CN112649371A - 磁光测量设备 - Google Patents

Abstract

一种磁光测量设备，包括：光源；薄膜传感器，其包括磁性膜并且反射来自光源的光；磁场产生装置，其对薄膜传感器施加磁场；以及控制器。磁场产生装置被配置为向薄膜传感器交替地提供正磁场和负磁场。控制器被配置为：测量在正磁场下被薄膜传感器反射的光量；测量在负磁场下被薄膜传感器反射的光量；根据在正磁场下测量的值和在负磁场下测量的值，确定一个或多个回归公式；以及基于一个或多个回归公式确定特定输出值。

Description

磁光测量设备

技术领域

本发明涉及磁光测量设备。

背景技术

已经提出了放大并检测具有光学干涉结构的薄膜传感器的磁光效果的测量技术，以实现高灵敏度、高精度和可广泛应用的测量。通过堆叠磁性层、光学干涉层和反射层来获得光学干涉结构。例如，JP 2017-172993A公开了利用该测量技术的气体(氢)传感器，JP6368880B公开了利用该测量技术的偏光计。这些专利文献中的每一个都提供了将周期性交变磁场施加到薄膜传感器的实施方式，从而描述使用通过克尔(Kerr)效应得到的输出(光量或偏振角)的环路来检测气体或旋光度的方法。

上述的测量技术需要测量在交替的不同磁场强度下被薄膜传感器反射的光。但是，由于磁场会随着时间变化并且在具有不同强度的磁场下进行测量会产生时滞，因此在具有不同强度的磁场下无法同时测量反射光。上述的测量方法用来自光源的光照射薄膜传感器并测量被薄膜传感器反射的光。因此，如果来自光源的光量在时滞内变化，则测量精度可能会降低。

发明内容

本发明的一个方面是一种磁光测量设备，包括：光源；薄膜传感器，其包括磁性膜并且被配置为反射来自光源的光；磁场产生装置，其被配置为对薄膜传感器施加磁场；以及控制器。磁场产生装置被配置为向薄膜传感器交替地提供正磁场和负磁场，以在磁性膜中交替地引起幅度相等但方向相反的正磁化和负磁化。控制器被配置为：在正磁场下在多个时刻测量被薄膜传感器反射的光量；在负磁场下在多个时刻测量被薄膜传感器反射的光量；根据在正磁场下在多个时刻测量的值和在负磁场下在多个时刻测量的值，确定一个或多个回归公式；并基于一个或多个回归公式确定特定输出值。

本发明的一个方面实现了更精确的磁光测量。

应当理解的是，前面的概述和下面的详细描述都是示例性和说明性的，并且不限制本发明。

附图说明

图1示意地示出了磁光测量设备的结构示例；

图2示出了薄膜传感器的层叠结构的示例；

图3示意地示出了磁场产生装置中的励磁电流的随时间变化的示例；

图4示意性地示出了交变磁场与反射光量之间的关系；

图5示出了克尔输出值与入射光的偏振角之间的关系的示例；

图6提供了通过ADC转换成数字信号的锁相放大器的输出的示例；

图7示出了控制器为了计算回归公式而被排除的测量时间段以及使用的测量时间段；

图8示出了有效测量值与回归公式之间的关系的示例；

图9示出了在正磁场下实际测量的值、在负磁场下实际测量的值、基于适当的克尔输出值而计算出的零磁化下的预期测量值及其回归公式的示例；

图10示出了光源的驱动电流的随时间变化的示例；

图11提供了在休息足够长的时间的光源被接通并且在被切换到脉冲恒定电流驱动(50％的占空比)之前被提供有0秒至10秒的不同的DC点亮(老化)时间段的情况下光源输出的比较结果；

图12示出了在未点亮的半导体光源被点亮并用恒定电流驱动时的相对光量的随时间变化的示例；以及

图13示出了控制半导体光源使得从光检测器获取的值将是固定值时的相对光量的随时间变化的示例。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施方式。应当注意的是，实施方式仅是实现本发明的构想的示例，并且不限制本发明的技术范围。

概述

本文所述的磁光测量将具有相反方向的正磁场和负磁场交替地施加到包括磁性膜(磁性层)的薄膜传感器(感测元件)，以在磁性膜中交替地引起方向相反但幅度相等的正磁化和负磁化。这种测量方式测量在正磁场下被薄膜传感器反射的光的量以及在负磁场下被薄膜传感器反射的光的量，并从测量值获得磁性克尔效应的输出值(克尔输出值)。

本发明中的克尔输出值被定义为在薄膜传感器的磁化改变之后反射光的变化量与当薄膜传感器的磁化为零时反射光的量的比率，而不是反射光的变化量的绝对值。即使入射光的量改变，反射光的比例也不会改变，因此，测量不受来自光源的光量的绝对值的影响。

然而，为了达到零磁化状态，必须进行消磁处理，因为磁性材料通常具有残余的磁化。已知在本发明中使用的方法中，相对于在零磁化下的克尔效应，对称地发生正磁化下的克尔效应和负磁化下的克尔效应。因此，施加方向相反的相同强度的正磁化和负磁化时反射光量的平均值变得等于零磁化状态下的反射光量。为此，当施加方向相反的相同幅度的正磁化和负磁化时(即在正磁场和负磁场下)，通过测量反射光的量，可以获得克尔输出值。

但是，不能同时进行正磁场下的测量和负磁场下的测量。它们之间存在时滞。与此同时，由于薄膜传感器的层叠体内部的多重反射和干涉，与入射光相比，要测量的实际反射光极弱(约为入射光量的0.01％)。为了通过减少诸如外部光的噪声的影响来获得高S/N比，可以采用利用锁相放大器进行的同步测量。锁相放大器由于其结构而具有时间常数，因此，例如，在磁场反转之后需要一定的时间直到测量结果稳定。这可能是在不同磁场下的测量之间产生时滞的另一个原因。

通过采用反射光量的比例而实现的与来自光源的光量无关的前提是在正磁场和负磁场下的测量中来自光源的光量相同。为了更精确地测量，重要的是，在包括正磁场下的测量和负磁场下的测量的时间段中，来自光源的光量恒定。本文所述的磁光测量使用发射具有尖光谱的光的半导体光源，例如激光二极管(LD)或发光二极管(LED)。半导体光源由于其特性在点亮后的一段时间内光量变化很大；它必须连续点亮相当长的时间，直到其输出足够稳定。

图12示出了未点亮的半导体光源被点亮并通过恒定电流驱动时的相对光量的随时间变化的示例。该相对光量在光源被点亮后紧接着开始下降，并逐渐接近一定值。其花费时间直到光量达到一定值并变得稳定。此外，在光源被点亮后，光量紧接着急剧变化(下降)。尽管该示例是关于在通过直流恒定电流驱动光源的情况下的光量，但是在通过脉冲恒定电流驱动光源的情况下的光量表现出相似的变化。

半导体光源可以与用于监控光源的输出的光检测器一起工作。可以控制半导体光源，使得从光检测器获取的值将是固定值。图13示出了在这种控制下的相对光量的随时间变化的示例。与之前的通过恒定电流驱动光源的情况的示例相反，光量在光源被点亮后紧接着开始增加，并逐渐接近一定值。该控制也需要花费时间直到光量达到一定值并变得稳定。为了在实验室中进行精确的测量，在开始测量之前，光源被驱动以稳定输出，然后连续点亮三十分钟到一小时。

等待光源输出的稳定会使开始测量的时间延迟，并且浪费电力，不利于测量。特别是如便携式设备那样的测量设备的电源受限的情况下，该电力消耗可能是很大的问题。下面描述的是，即使在来自光源的光量平缓变化的情况下，也可以从在正磁场和负磁场下测量的数据中获取所需的输出值的方法。

以下描述的磁光测量在正磁场和负磁场中的每一者下在多个时刻测量被薄膜传感器反射的光量。磁光测量确定一个或多个回归公式，并基于一个或多个回归公式确定特定的输出值。因此，可以从在正磁场和负磁场下反射的光量获得更准确的输出值。

装置结构

图1示意性地示出了磁光测量设备的结构示例。尽管下面作为磁光测量设备的示例描述了偏光计，但是本发明的特征可应用于各种磁光测量设备。

参考图1，该磁光测量设备包括控制器10、光源装置20、磁场产生装置30和反射光检测装置40。薄膜传感器51安装在磁场产生装置30上。控制器10控制磁光测量设备中的装置，测量被薄膜传感器51反射的光量，并基于反射光量计算测量值。

光源装置20产生由薄膜传感器51接收的光。光源装置20包括LD驱动器201、LD 202和偏振器203。LD驱动器201根据控制器10的控制向LD 202供应驱动电流。LD 202产生并发出将被薄膜传感器51接收的光。LD 202是光源的示例，并且例如可以用发光二极管取代。来自LD 202的光包括适合于用薄膜传感器51测量的特定波长，其可以是具有特定波长的单色光。

控制器10控制LD驱动器201以将脉冲调制的驱动电流供应给LD 202。根据驱动电流，LD 202被控制成接通/断开。换言之，LD 202以预定周期闪烁。LD 202的闪烁频率可以约为520Hz。可以取代脉冲调制电流而使用机械光学斩波器来调制来自LD 202的光。

偏振器203选择性地透射接收到的光中的在特定方向上振荡的光(线性偏振光)，并使在其他方向上振荡的光衰减。换言之，偏振器203从来自LD 202的光中产生以预定角度线性偏振的光。调整偏振器203的偏振角，以使线性偏振光的偏振面与要测量的目标物体53成预定角度。尽管该结构示例使用LD 202和偏振器203产生线性偏振光，但另一个结构示例可以通过采用输出线性偏振光的光源装置(例如具有内置的偏振器的半导体激光器)而省略偏振器203。

磁场产生装置30产生要施加到薄膜传感器51的磁场。磁场产生装置30包括恒流电源301、逆变器302和磁场产生器303。磁场产生器303包括缠绕有线圈的磁轭。薄膜传感器51设置在磁轭的磁隙内。控制器10控制恒流电源301，以经由逆变器302向磁场产生器303的线圈供应足以使薄膜传感器51的磁性膜(磁性金属层)的磁化饱和的励磁电流。

在以下描述的示例中，磁场产生器303交替地施加具有足以使磁性膜的磁化饱和的强度相等但是方向相反的磁场(+H，-H)。如果正磁场和负磁场具有相反的方向和相等的幅度，则不需要使磁性膜的磁化饱和。然而，只要磁场产生机构的大小是有限的，所产生的磁场在机构的内部和外围之间就具有不同的强度。出于该原因，为了使磁场强度均匀，需要使磁场产生机构很大，这在大小、重量和驱动电力的方面不具有实用性。施加使磁性膜的磁化饱和的磁场能够使得整个磁性膜的任何点都被完全磁化，从而在正磁化和负磁化这两者中实现了磁化的幅度的均匀性和稳定性。

控制器10控制逆变器302以周期性地反转来自恒流电源301的电流，并将该电流供应给磁场产生器303。因此，可以产生反复反转的正磁场和负磁场。磁场的反转周期可以为几秒钟。逆变器302是用于使来自恒流电源的电流反相的电路，并且可以是H桥。

如上所述将逆变器与恒流电源结合，使得即使在切换正模式和负模式之后逆变电路示出略微不同的特性(例如，内电阻)，也能够使线圈接收恒定电流，并且进一步能够使正励磁电流和负励磁电流具有相同的幅度。换言之，施加仅在励磁电流的方向上不同但强度相同的磁场，引起在薄膜传感器51中仅在方向(正或负)上不同但幅度相同的磁化，从而可以进行高精度的测量。

反射光检测装置40检测被薄膜传感器51反射的光。薄膜传感器51的磁光效应以多种模式出现，这些模式根据磁场相对于薄膜传感器51和入射光的方向来确定。具体地，存在极性克尔效应、纵向克尔效应和横向克尔效应。

当薄膜传感器51的磁性膜的磁化垂直于反射面时，发生极性克尔效应。当磁化平行于反射面并且还平行于入射面时，发生纵向克尔效应。当磁化平行于反射面并且垂直于入射面时，发生横向克尔效应。

由于极性克尔效应或纵向克尔效应而引起的反射光的特性变化表现为偏振角的变化。由于横向克尔效应而引起的反射光特性的变化表现为反射光量的变化。对于反射光检测装置，容易获得用于测量光量的结构，因此，下面描述在横向克尔效应下测量光量的示例。在极性克尔效应或纵向克尔效应下，通过使被薄膜传感器51反射的光透射通过偏振器，可以将来自薄膜传感器51的反射光的偏振角的变化转换为光量的变化。

如图1所示，反射光检测装置40包括光检测器(PD)401、前置放大器402、锁相放大器403和A/D转换器(ADC)404。前置放大器402将来自PD 401的检测信号放大到适合于锁相放大器403进行处理的水平。

锁相放大器403以高灵敏度检测噪声中的低信号。锁相放大器403包括带通滤波器(BPF)431、相敏检测器(PSD)432以及低通滤波器(LPF)433。如上所述，来自LD 202的光是经过调制的交流脉冲(AC-pulse)。PD 401的检测信号对应于从LD 202发射的光，并且在薄膜传感器51处通过克尔效应而改变；该检测信号是与来自光源装置20的调制信号具有相同频率和相同相位的信号，并且各种噪声分量被叠加在该信号上。BPF 431选择性地发送调制频率分量并且衰减其他分量。因此，具有其他频率的噪声分量的大多数被去除。BPF 431可以用调谐放大器替代。

PSD 432与来自光源装置20的调制信号同步地整流来自BPF 431的信号，以去除在相位上与调制信号不同的分量。具体地，PSD 432接收与调制信号频率相同并且在到达PSD432之前在相位上被调节了偏移量的基准信号(占空比为50％的矩形波)。PSD 432基于基准信号切换来自BPF 431的信号的反转和非反转以实现全波整流。通过该操作，去除了在相位上与调制信号不同的分量。

LPF 433从自PSD 432接收的信号中提取DC分量，以产生最终的测量信号。如从上面可以理解的，锁相放大器403可以以高灵敏度提取具有与LD 202的调制闪烁信号频率相同且相位相同的分量。需要注意的是，使用锁相放大器进行的该同步测量是可选的。

描述了磁光测量设备测量目标物体的旋光度的方法。如上所述，以特定的偏振角线性偏振并被调节为闪烁的光从光源装置20发射并穿过目标物体53。线性偏振光的偏振角随着光穿过物体53根据物体53的旋光度而变化。物体53的示例是容纳在透明容器中的液体。

来自LD 202的透射穿过物体53的光进入薄膜传感器51，并被薄膜传感器51反射。在正磁场(+H)或负磁场(-H)下，被薄膜传感器51反射的光量取决于入射光的偏振角。反射光的量被PD 401转换为电信号，并且该电信号被前置放大器402放大。

锁相放大器403与LD 202的调制频率同步地提取并输出从LD 202发射并被薄膜传感器51反射的光的信号。锁相放大器403的输出被ADC 404转换成数字信号并输入到控制器10。LD 202的调制频率充分高于切换磁场的频率。

控制器10基于通过在多个时刻在正磁场和负磁场下测量反射光的量而获得的值，计算在相同时刻在正磁场和负磁场下的反射光的量。控制器10从在相同时刻计算出的在正磁场和负磁场下的反射光的量，确定表示目标物体53的旋光度的值(克尔输出值)。控制器10的处理细节将在后面描述。

薄膜传感器的配置

图2示出了薄膜传感器51的层叠结构的示例。层叠膜512设置在基板511上。在由于在层叠膜512内的多重反射而增强磁光效应的条件下，用线性偏振光照射薄膜传感器51。基板511可以是厚度约为0.5mm(500μm)的玻璃基板。层叠膜512通过从下到上的次序堆叠磁性金属层521、介电光学干涉层522和反射金属层523而形成。适当地确定各层的厚度，使得已经进入层叠膜512的光将在层叠膜512内被多重反射。例如，磁性金属层521和介电光学干涉层522的厚度大约为100nm，反射金属层523的厚度约为10nm。

磁性金属层521可以是诸如Fe、Co或Ni的金属或其合金的普通磁性材料的单层膜或多层膜。例如，可以使用表现出大的磁光效应并且在低磁场中饱和的软磁性材料，诸如FeCo合金或FeSi合金。介电光学干涉层522可以由对特定波长的光透明的氧化物或氮化物制成，例如SiO₂、ZnO、MgO、TiO₂或AlN。反射金属层523的材料可以是对从LD 202发射的特定波长的光具有高反射率的普通金属材料，例如Ag、Al、Au、Cu或其合金。

层叠膜512可以具有与图2中的结构不同的结构。例如，可以通过以反射金属层523、介电光学干涉层522和磁性金属层521的顺序将各个膜堆叠在基板511上来形成层叠膜512。在磁光测量设备被设计为检测气体的情况下，层叠膜还包括响应于与气体的接触而改变光学特性的气体感测层。

磁场的产生

描述被层叠膜512反射的光量的变化。图3示意性地示出了磁场产生装置30中的励磁电流的随时间变化的示例。励磁电流在周期313中在正方向和负方向之间改变其方向。正励磁电流产生正磁场，负励磁电流产生负磁场。

正励磁电流和负励磁电流为相同的值。由此产生的正磁场和负磁场具有足以使整个磁性金属层521的磁化饱和的相同强度。正磁场和负磁场使磁性金属层521的磁化在相反方向上饱和。供应正励磁电流的单位时间段(施加正磁场的单位时间段)311和供应负励磁电流的单位时间段(施加负磁场的单位时间段)312具有相同的长度。磁性金属层521的正磁化和负磁化需要具有相反的方向和相同的幅度。考虑到由磁场产生器产生的磁场的分布，可以通过施加使磁性膜的磁化饱和的磁场而容易地使正磁化和负磁化的幅度相等。

如上所述，为了测量由横向克尔效应改变的反射光的量，由磁场产生装置30施加到层叠膜512上的磁场平行于磁性金属层521并且垂直于入射面。

磁性膜具有磁各向异性(易磁化轴和难磁化轴)。其磁化曲线示出了取决于磁场施加方向的差异。当在沿着易磁化轴的方向上施加磁场时，磁化以较大的幅度反转，从而在相对较低的磁场下饱和。相反，当在沿着难磁化轴的方向上施加磁场时，磁化根据磁场的强度而平缓变化，并最终在较高的磁场下饱和。如上所述，本实施方式使用饱和磁性膜，因此，沿易磁化轴施加磁场以在低磁场下获得饱和磁化的结构是优选的，因为可以节省用于产生磁场的电力。

关于用于磁性膜的材料，存在倾向于具有与膜表面平行的易磁化轴的材料和倾向于具有与膜表面垂直的易磁化轴的材料。具有平行的易磁化轴的材料的磁化可以在比具有垂直的易磁化轴的材料的磁化低一位数或两位数的磁场下反转和饱和。因此，倾向于具有平行于膜表面的易磁化轴的材料能够节省用于磁化的电力。在上述的三种克尔效应模式中，在平行于膜表面的磁化中出现的克尔效应模式是横向克尔效应和纵向克尔效应。

如上所述，包括磁性金属层521的薄膜传感器51设置在磁轭的磁隙中。本发明中的磁光测量设备用光照射完全磁化或饱和的磁性金属层521，并测量获取的反射光的量。在将薄膜传感器设置在用于施加磁场的磁轭的空间(间隙)中时，考虑到间隙内的磁场分布，优选将传感器膜设置在间隙的中心附近。当从入射光和反射光的侧面观察间隙时，间隙的中心位于间隙的深处。在用于获得纵向克尔效应的布置中，用于向薄膜传感器51供应光并从其获取反射光的光路设置成掠过磁轭的边缘。然而，在用于获得横向克尔效应的布置中，光路位于不存在磁轭的磁隙中。因此，利用横向克尔效应的测量方法更易于设计该测量设备，因为光路位于间隙内并且不会被磁轭遮挡。这是本发明中的磁光测量设备采用利用横向克尔效应的测量方法的原因。

在施加使磁性金属层521的磁化饱和的正磁场或负磁场的条件下，线性偏振光进入层叠膜512。线性偏振光在层叠膜512内被多重反射，并受到磁光效应。从层叠膜512发射(被层叠膜512反射)的光的量从磁性金属层521被零磁化时的量R变化+ΔR或-ΔR。

正饱和磁化或负饱和磁化下的反射光量的变化±ΔR根据入射光的偏振角而不同。这是因为层叠膜512的光学干涉条件随着入射光的偏振角而改变并且对多重反射产生不同的影响。因此，可以基于所测量的被薄膜传感器51反射的光的量来确定目标物体53的旋光度。

控制器10可以提供所谓的校准功能，该校准功能对磁光测量设备测量旋光度(入射到薄膜传感器上的光的偏振角)与克尔输出值之间的关系。该功能的操作如下。控制器10旋转偏振器203以改变入射光的偏振角。控制器10用脉冲调制的线性偏振光照射薄膜传感器51，同时向薄膜传感器51施加周期性交变的正磁场和负磁场，并根据在正磁场和负磁场下测量的反射光量计算克尔输出值(磁光输出值)。偏振角与克尔输出值之间的关系可以通过反复地改变偏振角并测量反射光的量来获得。控制器10确定并存储偏振角与克尔输出值之间的关系。

可以在制造和调谐测量设备时通过外部控制机构以及用于偏振器的将偏振器203固定在特定角度的旋转控制机构来执行该校准功能。于是，可以从该测量设备中去除使用控制器10控制偏振器203的偏振角的机构，从而降低测量设备的价格。

为了测量旋光度，操作者将偏振器203的角度设定为使得所测量的反射光量将在最大值与最小值之间的中间的角度，然后设定目标物体53。控制器10在交替的正磁场和负磁场下测量透射穿过目标物体53并被薄膜传感器51反射的光的强度，以确定克尔输出值。可以通过将克尔输出值与上述的预定关系进行比较来确定目标物体53的旋光度。将偏振器203的角度设定为使得所测量的反射光的量将在最大值与最小值之间的中间的角度，从而无论旋光性是右旋还是左旋，都能够测量目标物体53的旋光度。

磁场与反射光量之间的关系

图4示意性地示出了交变磁场与反射光量之间的关系。图4提供了用原理性虚拟线绘制的环路。从点PO上升的部分虚拟地表示与从零磁化开始的初始磁化曲线相对应的变化。控制器10仅在点PA和点PB处获取测量的反射光量。薄膜传感器51的磁化在点PA和点PB处饱和。

设在零磁化(零磁场)下的点PO、在正磁场下的点PA以及在负磁场下的点PB处的反射光量分别为O、A和B。获得的测量结果(克尔输出值)X可以表示为X＝(A–B)/O，并且它是无量纲量。因此，反射光量的绝对值不影响测量结果。正磁场(正磁化)下的反射光量的变化和负磁场(负磁化)下的反射光量的变化关于零磁化对称。

设在点PA和点PB处的反射光量与在零磁化时的反射光量之差为ΔR。在点PA处的反射光量A为O+ΔR；在PB点处的反射光量B为O–ΔR；在点PO处的反射光量O为(A+B)/2。从这些关系可以理解，如果知道值O、A和B中的任意两个值，就可以计算克尔输出值。然而，磁性材料通常具有残余磁化，由于必须进行消磁处理，因此在实际测量中难以达到零磁化状态。因此，从两个反射光量A和B获得克尔输出值X是更现实的。具体来说，克尔输出值X可以通过(A–B)/((A+B)/2)获得。

克尔输出值与偏振角之间的关系

如上所述，控制器10根据克尔输出值X计算目标物体53的旋光度。图5示出了如上所述获得的克尔输出值与入射光的偏振角之间的关系的示例。克尔输出值随偏振角急剧变化。如上所述，该关系是预先测量的。控制器10保存表示克尔输出值与偏振角之间的关系的信息，例如，查找表或函数。

控制器10使用该关系从目标物体53的克尔输出值确定薄膜传感器51上的入射光的偏振角。控制器10在对目标物体53进行测量期间将来自光源装置20的光保持在固定的偏振角，从而从光穿过放置在光路上的目标物体53到薄膜传感器51的距离和所检测到的反射光的偏振角，获得目标物体53的旋光度。

由于施加到薄膜传感器51的外部磁场随时间而变化，因此在点PA的反射光的测量时刻与在点PB的反射光的测量时刻不同。为了获得精确的克尔输出值，重要的是在点PA和点PB处的光强度相同。但是，如上所述，要花费一定时间直至光源的输出稳定在恒定值为止。如果将测量推迟直至光源的输出变得稳定，则要花费时间来开始测量，并且在用于稳定的时间段期间会浪费无助于测量的电力。

控制器10根据在来自光源的光量平缓变化的期间在正磁场和负磁场下测得的反射光量，计算在相同的给定时刻的正磁场和负磁场下的反射光量。因此，可以实现快速测量和低电力消耗。在下文中，描述通过控制器10进行的测量过程。

测量值和有效数据

图6提供了锁相放大器403的输出由ADC 404转换成数字信号的示例。根据磁场的交替，输出信号(检测信号)具有矩形波形。矩形波中的高水平输出值601是正磁场下的输出值，矩形波中的低水平输出值602是负磁场下的输出值。在正磁场和负磁场下的每个时间段中，输出多个检测到的光量。

随着光源的输出逐渐下降，输出信号逐渐下降。控制器10将光路保持在相同的位置，并将产生外部磁场的磁场产生装置30的励磁电流保持在恒定值，但是仅使励磁电流的方向交替。该控制在该测量条件下使除光源输出以外的可变因素最小化。

如上所述，不能同时测量在正磁场下反射的光量和在负磁场下反射的光量。此外，主要由于光源输出的变化，在正磁场下测量的反射光量不是恒定的，并且在负磁场下测量的反射光量也不是恒定的。出于这些原因，控制器10确定在正磁场下测量的值的回归公式(第一回归公式)和在负磁场下测量的值的回归公式(第二回归公式)，以使用这些回归公式计算在相同的给定时刻在正磁场下的预期测量值和在负磁场下的预期测量值。

在一示例中，控制器10选择一部分测量值来计算更精确的回归公式。具体地，在切换正磁场和负磁场时，存在直到获得稳定值为止的过渡时间段。过渡时间段是直至磁场的反转完成并且由磁场的反转引起的测量值的变化在锁相放大器403的输出中稳定为止的时间段。

图7示出了控制器10为了计算回归公式要排除的测量时间段和要使用的测量时间段。在负励磁电流(或零励磁电流)反转到正励磁电流后紧接着定义数据排除时间段611；在数据排除时间段611之后定义有效数据时间段612。此外，在正励磁电流(或零励磁电流)反转为负励磁电流之后紧接着定义数据排除时间段621；在数据排除时间段621之后定义有效数据时间段622。控制器10在有效数据时间段612和622中选择测量值，并使用它们来计算回归公式。

锁相放大器403在最后一级包括LPF 433，如从图1的结构所理解的。锁相放大器403具有由电路常数确定的延迟时间或时间常数，直到输入到前置放大器402的信号的可能的变化出现在LPF 433的输出中为止。另外，作为电路元件的磁场产生器303是线圈(电感)；在施加的电压切换之后直到电流稳定在恒定值为止具有延迟。由于通过电流产生磁场，因此磁场具有直到施加到薄膜传感器51的磁场的强度稳定在恒定值为止的过渡时间段。因此，考虑到磁场的过渡时间段(数据排除时间段)和锁相放大器403的时间常数，磁场的反转周期被确定为能够执行足够次数的测量。

回归公式

图8示出了有效测量值与根据回归公式绘制的回归曲线之间的关系的示例。在本部分中，为了避免描述的复杂性，将根据图中所示的回归公式绘制的回归曲线称为回归公式。控制器10根据在正磁场下测量的多个有效值651来计算回归公式652。类似地，控制器10根据在负磁场下测量的多个有效值661来计算回归公式662。例如，控制器10根据在用于施加正磁场的多个单位时间段中测量的多个值651计算回归公式652。类似地，控制器10根据在用于施加负磁场的多个单位时间段中测量的多个值661计算回归公式662。

在图8中，回归公式652和662中的每一个是二次函数。在计算正磁场中的回归公式652时，控制器10不使用在负磁场的时间段中测量的值。类似地，在计算负磁场中的回归公式662时，控制器10不使用在正磁场的时间段中测量的值。然而，光源的输出的变化与磁场的变化无关，因此，如果磁场恒定，则测量值应具有仅取决于光源的输出中的变化的图案。因此，可以从断续测量的值获得合适的回归公式。

光源的输出的随时间变化是简单的，因此，如果时间短，则可以用线性函数表示，或者鉴于输出随曲率变化的原理，可以用二次函数表示。为了有效地进行算术运算并获取适当的回归公式，二次公式是优选的。可以使用其他函数，例如指数函数、对数函数，甚至是精确描述光源输出的变化的物理现象的更复杂的函数(如果适用的话)。

控制器10使用正磁场中的回归公式652和负磁场中的回归公式662，计算相同的给定时刻的正磁场和负磁场下的(预期测量)的光A和光B的量。控制器10根据计算出的光A和光B的量计算相同的给定时刻的克尔输出值。

在一示例中，控制器10使用在存在测量结果的范围内的时刻下的计算值来确定克尔输出值。这种结构与使用在存在测量结果的任何范围之外的时刻的计算值的结构相比，实现了更高的精度。可替选地，控制器10可以计算多个时刻下的值，并且将从这些值获得的克尔输出值的平均值用作要获得的克尔输出值。这种结构提高了克尔输出值的获取精度。

在图8的示例中，控制器10从在正磁场下实际测量的值651确定在正磁场中的回归公式652，并且从在负磁场下实际测量的值661确定在负磁场中的回归公式662。在另一个示例中，控制器10根据在正磁场下测量的值和在负磁场下测量的值确定零磁化下的回归公式(第三回归公式)，并基于该回归公式确定克尔输出值。

即使在零磁化下，也可以测量由光源的输出的变化引起的反射光的变化。由外部磁场引起的克尔效应被累加到反射光的这种变化中，成为在正磁场或负磁场中测得的值。实际测量数据包括由光源的输出的变化引起的变化。该示例基于该理论并确定在零磁化下要测量的值的回归公式。

在从在正磁场下测量的值和在负磁场下测量的值获得回归公式的情况下，不存在将这些回归公式关联的关系。如果仅正磁场或负磁场中的任一个具有某些特有的噪声分量，则基于其的回归公式将受到影响，从而损害测量精度。使用表示光量的平缓变化的一个回归公式确定正磁场下的光量和负磁场下的光量的模型更适当地符合物理现象；正磁场与负磁场之间的关系将较少地意外地受到噪声分量的影响。因此，该方法可以进行更精确的测量。

如果这种测量可能的话，在没有外部磁场的情况下测得的值应该是在正磁场和负磁场中同时测得的值之间的中间值。只要光源的输出以外的条件不变，即使光源的输出变化，克尔输出值也是恒定的。因此，如果已知克尔输出值，则可以获得在零磁化下测得的光量的回归公式。

描述具体过程。在一示例中，控制器10计算在正磁场下测得的有效值的平均值VA，并且进一步，计算在负磁场下测得的有效值的平均值VB。控制器10根据平均值VA和VB计算临时的克尔输出值VX。具体而言，通过(VA–VB)/((VA+VB)/2)计算临时的克尔输出值VX。临时值VX不够精确，无法用作测量值，但真实的克尔输出值X应该接近该测量值。

控制器10基于临时的克尔输出值VX和在正磁场的时间段中在正磁场下测得的值，反算在零磁化下的预期测量值。进一步，控制器10基于临时的克尔输出值VX和在负磁场的时间段中在负磁场下测得的值，反算在零磁化下的预期测量值。

控制器10根据获得的在零磁化中测得的值计算回归公式，并计算残差平方和。控制器10搜索残差平方和取最小值的克尔输出值。检测到的克尔输出值是要获得的适当的克尔输出值。

图9示出了在正磁场下实际测量的值671、在负磁场下实际测量的值681、基于通过前述方法获得的适当的克尔输出值计算出的在零磁化下的预期测量值691及其回归公式692的示例。在该示例中，一个回归公式692表示来自光源的光量的平缓变化，并且一定水平的克尔效应作用于回归公式692以变为实际测量值。因此，这是一种更符合物理模型以处理测量数据的方法。

接下来，描述一种当光源被点亮时减小光源的输出的初始大幅变化的方法。如上所述，诸如LD或LED的光源的输出在光源被点亮后的几十秒内显著地变化。即使测量方法允许平缓的输出变化，减小这种大幅变化仍能够实现更精确的测量。

光源的控制

图10示出了用于光源的驱动电流的随时间变化的示例。在光源被点亮时开始的DC点亮时间段701中，恒定的直流电流被供给光源。DC点亮时间段701之后是闪烁时间段(测量时间段)702。在闪烁时间段702中，上述的交流脉冲调制电流被提供给光源。控制器10控制逆变器302以使来自恒流电源301的DC电流反转，并且将交变的矩形波电流供应给磁场产生器303。

控制器10在闪烁时间段702内测量被薄膜传感器51反射的光量。以这种方式，控制器10在开始使用于测量的光源闪烁之前，用恒定的直流电流点亮光源。用DC电流进行的点亮立即切换为闪烁而没有停顿。该控制使得能够减小在光源被点亮时光源的输出的初始变化。换言之，可以以仅在开始测量时接通光源的方式使用光源。

图11提供了在休息了足够长的时间的光源被接通并且在被切换到脉冲恒定电流驱动(50％的占空比)之前被提供0秒至10秒的不同的DC点亮(老化)时间段的情况下光源输出的比较结果。图11未示出老化时间段期间的输出值。DC老化时间段越长，恒流驱动所特有的紧接点亮后的输出下降的趋势就越缓和。由于该效应的程度随着光源元件的特性和驱动电流而变化，因此，根据元件和驱动电流来调整DC老化时间段，以获得期望的特性。取代DC点亮，可以通过使脉冲具有比测量时间段中的脉冲更大的占空比来获得相同的老化效应。

在上述结构中，控制器10将具有相同强度和相反方向的磁场交替地施加到薄膜传感器51。磁场具有足以使薄膜传感器51的磁性金属层521的磁化饱和的强度。测量所需的磁性金属层521的磁化状态仅是在正方向和负方向上的饱和状态。中间磁化状态不是必需的，因此，不需要逐渐改变施加的磁场强度的操作。出于该原因，控制器10执行操作以反转并施加具有足以使磁性金属层521的磁化饱和的强度的磁场。

控制器10使LD 202闪烁以执行被薄膜传感器51反射的光的量的同步测量(锁相测量)。磁场的反转周期充分长于LD 202的闪烁周期。控制器10以比磁场的反转周期足够短的间隔读取反射光的量。换言之，在将正磁场或负磁场保持在特定强度的每个时间段中，控制器10都获取在多个时刻测量的值。

控制器10从有效值中排除在磁场反转的过渡时间段中测量的值和随后的直至锁相放大器403的输出稳定的时间段中测量的值。确定磁场的反转频率和光的调制频率，使得无论是正磁场还是负磁场，在磁场稳定的时间段期间，都可以从锁相放大器403获得稳定的输出。控制器10多次重复磁场的反转，并且在磁场和锁相放大器的输出稳定的时间段内反复获取测量值。

控制器10根据在正磁场和负磁场下测量的反射光量的有效值，确定零磁化中的回归公式或正磁场和负磁场中的回归公式。控制器10使用零磁化中的回归公式、或正磁场和负磁场中的回归公式，确定克尔输出值。

如上所述，在光源的输出平缓变化并且不可以进行正磁场和负磁场下的同时测量的条件下，本实施方式可以在光源的输出相同时，同时获得在正磁场和负磁场下的预期测量值，因此，可基于计算出的值获得克尔输出值。

使用锁相放大器进行同步测量提高了S/N比，并且在没有光学带通滤波器的情况下实现了实际充分的测量精度。由于在光源闪烁的情况下执行同步测量，因此与直流点亮相比，电力消耗降低了与闪烁中的未点亮时间段相对应的量。

本实施方式不需要通过长时间点亮光源来稳定光源的输出。减少了直到测量为止的等待时间，从而节省了电力消耗，因此，该特征对于使用电池操作的便携式装置特别有效。由于本实施方式需要较短的点亮时间段，所以可以延迟光源性能的下降，从而为设备提供长寿命。感测元件中的磁性膜仅提供有使其磁化饱和的强度的正磁场和负磁场，而不提供中间磁场，因此，可以加快测量速度并节省电力消耗。

如上所述，已经描述了本发明的多个实施方式；然而，本发明不限于上述的实施方式。本领域技术人员可以在本发明的范围内容易地修改、添加或转换上述实施方式中的每个要素。一个实施方式的结构的一部分可以被另一实施方式的结构代替，或者一个实施方式的结构可以被并入到另一实施方式的结构中。

Claims (11)

1.一种磁光测量设备，包括：

光源；

薄膜传感器，所述薄膜传感器包括磁性膜并且被配置为反射来自所述光源的光；

磁场产生装置，所述磁场产生装置被配置为对所述薄膜传感器施加磁场；以及

控制器，

其中，所述磁场产生装置被配置为向所述薄膜传感器交替地提供正磁场和负磁场，以在所述磁性膜中交替地引起幅度相等但方向相反的正磁化和负磁化，并且

其中，所述控制器被配置为：

在所述正磁场下在多个时刻测量被所述薄膜传感器反射的光量；

在所述负磁场下在多个时刻测量被所述薄膜传感器反射的光量；

根据在所述正磁场下在所述多个时刻测量的值和在所述负磁场下在所述多个时刻测量的值，确定一个或多个回归公式；以及

基于所述一个或多个回归公式确定特定输出值。

2.根据权利要求1所述的磁光测量设备，其中，所述正磁场和所述负磁场中的每一个使所述磁性膜的磁化饱和。

3.根据权利要求1所述的磁光测量设备，

其中，所述正磁场下的所述多个时刻包括用于施加所述正磁场的多个单位时间段内的时刻，并且

其中，所述负磁场下的所述多个时刻包括用于施加所述负磁场的多个单位时间段内的时刻。

4.根据权利要求1所述的磁光测量设备，其中，所述控制器被配置为：

根据在所述正磁场下在所述多个时刻测量的值确定第一回归公式；

根据在所述负磁场下在所述多个时刻测量的值确定第二回归公式；

使用所述第一回归公式计算在特定时刻在所述正磁场下反射的光量的第一值；

使用所述第二回归公式计算在所述特定时刻在所述负磁场下反射的光量的第二值；以及

基于所述第一值和所述第二值确定所述特定输出值。

5.根据权利要求1所述的磁光测量设备，其中，所述控制器被配置为：

根据在所述正磁场下在所述多个时刻测量的值以及在所述负磁场下在所述多个时刻测量的值，确定所述磁性膜未被磁化时的预期反射光量的第三回归公式；以及

使用所述第三回归公式确定所述特定输出值。

6.根据权利要求1所述的磁光测量设备，

其中，所述控制器被配置为使所述光源周期性地闪烁并且执行被所述薄膜传感器反射的光量的同步测量，并且

其中，所述光源的闪烁周期比所述磁场产生装置的磁场反转周期短。

7.根据权利要求6所述的磁光测量设备，其中，所述控制器被配置为在使所述光源周期性地闪烁之前，以恒定电流点亮所述光源预定时间段。

8.根据权利要求1所述的磁光测量设备，其中，所述磁场产生装置通过改变向线圈供给的恒定电流的方向来产生所述正磁场和所述负磁场。

9.根据权利要求1所述的磁光测量设备，其中，所述控制器被配置为在所述一个或多个回归公式的确定中，排除在所述磁场产生装置改变磁场方向之后在预定时间段内测量的反射光量的数据。

10.根据权利要求1所述的磁光测量设备，其中，所述控制器被配置为在所述光源的输出变化的时间段期间测量被所述薄膜传感器反射的光量。

11.一种磁光测量方法，包括：

向薄膜传感器的磁性膜交替地提供正磁场和负磁场，以在所述磁性膜中交替地引起幅度相等但方向相反的正磁化和负磁化；

在所述正磁场下在多个时刻测量被所述薄膜传感器反射的光量；

在所述负磁场下在多个时刻测量被所述薄膜传感器反射的光量；

根据在所述正磁场下在所述多个时刻测量的值和在所述负磁场下在所述多个时刻测量的值，确定一个或多个回归公式；以及

基于所述一个或多个回归公式确定特定输出值。

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