TWI809510B

TWI809510B - 具有膜層結構的梳狀濾光片以及使用其的微型光譜測量裝置

Info

Publication number: TWI809510B
Application number: TW110135230A
Authority: TW
Inventors: 睿韜鄭
Original assignee: 新加坡商光寶科技新加坡私人有限公司
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2023-07-21
Also published as: TW202314204A

Abstract

本發明公開了一種具有膜層結構的梳狀濾光片以及使用其的微型光譜測量裝置。該裝置包括一個控制器，一組可產生特定不同光譜分佈的多光源系統，以及由一組光訊號轉換器組成的光接收器。光源系統發射不同光譜光線照射在目標待測物體上，由光接收器接收經梳狀濾光片調制後的物體反射回來的光訊號，本發明通過對不同光譜照射條件下各個光訊號轉換器接收到的訊號資料處理後，而重構出待測物體的光譜回應特徵從而實現光譜回應測量的目的。

Description

具有膜層結構的梳狀濾光片以及使用其的微型光譜測量裝置

本發明涉及一種具有膜層結構的梳狀濾光片以及使用其的微型光譜測量裝置，特別是涉及一種利用物體透射或反射光線無需光譜分離處理，而進行光譜調制處理後重構待測物體光譜響應的微型光譜測量裝置。

傳統光譜分布測量裝置，大多需要對待測光進行光譜分離處理，往往需要複雜的光柵分光器件，但是如此一來，測量裝置成本高，結構複雜，安裝精度要求高，一般只適用於實驗室環境，不便於攜帶。

傅立葉光譜儀雖然不需要做光譜分離處理但需要精密的光學干涉裝置，故此也只適用於實驗室環境。

近些年來，一些基於薄膜干涉濾光片技術的緊湊型光譜儀陸續被提出，但往往採用單個帶通濾光片的設計，故此需要較大數量的濾光片及探測器組實現光譜測量，進而提高的成本及制造難度。

因此，如何提供一種較低成本的微型光譜測量裝置，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種具有膜層結構的梳狀濾光片的微型光譜測量裝置，包括：一控制器；一光源提供器，包括多個光源，所述光源提供器電性連接所述控制器，所述光源提供器提供多個不同光譜分布的光源；一光接收器，包括多個膜層結構以及多個訊號轉換器，所述多個訊號轉換器電性連接所述控制器，每一所述膜層結構在每一所述訊號轉換器上；其中，所述光源提供器發送一光線至一物體上，所述光接收器接收自所述物體透射或反射的一光線，所述光接收器利用所述多層結構結構光學薄膜調制獲得多個不同光譜分布的光訊號，所述光接收器提供所述多個光訊號至所述控制器。

本發明還公開了一種梳狀濾光片，包括：多個膜層結構，每一膜層結構包括：一H型結構膜；以及一L型結構膜，所述H型結構膜設置在所述L型結構膜的一側，其中，所述H型結構膜包括TiO₂，所述L型結構膜包括SiO₂。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的微型光譜測量裝置，可以通過特定的光源提供器以及有限數量光接收器，利用待測物體反射/透射光線經由多個光接收器上覆盖的膜層結構調制的接收訊號，以重構物體的光譜響應分布。本發明的微型光譜測量裝置可以用於待測物體或是特定光源的檢測，還可以提高檢測速度與準確度。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

1:微型光譜測量裝置

10:殼體

11:控制器

12:光源提供器

13:光接收器組

14:儲存模組

15:通訊模組

OB:物體

131:膜層結構梳狀濾光片

132:訊號轉換器

9:伺服器

FH:H型結構膜

FL:L型結構膜

131A:膜層結構

CAV:腔體薄膜

SB:基板

圖1是本發明第一實施例的微型光譜測量裝置的示意圖。

圖2是本發明第一實施例的微型光譜測量裝置的另一示意圖。

圖3是圖1中的光源提供器提供不同波長的光源的光譜示意圖。

圖4是本發明膜層結構梳狀濾光片的多層膜實現的結構示意圖。

圖5以及圖6是本發明第一實施例所用的膜層結構梳狀濾光片的透射光譜響應圖，共有八個濾光片。

圖7是本發明的單腔體光學薄膜濾光片的光譜示意圖。

圖8是本發明的膜層結構梳狀濾光片光譜示意圖，梳狀光譜波峰數由腔體數量決定。

圖9是本發明模擬實現的光譜重構案例，實線是物體初始光譜響應，虛線是經過本發明光接收器接收訊號進行重構測量後光譜響應。兩者基本吻合，驗證了本發明對於物體光譜響應測量的有效性。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“微型光譜測量裝置”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

[第一實施例]

請參閱圖1、圖2、圖3以及圖4，圖1是本發明第一實施例的微型光譜測量裝置的示意圖。圖2是本發明第一實施例的微型光譜測量裝置的另一示意圖。圖3是圖1中的光源提供器提供不同光譜分布的光源的示意圖。圖4是實施例光接收器組13上的多層結構膜梳狀濾光片的結構示意圖。

微型光譜測量裝置1包括一控制器11、一光源提供器12、一光接收器組13、一儲存模組14、一通訊模組15以及一殼體10。

控制器11電性連接光源提供器12、光接收器組13、儲存模組14以及通訊模組15。在本實施例中，控制器11、光源提供器12、光接收器組13、儲存模組14、通訊模組15設置在殼體10中。

光源提供器12包括多個光譜分布的光源。在本實施例中，光源提供器12的多個光源可以是不同光譜分布的光源或是相同光源經過不同濾光片進行光譜調制。例如：光源提供器12包括六個光源，由相同的單一寬帶光源前方分別設置六個不同的濾光片進行光譜調制得到。

如圖3所示，在本實施例中，六個光源是由相同的白光光源經由六個不同濾光片進行光譜調制得到。在本實施例中，濾光片則是二氧化矽(SiO₂)的膜材構成，但是每一光源之前濾光片的二氧化矽(SiO₂)的膜厚度都不同，因此每一個光源搭配各自的濾光片則可以提供六種不同光譜分布的光線。

光接收器組13則是包括一組膜層結構梳狀濾光片131以及多個訊號轉換器132。多個訊號轉換器132分別設置在多個膜層結構梳狀濾光片131的下方。膜層結構梳狀濾光片131的光增響應为梳狀多峰值光譜訊號(multi-peak transmissive spectra)。光接收器組13的多個訊號轉換器132電性連接控制器11。

光接收器組13中每一光訊號轉換器132接收到的光，會通過不同的膜層結構梳狀濾光片131進行光譜調制。在本實施例中，光接收器組13中每一個光訊號轉換器132上面都有一個特定光譜響應的膜層結構梳狀濾光片131(其透射光譜如圖5和圖6所示)。在本實施例中，光接收器組13包括8個光訊號轉換器。也就是說，可以用8個光訊號轉換器有8個膜層結構131A，對來自物體OB的光訊號進行調制並由光訊號轉換器接收，通過重構算法以得到物體OB在圖2的400-800nm光譜範圍的一個光譜還原資訊。在本實施例中，六個光源會分別開啟。也就是，每一次會開啟一個光源，由於8個膜層結構131A光譜響應的不同，光接收器組13可以收到8個不同的光訊號。當多個光源依序開啟，光接受器組13接收到總共48個光訊號，通過重構算法，用這48個光訊號數據重構出待測物體的光譜響應。

也就是，如圖2所示，物體OB本身光譜響應會環境光源調制而具有一光譜。在本實施例中，微型光譜測量裝置1是提供預定波長或是預定光譜的光線到物體OB上，這些光線經過物體OB吸收、透射或是反射之後的光線，則由微型光譜測量裝置1的光接收器組13進行接收。光接收器組13則可以利用膜層結構梳狀濾光片131進行光譜調制以獲得多個含有不同光譜分布信息的光訊號。之後，光訊號被送至控制器11。進一步地說，控制器11可以將多個光譜頻率訊號儲存在儲存模組14中。控制器11再通過通訊模組15傳送多個光譜頻率訊號給伺服器9。

微型光譜測量裝置1的控制器11可以發送多個光訊號至伺服器9。伺服器9或是控制器11可以根據一光譜重構算法分析對接收到的光訊號進行處理，重構出物體OB的初始光譜響應。在本實施例中，分析程序包括一最小二次方演算法(Least square algorithm)、一吉洪諾夫正則化演算法(ikhonov regularization)或是一深度學習演算法(Deep Learning)。使用者可以根據實際需求使用其他機器學習演算法，在本發明中不做限制。

請參閱圖4，膜層結構梳狀濾光片131由多個反射鏡作用的多層結構膜131A以及多個腔體薄膜CAV以層疊方式進行組合，膜層結構131A採用一H型結構膜FH以及一L型結構膜FL組成鏡面。在本實施例中，H型結構膜FH 包括二氧化鈦(TiO₂)。L型結構膜FL則是包括二氧化矽(SiO₂)，腔體薄膜CAV由單層TIO₂薄膜構成，腔體薄膜CAV夾在兩組多層結構膜131A之間。

此外，多個由膜層結構131A和腔體薄膜CAV，以層疊方式進行組合成為膜層結構梳狀濾光片131，並設置在一基板SB上。在本實施例中，多個腔體薄膜CAV的結構厚度是相同的。在本實施例中，基板SB就是訊號轉換器132，也就是，光經由膜層結構梳狀濾光片131進行光譜調制後的光訊號直接由132接收。此外，光接收器組13中每一光接收器包括的膜層結構梳狀濾光片131所包含的膜層結構131A的個數可以不同，腔體薄膜CAV薄膜厚度也可以根據實際需求而調整。

在本實施例中，膜層結構梳狀濾光片131是作為讓多個頻帶的光線通過的梳狀帶通濾波器(band pass filter)。此外，膜層結構梳狀濾光片131包括的腔體薄膜CAV數量可以決定梳狀帶通濾波器的峰值多寡。

圖5和圖6是實施本發明所在本實施例中的膜層結構梳狀濾光片的透射光譜響應圖。通過調整膜厚和腔體薄膜CAV個數，共有8個不同的濾光片光譜，代表光接受器的8個光感應器通過濾光片實現的不同光譜響應。

請參閱圖7，光線通過單腔體結構膜的腔體薄膜CAV，也就是本發明實施例的兩個反射鏡作用的多層結構膜131A之間設置一腔體薄膜CAV，光線通過此結構可以得到單一峰值的帶通透射光光譜訊號。

請參閱圖8，是一個通過疊加多個膜層結構131A和腔體薄膜CAV成為膜層結構梳狀濾光片透射光譜響應圖，此濾光片中有5個腔體薄膜CAV，故此有5個帶通峰值。

本實施例的多層結構膜131A可以是多層H型結構膜FH以及多層L型結構膜FL進行層疊設置，以完成膜層結構131A的鏡片設計。在其他實施例中，多層結構膜131A也可以由單層金屬反射膜完成設計。

多層H型結構膜FH以及多層L型結構膜FL可以搭配多個腔體薄膜CAV完成膜層結構梳狀濾光片131。

請參閱圖9，圖9是利用本發明實施例的微型光譜測量裝置對一物體實際測量的光譜分布圖。

其中，實線是物體光譜，點狀虛線則是利用本發明圖1中的微型光譜測量裝置測量得到的光譜分布圖。

控制器11是一中央處理器(CPU)、特殊應用積體電路(ASIC)、一圖型處理器(GPU)或是一微處理器(MCU)。

儲存模組14是一快閃記憶體、一唯讀記憶體、一可規化唯讀記憶體、一電可改寫唯讀記憶體、一可擦可規化唯讀記憶體或是一電可擦可規化唯讀記憶體。

通訊模組15包括一有線通訊單元(圖未示)以及一無線通訊單元(圖未示)。有線通訊單元(圖未示)也可以獨立設置以與伺服器9進行通信連接，接收伺服器9的控制訊號或是伺服器9的資料庫中的資料。當通訊模組15是一無線通訊單元時，通訊模組15可以是一Wi-Fi通訊單元、一藍牙通訊單元、一紫蜂通訊單元(Zigbee)、一LoRa通訊單元、一Sigfox通訊單元或是一NB-IoT通訊單元。伺服器9可以是一本地伺服器或是一遠端伺服器。

[實施例的有益效果]

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

1:微型光譜測量裝置 10:殼體 11:控制器 12:光源提供器 13:光接收器組 14:儲存模組 15:通訊模組 OB:物體 131: 梳狀濾光片 132: 光訊號轉換器 9:伺服器

Claims

一種具有膜層結構的微型光譜測量裝置，包括：一控制器；一光源提供器，包括至少一光源，所述光源提供器電性連接所述控制器，所述光源提供器提供多個不同光譜分布的光線；一光接收器，包括多個膜層結構以及多個訊號轉換器，所述多個訊號轉換器電性連接所述控制器，每一所述膜層結構在每一所述訊號轉換器上；其中，所述光源提供器發送所述光線至一物體上，所述光接收器利用所述膜層結構調制自所述物體透射或反射的光線獲得多個不同光譜分布的光訊號，所述光接收器提供所述多個光訊號至所述控制器。
如請求項1所述的微型光譜測量裝置，其中，所述光源提供器的所述至少一光源前設置有一組光譜調制膜，用於調變所述光源產生多個不同光譜分布的所述光線。
如請求項2所述的微型光譜測量裝置，其中，所述光譜調制膜為多個不同厚度的濾光片所構成，據此調變所述光源產生多個不同光譜分布的所述光線。
如請求項1所述的微型光譜測量裝置，其中，所述光源提供器包括多個光源，每一光源產生不同光譜分布的所述光線。
如請求項1至請求項4所述的微型光譜測量裝置，其中，每一所述膜層結構包括至少二個產生反射鏡效果的多層結構膜和一個夾在所述至少兩個膜層結構之間的腔體結構膜，每一所述多層結構膜至少包括一H型結構膜以及一L型結構膜，所述L型結構膜設置在所述H型結構膜的一側。
如請求項5所述的微型光譜測量裝置，其中，所述H型結構膜包括TiO₂，所述L型結構膜包括SiO₂，所述腔體結構膜包括TiO₂或SiO₂。
如請求項5所述的微型光譜測量裝置，其中，還包括一殼體，所述光源提供器以及所述光接收器設置在所述殼體中。
如請求項5所述的微型光譜測量裝置，還包括一通訊模組，電性連接所述控制器，所述控制器通過所述通訊模組通訊連接一伺服器，所述控制器發送所述多個光訊號至所述伺服器，所述伺服器或是所述控制器根據一分析程序以及所述多個光訊號，產生一光譜還原資訊，所述分析程序包括一最小二次方演算法、一吉洪諾夫正則化演算法或是一深度學習演算法。
一種梳狀濾光片，包括：多個膜層結構，每一膜層結構包括：一H型結構膜；一L型結構膜；以及一腔體薄膜，設置在兩個所述膜層結構之間，其中，所述H型結構膜包括TiO₂，所述L型結構膜包括SiO₂，且所述腔體薄膜包括TiO₂或SiO₂。