TWI404922B - Spectral spectral measurement system - Google Patents

Description

分光光譜式量測系統

本發明係關於一種量測系統，尤其是一種使波長響應均一化以減少相異波長成分間量測差異的光譜量測系統。

隨著科學技術演進，顯示器等產品不斷推陳出新，且產品性能被持續改善，無論是光源與顯示畫面的白平衡、演色性是否良好、整體畫面的色度分佈，都是關注的標的，因此對於顯示器一類商品，從光源單體、模組、成品等各不同階段，都需要進行大量檢測，光譜分析就是其中重要的一環。再者，由於各種不同的化學成分分別有其特定的放射光譜與吸收光譜，對於各種氣體排放或水污染，也都可以取樣進行光譜分析，以檢測樣品中是否存在有某些特定化學成分。

習知的光譜儀係如圖1所示，包含有分光裝置1及光偵測裝置2，其中分光裝置1包括狹縫11、準直鏡12、光柵13、及聚焦鏡14，係由狹縫11將入射光中的空間雜光過濾，並透過準直鏡12將穿透狹縫11的入射光準直化的導引至光柵13，由光柵13將入射光依照不同的波長成分而分離成不同的光束，並由聚焦鏡14將來自光柵13的相異波長成分光束依不同波長分別聚焦至光偵測裝置2的不同位置，而由光偵測裝置2依照光束照射的位置，判定所入射光在各不同波長成份之組成比例。

但考慮目前光偵測裝置的波長響應關係如圖2所示，對於人眼可見的380至780nm波長的可見光範圍，將會隨波長之不同而有不同響應係數，若以波長響應最佳的範圍480nm~580nm作為100%進行歸一運算(normalization)，則波長響應較差的380nm~480nm(藍光及近紫外光)及580nm~780nm(紅光及近紅外光)範圍處，響應係數約僅達30%。

當紅光與藍光之波長響應較差時，一般而言，是將該等波長範圍量得之數據依照響應係數進行補償，例如當響應係數為30%時，便以放大器將量得數值乘以3.33倍，但不幸地，儀器本身的誤差值與環境等雜訊，原本通常被歸為不會因波長不同而造成差異，但在此時，誤差與雜訊將如圖3所示，在此係將依照響應數量得的訊號依照波長不同標示為響應數值31、32、33，其中為求補償其波長範圍的低響應值，數值31與33之誤差與雜訊將與量得的訊號同步被放大例如3.33倍。如此，獲得的放大後響應數值31’、33’雖然與數值32一樣大小，但誤差值311、331將明顯比誤差值321增大3.33倍而形成較大的誤差範圍311’、331’，進而影響到各波長範圍檢測精密的均勻性，精密的檢測的信賴度將因而大幅降低。

因此，若能在不增大誤差範圍的情況下，取得各波長範圍的均衡響應，不僅可提高整體系統線性度，進而提高其色度與輝度之準確度，使檢測更加精準。

本發明之一目的在提供一種藉由影響光的穿透率使得波長響應一致化的光譜量測系統。

本發明之另一目的在提供一種將波長響應一致化使量測更加精準的光譜量測系統。

依照本發明揭露的分光光譜式量測系統，係供量測一入射光之各頻率成分的能量，該系統包含：一組將一入射光依照頻率分佈分解之分光裝置；一組對於不同頻率入射光具有不同頻率響應之陣列光偵測裝置；及一組具有與該陣列光偵測裝置頻率響應相對應、使其頻率響應與該陣列光偵測裝置頻率響應之影響互補、並設置於該陣列光偵測裝置入光側之響應平坦化濾光裝置。

由於本案所揭露之分光光譜式量測系統，係透過響應平坦化濾光裝置，影響各別不同的光穿透率，降低分光響應較高的波長成分之穿透率，保持響應較差的波長成分具有高穿透率，使原本響應較佳的波長範圍可與響應較差的波長量測結果均一化，令各種波長成分的檢測更加精準，而且僅需透過簡單結構即可完成，不需要太多的費用來製作，更可以對已經生產的習知相關結構做簡易的改良即可，從而達成上述各項目的。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

請參閱圖4所示本案之第一較佳實施例，光譜儀內部結構係包含有分光裝置4、陣列光偵測裝置5、及響應平坦化濾光裝置6，其中分光裝置4更包含有狹縫41、準直鏡42、分光繞射元件43、及聚焦鏡44，並將待測之樣本所入射之不同波長成分的入射光，經由分光裝置4中之狹縫41，在空間方面過濾雜光，僅容許較窄範圍的光束入射。本例中，隨即於入光位置設一響應平坦化濾光裝置6，且響應平坦化濾光裝置6其材質可為塑膠或玻璃等，在本例中係以多片玻璃濾光片組合為一組濾光片組為例。過濾後的入射光受到準直鏡42反射，準直化地被導引至分光繞射元件43，在本例中係例釋為反射式光柵，使得入射光依照不同的波長成分彼此分離成不同的光束照射至聚焦鏡44，再由聚焦鏡44將來自於分光繞射元件43所分離的各相異波長成分光束，分別聚焦至陣列光偵測裝置5的不同位置上；一維的陣列光偵測裝置5即可由空間解析，獲得各相異波長成分的光強度。

請一併參考如圖5及圖6所示，曲線50係表示陣列光偵測裝置5的光譜響應曲線，上述響應平坦化濾光裝置6則係針對響應值較佳的波長範圍阻隔部份的光透過，使該波段的穿透率降低；相對地，響應值較差的波段則保有較佳的光穿透率，從而構成曲線60的穿透率曲線。由此，原本響應較佳的波長範圍410nm~690nm因穿透率降低，使得整體量得訊號減弱，而原本的響應較差的波長範圍380nm~410nm及690nm~780nm則保有接近原先量測數值的訊號。

藉此，一併參考如圖6所示，因為陣列光偵測裝置5響應係數高的波段，會受限於響應平坦化濾光裝置6的穿透率降低作為補償，使得各相異波段的量測響應數值61、62、63被均一化，而由儀器精密度及環境雜訊而來的誤差值彼此相近，不會因波長差異而產生區別，使儀器的準確度從而提升。另方面，即使陣列光偵測裝置5接收光訊號時，摻入有儀器誤差及環境雜訊，且在實質光訊號被降低後，雜訊相對比重增大，然而雜訊一般係隨機發生，被量測時主要係以交流成分表現，相對於主要呈現為直流成分的實際光訊號，將可經由時間累積的效果，使得雜訊互相抵消，以避免訊雜比因而降低。

當然，如熟悉本技術領域者所能輕易理解，上述實施例中之許多光學元件均有相類似的替代元件，故請參閱圖7所示本案之第二較佳實施例，其中準直鏡42’及聚焦鏡44’均可選擇透光式的凹透鏡或透鏡組，並將分光繞射元件43’設計成穿透式光柵，供入射光依照其頻率成分彼此分離的出射光束；在本例中，響應平坦化濾光裝置6’則採用多層鍍膜濾光片45’的濾鏡，並被選擇設置於陣列光偵測裝置5’之前；陣列光偵測裝置5’則採用二維光偵測器陣列來偵測分光裝置4’所分光束，並且藉由空間方向的累積，同樣解決雜訊的困擾而保有良好的訊雜比。

本發明之分光光譜式量測系統與習知技術相互比較時，係利用影響各別不同光的穿透率，補償原本光偵測裝置的光譜響應不均勻，進一步的使各波長被量測的結果被均一化，使得量測數據相對準確，而且僅需透過簡單結構即可完成，不需要大幅提高成本來製作，僅需對於已生產的習知的結構僅行簡易的改良，因此對於已生產的相關設備仍可繼續再使用，不需將已生產的設備全部淘汰，造成了成本上的損失。

惟以上所述者，僅本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1、4‧‧‧分光裝置

11、41‧‧‧狹縫

12、42、42’‧‧‧準直鏡

13‧‧‧光柵

14、44、44’‧‧‧聚焦鏡

2‧‧‧光偵測裝置

31、32、33、61、62、63‧‧‧響應數值

31’、33’‧‧‧放大後響應數值

311、321、331、311’、331’‧‧‧誤差值

43、43’‧‧‧分光繞射元件

45’‧‧‧鍍膜濾光片

5、5’‧‧‧陣列光偵測裝置

6、6’‧‧‧響應平坦化濾光裝置

50、60‧‧‧曲線

圖1為習知光譜儀分光之示意圖；圖2為圖1光譜儀的分光波長響應之曲線圖；圖3為圖2波長響應產生的誤差與雜訊之曲線圖；圖4為本發明第一較佳實施例分光光譜式量測系統的分光之示意圖；圖5為圖4分光光譜式量測系統的分光波長響應之曲線圖；圖6為圖5相異波段的量測響應數值被均一化之曲線圖；及 圖7為本發明第二較佳實施例分光光譜式量測系統以透光式分光之示意圖。

4．．．分光裝置

41．．．狹縫

42．．．準直鏡

43．．．分光繞射元件

44．．．聚焦鏡

5．．．陣列光偵測裝置

6．．．響應平坦化濾光裝置

Claims (10)

1. 一種分光光譜式量測系統，係供量測一入射光之各波長成分的能量，該系統至少包含：一組將一入射光依照波長分佈分解之分光裝置；一組對於不同波長入射光具有不同波長響應之陣列光偵測裝置；及一組具有與該陣列光偵測裝置波長響應相對應、使其波長響應與該陣列光偵測裝置波長響應之影響互補、並設置於該陣列光偵測裝置入光側之響應平坦化濾光裝置。
2. 如申請專利範圍第1項之分光光譜式量測系統，其中該分光裝置至少包括：一個供該入射光入射之狹縫；一個將穿透該狹縫光束依照其波長成分彼此分離之分光繞射元件；一個供該入射光準直化導引至該分光繞射元件的準直鏡；及一個將來自於該分光繞射元件之各相異波長成分光束分別聚焦至該陣列光偵測裝置上之聚焦鏡。
3. 如申請專利範圍第2項之分光光譜式量測系統，其中該聚焦鏡係一凹面鏡。
4. 如申請專利範圍第2項之分光光譜式量測系統，其中該聚焦鏡係一透鏡。
5. 如申請專利範圍第2項之分光光譜式量測系統，其中該分光繞射元件係一穿透式光柵。
6. 如申請專利範圍第2項之分光光譜式量測系統，其中該分光繞射元件係一反射式光柵。
7. 如申請專利範圍第2項之分光光譜式量測系統，其中該準直鏡係一凹面鏡。
8. 如申請專利範圍第2項之分光光譜式量測系統，其中該準直鏡係一透鏡。
9. 如申請專利範圍第1、2、3、4、5、6、7、或8項之分光光譜式量測系統，其中該響應平坦化濾光裝置包括至少一片鍍膜濾光片。
10. 如申請專利範圍第1、2、3、4、5、6、7、或8項之分光光譜式量測系統，其中該陣列光偵測裝置係一組一維光偵測器陣列。