光學測量設備/方法

專利名稱：光學測量設備/方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量包含于一個待測物質中的一種特定成份的物理量的光學測量設備，以及一種該設備使用的方法。
使用光干涉測量一種物理量的方法已眾所周知。該物理量包括，諸如物體的位移、物體的表面輪廓、具有雙折射特性的物質的雙折射，以及具有旋光能力的物質的水溶液的濃度。
該方法利用的事實是在外差干涉光的相位和一個測量物體的特定成份的物理量之間存在一種關系。該方法包括將干涉光轉換成一種電信號并通過測量該電信號的相位來確定該特定成份的物理量。總之，確定物理量是通過測量測量光的相位偏離已知參考光的相位的偏移(即參考光和測量光之間的相差)進行的。
一般說來，參考光和測量光之間的相差受待測物理量變化的影響。當物理的變化變大時，相位差也變大。然而相差一般非常小。因而要求精度極高的相差測量儀以高分辨率和高精度測量該物理量的變化。
相差測量儀的分辨率的極限在電學上一般為0.1度至0.01度。低于上述限度的相差就不能被測量了。因而用傳統方法不可能測量該物理量的微小變化。
本發明的光學測量設備用于通過利用穿過待測物質的測量光及利用預定參考光而測量含于待測物質中的特定成份的物理量，該設備包括一個第一干涉裝置，用于通過干涉該測量光獲取一個第一光干涉信號；一個第二干涉裝置，用于通過干涉該參考光獲取一個第二光干涉信號；一個第一光電轉換部分，用于將第一光干涉信號轉換為第一電信號；一個第二光電轉換部分，用于將第二光干涉信號轉換為第二電信號；一個第一相位擴展部分，用于擴展該第一電信號的相位；一個第二相位擴展部分，用于擴展該第二電信號的相位；一個相差測量部分，用于測量被第一相位擴展部分擴展的相位和被第二相位擴展部分擴展的相位之間的相差；一個物理量確定部分，用于根據該相差測量部分測得的相差確定含于待測物質中的特定成份的物理量。
在本發明的一個實施例中，該參考光穿過參考物質。
在本發明的另一個實施例中，該第一相位擴展部分包括至少一個用于倍增該第一電信號的第一倍增電路，而該第二相位擴展部分包括至少一個用于倍增該第二電信號的第二倍增電路。
仍在本發明的另一個實施例中，該第一倍增電路包括一個用于擴展該第一電信號的頻率和相位的第一倍增器，一個用于放大該第一倍增器的輸出的第一放大器，及一個用于從該第一放大器的輸出中抽取具有預定頻率的信號以除去噪聲的第一波形處理器，而第二倍增電路包括一個用于擴展該第二電信號的頻率和相位的第二倍增器，一個用于放大該第二倍增器的輸出的第二放大器，及一個用于從該第二放大器的輸出中抽取具有預定頻率的信號以除去噪聲的第二波形處理器。
根據本發明的另一個方面，提供了一種通過利用穿過待測物質的測量光及利用預定參考光而測量含于待測物質中的特定成份的物理量的光學測量方法。該方法包括下列步驟a)通過干涉該測量光獲取一個第一光干涉信號；b)通過干涉該參考光獲取一個第二光干涉信號；c)將該第一光干涉信號轉換為第一電信號；d)將該第二光干涉信號轉換為第二電信號；e)擴展該第一電信號的相位；f)擴展該第二電信號的相位；g)測量在步驟e)擴展后的相位和在步驟f)擴展后的相位之間的相差；以及h)根據在步驟g)測得的相差確定含于待測物質中的特定成份的物理量。
在本發明的一個實施例中，該參考光穿過參考物質。
在本發明的另一個實施例中，步驟e)包括步驟i)至少將第一電信號倍增一次，而步驟f)包括步驟j)至少將第二電信號倍增一次。
仍在本發明的另一個實施例中，步驟i)包括下列步驟通過使用第一倍增器擴展第一電信號的頻率和相位；通過使用第一放大器放大第一倍增器的輸出；及從第一放大器的輸出中抽取具有預定頻率的信號以去除噪聲，而步驟j)包括下列步驟通過使用第二倍增器擴展第二電信號的頻率和相位；通過使用第二放大器放大第二倍增器的輸出；及從第二放大器的輸出中抽取具有預定頻率的信號以除去噪聲。
因而，此述本發明使下列優點成為可能(1)提供一種能夠測量物理量中的微小變化的具有改進的測量精度的光學測量設備，及(2)提供一種該設備使用的光學測量方法。
通過參考附圖閱讀和理解下面的詳細描述，本發明的這些和其它優點對于本專業的技術人員將變得顯而易見。


圖1說明根據本發明的一個光學測量設備的結構。
圖2說明了本設備的測量光的和參考光的相位擴展部分的結構。
圖3說明了本設備的相位擴展部分的測量光的和參考光的倍增電路的結構。
圖4說明了輸入至測量光和參考光的倍增電路的信號的波形。
圖5說明了從測量光和參考光的倍增電路輸出的信號的波形。
圖6說明了兩種相差間的關系，一種相差是輸入至相位擴展部分的信號之間的相差，另一種相差是從相位擴展部分輸出的輸出信號之間的相差。
本發明將通過參考附圖的實例加以描述。
圖1說明了根據本發明的一個光學測量設備100的結構。該光學測量設備100包括光源1和2，分光器3，平面鏡4，樣品室6m和6r，起偏振片7m和7r，光電二極管8m和8r，放大器9m和9r，混頻器10m和10r，電信號振蕩器11，相位擴展部分12m和12r，相差測量儀13，以及物理量確定部分14。
光源1和2發射出光束。光源1發出的光束和光源2發出的光束具有互不相同的頻率，并在相差90°的方向上被偏振。例如，光源1發出的光束頻率為f0，在水平方向被偏振，而光源2發出的光束頻率為f0+Δf，在垂直方向被偏振。從光源1和從光源2發出的光束入射到分光器3。
該分光器3將從光源1和從光源2來的光束分成測量光和參考光。得到的測量光和參考光分別包括一個頻率為f0的水平線偏振光分量和一個頻率為f0+Δf的垂直線偏振光分量。這些線偏振光分量是相干分量。
樣品室6m、起偏振片7m和光電二極管8m設置在從分光器3輸出的測量光的光路上。測量光穿過存有待測物質的樣品室6m。然后，測量光穿過極化片7m，在此水平線偏振光分量和垂直線偏振光分量相互疊加以相互干涉。結果，就獲得了作為起偏振片7m的輸出的具有頻率Δf和相位m的光干涉信號Im。相位m是由水平線偏振光分量和垂直線偏振光分量之間的相差以及由待測物質的性質引起的相差來決定的。
光干涉信號Im由下式表示Im＝Am·Sin[ωt+m]……(1)其中Am表示該光干涉信號Im的振幅，ω表示干涉拍頻，而m表示光干涉信號Im的相位。若待測物質具有旋光能力，則在測量光的光路上另外放置1/4波片5A和5B，如圖1所示。
一般地，當線偏振光分量穿過諸如1/4波片5A或5B的雙折射片時，光束的偏振狀態會發生改變。如果將1/4波片放置成其軸相對于平面偏振光分量的振動平面成45°角，則平面偏振光分量就被1/4波片轉變成了圓偏振光。反之，圓偏振光分量則被1/4波片轉變成了線偏振光。
通過穿過1/4波片5A，從分光器3輸出的測量光所包含的水平線偏振光分量和垂直線偏振光分量被分別轉變成了順時針圓偏振光分量和逆時針圓偏振光分量。然后，測量光穿過樣品室6m。當待測物質具有旋光能力時，該順時針圓偏振光分量和該逆時針圓偏振光分量的相位互換。然后該順時針圓偏振光分量和該逆時針圓偏振光分量穿過1/4波片5B，從而分別被變回到水平線偏振光分量和垂直線偏振光分量。然后，該測量光穿過起偏振片7m。
從分光器3輸出的參考光被平面鏡4反射，方向改變了90°。樣品室6r、起偏振片7r和光電二極管8r被放置在由平面鏡4反射的參考光的光路上。
從分光器3輸出的參考光穿過沒有存放待測物質的樣品室6r。然后，參考光學穿過起偏振片7r，在此水平線偏振光分量和垂直線偏振光分量相互疊加以相互干涉。結果就獲得了作為起偏振片7r的輸出的具有頻率Δf和相位r的光干涉信號Ir。相位r是由水平線偏振光分量和垂直線偏振光分量之間的相差來決定的。
光干涉信號Ir由下式表示
Ir＝Ar·Sin[ωt+r]……(2)其中Ar表示該光干涉信號Ir的振幅，ω表示干涉拍頻，而r表示光干涉信號Ir的相位。
光電二極管8m將光干涉信號Im轉換成電信號Vm，而光電二極管8r將光干涉信號Ir轉換成電信號Vr。
該光信號Vm和Vr分別由下列表達式(3)和(4)表示Vm＝Bm·Sin[ωt+m]……(3)Vr＝Br·Sin[ωt+r]……(4)其中Bm和Br分別表示電信號Vm和Vr的振幅。
因而，電信號Vm和Vr之間的相差Δ由下面表達式(5)表示Δ＝m-r ……(5)電信號Vm被放大器9m放大，然后經混頻器10m與由電信號振蕩器11輸出的一個振蕩電信號混頻，以獲取可由相差測量儀13測量的頻率范圍。混頻器10m的輸出被提供到相位擴展部分12m。類似地，電信號Vr經放大器9r和混頻器10r被提供給相位擴展部分12r。
圖2說明了相位擴展部分12m和12r的結構。相位擴展部分12m包括N個串聯的倍增電路120m-1至120m-N。相位擴展部分12r包括N個串聯的倍增電路120r-1至120r-N。
圖3說明了倍增電路120m-1和120r-1的結構。該倍增電路120m-1包括一個倍增器121m-1、一個放大器122m-1和一個波形處理器123m-1。該倍增電路120r-1包括一個倍增器121r-1、一個放大器122r-1和一個波形處理器123r-1。
倍增器121m-1將混頻器10m輸出的電信號與自身相乘以擴展該電信號Vm的頻率和相位。結果，獲得電信號V’m1。
該電信號V’m1由下式(6)表示V’m1＝Vm*Vm＝Bm·Sin〔ωt+m〕*Bm·Sin〔ωt+m〕＝Bm2/2〔1-Cos(2ωt+2m)〕＝Dm〔1-Cos(2ωt+ψm)〕……(6)其中Dm表示電信號V’m1的振幅，而ψm表示電信號V’m1的相位。
類似地，倍增器121r-1將混頻器10r輸出的電信號與它自身相乘以擴展該電信號Vr的頻率和相位。結果，獲得電信號V’r1。
該電信號V’r1由下式(7)表示V’r1＝Vr *Vr＝Br·Sin〔ωt+r〕*Br·Sin〔ωt+r〕＝Br2/2〔1-Cos(2ωt+2r)〕＝Dr〔1-Cos(2ωt+ψr)〕……(7)其中Dr表示電信號V’r1的振幅，而ψ表示電信號V’r1的相位。
因而，電信號V’m1和V’r1之間的相差Δψ由下式(8)表示Δψ＝ψm-ψr＝2Δ……(8)放大器122m-1將倍增器121m-1輸出的電信號放大，以便經倍增器121m-1處理的頻率擴展造成的信號衰減的振幅被補償以恢復原始振幅。
波形處理器123m-1從電信號中抽取所需頻率以除去噪聲并且輸出電信號V”m1。
該電信號V”m1由下式(9)表示
V”m1＝Dm1·Cos(2ωt+2m)……(9)從表達式(3)和(9)發現，電信號V”m1的相位被擴展至電信號Vm的相位的2倍。
電信號V”m1從倍增電路120m-1輸出。倍增電路120m-2至120m-N的結構與倍增電路120m-1的結構相同。由倍增電路120m-N輸出的電信號V”mn因而由下式(10)表示V”mN＝DmN·Cos(2Nωt+2Nm)……(10)從表達式(3)和(10)發現，電信號V”mN的相位被擴展至電信號Vm的相位的2N倍。
類似地，倍增電路120r-N輸出的電信號V”rN由下式(11)表示V”rN＝DrN·Cos(2Nωt+2Nr)……(11)從表達式(4)和(11)發現，電信號V”rN的相位被擴展至電信號Vr的相位的2N倍。
因而，從相位擴展部分12m輸出的電信號V”mN和從相位擴展部分12r輸出的電信號V”rN之間的相差ΔψN由下式(12)表示ΔψN＝2Nm-2Nr＝2NΔ ……(12)相差ΔψN由相差測量儀13測量。相差ΔψN和含于待測物質中的特定成份的物理量具有一種預定的關系。例如，該特定成份的物理量被定義成相差ΔψN的一個函數F。該函數F是已知的。
物理量確定部分14根據相差ΔψN確定物理量。該物理量包括，諸如物體的位移、物體的表面輪廓、具有雙折射特性的物質的雙折射，以及具有旋光能力的物質的水溶液的濃度。
因而，通過在相位擴展部分12m和12r重復N次倍增，就獲得了具有將與物理量直接相關的相差Δ經2N倍擴展的相差的(ΔψN＝2NΔ)電信號。這樣通過利用具有傳統精度的相差測量儀得以較高的精度測量物質的特定物理量。
使用從雙信道光外差干涉獲得的具有1MHZ的減小了的頻率的交流電信號來測試圖3所示的經倍增電路120m-1作相位擴展的效果。
圖4顯示了與測量光對應的電信號Vm和與參考光對應的電信號Vr的波形，該兩個電信號都是在經倍增電路120m-1和120r-1作相位擴展前獲得的。這些波形能用一個示波器觀察到。
圖5顯示了與測量光對應的電信號V”m1和與參考光對應的電信號V”r1的波形，該兩個電信號都是在經倍增電路120m-1和120r-1作相位擴展后獲得的。這些波形能用一個示波器觀察到。
從圖4和圖5看出，電信號的頻率通過用倍增電路120m-1和120r-1處理而加倍。
而且圖4中與測量光對應的電信號Vm和與參考光對應的電信號Vr之間的相差是90°，而圖5中與測量光對應的電信號V”m1和與參考光對應的電信號V”r1之間的相差是180°。
圖6顯示了輸入至相位擴展部分12m和12r的信號之間的相差以及從相位擴展部分12m和12r輸出的信號之間的相差之間的關系。從圖6發現，該相差由相位擴展部分12m和12r擴展了。
順便提及的是，樣品室6r可以存放參考物質以允許參考光穿過參考物質。該參考物質例如可以是空氣。另外，樣品室6r內部可以是真空。
混頻器可被用作倍增器。諸如帶通濾波器和高通濾波器的濾波器可被用作波形處理器。
在倍增電路中，可用混頻器來減小電信號的頻率，在此之前該頻率由倍增器增加了。這有利于相差的測量。
這樣，根據本發明的光學測量設備和方法，與測量光對應的第一電信號的相位和與參考光對應的第二電信號的相位就被擴展了。這樣就擴展了第一電信號和第二電信號之間的相差。通過擴展相差，改善了相差的測量精度。由于相差和物理量是一種預定的關系，也就改善了物理量的測量精度。
在不背離本發明范圍和精神的前提下，本專業的技術人員能很容易地做出各種其它修改，各種其它的修改對他們也將是顯而易風見的。因而，在此所附權利要求的范圍并非旨在限制于以上所立之闡述，而是可對該權利要求作廣泛地解釋。
權利要求
1.一種用于通過使用穿過待測物質的測量光和使用預定的參考光來測量含于待測物質中的特定成份的物理量的光學測量設備，該光學測量設備包括一個第一干涉裝置，用于通過干涉測量光而獲得第一光干涉信號；一個第二干涉裝置，用于通過干涉參考光而獲得第二光干涉信號；一個第一光電轉換部分，用于將第一光干涉信號轉換為第一電信號；一個第二光電轉換部分，用于將第二光干涉信號轉換為第二電信號；一個第一相位擴展部分，用于第一電信號的相位；一個第二相位擴展部分，用于擴展第二電信號的相位；一個相差測量部分，用于測量經第一相位擴展部分擴展的相位和經第二相位擴展部分擴展的相位之間的相差；及一個物理量確定部分，用于根據由相差測量部分測得的相差來確定含于待測物質中的特定成份的物理量。
2.一種根據權利要求1的光學測量裝置，其中該參考光穿過一種參考物質。
3.一種根據權利要求1的光學測量裝置，其中該第一相位擴展部分包括至少一個用于倍增第一電信號的第一倍增電路，及第二相位擴展部分包括至少一個用于倍增第二電信號的第二倍增電路。
4.一種根據權利要求3的光學測量設備，其中該第一倍增電路包括一個用擴展第一電信號的頻率和相位的第一倍增器，一個用于放大第一倍增器的輸出的第一放大器，及一個用于從第一放大器的輸出中抽取具有預定頻率的信號以去除噪音的第一波形處理器，及該第二倍增電路包括一個用于擴展第二電信號的頻率和相位的第二倍增器，一個用于放大第二倍增器的輸出的第二放大器，及一個用于從第二放大器的輸出中抽取具有預定頻率的信號以去除噪音的第二波形處理器。
5.一種光學測量方法，用于通過使用穿過待測物質的測量光和使用預定的參考光來測量含于待測物質中的特定成份的物理量，該方法包括以下步驟a)通過干涉該測量光獲得一個第一光干涉信號；b)通過干涉該參考光獲得一個第二光干涉信號；c)將第一光干涉信號轉換成第一電信號；d)將第二光干涉信號轉換成第二電信號；e)擴展第一電信號的相位；f)擴展第二電信號的相位；g)測量在步驟e)擴展的相位和在步驟f)擴展的相位之間的相差；及h)根據在步驟g)測得的相差確定含于待測物質中的特定成份的物理量。
6.一種根據權利要求5的光學測量方法，其中該參考光穿過一種參考物質。
7.一種根據權利要求5的光學測量方法，其中步驟e)包括步驟i)倍增該第一電信號至少一次，及步驟f)包括步驟j)倍增該第二電信號至少一次
8.一種如權利要求7的光學測量方法，其中步驟i)包括步驟通過使用第一倍增器擴展第一電信號的頻率和相位；通過使用第一放大器放大第一倍增器的輸出；及從第一放大器的輸出中抽取一個具有預定頻率的信號以去除噪聲，及步驟j)包括步驟通過使用第二倍增器擴展第二電信號的頻率的相位；通過使用第二放大器約大第二倍增器的輸出；及從第二放大器的輸出中抽取一個具有預定頻率的信號以去除噪聲。
全文摘要
本發明的光學測量設備和方法用于通過利用穿過持測物質的測量光和利用預定的參考光來測量含于待測物質中的特定成分的物理量，包括獲取第一、第二光干涉信號的第一、第二干涉裝置；將第一、第二光干涉信號轉換為第一、第二電信號的第一、第二光電轉換部分；擴展第一、第二電信號的相位的第一、第二相位擴展部分；用于測量經第一、第二相位擴展部分擴展后的相位的相差的相差測量部分；及根據相差測量部分測得的相差來確定物理量的物理量確定部分。
文檔編號G01N21/21GK1154472SQ9612051
公開日1997年7月16日 申請日期1996年10月31日 優先權日1995年10月31日
發明者徐可欣, 仲道男, 鈴木范人 申請人:京都第一科學株式會社