TWI475210B

TWI475210B - 光學量測裝置

Info

Publication number: TWI475210B
Application number: TW101127229A
Authority: TW
Inventors: William Wang; Meng Shin Yen; Chung Cheng Chou
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2015-03-01
Also published as: CN103575657A; CN103575657B; TW201405115A

Description

光學量測裝置

本發明係關於一種光學量測裝置；具體而言，本發明係關於一種能夠應用於具高反射性物體並降低量測誤差的光學量測裝置。

非破壞性檢測(Nondestructive Testing,NDT)係以不破壞待測物為目的，藉由聲音、電波、磁力、光線等媒介(Medium)檢測物體。此外，非破壞性檢測具有不直接碰觸待測物的優點，不僅應用於土木及精密產業，更受生醫領域廣泛使用。一般而言，非破壞性檢測包含超音波檢測、磁粒檢測、紅外線檢測、雷達檢測、光學檢測或其他檢測。實際上，部分檢測方式仍不盡完善，像是媒介能量不足、準確度不高、檢測範圍有限等。

在實際情況中，光學檢測極具發展性，足以彌補上述缺點。此外，研發人員不斷改良光學檢測裝置，期望提升檢測品質，進而擴大量測領域。進一步而論，光學檢測除具有非破壞性檢測以及即時量測的優點外，更具備高精確度。具體而言，光學干涉檢測係為現行常用方法，透過光程差特性以進行各種精密量測。

然而，原用於生醫檢測之光學干涉檢測裝置用於工業領域時，因待測物具有高反射率、不易透光或完全不透光，往往提高量測的困難度，產生較大的量測誤差。綜合上述諸多因素，如何設計兼具有高精確度並適用於各種待測物的光學檢測裝置，尤其能夠量測具高反射率待測物之光學檢測裝置，係為本發明之主要貢獻。

有鑑於上述先前技術的問題，本發明提出一種能夠用於金屬物並提升檢測良率的光學量測裝置。

於一方面，本發明提供一種具有光學穿透模組之光學量測裝置，可降低量測誤差。

於一方面，本發明提供一種可調整量測模式之光學量測裝置，以提升檢測良率。

於另一方面，本發明提供一種可降低光反射率之光學量測裝置，能夠量測高反射率待測物。

本發明之一方面在於提供一種光學量測裝置，用於量測物體之表面特性，尤其是包含高反射性表面的物體。光學量測裝置包含光學穿透模組、光學量測模組及資料處理模組。

需說明的是，光學穿透模組設置於物體之前方並具有至少一光學係數。光學量測模組傳送至少一光訊號穿透光學穿透模組並射至物體之表面，且經表面反射後之至少一光訊號穿透光學穿透模組而形成回饋訊號，光學量測模組接收回饋訊號。資料處理模組耦接於光學量測模組，其中資料處理模組根據回饋訊號與至少一光學係數得到表面特性。

在實際應用中，光學量測裝置進一步包含控制模組，其中控制模組耦接於資料處理模組與光學穿透模組，根據表面特性決定量測模式。換言之，控制模組能夠視物體之表面狀況改變量測的方式，以決定最佳化的量測模式。值得注意的是，光學穿透模組具有不同之光學係數，而控制模組可依已知的光學係數及測得的回饋訊號輸出合適的量測模式。

相較於先前技術，根據本發明之光學量測裝置係利用光學穿透模組具有至少一光學係數，且控制模組比對回饋訊號及光學係數以得到表面特性。此外，光學量測裝置藉由光學穿透模組控制反射光強度，故能夠量測具高反射性表面之待測物。在實際應用中，光學量測裝置依據表面特性，不但能選擇性地改變量測模式，有效進行最佳化的量測方式，故能夠量測各種反射率的物體表面。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

根據本發明之一具體實施例，提供一種光學量測裝置，用於量測物體之表面特性。於此實施例中，光學量測裝置可以是光學表面量測裝置，尤其是光學干涉儀表面量測裝置。

請參照圖1，圖1係繪示本發明之光學量測裝置1之實施例示意圖。如圖1所示，光學量測裝置1包含光學穿透模組10、光學量測模組20及資料處理模組30。在此實施例中，光學穿透模組10設置於物體2之前方並具有至少一光學係數。需說明的是，物體2係為量測對象。至於物體2之種類，可以是任意物體，尤其是包含高反射性表面的物體，包含金屬、生物體、植物、生物器官，並無特定之限制。換句話說，光學穿透模組10可以降低物體2之反射光訊號強度，故能夠量測高反射性表面的表面特性。在實際情況中，光學穿透模組10的設置位置較佳相鄰或緊鄰於物體2之表面22，但不以此為限。需說明的是，光學穿透模組10之較佳選自透光性材料，包含但不限於壓克力、塑料、玻璃、矽膠、光阻材料及上述材料之任意組合。此外，至少一光學係數包含穿透係數、吸收係數、反射係數或其組合。舉例而言，若為穿透係數，其係介於0至0.99之間，較佳介於0.1至0.75之間，但不以此為限。

在實際應用中，光學量測模組20傳送至少一光訊號穿透光學穿透模組10並射至物體2之表面22，且經表面22反射後之至少一光訊號穿透光學穿透模組10而形成回饋訊號，光學量測模組20接收回饋訊號。如圖1所示，資料處理模組30耦接於光學量測模組20，其中資料處理模組30根據回饋訊號與至少一光學係數得到表面特性。換言之，光學量測裝置1藉由資料處理模組30對照回饋訊號與光學係數之關係，進而計算物體2之表面特性結果。值得注意的是，表面特性可以是表面輪廓、粗糙度、各表層深度或厚度。

值得注意的是，光學量測模組20可以是任意形式的光學量測裝置，包含光學干涉儀、近場光學顯微儀、光學頻譜儀，其中光源可以是雷射光源、發光二極體光源、紅外線光源。在此實施例中，光學量測模組20係為光學干涉儀量測裝置，但不以此例為限。

請參照圖2，圖2係繪示本發明之光學量測模組20之實施例示意圖。如圖2所示，光學量測模組20包含分光單元210及光程差單元220。舉例而言，分光單元210將至少一光訊號50分為第一光訊號50A及第二光訊號50B，其中第一光訊號50A穿透光學穿透模組10並射至表面22以產生第一反射光訊號。在實際情況中，分光單元210可以是任意形式之分光元件，例如分光鏡或三稜鏡，並無特定之限制。此外，第二光訊號50B射至光程差單元220以產生第二光程差訊號51B，第二光程差訊號51B穿透光學穿透模組10並射至表面22以產生第二反射光訊號，而第一反射光訊號及第二反射光訊號穿透光學穿透模組10以形成回饋訊號。需說明的是，光程差單元220用以產生光訊號之相位差，藉由不同相位差之光訊號以形成干涉，進而達到量測表面之功效。此外，光程差單元220可以是液晶元件、電致變色元件、壓電元件、偏振元件或上述材料之任意組合，但不以此為限。

換句話說，光學量測模組20使用分光單元210進行分光且透過光程差單元220產生光程差，並藉由第一反射光訊號及第二反射光訊號以形成回饋訊號，進而得到物體2之表面特性。需說明的是，圖2中光學量測模組20係基於光程差特性進行表面量測。然而，在其他實施例中，光學量測模組20能夠使用不同之光學特性達到量測表面之功效，並無特定之限制。

在其他實施例中，光學量測模組20可以係為原用於生醫檢測之光學干涉模組，能夠量測包含高透光性表面之待測物。舉例而言，上述待測物可以是眼睛或其他易透光之待測物。然而，若光學量測裝置1僅使用光學量測模組20量測包含高反射率表面、不易透光或完全不透光之待測物時，量測結果容易產生誤差。進一步而論，光學量測裝置1係藉由光學穿透模組10降低反射光強度，以具有高準確度的量測結果。此外，本發明之光學穿透模組10能夠直接應用於一般生醫檢測裝置或一般透光組織檢測裝置，不僅無須大幅修改上述檢測裝置之量測結構，更具有降低成本及提高使用便利度之功效。

請參照圖3，圖3係繪示本發明之光學量測裝置1A之另一實施例示意圖。如圖3所示，光學量測裝置1A進一步包含控制模組40，其中控制模組40耦接於資料處理模組30與光學穿透模組10，根據表面特性決定量測模式。在實際情況中，決定量測模式的方式可以是手動量測或自動量測。舉例而言，使用者能夠手動控制量測模式，或是依照量測的表面特性結果而手動控制量測模式。此外，光學量測裝置1A能夠藉由控制模組40根據量測的表面特性自動決定量測模式。在此實施例中，量測模式包含但不限於平面量測模式及立體量測模式，而上述量測模式較佳應用於大面積的表面。此外，控制模組40能夠根據表面特性調整光學性質。換言之，光學量測裝置1A能夠依照表面的光學特性，透過控制模組調整光學穿透模組10的光學結構，以提供更合適的量測方式。

圖4係繪示本發明之光學量測裝置之另一實施例示意圖。如圖4所示，光學量測裝置1B之光學穿透模組10A包含至少一光學層110，其中每一個光學層110分別具有至少一光學係數，且控制模組40根據表面特性控制或調整至少一光學層110。於實際應用中，至少一光學層110包含流體光學層、薄膜光學層、膠體光學層、固體光學層或其組合。進一步而論，光學量測裝置1B可依照欲量測之表面特性而選擇使用合適的光學層110，其中每一個光學層110具有不同的光學特性。舉例而論，此外，每一個光學層110都可以是層狀殼體，且殼體內部具有容置空間，其中容置空間能夠容置流體、固體、膠體或其組合，以形成不同性質之光學層110。

舉例而言，如圖4所示，流體及膠體分別容置於不同的光學層110以形成流體光學層120A及膠體光學層120B，其中流體光學層120A及膠體光學層120B具有不同的光學係數。換言之，當光學量測裝置1B量測表面22，根據回饋訊號及光學係數之結果發現超過量測範圍，像是反射率過高、吸收率過高，則控制模組40根據表面特性手動調整或自動調整光學層110。需說明的是，光學層110之光學係數包含穿透係數、吸收係數、反射係數或其組合。舉例而言，在此實施例中，穿透係數的範圍係介於0.01~0.99之間；若物體2的反射率過高而超過光學量測裝置1B的量測範圍，則控制模組40調整光學層110，以提供具較低穿透係數(像是0.3)的光學層110，進而得到量測結果。

在其他實施例中，光學穿透模組可以貼附或塗佈之方式共形覆蓋於表面。換言之，光學穿透模組與表面的幾何外部輪廓具共同形狀。請參照圖5，圖5係繪示本發明之光學穿透模組之另一實施例示意圖；如圖5所示，光學穿透模組包含薄膜光學層120C，其中薄膜光學層120C係以貼附之方式共形覆蓋於表面22。換言之，薄膜光學層120C藉由貼附於表面22，不但大幅減少光學穿透模組與物體2之間隙以避免空氣影響量測，更能提高量測的準確度。此外，當薄膜光學層120C或其他類型光學層覆蓋於表面22時，對於光學量測裝置1而言，薄膜光學層120C及物體2類比於具數個組織層的量測對象。換言之，薄膜光學層120C的光學係數係為已知參數，光學量測裝置1能夠扣除薄膜光學層120的光學係數以取得物體2的表面特性。

請參照圖6，圖6係繪示本發明之光學量測裝置之另一實施例示意圖。如圖6所示，光學量測裝置1C進一步包含移動模組60，其中移動模組60耦接至光學量測模組20及控制模組40。在此實施例中，移動模組60更連接至光學穿透模組10。在實際情況中，移動模組60可以是電動滑軌組、電動載具或其他電動移動裝置，並無特定之限制。在實際情況中，光學量測模組20及光學穿透模組10需移動以量測較大面積的表面。在此實施例中，若控制模組40所決定之量測模式為平面量測模式，控制模組40輸出平面量測模式至移動模組60，使光學量測模組20及光學穿透模組10沿著表面22移動並針對表面22進行平面量測。舉例而言，移動模組60可以連接並帶動光學量測模組20及光學穿透模組10移動，同時藉由控制模組40輸出平面量測模式，以使光學量測模組20隨著移動模組60的位移以量測表面的不同區域。相較於其他光學量測裝置，光學量測裝置1C能夠藉由移動模組60進行移動，可以進行一維方向的掃瞄量測，更能針對大面積的表面進行完整量測。

請參照圖7，圖7係繪示本發明之光學量測裝置之另一實施例示意圖。如圖7所示，光學量測裝置1D包含轉動模組70，其中轉動模組70耦接至控制模組40並具有轉動軸700。需說明的是，轉動軸700連接於物體2。具體而論，轉動軸能夠以夾合、卡勾或其他卡合方式連接於物體2，並無特定之限制。此外，若控制模組40所決定之量測模式為立體量測模式，控制模組40輸出立體量測模式至轉動模組 70，轉動模組70之轉動軸700旋轉帶動物體2，使得光學量測模組20針對表面22進行立體量測。相對於光學量測裝置1~1C，光學量測裝置1D能夠進行大範圍的掃瞄量測，更針對物體2的表面22進行多個區域的量測。

相較於先前技術，根據本發明之光學量測裝置係利用光學穿透模組具有至少一光學係數，且控制模組比對回饋訊號及光學係數以得到表面特性。在實際應用中，光學量測裝置依據表面特性，不但能選擇性地改變量測模式，有效進行最佳化的量測方式，故能夠量測各種反射率的物體表面。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1、1A~1D‧‧‧光學量測裝置

2‧‧‧物體

10、10A‧‧‧光學穿透模組

20‧‧‧光學量測模組

22‧‧‧表面

30‧‧‧資料處理模組

40‧‧‧控制模組

50‧‧‧光訊號

50A‧‧‧第一光訊號

50B‧‧‧第二光訊號

51B‧‧‧第二光程差訊號

60‧‧‧移動模組

70‧‧‧轉動模組

110‧‧‧光學層

120A‧‧‧流體光學層

120B‧‧‧膠體光學層

120C‧‧‧薄膜光學層

210‧‧‧分光單元

220‧‧‧光程差單元

700‧‧‧轉動軸

圖1係繪示本發明之光學量測裝置之實施例示意圖；圖2係繪示本發明之光學量測模組之實施例示意圖；圖3係繪示本發明之光學量測裝置之另一實施例示意圖；圖4係繪示本發明之光學量測裝置之另一實施例示意圖；圖5係繪示本發明之光學穿透模組之另一實施例示意圖；圖6係繪示本發明之光學量測裝置之另一實施例示意圖；以及圖7係繪示本發明之光學量測裝置之另一實施例示意圖。

1‧‧‧光學量測裝置

2‧‧‧物體

10‧‧‧光學穿透模組

20‧‧‧光學量測模組

22‧‧‧表面

30‧‧‧資料處理模組

Claims

一種光學量測裝置，用於量測一物體之一表面特性，該光學量測裝置包含：一光學穿透模組，設置於該物體之前方並具有至少一光學係數；一光學量測模組，傳送至少一光訊號穿透該光學穿透模組並射至該物體之一表面，且經該表面反射後之該至少一光訊號穿透該光學穿透模組而形成一回饋訊號，該光學量測模組接收該回饋訊號，其中該光學量測模組包含：一分光單元，將該至少一光訊號分為一第一光訊號及一第二光訊號，其中該第一光訊號穿透該光學穿透模組並射至該表面以產生一第一反射光訊號；以及一光程差單元，其中該第二光訊號射至該光程差單元以產生一第二光程差訊號，該第二光程差訊號穿透該光學穿透模組並射至該表面以產生一第二反射光訊號，而該第一反射光訊號及該第二反射光訊號穿透該光學穿透模組以形成該回饋訊號；以及一資料處理模組，耦接於該光學量測模組，其中該資料處理模組根據該回饋訊號與該至少一光學係數得到該表面特性。
如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，進一步包含：一控制模組，耦接於該資料處理模組與該光學穿透模組，根據該表面特性決定一量測模式。
如申請專利範圍第2項所述之光學量測裝置，其中該光學穿透模組包含：至少一光學層，該至少一光學層分別具有該至少一光學係數，且該控制模組根據該表面特性控制或調整該至少一光學層。
如申請專利範圍第3項所述之光學量測裝置，其中該至少一光學層包含一流體光學層、一薄膜光學層、一膠體光學層、一固體光學層或其組合。
如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該光學穿透模組之材料可選自壓克力、塑料、玻璃、矽膠、光阻材料及上述材料之任意組合。
如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該至少一光學係數包含穿透係數、吸收係數、反射係數或其組合。
如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該光學穿透模組可以貼附或塗佈之方式共形覆蓋於該表面。
如申請專利範圍第2項所述之光學量測裝置，進一步包含：一移動模組，耦接至該光學量測模組及該控制模組，若該控制模組所決定之該量測模式為一平面量測模式，該控制模組輸出該平面量測模式至該移動模組，使該光學量測模組沿著該表面移動並針對該表面進行平面量測。
如申請專利範圍第2項所述之光學量測裝置，進一步包含：一轉動模組，耦接至該控制模組並具有一轉動軸，其中該轉動軸連接於該物體，若該控制模組所決定之該量測模式為一立體量測模式，該控制模組輸出該立體量測模式至該轉動模組，該轉動模組之該轉動軸旋轉帶動該物體，使得該光學量測模組針對該表面進行一立體量測。