TW202014930A - 以彩色相機進行光譜分析之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種使用彩色相機進行光譜分析之方法，包含以下步驟：校正一彩色相機，以取得彩色相機之一量子效率資料庫；使用彩色相機拍攝一檢測區域，檢測區域涵蓋至少一待測物，以取得至少一待測物之一色彩含量數據；以及將色彩含量數據對應至量子效率資料庫，以分析至少一待測物。

Description

以彩色相機進行光譜分析之方法
本發明係關於光譜分析之方法，特別係關於一種使用彩色相機進行光譜分析之方法。
在製造產業的檢測流程中，例如：針對LED、染料等會發出螢光的產品、可能殘留有會發出螢光的物質，通常是採用光譜儀進行產品的檢測、分析以進一步完成品質的篩選。
傳統的光譜儀係採用點掃描或線掃描的方式，以獲取檢測區的資訊，由於透過點掃描或線掃描單次觸發取像所擷取的檢測區的範圍相當小(僅涵蓋產品之部分點狀或線狀區域)，使得欲獲得產品的全部資訊時，需進行相當多次觸發取像並搭配X、Y軸載台掃描產品，而耗費許多時間(即：需要多個檢測區的資訊以取得完整檢測數據)，同時也相應地會產生龐大的資料量，因而不只增加了許多軟體運算所需的時間，也增加分析的困難度。換句話說，於點掃描或線掃描的單次觸發取像中，實際可供用以檢測/分析的資訊量其實很少，且以逐點或逐線觸發掃描擷取影像的方式，亦會使每次擷取的資訊不連續和存有斷層，嚴重影響後續的分析結果。
有鑑於此，如何改善上述的缺失，乃為此業界亟待解決的問題。
本發明之一目的在於提供一種光譜分析之方法，特別係提供一種 使用彩色相機進行光譜分析之方法。
為達上述目的，本發明所提出的光譜分析之方法，包含：校正一彩色相機，以取得彩色相機之一量子效率(Quantum Efficiency；簡稱QE)資料庫；使用彩色相機拍攝一檢測區域，該檢測區域涵蓋至少一待測物，以取得至少一待測物之一色彩含量數據；以及將色彩含量數據對應至量子效率資料庫，以分析該至少一待測物。其中檢測區域涵蓋至少一待測物以供分析。
於一實施例中，校正彩色相機之步驟包含：使用一光束照射彩色相機之影像感測器，光束係為窄頻寬光束，窄頻寬光束可為可調式雷射光束，或是採用一般光源搭配單光儀或濾片等方式來提供。
於一實施例中，使用彩色相機拍攝一檢測區域之步驟包含：使彩色相機搭配一成像鏡組，以拍攝檢測區域。
於一實施例中，光譜分析之方法更包含：使用彩色相機拍攝一合格產品以取得一基準色彩含量數據，基準色彩含量數據可包含RGB色彩含量比例、發光強度數值等。
於一實施例中，光譜分析之方法更包含：將基準色彩含量數據對應至量子效率資料庫，並設定一合格範圍，即可包含依據檢測需求設定合格之中心波長變動範圍及發光強度變動範圍。
於一實施例中，光譜分析之方法更包含：將彩色相機測得之至少一待測物之色彩含量數據對應至量子效率資料庫，以得知至少一待測物是否合格。
於一實施例中，光譜分析之方法更包含：將彩色相機測得之至少一待測物之色彩含量數據與基準色彩含量數據進行比對，以得知至少一待測物之是否合格。
為讓上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下文係以較佳之 實施例配合所附圖式進行詳細說明。
a、b、c‧‧‧步驟
T1~T9‧‧‧待測物
B‧‧‧藍色光
G‧‧‧綠色光
GR‧‧‧綠紅光
GB‧‧‧綠藍光
R‧‧‧紅色光
S1~S9‧‧‧步驟
第1圖為依據本發明方法之流程示意圖；第2A圖為依據本發明方法取得之量子效率資料庫之示意圖；第2B圖為依據本發明方法拍攝合格產品及待測物後取得之RGB灰階值之示意圖；第3圖為拜耳相機生成影像之流程示意圖；以及第4圖及第5圖為示意相機製造商為說明、銷售產品而提供相機之光譜響應圖及QE圖。
本發明之使用彩色相機進行光譜分析之方法，可用於檢測產品品質、分析物質之組成等目的。進行檢測前，較佳地可先配合不同的待測物，採用不同波長的激發光源照射，使彩色相機拍攝時擷取到足夠的螢光資訊，以檢測例如不同種類、不同大小之LED、染料等會發出螢光或可能殘留有會發出螢光物質的產品。當照射至待測物之光源聚焦強度越強，拍攝待測物時所可得到之螢光資訊亦越強，拍攝待測物之曝光時間便可縮短，以增加檢測速度，但不以此作為限制。當待測物發出之螢光資訊足夠時，便不須先以激發光源照射待測物。
於一實施例中，彩色相機更可連接一外部裝置，外部裝置可包含自動化機械及電子設備等組件(圖未示)，以操作彩色相機進行拍攝，以及紀錄、比對數據。因外部裝置並非本實施例之重點，也不影響爾後技術內容的描述，故將省略描述與繪製。以下說明使用彩色相機進行光譜分析之方法的各個步驟。
請參閱第1圖所示，本發明以彩色相機進行光譜分析之方法包含以下主要步驟：(a)校正一彩色相機，以取得彩色相機之一量子效率 (Quantum Efficiency；簡稱QE)資料庫；(b)使用彩色相機拍攝一檢測區域，以取得檢測區域之一色彩含量數據；以及(c)將色彩含量數據對應至量子效率資料庫。
詳細而言，前述步驟(a)校正一彩色相機之步驟更可包含，多次使用窄頻寬光束(又可稱為單色光、單一波長光束)照射彩色相機之影像擷取模組，以取得彩色相機於不同波長下各個色彩之量子效率值(簡稱QE值)。前述窄頻寬光束係強度均勻的光束，其可為可調式雷射光束，或是採用一般光源搭配單光儀或濾片等方式來提供。前述步驟(b)使用彩色相機拍攝一檢測區域，以取得檢測區域之一色彩含量數據之步驟可進一步包含：使彩色相機搭配一成像鏡組，例如搭配一顯微鏡鏡組系統(包含物鏡鏡頭、鏡筒等元件)，以拍攝檢測區域。意即，檢測區域涵蓋至少一待測物，依據待測物之種類，可選擇不同倍率或不同焦距的鏡頭，以於每一次的觸發取像中包含至少一或更多的待測物，以提升檢測效率。前述步驟(c)將色彩含量數據對應至量子效率資料庫之步驟中可包含採用電子設備將待測物之色彩含量數據與量子效率資料庫進行比對，以得知待測物之頻譜資訊，即包含中心波長(center wavelength)、發光強度、峰值波長(peak wavelength)、半高寬(full width at half maximum)等。
上述影像擷取模組係包含影像感測器(image sensor)、類比數位轉換器(analog-to-digital converter)及影像處理器(image processor)等元件，影像感測器(例如感光耦合元件(CCD)或互補式金屬氧化物半導體(CMOS))可用以接收光子並轉換為類比訊號，類比數位轉換器可用以將類比訊號轉換為數位訊號，影像處理器可進行數位訊號之處理，例如：顏色處理、降低噪點、邊緣檢測等。
本發明方法之QE值，不單係指影像感測器之受光表面接收到的光子轉換為電子的百分比例，更包含彩色相機之影像擷取模組接受光子後之響 應率(responsivity)及經轉換呈現於影像上之狀態，意即包含光子經過影像擷取模組中各個元件轉換後反應於影像上之灰階值。
為使本發明之方法更容易被理解，以下實施例以影像感測器之色彩濾波陣列(Color Filter Array)為拜耳(Bayer)排列型式的彩色相機來說明應用本發明的步驟(a)之流程。
如第2圖所示，校正一拜耳彩色相機(下簡稱為相機)之步驟可包含：(S1)將寬頻光源射入一消色差透鏡以聚焦到一單光儀之一入口狹縫；(S2)調整單光儀出口狹縫的寬度，使光源自單光儀出光時形成一窄頻光束且頻寬為0.01nm(W值)；(S3)使用一電子設備，控制單光儀出光之窄頻光束之中心波長為400nm(L值)；(S4)將單光儀出光之窄頻光束的光斑直徑控制為1cm(D值)；(S5)使用一光功率計量測窄頻光束之功率，調整步驟(S1)提供之寬頻光源，使窄頻光束之功率為40mw(X值)；(S6)將相機的曝光時間固定為100μs(Y值)；(S7)將相機紅色光(R)、綠色光(G)及藍色光(B)的增益(gain)設定為1dB(Z值)；(S8)關閉相機之影像處理功能(尤其係顏色處理)；(S9)將單光儀出光之窄頻光束照射在相機之影像感測器上，並自相機輸出原始影像(raw data)，取得RGB之灰階值。之後，僅改變L值(例如自400nm逐漸調整至700nm)，且每次改變L值便重複上述(S2)~(S9)之步驟，如此便可取得一波長範圍中，各個波長反應於影像上之RGB之灰階值，並製成灰階波長表(如第2A圖所示)。藉由上述校正，使用者便可以此相機拍攝一待測物，從取得影像中RGB之灰階值，進一步得知待測物之頻譜資訊。
應理解，上述W、D、X、Y、Z值皆係為方便說明理解而設定，不等同實際應用時之數值，上述顏色處理於拜耳相機中可包含解拜耳程序，亦可包含亮度、對比度調整等。上述L值的調整範圍，可依據實際檢測需求改變，較佳地須在相機之可操作範圍內，上述步驟(S2)~(S8)並未限制特定之執行順 序，且詳細執行步驟、數值的設定可依據使用者之檢測目的、操作習慣而有所變更，或者，進一步設定其他數值(例如相機之動態範圍等)。也就是依據不同的相機種類、型號來改變硬體細節之操作步驟，而不脫離本發明欲保護之範圍。除此之外，請參考第3圖所示，係為一拜耳相機生成影像之流程示意圖，步驟(S9)中除了採用原始影像，亦可採用解拜耳(debayer)(即經過插值(Interpolation)運算)後的影像取得RGB之灰階值，只是需考慮解拜耳運算法可能造成之誤差。
本發明以彩色相機進行光譜分析之方法更可包含：使用彩色相機拍攝一合格產品以取得一基準色彩含量數據；將該基準色彩含量數據對應至量子效率資料庫以設定一合格範圍；將彩色相機測得之一待測物之色彩含量數據對應至量子效率資料庫或與基準色彩含量數據進行比對，以得知待測物是否落於合格範圍。
也就是說，本發明之方法可進一步地將可發出螢光的產品進行品質分級、分規。基準色彩含量數據可包含色彩含量比例(例如：gold RGB ratio)與發光強度數值(例如：gold RGB intensity)(下述將兩者統稱為「基準色彩含量數據」)。將基準色彩含量數據中之色彩含量比例對應至量子效率資料庫，可得知合格產品之中心波長，並依據檢測需求設定可容許之波長變動範圍。將待測物之色彩含量數據中之色彩含量比例對應至量子效率資料庫，可得知待測物之中心波長是否落於合格波長範圍內。將待測物之發光強度數值與該基準色彩含量數據中之發光強度數值進行比對，可得知待測物之發光強度是否符合標準。
以下同樣以影像感測器為拜耳排列型式的彩色相機作進一步說明。詳細而言，請參考第2A圖至第2B圖所示，若欲檢測藍光光電半導體晶片，首先使用已校正之相機(已取得相機之量子效率資料庫)拍攝一合格之藍光光電半導體晶片，取得合格產品之基準色彩含量數據，例如於本實施例中係為RGB灰階值，分別係20：40：80；以此RGB各數值之間的比例對照彩色相機校正後取得之 灰階波長表(如第2A圖所示)，可得知合格產品之中心波長為450nm；依據檢測需求設定一可容許之合格波長範圍，例如設定中心波長界於450nm~500nm係為合格產品，以及設定一可容許之合格發光強度範圍，例如基準值偏差正負5%以內。接著，檢測待測物T1~T9，得到待測物T1~T9之色彩含量數據(如第2B圖所示)，其中，待測物T1~T4及T6~T9之RGB灰階值比例對應至灰階波長表時，中心波長皆落於450nm左右，屬於波長合格之產品，而待測物T5之RGB灰階值比例對應至灰階波長表時，其中心波長約為550nm，表示待測物T5係為波長異常之產品。
接續上述之示例，待測物T9之RGB灰階值比例10：20：40對應至灰階波長表時，其中心波長符合標準，然而RGB灰階值之數值之大小皆為合格產品RGB灰階值20：40：80之一半，偏差超過負5%，表示待測物T9之發光強度不合格且係發光強度不足。也就是說，藉由測得之RGB灰階值的數值比例，可得知待測物之中心波長，RGB灰階值的數值大小，能得知待測物之發光強度。藉由上述步驟，便可依據RGB灰階值的變動程度依據檢測需求將產品分類為第一級產品(最佳之合格產品)、第二級產品(例如係波長合格亮度稍不夠或亮度足夠波長稍不合格)、第三級產品(例如係亮度波長皆不合格)等。
本領域之通常知識者應可理解，除了中心波長、發光強度等數據，其他可得知之頻譜資訊(例如：峰值波長、半高寬等)，亦可依據需求設定合格範圍並作為檢測篩選標準。拍攝一合格產品之詳細操作方式，可包含拍攝一合格產品之一位置或複數位置之影像(例如拍攝一合格產品不包含汙染之一個或數個位置或拍攝複數個合格產品具有共同特徵之一個或數個位置，以取得基準色彩含量數據)。另外，上述範例中之色彩含量數據、中心波長及中心波長可容許之變動範圍等數值皆係為方便說明理解而設定，並不等同實際應用時之數值。申言之，雖然影像感測器上單一像素之RGB灰階值係為整數，但操作上使用之RGB 灰階值，係為影像感測器上多個像素之RGB灰階值之平均值，即平均灰度(average gray level)，因此不一定為整數。；雖於上述實施例中，相機之色彩含量數據僅包含RGB三色，然應用不同的相機便可能獲得不只RGB三色之灰階值數據進而提升檢測品質。換言之，根據不同影像擷取模組之特性，便可具有不同的檢測效率及檢測品質，例如：使用時間延遲積分(Time Delay Integration)線掃描相機時，由於其影像感測器上之RGB色彩濾波陣列係行狀排列，於掃描後R行、G行、B行皆可分別接收到待測物的影像，因此相較於拜耳相機，TDI相機所取得之影像將具有更多、更完整之色彩資訊(不須任何插值運算)，應用本發明之方法進行光譜分析時便可具有更佳的波長、亮度量測準確度；或者，使用客製濾波矩陣(filter array)高光譜相機時，其影像感測器上之色彩濾波陣列可依據客戶的需求而增加，例如使一單位像素內具有16或25個光譜帶，因此可感測到更為精確之色彩資訊，應用本發明之方法進行光譜分析時亦可具有較佳的精準度(可具有更多色彩之灰階值數據供比對)等，由於可應用之彩色相機眾多，在此便不逐一贅述。一般而言，只要係彩色相機皆可應用本發明之方法進行光譜分析，因此不論採用何種彩色相機皆不脫離本發明之技術原理。
綜合上述，本發明藉由彩色相機進行光譜分析至少可具有以下優勢：
(1)經過校正，可以避免彩色相機之影像感測器之間的製造差異(即便係同一品牌同一型號，但不同序號便會有差異)而產生光譜分析的誤差。換言之，每台相機進行光譜分析前皆需校正，即便具有自製造商方為說明、銷售產品而提供的相機之光譜響應圖(如第4圖所示)或QE圖(如第5圖所示)，仍不具有光譜分析之功能。
(2)使用彩色相機可具有更大之影像擷取面積，申言之，以面掃描形式之彩色相機每一次觸發取像可包含一個或多個待測物的資訊，於後端資料處理 時，取得與傳統光譜儀相同的資料量(即：相同的電腦儲存容量KB值或MB值)之下，可供分析、檢測用的資訊更多，使分析、檢測工作可以更快速且更有效率。即便是線掃描彩色相機，其亦可於相同的資料量之下，包含較多的資訊，且更可大幅縮短相機曝光時間，相較於傳統光譜儀可於相同時間內檢測更多產品，提升效率；更由於不包含插值運算，而可提升量測波長、亮度之準確度。
(3)相較於傳統光譜儀之點掃描或線掃描逐點或逐線斷裂地取得影像之方式，使用彩色相機可使每次拍攝的影像部分重疊，取得連續的擷取資訊，以利於後續的分析。
上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。
a、b、c‧‧‧步驟

Claims (7)

  1. 一種使用彩色相機進行光譜分析之方法，包含：校正一彩色相機，以取得該彩色相機之一量子效率資料庫；使用該彩色相機拍攝一檢測區域，該檢測區域涵蓋至少一待測物，以取得該至少一待測物之一色彩含量數據；以及將該色彩含量數據對應至該量子效率資料庫，以分析該至少一待測物。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該校正一彩色相機之步驟包含：使用一光束照射該彩色相機之影像感測器，其中該光束係為窄頻寬光束。
  3. 如請求項1所述之方法，其中使用該彩色相機拍攝一檢測區域之步驟包含：使該彩色相機搭配一成像鏡組，以拍攝該檢測區域。
  4. 如請求項1所述之方法，更包含：使用該彩色相機拍攝一合格產品以取得一基準色彩含量數據。
  5. 如請求項4所述之方法，更包含：將該基準色彩含量數據對應至該量子效率資料庫，並設定一合格範圍。
  6. 如請求項5所述之方法，更包含：將該彩色相機測得之該至少一待測物之該色彩含量數據對應至該量子效率資料庫，以得知該至少一待測物是否合格。
  7. 如請求項5所述之方法，更包含：將該彩色相機測得之該至少一待測物之該色彩含量數據與該基準色彩含量數據進行比對，以得知該至少一待測物是否合格。
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