TWI705239B

TWI705239B - 檢測光源模組與檢測裝置

Info

Publication number: TWI705239B
Application number: TW108125719A
Authority: TW
Inventors: 陳宥霖
Original assignee: 緯創資通股份有限公司
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2020-09-21
Also published as: US11448888B2; CN112240867B; CN112240867A; US20210018759A1; TW202104862A

Abstract

提供一種檢測光源模組與檢測裝置。檢測光源模組包括一發光元件、一光形調整元件以及單一帶通濾光片。發光元件適於提供一光束。光形調整元件位於光束的傳遞路徑上，且適於調整光束的光形，光束經由光形調整元件後形成一帶狀照明區域，其中帶狀照明區域具有多個子照明區域。這些子照明區域大小相同且彼此不重疊。單一帶通濾光片位於光束的傳遞路徑上，且位於發光元件與光形調整元件之間。

Description

檢測光源模組與檢測裝置

本發明是有關於一種光源模組與檢測裝置，且特別是有關於一種檢測光源模組與檢測裝置。

現有的檢測裝置在檢測多個待測物時，會將待測物並列以在有限的空間中完成儘可能地多的待測物的檢測。然而，在檢測過程中，需要利用檢測光源來使待測物受到均勻照明，而由於多數光源之空間強度呈現高斯分佈，因此，當待測物位在空間中的不同位置時，通常會透過排列複數光源，並適當調整光源間距，使光源邊緣之光強度疊加至與光源中央之光強度相同，形成平頂分佈的均勻光源，以達成使各待測物受到均勻照明的目的。

然而，如此一來，在實際產品生產過程中，由於各光源之間的亮度誤差皆需要個別調整與補償，才能確保各待測物受到等量的光通量照射，因此會增加生產組裝的複雜性。此外，為了確保檢測精度，用於過濾各光源截止波長的各帶通濾鏡(Band pass filter)的OD值皆須達到OD6等級，即通過各帶通濾鏡的截止波段的通過率的數量級須小於等於10的負6次方。如此一來，當待測物的數量增加時，對應的光源與帶通濾鏡的數量也必須增加，而會增加產品成本，且各光源之間的亮度誤差與性能差異也會導致調整後的光通量的誤差，而影響檢測精度與檢測結果的可靠度。

本發明提供一種檢測光源模組，能提供均勻的帶狀光源。

本發明提供一種檢測裝置，具有良好的檢測精度以及低廉的成本。

本發明的一種檢測光源模組包括一發光元件、一光形調整元件以及單一帶通濾光片。發光元件適於提供一光束。光形調整元件位於光束的傳遞路徑上，且適於調整光束的光形，光束經由光形調整元件後形成一帶狀照明區域，其中帶狀照明區域具有多個子照明區域，這些子照明區域大小相同且彼此不重疊。單一帶通濾光片位於光束的傳遞路徑上，且位於發光元件與光形調整元件之間。

本發明的一種檢測裝置包括一前述的檢測光源模組以及一框架。框架具有多個套筒結構，用以容置多個待測物，其中各套筒結構面向檢測光源模組的一表面具有一開孔，各開孔暴露出各待測物，並與各子照明區域彼此相對應，以使容置於各套筒結構的待測物能位於各子照明區域中。

在本發明的一實施例中，上述的帶狀照明區域在一第一方向上有一第一長度，在一第二方向上有一第二長度，且第二長度大於第一長度。

在本發明的一實施例中，上述的各開孔在第一方向上具有一第一尺寸，框架在第二方向上具有一第一端與一第二端，最鄰近第一端的其中一開孔的一邊緣與最鄰近第二端的另一開孔的一邊緣之間具有一第二尺寸，且帶狀照明區域的第一長度大於第一尺寸，帶狀照明區域的第二長度大於第二尺寸。

在本發明的一實施例中，上述的光形調整元件具有一入光面、一側面以及一出光面，側面連接入光面與出光面，入光面朝發光元件凸出，且入光面與側面相連接而形成的一第一曲線在一第一參考平面上的投影為一第一輪廓線，第一參考平面的法向量平行於第一方向，且第一輪廓線凸向發光元件。

在本發明的一實施例中，上述的第一輪廓線具有一第一曲線線段與二第二曲線線段，第一曲線線段連接二第二曲線線段，且第一曲線線段為圓弧線段，二第二曲線線段為拋物線線段。

在本發明的一實施例中，上述的第一曲線線段在第二方向上有一第一寬度，且第一寬度與光束的光通量在第二方向上的分布曲線的半高寬相對應。

在本發明的一實施例中，上述的出光面為一球面，且朝向遠離發光元件的一側凸出。

在本發明的一實施例中，通過上述的任一子照明區域的光通量與另一子照明區域的光通量之間的差異與這些子照明區域的平均光通量的比例不大於4%。

基於上述，本發明的檢測光源模組與檢測裝置藉由光形調整元件的配置，在僅設置單一發光元件與單一帶通濾光片的情況下，就可形成一帶狀照明區域，並且能使通過帶狀照明區域的任一子照明區域的光通量與另一子照明區域的光通量之間的差異在一定比例下，而能同時使位於空間中的不同位置的多個待測物能受到均勻照明，進而能在有限的空間中進行大範圍且高效率的均勻照明。如此一來，檢測光源模組與檢測裝置將能減少所需發光元件與對應的帶通濾光片的數量，並能簡化光路與減少生產組裝的複雜性，而減少產品成本以及提升生產品質。並且，採用了此檢測光源模組的檢測裝置的檢測精度以及可靠度亦能得以提升。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A是依照本發明的實施例的一種檢測裝置200的架構示意圖。圖1B是圖1A的檢測光源模組100與其形成的帶狀照明區域LR的示意圖。圖1C是圖1A的待測物O與帶狀照明區域LR的正視示意圖。請參照圖1A至圖1C，本實施例的檢測裝置200包括一檢測光源模組100以及一框架210。具體而言，如圖1A至圖1C所示，在本實施例中，檢測光源模組100包括一發光元件110以及一光形調整元件130。此外，如圖1A至圖1C所示，檢測光源模組100還包括單一帶通濾光片120，位於發光元件110與光形調整元件130之間。舉例而言，在本實施例中，光形調整元件130可為一線性稜鏡，而帶通濾光片120的截止深度，即OD值為OD6等級。也就是說，通過帶通濾光片120的截止波段的通過率的數量級為10的負6次方左右。另一方面，如圖1A與圖1C所示，在本實施例中，框架210具有多個套筒結構SS，用以容置多個待測物O，其中各套筒結構SS面向檢測光源模組100的表面具有一開孔OP，各開孔OP暴露出各待測物O，以接受來自檢測光源模組100的光束L。

圖2是圖1A的檢測光源模組100的光路示意圖。具體而言，如圖2所示，在本實施例中，發光元件110適於提供光束L，而可用以檢測待測物O。帶通濾光片120與光形調整元件130位於光束L的傳遞路徑上，且光形調整元件130適於調整光束L的光形。進一步而言，如圖1B至圖2所示，光束L在通過光形調整元件130後會形成一帶狀照明區域LR。詳細而言，如圖1B至圖1C所示，帶狀照明區域LR在一第一方向D1上有一第一長度L1，在一第二方向D2上有一第二長度L2，且第二長度L2大於第一長度L1。舉例而言，在本實施例中，第一方向D1、第二方向D2與發光元件110的主光軸方向D3彼此垂直。

另一方面，如圖1C所示，框架210的各開孔OP在第一方向D1上具有一第一尺寸DM1，框架210在第二方向D2上具有一第一端E1與一第二端E2，最鄰近第一端E1的其中一開孔OP的一邊緣與最鄰近第二端E2的另一開孔OP的一邊緣之間具有一第二尺寸DM2。具體而言，在本實施例中，帶狀照明區域LR的第一長度L1大於第一尺寸DM1，帶狀照明區域LR的第二長度L2大於第二尺寸DM2。

更詳細而言，在本實施例中，第二長度L2與第二尺寸DM2的比例大於1，而小於1.15。如此，可使帶狀照明區域LR能覆蓋開孔OP，並不致過度擴散。舉例而言，在一實例中，各開孔OP在第一方向D1上與在第二方向D2上的尺寸分別可為3.4毫米與2.6毫米，而框架210的第一尺寸DM1亦即為3.4毫米，第二尺寸DM2則可為12.6毫米。此時，帶狀照明區域LR在第一方向D1上的第一長度L1可被設計為約大於3.4毫米，而在第二方向D2上的第二長度L2可被設計為14.6毫米，應注意的是，此處的數值範圍皆僅是作為例示說明之用，其並非用以限定本發明。

並且，如圖1C所示，此一帶狀照明區域LR可進一步被區分為多個子照明區域SR，其中各子照明區域SR與各套筒結構SS的開孔OP彼此相對應，以使容置於各套筒結構SS的待測物O的至少一部份能位於帶狀照明區域LR的各子照明區域SR中。

以下將搭配圖3A至圖4D，針對光形調整元件130的結構以及光形調整元件130如何調整發光元件110所提供的光束L的光形進行進一步地說明。

圖3A至圖3D是圖1A的光形調整元件130於不同視角下的結構示意圖。圖4A是圖2的光束L在通過光形調整元件130前的光形分布圖與發光分布曲線示意圖。圖4B是圖2的光束L在通過光形調整元件130後的光形分布圖與發光分布曲線示意圖。具體而言，如圖3A至圖3D所示，在本實施例中，光形調整元件130具有一入光面S131、一側面S132以及一出光面S133，側面S132連接入光面S131與出光面S133，入光面S131朝發光元件110凸出。

更具體而言，在本實施例中，入光面S131為呈柱狀曲面的非球面，其可以由非球面曲線公式定義，非球面的公式如下：

其中，Z為光軸方向的偏移量。R是密切球面（osculating sphere）的半徑，也就是接近光軸處的曲率半徑，其倒數值(1/R)即為曲率參數。K為圓錐常數（conic constant）。H是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度，從公式中可得知，不同的H會對應出不同的Z值。A、B、C、D、E、F為非球面係數（aspheric coefficient）。更詳細而言，由於入光面S131為呈柱狀曲面的非球面，因此，入光面S131在第一方向D1的曲率為0，而在第二方向D2上為一非球面曲線，因此，如圖3B所示，當將光形調整元件130的輪廓投影在一法向量平行於第一方向D1的第一參考平面上時，在上述公式中的H即意味著入光面S131在第二方向D2上與發光元件110的主光軸之間的距離，而第一參考平面相當於第二方向D2與第三方向D3所形成的平面。

進一步而言，在進行光形調整元件130的輪廓設計時，可對上述公式中的曲率參數、圓錐常數以及多項非球面係數來使光形調整元件130的功能達到實際需求。舉例而言，對公式中的曲率參數1/R進行調整，可以控制光束L出射後的寬度，曲率越高則帶狀照明區域LR在第二方向D2上的第二長度L2越大；對公式中的圓錐常數K進行調整，可以改變光束L密度分佈，使帶狀照明區域LR達到均勻分佈。此外，亦可視需求逐階微調A、B、C、D、E、F等多項非球面係數來進一步提升照明均勻度。

更具體而言，如圖3B所示，當將光形調整元件130的輪廓投影在第一參考平面上時，入光面S131與側面S132相連接而形成的一第一曲線CL1在第一參考平面上的投影為一第一輪廓線PC1，且第一輪廓線PC1凸向發光元件110。第一輪廓線PC1具有一第一曲線線段CS1與二第二曲線線段CS2，第一曲線線段CS1連接二第二曲線線段CS2。進一步而言，在本實施例中，第一曲線線段CS1的輪廓的寬度會取決於上述公式中的曲率參數1/R的調整值，而第二曲線線段CS2的輪廓則會取決述公式中的圓錐常數的調整。

進一步而言，請參照圖4A，圖4A的上半部示出了圖2的光束L在通過光形調整元件130前，於第一方向D1與第二方向D2上的光形分布，如圖所示，在本實施例中，第二方向D2例如為X軸，第一方向D1例如為Y軸，而圖4A的上半部的光形分布圖的橫軸與縱軸分別表示了X軸與Y軸的座標位置，單位為毫米，而圖4A的右上方的灰階圖表示了光形分布的照度大小，單位為每毫米平方流明(lm/mm ²)。而圖4A的下半部示出了圖2的光束L在通過光形調整元件130前，於第二方向D2上的發光分布曲線示意圖，如圖所示，發光分布曲線示意圖的橫軸與縱軸分別表示了X軸的座標位置與照度。如圖4A所示，在本實施例中，曲率參數的設定依據為光束L在通過光形調整元件130前於第二方向D2上的分布曲線的半高寬FWHM。如此，如圖2所示，可使光束L的中央部分能做大幅度的擴散，以均勻化帶狀照明區域LR的中央部分的光通量並控制光束L出射後的寬度。也就是說，在本實施例中，第一輪廓線PC1的第一曲線線段CS1為圓弧線段，而第一曲線線段CS1在第二方向D2上有一第一寬度W1，且第一寬度W1與光束L的光通量在第二方向D2上的分布曲線的半高寬FWHM相對應，調整第一曲線線段CS1的曲率參數的值，能均勻化帶狀照明區域LR的中央部分的光通量並控制光束L出射後的寬度。

另一方面，在本實施例中，圓錐常數的值可設為-1，而使光形調整元件130的入光面S131在兩側具有拋物面的漸變輪廓。也就是說，在本實施例中，第一輪廓線PC1的二第二曲線線段CS2為拋物線線段。如此一來，如圖2所示，藉由光形調整元件130在兩側的拋物面的漸變輪廓，光束L的兩側部分在通過光形調整元件130後能均勻分布在兩側，而使帶狀照明區域LR達到均勻分佈。

舉例而言，在本實施例中，可將上述公式中的R值設為約1.2左右的值，並且，對應地，A、B等多項非球面係數可視需求設為1.1至1.3之間，以逐漸微調來進一步提升照明均勻度。應注意的是，此處的數值範圍皆僅是作為例示說明之用，其並非用以限定本發明。

如此一來，請參照圖4B，圖4B的上半部示出了圖2的光束L在通過光形調整元件130後於第一方向D1與第二方向D2上的光形分布，而圖4B的下半部示出了圖2的光束L在通過光形調整元件130後於第二方向D2上的發光曲線分布示意圖，在圖4B中，其光形分布圖與發光分布曲線示意圖的橫軸與縱軸的值與其代表意義皆與圖4A相同，單位也相同。如圖4B所示，經由上述參數的調整以及優化，能讓原先的分布曲線呈高斯分布的光束L在經過光形調整元件130時進行線性整形，而形成一條光通量均勻分布的帶狀照明區域LR。

進一步而言，如圖4B所示，帶狀照明區域LR具有多個子照明區域SR，這些子照明區域SR大小相同且彼此不重疊，且通過任一子照明區域SR的光通量與另一子照明區域SR的光通量之間的差異與這些子照明區域SR的平均光通量的比例不大於4%。如此，如圖1B、圖1C、圖4B所示，由於通過帶狀照明區域LR的任一子照明區域SR的光通量與另一子照明區域SR的光通量之間的差異在一定比例下，而在僅設置單一發光元件110與單一帶通濾光片120的情況下，就能同時使對應於帶狀照明區域LR的各子照明區域SR的各待測物O能受到均勻照明。

另一方面，如圖3C所示，在本實施例中，光形調整元件130的入光面S131與出光面S133之間的距離在一第二參考平面上的投影越靠近發光元件110的主光軸OX而越短，其中第二參考平面的法向量平行於第二方向D2，亦即第二參考平面相當於第一方向D1與第三方向D3所形成的平面。並且，如圖2、圖3B至圖3D所示，光形調整元件130的出光面S133為一軸對稱的球面曲面，且朝向遠離發光元件110的一側凸出。如此，藉由出光面S133的配置，還可以對發散光束L做二次密度分佈調整，並在達到相等均勻度的前提下縮小工作距離，提升產品空間使用率。

綜上所述，本發明的檢測光源模組與檢測裝置藉由光形調整元件的配置，在僅設置單一發光元件與單一帶通濾光片的情況下，就可形成一帶狀照明區域，並且能使通過帶狀照明區域的任一子照明區域的光通量與另一子照明區域的光通量之間的差異在一定比例下，而能同時使位於空間中的不同位置的多個待測物能受到均勻照明，進而能在有限的空間中進行大範圍且高效率的均勻照明。如此一來，檢測光源模組與檢測裝置將能減少所需發光元件與對應的帶通濾光片的數量，並能簡化光路與減少生產組裝的複雜性，而減少產品成本以及提升生產品質。並且，採用了此檢測光源模組的檢測裝置的檢測精度以及可靠度亦能得以提升。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:檢測光源模組 110:發光元件 120:帶通濾光片 130:光形調整元件 200:檢測裝置 210:框架 CL1:第一曲線 CS1:第一曲線線段 CS2:第二曲線線段 D1:第一方向 D2:第二方向 D3:主光軸方向 DM1:第一尺寸 DM2:第二尺寸 E1:第一端 E2:第二端 FWHM:半高寬 L:光束 L1:第一長度 L2:第二長度 LR:帶狀照明區域 O:待測物 OP:開孔 OX:主光軸 PC1:第一輪廓線 S131:入光面 S132:側面 S133:出光面 SS:套筒結構 SR:子照明區域 W1:第一寬度

圖1A是依照本發明的實施例的一種檢測裝置的架構示意圖。圖1B是圖1A的檢測光源模組與其形成的帶狀照明區域的示意圖。圖1C是圖1A的待測物與帶狀照明區域的正視示意圖。圖2是圖1A的檢測光源模組的光路示意圖。圖3A至圖3D是圖1A的光形調整元件於不同視角下的結構示意圖。圖4A是圖2的光束在通過光形調整元件前的光形分布圖與發光分布曲線示意圖。圖4B是圖2的光束在通過光形調整元件後的光形分布圖與發光分布曲線示意圖。

100:檢測光源模組

110:發光元件

120:帶通濾光片

130:光形調整元件

200:檢測裝置

210:框架

D1:第一方向

D2:第二方向

D3:主光軸方向

L:光束

O:待測物

OP:開孔

SS:套筒結構

Claims

一種檢測光源模組，包括：一發光元件，適於提供一光束；一光形調整元件，位於該光束的傳遞路徑上，且適於調整該光束的光形，該光束經由該光形調整元件後形成一帶狀照明區域，其中該帶狀照明區域具有多個子照明區域，該些子照明區域大小相同且彼此不重疊；以及單一帶通濾光片，位於該光束的傳遞路徑上，且位於該發光元件與該光形調整元件之間。
如申請專利範圍第1項所述的檢測光源模組，其中該帶狀照明區域在一第一方向上有一第一長度，在一第二方向上有一第二長度，且該第二長度大於該第一長度。
如申請專利範圍第2項所述的檢測光源模組，其中該光形調整元件具有一入光面、一側面以及一出光面，該側面連接該入光面與該出光面，該入光面朝該發光元件凸出，且該入光面與該側面相連接而形成的一第一曲線在一第一參考平面上的投影為一第一輪廓線，該第一參考平面的法向量平行於該第一方向，且該第一輪廓線凸向該發光元件。
如申請專利範圍第3項所述的檢測光源模組，其中該第一輪廓線具有一第一曲線線段與二第二曲線線段，該第一曲線線段連接該二第二曲線線段，且該第一曲線線段為圓弧線段，該二第二曲線線段為拋物線線段。
如申請專利範圍第4項所述的檢測光源模組，其中該第一曲線線段在該第二方向上有一第一寬度，且該第一寬度與該光束的光通量在該第二方向上的分布曲線的半高寬相對應。
如申請專利範圍第3項所述的檢測光源模組，其中該出光面為一球面，且朝向遠離該發光元件的一側凸出。
如申請專利範圍第1項所述的檢測光源模組，其中通過任一該子照明區域的光通量與另一該子照明區域的光通量之間的差異與該些子照明區域的平均光通量的比例不大於4%。
一種檢測裝置，包括：一檢測光源模組，包括：一發光元件，適於提供一光束；以及一光形調整元件，位於該光束的傳遞路徑上，且適於調整該光束的光形，該光束經由該光形調整元件後形成一帶狀照明區域，其中該帶狀照明區域具有多個子照明區域，該些子照明區域大小相同且彼此不重疊；以及單一帶通濾光片，位於該光束的傳遞路徑上，且位於該發光元件與該光形調整元件之間；以及一框架，具有多個套筒結構，用以容置多個待測物，其中各該套筒結構面向該檢測光源模組的一表面具有一開孔，各該開孔暴露出各該待測物，並與各該子照明區域彼此相對應，以使容置於各該套筒結構的該待測物的至少一部份能位於各該子照明區域中。
如申請專利範圍第8項所述的檢測裝置，其中該帶狀照明區域在一第一方向上有一第一長度，在一第二方向上有一第二長度，且該第二長度大於該第一長度。
如申請專利範圍第9項所述的檢測裝置，其中各該開孔在該第一方向上具有一第一尺寸，該框架在該第二方向上具有一第一端與一第二端，最鄰近該第一端的其中一該開孔的一邊緣與最鄰近該第二端的另一該開孔的一邊緣之間具有一第二尺寸，且該帶狀照明區域的該第一長度大於該第一尺寸，該帶狀照明區域的該第二長度大於該第二尺寸。
如申請專利範圍第9項所述的檢測裝置，其中該光形調整元件具有一入光面、一側面以及一出光面，該側面連接該入光面與該出光面，該入光面朝該發光元件凸出，且該入光面與該側面相連接而形成的一第一曲線在一第一參考平面上的投影為一第一輪廓線，該第一參考平面的法向量平行於該第一方向，且該第一輪廓線凸向該發光元件。
如申請專利範圍第11項所述的檢測裝置，其中該第一輪廓線具有一第一曲線線段與二第二曲線線段，該第一曲線線段連接該二第二曲線線段，且該第一曲線線段為圓弧線段，該二第二曲線線段為拋物線線段。
如申請專利範圍第12項所述的檢測裝置，其中該第一曲線線段在該第二方向上有一第一寬度，且該第一寬度與該光束的光通量在該第二方向上的分布曲線的半高寬相對應。
如申請專利範圍第11項所述的檢測裝置，其中該出光面為一球面，且朝向遠離該發光元件的一側凸出。
如申請專利範圍第9項所述的檢測裝置，其中通過任一該子照明區域的光通量與另一該子照明區域的光通量之間的差異與該些子照明區域的平均光通量的比例不大於4%。