TWI843249B

TWI843249B - 量測裝置

Info

Publication number: TWI843249B
Application number: TW111140312A
Authority: TW
Inventors: 韋安琪; 施至柔; 杜星旻; 楊建裕
Original assignee: 國立中央大學
Priority date: 2022-10-24
Filing date: 2022-10-24
Publication date: 2024-05-21
Also published as: TW202417817A

Abstract

本發明為一種量測裝置，其包括：容置待測流體之腔體，其具有入射穿透面或入射穿透面與出射穿透面；置於腔體外與入射穿透面相對應之電磁輻射源；以及感測及接收電磁波波前並輸出相對應之訊號群的波前感測器。藉由本發明之實施，量測裝置不但具有高精密度、高靈敏度、抗震性強及適用於氣體或液體之量測等優點，更重要的在於本發明之量測裝置不僅可以量測出氣體或液體之平均折射率、平均濃度或平均溫度，更可以量測出氣體或液體之折射率分布狀態、濃度分布狀態、或溫度分布狀態。

Description

量測裝置

本發明係關於一種量測裝置，特別是關於一種具有波前感測器之量測裝置。

隨著物質感測技術的越臻成熟與所需精密電子與光學元件製造技術之提升，流體材料之折射率、濃度或溫度相關的精確量測已經在工業應用、商業附加、國防軍事、航太科技、學術應用或實驗室資料蒐集上全面化地獲得完全的信賴。

其中，尤其是有機高分子、無機材質與有機無機混合材質等之折射率的量測，對於鏡片、照明、國防軍事等需求的高反射或抗反射塗層；光學黏著劑；或是燃料特性分析等的應用需求與貢獻之大幅增加則日益明顯。

然而時至今日，習知技術或系統所提供或改良之折射率量測裝置或系統在量測液體或固體之折射率時，常使用基於全反射原理之阿貝折光儀；而在量測氣體折射率時，則常以干涉儀系統為之，利用干涉條紋與光學系統間之關聯參數推算出氣體的折射率。雖然其亦可求得某些狀態下之氣體折射率，但因為干涉儀系統對檢測環境的精密度、無震動、校準等要求甚為嚴格導致其設置成本甚高，且又礙於干涉條紋的顯示限制，干涉儀系統通常難以對高動態氣體進行正確檢測。除此之外，習知的液體折射率量測裝置、固體折射率量測裝置或液體、固體量測系統，乃至量測氣體折射率的干涉儀系統，都不易量測出空間中折射率分布之資訊。

另一方面，近期氣體折射率量測技術中，常使用光子晶體、光纖等元件取得共振光譜，再解析之以換算折射率；然而因系統中須搭配光譜儀，這不但使得系統成本大幅度提高，且折射率之空間分布仍難以量測。

有鑒於此，若能提出一種新穎且進步的量測裝置，結合波前感測器與稜鏡等構件的偏轉角度之特性，改善上述習知結構之缺憾，除了充分發揮其具有的高精密度、高靈敏度與抗震能力佳的進步功能，可以精密量測材料折射率、材料含量、材料混和狀態、或材料溫度之外，更能夠精確量測出前述各種量測之分佈狀態，而能提供更廣泛的科學應用，對於學術領域、國防軍事系統、照明裝置、反射無反射塗裝及航太科技等領域之研究開發與產業應用，都將是一個具有顯著貢獻的突破性發明。

本發明係提供一種量測裝置，用以量測一待測流體，並包括有：腔體，容置待測流體，並具有入射穿透面及與入射穿透面相對之出射穿透面；電磁輻射源，設置於腔體外一側並與入射穿透面相對應，其中電磁輻射源發射至少一輻射波長之第一電磁波穿透入射穿透面射入腔體，又第一電磁波並受待測流體調變為第二電磁波後穿透出射穿透面並射出腔體；以及波前感測器，設置於封閉腔體之另一側並與出射穿透面相對應，感測接收第二電磁波之波前並轉換及輸出相對應之訊號群。

本發明又提供一種量測裝置，用以量測一待測流體，並包括有：腔體，容置待測流體，並具有至少一入射穿透面；電磁輻射源，設置於腔體外之一側並與入射穿透面相對應，其中電磁輻射源發射至少一輻射波長之第一電磁波穿透入射穿透面射入腔體，又第一電磁波並受待測流體調變為第二電磁波；以及波前感測器，設置於腔體之內，感測接收第二電磁波之波前並轉換及輸出相對應之訊號群。

藉由本發明之實施，至少可以達到下列之多重特殊進步功效：

一、構件精簡，減少系統整體重量並大幅降低設置成本。

二、適用於氣體或液體之量測。

三、具有高精度、高靈敏度、抗震性強之特性。

四、可以量測出氣體或液體之平均折射率、平均濃度、密度或平均溫度。

五、可以量測出氣體或液體之折射率分布狀態、濃度分布狀態、或溫度分布狀態。

為使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

100:量測裝置

200:量測裝置

10:腔體

10’:腔體

11:入射穿透面

12:出射穿透面

121:彎曲面

20:電磁輻射源

30:波前感測器

40:稜鏡結構

52:直線刻痕

55:環形刻痕

60:第一電磁波

70:第二電磁波

800:待測流體

900:訊號群

φ:發散角

θ:夾角

A:頂角

d:間距

第1圖係為本發明實施例之一種量測裝置之示意圖。

第2圖係為本發明實施例之另一種量測裝置之示意圖。

第3A圖係為本發明實施例之一種量測裝置之腔體的入射穿透面為彎曲面之示意圖。

第3B圖係為本發明實施例之一種量測裝置之腔體的出射穿透面為彎曲面之示意圖。

第3C圖係為本發明實施例之一種量測裝置之腔體的入射穿透面及出射穿透面皆為彎曲面之示意圖。

第4圖係為本發明實施例之另一種量測裝置之腔體的入射穿透面為彎曲面之示意圖。

第5A圖係為本發明實施例之一種量測裝置之腔體的入射穿透面為至少一稜鏡結構之示意圖。

第5B圖係為本發明實施例之一種量測裝置之腔體的出射穿透面為至少一稜鏡結構之示意圖。

第5C圖係為本發明實施例之一種量測裝置之腔體的入射穿透面及出射穿透面皆為至少一稜鏡結構之示意圖。

第6圖係為本發明實施例之另一種量測裝置之腔體的入射穿透面為至少一稜鏡結構之示意圖。

第7A圖係為本發明實施例之一種量測裝置之腔體的入射穿透面之表面具有複數直線刻痕之立體示意圖。

第7B圖係為本發明實施例之一種量測裝置之腔體的出射穿透面之表面具有複數直線刻痕之立體示意圖。

第8A圖係為本發明實施例之一種量測裝置之腔體的入射穿透面之表面具有複數環形刻痕之立體示意圖。

第8B圖係為本發明實施例之一種量測裝置之腔體的出射穿透面之表面具有複數環形刻痕之立體示意圖。

請參考如第1圖所示，為實施例之一種量測裝置100，用以量測一待測流體800，量測裝置100包括有：一腔體10；一電磁輻射源20；以及一波前感測器30。

前述量測裝置100所能量測之待測流體800標的，可以是一種均勻材料之流體(液體或氣體)或是一種非均勻材料之流體。

如第1圖所示，量測裝置100之腔體10，係用以容置待測流體800。腔體10並具有一入射穿透面11及與入射穿透面 11相對之一出射穿透面12。

如第1圖所示，為了可以得到最佳的檢測效果，入射穿透面11與出射穿透面12之夾角θ係可以設置為介於0度至160度之間。

至於待測流體800的導入腔體10或導出腔體10為所屬領域一般習知之技術，不在本發明範圍，可以使用外加的至少一個充填與汲出構件，並不使待測流體800洩漏，或是自然擴散進入即可達成，於此不加贅述。

同樣如第1圖所示，實施例之電磁輻射源20係設置於腔體10外之一側，並與腔體10之入射穿透面11相對應，也就是電磁輻射源20的輻射路徑或光路徑直接照射入射穿透面11。所述電磁輻射源20可以發射出具有至少一輻射波長之第一電磁波60，所發射出的第一電磁波60並穿透入射穿透面11而射入腔體10並受腔體10內之待測流體800調變為一第二電磁波70後穿透過出射穿透面12並射出腔體10。

再如第1圖所示，波前感測器30，係設置於腔體10外之另一側並與出射穿透面12相對應。波前感測器30感測接收第二電磁波70之波前(WAVEFRONT)，並將感測接收的波前轉換及輸出相對應的類比或數位或類比數位混和之訊號群900。

接著請參考如第2圖所示，為實施例之另一態樣之量測裝置200，用以量測一種均勻材料或是一種非均勻材料之待測流體800(液體或氣體)，量測裝置200包括有：一腔體10’；一電磁輻射源20；以及一波前感測器30。

如第2圖所示，量測裝置200之腔體10’，係用以容置待測流體800，其中腔體10’並具有至少一個入射穿透面11。其中待測流體800的導入腔體10’或導出腔體10’為所屬技術領域習知之技術，於此亦不加贅述。

如第2圖所示，量測裝置200之電磁輻射源20係設置於腔體10’外之一側，並與腔體10’之入射穿透面11相對應。電磁輻射源20發射出具有至少一輻射波長之第一電磁波60，穿透入射穿透面11而射入腔體10’，並受腔體10’內之待測流體800調變為一第二電磁波70。

再如第2圖所示，本態樣實施例之量測裝置200的波前感測器30，則係設置於腔體10’之內。波前感測器30感測接收第二電磁波70之波前，並將感測接收的波前轉換及輸出相對應的類比或數位或類比數位混和之訊號群900。

如第1圖及第2圖所示實施例中，量測裝置100或量測裝置200由波前感測器30感測接收受待測流體800折射後之第二電磁波70之波前，並轉換及輸出相對應的訊號群900。訊號群900再由外部的信號處理裝置(SIGNAL PROCESSING DEVICE)進行接收、分析及處理，進而得出腔體10或腔體10’之內的待測流體800之平均折射率、折射率分布狀態、平均濃度、濃度分布狀態、平均密度、密度分布狀態、平均溫度或溫度分布狀態等資訊。

對於波前的檢測，各實施例中的波前感測器30可以使用謝克哈特曼(Shack-Hartmann)量測方式的波前感測器，或是橫向剪切干涉(Lateral Shearing Interferometry)量測方式的波前感測器進行檢測，如此，所使用之波前感測器精密度甚高，甚至可以偵測到極微小的波前之變化量。而至於外部信號處理裝置對訊號群900的分析或處理，較佳的係可以使用每一項皆具有線性獨立特性的澤爾尼克多項式(Zernike Polynomial)分析法來表示波前像差，進而得到精密的折射率分布、濃度分布、密度分布、或溫度分布等狀態資訊。

請再次參考如第1圖及第2圖所示，在較佳實施例中，量測裝置100或量測裝置200的電磁輻射源20可以使用發散角φ為介於0度至160度之間的雷射光源。其優點為在符合精密準確的量測要求下，電磁輻射源20的選擇可以多樣化，進而減低光源獲得困難度並有效降低量測裝置100或量測裝置200的整體設置成本。

接下來請參考如第3A圖至第3C圖所示，量測裝置100的腔體10之入射穿透面11或出射穿透面12可以設置為曲率半徑大於1mm之彎曲面121。如此，可以有效增加第一電磁波60的波前變化並提高第二電磁波70之波前的聚焦收集與波前變化之精密度。而在入射穿透面11與出射穿透面12都設置為彎曲面121時，更可以分別使用曲率半徑不相同的彎曲面121。

而如第4圖所示，同樣為了達到前述之較佳功效，量測裝置200的腔體10’之入射穿透面11亦可以設置為曲率半徑大於1mm之彎曲面121。

再者，如第5A圖至第5C圖所示，量測裝置100的腔體10之入射穿透面11或出射穿透面12亦可以設置為至少一稜鏡結構40，而且此稜鏡結構40之頂角A係可以選擇為介於0度至60度之間。如此，利用稜鏡之發散折射效果同樣可以有效增加第一電磁波60的波前變化量並提高第二電磁波70之波前的聚焦收集與量測波前變化之精密度。

同樣為了達到前述之較佳功效，如第6圖所示，量測裝置200的腔體10’之入射穿透面11亦可以設置為至少一稜鏡結構40，而且此稜鏡結構40之頂角A係亦可以選擇為介於0度至60度之間。

為了達到同樣的較佳量測功效，如第7A、7B圖及第8A、8B圖所示，在不同的實施例中，量測裝置100的腔體10之入射穿透面11或出射穿透面12之表面，可以製作形成複數直線刻痕52或複數環形刻痕55，且為了提高對波前或波前變化量之量測精密度，任二相鄰之直線刻痕52或任二相鄰之環形刻痕55之間距d係可以選擇為介於0.3微米至0.5毫米之間。

如第7A及第8A圖所示，在另一種實施態樣中，量測裝置200之腔體10’的入射穿透面11之表面同樣可以製作形成複數直線刻痕52或是複數環形刻痕55，且任二相鄰之直線刻痕52或任二相鄰之環形刻痕55之間距d亦係介於0.3微米至0.5毫米之間。

也就是說，為了達成最佳的量測功效，量測裝置100的腔體10之入射穿透面11或出射穿透面12，或者是量測裝置200之腔體10’的入射穿透面11，可以選擇為曲率半徑大於1mm之彎曲面121、頂角A介於0度至60度之間的至少一稜鏡結構40、或是在表面製作形成間距d介於0.3微米至0.5毫米之間的直線刻痕52或環形刻痕55。

總而言之，如各實施例所示，本發明之量測裝置100 或量測裝置200係包含有限定特徵與連結關係的腔體10或腔體10’、照射並穿透入射穿透面11的電磁輻射源20、以及設置於腔體10之外或腔體10’之內的波前感測器30，而可以達到構件精簡，減少系統整體重量並大幅降低設置成本；適用於氣體或液體之量測；具有高精度、高靈敏度、抗震性強之特性；以及可以精確量測出氣體或液體之平均折射率、平均濃度、密度、平均溫度、折射率分布狀態、濃度分布狀態、密度分布狀態或溫度分布狀態等特殊功效。其中，為了可以獲得最佳之量測效果，入射穿透面11或出射穿透面12更可以設置為彎曲面121、為至少一稜鏡結構40、或是表面具複數直線刻痕52或複數環形刻痕55。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。