光线穿透进入待测物E，以达成光耦合的效果。

另外，参考镜组13更可包含第一透镜组131，第一透镜组131可由至少一透镜所组成，其用以使光耦合模块12传递的第一光线L1传递至参考镜132。本实施例的光学量测装置1亦可包含第二透镜组15，透过第二透镜组15可使光耦合模块12将的第一光线L1传递至待测物E。

接着，参考镜组13与待测物E将分别反射第一光线L1，从参考镜组13离开的第一光线L1将会依序经过第一透镜组131、光耦合模块12后进入处理单元14。而从待测物E离开的第一光线L1将会依序经过第二透镜组15、光耦合模块12后进入处理单元14。

此外，本实施例的待测物E为一个球状体，且以眼球为例示，但不以量测眼球为限制，本领域的通常技术者应可藉由本发明的设计概念应用于其它的待测物。承前，以量测眼球的角膜为例，于第一时序，可先调整第二透镜组15，使所述第一光线L1汇聚于角膜的外表面，此时致动器133将带动参考镜132往复移动，当被参考镜组13反射的第一光线L1的光程差与被待测物E反射的第一光线L1的光程差为整数倍时，所述第一光线L1产生建设性干涉，纪录所述光程差，并定义此为第一光程差。

接着，于第二时序，再调整第二透镜组15，使所述第一光线L1汇聚于角膜的内表面，并重复上述步骤，使得被参考镜组13反射的第一光线L1的光程差与被待测物E反射的第一光线L1的光程差为整数倍，所述第一光线L1产生建设性干涉，此时纪录第二光程差。处理单元14可藉此两个光程差推算出第一光线L1于待测物E中移动的时间(亦即处理单元14得以计算出第一时序与第二时序的时间差)。

本实施例可藉由光源模块10提供第二光线L2至待测物E表面(步骤S1)。第二光线L2将会被待测物E表面反射并传递至感测单元11(步骤S2)。以角膜量测为例，第二光线L2将会传递至角膜的外表面并被反射。

感测单元11可为光学感测单元，例如位置型敏感型侦测器(positionsensitivedetector，PSD)。透过感测单元11可量测待测物E相对光源模块10的相对位置进而计算出待测物E或光源模块10的相对振动情况。以角膜量测为例，此处的感测单元11可测出工作平台或眼睛闪动的变化。

详细而言，感测单元11将会传递感测信号给处理单元14，感测信号可包括光线移动速度(步骤S3)。处理单元14依据感测信号提供光源模块10与待测物E表面的相对速度值(步骤S4)。详细而言，感测单元11将第二光线L2聚焦于感测单元11的位置转换成一个感测信号，并传递至处理单元14，因此处理单元14可知道于一单位时间内，第二光线L2的位移变化量(感测单元11初始量测到的为一个位置对时间的信号)，透过低通滤波处理不必要的光噪声后，即可对时间一次微分求得光线移动速度(图4)。此处的「光线移动速度」即为待测物E相对光源模块10的相对速度值V_S，亦可理解为待测物E相对光源模块10的相对振动情况。

以下将对厚度L的计算以及修正方式进行说明。

本实施例的修正公式应用了都卜勒公式的进行修正，鉴于光为一种具有高传播速度的波动，故除了须考虑到波源(光源模块10)与观察者(光学量测装置1)的相对运动关系以外，亦须考虑狭义相对论带来的效应。以本实施例为例，波源的移动速度即为光源模块10所提供的波前的波速即为扫描速度V_r，而观察者(光学量测装置1)的移动速度则为待测物E的折射率n与相对速度值V_S的乘积(n*V_S)。

此外，光学同调干涉(opticalcoherenceinterference)产生的原因为参考臂与样品臂的光程相同而产生干涉的现象，但此干涉现象不会因为波源自身的移动速度而改变，因此还是会符合劳伦兹转换的形式不变性的特性。故在假定同调光程波的波前的传递速度的不变，扫描速度V_r固定速度的情况下，当光程波的波前的传递速度与扫描速度V_r接近时，则须进行劳伦兹转换式的形式不变性的修正。

补充说明的是，可将扫描速度V_r(光源模块10的光程波前移动速度)理解为类似都普勒效应中的波源移动速度，而n*Vs是振动相对速度值Vs在折射率为n的情况下对于以空气为介质的等量光程波前速度(equivalentoptical-path-lengthwavefrontspeed)故可理解为都普勒效应的观察者移动速度。

在此光学量测装置1中会影响厚度L的变因至少有：光源模块10以及待测物E的振动，在不考虑此二者的振动情况下，在时序T＝0纪录到第一光程差、于时序T＝T纪录到第二光程差，此时可假定待测物E的厚度L为V_r/n*T，亦即波前以V_r/n的速度于样品中移动，移动时间为T单位时间，两者的乘积即为待测物E的厚度L。

接着，若先假定光源模块10以速度V_s振动且待测物E不振动的情况。则此时须将厚度L的计算方式修正如下：

$\begin{array}{cc}L=\frac{V_r+V_S}{n}*T& \\ =\frac{V_r}{n}*(1+\frac{V_S}{V_r})*T=\frac{V_r}{n}*(1+\frac{\mathrm{\β}}{n})*T& \mathrm{\β}=\frac{n*\mathrm{Vs}}{\mathrm{Vr}}\end{array}$

因此，考虑到光源模块10振动的速度V_s，波前将会以(V_r+V_s)/n的速度于样品中移动T时间，接着再整理公式，即可得到上述修正公式。

接着，再若先假定光源模块10不振动且待测物E以速度V_s振动的情况。此情况中，波前亦会以(V_r+V_s)/n的速度(与前述只考虑光源模块10振动待测物E不振动的情况相同)，换言之，进行厚度L的计算时仅须考虑光源模块10以及待测物E相对振动的情况，不须特别针对各别的振动进行修正。

承前，依据相对速度值V_S与参考镜组的扫描速度V_r，计算出厚度L(步骤S5)。厚度L其可透过以下的公式简单表述(以下将会称此公式为一般公式)：

$\begin{array}{cc}L=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\frac{\mathrm{Vr}}{n}*\{1+(\sqrt{\left(\frac{1+\mathrm{\β}}{1-\mathrm{\β}}\right)}-1)/n\}\mathrm{dt}& \mathrm{\β}=\frac{n*\mathrm{Vs}}{\mathrm{Vr}}\end{array}$

其中，β为都卜勒公式的修正的速度比项(光程波前的观察者与波源的速度比)，且在β远小于1的情况下(亦即扫描速度V_r远大于相对速度值V_S)，可将厚度L的公式简化为扫描速度V_r与相对速度值V_S相加后除以待测物折射率n的积分值。厚度L的修正公式可简化如下(以下将会称此公式为简化公式)：

$L={\∫}_0^T\frac{\mathrm{Vr}+\mathrm{Vs}}{n}\mathrm{dt}$

此外，若相对速度值V_S为时间函数时，亦可将β拓展成β(t)的时间函数。此种情况则可将厚度L的修正公式调整如下：

$L=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\frac{\mathrm{Vr}}{n}*\{1+\mathrm{\β}\left(t\right)/n\}\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{Vr}}{n}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\{1+\mathrm{\β}\left(t\right)/n\}\mathrm{dt}$

透过前述修正后的厚度L将会更贴近实际的厚度。

进一步而言，可于本实施例引入相对论进行修正的假设是：依据特殊相对论(specialrelatively)的论述，在存有相对速度运动的两套时空坐标系统中，若其物理现象表述若满足劳伦兹转换式的形式不变性(covariantwithrespecttoLorentztransformation)，则假定此二时空坐标系统中的光速不变。基于此种假设下，虽本实施例的扫描速度V_r虽远低于光速，但本发明所涉及的两套相对速度运动的惯性坐标系中的同调光程波的传播速度不变，从图4中可观察到当以固定的扫描速度V_r进行扫描时，观察者所观察到的扫描速度V_r不变，反之可推论物理现象将会满足劳伦兹转换式的形式不变性，故须进行劳伦兹转换式的形式不变性的修正。

承前，可将本实施例的光程波比拟成相对论中的光波、待测物中波前速度V_r/n可比拟成相对论中的光速c、相对速度值V_S可比拟成相对论中的观察者与波源的相对速度，而β＝n*V_S/V_R则可比拟成相对论中的v/c。当β远小于1不成立时，则公式计算时须考虑整体的光传递行为必须满足劳伦兹转换式的形式不变性。

$\begin{array}{c}L=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\frac{\mathrm{Vr}}{n}*\{1+\mathrm{\β}\left(t\right)/n\}\mathrm{dt}\\ =\frac{\mathrm{Vr}}{n}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\{1+[(1+\mathrm{\β})-1]/n\}\mathrm{dt}\\ =\frac{\mathrm{Vr}}{n}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\{1+[\frac{(1+\mathrm{\β})}{\sqrt{(1-{\mathrm{\β}}^2)}}-1]/n\}\mathrm{dt}\end{array}$

从上述运算可看出，为劳伦兹转换式所造成的时间膨胀(timedilation)效果，若β较大的情况，则可将公式化简后即可得到下述公式：

$\begin{array}{c}L=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\frac{\mathrm{Vr}}{n}*\{1+(\sqrt{\left(\frac{1+\mathrm{\β}}{1-\mathrm{\β}}\right)}-1)/n\}\mathrm{dt}\end{array}$

本实施例的光学量测装置可至少具有以下优点：在不须更换量测设备情况下，提高量测的精度，故可节省硬设备升级的成本、因本发明的修正方法有考虑量测装置与待测物的相对振动的问题，故可使得量测装置于量测的过程中较不受环境干扰影响，故导入本发明修正方法的量测装置将较不受限于装设位置、抗震结构的设计。此外，更可降低人为操作对量测结果的影响，提供一种对量测人员更容易操作、操作的技术门坎较低的一种光学量测设备。

请参照下方表格，本实验例的操作条件为：致动器133以转速800PPS驱动参考镜(扫描速度V_r为100mm/s)，待测物E的折射率n为1.9。在不导入任何修正时，待测物的厚度(待测物为角膜)三次的量测结果分别为381.6微米、304.6微米以及440.1微米，其标准差为68微米，从表格中可清楚看出，分别导入简化公式修正(仅进行都卜勒修正)或者导入一般修正(考虑都卜勒以及相对论修正)都会降低标准差，换言之，经过修正可使得量测结果较不受待测物E相对光源模块10的相对振动情况影响。

以下为分别于不同的扫描速度的情况下进行量测的结果，从下述修正结果中亦可看出，导入修正后确实可降低待测物E相对光源模块10的相对振动的影响。

且，虽以上以应用于眼球量测作为例示，本实施例除了可用量测角膜厚度以及视网膜等等的结构的厚度，以外亦可应用于任何光可穿透介质(例如量测皮肤下微血管)的厚度量测。

综上所述，本发明可透过光源模块与感测单元，计算出光学量测装置与待测物的相对速度值，并依据参考镜组的扫描速度与相对速度计算出待测物的厚度，透过此修正，以排除、降低光学量测装置与待测物相对振动、量测过程中的环境干扰对量测精度的影响，以达到提高量测精度。

此外，本发明亦可使得光学量测装置不须额外装设或设计抗震结构，简化光学量测装置的设计、降低成本。且，本发明透过既有的光学量测设备的架构，进行量测以及修正，仅须于处理单元内导入修正，即可在不须额外装设补正单元亦不须汰换既有设备的情况下，大幅的改善量测精度，实为经济且效果显著。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求中。

Claims (9)

1.一种光学量测装置，其包括：

一光源模块，提供一第一光线以及一第二光线；

一感测单元；

一参考镜组，其包括一致动器以及一参考镜，所述致动器以一扫描速度带动所述参考镜往复移动；

一光耦合模块，将所述第一光线传递至所述参考镜组以及一待测物；以及

一处理单元；

其中，所述光源模块传递所述第一光线至所述光耦合模块，所述光耦合模块将部份所述第一光线传递至所述待测物、部份所述第一光线传递至所述参考镜组，所述第一光线被所述待测物的表面反射后依序传递至所述光耦合模块及所述处理单元，所述第一光线被所述参考镜组反射后依序传递至所述光耦合模块及所述处理单元，

其中，所述光源模块传递所述第二光线至所述待测物，所述第二光线被所述待测物的表面反射后传递至所述感测单元，据此所述感测单元传递一感测信号给所述处理单元，所述处理单元依据所述感测信号提供一相对速度值，依据所述相对速度值与所述参考镜组的所述扫描速度，计算所述厚度。

2.如权利要求1所述的光学量测装置，其中所述厚度由所述扫描速度与所述相对速度值相加后除以所述待测物折射率的积分所产生。

3.如权利要求2所述的光学量测装置，其中所述处理单元利用以下的公式计算所述厚度L：

$L={\∫}_0^T\frac{\mathrm{Vr}+\mathrm{Vs}}{n}\mathrm{dt}$

其中，V_r是所述扫描速度，V_S为所述相对速度值，n为所述待测物折射率。

4.如权利要求1所述的光学量测装置，其中所述处理单元利用以下的公式计算所述厚度L：

$\begin{array}{cc}L=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\frac{\mathrm{Vr}}{n}*\{1+(\sqrt{\left(\frac{1+\mathrm{\β}}{1-\mathrm{\β}}\right)}-1)/n\}\mathrm{dt}& \mathrm{\β}=\frac{n*\mathrm{Vs}}{\mathrm{Vr}}\end{array}$

其中，V_r是所述扫描速度，V_S为所述相对速度值，n为所述待测物折射率。

5.如权利要求1所述的光学量测装置，其中于一第一时序，被所述待测物反射的所述第一光线与被所述参考镜组反射的所述第一光线产生建设性干涉，据此所述处理单元提供一第一光程差，于一第二时序，所述待测物反射的所述第一光线与被所述参考镜组反射的所述第一光线产生建设性干涉，据此所述处理单元提供一第二光程差，依据所述第一与所述第二光程差，所述处理单元得以计算所述第一时序与所述第二时序的时间差。

6.一种光学量测方法，用于一光学量测装置，且所述光学量测装置的一参考镜组具有一扫描速度，其方法的步骤更包括：

藉由一光源模块提供一光线至一待测物表面；

所述光线被所述待测物表面反射并传递至一感测单元，

所述感测单元传递一感测信号给一处理单元，所述感测信号包括所述光线移动速度；

所述处理单元依据所述感测信号提供所述光源模块与所述待测物表面的一相对速度值；

依据所述相对速度值与所述扫描速度，计算出所述待测物的一厚度。

7.如权利要求6所述的光学量测方法，其中步骤更包括：

依据所述扫描速度与所述相对速度值相加后除以所述待测物折射率的积分，以计算所述厚度。

8.如权利要求7所述的光学量测方法，其中所述厚度L为：

$L={\∫}_0^T\frac{\mathrm{Vr}+\mathrm{Vs}}{n}\mathrm{dt}$

其中，V_r是所述扫描速度，V_S为所述相对速度值，n为所述待测物折射率。

9.如权利要求6所述的光学量测方法，其中所述厚度L为：

$\begin{array}{cc}L=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\frac{\mathrm{Vr}}{n}*\{1+(\sqrt{\left(\frac{1+\mathrm{\β}}{1-\mathrm{\β}}\right)}-1)/n\}\mathrm{dt}& \mathrm{\β}=\frac{n*\mathrm{Vs}}{\mathrm{Vr}}\end{array}$

其中，V_r是所述扫描速度，V_S为所述相对速度值，n为所述待测物折射率。