光学测量设备/方法

专利名称：光学测量设备/方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量包含于一个待测物质中的一种特定成份的物理量的光学测量设备，以及一种该设备使用的方法。
使用光干涉测量一种物理量的方法已众所周知。该物理量包括，诸如物体的位移、物体的表面轮廓、具有双折射特性的物质的双折射，以及具有旋光能力的物质的水溶液的浓度。
该方法利用的事实是在外差干涉光的相位和一个测量物体的特定成份的物理量之间存在一种关系。该方法包括将干涉光转换成一种电信号并通过测量该电信号的相位来确定该特定成份的物理量。总之，确定物理量是通过测量测量光的相位偏离已知参考光的相位的偏移(即参考光和测量光之间的相差)进行的。
一般说来，参考光和测量光之间的相差受待测物理量变化的影响。当物理的变化变大时，相位差也变大。然而相差一般非常小。因而要求精度极高的相差测量仪以高分辨率和高精度测量该物理量的变化。
相差测量仪的分辨率的极限在电学上一般为0.1度至0.01度。低于上述限度的相差就不能被测量了。因而用传统方法不可能测量该物理量的微小变化。
本发明的光学测量设备用于通过利用穿过待测物质的测量光及利用预定参考光而测量含于待测物质中的特定成份的物理量，该设备包括一个第一干涉装置，用于通过干涉该测量光获取一个第一光干涉信号；一个第二干涉装置，用于通过干涉该参考光获取一个第二光干涉信号；一个第一光电转换部分，用于将第一光干涉信号转换为第一电信号；一个第二光电转换部分，用于将第二光干涉信号转换为第二电信号；一个第一相位扩展部分，用于扩展该第一电信号的相位；一个第二相位扩展部分，用于扩展该第二电信号的相位；一个相差测量部分，用于测量被第一相位扩展部分扩展的相位和被第二相位扩展部分扩展的相位之间的相差；一个物理量确定部分，用于根据该相差测量部分测得的相差确定含于待测物质中的特定成份的物理量。
在本发明的一个实施例中，该参考光穿过参考物质。
在本发明的另一个实施例中，该第一相位扩展部分包括至少一个用于倍增该第一电信号的第一倍增电路，而该第二相位扩展部分包括至少一个用于倍增该第二电信号的第二倍增电路。
仍在本发明的另一个实施例中，该第一倍增电路包括一个用于扩展该第一电信号的频率和相位的第一倍增器，一个用于放大该第一倍增器的输出的第一放大器，及一个用于从该第一放大器的输出中抽取具有预定频率的信号以除去噪声的第一波形处理器，而第二倍增电路包括一个用于扩展该第二电信号的频率和相位的第二倍增器，一个用于放大该第二倍增器的输出的第二放大器，及一个用于从该第二放大器的输出中抽取具有预定频率的信号以除去噪声的第二波形处理器。
根据本发明的另一个方面，提供了一种通过利用穿过待测物质的测量光及利用预定参考光而测量含于待测物质中的特定成份的物理量的光学测量方法。该方法包括下列步骤a)通过干涉该测量光获取一个第一光干涉信号；b)通过干涉该参考光获取一个第二光干涉信号；c)将该第一光干涉信号转换为第一电信号；d)将该第二光干涉信号转换为第二电信号；e)扩展该第一电信号的相位；f)扩展该第二电信号的相位；g)测量在步骤e)扩展后的相位和在步骤f)扩展后的相位之间的相差；以及h)根据在步骤g)测得的相差确定含于待测物质中的特定成份的物理量。
在本发明的一个实施例中，该参考光穿过参考物质。
在本发明的另一个实施例中，步骤e)包括步骤i)至少将第一电信号倍增一次，而步骤f)包括步骤j)至少将第二电信号倍增一次。
仍在本发明的另一个实施例中，步骤i)包括下列步骤通过使用第一倍增器扩展第一电信号的频率和相位；通过使用第一放大器放大第一倍增器的输出；及从第一放大器的输出中抽取具有预定频率的信号以去除噪声，而步骤j)包括下列步骤通过使用第二倍增器扩展第二电信号的频率和相位；通过使用第二放大器放大第二倍增器的输出；及从第二放大器的输出中抽取具有预定频率的信号以除去噪声。
因而，此述本发明使下列优点成为可能(1)提供一种能够测量物理量中的微小变化的具有改进的测量精度的光学测量设备，及(2)提供一种该设备使用的光学测量方法。
通过参考附图阅读和理解下面的详细描述，本发明的这些和其它优点对于本专业的技术人员将变得显而易见。


图1说明根据本发明的一个光学测量设备的结构。
图2说明了本设备的测量光的和参考光的相位扩展部分的结构。
图3说明了本设备的相位扩展部分的测量光的和参考光的倍增电路的结构。
图4说明了输入至测量光和参考光的倍增电路的信号的波形。
图5说明了从测量光和参考光的倍增电路输出的信号的波形。
图6说明了两种相差间的关系，一种相差是输入至相位扩展部分的信号之间的相差，另一种相差是从相位扩展部分输出的输出信号之间的相差。
本发明将通过参考附图的实例加以描述。
图1说明了根据本发明的一个光学测量设备100的结构。该光学测量设备100包括光源1和2，分光器3，平面镜4，样品室6m和6r，起偏振片7m和7r，光电二极管8m和8r，放大器9m和9r，混频器10m和10r，电信号振荡器11，相位扩展部分12m和12r，相差测量仪13，以及物理量确定部分14。
光源1和2发射出光束。光源1发出的光束和光源2发出的光束具有互不相同的频率，并在相差90°的方向上被偏振。例如，光源1发出的光束频率为f0，在水平方向被偏振，而光源2发出的光束频率为f0+Δf，在垂直方向被偏振。从光源1和从光源2发出的光束入射到分光器3。
该分光器3将从光源1和从光源2来的光束分成测量光和参考光。得到的测量光和参考光分别包括一个频率为f0的水平线偏振光分量和一个频率为f0+Δf的垂直线偏振光分量。这些线偏振光分量是相干分量。
样品室6m、起偏振片7m和光电二极管8m设置在从分光器3输出的测量光的光路上。测量光穿过存有待测物质的样品室6m。然后，测量光穿过极化片7m，在此水平线偏振光分量和垂直线偏振光分量相互叠加以相互干涉。结果，就获得了作为起偏振片7m的输出的具有频率Δf和相位m的光干涉信号Im。相位m是由水平线偏振光分量和垂直线偏振光分量之间的相差以及由待测物质的性质引起的相差来决定的。
光干涉信号Im由下式表示Im＝Am·Sin[ωt+m]……(1)其中Am表示该光干涉信号Im的振幅，ω表示干涉拍频，而m表示光干涉信号Im的相位。若待测物质具有旋光能力，则在测量光的光路上另外放置1/4波片5A和5B，如图1所示。
一般地，当线偏振光分量穿过诸如1/4波片5A或5B的双折射片时，光束的偏振状态会发生改变。如果将1/4波片放置成其轴相对于平面偏振光分量的振动平面成45°角，则平面偏振光分量就被1/4波片转变成了圆偏振光。反之，圆偏振光分量则被1/4波片转变成了线偏振光。
通过穿过1/4波片5A，从分光器3输出的测量光所包含的水平线偏振光分量和垂直线偏振光分量被分别转变成了顺时针圆偏振光分量和逆时针圆偏振光分量。然后，测量光穿过样品室6m。当待测物质具有旋光能力时，该顺时针圆偏振光分量和该逆时针圆偏振光分量的相位互换。然后该顺时针圆偏振光分量和该逆时针圆偏振光分量穿过1/4波片5B，从而分别被变回到水平线偏振光分量和垂直线偏振光分量。然后，该测量光穿过起偏振片7m。
从分光器3输出的参考光被平面镜4反射，方向改变了90°。样品室6r、起偏振片7r和光电二极管8r被放置在由平面镜4反射的参考光的光路上。
从分光器3输出的参考光穿过没有存放待测物质的样品室6r。然后，参考光学穿过起偏振片7r，在此水平线偏振光分量和垂直线偏振光分量相互叠加以相互干涉。结果就获得了作为起偏振片7r的输出的具有频率Δf和相位r的光干涉信号Ir。相位r是由水平线偏振光分量和垂直线偏振光分量之间的相差来决定的。
光干涉信号Ir由下式表示
Ir＝Ar·Sin[ωt+r]……(2)其中Ar表示该光干涉信号Ir的振幅，ω表示干涉拍频，而r表示光干涉信号Ir的相位。
光电二极管8m将光干涉信号Im转换成电信号Vm，而光电二极管8r将光干涉信号Ir转换成电信号Vr。
该光信号Vm和Vr分别由下列表达式(3)和(4)表示Vm＝Bm·Sin[ωt+m]……(3)Vr＝Br·Sin[ωt+r]……(4)其中Bm和Br分别表示电信号Vm和Vr的振幅。
因而，电信号Vm和Vr之间的相差Δ由下面表达式(5)表示Δ＝m-r ……(5)电信号Vm被放大器9m放大，然后经混频器10m与由电信号振荡器11输出的一个振荡电信号混频，以获取可由相差测量仪13测量的频率范围。混频器10m的输出被提供到相位扩展部分12m。类似地，电信号Vr经放大器9r和混频器10r被提供给相位扩展部分12r。
图2说明了相位扩展部分12m和12r的结构。相位扩展部分12m包括N个串联的倍增电路120m-1至120m-N。相位扩展部分12r包括N个串联的倍增电路120r-1至120r-N。
图3说明了倍增电路120m-1和120r-1的结构。该倍增电路120m-1包括一个倍增器121m-1、一个放大器122m-1和一个波形处理器123m-1。该倍增电路120r-1包括一个倍增器121r-1、一个放大器122r-1和一个波形处理器123r-1。
倍增器121m-1将混频器10m输出的电信号与自身相乘以扩展该电信号Vm的频率和相位。结果，获得电信号V’m1。
该电信号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表示电信号V’m1的振幅，而ψm表示电信号V’m1的相位。
类似地，倍增器121r-1将混频器10r输出的电信号与它自身相乘以扩展该电信号Vr的频率和相位。结果，获得电信号V’r1。
该电信号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表示电信号V’r1的振幅，而ψ表示电信号V’r1的相位。
因而，电信号V’m1和V’r1之间的相差Δψ由下式(8)表示Δψ＝ψm-ψr＝2Δ……(8)放大器122m-1将倍增器121m-1输出的电信号放大，以便经倍增器121m-1处理的频率扩展造成的信号衰减的振幅被补偿以恢复原始振幅。
波形处理器123m-1从电信号中抽取所需频率以除去噪声并且输出电信号V”m1。
该电信号V”m1由下式(9)表示
V”m1＝Dm1·Cos(2ωt+2m)……(9)从表达式(3)和(9)发现，电信号V”m1的相位被扩展至电信号Vm的相位的2倍。
电信号V”m1从倍增电路120m-1输出。倍增电路120m-2至120m-N的结构与倍增电路120m-1的结构相同。由倍增电路120m-N输出的电信号V”mn因而由下式(10)表示V”mN＝DmN·Cos(2Nωt+2Nm)……(10)从表达式(3)和(10)发现，电信号V”mN的相位被扩展至电信号Vm的相位的2N倍。
类似地，倍增电路120r-N输出的电信号V”rN由下式(11)表示V”rN＝DrN·Cos(2Nωt+2Nr)……(11)从表达式(4)和(11)发现，电信号V”rN的相位被扩展至电信号Vr的相位的2N倍。
因而，从相位扩展部分12m输出的电信号V”mN和从相位扩展部分12r输出的电信号V”rN之间的相差ΔψN由下式(12)表示ΔψN＝2Nm-2Nr＝2NΔ ……(12)相差ΔψN由相差测量仪13测量。相差ΔψN和含于待测物质中的特定成份的物理量具有一种预定的关系。例如，该特定成份的物理量被定义成相差ΔψN的一个函数F。该函数F是已知的。
物理量确定部分14根据相差ΔψN确定物理量。该物理量包括，诸如物体的位移、物体的表面轮廓、具有双折射特性的物质的双折射，以及具有旋光能力的物质的水溶液的浓度。
因而，通过在相位扩展部分12m和12r重复N次倍增，就获得了具有将与物理量直接相关的相差Δ经2N倍扩展的相差的(ΔψN＝2NΔ)电信号。这样通过利用具有传统精度的相差测量仪得以较高的精度测量物质的特定物理量。
使用从双信道光外差干涉获得的具有1MHZ的减小了的频率的交流电信号来测试图3所示的经倍增电路120m-1作相位扩展的效果。
图4显示了与测量光对应的电信号Vm和与参考光对应的电信号Vr的波形，该两个电信号都是在经倍增电路120m-1和120r-1作相位扩展前获得的。这些波形能用一个示波器观察到。
图5显示了与测量光对应的电信号V”m1和与参考光对应的电信号V”r1的波形，该两个电信号都是在经倍增电路120m-1和120r-1作相位扩展后获得的。这些波形能用一个示波器观察到。
从图4和图5看出，电信号的频率通过用倍增电路120m-1和120r-1处理而加倍。
而且图4中与测量光对应的电信号Vm和与参考光对应的电信号Vr之间的相差是90°，而图5中与测量光对应的电信号V”m1和与参考光对应的电信号V”r1之间的相差是180°。
图6显示了输入至相位扩展部分12m和12r的信号之间的相差以及从相位扩展部分12m和12r输出的信号之间的相差之间的关系。从图6发现，该相差由相位扩展部分12m和12r扩展了。
顺便提及的是，样品室6r可以存放参考物质以允许参考光穿过参考物质。该参考物质例如可以是空气。另外，样品室6r内部可以是真空。
混频器可被用作倍增器。诸如带通滤波器和高通滤波器的滤波器可被用作波形处理器。
在倍增电路中，可用混频器来减小电信号的频率，在此之前该频率由倍增器增加了。这有利于相差的测量。
这样，根据本发明的光学测量设备和方法，与测量光对应的第一电信号的相位和与参考光对应的第二电信号的相位就被扩展了。这样就扩展了第一电信号和第二电信号之间的相差。通过扩展相差，改善了相差的测量精度。由于相差和物理量是一种预定的关系，也就改善了物理量的测量精度。
在不背离本发明范围和精神的前提下，本专业的技术人员能很容易地做出各种其它修改，各种其它的修改对他们也将是显而易风见的。因而，在此所附权利要求的范围并非旨在限制于以上所立之阐述，而是可对该权利要求作广泛地解释。
权利要求
1.一种用于通过使用穿过待测物质的测量光和使用预定的参考光来测量含于待测物质中的特定成份的物理量的光学测量设备，该光学测量设备包括一个第一干涉装置，用于通过干涉测量光而获得第一光干涉信号；一个第二干涉装置，用于通过干涉参考光而获得第二光干涉信号；一个第一光电转换部分，用于将第一光干涉信号转换为第一电信号；一个第二光电转换部分，用于将第二光干涉信号转换为第二电信号；一个第一相位扩展部分，用于第一电信号的相位；一个第二相位扩展部分，用于扩展第二电信号的相位；一个相差测量部分，用于测量经第一相位扩展部分扩展的相位和经第二相位扩展部分扩展的相位之间的相差；及一个物理量确定部分，用于根据由相差测量部分测得的相差来确定含于待测物质中的特定成份的物理量。
2.一种根据权利要求1的光学测量装置，其中该参考光穿过一种参考物质。
3.一种根据权利要求1的光学测量装置，其中该第一相位扩展部分包括至少一个用于倍增第一电信号的第一倍增电路，及第二相位扩展部分包括至少一个用于倍增第二电信号的第二倍增电路。
4.一种根据权利要求3的光学测量设备，其中该第一倍增电路包括一个用扩展第一电信号的频率和相位的第一倍增器，一个用于放大第一倍增器的输出的第一放大器，及一个用于从第一放大器的输出中抽取具有预定频率的信号以去除噪音的第一波形处理器，及该第二倍增电路包括一个用于扩展第二电信号的频率和相位的第二倍增器，一个用于放大第二倍增器的输出的第二放大器，及一个用于从第二放大器的输出中抽取具有预定频率的信号以去除噪音的第二波形处理器。
5.一种光学测量方法，用于通过使用穿过待测物质的测量光和使用预定的参考光来测量含于待测物质中的特定成份的物理量，该方法包括以下步骤a)通过干涉该测量光获得一个第一光干涉信号；b)通过干涉该参考光获得一个第二光干涉信号；c)将第一光干涉信号转换成第一电信号；d)将第二光干涉信号转换成第二电信号；e)扩展第一电信号的相位；f)扩展第二电信号的相位；g)测量在步骤e)扩展的相位和在步骤f)扩展的相位之间的相差；及h)根据在步骤g)测得的相差确定含于待测物质中的特定成份的物理量。
6.一种根据权利要求5的光学测量方法，其中该参考光穿过一种参考物质。
7.一种根据权利要求5的光学测量方法，其中步骤e)包括步骤i)倍增该第一电信号至少一次，及步骤f)包括步骤j)倍增该第二电信号至少一次
8.一种如权利要求7的光学测量方法，其中步骤i)包括步骤通过使用第一倍增器扩展第一电信号的频率和相位；通过使用第一放大器放大第一倍增器的输出；及从第一放大器的输出中抽取一个具有预定频率的信号以去除噪声，及步骤j)包括步骤通过使用第二倍增器扩展第二电信号的频率的相位；通过使用第二放大器约大第二倍增器的输出；及从第二放大器的输出中抽取一个具有预定频率的信号以去除噪声。
全文摘要
本发明的光学测量设备和方法用于通过利用穿过持测物质的测量光和利用预定的参考光来测量含于待测物质中的特定成分的物理量，包括获取第一、第二光干涉信号的第一、第二干涉装置；将第一、第二光干涉信号转换为第一、第二电信号的第一、第二光电转换部分；扩展第一、第二电信号的相位的第一、第二相位扩展部分；用于测量经第一、第二相位扩展部分扩展后的相位的相差的相差测量部分；及根据相差测量部分测得的相差来确定物理量的物理量确定部分。
文档编号G01N21/21GK1154472SQ9612051
公开日1997年7月16日 申请日期1996年10月31日 优先权日1995年10月31日
发明者徐可欣, 仲道男, 铃木范人 申请人:京都第一科学株式会社