TW202124938A - 一種散射檢測裝置 - Google Patents

Abstract

一種散射檢測裝置，包括輸出多道結構光束的結構光發射源，其一次發出結構光入射多個散射粒子或散射表面上形成散射光，感測模組感測該散射光，其中該散射光包括該些散射粒子或散射表面的一散射輻射數據可供檢測散射粒子或散射表面之用。

Description

散射檢測裝置

本發明係有關於一種散射檢測裝置，尤其是一種透過擷取有限的散射數據的散射檢測裝置。

當光通過光學性質不均勻的物質時，從側向卻可以看到光，此種使入射光重新產生空間分布的現象稱為散射。光遇到粒子可能產生散射，粒徑小於光波長的1/10，例如小於50nm，產生的散射為雷利散射(Rayleigh’s Scattering)；粒徑介於1/10~1個光波長，例如介於50-500nm，產生的散射稱為米氏散射(Mie Scattering)；當粒徑大於1個波長時，例如大於1um，則為一般所稱的光學散射(optical scattering)。雷利散射的散射輻射呈對稱狀分布，米氏散射的散射輻射在光線向前的方向較向後的方向更強，方向性也較為明顯，散射輻射和光波長、粒子粒徑、粒子組成有關。

中國大陸發明專利公開號1902669揭示一種火警信號裝置，其包括多個輻射發射器和接收器，輻射路徑則構成至少二個在位置上間隔有間距的散射體積。中國大陸發明專利公告號104200606揭示採用紅外光發射器和接收器的特定的角度設置，使得紅外光接收器無法接收紅外光的直射。美國發明專利公告號9652958 揭示一種無室(chamber-less)煙感測器，其光源可發射多不同波長的發射光，被偵測光為不同波長的函數的差異以構成闔值(threshold levels)用來決定是否有顆粒存在。美國發明專利公開號20190080579亦揭示一種無室煙感測器，其包括至少二個光源發射二個光束、二個散射光感測器偵測在偵測區中的煙所散射的散射光。其餘有關粒子散射的應用如美國專利號8144337或是粒子散射的運算如大陸專利號103390094可供參考。

綜合上述，目前的裝置多以偵測散射粒子的存在、散射粒子的濃度為主，若要檢測出散射粒子的粒徑組成，通常須複雜的設備收集完整的資訊方可以得到，例如散射儀需擷取360度全方位的資訊，或是將樣品旋轉360度來獲得散射幅射資訊，設備相對複雜且昂貴。

另外，利用散射技術尚包括測量表面粗糙度。台灣專利號I464369B公開一種同時檢測三維表面輪廓及光學級表面粗糙度的裝置及方法，以不同架構 的顯微干涉儀為基礎，結合快速傅立葉轉換法、干涉相位還原法與數位濾波技術。台灣專利號I575221B公開一種表面粗度檢測方法，採用差分干涉條紋和差分干涉影像來評估粗糙度。美國專利號09976850公開一種光學表面粗糙度測量啟用裝置和方法，利用折射和反射來測量表面粗糙度。上述公開技術多以折射、反射或繞射的干涉方式測量表面粗糙度。

本發明之目的之一在於提供一種散射檢測裝置和系統，透過一次(one shot)發光輸出結構光以不同入射角度入射目標區並形成不同散射角度的散射幅射數據，目標區可包括散射待檢物，例如可運動的散射粒子或固定不動/移動的散射表面。

本發明之目的之一是提供一種散射檢測裝置和系統，簡化收集散射光以得到散射圖案的方式，採用收集有限的散射光，藉由比對散射輻射數據的特徵而快速的得到有關散射粒子的檢測結果或散射表面的粗糙度。

依據上述，本發明提供一種散射檢測裝置，包括：一結構光發射源，其一次(one shot)輸出包括複數結構光束的一結構光，其中，該些結構光束入射至複數個散射待檢物上，該些結構光束入射該些散射待檢物後形成具有不同複數散射角度的複數散射光線；以及一感測模組，其感測具有不同該些散射角度的該些散射光線。並且一種包括上述散射檢測裝置的散射檢測系統，更包括: 一記憶體，其儲存複數既有散射輻射數據；以及一處理器，其比對來自該感測模組的該些散射光線的複數散射輻射數據以及該些既有散射輻射數據以得到一檢測結果。

依據上述，一種散射檢測裝置，包括輸出多道結構光束的結構光發射源，其一次發出結構光入射多個散射粒子或散射表面上形成散射光，感測模組感測該散射光，其中該散射光包括該些散射粒子或散射表面的一散射輻射數據可供檢測散射粒子或散射表面之用。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明將藉由下述之較佳實施例及其配合之圖式，做進一步之詳細說明。需注意的是，以下各實施例所揭示之實驗數據，係為便於解釋本案技術特徵，並非用以限制其可實施之態樣。

圖1和圖2為本發明的散射檢測系統，請參閱圖1，散射檢測系統1包括結構光發射源50、感測模組54、處理器56、記憶體58和輸出單元59。於第一實施例中，結構光發射源50、感測模組54、處理器56、記憶體58和輸出單元59可以整合一空間中而被一殼體包覆，但本發明不限於此。於圖2中，散射檢測系統4則進一步包括一濾光元件57。

圖4為本案結構光和散射粒子作用的示意圖。請參考圖1、圖2、圖4，結構光發射源50可以是具有發出結構光22的雷射光或發光二極體發射器，由結構光發射源50輸出的結構光22入射至一目標區3，其中結構光22包括複數道結構光束23，每一道結構光束23包括可視為平行的多條光線，目標區3則存在散射待檢物，例如複數個散射粒子33。多道結構光束23入射多散射粒子33形成包括多條散射光線25的散射光24，散射光24直接(如圖1)或是經過濾光元件57的濾光處理後(如圖2)進入感測模組54以進行後續處理。感測模組54包括感測散射光的一或多個感測器，可以理解的，除了圖2的濾光元件57外，於感測模組54前尚可以設置其他光學元件以對散射光24進行光學處理，例如成像單元等。其次，感測模組54和處理器56之間可由有線或無線方式電性連接，感測模組54將感測到、帶有散射輻射數據36的散射光傳送至處理器56。處理器56連接至近端或遠端的記憶體58並且比對散射光的散射輻射數據36和記憶體58中的儲存資料。記憶體58儲存大量的散射粒子33的散射輻射數據，並且可以持續被增加和更新散射粒子33的散射輻射數據。又，處理器56比對來自感測模組54所擷取的散射輻射數據以及來自記憶體58儲存的既有散射輻射數據後可以分析出散射特徵資訊，進而由散射特徵資訊得到目標區3存在的散射粒子33的檢測結果，檢測結果，例如散射粒子33的粒徑、材質、粒子形狀或濃度等，可被傳送至輸出單元59。輸出單元59，例如一顯示器顯示檢測結果以供使用者參考。

圖3為本發明的另一散射檢測系統，和圖2的差異在於，散射檢測系統5的結構光發射源51可包括多種不同波長的結構光，透過切換後輸出單一波長結構光。而散射檢測系統5的濾光元件53可和結構光發射源51連接，與結構光發射源51的輸出同步以產生對應結構光發射源51所發出波長的濾光作用。可以理解的，切換器可以內建於結構光發射源51、濾光元件53或是獨立的元件。

續參考圖1~圖4，本案的結構光22所包括的複數道結構光束23於前進的光路中，以不同的入射角入射至目標區3的複數個散射粒子33，結構光22可以具有特定的圖案，例如規則幾何圖案、線條矩陣、格狀圖案或其他等等。是以，當此些散射粒子33為相同粒子的情形下，可以視為以一次(one shot)發光輸出的結構光22的結構光束25分別入射散射粒子33，進而得到多散射角度的多散射光線25。於圖4中，目標區3包括複數個散射粒子33，其中目標區3為一空間，該些散射粒子33可以是規則或不規則地分布於目標區3中。其次，該些散射粒子33具有相同或相近的粒徑，並且為相同或相近的組成，並且可以是可運動或固定不動的。於第一實施例中，複數個散射粒子33為氣溶膠彼此分開地分布於目標區3中，任一結構光束23可以入射至任一散射粒子33的表面，多道結構光束23入射多個相同的散射粒子33而形成不同散射角度ϴ1、ϴ2、ϴ3和強度的散射光線25，複數條散射光線25形成散射光24。要說明的是，散射角度ϴ1、ϴ2、ϴ3是分別由各結構光束23於入射散射粒子33之前的行進路徑的延伸方向與各自散射光線25之間的夾角，可以是銳角、直角或鈍角。

圖5為本案結構光和散射表面作用的示意圖。續參考圖1、圖2、圖3和圖5，本案一次發射的多道結構光束23也可入射至一散射表面27，即目標區可以是包括散射表面27的散射待檢物，結構光束23入射至散射表面27形成不同散射角度ϴ1、ϴ2、ϴ3和強度的散射光線25，類似圖4的，散射角度ϴ1、ϴ2、ϴ3是分別由各自結構光束23於入射散射表面27之前的行進路徑的延伸方向與各自散射光線25之間的夾角，可以是銳角、直角或鈍角。其次，散射表面27可以是透明或是不透明。因此，本案的散射檢測系統5亦可利用得到散射表面的散射數據，進而得到散射表面的粗糙度或材質。

圖6為散射粒子的散射放大平面示意圖。續參考圖1~圖4，於本發明中，一次發光的多道結構光束23以不同入射角入射散射粒子33，散射粒子33具有特定的散射幅射圖案如圖6所表示。於本實施例中，結構光束(圖上未示)入射散射粒子33後可形成三條散射光線251、252、253，其中散射光線251、252為向前散射光線，散射光線253則為向後散射光線。此帶有散射幅射數據的散射光被感測模組接收後傳輸至近端或遠端，與一散射幅射圖案資料庫中的數據比較散射光線。不同結構光束入射散射粒子所得到的散射圖案為特定，其中特定的散射圖案由散射光所組成。故於比對散射光線251、252、253後可以檢測出散射粒子的粒徑、材質、粒子形狀或濃度。同理的，圖5中所示的散射表面27對於結構光束的散射作用，也可形成如散射光線251、252、253的散射光，並可由散射光線251、252、253的比對後檢測出散射表面的粗糙度或材質。

可以理解的，若記憶體中儲存的散射幅射數據資料庫中的數據量大時，是有利於比對結果更為精準，即可以得到愈精確的檢測結果。記憶體中的散射輻射資料庫的建立或更新，可透過大數據的方式，收集或是擷取由實際量測、理論模擬或實驗數據所得到的散射輻射圖案或非圖案的散射輻射資訊。是以，散射粒子或散射表面於接收入射光後會形成本身特有的散射輻射數據，散射輻射數據包括不同散射角度和強度。習知欲得到特定粒子或散射表面的散射輻射數據時，必須透過發射360度的發射光入射散射粒子或散射表面、擷取散射光後得到完整的散射輻射數據，才能得知粒徑或表面粗糙度。本案的做法，採用結構光提供複數道結構光束，在一次(one shot)發光的條件下輸出多道結構光束，也就是結構光從一發射光源發出。此些結構光束以不同的入射角度入射不同位置的散射粒子或散射表面，形成有限的不同散射角度的散射光線。包括多散射光線的散射光直接或是經過濾光後進入感測模組。感測模組感測得到未成像或成像後的散射光，此些散射光帶有有限的散射輻射數據，藉由網路傳輸至近端或遠端的處理器，再透過與記憶體的數據庫中比對散射輻射數據以得到散射特徵資訊，即可得到散射粒子的粒徑、材質、粒子形狀或濃度的檢測結果。類似的，檢測物為散射表面時可以透過本案的散射檢測系統得到表面粗糙度或材質的檢測結果，於此不贅述。

續參考圖1~圖3，本案的感測模組54包括一或多個感測器或感測畫素呈二維平面狀或曲面狀分布或三維立體空間的分布。感測器可以是線型或面型感測器，其可以採用規則矩陣排列、特定圖案的規則排列、不規則圖案的排列。本案亦透過粒子或表面的散射特徵資訊，推得特定入射角度對應的散射輻射數據，從而依據散射輻射數據安排感測器或感測畫素的排列方式或排列圖案。

於本發明中，結構光發射源和感測模組可以被整合於一空間中而被一殼體包覆成為一散射檢測裝置，處理器、記憶體和輸出單元則為設置或分散於其他空間或設備上的單元，散射檢測裝置可透過有線或無線的方式將感測到的數據傳輸至裝置外界的處理器、記憶體58和輸出單元。要說明的，本發明的散射檢測裝置或系統皆可透過習知的連接網路方式連上網路以進行據的更新、輸出等動作。圖7、圖8和圖9是根據本發明實施例之散射檢測裝置示意圖。於圖7中，散射檢測裝置2至少包括一發射光源10、一光束調整部件20、一散射光接收器30和連接介面40。於圖8中，散射檢測裝置6則更包括濾光元件57。於圖9中，散射檢測裝置8則包括有連接至發射光源10的濾光元件53。於圖7、圖8和圖9中，發射光源10發射一發射光12進入光束調整部件20，光束調整部件20接收發射光12並將發射光12調變後形成並輸出多道結構光23。由光束調整部件20輸出的結構光束23入射至目標區3。結構光束23入射目標區3中的散射粒子或散射表面後形成散射光24，散射光24可不經過或是可通過濾光元件53、57濾除雜光後、被散射光接收器30接收以進行後續處理。濾光元件53、57過濾雜光或其他不同於結構光束23的光。

續參考圖7、圖8和圖9，發射光源10發射的發射光12，例如一雷射或是發光二極體光源，可以是可見或不可見光，同調或不同調的單波長光。可以選擇的，發射光源10可以是包括不同波長的多個雷射/發光二極體被切換後輸出單一發射光12，但本案不以此為限。光束調整部件20產生結構光，可以包括被動元件或主動元件，其中被動元件可以是繞射元件、透鏡或遮罩或包括上述至少二者，主動元件可以是空間光調制器、開關(shutter)。可以理解的，發射光源10可包括在不同波長的多個雷射//發光二極體之間切換以輸出單一波長發射光的切換器，而光束調整部件20可產生可隨時間變動的結構光圖案。於本發明中，也可將光束調整部件整合於發射光源中如圖1~圖3所示。其次，成像模組32可以包括一或多個透鏡。本案不限地，濾光元件53、57亦可整合入散射光接收器30。又，本發明的其他實施例中，可以省略配置成像模組32，即散射光24在未成像的情形下進入感測模組34，感測模組34，例如面型感測器或是由多個線型感測器組成二維平面/曲面/立體形狀以感測散射光24後得到散射輻射數據36。成像模組32，例如一或多個成像光學元件，可以對散射光24進行成像，成像後的散射光24再進入感測模組34。

圖10是根據第四實施例之散射檢測裝置。相較於圖8的散射檢測裝置6，圖10的散射檢測裝置中，濾光元件57、成像模組32和感測模組34設置於目標區3的另一側，即相較於目標區3的被檢物而言，濾光元件57、成像模組32和感測模組34的設置和發射光源10、光束調整部件20是不同側，但上述元件/單元/模組仍可全部被設置於一殼體(圖上未示)中。同理，圖7實施例中的成像模組32和感測模組54也可設置於目標區3的另一側，於此不贅述。圖11則與圖1類似，散射檢測系統71包括結構光發射源50和感測模組54設置於一殼體中，其中發射源50和感測模組54可位於目標區3的同一側或不同側(圖未繪)。圖12與圖2類似，差異在於散射檢測裝置7的發射源50、濾光元件57和感測模組54設置於一殼體中。圖13與圖11類似，差異在於發射源50、濾光元件57和感測模組54位於目標區3的不同側，元件和模組的態樣如上述，於此不贅述。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

2、6、7、8:散射檢測裝置 1、4、5、71:散射檢測系統 3:目標區 10:發射光源 12:發射光 20:光束調整部件 22:結構光 23:結構光束 24:散射光 25:散射光束 27:散射表面 30:散射光接收器 32:成像模組 33:散射粒子 34:感測模組 36:散射輻射數據 40:連接介面 50、51:結構光發射源 54:感測模組 56:處理器 58:記憶體 53、57:濾光元件 59:輸出單元 251、252、253:散射光線 ϴ1、ϴ2、ϴ3:散射角度

圖1為根據本發明第一實施例之散射檢測系統示意圖。

圖2為根據本發明第二實施例之散射檢測系統示意圖。

圖3為根據本發明第三實施例之散射檢測系統示意圖。

圖4為本案結構光和散射粒子作用的示意圖。

圖5為本案結構光和散射表面作用的示意圖。

圖6為散射粒子的散射放大平面示意圖。

圖7是根據本發明第一實施例之散射檢測裝置示意圖。

圖8是根據本發明第二實施例之散射檢測裝置示意圖。

圖9是根據本發明第三實施例之散射檢測裝置示意圖。

圖10是根據本發明第四實施例之散射檢測裝置示意圖。

圖11為根據本發明第五實施例之散射檢測裝置示意圖。

圖12為根據本發明第六實施例之散射檢測裝置示意圖。

圖13為根據本發明第四實施例之散射檢測系統示意圖。

71:散射檢測裝置

3:目標區

22:結構光

23:結構光束

24:散射光

36:散射輻射數據

50:結構光發射源

54:感測模組

56:處理器

58:記憶體

59:輸出單元

Claims (15)

1. 一種散射檢測裝置，包括： 一結構光發射源，其一次(one shot)輸出包括複數結構光束的一結構光，其中，該些結構光束入射至複數個散射待檢物上，該些結構光束入射該些散射待檢物後形成具有不同複數散射角度的複數散射光線；以及 一感測模組，其感測具有不同該些散射角度的該些散射光線。
2. 如請求項1所述之散射檢測裝置，其中該結構光發射源包括發出一雷射光或一發光二極體光的一發射光源以及將該雷射光或該發光二極體光調變以產生該結構光的一光束調整模組。
3. 如請求項2所述之散射檢測裝置，其中該光束調整模組包括一繞射元件、透鏡、遮罩、空間光調制器或開關(shutter)或包括上述至少二者。
4. 如請求項2所述之散射檢測裝置，其中該發射光源發出單一波長的該雷射光或該發光二極體光。
5. 如請求項2所述之散射檢測裝置，更包括一切換器，其中該發射光源包括不同波長的複數個雷射或發光二極體，該切換器連接該發射光源以切換該些不同波長後使該發射光源發射該些波長之一的該雷射光或該發光二極體光。
6. 如請求項1所述之散射檢測裝置，更包括一濾光元件設置於該感測模組前，該濾光元件過濾該些散射光線以外的雜光以避免雜光進入該感測模組中。
7. 如請求項6所述之散射檢測裝置，其中該結構光發射源發出單一或不同長的該結構光。
8. 如請求項6所述之散射檢測裝置，更包括一切換器，其中該結構光發射源包括不同波長的複數個雷射或發光二極體，該切換器連接該結構光發射源和該濾光元件，藉以切換該些不同波長後使該結構光發射源發射該些波長之一的該結構光，並且使該濾光元件產生對應該結構光發射源所發出波長的濾光作用。
9. 如請求項1所述之散射檢測裝置，其中該感測模組包括一或多個感測器或感測畫素，且該些感測器或感測畫素呈二維平面狀或曲面狀分布或三維立體空間的分布。
10. 如請求項1所述之散射檢測裝置，其中不同的該些散射角度包括該些散射待檢物的複數散射數據，該些散射數據包括該些散射待檢物的粒徑、粒子形狀、材質或濃度。
11. 如請求項1所述之散射檢測裝置，其中不同的該些散射角度包括該些散射待檢物的複數散射數據，該些散射數據包括該些散射待檢物的表面粗糙度或材質。
12. 如請求項1所述之散射檢測裝置，更包括將該些散射光線成像的一成像光學元件，並且成像後的該散射光被該感測模組感測。
13. 如請求項1所述之散射檢測裝置，其中該結構光發射源與該感測模組分別設置於該些散射待檢物的同側或不同側。
14. 一種包括請求項1所述之散射檢測裝置的散射檢測系統，更包括: 一記憶體，其儲存複數既有散射輻射數據；以及 一處理器，其比對來自該感測模組的該些散射光線的複數散射輻射數據以及該些既有散射輻射數據以得到一檢測結果。
15. 如請求項14所述之散射檢測系統，其中該檢測結果包括該些散射待檢物的粒徑、粒子形狀、濃度、粗糙度或濃度。

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