TWI484154B - 光學檢測裝置及其運作方法 - Google Patents
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Description
本發明係與光學檢測有關，特別是關於一種能夠透過非接觸且非破壞之手段同時檢測出物質之機械及光學特性的光學檢測裝置及其運作方法。
一般而言，當我們判斷一物質功能時，常以物質所具有的機械特性及光學特性作為重要的參考因子，並且係藉由針對該些參考因子之檢測來做出該物質是否保有其應有功能之依據。
常見的物質特性檢測手段大致可以分為破壞性及非破壞性兩大類型。前者大多係以外力分解破壞待測物質原來之系統後，得到待測物質之切片或樣本；後者則是透過光、電、磁、聲等非破壞性的方法直接對物質進行量測。對於某些特定領域而言，例如生物活體之檢測，係以採用非破壞性的方式進行檢測較佳，以避免對於生物活體造成損傷。
於各種非破壞性的物質特性檢測方法中，超音波檢測方法已發展多年，算是一項相當成熟的物質特性檢測技術，廣泛地被運用在各種物質之檢測上。然而，由於超音波所能達到之解析度不夠理想，導致當使用者欲利用超音波檢測方法進行較細微的物質分析時，較難以得到理想的檢測結果。此一缺點對於生理組織結構之系統及生物體(動物及植物)物質之檢測的影響尤其明顯，亟需其他較佳的檢測裝置及方法，才能夠得到較為理想的生物特性檢測結果。
因此，本發明提出一種光學檢測裝置及其運作方法，以解決上述問題。
根據本發明之一具體實施例為一種光學檢測裝置。於此實施例中，光學檢測裝置包含光路模組、致動模組及資料處理模組。光路模組係用以發射一光源至一待測物質並接收待測物質反射光源所產生之一光學訊號。致動模組係用以致使待測物質產生一振動。資料處理模組係耦接至光路模組及致動模組，並係用以紀錄分析關於待測物質的物質特性之一檢測結果並分別調控光路模組及致動模組之檢測參數。
於實際應用中，該檢測結果係包含待測物質之機械特性及光學特性，待測物質之機械特性係包含彈性係數及黏性係數且待測物質之光學特性係包含光穿透特性、光吸收特性及光反射特性。光路模組之檢測參數包含發射光波長、發射光能量、光發射角度及光接收角度；致動模組之檢測參數包含致動能量、致動頻率/波長、致動時間及致動強度。致動模組係為接觸式設計或是利用氣動、聲波之非接觸式設計。光路模組係包含具有不同功能之複數個光學單元，以提供一光干涉效果。該複數個光學單元至少包含一發射單元及一接收單元，發射單元係用以發射光源至待測物質，並且接收單元係用以接收待測物質反射光源所產生之光學訊號。
根據本發明之第二具體實施例為一種光學檢測裝置運作方法。於此實施例中，光學檢測裝置包含光路模組、致動模組及資料處理模組。該方法包含下列步驟：(a)光路模組發射一光源至一待測物質並接收待測物質反射光源所產生之一光學訊號；(b)致動模組致使待測物質產生一振動；(c)資料處理模組紀錄分析關於待測物質的物質特性之一檢測結果並分別調控光路模組及致動模組之檢測參數。
相較於先前技術，根據本發明之光學檢測裝置及其運作方法係結合光學干涉技術與致使物質產生振動之方式，以非接觸且非破壞之手段同時檢測出待測物質之機械及光學特性，故可得到較為理想的物質特性檢測結果。再者，根據本發明之光學檢測裝置及其運作方法的應用範圍相當廣泛，不僅適用於生物活體，亦適用於非生物體，還可進一步搭配矩陣探頭及掃瞄平台，以作為大量快速之檢測。此外，根據本發明之光學檢測裝置及其運作方法亦可透過模式設定之方式分別針對已知物質及未知物質做不同的檢測參數設定，以得到較佳的確認及檢測結果。
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。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種光學檢測裝置。請參照圖1，圖1係繪示本實施例之光學檢測裝置的功能方塊圖。如圖1所示，光學檢測裝置1包含光路模組10、致動模組12及資料處理模組14。其中，資料處理模組14分別耦接至光路模組10及致動模組12。
接下來，將分別針對光學檢測裝置1所包含之各模組及其具有的功能進行詳細之介紹。
於此實施例中，光路模組10係用以發射一光源至一待測物質並接收待測物質反射光源所產生之一光學訊號。實際上，光路模組10可包含分別具有不同功能之複數個光學單元，以提供一光干涉效果，故能夠對於待測物質之不同位置進行深度方向的光干涉檢測。請參照圖2，圖2係繪示光路模組10之一實施例。
如圖2所示，光路模組10可包含有發射單元100及接收單元102，其中發射單元100係用以發射光源L至待測物質M，而接收單元102則係用以接收待測物質M反射光源L所產生之光學訊號P。需說明的是，本發明之光學檢測裝置1的光路模組10亦可包含有其他光學單元，並不以圖2所示之發射單元100及接收單元102為限。實際上，光路模組10亦可透過光學同調斷層掃瞄(Optical Coherence Tomography,OCT)技術對待測物質M進行深度方向的深層檢測，但不以此為限。
致動模組12係用以致使待測物質M產生一振動，使得待測物質M能夠於不同的時間下分別處於靜止狀態與振動狀態。實際上，致動模組12可以是接觸式設計或是利用氣動、聲波等原理之非接觸式設計，並無特定之限制。資料處理模組14係用以紀錄分析關於待測物質M的物質特性之一檢測結果並分別調控光路模組10及致動模組12之檢測參數。
於實際應用中，關於待測物質M的物質特性之檢測結果可包含待測物質M之機械特性及光學特性。舉例來說，待測物質M之機械特性可包含彈性係數及黏性係數等，而待測物質M之光學特性可包含光穿透特性、光吸收特性及光反射特性等，但不以此為限。至於光路模組10之檢測參數可包含發射光波長、發射光能量、光發射角度及光接收角度等參數；致動模組12之檢測參數可包含致動能量、致動頻率/波長、致動時間及致動強度等致動參數。
更詳細地說，資料處理模組14除了紀錄並調控致動模組12致使待測物質M產生振動時所使用之致動參數外，資料處理模組14還會判讀光路模組10所接收到之待測物質M於靜止狀態及振動狀態下分別反射光源L所產生之不同光學訊號並據以計算出待測物質M之機械特性及光學特性。
接下來，請參照圖3，圖3係繪示本發明之光學檢測裝置的另一具體實施例。如圖3所示，光學檢測裝置1’除了包含有光路模組10’、致動模組12’及資料處理模組14’之外，還進一步包含有區域選擇模組16’及模式設定模組18’。其中資料處理模組14’係分別耦接至光路模組10’、致動模組12’、區域選擇模組16’及模式設定模組18’。
於此實施例中，區域選擇模組16’係用以於待測物質上選出一待測區域以供光學檢測裝置1’進行檢測。需注意的是，在區域選擇模組16’選定待測區域的過程中，光路模組10’及致動模組12’皆為啟動狀態，且資料處理模組14’仍可同時調控修正較佳之光路模組10’及致動模組12’的檢測參數。
實際上，由於待測物質係為連續體狀態，故使用者可透過區域選擇模組16’選出待測物質上之較佳的待測區域，藉以避免受污染區域或振動節點區域等較不適宜進行檢測的區域。此外，區域選擇模組16’所選定之待測區域亦可加以記錄存檔，以作為後續追蹤檢測之參考依據。
如前所述，由於區域選擇模組16’進行待測區域選定的過程中，關於待測物質深度方向的各層結構的光學特性(例如穿透、反射及吸收等)已可獲得初步的確認，因此，當光學檢測裝置1’係對已知物質進行功能品質確認時，資料處理模組14’可進行資料之比較分析，藉以判斷待測物質是否夾雜有其他結構，或待測物質的光學特性是否與預設參考值產生明顯偏差。
於此實施例中，模式設定模組18’係用以選擇性地設定光學檢測裝置1’處於已知物質模式或未知物質模式下，藉以對於已知物質或未知物質作出不同的檢測參數設定。
於已知物質模式下，資料處理模組14’係將其所得到的待測物質之檢測結果與儲存於資料庫之複數個預設檢測結果進行快速比對，以確認待測物質是否為某一特定已知物質。一般而言，已知物質模式大多應用於待測物質的功能品質確認，例如對於動植物等農產品進行抽樣檢測或對於人體組織器官進行檢測。
於未知物質模式下，由於待測物質係為第一次檢測，故使用者需先選定待測物質所具有之層狀性質(例如整體、單一層或複數層等)，資料處理模組14’再根據待測物質的層狀性質自資料庫選出相對應之計算模式(例如剛體+黏彈性體、單層黏彈性體或複合彈性體)以及較佳的光路模組10’與致動模組12’之檢測參數，以供光路模組10’及致動模組12’對待測物質進行檢測而能獲得較佳致動方式及量測結果。
當光學檢測裝置1’開始進行檢測時，致動模組12’將會對於待測物質進行複數次起振驅動，而光路模組10’則會持續地對於待測物質進行靜止狀態及振動狀態下之光學干涉檢測。至於資料處理模組14’則會同步地記錄致動模組12’的該些致動參數並與光路模組10’所獲得的光檢測數據進行資料之記錄及整合。接著，資料處理模組14’配合模式設定模組18’所設定的已知物質模式或未知物質模式對上述檢測數據進行運算分析，以得到包含待測物質之機械特性及光學特性的檢測結果，並將檢測結果加以顯示出來。
為了能夠充分說明本發明之光學檢測裝置的實際運作情形，以下將透過光學檢測裝置對於一動物性物質進行檢測之實例作為說明。
請參照圖4，圖4係繪示光學檢測裝置對於動物性待測物質進行檢測之示意圖。如圖4所示，致動模組12對待測物質M進行起振，致使待測物質M產生振動。需說明的是，圖4所繪示的是致動模組12有接觸到待測物質M的接觸式設計，實際上，致動模組12亦可以是非接觸式設計，例如透過氣動或聲波等方式致使待測物質M產生振動，端視實際需求而定。
光路模組10的發射單元100及接收單元102則同步對於待測物質M的不同位置進行深度方向的光干涉檢測。於實際應用中，無論是光路模組10或致動模組12的探頭或驅動頭均可採用矩陣式設計或單一式搭配掃瞄機台設計，藉以能夠對於待測物質M的不同位置進行檢測。此外，光路模組10或致動模組12的探頭或驅動頭亦可採用具有旋轉角度功能之設計，以增進檢測結果之準確度。
針對待測物質M上不同位置所得到之動態檢測結果(位移/變形量)即可作為選定檢測區域之用，亦可作為設定較佳的致動模組12之致動參數之用。接著，再經由資料比對之後，即可確認待測物質M深度方向的光學特性與內建資料是否一致，故可於複數個預設檢測模式中直接選定某一檢測模式進行實際檢測。當檢測模式已選定後，可連結至資料庫所儲存的物質機械特性類比模型，例如由單一個或複數個彈簧與阻尼器所構成的系統模型，但不以此為限。因此，當檢測開始時，即以該模型進行資料運算分析。舉例而言，可先由頻域檢測運算結果獲得共振頻率(請參照圖5A，透過變換致動模組12的驅動頻率可得到不同的振幅峰值P1~P3)，再藉由時域之振幅信號變化(致動模組12的起振頻率接近共振頻率)反推出合理的待測物質M之機械特性(彈性係數及黏性係數，請參照圖5B)。最後，即可獲得待測物質M之光學特性及機械特性。
根據本發明之另一較佳具體實施例為一種光學檢測裝置運作方法。於此實施例中，光學檢測裝置包含光路模組、致動模組及資料處理模組。請參照圖6，圖6係繪示此實施例之光學檢測裝置運作方法的流程圖。
如圖6所示，首先，該方法執行步驟S12，光路模組發射一光源至一待測物質並接收待測物質反射光源所產生之一光學訊號。接著，該方法執行步驟S14，致動模組致使待測物質產生一振動。實際上，步驟S12與S14之先後順序可互相調換或同時執行均可，端視實際需求而定。之後，該方法執行步驟S16，資料處理模組紀錄分析關於待測物質的物質特性之一檢測結果並分別調控光路模組及致動模組之檢測參數。
於另一實施例中，光學檢測裝置除了包含有光路模組、致動模組及資料處理模組之外，還進一步包含有區域選擇模組及模式設定模組。請參照圖7，該方法係先執行步驟S20，區域選擇模組於待測物質上選出一待測區域以供檢測。接著，於步驟S22中，資料處理模組進行資料建立及比對。然後，於步驟S24中，模式設定模組選擇性地設定光學檢測裝置處於已知物質模式或未知物質模式下，藉以對於已知物質或未知物質作出不同的檢測參數設定。
於已知物質模式下，資料處理模組係將待測物質之檢測結果與儲存於一資料庫之複數個預設檢測結果進行快速比對，以確認待測物質是否為某一特定已知物質；於未知物質模式下，使用者係先選定待測物質所具有之一層狀性質，資料處理模組再根據層狀性質自資料庫選出相對應之光路模組及致動模組之檢測參數，以供光路模組及致動模組對待測物質進行檢測。
接著，光學檢測裝置即開始進行檢測。於步驟S26中，光路模組發射一光源至待測區域並接收待測區域反射光源所產生之一光學訊號。於步驟S28中，致動模組致使待測物質產生一振動。實際上，步驟S26與S28之先後順序可互相調換或同時執行均可，端視實際需求而定。於步驟S30中，資料處理模組同步地記錄致動模組的該些致動參數並與光路模組所獲得的光檢測數據進行資料之記錄及整合。於步驟S32中，資料處理模組配合模式設定模組所設定的模式對上述檢測數據進行運算分析，以得到包含待測物質之機械特性及光學特性的檢測結果。最後，於步驟S34中，資料處理模組將檢測結果加以顯示。
相較於先前技術，根據本發明之光學檢測裝置及其運作方法係結合光學干涉技術與致使物質產生振動之方式，以非接觸且非破壞之手段同時檢測出待測物質之機械及光學特性，故可得到較為理想的物質特性檢測結果。再者，根據本發明之光學檢測裝置及其運作方法的應用範圍相當廣泛，不僅適用於生物活體，亦適用於非生物體，還可進一步搭配矩陣探頭及掃瞄平台，以作為大量快速之檢測。此外，根據本發明之光學檢測裝置及其運作方法亦可透過模式設定之方式分別針對已知物質及未知物質做不同的檢測參數設定，以得到較佳的確認及檢測結果。
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。
S12、S14、S16、S20、S22、S24、S26、S28、S30、S32、S34‧‧‧流程步驟
1、1’‧‧‧光學檢測裝置
10、10’‧‧‧光路模組
12、12’‧‧‧致動模組
14、14’‧‧‧資料處理模組
100‧‧‧發射單元
102‧‧‧接收單元
16’‧‧‧區域選擇模組
18’‧‧‧模式設定模組
L‧‧‧光源
M‧‧‧待測物質
P‧‧‧光學訊號
P1~P3‧‧‧振幅峰值
圖1係繪示根據本發明之一較佳具體實施例中之光學檢測裝置的功能方塊圖。
圖2係繪示圖1中之光路模組的一實施例。
圖3係繪示另一實施例中之光學檢測裝置的功能方塊圖。
圖4係繪示光學檢測裝置對於動物性待測物質進行檢測之示意圖。
圖5A係繪示由頻域檢測運算結果獲得共振頻率。
圖5B係繪示由時域之振幅信號變化反推出合理的待測物質之機械特性。
圖6係繪示根據本發明之另一較佳具體實施例之光學檢測裝置運作方法的流程圖。
圖7係繪示根據本發明之另一較佳具體實施例之光學檢測裝置運作方法的流程圖。
1．．．光學檢測裝置
10．．．光路模組
12．．．致動模組
14．．．資料處理模組
Claims (9)
- 一種光學檢測裝置，包含：一光路模組，用以發射一光源至一待測物質並接收該待測物質反射該光源所產生之一光學訊號；一致動模組，用以致使該待測物質產生一振動；一資料處理模組，耦接至該光路模組及該致動模組，用以紀錄分析關於該待測物質的物質特性之一檢測結果並分別調控該光路模組及該致動模組之檢測參數；一區域選擇模組，耦接至該資料處理模組，用以於該待測物質上選出一待測區域以供檢測；以及一模式設定模組，耦接至該資料處理模組，用以選擇性地設定該光學檢測裝置處於一已知物質模式或一未知物質模式下；其中，於該已知物質模式下，該資料處理模組係將該待測物質之該檢測結果與儲存於一資料庫之複數個預設檢測結果進行快速比對，以確認該待測物質為一特定已知物質；於該未知物質模式下，使用者係先選定該待測物質所具有之一層狀性質，該資料處理模組再根據該層狀性質自該資料庫選出相對應之該光路模組及該致動模組之檢測參數，以供該光路模組及該致動模組對該待測物質進行檢測。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，其中該檢測結果係包含該待測物質之機械特性及光學特性，該待測物質之機械特性係包含彈性係數及黏性係數且該待測物質之光學特性係包含光穿透特性、光吸收特性及光反射特性。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，其中該光路模組係包含具有不同功能之複數個光學單元，以提供一光干涉效果，該複數個光學單元至少包含一發射單元及一接收單元，該發射單元係用以發射該光源至該待測物質，並且該接收單元係用以接收該待測物質反射該光源所產生之該光學訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，其中該光路模組之檢測參數包含發射光波長、發射光能量、光發射角度及光接收角度。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，其中該資料處理模組紀錄並調控該致動模組致使該待測物質產生該振動時所使用之致動參數；該資料處理模組判讀該光路模組所接收到之該待測物質於靜止及振動狀態下分別反射該光源所產生之不同光學訊號並據以計算出該待測物質之機械特性及光學特性。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學檢測裝置，其中該致動模組之檢測參數包含致動能量、致動頻率/波長、致動時間及致動強度，該致動模組係為接觸式設計或是利用氣動、聲波之非接觸式設計。
- 一種運作一光學檢測裝置的方法，該光學檢測裝置包含一光路模組、一致動模組及一資料處理模組，該方法包含下列步驟：(a)該光路模組發射一光源至一待測物質並接收該待測物質反射該光源所產生之一光學訊號； (b)該致動模組致使該待測物質產生一振動；以及(c)該資料處理模組紀錄分析關於該待測物質的物質特性之一檢測結果並分別調控該光路模組及該致動模組之檢測參數；其中，該方法進一步包含下列步驟：於該待測物質上選出一待測區域以供檢測；以及選擇性地設定該光學檢測裝置處於一已知物質模式或一未知物質模式下；其中，於該已知物質模式下，該資料處理模組係將該待測物質之該檢測結果與儲存於一資料庫之複數個預設檢測結果進行快速比對，以確認該待測物質為一特定已知物質；於該未知物質模式下，使用者係先選定該待測物質具有一層狀性質，該資料處理模組再根據該層狀性質自該資料庫選出相對應之該光路模組及該致動模組之檢測參數，以供該光路模組及該致動模組對該待測物質進行檢測。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該檢測結果係包含該待測物質之機械特性及光學特性，該待測物質之機械特性係包含彈性係數及黏性係數且該待測物質之光學特性係包含光穿透特性、光吸收特性及光反射特性，該光路模組之檢測參數包含發射光波長、發射光能量、光發射角度及光接收角度，該致動模組之檢測參數包含致動能量、致動頻率/波長、致動時間及致動強度，該致動模組係為接觸式設計或是利用氣動、聲波之非接觸式設計。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該光路模組係包含 具有不同功能之複數個光學單元，以提供一光干涉效果，該複數個光學單元至少包含一發射單元及一接收單元，該發射單元係用以發射該光源至該待測物質，並且該接收單元係用以接收該待測物質反射該光源所產生之該光學訊號，該資料處理模組紀錄並調控該致動模組致使該待測物質產生該振動時所使用之致動參數，該資料處理模組判讀該光路模組所接收到之該待測物質於靜止及振動狀態下分別反射該光源所產生之該光學訊號並計算出該待測物質之機械特性及光學特性。
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