TWI688754B - 共光程外差式微小偏極旋轉測量計及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關一種共光程外差式微小偏極旋轉測量計及方法，其包括外差光源單元及量測架構單元。外差光源單元用以發出外差光源。量測架構單元包含分光鏡、第一檢偏板、第二檢偏板、第一光偵測器、第二光偵測器、二分之一波片及相位量測模組。分光鏡用以將外差光源分光成穿透光與反射光，反射光經第一檢偏板與第一光偵測器，並以第一光偵測器所偵測的光信號作為參考信號。穿透光經過待測物與二分之一波片，再第二檢偏板與第二光偵測器，並以第二光偵測器所偵測的光信號作為測試信號，再以相位量測模組計算出測試信號與參考信號之間的相位差，藉由所測得之相位差而比對出待測物的偏極旋轉量以供利用，俾能藉由干涉儀採用共光程外差干涉儀架構設置，所以可不受外在環境擾動影響，故可有效提升相位解析度以及所得的量測物理量值解析度。
Description
本發明係有關一種共光程外差式微小偏極旋轉測量計及方法，尤指一種可以藉由干涉儀採用共光程外差干涉儀架構設置而不受外在環境擾動影響因而得以有效提升相位解析度以及量測物理量值解析度的微小偏極旋轉測量技術。
目前關於旋光計或偏極旋轉量測計的代表性專利，大多採用光強度量測法，主要是以檢偏板(analyzer)作為其主要的量測判定元件，但其解析度受限於轉盤精度，或者檢偏板本身的誤差，因此旋光度解析度通常不高。另外，於西元2003年交通大學蘇德欽教授實驗室曾經發表及展過新型的外差偏極計(heterodyne polarimeter)的量測技術，該量測技術主要是利用已知的光程差量測其相位差，經運算後而可同時計算得到待測溶液的平均折射率以及其所引起的偏極旋轉量，其折射率量測解析度可以達到5×10-4(RIU：refractive index unit)以及5.5×10-10之葡萄糖溶液濃度解析度(左旋光與右旋光之折射率差(
))，此量測技術架構雖然可以迅速有效上述感測資訊，但是其技術架構及達成效果皆與本發明有所差異。
交通大學蘇德欽教授實驗室另於西元2004年發表另一種量測技術架構，主要是利用外差干涉術(heterodyne interferometry)以及Mach-Zehnder干涉儀架構合組而成，待測樣品置於干涉儀的某一臂之中，可
以獲得干涉信號與參考信號之相位差相對於樣品的旋光性之偏極旋轉角，雖然可以比一般的光學偏極旋轉計(optical polarimeter)的精度高出15倍，而且可以快速量測，但是卻必須要去尋找適當檢偏板的透光軸，於此才能獲得較為精確的偏極旋轉量，所以該量測技術架構仍然還有改進的空間。
除此之外，共光程外差干涉術是本發明人就讀國立交通大學期間跟隨蘇德欽教授做研究的技術成果，在西元1996年提出並於1999獲得美國第5946096號專利。此技術發展成熟又行經多年，雖然該技術架構已經廣為相關技術領域者所採用，但是技術架構及達成效果皆與本發明仍然有所差異，而且該專利是一種量測方法，若是只有該專利技術而無其他物件作為配合，確實較不易量測出水溶液之極微小光學偏極旋轉量，就算量測出其解析度也不夠高。
鑑於大多數的水溶液其光學偏極旋轉量極小(<0.1°)，即使採用上述參考文獻及該等專利的偏光計確實不易量得且解析度也不夠高，因而造成量測上的不便與困擾。有鑑於上述先前技術及在先專利技術確實未臻完善仍有再改善的必要性，緣是，本發明人等乃經不斷的努力研發之下，終於研發出一套有別於上述習知技術的本發明。
本發明主要目的在於提供一種共光程外差式微小偏極旋轉測量計及方法，主要是以共光程外差干涉術結合二分之一波片所組成的微小光學偏極旋轉測量計，可應用在測量水或其他溶液的偏極旋轉量，而且不受外在環境擾動影響，而可有效提升相位解析度以及所測得之量測物理量值解析度，因而具有系統架構簡單、量測容易以及可以量測水溶液微小
的光學偏極旋轉值等諸多特點。達成本發明主要目的之技術手段，係包括外差光源單元及量測架構單元。外差光源單元用以發出外差光源。量測架構單元包含分光鏡、第一檢偏板、第二檢偏板、第一光偵測器、第二光偵測器、二分之一波片及相位量測模組。分光鏡用以將外差光源分光成穿透光與反射光，反射光經第一檢偏板與第一光偵測器，並以第一光偵測器所偵測的光信號作為參考信號。穿透光經過待測物與二分之一波片，再第二檢偏板與第二光偵測器，並以第二光偵測器所偵測的光信號作為測試信號，再以相位量測模組計算出測試信號與參考信號之間的相位差，再以所測得的相位差比對出待測物之微小偏極旋轉量以供利用。
10‧‧‧外差光源單元
11‧‧‧雷射裝置
12‧‧‧第一偏振分光鏡
13‧‧‧第二偏振分光鏡
14‧‧‧第一聲光調制器
15‧‧‧第二聲光調制器
16‧‧‧第一反射鏡
17‧‧‧第二反射鏡
18‧‧‧第一光圈
19‧‧‧第二光圈
20‧‧‧量測架構單元
21‧‧‧分光鏡
22‧‧‧第一檢偏板
23‧‧‧第二檢偏板
24‧‧‧第一光偵測器
25‧‧‧第二光偵測器
26‧‧‧二分之一波片
27‧‧‧相位量測模組
30‧‧‧待測物
圖1係本發明共光程外差偏極旋轉量測計的結構示意圖。
圖2係本發明量測光路示意圖。
圖3係本發明二分之一波片相位與方位角模擬示意圖。
圖4係本發明Γ=177°之相位與方位角在22.5°附近模擬示意圖。
圖5係本發明以葡萄糖溶液濃度做為樣品之偏極旋轉量測結果示意圖。
為讓 貴審查委員能進一步瞭解本發明整體的技術特徵與達成本發明目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明如后。
必須陳明的是，本發明是基於從極微小的光學偏極旋轉量(±0.5°)到明顯可見的偏極旋轉量之範圍作一種簡易又獨特的光學偏極旋
轉，尤其對於不易察覺的光學偏極旋轉量，例如水或水溶液也可以測量，這是目前其他量測技術所無法實現達成的。因此，本發明提出一種『共光程外差式微小偏極旋轉測量計』，雖然採用外差式方法，但與其他外差式方法不同。尤其是在測量很微小的偏極旋轉量的物質時，可利用本發明所揭示之量測技術而可輕易地求得。
請配合參看圖1~2所示，為達成本發明主要目的之具體實施例，係包括外差光源單元10及量測架構單元20等技術特徵。外差光源單元10用以發射出一外差光源，以做為量測用之光源。本發明量測架構單元20一種具體實施例，係包含一分光鏡21、一第一檢偏板22、一第二檢偏板23、一第一光偵測器24、一第二光偵測器25、一二分之一波片26及一相位量測模組27。其中，分光鏡21係用以將外差光源分光成穿透光與反射光。反射光經透光軸與水平軸相互夾45°角的第一檢偏板22以及第一光偵測器24，並以第一光偵測器24所偵測到的光信號作為參考信號。穿透光則經過一待測物30以及二分之一波片26，再經過透光軸與水平軸相互夾45°角的第二檢偏板23與第二光偵測器25，並以第二光偵測器25所偵測到的光信號作為測試信號，再以相位量測模組27計算出測試信號與參考信號之間的相位差。
再請配合參看圖1~2所示，本發明上述外差光源單元10，一種具體實施例，係包含一用以產生雷射光的雷射裝置11、一第一偏振分光鏡12、一第二偏振分光鏡13、一第一聲光調制器14、一第二聲光調制器15、一第一反射鏡16、一第二反射鏡17、一第一光圈18及一第二光圈19。該第一偏振分光鏡12用以將雷射裝置11所發射之雷射光分光為p偏極光及s偏極光。該p偏極光入射第一聲光調制器14，以調制頻率為第一頻率f 1，該第一光圈18用以將p偏極光不需要用到的光予以阻隔，而獲得調變後之p偏極光，
再將調變後之p偏極光經第一反射鏡16反射。另一方面，該s偏極光經第二反射鏡17反射後，入射第二聲光調制器15，以調制頻率為第二頻率f 2，再以第二光圈19(Iris)將s偏極光不需要用到的光予以阻隔，而獲得調變後之s偏極光，該第二偏振分光鏡13用以將調變後之p偏極光與調變後之該s偏極光結合在一起，以得到頻差為f=f 2-f 1的外差光源。
再請配合參看圖1~2所示，本發明上述相位量測模組27，一種具體實施例係為鎖相放大器，該待測物30係為水溶液，該量測架構單元20更包含一可利用相位差而計算出待測物30之偏極旋轉量的運算模組(本圖式例未示)，並於運算模組預先定義有一對照資料表格，該對照資料表格包含複數水溶液濃度值(如葡萄糖水溶液濃度值)及與各水溶液濃度值對應的複數偏極旋轉量。當待測物30之偏極旋轉量被計算出後，運算模組可透過對照資料表格的對應資料而求得與偏極旋轉量相對應的水溶液濃度值。
具體的，上述二分之一波片26在22.5度時，該相位差對旋轉角度之平均斜率為-103.29度；Φ'為設待測物30時的量測時所得的相位差，Φ為相對於無待測物30時所得的相位差，其之間的差為
，再換算出相對應的△θ，偏極旋轉量ρ=-△θ，於是，即可求出待測物30的偏極旋轉量ρ=-△θ。
本發明使用二分之一波片26結合具有高穩定性的共光程外差干涉術，提出一種微小偏極旋轉的新量測方法。依據所知，二分之一波片26在22.5度時，會有很明顯的相位變化(相位差對旋轉角度之平均斜率為-103.29度)，所以將具旋光性質的材料(如：葡萄糖溶液)，其濃度改變時可從相位中看出變化，最後再由鎖相放大器(Look-in Amplifier)將此相位量出，並做成上述對照資料表格，藉以找出糖水濃度與偏極旋轉量之相關式。
本發明實驗例之技術架構如圖1所示，總共分為兩個部分，第一部分是外差光源單元10，第二部分是量測架構單元20。外差光源單元10包含氦氖雷射(λ=632.8nm)(即雷射裝置11)、兩個偏振分光鏡(即第一偏振分光鏡12(PBS1)及第二偏振分光鏡13(PBS2))、兩台聲光調制器(即第一聲光調制器14(AOM1)及第二聲光調制器15(AOM2))、兩個反射鏡(即第一反射鏡16(M1)及第二反射鏡17(M2))及兩個光圈(即第一光圈18(Iris1)及第二光圈19(Iris2))所組成。而量測架構單元20包含一個分光鏡21(BS)、兩個檢偏板(即第一檢偏板22(ANr)，第二檢偏板23(ANt))、兩個光偵測器(即第一光偵測器24(D r )，第二光偵測器25(D t ))、一個二分之一波片26(W λ/2)及待測物30(Sample)。
於量測架構單元20的運作實施例中，該外差光源經分光鏡21(BS)將雷射光分成穿透光與反射光，其中反射光經一透光軸與水平軸夾45°的第一檢偏板22(ANr)與第一光偵測器24(D r )(Photodetector)，其偵測的信號當作參考信號I r 。穿透光則是經過待測物30(Sample)與二分之一波片26(W λ/2)，再經過一透光軸與水平軸夾45°的第二檢偏板23(ANt)與第二光偵測器25(D t )，其偵測的信號當作測試信號I t ，最後利用鎖相放大器(Lock-in Amplifier，SR830)將測試信號I t 與參考信號I r 之間的相位差抓取出來。
本發明量測原理說明則如圖2所示，參考光路為：外差光源→BS(反射)→ANr→D r ，其參考光E r 的Jone’s Matrix可寫成：
參考信號I r 可寫成：
其中A x 與A y 分別為x與y方向的電場振幅，ω=ω 2-ω 1，ω 1=2πf 1 ,ω 2=2πf 2
測試光路外差光源→BS(穿透)→S(Sample)→
→ANt→D t 假設二分之一波片Γ≠π之時，其測試光E t 之Jone’s Matrix可寫成：
其中
換成-180°到180°之間的值。而將相位差
的函數表示成：I t 與I r 之間的相位差
，此值介於0到2π之間，為了方便說明，將0至2π的值轉。
而A與B分別為
B=sin Γ cos 2θ (12)
首先，假設E 1與E 2之間沒有相位延遲，即
等於零，並將待測物的相位延遲δ也假設其值等於零，而θ為二分之一波片旋轉一圈的方位角度，角度從0度到360度。將各個參數設定好之後，使用Matlab來做模擬，這樣就可以得到波片的相位延遲圖。
(1)若0°
|Γ|
90°，則
以Γ=177°為例，θ=0~360°，則Φ值的分佈曲線，如圖3所示，在方位角θ=22.5°,67.5°,112.5°,157.5°,202.5°,247.5°,292.5°,337.5°其對方位度的靈敏度最高。即當有微小偏極旋轉△θ時，相位的變化△Φ最為明顯。所以可以選擇θ=22.5°作為量測光學偏極旋轉量ρ，量測時所得的Φ'，相對於無待測物時的Φ，其之間的差
，換算出相對應的△θ，因此待測物的偏極旋轉量為ρ=-△θ。採用在θ=22.5°,△θ=±0.2°的範圍，如圖4所示，
其平均斜率
-103.29(degree/degree)，若相位解析度
=0.01°，則可量得的最小的偏極旋轉量為10-4°。依照圖3中Φ值的分佈曲線，可知較佳可量測的偏極旋轉量範圍為±0.5°。
本實驗例係使用葡萄糖溶液作為本實驗的待測物，濃度由100mg/dl到1000mg/dl，每次增加100mg/dl進行量測，橫座標為濃度其單位是毫克/分升/毫米(mg/dl˙mm)，而縱座標為偏極旋轉量ρ其單位為角(degree)，由圖5所示，可以得到該溶液的濃度所對應的偏極旋轉量，並可證明本發明的可行性。
經上述具體的實施例說明后，本發明確實具有下列所述的特點：1.本發明共光程外差量測，訊號即時可以快速量測，簡單容易操作，精確度高，相位解析度可達0.01°；2.本發明使用二分之一波片量測偏極旋轉量的解析度高；3.本發明可以量測微量的偏極旋轉量，最小可至10-4°；及4.本發明可以作為測量水或者水溶液的偏極旋轉量，並分析其引起的效應。
以上所述，僅為本發明之可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請 鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。
10‧‧‧外差光源單元
11‧‧‧雷射裝置
12‧‧‧第一偏振分光鏡
13‧‧‧第二偏振分光鏡
14‧‧‧第一聲光調制器
15‧‧‧第二聲光調制器
16‧‧‧第一反射鏡
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18‧‧‧第一光圈
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20‧‧‧量測架構單元
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25‧‧‧第二光偵測器
26‧‧‧二分之一波片
27‧‧‧相位量測模組
30‧‧‧待測物
Claims (8)
- 一種共光程外差式微小偏極旋轉測量計，其包括：一外差光源單元，其用以發出一外差光源；及一量測架構單元，其包含一分光鏡、一第一檢偏板、一第二檢偏板、一第一光偵測器、一第二光偵測器、一個二分之一波片及一相位量測模組；其中，該分光鏡用以將該外差光源分光成一穿透光與一反射光，該反射光經透光軸與水平軸相互夾45°角的該第一檢偏板與該第一光偵測器，並以該第一光偵測器所偵測的光信號作為參考信號；該穿透光經過一待測物與該二分之一波片，再經過透光軸與水平軸夾45°角的該第二檢偏板與該第二光偵測器，並以該第二光偵測器所偵測的光信號作為測試信號，再以該相位量測模組計算出該測試信號與該參考信號之間的相位差，並以該相位差與一預設的對照資料比對而獲得該待測物的偏極旋轉量以供利用；其中，該二分之一波片在22.5度時，該相位差對旋轉角度之平均斜率為-103.29度；Φ'為設該待測物時的量測時所得的相位差，Φ為相對於無待測物時所得的相位差，其之間的差為△Φ=-
，再換算出相對應的△θ，為ρ=-△θ，進而求出該待測物的偏極旋轉量ρ=-△θ。
- 如請求項1所述之共光程外差式微小偏極旋轉測量計，其中，該外差光源單元包含一用以產生雷射光的雷射裝置、一第一偏振分光鏡、一第二偏振分光鏡、一第一聲光調制器、一第二聲光調制器、一第一反射鏡、一第二反射鏡、一第一光圈及一第二光圈；該第一偏振分光鏡用以將該雷射光分光為p偏極光及s偏極光；該p偏極光入射該第一聲光調制器，以調制頻率為第一頻率f 1，該第一光圈用以將該p偏極光不需要用到的光予以阻 隔，而獲得調變後之p偏極光，再將該調變後之p偏極光經該第一反射鏡反射；該s偏極光經該第二反射鏡反射後，入射該第二聲光調制器，以調制頻率為第二頻率f 2，再以該第二光圈將該s偏極光不需要用到的光予以阻隔，而獲得調變後之s偏極光；該第二偏振分光鏡用以將調變後之該p偏極光與該s偏極光結合在一起，以得到頻差為f=f 2-f 1的該外差光源。
- 如請求項1所述之共光程外差式微小偏極旋轉測量計，其中，該相位量測模組係為鎖相放大器，該待測物係為水溶液；該量測架構單元更包含一可由該相位差而計算出該待測物之偏極旋轉量的運算模組；該運算模組預先定義有該對照資料，該對照資料包含複數該水溶液濃度值及與各該水溶液濃度值對應的複數偏極旋轉量；其中，當該待測物之該偏極旋轉量被計算出後，該運算模組可透過比對該對照資料而求得與該偏極旋轉量對應的該水溶液濃度值。
- 如請求項3所述之共光程外差式微小偏極旋轉測量計，其中，該水溶液濃度值係為葡萄糖水溶液濃度值。
- 一種共光程外差式微小偏極旋轉測量方法，其包括：提供一外差光源單元及一量測架構單元；其中，該量測架構單元包含一分光鏡、一第一檢偏板、一第二檢偏板、一第一光偵測器、一第二光偵測器、一二分之一波片及一相位量測模組；以該外差光源單元發出一外差光源；以該分光鏡將該外差光源分光成一穿透光與一反射光；讓該反射光經透光軸與水平軸相互夾45°角的該第一檢偏板與該第一光偵測器，並以該第一光偵測器所偵測的信號作為參考信號； 並讓該穿透光經過一待測物與該二分之一波片，再經過透光軸與水平軸夾45°角的該第二檢偏板與該第二光偵測器，並以該第二光偵測器所偵測的光信號作為測試信號；及以該相位量測模組計算出該測試信號與該參考信號之間的相位差，並以該相位差與一預設的對照資料比對而獲得該待測物的偏極旋轉量以供利用；其中，該二分之一波片在22.5度時，該相位差對旋轉角度之平均斜率為-103.29度；Φ'為設該待測物時的量測時所得的相位差，Φ為相對於無待測物時所得的相位差，其之間的差為△Φ=-
，再換算出相對應的△θ，為ρ=-△θ，進而求出該待測物的偏極旋轉量ρ=-△θ。
- 如請求項5所述之共光程外差式微小偏極旋轉測量方法，其中，該外差光源單元包含一用以產生雷射光的雷射裝置、一第一偏振分光鏡、一第二偏振分光鏡、一第一聲光調制器、一第二聲光調制器、一第一反射鏡、一第二反射鏡、一第一光圈及一第二光圈；該第一偏振分光鏡用以將該雷射光分光為p偏極光及s偏極光；該p偏極光入射該第一聲光調制器，以調制頻率為第一頻率f 1，該第一光圈用以將該p偏極光不需要用到的光予以阻隔，而獲得調變後之p偏極光，再將調變後之該p偏極光經該第一反射鏡反射；該s偏極光經該第二反射鏡反射後，入射該第二聲光調制器，以調制頻率為第二頻率f 2，再以該第二光圈(Iris)將該s偏極光不需要用到的光予以阻隔，而獲得調變後之s偏極光；該第二偏振分光鏡用以將調變後之該p偏極光與該s偏極光結合在一起，以得到頻差為f=f 2-f 1的該外差光源。
- 如請求項5所述之共光程外差式微小偏極旋轉測量方法，其中，該相位量測模組係為鎖相放大器，該待測物係為水溶液，該量測架構單元更 包含一可由該相位差而計算出該待測物之偏極旋轉量的運算模組，並於該運算模組預先定義有該對照資料，該對照資料包含複數該水溶液濃度值及與各該水溶液濃度值對應的複數偏極旋轉量，當該待測物之該偏極旋轉量被計算出後，該運算模組可透過該對照資料比對而求得與該偏極旋轉量對應的該水溶液濃度值。
- 如請求項7所述之共光程外差式微小偏極旋轉測量方法，其中，該水溶液濃度值係為葡萄糖水溶液濃度值。
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