TWI825999B - 光譜儀及光譜檢測方法 - Google Patents
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Abstract
提供一種光譜儀及其所使用的一種發光裝置，發光裝置至少包含：複數個各放射具有一發光峰值波長及一波長範圍之光的發光元件，相鄰的二個發光峰值波長所對應的二個發光元件之波長範圍部份重疊，或者相鄰的二個發光峰值波長所對應的二個發光元件之波長範圍不重疊；並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。本發明還依據前述的發光裝置及光譜儀，提供一種發光方法及一種光譜檢測方法，能夠將背景雜訊的頻域訊號捨棄並留下待測物光譜訊號的頻域訊號，以達到濾波效果而使得測試精準，以及取代傳統光譜儀在波長解析度的特性。
Description
本發明關於一種發光裝置，尤其是指能夠選擇發光二極體放射的光的波長範圍、相鄰的發光峰值波長(light emission peak wavelength)差異範圍、波長半高寬(Full-Width at Half-Maximum，FWHM)的範圍及明滅頻率(lighting frequency)之發光裝置、發光方法、光譜儀及光譜檢測方法。
光譜儀可以用來測量穿透物體的透射光或測量物體表面的反射光，而傳統的光譜儀(spectrophotometer，又可稱為分光光度計)通常包含有光源及單光器(monochromator)，其中光源可以採用鹵素氣體充填的鎢絲燈(鹵鎢燈)以產生發射光譜約在320nm~2500 nm的Vis-near IR(可見光-近紅外光)呈連續光譜的光，接著再由稜鏡(prism)或光柵(grating)所構成的單光器選擇特定波長的單色光以供試樣(或稱待測物)的吸光或反射測定，這當然也包含可以在設定的波長範圍內連續掃描，以進行試樣的吸收光譜或反射光譜的分析。然而，就如同中國發明專利授權公告第CN101236107B號所述鎢絲燈的眾多問題之外，由於鎢絲燈發熱量大且溫度高的因素，當利用鎢絲燈做為光源而進行例如農產品、食品、醫藥品、石化產品的有機產品檢測時，高溫會對有機試樣造成質變，因而嚴重影響檢測結果。前述第CN101236107B號專利所揭示的技術也可為本發明所引用。
前述第CN101236107B號專利揭露複數個發光二極體(Light-emitting diode，LED)做為光譜儀的光源，每個LED發射不同波長範圍的單色光譜，除了將前述複數個LED組合成連續光譜之外，還可以依據設計當只需要某一波長範圍的單色光時，只需要點亮該波長範圍所對應的LED即可，所以既可以同時點亮複數個LED合成連續光譜，也可以依所需掃描的波長範圍而依序點亮所對應的LED。然而，前述第CN101236107B號專利是將複數個LED的發射光線聚焦在單色器的入射狹縫上，因此並無法解決單色器造價高昂及系統複雜的問題。中國實用新型專利授權公告第CN205388567U號則是揭露使用複數個LED及光纖的組合以避免使用單色器，另外又使用全反射鏡增加測量光程以提高檢測試樣的效率。前述第CN101236107B號專利所揭示的技術也可為本發明所引用。另外，中國發明專利公開第CN109932335A號也揭露了類似的技術。
前述三篇專利雖然改善了傳統光譜儀的光源發熱及單色器昂貴的問題，然而前述第三篇專利使用LED陣列做為光源的光譜儀(spectroscopy)的波長解析度(通常大於10nm)比傳統使用鹵鎢燈及單光器的光譜儀的波長解析度(通常為1nm)還低，這導致了使用LED陣列做為光源的前述三篇專利在正確解析試樣的光譜圖上的疑慮。前述三篇專利的另一個問題是無法進一步提高訊噪比(訊號噪音比或訊號雜訊比，Signal-to-noise ratio，SNR或S/N，也稱訊雜比)，前述三篇專利的LED陣列只是用來取代鹵鎢燈做為光源，除此之外並沒有改變光源的其他操作方式，因此顯然地對於從光源端所導致的SNR並無改善，所以前述三篇專利並無法進一步提高SNR。
本發明的主要目的即在於提供由彼此發射不同波長範圍的複數個LED所構成的一種發光裝置及由該發光裝置所構成的一種光譜儀，本發明的光譜儀對於試樣的解析結果接近於使用傳統鹵鎢燈光譜儀的高解析結果，而且同時提高了試樣檢測結果光譜圖中的訊雜比，以達到測試精準的效果。
為達上述目的，本發明之一種發光裝置，至少包含：複數個各放射具有一發光峰值波長及一波長範圍之光的發光元件；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之該等波長範圍不重疊；相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為大於或等於1nm，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。
在本發明的一實施例中，該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。
在本發明的一實施例中，複數個該發光元件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。
在本發明的一實施例中，該明滅頻率是介於0.05次/秒至500次/秒之間。
在本發明的一實施例中，該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間。
在本發明的一實施例中，該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間。
在本發明的一實施例中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於1nm至80nm之間。
在本發明的一實施例中，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於5nm至80nm之間。
在本發明的一實施例中，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。
在本發明的一實施例中，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。
為達上述目的，本發明又提供一種光譜儀，至少包含一光源控制器、前述該發光裝置、一光偵測器及一計算器；該光源控制器與該發光裝置電性連接，該光偵測器與該計算器電性連接，該光偵測器接收來自該發光裝置發射的一光線，且該光線在該發光裝置與該光偵測器之間的行進路徑形成一光路。
在本發明的一實施例中， 一數學分析模組係設置於該光偵測器或該計算器，該數學分析模組係與該光偵測器電性或訊號連接，或該數學分析模組係與該計算器電性或訊號連接，而所述該數學分析模組是軟體或硬體型態，該光偵測器所收集到的訊號係被傳送到該數學分析模組；該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間，該光偵測器所接收到的訊號為一待測物光譜訊號與一背景雜訊的結合；該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間，該光偵測器所接收到的訊號為該背景雜訊；該待測物光譜訊號及該背景雜訊構成一待測物時域訊號，該數學分析模組係包含將該待測物時域訊號轉換為一待測物頻域訊號的一時域頻域轉換單元。
在本發明的一實施例中， 該時域頻域轉換單元是用以將該待測物時域訊號進行傅立葉轉換為該待測物頻域訊號的一傅立葉轉換單元。
在本發明的一實施例中，該待測物頻域訊號係包含該待測物光譜訊號的頻域訊號及該背景雜訊的頻域訊號，該數學分析模組係能夠將該背景雜訊的頻域訊號捨棄並留下該待測物光譜訊號的頻域訊號，該數學分析模組係包含將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號轉換為一濾波後待測物時域訊號的一頻域時域轉換單元。
在本發明的一實施例中，該頻域時域轉換單元是能夠將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號進行傅立葉反轉換為該濾波後待測物時域訊號的一傅立葉反轉換單元。
本發明又提供一種發光方法，依序包含以下步驟：一提供發光元件步驟：提供複數個各放射具有一發光峰值波長及一波長範圍之光的發光元件，相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該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之該等波長範圍不重疊；相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為大於或等於1nm，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；一發光步驟：分別控制並使得複數個該發光元件分別呈現一明滅頻率的非連續發光，該明滅頻率是介於0.05次/秒至500次/秒之間，該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間，該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間。
本發明又提供一種光譜檢測方法，係包含前述發光方法，該光譜檢測方法更包含一濾波步驟，係接收一待測物光譜訊號及一背景雜訊，該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間，所接收到的訊號為該待測物光譜訊號與該背景雜訊的結合，該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間，所接收到的訊號為該背景雜訊，該待測物光譜訊號及該背景雜訊構成一待測物時域訊號，將該待測物時域訊號進行傅立葉轉換為一待測物頻域訊號，該待測物頻域訊號係被區分為該待測物光譜訊號的頻域訊號及該背景雜訊的頻域訊號，接著將該背景雜訊的頻域訊號捨棄並留下該待測物光譜訊號的頻域訊號。
在本發明的一實施例中，該光譜檢測方法更包含一反轉換步驟，該反轉換步驟是將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號進行傅立葉反轉換為一濾波後待測物時域訊號。
本發明運用複數個發光元件，使其相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為大於或等於1nm，以及利用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，並且複數個該發光元件能夠分別呈現一明滅頻率的非連續發光，將該待測物時域訊號進行傅立葉轉換為該待測物頻域訊號，並將該待測物頻域訊號區分為該待測物光譜訊號的頻域訊號及該背景雜訊的頻域訊號，接著將該背景雜訊的頻域訊號捨棄並留下該待測物光譜訊號的頻域訊號，以達到濾波效果而使得測試精準，以及達到本發明的發光裝置及光譜儀在波長解析度的特性能夠取代傳統光譜儀在波長解析度的特性。
為利瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
首先，請參閱第1圖的第一實施例， 本發明之一種發光裝置12係適用於一光譜儀1，該光譜儀1包含一光源控制器11、該發光裝置12、一光偵測器13及一計算器14。該光源控制器11分別與該發光裝置12及一外部電源(圖未繪出)電性連接，該光偵測器13與該計算器14電性連接，該光偵測器13接收來自該發光裝置12發射的一光線L，且該光線L在該發光裝置12與該光偵測器13之間的行進路徑形成一光路R，該光偵測器13例如可以是光電倍增管(photomultiplier)、光導電度偵測器(photoconducting detector)、矽熱輻射偵測器(Si bolometer)。一待測物A是被置放於該光路R，該光路R係穿透該待測物A或該光路R係在該待測物A的表面形成反射。在第1圖中，是以該光路R係穿透該待測物A為舉例，以測得該待測物A的吸收光譜。另外，在該光路R係在該待測物A的表面形成反射的實施態樣中，是測得該待測物A的反射光譜。該光偵測器13將光線L轉換成一待測物光譜訊號並將該待測物光譜訊號傳送至該計算器14，該計算器14係將該待測物光譜訊號轉換後形成一待測物光譜圖，該計算器14例如為個人電腦、筆記型電腦或電腦伺服器。
該發光裝置12，至少包含：複數個各放射具有一發光峰值波長(light emission peak wavelength)及一波長範圍之光的發光元件，該發光峰值波長或該波長範圍是介於300nm至2500nm之間，其中該發光元件可以是發光二極體、垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)或雷射二極體(Laser Diode，LD)。以下實施例的該發光元件是以發光二極體為舉例，這是為了說明方便起見，而非以本發明所舉例發光二極體為限，且熟知此技藝者當知道該發光元件之態樣：發光二極體、垂直共振腔面射型雷射或雷射二極體在本發明中是可以互相替換，並不會影響本發明的實際實施。於第1圖的實施例中，該發光裝置12係包含三個發光二極體，分別為放射具有一第一波長範圍之一第一光線的一第一發光二極體121、放射具有一第二波長範圍之一第二光線的一第二發光二極體122及放射具有一第三波長範圍之一第三光線的一第三發光二極體123，該第一光線在該第一波長範圍內具有一第一發光峰值波長，該第二光線在該第二波長範圍內具有一第二發光峰值波長，該第三光線在該第三波長範圍內具有一第三發光峰值波長。該第一發光二極體121、該第二發光二極體122及該第三發光二極體123係與該發光裝置12的一電路板120電性連接，該電路板120係與該光源控制器11電性連接，換言之，該光源控制器11係與該第一發光二極體121、該第二發光二極體122及該第三發光二極體123電性連接，且該光源控制器11能夠分別控制該第一發光二極體121、該第二發光二極體122及該第三發光二極體123的開或關(明或滅，通電或不通電)，也就是說該光源控制器11能夠分別控制複數個該發光二極體的開或關(明或滅)。較佳地，該光源控制器11能夠分別控制並使得該第一發光二極體121、該第二發光二極體122及該第三發光二極體123分別連續發光或分別非連續發光，也就是說該光源控制器11能夠分別控制並使得複數個該發光二極體分別連續發光或分別非連續發光。更佳地，該光源控制器11能夠分別控制並使得該第一發光二極體121、該第二發光二極體122及該第三發光二極體123分別呈現一明滅頻率的非連續發光，也就是說該光源控制器11能夠分別控制並使得複數個該發光二極體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。例如，該光源控制器11包含與該外部電源電性連接的一微控制器(Microcontroller Unit)111及與該微控制器111電性連接的一時脈產生器(clock generator)112，該明滅頻率係由該時脈產生器112產生後將該明滅頻率的訊號傳送至該微控制器111，再由該微控制器111依據該明滅頻率以開或關與該微控制器111分別電性連接的複數個該發光二極體(例如該第一發光二極體121、該第二發光二極體122及該第三發光二極體123)。特別說明的是，該時脈產生器112也可以是整合於該微控制器111內的以產生該明滅頻率的一時脈產生模組，該時脈產生模組可以是軟體或硬體型態，如此便不需要在該微控制器111外部另外設置該時脈產生器112。特別說明的是，當然，依據上述該光源控制器11的技術特徵，也可以依據實際需求而同時將複數個該發光二極體開或關，或者依選擇地只將一個或部分的該發光二極體開或關，或者將複數個該發光二極體依序開或關，或者將上述方式的任一種以該明滅頻率方式開或關。
請一併參閱第2圖，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300nm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，分別為該第一光線的該第一發光峰值波長(734nm)所對應的該第一波長範圍、該第二光線的該第二發光峰值波長(810nm)所對應的該第二波長範圍及該第三光線的該第三發光峰值波長(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1nm，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3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發光裝置12係包含五個發光二極體，分別為放射具有該第一發光二極體121、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1211、該第二發光二極體122、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1221及該第三發光二極體123，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4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二實施例的該發光裝置12係包含12個發光二極體，在第4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。如果於實施例一、實施例二及實施例三中的該發光元件是改用雷射二極體，相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差可以為大於或等於1nm，例如為1nm。
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，例如前述實施例一、實施例二及實施例三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，前述實施例一、實施例二及實施例三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，例如如果前述實施例一、實施例二及實施例三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，於實施例一、實施例二及實施例三操作該譜儀1進行該待測物A的檢測以產生該待測物光譜圖時，如前所述該光源控制器11能夠分別控制並使得複數個該發光二極體分別呈現該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500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0.001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0.001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0.001秒至10秒之間，該熄滅時間區間為介於0.001秒至10秒之間。較佳地，該明滅頻率是介於0.5次/秒至500次/秒之間；更佳地，該明滅頻率是介於5次/秒至500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。一數學分析模組M係設置於該光偵測器13(第5A圖)或該計算器14(第5B圖)，該數學分析模組M係與該光偵測器13(第5A圖)電性或訊號連接，或該數學分析模組M係與該計算器14(第5B圖)電性或訊號連接，而所述該數學分析模組M可以是軟體或硬體型態，該光偵測器13所收集到的訊號係被傳送到該數學分析模組M。當操作該譜儀1進行該待測物A的檢測以產生該待測物光譜圖時，複數個該發光二極體可以以相同的該明滅頻率同時開或關，該明滅頻率中開啟(點亮)該發光二極體的時間區間，該光偵測器13所接收到的訊號為該待測物光譜訊號及一背景雜訊(或稱為背景噪音)的結合，而該明滅頻率中關閉(熄滅)該發光二極體的時間區間，該光偵測器13所接收到的訊號為該背景雜訊。請一併參閱第6A圖，其為以該明滅頻率的非連續發光方式操作該譜儀1進行該待測物A的檢測，該待測物光譜訊號與該背景雜訊的結合及該背景雜訊所構成的一待測物時域(time domain)訊號及一待測物時域訊號圖。該光偵測器13所收集到的前述該待測物光譜訊號及該背景雜訊係被傳送到該數學分析模組M，該數學分析模組M係對於前述該待測物時域訊號進行處理而將該背景雜訊捨棄，例如該數學分析模組M係包含將該待測物時域訊號轉換為一待測物頻域(frequency domain)訊號的一時域頻域轉換單元M1(第5A圖)，該時域頻域轉換單元M1可以是用以將該待測物時域訊號進行傅立葉轉換(Fourier transform)為該待測物頻域訊號的一傅立葉轉換單元，轉換後的該待測物頻域訊號及一待測物頻域訊號圖請參見第6B圖，該待測物頻域訊號係很容易被區分為該待測物光譜訊號的頻域訊號及該背景雜訊的頻域訊號。在第6B圖中，位於0Hz的峰值的頻域訊號或小於該明滅頻率的頻域訊號，即為該背景雜訊的頻域訊號；而在第6B圖中，除了位於0Hz的峰值的頻域訊號(該背景雜訊的頻域訊號)，其餘剩下的峰值的訊號即為該待測物光譜訊號的頻域訊號。較佳地，在該待測物頻域訊號中，大於或等於該明滅頻率的頻域訊號即為該待測物光譜訊號的頻域訊號。該數學分析模組M係將該背景雜訊的頻域訊號捨棄並留下該待測物光譜訊號的頻域訊號，以達到濾波效果。由於該數學分析模組M係將該背景雜訊的頻域訊號捨棄，因此留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號完全是屬於該待測物而不包含該背景訊號，所以相對於傳統光譜儀而言，本發明的該光譜儀1不僅提高該待測物在光譜中的訊雜比，本發明的該光譜儀1甚至因為將該背景雜訊的頻域訊號捨棄以進行濾波，所以可以達到無背景雜訊的光譜。請再度參閱第5A圖及第5B圖，該光源控制器11的該微控制器111係可以與該數學分析模組M電性或訊號連接，以同步將該明滅頻率、該明滅頻率中開啟(點亮)該發光二極體的時間區間及該明滅頻率中關閉(熄滅)該發光二極體的時間區間傳送給該數學分析模組M，以使得該微控制器111依據該明滅頻率、該明滅頻率中開啟(點亮)該發光二極體的時間區間及該明滅頻率中關閉(熄滅)該發光二極體的時間區間以開或關與該微控制器111分別電性連接的複數個該發光二極體之時，該數學分析模組M能夠將該明滅頻率中開啟(點亮)該發光二極體的時間區間對應為該待測物光譜訊號，以及該數學分析模組M能夠將該明滅頻率中關閉(熄滅)該發光二極體的時間區間對應為該背景雜訊。
特別說明的是，複數個該發光二極體呈現該明滅頻率的非連續發光的波形為方波、正弦波或負弦波。
另外，該數學分析模組M也可以對於前述經過濾波效果所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號進行處理，而將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號轉換為一濾波後待測物時域訊號及一濾波後待測物時域訊號圖，其中該濾波後待測物時域訊號之中只存在一濾波後待測物光譜訊號，而不存在該背景雜訊。例如，該數學分析模組M係包含將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號轉換為一濾波後待測物時域訊號的一頻域時域轉換單元M2(第5B圖)，該頻域時域轉換單元M2可以是用以將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號進行傅立葉反轉換(inverse Fourier Transform)為該濾波後待測物時域訊號的一傅立葉反轉換單元，轉換後的該濾波後待測物時域訊號及該濾波後待測物時域訊號圖請參見第6C圖。比較第6A圖及第6C圖可以顯然地看出，在第6C圖中該濾波後待測物時域訊號圖之中的該濾波後待測物時域訊號只存在該濾波後待測物光譜訊號而且呈現為方形波，而且該濾波後待測物時域訊號圖之中已經不存在任何該背景雜訊。換言之，在第6C圖中背景訊號為零，所以如果將該濾波後待測物光譜訊號的值除以背景訊號的值，所得到的訊雜比將呈現無限大；因此，本發明提高了試樣(待測物)檢測結果光譜圖中的訊雜比，可以達到測試精準的效果。特別說明的是，所述該數學分析模組M、該時域頻域轉換單元M1及該頻域時域轉換單元M2可以分別是軟體或硬體型態，或上述軟體或硬體型態的組合；該數學分析模組M、該時域頻域轉換單元M1及該頻域時域轉換單元M2彼此以電性或訊號連接。
[比較例與應用例的波長解析度測試]
比較例1是使用台灣超微光學公司所生產以鹵鎢燈為光源並以光柵得到1nm波長解析度的SE-2020-050-VNIR型號的傳統光譜儀，對表面塗佈有氧化鋅塗料的5cm長、5cm寬、0.2厚的片狀PVC(聚氯乙烯，Polyvinyl Chloride)板及表面塗佈有氧化鋅混合氧化鐵塗料的5cm長、5cm寬、0.2厚的片狀PVC板兩種不同物質進行氧化鋅塗料及氧化鋅混合氧化鐵塗料反射光譜訊號的檢測，然後依據取得之光譜影像資料，運用相似(差異)性處理分析技術，亦即光譜角度匹配(Spectral Angle Match 或Spectral Angle Mapping， 簡稱SAM) 處理分析技術，來進行氧化鋅及氧化鋅混合氧化鐵兩種不同物質的相似度分析，經SAM分析結果為96.00%(第7A圖)。
應用例1、2及3分別是使用實施例一、二及三的發光裝置及光譜儀，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)及使用與前述台灣超微光學公司的SE-2020-050-VNIR型號相同的光偵測器，分別對塗佈有氧化鋅塗料的5cm長、5cm寬、0.2厚的片狀PVC板及塗佈有氧化鋅混合氧化鐵塗料的5cm長、5cm寬、0.2厚的片狀PVC板兩種不同物質進行氧化鋅塗料及氧化鋅混合氧化鐵塗料反射光譜訊號的檢測，然後依據取得之光譜影像資料，用SAM處理分析技術，來進行氧化鋅及氧化鋅混合氧化鐵兩種不同物質的相似度分析，經SAM分析結果分別為97.69%(第7B圖)、97.48%(第7C圖)及96.54%(第7D圖)，皆接近於比較例1傳統光譜儀的96.00%，因此實施例一、二及三的發光裝置及光譜儀的波長解析度的特性相近於傳統光譜儀。所以，應用例1、2及3所使用實施例一、二及三的發光裝置及光譜儀在波長解析度的特性，能夠取代傳統光譜儀在波長解析度的特性。
因此，依據前述該發光裝置12及該光譜儀1，請參閱第8圖，本發明提供一種發光方法，依序包含以下一提供發光元件步驟S01及一發光步驟S02。
該提供發光元件步驟S01：提供複數個各放射具有一發光峰值波長及一波長範圍之光的發光元件，相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該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之該等波長範圍不重疊；相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為大於或等於1nm，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。該發光元件可以為發光二極體、垂直共振腔面射型雷射或雷射二極體。較佳地相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於1nm至80nm之間，更佳地相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為介於5nm至80nm之間。較佳地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，更佳地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。
該發光步驟S02：分別控制並使得複數個該發光元件分別呈現一明滅頻率的非連續發光，該明滅頻率是介於0.05次/秒至500次/秒之間，該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間，該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間。較佳地，該明滅頻率是介於0.5次/秒至500次/秒之間；更佳地，該明滅頻率是介於5次/秒至500次/秒之間。
又依據前述該發光裝置12、該光譜儀1及該發光方法，請一併參閱第9圖，本發明提供一種光譜檢測方法，除了依序包含該發光方法的該提供發光元件步驟S01及該發光步驟S02之外，該光譜檢測方法在該發光步驟S02之後還接續依序包含了一濾波步驟S03及一反轉換步驟S04。
該濾波步驟S03：接收一待測物光譜訊號及一背景雜訊，該明滅頻率中開啟(點亮)該發光元件的時間區間，所接收到的訊號為該待測物光譜訊號與該背景雜訊的結合，該明滅頻率中關閉(熄滅)該發光元件的時間區間，所接收到的訊號為該背景雜訊(或稱為背景噪音)，該待測物光譜訊號及該背景雜訊構成一待測物時域(time domain)訊號，將該待測物時域訊號進行傅立葉轉換(Fourier transform)為一待測物頻域訊號，該待測物頻域訊號係被區分為該待測物光譜訊號的頻域訊號及該背景雜訊的頻域訊號，接著將該背景雜訊的頻域訊號捨棄並留下該待測物光譜訊號的頻域訊號，以達到濾波效果。
該反轉換步驟S04：將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號進行傅立葉反轉換(inverse Fourier Transform)為一濾波後待測物時域訊號。
[訊雜比測試]
應用例4是使用實施例三的發光裝置及光譜儀，明滅頻率約為100次/秒、該明滅頻率中開啟(點亮)該發光二極體的時間區間為5毫秒(5ms)、該明滅頻率中關閉(熄滅)該發光二極體的時間區間為5毫秒(5ms)，所以該明滅頻率的週期為10毫秒(10ms)，以及使用與前述台灣超微光學公司的SE-2020-050-VNIR型號相同的光偵測器，對塗佈有氧化鋅的5cm長、5cm寬、0.2厚的片狀PVC板依照前述該光譜檢測方法進行反射光譜訊號的檢測。該待測物光譜訊號及該背景雜訊所構成的該待測物時域訊號及該待測物時域訊號圖，如第6A圖，其中複數個該發光二極體呈現該明滅頻率的非連續發光的波形為方波。接著該待測物時域訊號經過該濾波步驟的傅立葉轉換為該待測物頻域訊號及該待測物頻域訊號圖，如第6B圖；其中，該待測物頻域訊號係很容易被區分為該待測物光譜訊號的頻域訊號及該背景雜訊的頻域訊號，例如該明滅頻率的週期為10ms，因此對應頻率為100Hz，所以在第6B圖中頻率大於或等於100Hz的頻域訊號即為該待測物光譜訊號的頻域訊號，而位於0Hz的頻域訊號或小於100Hz的頻域訊號，即為該背景雜訊的頻域訊號，該濾波步驟並將該背景雜訊的頻域訊號捨棄並留下該待測物光譜訊號的頻域訊號。接著該反轉換步驟將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號進行傅立葉反轉換為該濾波後待測物時域訊號(第6C圖中的不連續方波)及該濾波後待測物時域訊號圖，如第6C圖。顯然地在第6C圖中並未出現背景訊號(或者背景訊號可以視為零)，所以訊雜比將呈現無限大，因此達到測試精準的效果。
由上述之說明可知，本發明與現有技術與產品相較之下，本發明所提供的發光裝置、發光方法、光譜儀及光譜檢測方法，對於試樣的解析結果接近於使用傳統鹵鎢燈光譜儀的高解析結果，而且同時提高了試樣檢測結果光譜圖中的訊雜比，確實能夠達到測試精準的效果。
綜上所述，本發明之發光裝置、發光方法、光譜儀及光譜檢測方法，的確能達到所預期之使用功效，且本創作亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本創作之較佳實施例，非為限定本創作之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本創作之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本創作之設計範疇。
1:光譜儀
11:光源控制器
111:微控制器
112:時脈產生器
12:發光裝置
120:電路板
121:第一發光二極體
1211:第四發光二極體
122:第二發光二極體
1221:第五發光二極體
123:第三發光二極體
13:光偵測器
14:計算器
A:待測物
L:光線
M:數學分析模組
M1:時域頻域轉換單元
M2:頻域時域轉換單元
R:光路
S01:提供發光元件步驟
S02:發光步驟
S03:濾波步驟
S04:反轉換步驟
第1圖是本發明發光裝置及光譜儀的實施方式示意圖(一)。
第2圖是本發明第一實施例的發光二極體的放射光譜圖。
第3圖是本發明第二實施例的發光二極體的放射光譜圖。
第4圖是本發明第三實施例的發光二極體的放射光譜圖。
第5A圖是本發明發光裝置及光譜儀的實施方式示意圖(一)。
第5B圖是本發明發光裝置及光譜儀的實施方式示意圖(二)。
第6A圖是本發明光譜儀所測得的待測物時域訊號圖。
第6B圖是本發明光譜儀將待測物時域訊號進行傅立葉轉換後的待測物頻域訊號圖。
第6C圖是本發明光譜儀將經過濾波效果後所留下的待測物光譜訊號的頻域訊號進行傅立葉反轉換後的濾波後待測物時域訊號圖。
第7A圖是比較例1使用傳統光譜儀所測得的氧化鋅及氧化鋅混合氧化鐵反射光譜圖。
第7B圖是應用例1使用本發明光譜儀所測得的氧化鋅及氧化鋅混合氧化鐵反射光譜圖。
第7C圖是應用例2使用本發明光譜儀所測得的氧化鋅及氧化鋅混合氧化鐵反射光譜圖。
第7D圖是應用例3使用本發明光譜儀所測得的氧化鋅及氧化鋅混合氧化鐵反射光譜圖。
第8圖是本發明發光方法的步驟流程圖。
第9圖是本發明光譜檢測方法的步驟流程圖。
1:光譜儀
11:光源控制器
111:微控制器
112:時脈產生器
12:發光裝置
120:電路板
121:第一發光二極體
1211:第四發光二極體
122:第二發光二極體
1221:第五發光二極體
123:第三發光二極體
13:光偵測器
14:計算器
A:待測物
L:光線
R:光路
Claims (16)
- 一種光譜儀，該光譜儀(1)至少包含：一光源控制器(11)、一發光裝置(12)、一光偵測器(13)及一計算器(14)，其中該光源控制器(11)與該發光裝置(12)電性連接，該光偵測器(13)與該計算器(14)電性連接，該光偵測器(13)接收來自該發光裝置(12)發射的一光線(L)，且該光線(L)在該發光裝置(12)與該光偵測器(13)之間的行進路徑形成一光路(R)；其中，該發光裝置(12)包含複數個各放射具有一發光峰值波長及一波長範圍之光的發光元件；相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該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之該等波長範圍不重疊；相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為大於或等於1nm，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；複數個該發光元件的每一者能夠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，該明滅頻率是介於0.05次/秒至500次/秒之間，以及該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間。
- 如請求項1所述光譜儀，其中，該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。
- 如請求項1所述光譜儀，其中，該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間。
- 如請求項3所述光譜儀，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。
- 如請求項4所述光譜儀，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。
- 如請求項3所述光譜儀，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。
- 如請求項6所述光譜儀，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。
- 如請求項1所述光譜儀，其中，一數學分析模組(M)係設置於該光偵測器(13)或該計算器(14)，該數學分析模組(M)係與該光偵測器(13)電性或訊號連接，或該數學分析模組(M)係與該計算器(14)電性或訊號連接，而所述該數學分析模組(M)是軟體或硬體型態，該光偵測器(13)所收集到的訊號係被傳送到該數學分析模組(M)。
- 如請求項8所述光譜儀，其中，該光源控制器(11)包含一微控制器(111)，該明滅頻率由一時脈產生器(112)或是整合於該微控制器(111)內的一時脈產生模組產生後將該明滅頻率的訊號傳送至該微控制器(111)；該微控制器(111)與該數學分析模組(M)電性或訊號連接，以將該明滅頻率、該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間及該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間傳送給該數學分析模組(M)，該微控制器(111)依據該明滅頻率、該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間及該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間以開或關與該微控制器(111)分別電性連接的複數個該發光元件。
- 如請求項8所述光譜儀，其中，該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間，該光偵測器(13)所接收到的訊號為一待測物光譜訊號與一背景雜訊的結合；該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間，該光偵測器(13)所接收到的訊號為該背景雜訊；該待測物光譜訊號及該背景雜訊構成一待測物時域訊號，該數學分析模組(M)係包含將該待測物時域訊號轉換為一待測物頻域訊號的一時域頻域轉換單元(M1)。
- 如請求項10所述光譜儀，其中，該時域頻域轉換單元(M1)是用以將該待測物時域訊號進行傅立葉轉換為該待測物頻域訊號的一傅立葉轉換單元。
- 如請求項10所述光譜儀，其中，該待測物頻域訊號係包含該待測物光譜訊號的頻域訊號及該背景雜訊的頻域訊號，該數學分析模組(M)係能夠將該背景雜訊的頻域訊號捨棄並留下該待測物光譜訊號的頻域訊號，該數學分析模組(M)係包含將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號轉換為一濾波後待測物時域訊號的一頻域時域轉換單元(M2)。
- 如請求項12所述光譜儀，其中，該頻域時域轉換單元(M2)是能夠將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號進行傅立葉反轉換為該濾波後待測物時域訊號的一傅立葉反轉換單元。
- 一種光譜檢測方法，依序包含以下步驟： 一提供發光元件步驟(S01)：提供複數個各放射具有一發光峰值波長及一波長範圍之光的發光元件，相鄰的二個該發光峰值波長所對應的二個該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之該等波長範圍不重疊；相鄰的二個該發光峰值波長彼此相差為大於或等於1nm，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； 一發光步驟(S02)：分別控制並使得複數個該發光元件的每一者呈現一明滅頻率的非連續發光，該明滅頻率是介於0.05次/秒至500次/秒之間，該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間，該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間，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，該明滅頻率是介於0.05次/秒至500次/秒之間，以及該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間為介於0.001秒至10秒之間； 一接收步驟：透過一光偵測器(13)接收來自包括該複數個發光元件的一發光裝置(12)發射的一光線(L)，且該光線(L)在該發光裝置(12)與該光偵測器(13)之間的行進路徑形成一光路(R)。
- 如請求項14所述光譜檢測方法，該光譜檢測方法更包含： 一濾波步驟(S03)：接收一待測物光譜訊號及一背景雜訊，該明滅頻率中開啟該發光元件的時間區間，所接收到的訊號為該待測物光譜訊號與該背景雜訊的結合，該明滅頻率中關閉該發光元件的時間區間，所接收到的訊號為該背景雜訊，該待測物光譜訊號及該背景雜訊構成一待測物時域訊號，將該待測物時域訊號進行傅立葉轉換為一待測物頻域訊號，該待測物頻域訊號係被區分為該待測物光譜訊號的頻域訊號及該背景雜訊的頻域訊號，接著將該背景雜訊的頻域訊號捨棄並留下該待測物光譜訊號的頻域訊號。
- 如請求項15所述光譜檢測方法，其中，該光譜檢測方法更包含一反轉換步驟(S04)，該反轉換步驟(S04)是將前述所留下的該待測物光譜訊號的頻域訊號進行傅立葉反轉換為一濾波後待測物時域訊號。
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| TW202305328A TW202305328A (zh) | 2023-02-01 |
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2020
- 2020-02-14 TW TW111135147A patent/TWI825999B/zh active
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