TWI494536B - 光學量測裝置及方法 - Google Patents

Description

光學量測裝置及方法

本發明係關於一種光學量測的裝置以及方法。

由於光學量測技術具有非侵入、快速反應等優點，因此常被應用於非接觸性的檢測。例如可應用於生理檢測，且特別是應用於高透光與易受損傷眼部的生理檢測效果尤佳。

請先參考圖1，其為習知的光學量測裝置的示意圖。圖1的光學量測裝置1至少包括光源模組10、參考鏡組12、光耦合模組14以及處理單元16所組成。

光源模組10所提供的光源透過耦合模組14分別傳遞至參考鏡組12以及處理單元16，該些光線再分別被參考鏡組12以及處理單元16反射後，形成參考光R1與檢測光D1後，循原光路返回處理單元16，最後依據其干涉結果可量測出待測物O的表面曲率。且，使用者可透過移動參考鏡組12的位置，使參考光R1、檢測光D1產生干涉。

然而，此種光學量測裝置的缺點在於，須於量測時先得知待測物表面的曲率為凹面、凸面或是平面，且為了得到較精準的量測結果，尚須參考鏡組12選用的曲率與待測物的差距不能過大(選用錯誤的鏡面將會導致量測結果誤差增大)。且，即便已知待測物的約略曲率，若搭配的參考鏡組12的曲率亦會影響到其量測結果。換言之，此種光學量測裝置1將無法滿足量測不規則曲面、多層體結構的待測物、精準量測等等的情況。

因此，如何提供一種可量測提高檢測準確度、可針對不規則待測面、連續量測、量測多層體待測物的一種光學量測裝置，乃為本領域即需解決的問題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種光學量測裝置， 包括光源模組、光耦合模組、參考鏡組以及處理單元。

光源模組可提供一光線。光源模組的光線可經由光耦合模組傳遞至參考鏡組以及一待測物。光線會被參考鏡組、待測物反射後分別形成第一光線以及第二光線。第一光線、第二光線再透過光耦合模組傳遞至處理單元。處理單元將會依據第一光線與第二光線提供調整信號。處理單元將調整信號傳送至參考鏡組，參考鏡組依據調整信號調整參考鏡組。

在本發明一實施例中，參考鏡組包括致動器以及反射鏡，且致動器依據調整信號調整反射鏡的曲率。

在本發明一實施例中，參考鏡組包括光路調整單元、多個參考鏡，光路調整單元依據調整信號使第二光線與其一參考鏡匹配。

在本發明一實施例中，各該參考鏡的曲率不同。

在本發明一實施例中，參考鏡組為電濕式曲率透鏡或介電泳式曲率透鏡。

在本發明一實施例中，待測物為具有多個曲面的球狀體。

在本發明一實施例中，球狀體為眼球。

本發明更可提供一種光學量測的方法，其步驟更包括：提供光線至參考鏡組，提供又一光線至待測物。光線被參考鏡組反射後形成第一光線，光線被待測物反射後形成第二光線。

第一光線與第二光線產生干涉。判斷干涉是否符合預定干涉範圍，若否，則依據干涉產生調整信號，參考鏡組依據調整信號調整參考鏡組。

在本發明一實施例中，參考鏡組依據調整信號調整參考鏡組的曲率。

在本發明一實施例中，參考鏡組包括致動器以及反射鏡，其步驟更包括：致動器依據調整信號調整反射鏡的曲率。

在本發明一實施例中，參考鏡組包括光路調整單元、多個參考鏡，各該參考鏡的曲率不同其步驟更包括：光路調整單元依據調整信號使第二光線與其一參考鏡匹配。

在本發明一實施例中，步驟更包括依據干涉，形成待測物的 待測物的表面的圖像。

在本發明一實施例中，待測物具有多個曲面，其步驟更包括：重複量測方法以量測該些曲面。

在本發明一實施例中，步驟更包括：疊加該些曲面形成立體圖像。

綜上所述，本發明係透過第一光線與第二光線的干涉結果，調整參考鏡組的光學特性，進而提高整體量測的精度，並克服量測不同曲面、多層體曲面須預先搭配適合的曲率範圍的參考鏡組的缺點。

1、2‧‧‧光學量測裝置

10、20‧‧‧光源模組

12、22、32、52、62、72、82、92‧‧‧參考鏡組

221‧‧‧致動器

222、721、821、921‧‧‧反射鏡

14、24‧‧‧光耦合模組

16、26‧‧‧處理單元

32a、32b、32c、32d、521‧‧‧參考鏡

322‧‧‧光路調整單元

522‧‧‧光纖陣列

72a、72b、72c‧‧‧電濕式曲率透鏡

822、922、923‧‧‧流體腔室

AA、BB‧‧‧割線

R1‧‧‧參考光

D1‧‧‧檢測光

O、O1‧‧‧待測物

S1~S4‧‧‧方法步驟

C‧‧‧電極板

圖1為一種習知光學量測裝置的示意圖。

圖2A為本發明的光學量測裝置的第一實施例的示意圖。

圖2B為圖2A的參考鏡組放大示意圖。

圖2C為圖2A的參考鏡組又一放大示意圖。

圖3為本發明的光學量測裝置步驟流程圖。

圖4A為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第二實施例的立體示意圖。

圖4B、4C為圖4A沿AA、BB剖面示意圖。

圖4D為圖4A參考鏡組操作示意圖。

圖5為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第三實施例的立體示意圖。

圖6為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第四實施例的立體示意圖。

圖7A為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第五實施例的立體示意圖。

圖7B為圖7A的又一示意圖。

圖7C為圖7A的再一示意圖。

圖8A為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第六實施例的立體示意圖。

圖8B為圖8A的又一示意圖。

圖8C為圖8A的再一示意圖。

圖9A為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第七實施例的立體示意圖。

圖9B為圖9A的又一示意圖。

圖9C為圖9A的再一示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種光學量測裝置以及方法，其中相同的構件、步驟將以相同的參照符號加以說明。且，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件、步驟均已省略而未繪示；且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例。

以下將開始依序說明本發明的較佳實施例之一種光學量測裝置以及方法。

首先，請先參考圖2A、圖2B、圖2C以及圖3，圖2A是本發明的光學量測裝置的第一實施例的示意圖，圖2B、圖2C分別是圖2A的參考鏡組放大示意圖。圖3則為本發明光學量測裝置的步驟流程圖。

本實施例的光學量測裝置2至少可包括光源模組20、光耦合模組24、參考鏡組22以及處理單元26。

光源模組20可提供一光線。且若應用於人眼的角膜、視網膜量測時，為了顧及被量測者的舒適程度，則此光源模組20可為一寬頻雷射光源。例如，若應用於視網膜則波長可調整成約840nm，應用於角膜則可調整成1060nm或是1310nm，若應用於皮膚則可調整成約1310nm，光源模組的頻寬約為20nm至40nm。換言之，實際的波長跟頻寬將依據應用的對象不同而有所調整。

光耦合模組24可將光源模組20的光線分別傳遞、匯聚至參考鏡組22以及待測物O1。本實施例的光耦合模組24可為分光器，但不以分光器為限制。例如可將光源模組20的50%的光線反射進入參考鏡組22，而其餘50%的光線穿透進入待測物O1，以達成光耦合的效果。此外，本實施例的待測物O1為一個球狀體，且以眼球為例示，但不以量測眼球為限制。

本實施例的參考鏡組22可包括致動器221(micro-actuator) 以及反射鏡222，反射鏡222為一可撓性材質所構成，貼附於致動器221。致動器221可依據處理單元26提供的調整信號調整反射鏡221的曲率，例如可調整成凸面(圖2B)、凹面(圖2C)或平面(圖2A)。詳言之，致動器221可依據不同的調整信號調整其形變的程度，進而使得反射鏡222的曲率改變，以得到較佳的量測結果。詳細的調整信號產生的方式將於下述。

此外，本實施例的參考鏡組22得以往復移動(例如可透過傳動平台移動)，以取得較佳的干涉結果。

實際應用時，首先，光源模組20可提供一個光線至參考鏡組22，並提供又一光線至待測物(步驟S1)。以本實施例的架構而言，光源模組20的光線可經由光耦合模組24傳遞至參考鏡組22以及一待測物O1。

接著，光線被參考鏡組22反射後形成第一光線、光線將會被待測物O1反射後形成第二光線。(步驟S2)。簡言之，傳遞至參考鏡組22、待測物O1表面的光線皆被反射。此時，透過光耦合模組24，被反射的第一光線與第二光線被傳遞至處理單元26。

第一光線與第二光線產生干涉(步驟S3)。此時，處理單元26可紀錄此時第一光線與該第二光線的一相對的光學路徑長(光程差，OPD)，以作為後續判斷的依據。詳細而言，處理單元26可包含一個儲存單元，其中可儲存不同的光學路徑長對應的干涉結果，亦即可透過查表的方式判斷此步驟圖為判斷光學路徑長是否符合預定干涉範圍，若否，則依據干涉產生一個調整信號，參考鏡組22依據調整信號調整參考鏡組。(步驟S4)。

以本實施例的架構為例，處理單元26將會依據第一光線與第二光線的干涉結果查找對應的修正方式(處理單元26內將會有一個資料庫可對應查找干涉結果對應的調整方式，例如增加或減少曲度)以提供一調整信號。接著，處理單元26會將調整信號傳送給參考鏡組22，參考鏡組22將依據調整信號調整參考鏡組22(亦即致動器221將會使反射鏡222產生形變，改變反射鏡的曲率)。

例如，可將參考鏡組22預設曲率為0(亦即預設為一平面)， 進行第一次量測，接著再將參考鏡組22的曲率調整成凸面及凹面，再分別針對凹面及凸面進行量測。此時處理單元26將會比對此些量測結果，將參考鏡組22調整至與待測物較為接近的曲率，以得到較精準的量測結果。

或者，在約略知道待測物表面的曲率範圍的情況下(例如已知量測者的年齡且欲量測角膜的情況)，此時，於量測前處理單元26可依據資料庫的查找該年齡的角膜曲率的平均值，將此平均值設定為第一次量測時參考鏡組22的曲率，並由此曲率作為後續調整的基礎。亦可，以先將參考鏡面調整至凸面(角膜為一凸面)，再逐步減少凸面曲率，並量測反射的第二光線與第一光線的干涉情況，若干涉情況較差，則處理單元將會傳送調整信號停止減少凸面曲率，並增加凸面曲率直至量測到最佳值為止。

簡言之，透過上述方式調整後的第一光線與第二光線的干涉結果將會更加精準，並可量測出待測物O1的表面曲率。補充說明的是，上述的修正方式係以使參考鏡組22的表面曲率調整至與待測物O1的表面相似的曲率或是相似的曲率範圍的方式。且，可依據不同的需求，反覆量測並加以調整至所需的精度。

另外，本實施例的光學量測裝置2更可包括影像分析單元(圖未示出)，可用於分析並建構待測物的平面或是立體圖像。且具體而言，影像分析單元可為電耦合裝置攝影機或是互補性氧化金屬半導體攝影機。

承前，本實施例的步驟更包括：依據干涉，形成待測物的待測表面的圖像。透過計算，將待測物上多個點、多個區域量測到的相對的光學路徑長繪製、建構待測物O1的表面的圖像(平面影像)。其繪製的方法可為透過干涉表面輪廓繪製(interferometric surface profiling)的計算方式，但不此為限。

此外，若待測物為不規折曲面，則可將待測物的表面分割成多個區域(分割成複數個環狀區域或是棋盤狀區域)，分別針對各個區域進行上述的調整、量測作業後再形成待測物的表面的圖像。

或者，若待測物為具有多個曲面、多層結構，則可再每個曲面調整、量測各曲面後，將不同深度的曲面疊加形成立體圖案。

或者，若應用於眼球量測上，本實施例則可一併量測角膜、角膜厚度以及視網膜等等的結構，而不須如習知光學量測儀器須特別針對角膜、視網膜採用不同的參考鏡(亦即須使用兩個以上的量測儀器)，並可直接形成眼球的立體圖像。換言之，本實施例的光學量測裝置可至少具有以下優點：節省成本(不須針對不同的曲率搭配不同的光學量測裝置)、省時(節省更換儀器的時間)、達到更精確的量測結果(參考鏡具有可調整功能，可更貼近實際待測物的表面曲率)。

簡言之，透過第一光線與第二光線的干涉結果，可判斷參考鏡組的曲率是否與匹配，並透過調整信號調整參考鏡的曲率使其與待測物所欲量測的曲面、局部曲面匹配，進而提高整體量測的精度，並克服量測不同曲面、多層體曲面須預先搭配適合的曲率範圍的參考鏡組的缺點。

接著，請一併參考圖4A至圖4D，圖4A為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第二實施例的立體示意圖。圖4B、4C為圖4A沿AA、BB剖面示意圖。圖4D為圖4A參考鏡組操作示意圖。

本實施例例示另一種可能的參考鏡組32，參考鏡組可包括光路調整單元322、多個參考鏡32a、32b、32c、32d，且光路調整單元322可依據輸入的調整信號將第二光線與其一參考鏡匹配，亦即依據調整信號改變光線的入射角度，進入不同的參考鏡。且各該參考鏡32a、32b、32c、32d的曲率不同，且雖本實施例例示該些參考鏡32a、32b、32c、32d排列成2x2矩陣的形式，但不以此排列方式、須為設置為單一構件為限制。此外，參考鏡的數量也僅為示意，可依據不同的需求有所增減。

本實施例的光路調整單元322可包含多個反射鏡，且各該可搭配驅動裝置(圖未示出)，依據不同的調整信號，調整對應的反射鏡面的偏轉角度，使光線入射到不同曲率的參考鏡(圖4D)，以提高整體量測精度。舉例而言，若量測到的待測物的表面的曲率與參考鏡32b較為接近，則處理單元將會發送調整信號，使對應參考鏡32b的反射鏡偏轉，使第二光線入射參考鏡32b，換言之，參考鏡32b將會作為量測待測物的參考鏡面。

其餘構件、參考鏡組與其他元件的搭配關係與前述實施例相似，故將不再贅述。

請參考圖5為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第三實施例的立體示意圖。

與圖4A的前述參考鏡組32相異處在於，本實施例的參考鏡組52為一個光纖陣列522與參考鏡521所構成，各該光纖將會對應到一個參考鏡，且此些參考鏡亦可有不同的曲率。實際操作時，其一光纖將會開啟並將光線傳送給對應的參考鏡521，接著透過反射的第二光線與第一光線的干涉結果，處理單元將會判斷是否須調整開啟不同的光纖(改變傳輸路徑)，以對應不同的反射鏡，以提高整體量測的精度。

其餘構件、參考鏡組與其他元件的搭配關係與前述實施例相似，故將不再贅述。

圖6為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第四實施例的立體示意圖。

與前述實施例不同處在於，本實施例的參考鏡組62為多個數位調控微鏡面所組成，採用多個數位調控微鏡面的優點在於，各個鏡面皆可獨立調整(水平位置、角度調整等)，故可達到更精細的調整，以符合不規則曲面的量測結果。

若搭配量測不規則曲面時，可將待測物的表面分割為數個子區域，並就各該子區域所對應之數位調控微鏡面，亦即每個子區域都會進行至少一次的調整、量測步驟以量測到較佳的曲率。

圖7A至7C為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第五實施例的立體示意圖。

與前述實施例不同處在於，本實施例的參考鏡組72由參考鏡組為電濕式曲率透鏡搭配一反射鏡721所組成，亦可對設置電濕式曲率透鏡的電極板C進行一鏡面處理，使其提供與反射鏡相似的效果、或者透過選用不同的液體以達到反射的目的。電濕式曲率透鏡係以液體做為變焦鏡，其具有高性能、低成本、體積小以及低耗電等優點。其原理為利用具有導電性的水溶液以及非導電的油，藉由電流的通過使水溶液與油的接觸面積產生變化。因此，接觸面積的膨脹會讓曲率變大，使得焦點移動如同對焦動作一般，並產生光焦度的變化。

詳細而言，電濕式曲率透鏡可包含二個導電層，一絕緣層係間隔開這二個導電層，導電層是透明導電材料，例如銦錫氧化物(ITO)等。絕緣層與這二個導電層所形成的容置空間係封入液體。本實施例的液體可為水銀，水銀可形成一金屬反射面，且選用不同的液體將會產生不同的效果。導電層施以電壓，讓流體的曲折度因為傳導性與絕緣性的不同而產生變化，使得透鏡的焦點距離改變。簡而言之，調整信號可藉由電壓的施加與否來改變可調控曲率透鏡的曲率。

此外，本實施例的可由多個電濕式曲率透鏡72a、72b、72c所組成，各個電濕式曲率透鏡72a、72b、72c的配置可相同或者不同，當需調控曲率變化時，可由調整信號控制外加電壓造成特定的電濕流體表面之曲率產生變化。

此外，該些電濕式曲率透鏡72a、72b、72c亦可依據調整信號移動以接受光線並產生第二光線(圖7B中箭頭為移動方向)。

簡言之，本實施例除了可透過配置不同的電濕式曲率透鏡調控反射鏡的曲率變化，以達到可模擬待測物相同、相似的反射特性，達到更加的量測結果。另一方面，可調控曲率透鏡亦可為一介電泳式曲率透鏡。介電泳是利用外加電場所誘發的電耦極，和外加電場交互作用的方式來驅動粒子，因此粒子本身不須帶電，介電泳力使用交流電壓驅動。

圖8A至8C為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第六實施例的立體示意圖。

與前述實施例不同處在於，本實施例的參考鏡組82由一個可撓式的反射鏡821與流體腔體822所構成，本實施例的反射鏡821的曲率將會透過流體腔室822的氣體或液體的多寡而有所改變。例如，充填較多的流體時，反射鏡821將會呈現凸面(圖8B)。依據調整信號排出流體時，則會呈現凹面(圖8C)。因此，處理單元可據此調整參考鏡組82的曲率。

其餘構件、參考鏡組與其他元件的搭配關係與前述實施例相似，故將不再贅述。

圖9A至9C為本發明的光學量測裝置的參考鏡組的第七實 施例的立體示意圖。

與第六實施例不同處在於，本實施例的參考鏡組92為由可撓式的反射鏡921與兩個流體腔體922、923所構成，相似地，本實施例的反射鏡921的曲率將會透過流體腔室922、923的氣體或液體的多寡而有所改變。透過兩個流體腔室922、923調控反射鏡921的曲率，此種搭配相較第六實施例可達成的曲率變化範圍較廣。惟須注意的是，上方流體腔體922充填的流體的種類將會對第二光線反射的路線有所影響，因此上方流體腔體922設置氣體較佳。

其餘構件、參考鏡組與其他元件的搭配關係與前述實施例相似，故將不再贅述。

綜上所述，本發明係透過第一光線與第二光線的干涉結果，調整參考鏡組的光學特性，進而提高整體量測的精度，並克服量測不同曲面、多層體曲面須預先搭配適合的曲率範圍的參考鏡組的缺點。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

2‧‧‧光學量測裝置

20‧‧‧光源模組

22‧‧‧參考鏡組

221‧‧‧致動器

222‧‧‧反射鏡

24‧‧‧光耦合模組

26‧‧‧處理單元

O1‧‧‧待測物

Claims (12)

1. 一種光學量測裝置，包括：一光源模組，提供一光線；一光耦合模組；一參考鏡組；以及一處理單元；其中，該光源模組的該光線經由該光耦合模組傳遞至該參考鏡組以及一待測物，該光線被該參考鏡組、該待測物反射後分別形成一第一光線以及一第二光線，該第一光線、該第二光線透過該光耦合模組傳遞至該處理單元，其中，該處理單元依據該第一光線與該第二光線產生提供一調整信號，該處理單元將該調整信號傳送至該參考鏡組，該參考鏡組依據該調整信號調整該參考鏡組，其中該參考鏡組包括一致動器以及一反射鏡，且該致動器依據該調整信號調整該反射鏡的一曲率。
2. 如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該參考鏡組包括一光路調整單元、多個參考鏡，該光路調整單元依據該調整信號使該第二光線與其一該參考鏡匹配。
3. 如申請專利範圍第2項所述的量測裝置，其中各該參考鏡的曲率不同。
4. 如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該參考鏡組為一電濕式曲率透鏡或一介電泳式曲率透鏡。
5. 如申請專利範圍第1項所述的量測裝置，其中該待測物為一具有多個曲面的球狀體。
6. 如申請專利範圍第5項所述的量測裝置，其中該球狀體為眼球。
7. 一種光學量測的方法，其步驟更包括：提供一光線至一參考鏡組，提供又一光線至一待測物；該光線被該參考鏡組反射後形成一第一光線，該又一光線被該待測物反射後形成一第二光線；該第一光線與該第二光線產生干涉； 判斷該干涉是否符合一預定干涉範圍，若否，則依據該干涉產生一調整信號，該參考鏡組依據該調整信號調整該參考鏡組，其中該參考鏡組依據該調整信號調整該參考鏡組的一曲率。
8. 如申請專利範圍第7項所述的光學量測的方法，其中該參考鏡組包括一致動器以及一反射鏡，其步驟更包括：該致動器依據該調整信號調整該反射鏡的一曲率。
9. 如申請專利範圍第7項所述的光學量測的方法，其中該參考鏡組包括一光路調整單元、多個參考鏡，各該參考鏡的曲率不同，其步驟更包括：該光路調整單元依據該調整信號使該第二光線與其一該參考鏡匹配。
10. 如申請專利範圍第7項所述的光學量測的方法，其中步驟更包括：依據該干涉，形成該待測物的一待測物的表面的圖像。
11. 如申請專利範圍第10項所述的光學量測的方法，其中該待測物具有多個曲面，其步驟更包括：重複該量測方法以量測該些曲面。
12. 如申請專利範圍第11項所述的光學量測的方法，其中步驟更包括：疊加該些曲面形成一立體圖像。