TWI815724B - 光學分析系統及其光學分析儀 - Google Patents

Abstract

一種光學分析儀，其包括一固態光源發射器、一第一光學接收器以及一第二光學接收器。固態光源發射器包括一光源，光源包括複數個各放射具有至少一發光峰值波長及至少一波長範圍之光的發光元件，該等發光元件發出的光線形成一第一光線以及一第二光線，第二光線通過一流體待測物後形成一檢測光線(即，第二光線通過流體待測物時未被流體待測物吸收的那一部分形成檢測光線)。第一光學接收器接收第一光線。第二光學接收器接收檢測光線。

Description

光學分析系統及其光學分析儀

本發明係有關於一種穿透式光學分析的技術領域，特別是有關於一種以兩個光學接收器分別接收光源的光線來判定光源的發光強度是否衰退的光學分析系統及其光學分析儀。

現有的光學分析儀中可分為單光束光譜儀與雙光束分光光譜儀，在單光束光譜儀中，其檢測原理係使光源發出兩道檢測光線並分別通過對應之單色器後，再經由切光器的旋轉以調整該兩道檢測光線分別通過位於吸收池中的待測液體，待測液體由於其成分不同而會吸收不同波長的檢測光線，通過吸收池的檢測光線被檢測器接收後，而得到待測液體的吸收光譜，藉此檢測出待測液體的物理或化學性質。然而單光束光譜儀是藉由切光器的鏡面旋轉來達到切換不同頻率的檢測光線，而當鏡面旋轉的速度慢，無法快速切換波長時，若待測物是快速流動的流體，則無法即時地測得完整的吸收光譜，再者，兩道檢測光線皆會先通過吸收池而後被檢測器接收，因此也無法監控原始檢測光線的光強度，而難以即時得知光源強度是否有衰減的情形。

而在雙光束分光光譜儀中，如第1圖所示，其檢測原理係使用光源1發出光線並透過分光器21使光線的路徑分成檢測光路徑P1與對比光路徑P2，在檢測光路徑P1中，光線通過位於吸收池3中的待測液體，待測液體由於其成分不同而會吸收不同波長的光線，通過吸收池3的光線被第一檢測器4接收，而得到待測液體的吸收光譜，而在對比光路徑P2中，光線可直接被第二檢測器5所接收而形成對比光譜，最後透過上述吸收光譜與對比光譜進行比對並分析檢測出待測液體的物理或化學性質。然而，如果使用多個鏡面，如第1圖所示，增加切光器R2來改變對比光路徑P2的方向，則鏡面除需要加強密閉以防止灰塵外，也由於配置的鏡面數量增加，也使現有的光學分析儀具有較大的體積，而無法製作成便攜式產品。另外，當光線經過分光器R1分光後而導致光強度過低的情況時，若待測液體對光的吸收度較大，則無法形成光譜，另一方面，若分光器R1的角度一旦產生改變也會影響到光強度的變化。

因此，本發明即在闡述如何藉由創新的硬體設計，有效改善現有的單光束光譜儀與雙光束分光光譜儀所具有的上述等問題，仍是相關產業的開發業者與相關研究人員需持續努力克服與解決之課題。

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種光學分析系統及其光學分析儀，其具有多個發光元件，可依序發出不同波長範圍的光線，並且藉由設置兩個光學接收器，比較兩個光學接收器接收的光線的差異來判定發光元件發出的光線的光強度是否衰減。

本發明的光學分析儀的一實施例包括一固態光源發射器、一第一光學接收器以及一第二光學接收器。固態光源發射器包括一光源，光源包括複數個各放射具有至少一發光峰值波長及至少一波長範圍之光的發光元件，該等發光元件為發光二極體、垂直共振腔面射型雷射或雷射二極體，且複數個發光元件能夠分別呈現一明滅頻率的非連續發光，複數個明滅頻率可以是彼此相同或彼此不同，或者複數個明滅頻率可以是部分相同或部分不同。該等發光元件發出的光線形成一第一光線以及一第二光線，第二光線通過流體待測物後形成一檢測光線(即，第二光線通過流體待測物時未被流體待測物吸收的那一部分形成檢測光線)。第一光學接收器接收第一光線。第二光學接收器接收檢測光線。當第一光線具有標準光強度時，第二光線之光強度與標準光強度之間呈現特定比例，且檢測光線與標準光強度之比值為流體待測物之標準穿透率；而當第一光線具有工作光強度時，第二光線之光強度與工作光強度呈現特定比例，檢測光線與工作光強度之比值為流體待測物之工作穿透率，且標準光強度與工作光強度不相同。標準穿透率與工作穿透率之間的比對結果可被用於判斷流體待測物的組成分變化。

在另一實施例中，上述光學分析儀更包括一均勻混和或分光元件，且該等發光元件發出的該光線通過該均勻混和或分光元件後形成該第一光線以及該第二光線。

在另一實施例中，當第一光線具有一標準光強度時，第一光學接收器接收第一光線並產生一標準光強度訊號，而當第一光線具有一衰減光強度時，第一光學接收器接收第一光線並產生一衰減光強度訊號，比較標準光強度訊號與衰減光強度訊號間的一變化量，分光元件根據變化量調整第一光線的光強度。

在另一實施例中，均勻混和或分光元件為一光學積分球，光學積分球包括一光入口、一第一光出口以及一第二光出口，第一光學接收器對準第一光出口，第二光學接收器對準第二光出口，該等發光元件發出的該等光線由光入口進入光學積分球，第一光線從第一光出口出射，第二光線從第二光出口出射。

在另一實施例中，第一光出口與光入口相對於光學積分球的球心相隔90度的圓心角，第二光出口與光入口相對於光學積分球的球心相隔90度的圓心角，且第一光出口與第二光出口相對於光學積分球的球心相隔180度的圓心角。

在另一實施例中，均勻混和或分光元件為具有一通孔的遮蔽板，第一光學接收器設置於遮蔽板且與該等發光元件相向設置，該等發光元件發出的該等光線的部分成為第一光線並由第一光學接收器接收，該等發光元件發出的該等光線的另一部分通過該通孔而成為第二光線。

在另一實施例中，相鄰的二個發光峰值波長所對應的二個發光元件之該等波長範圍部份重疊以形成較該等發光元件中之各者之波長範圍寬之一連續波長範圍，或者相鄰的二個發光峰值波長所對應的二個發光元件之該等波長範圍不重疊。

在另一實施例中，不同的複數個波長範圍的複數個發光元件係在不同時間發光。

在另一實施例中，固態光源發射器更包括一基板，量測該等發光元件工作時的一定電流偏壓值，並藉由該等發光元件的定電流偏壓值與一固態光源之PN接面溫度的數學關係式或對應表或圖換算得到固態光源之PN接面溫度，而後再藉由該等發光元件的光強度與PN接面溫度的數學關係式或對應表或圖，得到該等發光元件的發光強度比例，並根據一判斷結果修正第一光學接收器所量測該等發光元件發出的光強度數值。

在另一實施例中，本發明的光學分析儀更包括一第一處理器以及一第一顯示裝置，固態光源發射器、第一光學接收器以及第二光學接收器連接於第一處理器，第一處理器控制固態光源發射器依序發出該等光線，第一光學接收器以及第二光學接收器接收的光強度訊號顯示於第一顯示裝置。

在另一實施例中，本發明的光學分析儀更包括一第一無線通訊模組，其連接於該第一處理器，該第一光學接收器以及該第二光學接收器接收的光強度訊號可經由該第一無線通訊模組傳送至外部的電子裝置，或接收來自外部的電子裝置的控制訊號。

在另一實施例中，該明滅頻率是介於0.05次/秒至50000次/秒之間。

在另一實施例中，該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間為介於0.00001秒至10秒之間。

在另一實施例中，該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間為介於0.00001秒至10秒之間。

在另一實施例中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於1nm至80nm之間。

在另一實施例中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於5nm至80nm之間。

在另一實施例中，各該發光峰值波長所對應的波長半高寬為介於15nm至50nm之間。

在另一實施例中，各該發光峰值波長所對應的波長半高寬為介於15nm至40nm之間。

在另一實施例中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為大於或等於0.5nm。

在另一實施例中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於1nm至80nm之間。

在另一實施例中，複數個該發光峰值波長之中的至少一部份的該發光峰值波長所對應的波長半高寬為大於0nm且小於或等於60nm。

本發明提供一種光學分析系統，其包括光學分析儀以及一液體輸送件，一待測液體於該液體輸送件內輸送，該第一光學接收器與該第二光學接收器設置於該液體輸送件的兩側，該第二光線穿過該液體輸送件並形成該檢測光線而由該第二光學接收器接收。

本發明的光學分析系統及光學分析儀，藉由光源具有多個發出不同波長範圍的光線的發光元件而且逐一發光，不需要設置先前技術的單色器，可以大幅降低光學分析儀的體積。而且本發明的光學分析儀設有第一光學接收器以及第二光學接收器，可以偵測得知發光元件光強度衰減的狀態。

請參閱第2圖及第3圖，其表示本發明的光學分析儀的一實施例。本實施例的光學分析儀100包括一固態光源發射器10、一均勻混和或分光元件20、一第一光學接收器30以及一第二光學接收器40。固態光源發射器10包括一光源，光源包括複數個各放射具有至少一發光峰值波長及至少一波長範圍之光的發光元件13，該等發光元件13為發光二極體、垂直共振腔面射型雷射或雷射二極體，且複數個發光元件13能夠分別呈現一明滅頻率的非連續發光，複數個明滅頻率可以是彼此相同或彼此不同，或者複數個明滅頻率可以是部分相同或部分不同。

該等發光元件13發出的光線通過均勻混和或分光元件20後形成一第一光線L1以及一第二光線L2，第二光線L2通過一流體待測物O後形成一檢測光線L3，簡單地說，第二光線L2通過流體待測物O時，會有一部分被流體待測物O吸收，且會有未被流體待測物O吸收的另一部分，而第二光線L2中未被被流體待測物O吸收的另一部分則形成上述檢測光線L3。第一光學接收器30接收第一光線L1。第二光學接收器40接收檢測光線L3。其中，當該第一光線L1具有一標準光強度時，該第二光線L2之光強度與該標準光強度之間呈現特定比例(也就是該第一光線L1的標準光強度除以該第二光線L2之光強度的比值為特定比例)，該檢測光線L3與該標準光強度之比值為該流體待測物O之一標準穿透率，而當該第一光線L1具有一工作光強度時，該第二光線L2之光強度與該工作光強度之間呈現特定比例，該檢測光線L3與該工作光強度之比值為該流體待測物O之一工作穿透率，該標準光強度與該工作光強度不相同。透過比對該標準穿透率與該工作穿透率，可以根據比對結果判斷該流體待測物O的組成分變化，例如，該流體待測物O可作為印刷電路板(PCB)、半導體、石化業或食品加工業所需的工作藥液，而該標準穿透率代表該流體待測物O具有正常工作時所需的組成分比例及濃度，當該標準穿透率與該工作穿透率為相同或其差異在可容忍範圍時，可以判斷該流體待測物O的組成仍符合使用者的需求，而當該標準穿透率與該工作穿透率為不相同且其差異在不可容忍範圍時，可以判斷該流體待測物O的組成分比例及濃度發生改變而導致成為非正常工作時所需的工作藥液，而需要將目前的工作藥液進行更換或調整。本發明可透過接收第一光線L1的第一光學接收器30與接收通過流體待測物O的檢測光線L3的第二光學接收器40，以即時地監控或動態連續紀錄目前的流體待測物O的穿透率與其組成分比例及濃度是否符合正常工作時所需的品質，或者進一步推算使用壽命，而預先做好更換或調整流體待測物O的準備作業。

上述特定比例可以是由均勻混和或分光元件20所決定，例如當特定比例是50%時，則表示當該第一光線L1具有標準光強度時，該第二光線L2之光強度相同於標準光強度，以及表示當第一光線L1具有工作光強度時，第二光線L2之光強度相同於工作光強度。然而，本發明不以特定比例是50%為限制，但較佳的是介於25%至75%之間，以確保無需將固態光源發射器10的功率調升地過高。

進一步地說，檢測光線L3是由第二光線L2通過流體待測物O所產生，可以表示成L3_intensity=L2_intensity*k1，其中L3_intensity是檢測光線L3的光強度，L2_intensity是第二光線L2的光強度，k1是小於等於1數值，且k1與流體待測物O之穿透率有關。在第一光線L1的光強度與第二光線L2的光強度呈現特定比例時，則表示L1_intensity=L2_intensity*k2，其中L1_intensity是第一光線L1的光強度，k2是特定比例。因此，可以推導出k2/k1=L3_intensity/L1_intensity(L3_intensity/L1_intensity在本發明中定義為流體待測物O之穿透率)，也就是在流體待測物O之穿透率與特定比例k2未有改變時，第一光線L1的光強度與檢測光線L3的光強度之間呈現比例關係。換言之，當第一光線L1的光強度從標準光強度變成工作光強度時，且特定比例k2未有改變時，只要流體待測物O之穿透率未有改變，則第一光線L1的光強度與檢測光線L3的光強度之間的比例也不會改變，一旦流體待測物O之穿透率有改變，則相應地，第一光線L1的光強度與檢測光線L3的光強度之間的比例也會有改變，且k1也會跟著改變。透過這樣子的方式，第一光線L1的光強度與第二光線L2的光強度即使不相等，也可以順利地測得流體待測物O之穿透率是否有改變(即，流體待測物O的組成是否有改變)。

該等發光元件13發出的光線通過均勻混和或分光元件20後形成一第一光線L1以及一第二光線L2，第二光線L2通過一流體待測物O後形成一檢測光線L3。第一光學接收器30接收第一光線L1。第二光學接收器40接收檢測光線L3。其中，當該第一光線L1具有一標準光強度時，該第一光學接收器30接收該第一光線L1並產生一標準光強度訊號，而當該第一光線L1具有一衰減光強度時，該第一光學接收器30接收該第一光線L1並產生一衰減光強度訊號，比較該標準光強度訊號與該衰減光強度訊號間的一變化量，該均勻混和或分光元件20根據該變化量調整該第一光線L1的光強度，而得一恆定範圍光強度之量測系統。本發明可透過接收第一光線L1的第一光學接收器30即時監控固態光源發射器10之光源的光強度是否衰減，與光強度訊號衰減的變化量，而進一步調整或更換固態光源發射器10之光源。由於第一光線L1的光強度若太低，會導致檢測光線L3的光強度也跟著太低，使得量測出來的流體待測物O的穿透率不準確，因此，需要透過上述做法，讓第一光線L1的光強度維持在特定範圍，就可以使得量測出來的流體待測物O的穿透率維持在一定的準確度。

本實施例的均勻混和或分光元件20為一光學積分球，光學積分球包括一光入口21、一第一光出口22以及一第二光出口23，第一光學接收器30對準第一光出口22，第二光學接收器40對準第二光出口23，該等發光元件13發出的該等光線由光入口21進入光學積分球，第一光線L1從第一光出口22出射，第二光線L2從第二光出口23出射。如第2圖所示，第一光出口22與光入口21相對於光學積分球的球心相隔90度的圓心角，第二光出口23與光入口21相對於光學積分球的球心相隔90度的圓心角，且第一光出口22與第二光出口23相對於光學積分球的球心相隔180度的圓心角。

本實施例的均勻混和或分光元件20的光學積分球設置於一容置殼體6內，固態光源發射器10及第一光學接收器30分別設置於容置殼體6的側壁，容置殼體6具有一開口61，開口61對準第二光出口23，使得第二光線L2可經由開口61從容置殼體6出射。

請參閱第4圖，其表示本發明的光學分析儀的另一實施例。本實施例的部分結構與第2圖的實施例相同，因此相同的元件給予相同的符號並省略其說明。本實施例的均勻混和或分光元件20’ 為具有一通孔24的遮蔽板，第一光學接收器30設置於遮蔽板且與該等發光元件13相向設置，該等發光元件13發出的該等光線的部分成為第一光線L1並由第一光學接收器30接收，該等發光元件13發出的該等光線的另一部分通過通孔24而成為第二光線L2。第二光線L2通過流體待測物O後形成檢測光線L3，並由第二光學接收器40接收。同樣地，比較第一光線L1與檢測光線L3的強度是否相同，並根據比較的結果調整該等發光元件13發出的該等光線的光強度。

另外，本發明的固態光源發射器10的光源的發光元件13所發出的光線，其相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該發光元件13之該等波長範圍部份重疊以形成較該等發光元件13中之各者之該波長範圍寬之一連續波長範圍，或者相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該發光元件13之該等波長範圍不重疊。

請參閱第5圖，相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個發光二極體之該等波長範圍部份重疊以形成較該等發光二極體中之各者之該波長範圍寬之一連續波長範圍，該連續波長範圍是介於180nm至2500nm之間。在第2圖中共有三個發光峰值波長及所對應的波長範圍，分別為一第一光線的一第一發光峰值波長(734nm)所對應的該第一波長範圍、一第二光線的一第二發光峰值波長(810nm)所對應的該第二波長範圍及一第三光線的一第三發光峰值波長(882nm)所對應的該第三波長範圍。該第一發光峰值波長與該第二發光峰值波長是相鄰的二個發光峰值波長，同樣地該第二發光峰值波長與該第三發光峰值波長也是相鄰的二個發光峰值波長。該第一發光峰值波長所對應的該第一波長範圍係為介於660nm至780nm之間，該第二光線的該第二發光峰值波長所對應的該第二波長範圍係為介於710nm至850nm，該第一波長範圍與該第二波長範圍在710nm至780nm之間呈現部分重疊，因此該第一波長範圍與該第二波長範圍共同形成660nm至850nm之間的該連續波長範圍。同樣地，該第二發光峰值波長所對應的該第二波長範圍係為介於710nm至850nm，該第三光線的該第三發光峰值波長所對應的該第三波長範圍係為介於780nm至940nm，該第二波長範圍與該第三波長範圍在780nm至850nm之間呈現部分重疊，因此該第二波長範圍與該第三波長範圍共同形成710nm至940nm之間的該連續波長範圍。在本發明中，相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該發光二極體之該等波長範圍的重疊部分，以重疊愈少則愈佳。當然，相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該發光二極體之該等波長範圍也可以不重疊，這將於後文中說明。

相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為大於或等於0.5nm，較佳地為介於1nm至80nm之間，更佳地為介於5nm至80nm之間。在第2圖中，相鄰的該第一發光峰值波長(734nm)與該第二發光峰值波長(810nm)彼此相差為76nm，而相鄰的該第二發光峰值波長(810nm)與該第三發光峰值波長(882nm)彼此相差為72nm。除了有特別說明之外，本發明及專利範圍所述之數值範圍的限定總是包括端值，例如前述相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於5nm至80nm之間，是指大於或等於5nm而且小於或等於80nm。

請一併參閱第6圖的第二實施例，第二實施例是第一實施例的衍生實施例，因此第二實施例與第一實施例相同之處就不再贅述。第二實施例與第一實施例不同之處在於第二實施例的該光源係包含五個發光二極體，分別為放射具有一第一發光二極體、放射具有一第四波長範圍之一第四光線的一第四發光二極體、一第二發光二極體、放射具有一第五波長範圍之一第五光線的一第五發光二極體及一第三發光二極體，該第四光線在該第四波長範圍內具有一第四發光峰值波長(772nm)，該第五光線在該第五波長範圍內具有一第五發光峰值波長(854nm)。在第3圖中，發光峰值波長由小至大依序為該第一發光峰值波長(734nm)、該第四發光峰值波長(772nm)、該第二發光峰值波長(810nm)、該第五發光峰值波長(854nm)及該第三發光峰值波長(882nm)，相鄰的該第一發光峰值波長(734nm)與該第四發光峰值波長(772nm)彼此相差為38nm，相鄰的該第四發光峰值波長(772nm)與該第二發光峰值波長(810nm)彼此相差為38nm，相鄰的該第二發光峰值波長(810nm)與該第五發光峰值波長(854nm)彼此相差為44nm，相鄰的該第五發光峰值波長(854nm)與該第三發光峰值波長(882nm)彼此相差為28nm。

請一併參閱第7圖的第三實施例，第三實施例是第一實施例及第二實施例的衍生實施例，因此第三實施例與第一實施例及第二實施例相同之處就不再贅述。第三實施例與第一實施例不同之處在於第三實施例的該光源係包含12個發光二極體，在第8圖中，12個發光二極體的發光峰值波長由小至大依序為734nm(該第一發光峰值波長)、747nm、760nm、772nm(該第四發光峰值波長)、785nm、798nm、810nm(該第二發光峰值波長)、824nm、839nm、854nm(該第五發光峰值波長)、867nm及882nm(該第三發光峰值波長)。該12個發光二極體的發光峰值波長之中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差依序分別為13nm、13nm、12nm、13nm、13nm、12nm、14nm、15nm、15nm、13nm及15nm。如果於第一實施例、第二實施例及第三實施例中的該發光元件13是改用雷射二極體，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差可以為大於或等於0.5nm，例如為1nm。

複數個該發光峰值波長之中的至少一部份的該發光峰值波長所對應的波長半高寬為大於0nm且小於或等於60nm。較佳地，各該發光峰值波長所對應的波長半高寬為大於0nm且小於或等於60nm，例如前述第一實施例、第二實施例及第三實施例中發光峰值波長由小至大依序為734nm(該第一發光峰值波長)、747nm、760nm、772nm(該第四發光峰值波長)、785nm、798nm、810nm(該第二發光峰值波長)、824nm、839nm、854nm(該第五發光峰值波長)、867nm及882nm(該第三發光峰值波長)，該第一光線的該第一發光峰值波長所對應的波長半高寬、該第二光線的該第二發光峰值波長所對應的波長半高寬、該第三光線的該第三發光峰值波長所對應的波長半高寬、該第四光線的該第四發光峰值波長所對應的波長半高寬及該第五光線的該第五發光峰值波長所對應的波長半高寬為大於0nm且小於或等於60nm，較佳為介於15nm至50nm之間，更佳為介於15nm至40nm之間。其餘未說明的747nm、760nm、785nm、798nm、824nm、839nm及867nm發光峰值波長所對應的波長半高寬(第4圖)也是為大於0nm且小於或等於60nm，較佳為介於15nm至50nm之間，更佳為介於15nm至40nm之間。於本發明的實驗操作時，前述第一實施例、第二實施例及第三實施例中的發光峰值波長所對應的波長半高寬為55nm；如果該發光元件13是雷射二極體，各該發光峰值波長所對應的波長半高寬為大於0nm且小於或等於60nm，例如為1nm。

前述相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該發光二極體之該等波長範圍也可以不重疊，例如如果前述第一實施例、第二實施例及第三實施例中的各發光峰值波長所對應的波長半高寬為15nm，各發光峰值波長所對應的該波長範圍的寬度(也就是該波長範圍的最大值與最小值的差)為40nm，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為80nm。又例如如果該發光元件13是雷射二極體，各該發光峰值波長所對應的波長半高寬為1nm，該波長範圍的寬度為4nm，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為5nm，則相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該發光元件(雷射二極體)之該等波長範圍不重疊。

較佳地，於第一實施例、第二實施例及第三實施例操作一成像裝置進行該待測物的檢測以產生該待測物光譜圖時，該成像裝置為一手機或平板電腦，如前所述該固態光源發射器10能夠分別控制並使得複數個該發光二極體分別呈現一明滅頻率的非連續發光，複數個該明滅頻率可以是彼此相同或彼此不同，或者複數個該明滅頻率可以是部分相同或部分不同，前述該明滅頻率是介於0.05次/秒至50000次/秒之間，該明滅頻率中開啟(點亮)該發光二極體的時間區間為介於0.00001秒至10秒之間，該明滅頻率中關閉(熄滅)該發光二極體的時間區間為介於0.00001秒至10秒之間，該明滅頻率的週期是指接續的一次開啟(點亮)該發光二極體的時間區間及關閉(熄滅)該發光二極體的時間區間的和，該明滅頻率的週期是該明滅頻率的倒數；換言之，該明滅頻率的週期可以被理解為將複數個該發光二極體連續點亮一點亮時間區間並立即無間斷地連續熄滅一熄滅時間區間的和，該點亮時間區間為介於0.00001秒至10秒之間，該熄滅時間區間為介於0.00001秒至10秒之間。較佳地，該明滅頻率是介於0.5次/秒至50000次/秒之間；更佳地，該明滅頻率是介於5次/秒至50000次/秒之間。複數個該發光二極體呈現非連續發光的樣態可以大幅降低該待測物(A)被該發光二極體所放射的光的熱能所影響，避免含有有機體的該待測物(A)產生質變，因此尤其適合對於熱能敏感的該待測物(A)，更尤其適合於該發光二極體所放射該波長範圍的光為近紅外光。

另外，複數個發光元件13係依序發光，前述依序發光係指於不同位置的複數個發光元件13放射相同該波長範圍之光的複數個發光元件13係不同時發光；或者，複數個發光元件13係部分同時發光，前述部分同時發光指的是將複數個發光元件13，使其中一部分同時發光而同時放射不同波長範圍之光。另外，為了使得光譜是連續的，且不要讓相鄰兩波長範圍之光彼此干擾，在另一個較佳的實施例中，將不同波長範圍的複數個發光元件13在不同時間發光。舉例來說，若六個發光元件13分別有不同的六個波長範圍，這六個發光元件13將在不同時間發光，以確保相鄰兩波長範圍之光不會彼此干擾。

請參閱第8圖，其表示本發明的固態光源發射器的一實施例。本實施例的固態光源發射器10包括一基板11、一溫度感測器12以及複數個發光元件13。該等發光元件13及溫度感測器12設置於基板11的一接面111，量測該等發光元件的偏壓值，並藉由該等發光元件13的該偏壓值與一接面溫度的數學關係式或對應表或圖換算得到該接面111的該接面溫度，而後再藉由該等發光元件13的光強度與該接面溫度的數學關係式或對應表或圖，得到該等發光元件13的發光強度，以判定該等發光元件13的發光強度是否變化，並根據該判斷結果調整該等發光元件13發出的該等光線的光強度。

本發明另一實施例中，該固態光源發射器10更包括一基板11，量測該等發光元件13工作時的一定電流偏壓值，並藉由該等發光元件13的該定電流偏壓值與一該固態光源發射器10之PN接面溫度的數學關係式或對應表或圖換算得到該固態光源發射器10之該PN接面溫度，而後再藉由該等發光元件13的光強度與該PN接面溫度的數學關係式或對應表或圖，得到該等發光元件13的發光強度比例，並根據一判斷結果修正該第一光學接收器30所量測該等發光元件13發出的光強度數值。

由於每一個該發光二極體的該發光強度與其接面溫度(junction temperature)係呈反向關係，以及該發光二極體的散熱問題，該發光二極體於該電流密度運作下歷經持續操作時間的增加，則會增加該接面溫度而導致該發光強度減少，因此有必要以一種發光修正方法進行該發光強度的校正。該發光修正方法係依序包含一校正關係取得步驟P01、一量測順向偏壓步驟P02、一比例關係取得步驟P03及一完成校正步驟P04。該發光修正方法係可以接續於該發光方法之後，前述之該光譜檢測方法之該濾波步驟S03及該反轉換步驟S04係接續於該發光修正方法之後，請參見第9A圖。

校正關係取得步驟P01：取得每一個該發光二極體的該發光強度或相對強度與該接面溫度的數學關係式或對應表或圖，通常由該發光二極體的製造廠商所提供。請參閱第9B圖，為該第四發光二極體的相對強度與該接面溫度的對應圖，該第四發光二極體於該接面溫度為攝氏25度下的該第四發光峰值波長為772nm且相對強度是以100%計算。另外，也取得每一個該發光二極體的順向偏壓(forward voltage)與該接面溫度的數學關係式或對應表或圖，該第四發光二極體於該接面溫度為攝氏25度下的該第四發光峰值波長為772nm且順向偏壓為2伏特。請參閱第9C圖，為該第四發光二極體的順向偏壓與該接面溫度的對應圖。該發光強度或相對強度與該接面溫度的數學關係式或對應表或圖，以及該發光二極體的該順向偏壓與該接面溫度的數學關係式或對應表或圖，兩者的取得方式可以參閱[科學與工程技術期刊 第三卷 第四期 民國九十六年，99~103頁，發光二極體接面溫度的自動量測系統]( Journal of Science and Engineering Technology, Vol. 3, No. 4, pp. 99-103 (2007))，以及中華民國發明專利公開第200818363號所揭露的方式進行，因此不在此贅述。

該量測順向偏壓步驟P02：於開啟(點亮)該發光二極體的時間區間，例如於該明滅頻率中開啟(點亮)該發光二極體的時間區間，同時量測該發光二極體的該順向偏壓。例如於前述實施例二及三之中，該第四發光二極體的該明滅頻率約為90.90次/秒、該明滅頻率中開啟(點亮)該發光二極體的時間區間為1毫秒(1ms)、該明滅頻率中關閉(熄滅)該發光二極體的時間區間為10毫秒(10ms)，於該明滅頻率中開啟(點亮) 該第四發光二極體的時間區間，同時量測該第四發光二極體的該順向偏壓為1.9伏特。

該比例關係取得步驟P03：將所量測到的該順向偏壓對照前述的該發光二極體的順向偏壓與該接面溫度的數學關係式或對應表或圖，換算得到該接面溫度。例如，將量測到的該第四發光二極體的該順向偏壓為1.9伏特，對照第9C圖而得出該接面溫度為攝氏50度。接著，將換算得到的該接面溫度對照前述的該發光強度或相對強度與該接面溫度的數學關係式或對應表或圖，換算得到該發光強度或相對強度。例如，將對照得出的該接面溫度為攝氏50度，對照第9B圖而得出該第四發光二極體的相對強度為83%。再接續地，將換算得到該發光強度或相對強度，與該發光強度或相對強度與該接面溫度的數學關係式或對應表或圖中的一特定接面溫度下的發光強度或相對強度相比較得出一比例關係。例如，該特定接面溫度為攝氏25度，攝氏25度的該第四發光二極體的相對強度是100%，將該接面溫度為攝氏25度的相對強度是100%除以攝氏50度時的相對強度83%，得出該比例關係為1.20倍。

該完成校正步驟P04：將前述該初始光譜能量分佈曲線中該發光二極體所對應的該波長範圍的該發光強度乘以該比例關係，以達到該發光強度的校正；或者，將所測得有關於該發光二極體所對應的該波長範圍的光譜訊號乘以該比例關係，以達到光譜訊號的校正。所述該波長範圍的光譜訊號可以為前述的該待測物光譜訊號及該背景雜訊構成該待測物時域訊號。例如，該光偵測器或該計算器將該第四發光二極體所對應的該第四發光強度17.7x10 ⁷(a.u.)乘以該比例關係為1.20倍，所得出的發光強度可以視為該第四發光二極體在該特定接面溫度(攝氏25度)的發光強度。

特別說明的是，本發明係將該光源的複數個該發光二極體的至少其中之一該發光二極體、部分的該發光二極體或全部的該發光二極體，依序或同時執行該發光修正方法。較佳地，本發明係將全部的該發光二極體同時執行該發光修正方法，如此得出的光譜能量分佈曲線可以視為在該特定接面溫度(攝氏25度)的光譜能量分佈曲線，以及得出的光譜訊號可以視為在該特定接面溫度(攝氏25度)的光譜訊號。

請參閱第10圖，其表示本發明的光學分析系統的一實施例。本實施例的光學分析系統除了包括第2圖所示的光學分析儀100之外，還包括一液體輸送件200，一流體待測物O於液體輸送件200內輸送，均勻混和或分光元件20與第二光學接收器40設置於液體輸送件200的兩側，第二光線L2穿過液體輸送件200並形成該檢測光線L3而由第二光學接收器40接收。雖然第10圖所示的光學分析系統除了包括第2圖所示的光學分析儀100，但本發明不限於此，第4圖所示的光學分析儀也適用於本發明的光學分析系統。

請參閱第11圖，其表示本發明的光學分析儀的一實施例的系統方塊圖。本實施例的光學分析儀除了包括前述的固態光源發射器10、均勻混和或分光元件20、第一光學接收器30以及第二光學接收器40以外，本實施例的光學分析儀還包括第一處理器50、第一顯示裝置60及第一無線通訊模組70。固態光源發射器10、第一光學接收器30以及第二光學接收器40連接於第一處理器50，第一處理器50控制固態光源發射器10依序發出該等光線，第一光學接收器30以及第二光學接收器40接收的光強度訊號顯示於第一顯示裝置60，即第一顯示裝置60顯示第二光線L2通過待測物後產生檢測光線L3的吸收光譜。第一無線通訊模組70連接於第一處理器50，第一光學接收器30以及第二光學接收器40接收的光強度訊號可經由第一無線通訊模組70傳送至外部的電子裝置，或接收來自外部的電子裝置的控制訊號。

請參閱第12圖，其表示本發明的光學分析儀訊號連接的電子裝置的系統方塊圖。外部的電子裝置可以是例如行動裝置或計算機裝置等。外部的電子裝置E包括一第二處理器110、一第二設定單元120、一第二顯示裝置130及一第二無線通訊模組140。第二設定單元120、第二顯示裝置130及第二無線通訊模組140均連接於第二處理器110。第二無線通訊模組140與第一無線通訊模組70形成訊號連接，第一光學接收器30以及第二光學接收器40接收的光強度訊號可經由第一無線通訊模組70及第二無線通訊模組140傳送至外部的電子裝置E，經由第二處理器110傳送至第二顯示裝置130而顯示於第二顯示裝置130。第二設定單元120輸入的設定數值或指令(控制訊號)也經由第二處理器110並由第二無線通訊模組140傳送至第一無線通訊模組70，然後傳送至第一處理器50，而控制固態光源發射器10。

進一步地，於上述實施例中，可以由光學分析儀來比對標準穿透率與工作穿透率，以及根據比對結果判斷該流體待測物O的組成分變化，其中光學分析儀包括處理器，以進行上述工作。在其他實施態樣中，可以是由與光學分析儀電性連接(有線或無線連接)的電腦設備或雲端伺服器來進行比對與分析。

另外，請參照本發明的第13圖，第13圖為本發明的光學分析儀的又一實施例的示意圖。不同於第5圖，其不具有均勻混和或分光元件20’(也就是不具有為具有通孔24的遮蔽板。於此實施例，固態光源發射器10發出的光線包括第一光線L1與第二光線L2，第一光學接收器30與第二光學接收器40位於流體帶測物O之不同的兩側，第一光學接收器30位於固態光源發射器10發出的第一光線L1的行進方向上，但不在固態光源發射器10發出的第二光線L2的行進方向上，以及第二光學接收器40位於第一光線L1通過流體帶測物O所形成之第三光線L3的行進方向上。

當第一光線L1具有標準光強度時，第二光線L2之光強度與標準光強度之間呈現特定比例，且檢測光線L3與標準光強度之比值為流體待測物O之標準穿透率。當第一光線L1具有工作光強度時，第二光線L2之光強度與工作光強度呈現特定比例，檢測光線L3與工作光強度之比值為流體待測物O之工作穿透率，且標準光強度與工作光強度不相同。如此一來，標準穿透率與工作穿透率之間的比對結果被用於判斷流體待測物O的組成分變化。

綜上所述，本發明與現有技術與產品相較之下，本發明具有以下優點之一：

本發明目的之一藉由光源具有多個發出不同波長範圍的光線的發光元件而且逐一發光，不需要設置先前技術的單色器，可以大幅降低光學分析儀的體積。而且本發明的光學分析儀設有第一光學接收器以及第二光學接收器，可以偵測得知發光元件光強度衰減的狀態。

本發明目的之一透過該均勻混和或分光元件為光學積分球之技術特徵，由於光學積分球的體積較小，可用以解決過去使用切光器所造成的體積大而攜帶不便的問題，再者，光學積分球能使光線均勻混和後由特定的第一光出口與第二光出口出射，而進一步地解決過去使用分光器時，可能因分光器角度產生改變所造成光強度的影響。

本發明目的之一透過該均勻混和或分光元件為遮蔽板之技術特徵，由於遮蔽板所具有的通孔與其配置關係，除了能解決過去使用切光器所造成的體積大而攜帶不便的問題外，也可以透過通孔使部分光線通過，而進一步地解決過去使用分光器時，可能因分光器角度產生改變所造成光強度的影響。

本發明目的之一可透過接收第一光線的第一光學接收器與接收通過流體待測物的檢測光線的第二光學接收器，以即時地監控或動態連續紀錄目前的流體待測物的穿透率與其組成分比例及濃度是否符合正常工作時所需的品質，或者進一步推算使用壽命，而預先做好更換或調整流體待測物的準備作業。

本發明目的之一可透過接收第一光線的第一光學接收器即時監控固態光源發射器之光源的光強度是否衰減，與光強度訊號衰減的變化量，而進一步調整或更換固態光源發射器之光源。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及新型說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

1:光源 R1:分光器 R2:切光器 3:吸收池 4:第一檢測器 5:第二檢測器 P1:檢測光路徑 P2:對比光路徑 6:容置殼體 10:固態光源發射器 11:基板 12:溫度感測器 13:發光元件 20、20’:均勻混和或分光元件 21:光入口 22:第一光出口 23:第二光出口 24 :通孔 30:第一光學接收器 40:第二光學接收器 50:第一處理器 60:第一顯示裝置 61:開口 70:第一無線通訊模組 100:光學分析儀 110:第二處理器 111:接面 120:第二設定單元 130:第二顯示裝置 140:第二無線通訊模組 200:液體輸送件 L1:第一光線 L2:第二光線 L3:檢測光線 O:流體待測物 E:電子裝置

第1圖為先前技術的光學分析儀的示意圖。 第2圖為本發明的光學分析儀的一實施例的示意圖。 第3圖為第2圖的光學分析儀的剖視圖。 第4圖為本發明的光學分析儀的另一實施例的示意圖。 第5圖為本發明的光學分析儀的固態光源發射器的第一實施例的發光二極體的放射光譜圖。 第6圖為本發明的光學分析儀的固態光源發射器的第二實施例的發光二極體的放射光譜圖。 第7圖為本發明的光學分析儀的固態光源發射器的第三實施例的發光二極體的放射光譜圖。 第8圖為本發明的光學分析儀的固態光源發射器的一實施例的示意圖。 第9A圖為藉由量測溫度校正發光元件的發光強度校正的方法的流程圖。 第9B圖是本發明第四發光二極體的相對強度與接面溫度的對應圖。 第9C圖是本發明第四發光二極體的順向偏壓與接面溫度的對應圖。 第10圖為本發明的光學分析系統的一實施例的示意圖。 第11圖為本發明的光學分析儀的一實施例的系統方塊圖。 第12圖為與本發明的光學分析儀訊號連接的電子裝置的系統方塊圖。 第13圖為本發明的光學分析儀的又一實施例的示意圖。

10:固態光源發射器

20:均勻混和或分光元件

21:分光器

22:切光器

23:第二光出口

30:第一光學接收器

40:第二光學接收器

L1:第一光線

L2:第二光線

L3:檢測光線

100:光學分析儀

O:流體待測物

Claims (21)

1. 一種光學分析儀，其包括： 一固態光源發射器(10)，其包括一光源，該光源包括複數個各放射具有至少一發光峰值波長及至少一波長範圍之光的發光元件(13)，該等發光元件(13)為發光二極體、垂直共振腔面射型雷射或雷射二極體，且複數個該發光元件(13)能夠分別呈現一明滅頻率的非連續發光，複數個該明滅頻率可以是彼此相同或彼此不同，或者複數個該明滅頻率可以是部分相同或部分不同，以及該等發光元件(13)發出的該光線形成一第一光線(L1)以及一第二光線(L2) ，該第二光線(L2)通過一流體待測物(O)後形成一檢測光線(L3)； 一第一光學接收器(30)，接收該第一光線(L1)；以及 一第二光學接收器(40)，接收該檢測光線(L3)； 其中，當該第一光線(L1)具有一標準光強度時，該第二光線(L2)之光強度與該標準光強度之間呈現一特定比例，且該檢測光線(L3)與該標準光強度之比值為該流體待測物(O)之一標準穿透率；而當該第一光線(L1)具有一工作光強度時，該第二光線(L2)之光強度與該工作光強度呈現該特定比例，該檢測光線(L3)與該工作光強度之比值為該流體待測物(O)之一工作穿透率，且該標準光強度與該工作光強度不相同；其中，該標準穿透率與該工作穿透率之間的一比對結果被用於判斷該流體待測物(O)的組成分變化。
2. 如請求項1所述之光學分析儀，更包括： 一均勻混和或分光元件(20)，該等發光元件(13)發出的該光線通過該均勻混和或分光元件(20)後形成該第一光線(L1)以及該第二光線(L2)。
3. 如請求項2所述之光學分析儀，其中，當該第一光線(L1)具有一標準光強度時，該第一光學接收器(30)接收該第一光線(L1)並產生一標準光強度訊號，而當該第一光線(L1)具有一衰減光強度時，該第一光學接收器(30)接收該第一光線(L1)並產生一衰減光強度訊號，比較該標準光強度訊號與該衰減光強度訊號間的一變化量，該均勻混和或分光元件(20)根據該變化量調整該第一光線(L1)的光強度。
4. 如請求項2所述之光學分析儀，其中該均勻混和或分光元件(20)為一光學積分球，該光學積分球包括一光入口(21)、一第一光出口(22)以及一第二光出口(23)，該第一光學接收器(30)對準該第一光出口(22)，該第二光學接收器(40)對準該第二光出口(23)，該等發光元件(13)發出的該等光線由該光入口(21)進入該光學積分球，該第一光線(L1)從該第一光出口(22)出射，該第二光線(L2)從該第二光出口(23)出射。
5. 如請求項4所述之光學分析儀，其中該第一光出口(22)與該光入口(21)相對於該光學積分球的球心相隔90度的圓心角，該第二光出口(23)與該光入口(21)相對於該光學積分球的球心相隔90度的圓心角，且該第一光出口(22)與該第二光出口(23)相對於該光學積分球的球心相隔180度的圓心角。
6. 如請求項2所述之光學分析儀，其中該均勻混和或分光元件(20’)為具有一通孔(24)的一遮蔽板，該第一光學接收器(30)設置於該遮蔽板且與該等發光元件(13)相向設置，該等發光元件(13)發出的該等光線的部分成為該第一光線(L1)並由該第一光學接收器(30)接收，該等發光元件(13)發出的該等光線的另一部分通過該通孔(24)而成為該第二光線(L2)。
7. 如請求項1所述之光學分析儀，其中相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該發光元件(13)之該等波長範圍部份重疊以形成較該等發光元件(13)中之各者之該波長範圍寬之一連續波長範圍，或者相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該發光元件(13)之該等波長範圍不重疊。
8. 如請求項1所述之光學分析儀，其中不同的複數個該波長範圍的複數個該發光元件(13)係在不同時間發光。
9. 如請求項1所述之光學分析儀，其中該固態光源發射器(10)更包括一基板(11)，量測該等發光元件(13)工作時的一定電流偏壓值，並藉由該等發光元件(13)的該定電流偏壓值與一該固態光源發射器(10)之PN接面溫度的數學關係式或對應表或圖換算得到該固態光源發射器(10)之該PN接面溫度，而後再藉由該等發光元件(13)的光強度與該PN接面溫度的數學關係式或對應表或圖，得到該等發光元件(13)的發光強度比例，並根據一判斷結果修正該第一光學接收器(30)所量測該等發光元件(13)發出的光強度數值。
10. 如請求項1所述之光學分析儀，其更包括一第一處理器(50)以及一第一顯示裝置(60)，該固態光源發射器(10)、該第一光學接收器(30)以及該第二光學接收器(40)連接於該第一處理器(50)，該第一處理器(50)控制該固態光源發射器(10)依序發出該等光線，該第一光學接收器(30)以及該第二光學接收器(40)接收的光強度訊號顯示於該第一顯示裝置(60)。
11. 如請求項10所述之光學分析儀，其更包括一第一無線通訊模組(70)，其連接於該第一處理器(50)，該第一光學接收器(30)以及該第二光學接收器(40)接收的光強度訊號可經由該第一無線通訊模組(70)傳送至外部的電子裝置，或接收來自外部的電子裝置的控制訊號。
12. 如請求項1所述光學分析儀，其中，該明滅頻率是介於0.05次/秒至50000次/秒之間。
13. 如請求項12所述光學分析儀，其中，該明滅頻率中開啟該發光元件(13)的時間區間為介於0.00001秒至10秒之間，以及該明滅頻率中關閉該發光元件(13)的時間區間為介於0.00001秒至10秒之間。
14. 如請求項1所述光學分析儀，其中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於1nm至80nm之間。
15. 如請求項14所述光學分析儀，其中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於5nm至80nm之間。
16. 如請求項15所述光學分析儀，其中，各該發光峰值波長所對應的波長半高寬為介於15nm至50nm之間。
17. 如請求項16所述光學分析儀，其中，各該發光峰值波長所對應的波長半高寬為介於15nm至40nm之間。
18. 如請求項1所述光學分析儀，其中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為大於或等於0.5nm。
19. 如請求項17所述光學分析儀，其中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於1nm至80nm之間。
20. 如請求項1所述光學分析儀，其中，複數個該發光峰值波長之中的至少一部份的該發光峰值波長所對應的波長半高寬為大於0nm且小於或等於60nm。
21. 一種光學分析系統，其包括： 一如請求項1至20中任一項所述之光學分析儀(100)；以及 一液體輸送件(200)，該流體待測物(O)於該液體輸送件(200)內輸送，該第一光學接收器(30)與該第二光學接收器(40)設置於該液體輸送件(200)的兩側，該第二光線(L2)穿過該液體輸送件(200)並形成該檢測光線(L3)而由該第二光學接收器(40)接收。

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