CN111987079A - 发光装置、发光方法、光谱仪及光谱检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光谱仪及其所使用的一种发光装置，发光装置至少包含：复数个各放射具有一发光峰值波长及一波长范围的光的发光元件，相邻的二个发光峰值波长所对应的二个发光元件的波长范围部分重叠，或者相邻的二个发光峰值波长所对应的二个发光元件的波长范围不重叠；并且复数个发光元件能够分别呈现一明灭频率的非连续发光。本发明还依据前述的发光装置及光谱仪，提供一种发光方法及一种光谱检测方法，能够将背景杂讯的频域讯号舍弃并留下待测物光谱讯号的频域讯号，以达到滤波效果而使得测试精准，以及取代传统光谱仪在波长解析度的特性。
Description
技术领域
本发明关于一种发光装置，尤其是指能够选择发光二极管放射的光的波长范围、相邻的发光峰值波长(light emission peak wavelength)差异范围、波长半高宽(Full-Width at Half-Maximum，FWHM)的范围及明灭频率(lighting frequency)的发光装置、发光方法、光谱仪及光谱检测方法。
背景技术
光谱仪可以用来测量穿透物体的透射光或测量物体表面的反射光，而传统的光谱仪(spectrophotometer，又可称为分光光度计)通常包含有光源及单光器(monochromator)，其中光源可以采用卤素气体充填的钨丝灯(卤钨灯)以产生发射光谱约在320nm~2500 nm的Vis-nearIR(可见光-近红外光)呈连续光谱的光，接着再由棱镜(prism)或光栅(grating)所构成的单光器选择特定波长的单色光以供试样(或称待测物)的吸光或反射测定，这当然也包含可以在设定的波长范围内连续扫描，以进行试样的吸收光谱或反射光谱的分析。然而，就如同中国发明专利授权公告第CN101236107B号所述钨丝灯的众多问题之外，由于钨丝灯发热量大且温度高的因素，当利用钨丝灯做为光源而进行例如农产品、食品、医药品、石化产品的有机产品检测时，高温会对有机试样造成质变，因而严重影响检测结果。前述第CN101236107B号专利所揭示的技术也可为本发明所引用。
前述第CN101236107B号专利揭露复数个发光二极管(Light-emitting diode，LED)做为光谱仪的光源，每个LED发射不同波长范围的单色光谱，除了将前述复数个LED组合成连续光谱之外，还可以依据设计当只需要某一波长范围的单色光时，只需要点亮该波长范围所对应的LED即可，所以既可以同时点亮复数个LED合成连续光谱，也可以依所需扫描的波长范围而依序点亮所对应的LED。然而，前述第CN101236107B号专利是将复数个LED的发射光线聚焦在单色器的入射狭缝上，因此并无法解决单色器造价高昂及系统复杂的问题。中国实用新型专利授权公告第CN205388567U号则是揭露使用复数个LED及光纤的组合以避免使用单色器，另外又使用全反射镜增加测量光程以提高检测试样的效率。前述第CN101236107B号专利所揭示的技术也可为本发明所引用。另外，中国发明专利公开第CN109932335A号也揭露了类似的技术。
前述三篇专利虽然改善了传统光谱仪的光源发热及单色器昂贵的问题，然而前述第三篇专利使用LED阵列做为光源的光谱仪(spectroscopy)的波长解析度(通常大于10nm)比传统使用卤钨灯及单光器的光谱仪的波长解析度(通常为1nm)还低，这导致了使用LED阵列做为光源的前述三篇专利在正确解析试样的光谱图上的疑虑。前述三篇专利的另一个问题是无法进一步提高讯噪比(讯号噪音比或讯号杂讯比，Signal-to-noise ratio，SNR或S/N，也称讯杂比)，前述三篇专利的LED阵列只是用来取代卤钨灯做为光源，除此之外并没有改变光源的其他操作方式，因此显然地对于从光源端所导致的SNR并无改善，所以前述三篇专利并无法进一步提高SNR。
发明内容
本发明的主要目的即在于提供由彼此发射不同波长范围的复数个LED所构成的一种发光装置及由该发光装置所构成的一种光谱仪，本发明的光谱仪对于试样的解析结果接近于使用传统卤钨灯光谱仪的高解析结果，而且同时提高了试样检测结果光谱图中的讯杂比，以达到测试精准的效果。
本发明所采用的技术手段如下所述。
为达上述目的，本发明的一种发光装置，至少包含：复数个各放射具有一发光峰值波长及一波长范围的光的发光元件；其中，相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件的该等波长范围部分重叠以形成较该等发光元件中的各者的该波长范围宽的一连续波长范围，或者相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件的该等波长范围不重叠；相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为大于或等于1nm，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为大于0nm且小于或等于60nm。
在本发明的一实施例中，该发光元件为发光二极管、垂直共振腔面射型雷射或雷射二极管。
在本发明的一实施例中，复数个该发光元件能够分别呈现一明灭频率的非连续发光，复数个该明灭频率可以是彼此相同或彼此不同，或者复数个该明灭频率可以是部分相同或部分不同。
在本发明的一实施例中，该明灭频率是介于0.05次/秒至500次/秒之间。
在本发明的一实施例中，该明灭频率中开启该发光元件的时间区间为介于0.001秒至10秒之间。
在本发明的一实施例中，该明灭频率中关闭该发光元件的时间区间为介于0.001秒至10秒之间。
在本发明的一实施例中，相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为介于1nm至80nm之间。
在本发明的一实施例中，相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为介于5nm至80nm之间。
在本发明的一实施例中，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为介于15nm至50nm之间。
在本发明的一实施例中，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为介于15nm至40nm之间。
为达上述目的，本发明又提供一种光谱仪，至少包含一光源控制器、前述该发光装置、一光侦测器及一计算器；该光源控制器与该发光装置电性连接，该光侦测器与该计算器电性连接，该光侦测器接收来自该发光装置发射的一光线，且该光线在该发光装置与该光侦测器之间的行进路径形成一光路。
在本发明的一实施例中，一数学分析模组设置于该光侦测器或该计算器，该数学分析模组与该光侦测器电性或讯号连接，或该数学分析模组与该计算器电性或讯号连接，而所述该数学分析模组是软体或硬体型态，该光侦测器所收集到的讯号被传送到该数学分析模组；该明灭频率中开启该发光元件的时间区间，该光侦测器所接收到的讯号为一待测物光谱讯号与一背景杂讯的结合；该明灭频率中关闭该发光元件的时间区间，该光侦测器所接收到的讯号为该背景杂讯；该待测物光谱讯号及该背景杂讯构成一待测物时域讯号，该数学分析模组包含将该待测物时域讯号转换为一待测物频域讯号的一时域频域转换单元。
在本发明的一实施例中，该时域频域转换单元是用以将该待测物时域讯号进行傅立叶转换为该待测物频域讯号的一傅立叶转换单元。
在本发明的一实施例中，该待测物频域讯号包含该待测物光谱讯号的频域讯号及该背景杂讯的频域讯号，该数学分析模组能够将该背景杂讯的频域讯号舍弃并留下该待测物光谱讯号的频域讯号，该数学分析模组包含将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号转换为一滤波后待测物时域讯号的一频域时域转换单元。
在本发明的一实施例中，该频域时域转换单元是能够将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号进行傅立叶反转换为该滤波后待测物时域讯号的一傅立叶反转换单元。
本发明又提供一种发光方法，依序包含以下步骤：一提供发光元件步骤：提供复数个各放射具有一发光峰值波长及一波长范围的光的发光元件，相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件的该等波长范围部分重叠以形成较该等发光元件中的各者的该波长范围宽的一连续波长范围，或者相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件的该等波长范围不重叠；相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为大于或等于1nm，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为大于0nm且小于或等于60nm；一发光步骤：分别控制并使得复数个该发光元件分别呈现一明灭频率的非连续发光，该明灭频率是介于0.05次/秒至500次/秒之间，该明灭频率中开启该发光元件的时间区间为介于0.001秒至10秒之间，该明灭频率中关闭该发光元件的时间区间为介于0.001秒至10秒之间。
本发明又提供一种光谱检测方法，包含前述发光方法，该光谱检测方法更包含一滤波步骤，接收一待测物光谱讯号及一背景杂讯，该明灭频率中开启该发光元件的时间区间，所接收到的讯号为该待测物光谱讯号与该背景杂讯的结合，该明灭频率中关闭该发光元件的时间区间，所接收到的讯号为该背景杂讯，该待测物光谱讯号及该背景杂讯构成一待测物时域讯号，将该待测物时域讯号进行傅立叶转换为一待测物频域讯号，该待测物频域讯号被区分为该待测物光谱讯号的频域讯号及该背景杂讯的频域讯号，接着将该背景杂讯的频域讯号舍弃并留下该待测物光谱讯号的频域讯号。
在本发明的一实施例中，该光谱检测方法更包含一反转换步骤，该反转换步骤是将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号进行傅立叶反转换为一滤波后待测物时域讯号。
本发明运用复数个发光元件，使其相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为大于或等于1nm，以及利用各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为大于0nm且小于或等于60nm，并且复数个该发光元件能够分别呈现一明灭频率的非连续发光，将该待测物时域讯号进行傅立叶转换为该待测物频域讯号，并将该待测物频域讯号区分为该待测物光谱讯号的频域讯号及该背景杂讯的频域讯号，接着将该背景杂讯的频域讯号舍弃并留下该待测物光谱讯号的频域讯号，以达到滤波效果而使得测试精准，以及达到本发明的发光装置及光谱仪在波长解析度的特性能够取代传统光谱仪在波长解析度的特性。
附图说明
图1是本发明发光装置及光谱仪的实施方式示意图(一)。
图2是本发明第一实施例的发光二极管的放射光谱图。
图3是本发明第二实施例的发光二极管的放射光谱图。
图4是本发明第三实施例的发光二极管的放射光谱图。
图5A是本发明发光装置及光谱仪的实施方式示意图(一)。
图5B是本发明发光装置及光谱仪的实施方式示意图(二)。
图6A是本发明光谱仪所测得的待测物时域讯号图。
图6B是本发明光谱仪将待测物时域讯号进行傅立叶转换后的待测物频域讯号图。
图6C是本发明光谱仪将经过滤波效果后所留下的待测物光谱讯号的频域讯号进行傅立叶反转换后的滤波后待测物时域讯号图。
图7A是比较例1使用传统光谱仪所测得的氧化锌及氧化锌混合氧化铁反射光谱图。
图7B是应用例1使用本发明光谱仪所测得的氧化锌及氧化锌混合氧化铁反射光谱图。
图7C是应用例2使用本发明光谱仪所测得的氧化锌及氧化锌混合氧化铁反射光谱图。
图7D是应用例3使用本发明光谱仪所测得的氧化锌及氧化锌混合氧化铁反射光谱图。
图8是本发明发光方法的步骤流程图。
图9是本发明光谱检测方法的步骤流程图。
图号说明：
1 光谱仪
11 光源控制器
111 微控制器
112 时脉产生器
12 发光装置
120 电路板
121 第一发光二极管
1211 第四发光二极管
122 第二发光二极管
1221 第五发光二极管
123 第三发光二极管
13 光侦测器
14 计算器
A 待测物
L 光线
M 数学分析模组
M1 时域频域转换单元
M2 频域时域转换单元
R 光路
S01 提供发光元件步骤
S02 发光步骤
S03 滤波步骤
S04 反转换步骤。
具体实施方式
首先，请参阅图1的第一实施例，本发明的一种发光装置12适用于一光谱仪1，该光谱仪1包含一光源控制器11、该发光装置12、一光侦测器13及一计算器14。该光源控制器11分别与该发光装置12及一外部电源(图未绘出)电性连接，该光侦测器13与该计算器14电性连接，该光侦测器13接收来自该发光装置12发射的一光线L，且该光线L在该发光装置12与该光侦测器13之间的行进路径形成一光路R，该光侦测器13例如可以是光电倍增管(photomultiplier)、光导电度侦测器(photoconducting detector)、硅热辐射侦测器(Sibolometer)。一待测物A是被置放于该光路R，该光路R穿透该待测物A或该光路R在该待测物A的表面形成反射。在图1中，是以该光路R穿透该待测物A为举例，以测得该待测物A的吸收光谱。另外，在该光路R在该待测物A的表面形成反射的实施态样中，是测得该待测物A的反射光谱。该光侦测器13将光线L转换成一待测物光谱讯号并将该待测物光谱讯号传送至该计算器14，该计算器14将该待测物光谱讯号转换后形成一待测物光谱图，该计算器14例如为个人电脑、笔记型电脑或电脑伺服器。
该发光装置12，至少包含：复数个各放射具有一发光峰值波长(light emissionpeak wavelength)及一波长范围的光的发光元件，该发光峰值波长或该波长范围是介于300nm至2500nm之间，其中该发光元件可以是发光二极管、垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)或雷射二极管(Laser Diode，LD)。以下实施例的该发光元件是以发光二极管为举例，这是为了说明方便起见，而非以本发明所举例发光二极管为限，且熟知此技艺者当知道该发光元件的态样：发光二极管、垂直共振腔面射型雷射或雷射二极管在本发明中是可以互相替换，并不会影响本发明的实际实施。于图1的实施例中，该发光装置12包含三个发光二极管，分别为放射具有一第一波长范围的一第一光线的一第一发光二极管121、放射具有一第二波长范围的一第二光线的一第二发光二极管122及放射具有一第三波长范围的一第三光线的一第三发光二极管123，该第一光线在该第一波长范围内具有一第一发光峰值波长，该第二光线在该第二波长范围内具有一第二发光峰值波长，该第三光线在该第三波长范围内具有一第三发光峰值波长。该第一发光二极管121、该第二发光二极管122及该第三发光二极管123与该发光装置12的一电路板120电性连接，该电路板120与该光源控制器11电性连接，换言之，该光源控制器11与该第一发光二极管121、该第二发光二极管122及该第三发光二极管123电性连接，且该光源控制器11能够分别控制该第一发光二极管121、该第二发光二极管122及该第三发光二极管123的开或关(明或灭，通电或不通电)，也就是说该光源控制器11能够分别控制复数个该发光二极管的开或关(明或灭)。较佳地，该光源控制器11能够分别控制并使得该第一发光二极管121、该第二发光二极管122及该第三发光二极管123分别连续发光或分别非连续发光，也就是说该光源控制器11能够分别控制并使得复数个该发光二极管分别连续发光或分别非连续发光。更佳地，该光源控制器11能够分别控制并使得该第一发光二极管121、该第二发光二极管122及该第三发光二极管123分别呈现一明灭频率的非连续发光，也就是说该光源控制器11能够分别控制并使得复数个该发光二极管能够分别呈现一明灭频率的非连续发光，复数个该明灭频率可以是彼此相同或彼此不同，或者复数个该明灭频率可以是部分相同或部分不同。例如，该光源控制器11包含与该外部电源电性连接的一微控制器(Microcontroller Unit)111及与该微控制器111电性连接的一时脉产生器(clockgenerator)112，该明灭频率由该时脉产生器112产生后将该明灭频率的讯号传送至该微控制器111，再由该微控制器111依据该明灭频率以开或关与该微控制器111分别电性连接的复数个该发光二极管(例如该第一发光二极管121、该第二发光二极管122及该第三发光二极管123)。特别说明的是，该时脉产生器112也可以是整合于该微控制器111内的以产生该明灭频率的一时脉产生模组，该时脉产生模组可以是软体或硬体型态，如此便不需要在该微控制器111外部另外设置该时脉产生器112。特别说明的是，当然，依据上述该光源控制器11的技术特征，也可以依据实际需求而同时将复数个该发光二极管开或关，或者依选择地只将一个或部分的该发光二极管开或关，或者将复数个该发光二极管依序开或关，或者将上述方式的任一种以该明灭频率方式开或关。
请一并参阅图2，相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光二极管的该等波长范围部分重叠以形成较该等发光二极管中的各者的该波长范围宽的一连续波长范围，该连续波长范围是介于300nm至2500nm之间。在图2中共有三个发光峰值波长及所对应的波长范围，分别为该第一光线的该第一发光峰值波长(734nm)所对应的该第一波长范围、该第二光线的该第二发光峰值波长(810nm)所对应的该第二波长范围及该第三光线的该第三发光峰值波长(882nm)所对应的该第三波长范围。该第一发光峰值波长与该第二发光峰值波长是相邻的二个发光峰值波长，同样地该第二发光峰值波长与该第三发光峰值波长也是相邻的二个发光峰值波长。该第一发光峰值波长所对应的该第一波长范围为介于660nm至780nm之间，该第二光线的该第二发光峰值波长所对应的该第二波长范围为介于710nm至850nm，该第一波长范围与该第二波长范围在710nm至780nm之间呈现部分重叠，因此该第一波长范围与该第二波长范围共同形成660nm至850nm之间的该连续波长范围。同样地，该第二发光峰值波长所对应的该第二波长范围为介于710nm至850nm，该第三光线的该第三发光峰值波长所对应的该第三波长范围为介于780nm至940nm，该第二波长范围与该第三波长范围在780nm至850nm之间呈现部分重叠，因此该第二波长范围与该第三波长范围共同形成710nm至940nm之间的该连续波长范围。在本发明中，相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光二极管的该等波长范围的重叠部分，以重叠愈少则愈佳。当然，相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光二极管的该等波长范围也可以不重叠，这将于后文中说明。
相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为大于或等于1nm，较佳地为介于1nm至80nm之间，更佳地为介于5nm至80nm之间。在图2中，相邻的该第一发光峰值波长(734nm)与该第二发光峰值波长(810nm)彼此相差为76nm，而相邻的该第二发光峰值波长(810nm)与该第三发光峰值波长(882nm)彼此相差为72nm。除了有特别说明之外，本发明及专利范围所述的数值范围的限定总是包括端值，例如前述相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为介于5nm至80nm之间，是指大于或等于5nm而且小于或等于80nm。
请一并参阅图3的第二实施例，第二实施例是第一实施例的衍生实施例，因此第二实施例与第一实施例相同之处就不再赘述。第二实施例与第一实施例不同之处在于第二实施例的该发光装置12包含五个发光二极管，分别为放射具有该第一发光二极管121、放射具有一第四波长范围的一第四光线的一第四发光二极管1211、该第二发光二极管122、放射具有一第五波长范围的一第五光线的一第五发光二极管1221及该第三发光二极管123，该第四光线在该第四波长范围内具有一第四发光峰值波长(772nm)，该第五光线在该第五波长范围内具有一第五发光峰值波长(854nm)。在图3中，发光峰值波长由小至大依序为该第一发光峰值波长(734nm)、该第四发光峰值波长(772nm)、该第二发光峰值波长(810nm)、该第五发光峰值波长(854nm)及该第三发光峰值波长(882nm)，相邻的该第一发光峰值波长(734nm)与该第四发光峰值波长(772nm)彼此相差为38nm，相邻的该第四发光峰值波长(772nm)与该第二发光峰值波长(810nm)彼此相差为38nm，相邻的该第二发光峰值波长(810nm)与该第五发光峰值波长(854nm)彼此相差为44nm，相邻的该第五发光峰值波长(854nm)与该第三发光峰值波长(882nm)彼此相差为28nm。
请一并参阅图4的第三实施例，第三实施例是第一实施例及第二实施例的衍生实施例，因此第三实施例与第一实施例及第二实施例相同之处就不再赘述。第三实施例与第一实施例不同之处在于第二实施例的该发光装置12包含12个发光二极管，在图4中，12个发光二极管的发光峰值波长由小至大依序为734nm(该第一发光峰值波长)、747nm、760nm、772nm(该第四发光峰值波长)、785nm、798nm、810nm(该第二发光峰值波长)、824nm、839nm、854nm(该第五发光峰值波长)、867nm及882nm(该第三发光峰值波长)。该12个发光二极管的发光峰值波长之中，相邻的二个该发光峰值波长彼此相差依序分别为13nm、13nm、12nm、13nm、13nm、12nm、14nm、15nm、15nm、13nm及15nm。如果于实施例一、实施例二及实施例三中的该发光元件是改用雷射二极管，相邻的二个该发光峰值波长彼此相差可以为大于或等于1nm，例如为1nm。
各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为大于0nm且小于或等于60nm，例如前述实施例一、实施例二及实施例三中发光峰值波长由小至大依序为734nm(该第一发光峰值波长)、747nm、760nm、772nm(该第四发光峰值波长)、785nm、798nm、810nm(该第二发光峰值波长)、824nm、839nm、854nm(该第五发光峰值波长)、867nm及882nm(该第三发光峰值波长)，该第一光线的该第一发光峰值波长所对应的波长半高宽、该第二光线的该第二发光峰值波长所对应的波长半高宽、该第三光线的该第三发光峰值波长所对应的波长半高宽、该第四光线的该第四发光峰值波长所对应的波长半高宽及该第五光线的该第五发光峰值波长所对应的波长半高宽为大于0nm且小于或等于60nm，较佳为介于15nm至50nm之间，更佳为介于15nm至40nm之间。其余未说明的747nm、760nm、785nm、798nm、824nm、839nm及867nm发光峰值波长所对应的波长半高宽(图4)也是为大于0nm且小于或等于60nm，较佳为介于15nm至50nm之间，更佳为介于15nm至40nm之间。于本发明的实验操作时，前述实施例一、实施例二及实施例三中的发光峰值波长所对应的波长半高宽为55nm；如果该发光元件是雷射二极管，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为大于0nm且小于或等于60nm，例如为1nm。
前述相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光二极管的该等波长范围也可以不重叠，例如如果前述实施例一、实施例二及实施例三中的各发光峰值波长所对应的波长半高宽为15nm，各发光峰值波长所对应的该波长范围的宽度(也就是该波长范围的最大值与最小值的差)为40nm，相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为80nm。又例如如果该发光元件是雷射二极管，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为1nm，该波长范围的宽度为4nm，相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为5nm，则相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件(雷射二极管)的该等波长范围不重叠。
较佳地，于实施例一、实施例二及实施例三操作该光谱仪1进行该待测物A的检测以产生该待测物光谱图时，如前所述该光源控制器11能够分别控制并使得复数个该发光二极管分别呈现该明灭频率的非连续发光，复数个该明灭频率可以是彼此相同或彼此不同，或者复数个该明灭频率可以是部分相同或部分不同，前述该明灭频率是介于0.05次/秒至500次/秒之间，该明灭频率中开启(点亮)该发光二极管的时间区间为介于0.001秒至10秒之间，该明灭频率中关闭(熄灭)该发光二极管的时间区间为介于0.001秒至10秒之间，该明灭频率的周期是指接续的一次开启(点亮)该发光二极管的时间区间及关闭(熄灭)该发光二极管的时间区间的和，该明灭频率的周期是该明灭频率的倒数；换言之，该明灭频率的周期可以被理解为将复数个该发光二极管连续点亮一点亮时间区间并立即无间断地连续熄灭一熄灭时间区间的和，该点亮时间区间为介于0.001秒至10秒之间，该熄灭时间区间为介于0.001秒至10秒之间。较佳地，该明灭频率是介于0.5次/秒至500次/秒之间；更佳地，该明灭频率是介于5次/秒至500次/秒之间。复数个该发光二极管呈现非连续发光的样态可以大幅降低该待测物A被该发光二极管所放射的光的热能所影响，避免含有有机管的该待测物A产生质变，因此尤其适合对于热能敏感的该待测物A，更尤其适合于该发光二极管所放射该波长范围的光为近红外光。一数学分析模组M设置于该光侦测器13(图5A)或该计算器14(图5B)，该数学分析模组M与该光侦测器13(图5A)电性或讯号连接，或该数学分析模组M与该计算器14(图5B)电性或讯号连接，而所述该数学分析模组M可以是软体或硬体型态，该光侦测器13所收集到的讯号系被传送到该数学分析模组M。当操作该光谱仪1进行该待测物A的检测以产生该待测物光谱图时，复数个该发光二极管可以以相同的该明灭频率同时开或关，该明灭频率中开启(点亮)该发光二极管的时间区间，该光侦测器13所接收到的讯号为该待测物光谱讯号及一背景杂讯(或称为背景噪音)的结合，而该明灭频率中关闭(熄灭)该发光二极管的时间区间，该光侦测器13所接收到的讯号为该背景杂讯。请一并参阅图6A，其为以该明灭频率的非连续发光方式操作该光谱仪1进行该待测物A的检测，该待测物光谱讯号与该背景杂讯的结合及该背景杂讯所构成的一待测物时域(time domain)讯号及一待测物时域讯号图。该光侦测器13所收集到的前述该待测物光谱讯号及该背景杂讯被传送到该数学分析模组M，该数学分析模组M对于前述该待测物时域讯号进行处理而将该背景杂讯舍弃，例如该数学分析模组M包含将该待测物时域讯号转换为一待测物频域(frequency domain)讯号的一时域频域转换单元M1(图5A)，该时域频域转换单元M1可以是用以将该待测物时域讯号进行傅立叶转换(Fourier transform)为该待测物频域讯号的一傅立叶转换单元，转换后的该待测物频域讯号及一待测物频域讯号图请参见图6B，该待测物频域讯号很容易被区分为该待测物光谱讯号的频域讯号及该背景杂讯的频域讯号。在图6B中，位于0Hz的峰值的频域讯号或小于该明灭频率的频域讯号，即为该背景杂讯的频域讯号；而在图6B中，除了位于0Hz的峰值的频域讯号(该背景杂讯的频域讯号)，其余剩下的峰值的讯号即为该待测物光谱讯号的频域讯号。较佳地，在该待测物频域讯号中，大于或等于该明灭频率的频域讯号即为该待测物光谱讯号的频域讯号。该数学分析模组M将该背景杂讯的频域讯号舍弃并留下该待测物光谱讯号的频域讯号，以达到滤波效果。由于该数学分析模组M将该背景杂讯的频域讯号舍弃，因此留下的该待测物光谱讯号的频域讯号完全是属于该待测物而不包含该背景讯号，所以相对于传统光谱仪而言，本发明的该光谱仪1不仅提高该待测物在光谱中的讯杂比，本发明的该光谱仪1甚至因为将该背景杂讯的频域讯号舍弃以进行滤波，所以可以达到无背景杂讯的光谱。请再度参阅图5A及图5B，该光源控制器11的该微控制器111可以与该数学分析模组M电性或讯号连接，以同步将该明灭频率、该明灭频率中开启(点亮)该发光二极管的时间区间及该明灭频率中关闭(熄灭)该发光二极管的时间区间传送给该数学分析模组M，以使得该微控制器111依据该明灭频率、该明灭频率中开启(点亮)该发光二极管的时间区间及该明灭频率中关闭(熄灭)该发光二极管的时间区间以开或关与该微控制器111分别电性连接的复数个该发光二极管之时，该数学分析模组M能够将该明灭频率中开启(点亮)该发光二极管的时间区间对应为该待测物光谱讯号，以及该数学分析模组M能够将该明灭频率中关闭(熄灭)该发光二极管的时间区间对应为该背景杂讯。
特别说明的是，复数个该发光二极管呈现该明灭频率的非连续发光的波形为方波、正弦波或负弦波。
另外，该数学分析模组M也可以对于前述经过滤波效果所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号进行处理，而将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号转换为一滤波后待测物时域讯号及一滤波后待测物时域讯号图，其中该滤波后待测物时域讯号之中只存在一滤波后待测物光谱讯号，而不存在该背景杂讯。例如，该数学分析模组M包含将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号转换为一滤波后待测物时域讯号的一频域时域转换单元M2(图5B)，该频域时域转换单元M2可以是用以将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号进行傅立叶反转换(inverse Fourier Transform)为该滤波后待测物时域讯号的一傅立叶反转换单元，转换后的该滤波后待测物时域讯号及该滤波后待测物时域讯号图请参见图6C。比较图6A及图6C可以显然地看出，在图6C中该滤波后待测物时域讯号图之中的该滤波后待测物时域讯号只存在该滤波后待测物光谱讯号而且呈现为方形波，而且该滤波后待测物时域讯号图之中已经不存在任何该背景杂讯。换言之，在图6C中背景讯号为零，所以如果将该滤波后待测物光谱讯号的值除以背景讯号的值，所得到的讯杂比将呈现无限大；因此，本发明提高了试样(待测物)检测结果光谱图中的讯杂比，可以达到测试精准的效果。特别说明的是，所述该数学分析模组M、该时域频域转换单元M1及该频域时域转换单元M2可以分别是软体或硬体型态，或上述软体或硬体型态的组合；该数学分析模组M、该时域频域转换单元M1及该频域时域转换单元M2彼此以电性或讯号连接。
[比较例与应用例的波长解析度测试]
比较例1是使用台湾超微光学公司所生产以卤钨灯为光源并以光栅得到1nm波长解析度的SE-2020-050-VNIR型号的传统光谱仪，对表面涂布有氧化锌涂料的5cm长、5cm宽、0.2厚的片状PVC(聚氯乙烯，Polyvinyl Chloride)板及表面涂布有氧化锌混合氧化铁涂料的5cm长、5cm宽、0.2厚的片状PVC板两种不同物质进行氧化锌涂料及氧化锌混合氧化铁涂料反射光谱讯号的检测，然后依据取得的光谱影像资料，运用相似(差异)性处理分析技术，亦即光谱角度匹配(Spectral Angle Match或Spectral Angle Mapping，简称SAM)处理分析技术，来进行氧化锌及氧化锌混合氧化铁两种不同物质的相似度分析，经SAM分析结果为96.00%(图7A)。
应用例1、2及3分别是使用实施例一、二及三的发光装置及光谱仪，明灭频率约为90.90次/秒、该明灭频率中开启(点亮)该发光二极管的时间区间为1毫秒(1ms)、该明灭频率中关闭(熄灭)该发光二极管的时间区间为10毫秒(10ms)及使用与前述台湾超微光学公司的SE-2020-050-VNIR型号相同的光侦测器，分别对涂布有氧化锌涂料的5cm长、5cm宽、0.2厚的片状PVC板及涂布有氧化锌混合氧化铁涂料的5cm长、5cm宽、0.2厚的片状PVC板两种不同物质进行氧化锌涂料及氧化锌混合氧化铁涂料反射光谱讯号的检测，然后依据取得的光谱影像资料，用SAM处理分析技术，来进行氧化锌及氧化锌混合氧化铁两种不同物质的相似度分析，经SAM分析结果分别为97.69%(图7B)、97.48%(图7C)及96.54%(图7D)，皆接近于比较例1传统光谱仪的96.00%，因此实施例一、二及三的发光装置及光谱仪的波长解析度的特性相近于传统光谱仪。所以，应用例1、2及3所使用实施例一、二及三的发光装置及光谱仪在波长解析度的特性，能够取代传统光谱仪在波长解析度的特性。
因此，依据前述该发光装置12及该光谱仪1，请参阅图8，本发明提供一种发光方法，依序包含以下一提供发光元件步骤S01及一发光步骤S02。
该提供发光元件步骤S01：提供复数个各放射具有一发光峰值波长及一波长范围的光的发光元件，相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件的该等波长范围部分重叠以形成较该等发光元件中的各者的该波长范围宽的一连续波长范围，或者相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件的该等波长范围不重叠；相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为大于或等于1nm，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为大于0nm且小于或等于60nm。该发光元件可以为发光二极管、垂直共振腔面射型雷射或雷射二极管。较佳地相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为介于1nm至80nm之间，更佳地相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为介于5nm至80nm之间。较佳地各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为介于15nm至50nm之间，更佳地各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为介于15nm至40nm之间。
该发光步骤S02：分别控制并使得复数个该发光元件分别呈现一明灭频率的非连续发光，该明灭频率是介于0.05次/秒至500次/秒之间，该明灭频率中开启该发光元件的时间区间为介于0.001秒至10秒之间，该明灭频率中关闭该发光元件的时间区间为介于0.001秒至10秒之间。较佳地，该明灭频率是介于0.5次/秒至500次/秒之间；更佳地，该明灭频率是介于5次/秒至500次/秒之间。
又依据前述该发光装置12、该光谱仪1及该发光方法，请一并参阅图9，本发明提供一种光谱检测方法，除了依序包含该发光方法的该提供发光元件步骤S01及该发光步骤S02之外，该光谱检测方法在该发光步骤S02之后还接续依序包含了一滤波步骤S03及一反转换步骤S04。
该滤波步骤S03：接收一待测物光谱讯号及一背景杂讯，该明灭频率中开启(点亮)该发光元件的时间区间，所接收到的讯号为该待测物光谱讯号与该背景杂讯的结合，该明灭频率中关闭(熄灭)该发光元件的时间区间，所接收到的讯号为该背景杂讯(或称为背景噪音)，该待测物光谱讯号及该背景杂讯构成一待测物时域(time domain)讯号，将该待测物时域讯号进行傅立叶转换(Fourier transform)为一待测物频域讯号，该待测物频域讯号被区分为该待测物光谱讯号的频域讯号及该背景杂讯的频域讯号，接着将该背景杂讯的频域讯号舍弃并留下该待测物光谱讯号的频域讯号，以达到滤波效果。
该反转换步骤S04：将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号进行傅立叶反转换(inverse Fourier Transform)为一滤波后待测物时域讯号。
[讯杂比测试]
应用例4是使用实施例三的发光装置及光谱仪，明灭频率约为100次/秒、该明灭频率中开启(点亮)该发光二极管的时间区间为5毫秒(5ms)、该明灭频率中关闭(熄灭)该发光二极管的时间区间为5毫秒(5ms)，所以该明灭频率的周期为10毫秒(10ms)，以及使用与前述台湾超微光学公司的SE-2020-050-VNIR型号相同的光侦测器，对涂布有氧化锌的5cm长、5cm宽、0.2厚的片状PVC板依照前述该光谱检测方法进行反射光谱讯号的检测。该待测物光谱讯号及该背景杂讯所构成的该待测物时域讯号及该待测物时域讯号图，如图6A，其中复数个该发光二极管呈现该明灭频率的非连续发光的波形为方波。接着该待测物时域讯号经过该滤波步骤的傅立叶转换为该待测物频域讯号及该待测物频域讯号图，如图6B；其中，该待测物频域讯号很容易被区分为该待测物光谱讯号的频域讯号及该背景杂讯的频域讯号，例如该明灭频率的周期为10ms，因此对应频率为100Hz，所以在图6B中频率大于或等于100Hz的频域讯号即为该待测物光谱讯号的频域讯号，而位于0Hz的频域讯号或小于100Hz的频域讯号，即为该背景杂讯的频域讯号，该滤波步骤并将该背景杂讯的频域讯号舍弃并留下该待测物光谱讯号的频域讯号。接着该反转换步骤将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号进行傅立叶反转换为该滤波后待测物时域讯号(图6C中的不连续方波)及该滤波后待测物时域讯号图，如图6C。显然地在图6C中并未出现背景讯号(或者背景讯号可以视为零)，所以讯杂比将呈现无限大，因此达到测试精准的效果。
由上述的说明可知，本发明与现有技术与产品相较之下，本发明所提供的发光装置、发光方法、光谱仪及光谱检测方法，对于试样的解析结果接近于使用传统卤钨灯光谱仪的高解析结果，而且同时提高了试样检测结果光谱图中的讯杂比，确实能够达到测试精准的效果。
Claims (18)
1.一种发光装置，其特征在于，至少包含：复数个各放射具有一发光峰值波长及一波长范围的光的发光元件；其中，相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件的该等波长范围部分重叠以形成较该等发光元件中的各该波长范围宽的一连续波长范围，或者相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件的该等波长范围不重叠；相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为大于或等于1nm，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为大于0nm且小于或等于60nm。
2.如权利要求1所述发光装置，其特征在于，该发光元件为发光二极管、垂直共振腔面射型雷射或雷射二极管。
3.如权利要求2所述发光装置，其特征在于，复数个该发光元件能够分别呈现一明灭频率的非连续发光，复数个该明灭频率是彼此相同或彼此不同，或者复数个该明灭频率是部分相同或部分不同。
4.如权利要求3所述发光装置，其特征在于，该明灭频率是介于0.05次/秒至500次/秒之间。
5.如权利要求4所述发光装置，其特征在于，该明灭频率中开启该发光元件的时间区间为介于0.001秒至10秒之间。
6.如权利要求5所述发光装置，其特征在于，该明灭频率中关闭该发光元件的时间区间为介于0.001秒至10秒之间。
7.如权利要求6所述发光装置，其特征在于，相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为介于1nm至80nm之间。
8.如权利要求7所述发光装置，其特征在于，相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为介于5nm至80nm之间。
9.如权利要求6所述发光装置，其特征在于，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为介于15nm至50nm之间。
10.如权利要求9所述发光装置，其特征在于，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为介于15nm至40nm之间。
11.一种光谱仪，其特征在于，至少包含：一光源控制器(11)、一如权利要求1所述发光装置(12)、一光侦测器(13)及一计算器(14)；该光源控制器(11)与该发光装置(12)电性连接，该光侦测器(13)与该计算器(14)电性连接，该光侦测器(13)接收来自该发光装置(12)发射的一光线(L)，且该光线(L)在该发光装置(12)与该光侦测器(13)之间的行进路径形成一光路(R)。
12.如权利要求11所述光谱仪，其特征在于，一数学分析模组(M)设置于该光侦测器(13)或该计算器(14)，该数学分析模组(M)与该光侦测器(13)电性或讯号连接，或该数学分析模组(M)与该计算器(14)电性或讯号连接，而所述该数学分析模组(M)是软体或硬体型态，该光侦测器(13)所收集到的讯号被传送到该数学分析模组(M)；该明灭频率中开启该发光元件的时间区间，该光侦测器(13)所接收到的讯号为一待测物光谱讯号与一背景杂讯的结合；该明灭频率中关闭该发光元件的时间区间，该光侦测器(13)所接收到的讯号为该背景杂讯；该待测物光谱讯号及该背景杂讯构成一待测物时域讯号，该数学分析模组(M)包含将该待测物时域讯号转换为一待测物频域讯号的一时域频域转换单元(M1)。
13.如权利要求12所述光谱仪，其特征在于，该时域频域转换单元(M1)是用以将该待测物时域讯号进行傅立叶转换为该待测物频域讯号的一傅立叶转换单元。
14.如权利要求12所述光谱仪，其特征在于，该待测物频域讯号包含该待测物光谱讯号的频域讯号及该背景杂讯的频域讯号，该数学分析模组(M)能够将该背景杂讯的频域讯号舍弃并留下该待测物光谱讯号的频域讯号，该数学分析模组(M)包含将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号转换为一滤波后待测物时域讯号的一频域时域转换单元(M2)。
15.如权利要求14所述光谱仪，其特征在于，该频域时域转换单元(M2)是能够将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号进行傅立叶反转换为该滤波后待测物时域讯号的一傅立叶反转换单元。
16.一种发光方法，其特征在于，依序包含以下步骤：
一提供发光元件步骤(S01)：提供复数个各放射具有一发光峰值波长及一波长范围的光的发光元件，相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件的该等波长范围部分重叠以形成较该等发光元件中的各者的该波长范围宽的一连续波长范围，或者相邻的二个该发光峰值波长所对应的二个该发光元件的该等波长范围不重叠；相邻的二个该发光峰值波长彼此相差为大于或等于1nm，各该发光峰值波长所对应的波长半高宽为大于0nm且小于或等于60nm；
一发光步骤(S02)：分别控制并使得复数个该发光元件分别呈现一明灭频率的非连续发光，该明灭频率是介于0.05次/秒至500次/秒之间，该明灭频率中开启该发光元件的时间区间为介于0.001秒至10秒之间，该明灭频率中关闭该发光元件的时间区间为介于0.001秒至10秒之间。
17.一种光谱检测方法，其特征在于，包含一如权利要求16所述发光方法，该光谱检测方法包含：
一滤波步骤(S03)：接收一待测物光谱讯号及一背景杂讯，该明灭频率中开启该发光元件的时间区间，所接收到的讯号为该待测物光谱讯号与该背景杂讯的结合，该明灭频率中关闭该发光元件的时间区间，所接收到的讯号为该背景杂讯，该待测物光谱讯号及该背景杂讯构成一待测物时域讯号，将该待测物时域讯号进行傅立叶转换为一待测物频域讯号，该待测物频域讯号被区分为该待测物光谱讯号的频域讯号及该背景杂讯的频域讯号，接着将该背景杂讯的频域讯号舍弃并留下该待测物光谱讯号的频域讯号。
18.如权利要求17所述光谱检测方法，其特征在于，该光谱检测方法包含一反转换步骤(S04)，该反转换步骤(S04)是将前述所留下的该待测物光谱讯号的频域讯号进行傅立叶反转换为一滤波后待测物时域讯号。
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