红外线反射光测定装置的制作方法

本发明与红外线设备有关，具体而言是指一种红外线反射光测定装置。

背景技术：

近年来，利用不同个别分子对于不同波长的光谱有着不同吸收反射比率的特征，可以藉此判读光谱并运用计算机分析软件计算被侦测物体的某种化学成分比率。

因此，在农作物、水果、食品等甜度或酸度测定，甚至某种毒性物质的含量是否安全，都有各种利用光谱学开发上市的侦测器产品，这些都是利用红外线光谱的吸收反射原理来取得接近的检验数值。传统水果甜度的检测必须破坏取出果汁、血糖的测定也必须针刺人体以吸取血液，但此些皆为侵入式方式，会对水果造成破坏及对人体造成穿刺的伤害及产生心理畏惧。因此，更进一步的发展也有不少论文着墨在医疗检测科技上，例如：人体血氧浓度、血糖高低等非侵入式的检验方法，虽然其精确度及可靠性未必在临床实验上到达fda认证的标准，但是仍然可在居家理疗上获得舒适安全的长期监控帮助，以避免造成破坏及疼痛。

可见光波长400～750nm，不太容易穿透水果等农作物的表皮，也很难穿透人体的皮肤表层。所以如图1所示，利用光波的非侵入式检测必须使用更长波的近红外线nir(750～1700nm)甚至短波红外线swir(1700～2500nm)，因此理论上波长越长容易穿透到水果的果肉内或真皮层下的血管组识等，是以，大部分上市的非破坏性侦测器都运用此波长来检测各种物质分子的光谱反射。另外，如图2所示，常见不同物质或化学键有不同吸收光谱，可用来判断成分。

以目前采用发光二极管(led)作为红外线光源的非破坏性侦测器而言，其带宽只限定在几个规格内，对于需要等距波段或较宽、较窄的带宽，便难以找到适合的发光二极管。

技术实现要素：

有鉴于此，为改善先前技术中，习知非破坏性侦测器以发光二极管作为红外线的光源而言，其带宽只限定在几个规格内，对于需要等距波段或较宽、较窄的带宽，便难以找到适合的发光二极管等问题；缘此，本发明乃提供一种红外线反射光测定装置，主要包含有：一第一聚光镜，该第一聚光镜的一侧向外延伸可界定为一外侧，该第一聚光镜相背于该外侧的另一侧向外延伸可界定为一内侧；一卤素灯泡，设置于该第一聚光镜的内侧位置处；若干的第二聚光镜，其尺寸小于该第一聚光镜的尺寸，分布在该第一聚光镜的内侧与该卤素灯泡间；一红外线灯聚光镜组，设置于其中之一的第二聚光镜与该卤素灯泡间；若干的第三聚光镜组，设置于其余的第二聚光镜的外侧位置处；若干的分光滤光片，分别位于该各第三聚光镜组的外侧位置处；若干的光电二极管，分别位于该各分光滤光片的外侧位置处，并与该各分光滤光片紧贴；藉以达到可任意选择多波段和带宽的功效。

附图说明

图1为可见光与近红外线光的穿透效果示意图。

图2为不同物质或化学键有不同吸收光谱的示意图。

图3为本发明的配置示意图。

图4－1～图4-5为本发明的局部构件配置示意图。

图5为本发明亮度与波长的曲线图。

图6为不同基材所制的光电二极管对于不同的波段有着不同响应感度的示意图。

图7为个别装置在出厂前先作归零点调校的示意图。

图8为消除个别装置在制造公差引起差异性的示意图。

附图标记说明：100-红外线反射光测定装置；10-第一聚光镜；20-卤素灯泡；30-第二聚光镜；40-红外线聚光镜组；50-第三聚光镜组；60-分光滤光片；70-光电二极管；81-控制器；811-功率放大器；812-模拟数字转换器；813-微控制芯片；82-显示器；83-电源供应器；91-待测物。

具体实施方式

请参阅图3至图8，为本发明一较佳实施例所提供的一种红外线反射光测定装置100，主要包含有一第一聚光镜10、一卤素灯泡20、若干的第二聚光镜30、一红外线灯聚光镜组40、若干的第三聚光镜组50、若干的分光滤光片60、若干的光电二极管70、一控制器81、一显示器82及一电源供应器83，其中：

请参阅图3，该第一聚光镜10，该第一聚光镜10的一侧向外延伸可界定为一外侧，该第一聚光镜10相背于该外侧的另一侧向外延伸可界定为一内侧。

请参阅图3，该卤素灯泡20，设置于该第一聚光镜10的内侧位置处。

请参阅图3，所述第二聚光镜30，其尺寸小于该第一聚光镜10的尺寸，分布在该第一聚光镜10的内侧与该卤素灯泡20间。

请参阅图3，该红外线灯聚光镜组40，设置于其中之一的第二聚光镜30与该卤素灯泡20间。

请参阅图3，所述第三聚光镜组50，设置于其余第二聚光镜30的外侧位置处。

请参阅图3，所述分光滤光片60，分别位于该各第三聚光镜组50的外侧位置处。

请参阅图3，所述光电二极管70，分别位于该各分光滤光片60的外侧位置处，并与该各分光滤光片60紧贴。

请参阅图3，该控制器81，将一功率放大器(amp)811、一模拟数字转换器(adc)812与一微控制芯片(mcu)813整合而成。该控制器81并与所述光电二极管70电性连接。

请参阅图3，该显示器82为液晶显示器，与该控制器81电性连接。

请参阅图3，该电源供应器83为锂电池，与该控制器81、显示器82及该卤素灯泡20电性连接，以供应作动时所需的电力。

是以，上述即为本发明一较佳实施例所提供的一种红外线反射光测定装置100各部构件及其组装方式的介绍，接着再将其使用特点说明如下：

首先，如图3所示，将一待测物91置于该第一聚光镜10的外侧适当位置处，并使该卤素灯泡20发出红外线，其红外线往外侧发射同时并经红外线灯，红外线通过该红外线灯聚光镜组40后，红外线再穿经该第三聚光镜组50、第二聚光镜30及第一聚光镜10后穿出，令所穿出的红外线光进而照射于该待测物91上，使该待测物91被红外线照射后的漫反射光往内侧经由该第一聚光镜10搜集形成一束平行光，再分配至各个第二聚光镜30上，再经由该第四聚光镜50将反射光聚焦在光电二极管70上，便可达到分辨不同波长的反射光特性。

接着，光电二极管70再将由接收光能所激发的微小电流经由该功率发大器811和模拟数字转换器812传输电压值到微控制芯片813进行数值运算，再以预先的仿真程序综合求得的数值结果，例如甜度、酸度或某种化学物质的成分比例，显示在显示器82上，以达到特定功能侦测器的功效。

另外，由于光电二极管70的价格很高，尤其是波段较长的ingaas单位面积的价格更高，因此使用小于3mm的光电二极管70，再配合本发明的第二聚光镜30所需要的数目等于需要的波段+1，而数目相同的第四聚光镜50则用来将反射光聚焦在更小的面积上的光电设计，可尽量提高光能密度，而减少灯泡的瓦特数，达到节能省电的要求。

其次，如图4－1～图4－5所示，本发明中可采以各种不同的波段数目p1；p2；p3…+红外线灯聚光镜组(ir)40投射所需要的几个第二聚光镜30及第三聚光镜50，而该第三聚光镜50(因位置方向差异故本图未示)配置于该第二聚光镜30的相对位置，并在节省空间、重量及成本考虑下，该第一聚光镜10可以设计成圆形、椭圆形或长方形等，例如图4－1的第一聚光镜10为圆形，里面设有1个红外线灯聚光镜组(ir)40，2个第二聚光镜30，其中该第二聚光镜30与第三聚光镜50是呈小圆形的；图4－2的第一聚光镜10为圆形，里面设有1个红外线灯聚光镜组(ir)40，6个第二聚光镜30；图4－3的第一聚光镜10为圆形，里面设有1个红外线灯聚光镜组(ir)40，4个第二聚光镜30；图4－4的第一聚光镜10为椭圆形，里面设有1个红外线灯聚光镜组(ir)40，3个第二聚光镜30；第4－5图的第一聚光镜10为长方形，里面设有1个红外线灯聚光镜组(ir)40，5个第二聚光镜30。另外该第4－1～4－5图所示的各第二聚光镜30。

该第一聚光镜10、第二聚光镜30及第四聚光镜50在接收并集中红外线反射光后，再透过由该分光滤光片60，以过滤出选定的几个波长和带宽，例如900+/－30nm等，再照射在紧贴的光电二极管70上，便可如分光亮度计或光谱仪相同功能的分辨到不同波长的反射光特性。

红外线的光源除了传统的白炽钨丝灯泡以外，还有现代的发光二极管led，各有其优缺点。本发明的设计使用卤素灯泡(亦称石英灯泡)，因为此种灯泡有着非常宽广的近红外线nir光谱，尤其在3000度k的灯丝温度下，光谱的最光高在1000nm附近(如图5所示)，而且其光谱是连续性的，可以自由选定数个最适合的波段，藉由滤光片的选择也可自由订定带宽，这些优点都是发光二极管所欠缺的，发光二极管通常只限定在几个规格内：如740、780、850、940、1030nm，而且带宽大都只有+/－30nm，如果设计上需要等距波段或较宽、较窄的带宽，就很难找到刚好适合的发光二极管。

使用卤素灯泡还有其他的优点，即所有的波段都是由同一集中点的灯丝所发出，而且不管电压、电流有无不稳定的扰动，每个波段都会同步的变强或弯弱，只要抓其中的一个波段作为参考值，就可重整接收到的数据，不至于因为电源变弱或仪器变老旧而得到不够精确的数值，这在使用多颗不同位置的irled时，来自各个不同方向的发光点很难集中在待测物上的一个小区域范围，且随着使用年限各个irled的强度变化也不太同步，因此侦测所得的数据也会越来越不精确，所以使用卤素灯泡有其优异的处。

虽然，使用卤素灯泡的能源效率较差，但藉由本发明所提供的光学设计，红外线光源透过表皮层进入物质里面而漫反射回来的光，必须经由本发明中的第一聚光镜、第二聚光镜及第四聚光镜组而聚焦在光电二极管上。但不同基材(substrate)做成的photodiode(光电二极管)，对于不同的波段有不同的响应感度(sensitivity)，如图6所示，silicon(硅芯片)在300～1100nm，而ingaas(砷化镓铟)则在800～1700nm。

把红外线(ir)反射光搜集聚焦在光电二极管上，再经由光电效应转换成电压数值，这原理的运用不论是在光谱仪(spectrometer)分析连续光谱的特定吸收线(absorptionlines)，或是本发明简化的红外线反射光测定装置。只需挑几个特定波段以及特定的带宽来分析针对的化学成分，其基本运作方法相同。但光谱仪的构造复杂、价格高昂，且分析宽广的连续波长光谱图，必须以庞大的数据库作比对，而无法量产成为随手携带、价格亲民的微小化装置。因此本发明乃利用特殊的光机电结合设计成比现今大部分产品低廉，且性能更稳定实用的手持式侦测装置，或是加强光谱选择波段的桌上型，甚至输送带选别机型的ir设备。但是除了优异的光机电架构外，还必须有效能精确的数值分析模型和精简的运算程序，才可以量产复制到微型ic芯片上。本发明亦阐述此一数学运算模式，因为量产制造时需用很大量的光机电零组件，即使规格批号都相同的零组件，也会有固定范围的公差，如果光电讯的处理要针对个别的装置作调校，那量产时的复杂度高，且耗费软件内建的时间，所以必须把可浮动的变量和固定比率连动的变量作整体考虑，这样就可利用重整相关运算

(normalizedcrosscorrelation)的模拟方式达到均一化的目的。

举一较为简化的例子，如图7所示，在仅使用硅芯片的光电二极管

(si-photodiode)选择三波段800；900；1000+/－20nm，而其光电转换的电压分别是va；vb；vc，每一台装置使用同样的一片强度零反射片(铜铝合金表面喷砂(cu/alroughsurface)，模拟漫反射)也取得三个电压值va0；vb0；vc0，因为制造公差的缘故，每台个别的电压归零值是略有差异不固定的，但是在接收待测物的反射光转换成电压值，因为对某种化学键有一定的吸收反映，所以va/va0；vb/vb0；vc/vc0，这些比值对于不同的装置应该较为一致的，因此用这些比值作为输入程序里的变量才是较为可靠稳当的。

再来，如图8所示，当要测量苹果(apple)的甜度brix％时，为了消除个别装置在制造公差引起的差异性，输入变量值v1＝va/va0；v2＝vb/vb0；v3＝vc/vc0此为normalize重整的程序。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。