TWI747756B - 手持式雙套筒多光譜照相儀裝置及其量測方法 - Google Patents

Abstract

一種手持式雙套筒多光譜照相儀裝置及其量測方法，包括一外套筒、一照光平台、一內套筒及一感光元件，其中外套筒的頂端設有一量測孔及一校正平面；照光平台設於外套筒內，中心處設有一通孔，通孔外環設複數發光元件以發出光線；內套筒與外套筒平行，內套筒之一端設於照光平台中心並與通孔相接，發光元件所發出的光線在外套筒和內套筒之間向上反射，並從量測孔射出照射在待測物上；光線被待測物及校正平面反射後，二種反射光會同時通過內套筒及通孔到達感光元件。因此，本發明可使光源透過內套筒與外套筒間反射，均勻射出，並利用外套筒前端校平正面的反射光進行即時影像白校正，減少光源誤差。

Description

手持式雙套筒多光譜照相儀裝置及其量測方法

本發明係有關一種光譜分析儀器，特別是指一種手持式雙套筒光譜照相儀裝置及其量測方法。

光譜儀係用以檢測待測物的成分。使用光譜分析，有著非侵入式檢測的優勢，而大多研究所使用的高光譜設備，因體積太大且造價昂貴，使分析結果因設備限制無法在商業應用，因此將高光譜數據中選擇關鍵波長、再使用多光譜並以手持式儀器來設計，具有快速、便攜式、無損且低成本的優勢，是較為合適的。

目前的手持式光譜儀都存在著一些問題，例如美國專利US 9885655 B2提出將光導管結合到光譜儀的結構，導光管可用於引導光源照射至樣品後反射，使光譜儀與樣品即使有一定距離，利用導光管將光線引導到樣品也能進行光譜測量。此專利中的光導管可以包括均質透明材料的平板，用於無約束的雙向傳播。此外，光導管可以是實心的、空心的或分段的，以分別引導照明光線和反射光。但此專利僅單純引導光路，並未考慮光源誤差，會使分析結果不準確。

另有美國專利US 10648861 B2提出一種手持式光譜儀保護套配件，其中的保護套可用來校準光譜儀並測量樣品。此保護套提供了遮蔽外界光源與光源校正功能，解決了第US 9885655 B2號美國專利未考慮光源誤差的問題。然而，一般而言在光譜量測時需量測光源反射強度作為能量最大值參考，一般量測方式為量測校正反射物件後再量測待測物；但此方式會因為使用非同一時間之光源而產生誤差，在光譜掃描式光譜量測會因為光源切換頻繁使光源穩定性較差，而使誤差更大。第US 10648861 B2號美國專利即具有此問題，此專利的感光元件並無法同時接收到量測樣本的反射光與校正光源，因此兩種光源存在時間差，會因為不同時間的光源變化而產生的誤差，仍然不夠精準。

因此，本發明針對上述習知技術之缺失及未來之需求，提出一種手持式雙套筒多光譜照相儀裝置及其量測方法，具體架構及其實施方式將詳述於下：

本發明之主要目的在提供一種手持式雙套筒多光譜照相儀裝置及其量測方法，其設置內套管及外套管，使光源發出的光線在內、外套管之間不停進行反射，使照射到待測物的光線更均勻。

本發明之另一目的在提供一種手持式雙套筒多光譜照相儀裝置及其量測方法，其利用內套管進行遮蔽雜光之設計，使被待測物反射之光線直接通過內套管照射至感光元件，可避免光源發出的光線在進行反射時直接照射到感光元件而影響量測結果。

本發明之再一目的在提供一種手持式雙套筒多光譜照相儀裝置及其量測方法，於外套筒頂部的量測孔周圍設計為環形平面，並塗抹漫反射塗料以做為校正平面，使量測待測物時校正平面也會同時反射光線，能同時量測光源校正反射能量強度，降低光源影響的誤差。

為達上述目的，本發明提供一種手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，適於對一待測物進行量測，該手持式雙套筒多光譜照相儀裝置包括：一外套筒、一照光平台、一內套筒及一感光元件，其中外套筒的頂端設有一量測孔及一校正平面，校正平面位於外套筒的內側，待測物適於放置於外套筒之外側與量測孔相對的位置；照光平台設於外套筒內，照光平台上設有一通孔及複數發光元件，其中通孔設在照光平台之中心位置並面對量測孔，發光元件環設在通孔之外圍，用以發出光線；內套筒之一端設於照光平台中心並與通孔相接，另一端向上延伸與外套筒平行，其中發光元件位於內套筒與外套筒之間，且所發出的光線在外套筒和內套筒之間向上反射，並從量測孔射出；以及一感光元件，設於通孔之正下方，從量測孔射出的光線被待測物與校正平面反射後，通過內套筒及通孔到達感光元件。

依據本發明之實施例，手持式雙套筒多光譜照相儀裝置更包括一底座，設於外套筒之底部，或設於外套筒及內套筒之底部以固定外套筒及內套筒，且照光平台設於底座上。

依據本發明之實施例，量測孔之孔徑小於外套筒頂部之直徑，校正平面設於量測孔及外套筒之筒壁之間，提供光源校正的校正標準以供感光元件進行光源校正。

依據本發明之實施例，內套筒之高度不超過外套筒，並可遮擋光源反射光使其不會直接照射到感光元件。

依據本發明之實施例，發光元件之數量為偶數。發光元件以均勻間格分布的排列方式進行分組，每一組包含的發光元件皆發出相同波長的光線。

依據本發明之實施例，發光元件係以正多邊形中的多個點進行分組，每一組包含的發光元件發出相同波長的光線。

依據本發明之實施例，發光元件係以通孔為圓心環繞至少一圈。

依據本發明之實施例，外套筒之內壁及內套筒之外壁更包括一反射層，用以反射光線。

依據本發明之實施例，反射層係為塗佈漫反射塗料、貼附一反射片或鍍反射膜，以將光線進行反射。

依據本發明之實施例，校正平面上更包括一反射層，以塗佈漫反射塗料、貼附一反射片或鍍反射膜等方式，用以將光線反射回感光元件。

依據本發明之實施例，待測物及校正平面係具有一高低差，使待測物於感光元件成像時，不會受到校正平面的反射光影響。

本發明另提供一種手持式雙套筒多光譜照相儀裝置之量測方法，包括下列步驟：於量測孔前放置待測物；發光元件發出光線，並在內套筒及外套筒之間進行反射後，照射至校正平面及量測孔外的待測物；待測物及校正平面將光線反射；以及被反射之反射光從內套筒向下照射，通過通孔照射在感光元件上。

依據本發明之實施例，發光元件發出的光線係在外套筒和內套筒之間進行理想反射（Lambertian）。

依據本發明之實施例，校正平面之反射光與待測物之反射光係同時照射在感光元件上。

本發明提供一種手持式雙套筒多光譜照相儀裝置及其量測方法，其利用雙套筒反射光線及在量測孔周圍設置校正平面之設計，可解決習知技術中手持式光譜儀未考慮光源誤差、也沒有進行光源校正的問題。

請同時參考第1圖、第2圖及第3圖，其分別為本發明手持式雙套筒多光譜照相儀裝置10之立體圖、側面剖視圖及俯視圖。本發明之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置10包括一外套筒12、一照光平台14、一內套筒16及一感光元件18。其中，外套筒12為兩截式設計，下半截設在一底座20上，面積較大，使外套筒12可直立於水平面上；上半截則為截頂圓錐狀，頂端為一個截斷的平面。於外套筒12之頂端設有一量測孔122及一校正平面124，量測孔122之孔徑小於外套筒12頂部截面之直徑，校正平面124為量測孔122及外套筒12之筒壁之間的截面，且設在截面的內側，提供校正標準以供感光元件18進行白平衡校正。此校正標準舉例而言可為白色或灰色的色卡。換句話說，校正平面124為外套筒12之內表面的一部分。待測物（圖中未示）係放置於量測孔122之外側，且覆蓋於量測孔122上。

在第1圖之實施例中，外套筒12設置在底座20上，但除此之外，外套筒12及內套筒16之底部皆可設置在底座20上，例如將內套筒16穿過照光平台14並向下延伸到底座20，如此一來，底座20便可用以固定外套筒12及內套筒16，使底座20成為雙套筒的固定機構。

照光平台14設於外套筒12的下半截內，於照光平台14之中心設有面對量測孔122的一通孔142，通孔142之外圍環設複數發光元件144，用以做為環狀光源發出光線。特別的是，本發明中的發光元件144可包含多種不同波長的光源，用以進行多頻段的光譜分析，而這些不同波長的發光元件144以均勻間格分布的排列方式進行分組，舉例而言，可兩兩為一組進行分組，此時發光元件144的數量為偶數。相同波長的二個發光元件144會設置在通孔142的直徑兩端，以180度對向者進行分組，每一組包含的二個發光元件144發出相同波長的光線。此外，發光元件144係以通孔142為圓心環繞至少一圈，如第1、3圖所示之實施例中，發光元件144排列成內外兩圈。但發光元件144的排列方式不影響照光效果，只要對向的發光元件144都是相同波長者即可，因此該些發光元件144的排列方式不在本發明的限制內。甚或者，若設置三個、四個以上相同波長的發光元件144，三個為一組、四個為一組等以此類推，只要均勻分布，例如排列成正三角形、正方形、正五邊形等，可發出均勻的光源即可。然，若將發光元件144以奇數分組，則發光元件144的總數量可為奇數或偶數。

內套筒16為中空管體，其一端設於照光平台14中心、與通孔142相接，另一端向上延伸並與外套筒12平行。換言之，內套筒16之直徑與通孔142之孔徑相同。通孔142、內套筒16、量測孔122在同一直線上。內套筒16之高度不超過外套筒12，並可遮擋光源反射光使其不會直接照射到感光元件18。發光元件144位於內套筒16與外套筒12之間，且所發出的光線在外套筒12和內套筒16之間向上反射。本實施例中，外套筒12之內壁、內套筒16之外壁及校正平面124上更可包括一反射層（圖中未示），以塗佈漫反射塗料、貼附一反射片或鍍反射膜等方式形成，最佳者是塗佈漫反射塗料，用以讓光線透過漫反射更均勻，而提高光線反射的效果。因此，發光元件144所發出的光線會在外套筒12和內套筒16之間經由反射層向上反射，且進行的是理想反射（Lambertian）。最後從量測孔122射出。感光元件18則設於通孔142之正下方，從量測孔122射出的光線被待測物反射後，垂直向下照射，通過內套筒16及通孔142照射在感光元件18上。同時，發光元件144發出的光線經過外套筒12和內套筒16之間的反射後，部分會照射在校正平面124上並被校正平面124反射，同樣垂直下向照射，通過內套筒16及通孔142照射在感光元件18上。

由於感光元件18放置於內套筒16的下方，且外套筒12遮蔽外界環境光源，因此感光元件18不會受到外界光源影響，又因為內套筒16延伸向量測孔122，因此內建的環狀光源不會在尚未照射待測物時就反射至感光元件18，故，感光元件18可直接接收待測物於量測孔122反射之反射光能量，不受其他光源能量影響。

本發明另提供一種手持式雙套筒多光譜照相儀裝置10之量測方法，請同時參考第4圖之實施例，於量測孔前放置待測物，假設待測物22為一片樹葉。當發光元件144發出光線後，如圖中之箭頭所示，光線在外套筒12和內套筒16之間進行反射，最後照射在校正平面124及待測物22上。校正平面124及待測物22的反射光垂直向下照射，通過內套筒16及通孔142照射在感光元件18上。第5圖為第4圖之實施例中感光元件18之成像示意圖，圖中可清楚看出在感光元件18上會同時呈現校正平面124和待測物22的影像。因此，由於量測時待測物22與校正平面124近乎在同一平面上，僅具有些微高低差，因此位於內套筒16下方的感光元件18能同時接收量測孔122與校正平面124的反射能量，於校正平面124上塗抹漫反射塗料後，校正平面124的反射能量可做為光譜量測白校正的參考能量，使量測待測物22時可同時取得白校正的參考能量。白校正為校正量測時光源最大反射強度之能量，因此本發明能同時取得待測物22與白校正參考能量，可有效減少光源誤差。

第6圖為本發明手持式雙套筒多光譜照相儀裝置中校正平面及量測孔之間具有一厚度之放大示意圖。校正平面124與待測物22的位置之間具有一高低差d，可避免待測物22於感光元件18成像時造成干擾。

光線於內套筒16及外套筒12之間的理想反射如下所述。請參考第7圖，考慮發光元件144任一光線角度

第一次碰撞至第一平面

，經理想反射後之光強分佈，可切割為

個點光源。假設其每網格光強度皆為該網格之平均值，即網格光強以

表示之，如第8圖所示。同理，將第二平面

切割為

個接收面，則照度值

之分佈如下式（1）所示，其中

光通量（lm）、

為

到

之距離（mm）、

為第一平面

反射率（%）。在不考慮光線經

反射至

之來回多次理想反射情況下，第二平面

之照度均勻度可表示為下式（2）。並且在接續碰撞之平面皆受到此照度均勻化影響，因此可均勻光源之能量至量測位置，做為光源均勻化後的量測光源。

（1）

（2）

因此，藉由本發明所提供之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置及其量測方法，使光源發出的光線在內、外套管之間不停進行反射，可讓照射到待測物的光線更均勻。此外，利用內、外套管進行遮蔽雜光之設計，外界光源被外套管遮蔽，而內部反射的光線則被內套筒遮蔽，使被待測物反射之光線直接通過內套管照射至感光元件，可避免外部光源及環狀光源發出的光線在進行反射時直接照射到感光元件而影響量測結果。再者，本發明更可解決先前技術中光源誤差的問題，其係在量測孔周圍的近乎同一平面設置校正平面，並在待測物與校正平面之間設置一些微的高低差，再於校正平面上塗抹漫反射塗料，使量測待測物時校正平面也會同時反射光線，能同時量測光源校正反射能量強度，降低光源影響的誤差，且待測物與校正平面之間的高低差可使待測物於感光元件成像時，不會受到校正平面的反射光影響。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10:手持式雙套筒多光譜照相儀裝置 12:外套筒 122:量測孔 124:校正平面 14:照光平台 142:通孔 144:發光元件 16:內套筒 18:感光元件 20:底座 22:待測物

第1圖為本發明手持式雙套筒多光譜照相儀裝置之立體圖。 第2圖為本發明手持式雙套筒多光譜照相儀裝置之側面剖視圖。 第3圖為本發明手持式雙套筒多光譜照相儀裝置之俯視圖。 第4圖為本發明手持式雙套筒多光譜照相儀裝置之光線路徑之實施例示意圖。 第5圖為第4圖之實施例中感光元件之成像示意圖。 第6圖為本發明手持式雙套筒多光譜照相儀裝置中校正平面及量測孔之間具有一高低差之放大示意圖。 第7圖為光線在內套筒與外套筒之間理想反射之點光源示意圖。 第8圖為光源照射在平面

上之網格位置示意圖。

10:手持式雙套筒多光譜照相儀裝置

12:外套筒

122:量測孔

124:校正平面

14:照光平台

142:通孔

144:發光元件

16:內套筒

20:底座

Claims (18)

1. 一種手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，適於對一待測物進行量測，該手持式雙套筒多光譜照相儀裝置包括： 一外套筒，其頂端設有一量測孔及一校正平面，其中該校正平面位於該外套筒的內側，該待測物適於放置於該外套筒之外側與該量測孔相對的位置； 一照光平台，設於該外套筒內，該照光平台上設有一通孔及複數發光元件，其中該通孔設在該照光平台之中心位置並面對該量測孔，該等發光元件環設在該通孔之外圍，用以發出光線； 一內套筒，其一端設於該照光平台之中心位置並與該通孔相接，另一端向上延伸與該外套筒平行，其中該等發光元件位於該內套筒與該外套筒之間，且所發出的光線在該外套筒和該內套筒之間向上反射，並從該量測孔射出；以及 一感光元件，設於該通孔之正下方，從該量測孔射出的光線被該待測物與該校正平面反射後，通過該內套筒及該通孔到達該感光元件。
2. 如請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，更包括一底座，設於該外套筒之底部，或設於該外套筒及該內套筒之底部以固定該外套筒及該內套筒，且該照光平台設於該底座上。
3. 如請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該量測孔之孔徑小於該外套筒頂部之直徑，該校正平面設於該量測孔及該外套筒之筒壁之間，提供光源校正的校正標準以供該感光元件進行白校正。
4. 如請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該內套筒之高度不超過該外套筒之高度，並遮擋光源反射光使其不會直接照射到該感光元件間。
5. 如請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該等發光元件以均勻間格分布的排列方式進行分組，每一組所包含的該等發光元件皆發出相同波長的光線。
6. 如請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該等發光元件係以正多邊形中的多個點進行分組，每一組包含的該等發光元件發出相同波長的光線。
7. 如請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該等發光元件係以該通孔為圓心環繞至少一圈。
8. 如請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該外套筒之內壁更包括一反射層，用以反射光線。
9. 如請求項8所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該反射層係為塗佈漫反射塗料、貼附一反射片或鍍反射膜。
10. 如請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該內套筒之外壁更包括一反射層，用以反射光線。
11. 如請求項10所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該反射層係為塗佈漫反射塗料、貼附一反射片或鍍反射膜。
12. 如請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該校正平面上更包括一反射層，用以反射光線。
13. 如請求項12所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該反射層係為塗佈漫反射塗料、貼附一反射片或鍍反射膜。
14. 如請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置，其中該待測物及該校正平面之間具有一高低差。
15. 一種應用請求項1所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置之量測方法，包括下列步驟： 於該量測孔前放置該待測物； 該等發光元件發出光線，並在該內套筒及該外套筒之間進行反射後，照射至該校正平面及該量測孔外的該待測物； 該待測物及該校正平面將光線反射；以及 被反射之反射光從該內套筒向下照射，通過該通孔照射在該感光元件上。
16. 如請求項15所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置之量測方法，其中該等發光元件發出的光線係在該外套筒和該內套筒之間進行理想反射（Lambertian）。
17. 如請求項15所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置之量測方法，其中該校正平面之反射光與該待測物之反射光係同時照射在該感光元件上。
18. 如請求項15所述之手持式雙套筒多光譜照相儀裝置之量測方法，其中該待測物及該校正平面之間具有一高低差。

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