TWI426248B - 光譜量測系統與光譜量測方法 - Google Patents

Description

光譜量測系統與光譜量測方法

本揭露係有關於光譜量測系統，特別係有關於一種全域式光譜量測系統。

由於工業上的進步，工業產品越來越多樣化，使得量測產品的光譜不再只能限於單點量測。舉例來說，由於發光二極體(LED)具有耐用、壽命長、輕巧、低耗電並且不含有害物質(例如汞)的特性，因此使用發光二極體之照明技術已經變成照明產業與半導體產業未來非常重要的發展方向。一般而言，發光二極體係廣泛地應用於白光照明裝置、指示燈、車用信號燈、車用大燈、閃光燈、液晶顯示器之背光模組、投影機之光源、戶外顯示單元…等等。

由於發光二極體的光學檢測技術大多採用單點量測，所以採用全域式光譜量測技術時，習知技術係使用液晶可調型濾波片(liquid-crystal tunable filter,LCTF)或腦斷層影像光譜儀(computed tomographic imaging spectrometer,CTIS)，但以上兩者技術皆具有光譜解析度不足的問題。因此亟需一種光譜量測系統與光譜量測方法，兼顧光譜解析度與全域式取像的特點，來量測待測物的光譜。

有鑑於此，本揭露提供一種光譜量測系統，包括：一第一無聚焦模組，用以接收一待測物所發出的一入射光，使得入射光平行於一系統法線；一第一光柵，用以將不同波長的入射光繞射成不同的出射角度；一第二無聚焦模組，從第一光柵；以及一第二無聚焦模組，用以接收從第二光柵所輸出之繞射光，以便輸出與系統法線平行之一單色光。

本揭露亦提供一種光譜量測方法，適用於一光譜量測系統，光譜量測系統包括一第一無聚焦模組、一第二無聚焦模組、一第三無聚焦模組、一第一光柵與一第二光柵，光譜量測方法包括：藉由第一無聚焦模組接收一待測物所發出的一入射光，使得入射光平行於一系統法線；藉由第一光柵與第二無聚焦模組，從第一無聚焦模組所輸出之入射光中篩選出一特定波長，使得第二無聚焦模組只輸出具有特定波長的一繞射光；藉由第一光柵、第二光柵和第二無聚焦模組消除第一光柵所造成的光程差；以及藉由第三無聚焦模組接收從第二光柵所輸出之繞射光，以便輸出與系統法線平行之一單色光。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第1圖是本揭露之光譜量測系統之一實施例。如第1圖所示，光譜量測系統100包括無聚焦模組(afocal system)110、120與130、光柵G1與G2和面形光偵測器140。舉例來說，無聚焦模組110用以接收一待測物150所發出的一入射光C1，使得入射光C1平行於系統法線(normal line)NL。光柵G1用以將入射光C1不同波長的光繞射成不同的角度，並且經由透鏡L3及光圈A2篩選出一特定波長，以便只輸出具有特定波長的繞射光C2。光柵G1、G2及透鏡L3、L4和L5用以消除來自點P1、P2及P3不同位置之繞射光C2間的光程差，舉例來說，光柵G2轉動的方向與角度與光柵G1改變的方向與角度相同，以便補償光柵G1所造成的光程差。無聚焦模組120用以接收從光柵G2所輸出之繞射光C2，以便輸出與系統法線NL平行之一單色光C3。無聚焦模組130(包含光圈A2和透鏡L3、L4和L5)設置在光柵G1與G2之間，用以改變來自點P1、P2及P3不同位置之光跡路徑並用光圈A2提高光譜解析度。

控制單元160設置在面形光偵測器140，用以控制光柵G1，使得入射光C1與光柵G1的入射角對應於特定波長。控制單元160亦控制光柵G2，使得光柵G2轉動的角度與光柵G1改變的角度相同，以便經由透鏡L3、L4和L5補償來自點P1、P2及P3的繞射光C2間的光程差。在某些實施例中，控制單元亦可設置在光偵測器140之外，但不限於此。在本揭露實施例中，光柵G1與G2互為平行，即使光柵G1和G2轉動之後，光柵G1與G2仍為平行。面形光偵測器140用以接收單色光C3，以便紀錄單色光C3的強度。在本揭露實施例中，面形光偵測器140可以是電荷耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)，利用快照的方式，把待測物150的不同波長影像分別取像並紀錄，以供使用者分析。

詳細而言，無聚焦模組110包括一透鏡L1與L2和光圈A1。透鏡L1用以接收入射光C1，而透鏡L2用以將入射光C1平行射出。光圈A1設置在透鏡L1與L1之間，用以提高光譜解析度，以避免串音雜訊(cross talk)。

無聚焦模組130設置在光柵G1與G2之間，用以改變來自點P1、P2及P3不同位置之光跡路徑並用光圈A2提高光譜解析度。無聚焦模組130包括透鏡L3、L4和L5與光圈A2。透鏡L3用以接收繞射光C2。透鏡L4用以改變繞射光C2的光跡。光圈A2設置在透鏡L3與L4之間，用以提高光譜解析度。透鏡L5用以將繞射光C2平行輸出。

無聚焦模組120包括透鏡L6與L7。透鏡L6用以接收繞射光C2，而透鏡L7用以改變繞射光C2的光跡。在某些實施例中，無聚焦模組120亦具有光圈A3(未繪出)，設置在透鏡L6與L7之間，用以提高光譜解析度。

第2圖是本揭露之光柵G1之一示意圖。如第2圖所示，光柵G1用以將入射光C1篩選出特定波長的光，其中θi為入射角，θd為繞射角，△θ為繞射光C2與系統法線NL的夾角。θi與θd間的關係可以由公式1與公式2所表示：

θd =Δθ-θi 　----公式2

其中d為光柵條紋間距，角度△θ與d為定值。因此，藉由改變入射角θi，即可篩選出特定波長λ的光。

第3圖係本揭露之入射角θi、繞射角θd和角度△θ之間的關係圖。如第3圖所示，在量測待測物150的可見光影像(波長為374nm至781nm)並且將角度△θ維持在一定值(例如40度)時，光譜量測系統100的入射角θi與繞射角θd均未偏轉超過90°，因此在可見光的範圍內，本揭露實施例可充分量測到待測物150的每個波長之影像。

第4圖係本揭露實施例之一影像，用以說明利用光譜量測系統100取得待測物150的影像。如第4圖所示，影像400相當銳利且無像差，因此光譜量測系統100非常適合量測大面積的待測物。

第5圖係本揭露之光譜量測方法之一流程圖，如圖所示，光譜量測方法包括下列步驟。

於步驟S51，藉由無聚焦模組110接收待測物150所發出的入射光C1，使得入射光C1平行於系統法線NL。於步驟S52，藉由光柵G1將入射光C1不同波長的光繞射成不同的角度，經由透鏡L3及光圈A2篩選出具有一特定波長之繞射光C2。於步驟S53，藉由光柵G1、G2及無聚焦模組130(例如透鏡L3、L4和L5)消除相同平面不同位置之繞射光的光程差(例如同一平面上分別來自點P1、P2和P3的光)。於步驟S54，藉由無聚焦模組120接收繞射光C2，以便輸出與系統法線NL平行之單色光C3。

綜上所述，藉由無聚焦模組110、120和130及光柵G1和G2，可使得遠離光軸中心點P1之點P2、P3(如第1圖所示)可毫無偏差地平行入射點P5、P6(如第1圖所示)，並且待測物150在點P2與P3的影像不會產生變形，因此達到全域式取像的效果。

以上敘述許多實施例的特徵，使所屬技術領域中具有通常知識者能夠清楚理解本說明書的形態。所屬技術領域中具有通常知識者能夠理解其可利用本發明揭示內容為基礎以設計或更動其他製程及結構而完成相同於上述實施例的目的及/或達到相同於上述實施例的優點。所屬技術領域中具有通常知識者亦能夠理解不脫離本發明之精神和範圍的等效構造可在不脫離本發明之精神和範圍內作任意之更動、替代與潤飾。

100．．．光譜量測系統

G1~G2．．．光柵

L1~L7．．．透鏡

110、120、130．．．無聚焦模組

140．．．面形光偵測器

150．．．待測物

160．．．控制單元

C1．．．入射光

C2．．．繞射光

C3．．．單色光

A1、A2．．．光圈

P1~P6．．．點

NL．．．系統法線

θi．．．入射角

θd．．．繞射角

△θ．．．角度

400．．．影像

第1圖是本揭露之光譜量測系統之一實施例；

第2圖是本揭露之光柵G1之一示意圖；

第3圖係本揭露之入射角θi、繞射角θd和角度△θ之間的關係圖；

第4圖係本揭露實施例之一影像，用以說明利用光譜量測系統100取得待測物150的影像；以及

第5圖係本揭露之光譜量測方法之一流程圖。

100．．．光譜量測系統

G1~G2．．．光柵

L1~L7．．．透鏡

110、120、130．．．無聚焦模組

140．．．面形光偵測器

150．．．待測物

160．．．控制單元

C1．．．入射光

C2．．．繞射光

C3．．．單色光

A1、A2．．．光圈

P1~P6．．．點

NL．．．系統法線

Claims (10)

1. 一種光譜量測系統，包括：一第一無聚焦模組，用以接收一待測物所發出的一入射光，使得上述入射光平行於一系統法線；一第一光柵，用以將不同波長的上述入射光繞射成不同的出射角度；一第二無聚焦模組，從上述第一光柵所輸出的上述入射光中篩選出一特定波長，使得上述第二無聚焦模組只輸出具有上述特定波長的一繞射光至第二光柵；一第二光柵及一無聚焦模組，用以消除上述繞射光的光程差；以及一第三無聚焦模組，用以接收從上述第二光柵所輸出之上述繞射光，以便輸出與上述系統法線平行之一單色光。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光譜量測系統，包括一控制單元，用以調整上述第一光柵，使得從上述第一無聚焦模組所輸出的上述入射光與上述第一光柵的入射角對應於上述特定波長。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光譜量測系統，其中上述控制單元控制上述第二光柵，使得上述第二光柵轉動的方向與角度與上述第一光柵改變的方向與角度相同，以便補償上述第一光柵所造成的光程差。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光譜量測系統，包括一面形光偵測器，用以接收上述單色光，以便紀錄上述單色光的強度。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光譜量測系統，其中上述第一無聚焦模組包括：一第一透鏡，用以接收上述入射光；一第二透鏡，用以將上述入射光平行輸出至上述第一光柵；以及一第一光圈，設置在上述第一透鏡與上述第二透鏡之間，用以提高光譜解析度。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光譜量測系統，更包括一第三無聚焦模組，設置在上述第一光柵與上述第二光柵之間，其中上述第三無聚焦模組包括：一第三透鏡，用以接收從上述第一光柵所輸出之上述繞射光；一第四透鏡，用以改變從上述第三透鏡所輸出之上述繞射光的光跡；一第二光圈，設置在上述第三透鏡與上述第四透鏡之間，用以提高光譜解析度，其中上述第三透鏡與上述第二光圈從上述第一光柵所輸出的光篩選出一特定波長，以便只輸出具有上述特定波長的上述繞射光；以及一第五透鏡，用以將上述繞射光平行輸出至上述第二光柵。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光譜量測系統，其中上述第三無聚焦模組包括：一第六透鏡，用以接收從上述第二光柵所輸出之上述繞射光；以及一第七透鏡，用以改變從上述第六透鏡所輸出之上述繞射光的光跡，以便輸出與上述系統法線平行之上述單色光至上述面形光偵測器。
8. 一種光譜量測方法，適用於一光譜量測系統，上述光譜量測系統包括一第一無聚焦模組、一第二無聚焦模組、一第三無聚焦模組、一第一光柵與一第二光柵，上述光譜量測方法包括：藉由上述第一無聚焦模組接收一待測物所發出的一入射光，使得上述入射光平行於一系統法線；藉由上述第一光柵與上述第二無聚焦模組，從上述第一無聚焦模組所輸出之上述入射光中篩選出一特定波長，使得上述第二無聚焦模組只輸出具有上述特定波長的一繞射光；藉由上述第二光柵和上述第二無聚焦模組消除上述第一光柵所造成的光程差；以及藉由上述第三無聚焦模組接收從上述第二光柵所輸出之上述繞射光，以便輸出與上述系統法線平行之一單色光。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光譜量測方法，更包括：調整上述第一光柵，使得上述入射光與上述第一光柵的入射角對應於上述特定波長；以及調整上述第二光柵，使得上述第二光柵轉動的角度和方向與上述第一光柵轉動的角度和方向相同，以便補償上述第一光柵所造成的光程差。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光譜量測方法，更包括藉由一面形光偵測器接收上述單色光，以便分析上述待測物的影像。