CN1305586A - 测定偏振光的(主)偏振面到约0.1m°的偏振测量方法和实现此方法的可小型化的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于非常精确地确定偏振光的偏振面的一种方法和一种装置,按此方法,光源(1)的光线被偏振,这借助于一个偏振滤光器(2)实现,它相对于第一个参考面—在反射表面(4)上的入射面—有一个确定的调整角θo。穿过测量室(3)中测试体的偏振射线(12)改变旋转角一个小的角度θ_MG。θ_o和θ_MG的和给出旋转角θ_e,由测量室走出的射线(13)以此角度在一个光学密集介质的表面(4)上部分地被反射。接着被反射的部分射线在一个偏振棱镜(5)中分裂成两个部分射线(15a:非正常射线;15b:正常射线),它们的偏振面严格地相互垂直。棱镜的参考面—正常射线的偏振面—相对于第一个参考面有一个确定的调整角(θ^*)。两个部分射线的强度Ⅰ_o和Ⅰ_a被检测器(6a,6b)以光电方法确定,并且构成测得强度的比值(Q)(比值构成器:8)。

Description

测定偏振光的(主)偏振面到约0.1m° 的偏振测量方法和实现此方法的可小型化的装置

本发明涉及权利要求1的前序部分所述的方法和实现它的、如权利要求10的前序部分所述的装置。人类的糖尿病(Diabetes mellitus)通过人体中葡萄糖(Glukose)新陈代谢规律的被破坏来识别，它持续地或偶发性地提高(高血糖)，而在感染时也突然严重降低(低血糖)血液中这种物质的浓度(Spiegeln)和在人体中的流动性。过高的血糖指标首先在血液指标上引起一系列疾病性变化，然后部分地呈现外部症状-如失明，肾功能损失，心肌梗塞以及肢体萎缩(坏死)，低血糖指标主要导致神经元不可逆的降低。糖尿病的治疗要求连续地调节血糖指标到正常值范围内，并且至少在症状严重时，在过高的血糖值时服用荷尔蒙胰岛素，其作用是降低人体中的血糖指标，并且另一方面在低血糖时服用葡萄糖。注射的胰岛素或服用的必要的葡萄糖的量与血糖浓度有关，在疗程中按天变化。所以这个浓度必须由患者自己经常按天测量，然而尤其在睡眠时这是不可能的。目前医学上几乎全部采用生化方法测量血糖浓度，它需要新鲜血样-大多数从手指尖上取，它增添了一个新的伤口-并且提供相应的时间值。目前尚不存在对患者最友好和有助的方法来不断持续地测量实时血糖浓度，其测量具有长期的精度。

以下对现有技术的说明来自最新的研究成果，发表在德国糖尿病协会33周年纪念(莱比锡，1998年5月)以及以前的专利。

所谓生化方法通过固定所用酶在一个植入体内的探针中而被应用，这方面的研究至今仅获得部分成功。酶由于身体流动性而失去其功能，最迟在一天之后必须更换探针。所以现在不考虑植入，而仅考虑可插入传感器模式，它也存在有长期经常固有的伤口(插入位置)这一缺点。适合于植入的仅是这样的检测器，它的工作基于物理测试方法，因为也许只有这种检测器才能长期稳定。

开发通过皮肤(穿刺)用光学方法测量的传感器的研究目前离应用阶段还较远，它的工作基于吸收或散射光照相或谱记录，首先主要是借助于红外线。

在一种合适的物理方法的基础上可以开发出一种植入的血糖计，这种方法是光旋转，即偏振光通过有源物质时偏振面旋转，溶解的血糖也是这种物质：在身体的水分中它支配光旋转。这里旋转的程度不仅取决于物质的浓度，而且也决定于光线通过溶液的路径长度。因此物质浓度可由旋转角确定。但是如果像体内血糖那样，被测物质的浓度很小，则必须或者以合适的方法延长光路，以加大旋转角，或者/并且提高传感器的测量灵敏度。如果测量装置应该是微型的，这两种方法都带来问题。本发明的目的在于给出一种确定非常小的旋转角的方法，其特性足以用于开发一种植入体内的血糖计。

DE 2724543 C2描述了一种测量血糖的偏振仪。其工作原理是一面部分可透射的镜子通过反射和传输产生两部分射线，从这两部分射线(“参考线”和“主射线”)的光强度得到其差值作为对旋转角的测量数据。但是这个差值与测试光线的总强度有关，因而其波动对测试信号构成一个重要的干扰。

EP 0030610 B1包含DE 2724543 C2的进一步发展，它是一个用以确定小旋转角的偏振仪(由它可开发血糖计)。该方法基于偏振光射线在一个光学紧密的介质(例如一个平面平行的板)，发射的和折射的部分射线的强度被用作测量数据。为了达到附加的(局部的)分析器功能，所用的入射角在全反射边界角和偏振角之间。在射线分配器之后还对两个部分射线的每一个设置一个偏振滤光器。这样实现具有总强度分配的信号进一步处理。

EP 0123057 A1和EP 0153313 B1描述了构成偏振仪的一种方法，一个光学的线条光栅用作射线分配器，它产生多个部分射线。一个与探头送出的光的偏振面相关的信息由被检射线通过一个作为分析仪使用的偏振滤光器后降低了的光强度给出。由强度检测器在参考射线和被检射线得出的信号构成一个比值，作为被检射线-检测器信号的相对信号，以消除变化的总光线强度的干扰影响。

US 4467204公开了一种用于精确确定偏振光的偏振面的方法和装置。其光源仅为IR光，但用于光学放大的反射表面并未公开。US4988199公开了一个微型结构，然而其中同样没有公开反射表面。虽然没有收集到最近日期，至今没有专利开发出可以公开的技术发展。上述方法看来不能满足下述的要求。

下面给出对基于偏振计的可植入体内的血糖计的要求或期望值：

-血糖计应尽可能地能精确确定偏振光的偏振面到0.3m°(m°为毫度)

(通过生理浓度(约1000mg/L)的血糖在医学可实现的直线光学路径长度为3cm时总的光旋转约为10m°∶0.3m°不精确性在此血糖浓度下对应于30％的相对误差。)

-血糖计应最好不包含活动部分，因为机械运动产生磨损，它会引起功能性故障。

-最后，血糖计信号不能受测量件的光学透射性能的影响，因为人体的流动性会持续地改变其采光情况，例如在黄疸病的情况下。因此必须存在一种有效的偏振测量方法而不是偏振强度光电测量方法。

在权利要求1的特征部分说明的方法解决了以上问题，它满足上述要求，并且其技术实施是可微型化的，在权利要求9的特征部分说明了实现此方法的装置。这种毫度偏振仪可被开发为一个可植入体内的血糖计。

本发明通过组合一个两级的测量值放大和测量值检测方法和接着的一个专用信号处理来解决以上问题。在进行测量值放大的第一级中测量射线在一个合适的表面上的一次反射或也可是多次相继进行的多次反射放大了光旋转的测量值，在第二级中通过在一个偏振棱镜中的射线分配实现总光强的(正交)分量的检测，其测量信号接着用电子方法被处理为一个与测量件的光吸收无关的比值，它作为光旋转的一个再次被放大的测量结果。

第一级放大：如果线偏振光射线(例如，穿过光学有源介质后)不精确垂直于光学密集的介质(例如具有一个折射率的玻璃的表面，它比表面前面的介质的折射率大)，此射线大多数情况下被分成为一个反射的和一个折射的部分射线。

矢量分量Ee_‖和Ee,_⊥(_‖表示平行的分量，_⊥表示垂直的分量，两者均相对于入射面)是以任意旋转角(θe)相对入射面(或反射面)入射的线偏振光的电场强度Ee的分量，它们是相位耦合的。由三角函数定义，有以下关系：

Ee,_‖=Ee·cosθe,Ee,_⊥=Ee·sinθe,Ee,_⊥/Ee,_‖=tanθe

此外，在入射角α(入射铅垂线与入射光之间的角度)下反射之后反射的部分射线中电场强度Er的反射分量Er,_‖和Er,_⊥重又合成为一个合成振动

Er,_‖=Er·Cosθr,Er,_⊥=Er·Sinθr,Er,_⊥/Er,_‖=tanθr

θr：电场强度Er和反射面间的角度。

反射光射线电场强度分量的反射系数d_‖(等于Er,_‖/Ee,_‖)和d_⊥(等于Er,_⊥/Ee,_⊥)以现有方式(BERG-MANN & SCHFER，实验物理教材，第三册-光学，DeGruyter,1978)由入射角α决定。由此有

tanθr=(d_⊥/d_‖)·tanθe=C·tanθe

对于偏振角α_p(在此角度下反射光严格垂直于入射面线偏振，并且因子C无限大)附近区域内的入射角α，因子C取很大的值。此外因为反射光的总强度随角度α增大而增大(即在较小的测量装置中强度降低)，入射角α＞α_p被选取在α_p附近范围内。

由以上等式也得到以下反射光(θr)或入射光(θe)偏振面与入射面的角度之间的关系：

θr=arctan(C·tanθe)

装置的灵敏度是此函数的一阶导数：

dθr/dθe=C[(1+C²·tan²θe)·Cos²θe]^-1

由因子C(=C(α))决定并且仅受后接强度检测和信号处理的信噪比的限制，当旋转角θe接近零时它可以被选得很大。

第二级放大，检测和精密偏振测量的实现：本发明中信号灵敏度的进一步提高以及无活动部分的检测利用一个偏振-射线分配器(一个偏振-棱镜)实现。光线在这个棱镜中分成两个部分射线(正常射线和非正常射线)，它们的偏振面相互垂直。这些部分射线的强度被测量并且求出它们的比值，接着借助于校正曲线求出偏振面的旋转。进入棱镜的光线的偏振面和棱镜不反射地穿过的正常射线的偏振面之间的角度用θ_E表示。对于它，极端值被选择，即选择接近(+/-)90°或0°的角度，最好与这些值的偏离小于10°。这些极端值的选择如此实现，使得比值Q(θ_E)的分子相对于分母大得多，

Q(θ_E)≡I_O(θ_E)/I_a(θ_E)    _o(θ_E)＞I_a(θ_E)

Q(θ_E)≡I_a(θ_E)/I_o(θ_E)    I_o(θ_E)＜I_a(θ_E)

I_O：正常射线的光强度

I_a：非正常射线的光强度

即对于0°附近的θ_E，光强度Io比Ia大很多，对于(+/-)90°附近的θ_E，光强度Ia比Io大很多。调整角度θ_E到极端值以及由此而获得的比值Q的增大导致一个大的信号放大，这使确定非常小的角度成为可能，此外，比值具有要求的特性，它是一个信号，与总的光强度的变化无关，总的光强度由灯功率的波动或由测量件光透射率的改变而引起。

对于(+/-)90°附近的θ_E，有

Q(θ_E)=Ia(θ_E)/Io(θ_E)=(Imax·Sin²θ_E)/(Imax·Cos²θ_E)＝tan²θ_E

其中Ia=非正常射线的强度

Io=正常射线的强度

Imax=强度的最大值

(对于0°附近的θ_E(正或者负值)有完全类似的公式：

Q(θ_E)=Cot²θ_E此类似的情况在后面不再确切地陈述。)

将上面说明的通过反射测量值放大的两步组合起来，得到：

θ_E=θr+θ^*=arctan(c·tanθe)+θ^*其中θ^*是第一和第二放大级的参考面之间的角度。因此，

Q(θ_E)=tan²(arctan(c·tanθe)+θ^*)对于导数dQ/dθe及总装置的灵敏度，有

dQ/dθe=2·tan{arctan(C·tanθe+θ^*}·(Cos²{arctan(C·tanθe)+θ^*})^-1·(1+C²·tan²θe)^-1·C·(Cos²θe)^-1

dQ/dθe值确定灵敏度，被测体的旋转角度可以此灵敏度被确定。显然此灵敏度决定于因子C和三角函数。结果是它既可以通过选择因子C(通过反射的入射角α)，也可以通过选择角度θ_e和θ^*进行调整和最佳化。

另一个普遍知道的提高灵敏度的途径是通过在其进入被测体之前对光线调制(例如幅度或/和频率调制，例子是光源是被一振荡器控制的激光二极管)并且比值信号被相应地解调(例如通过一个“锁定”放大器)。

此外另一个用于补偿被测体中吸收效应和光源射出光线总强度的波动的参考信号可如此得到：在第一级放大(在一个表面反射)时不是被反射而是被折射的，以及通过玻璃入射的部分射线的强度同样被检测。所有三个检测信号的和可被用于反馈到光源的供电。

上面说明的方法满足上面提到的对用于开发可植入体内的血糖计的微型偏振仪的所有要求。尤其是由于构成比值，角度信号不依赖于在被测体内的光线吸收。

为确定旋转角所需的校正曲线Q=f(θ_e)可用简单的方法产生：包含被测体的圆器皿被一个可旋转的偏振滤光器代替，这个滤光器旋转一个小的值，例如10m°，并且求出相应的比值。

为详细说明本发明，下面借助于图1所示简图详细说明可用于实现本发明方法的装置。

光源(1)的光线借助于一个与第一个参考面，即反射表面(4)上的入射面，有一个确定的调整角θ₀的偏振滤光器(2)而被偏振。被偏振的射线(12)在测量室(3)中穿过被测体，同时旋转角变化一个小的角度θ_MG。θ₀与θ_MG之和给出旋转角θ_e，从测量室走出的射线(13)在一个光学紧密介质(4)的表面上以这个旋转角部分地被反射。接着此反射的部分射线在一个偏振棱镜(5)中分裂成两个部分射线(15a：非正常射线；15b：正常射线)，棱镜的参考面，即正常射线的偏振面，与第一个参考面之间有一个确定的调整角(θ^*)，两个部分射线的偏振面精确地相互垂直。两个部分射线的强度I_o和I_a被检测器(6a,6b)用光电方法确定，并且构成测得强度的比值(Q)(比值构成器：8)。

偏振光(12)可被一个调制器(9；例如光源是一个激光二极管，它被一个振荡器(9)控制)调制，并且比值信号被相应地解调(10，例如被一个“锁定”放大器)。

在第一级放大(在一个表面上反射)时不是被反射，而是被折射以及通过玻璃进入的部分射线(15C)的强度可同样被检测(检测器：6C，放大器：7C)。

为实现本发明方法所用的装置被简要地示在图2中。

光源(1)是一个非偏振的绿色氦氖激光器(“模块1652”，UNIPHASE，慕尼黑)，它具有543.5nm的波长和0.25mW的功率。其后设置的偏振滤光器(2；“PW44”,B+W-滤光器厂，BadKreuznach)被调整到对入射平面的角θ_e=0.1°。反射表面(4)属于由玻璃“BK-7”(SPINDLER & HOYER,Gttingen)制成的棱镜，其表面法线与入射光射线构成60°的角α。后面的射线分配棱镜(5；具有两个出口窗的GLAN激光偏振棱镜)分裂反射的部分射线，其中正常射线(15b)的偏振面和入射光线(14)的偏振面在所谓的基础调整中构成15.0°的角。两个硅光电二极管(“S3399,HAMAMATSU,Herrsching)作为检测器(6a和6b)，其光电电流被后接的电流放大器(7a和7b；“模块DLPCA-1000”，FEMTO，柏林)放大。信号收集和计算(比值构成；8)由一个PC-测试卡(“PCI-9111多功能卡”，ADLINK，台湾)完成，它有一个16位的模/数变换器。

作为例子的装置对于具有低浓度的测试体也给出很精确的测量结果。图3示出该装置的校正曲线，它从输出角θe=0.1°开始。通过测量，对于在校正曲线范围内的被确定的角度θ_MG有约1m°的绝对误差。

上述误差可以通过众所周知的光射线调制和相应的终端信号解调进一步降低约一个数量级。

可以与其它“坚实的(kompakt)”延长光学路径方法(DE19727679.2)相结合，该组合也满足对基于偏振仪构成的可植入体内的血糖计的所有前述要求。

Claims (14)

1．非常精确地确定偏振光的偏振面的方法，其特征在于，被确定值-偏振面和一个参考面间的角度-通过测量射线在一个或多个表面上的反射而被光学放大，光射线分裂为多个部分射线，部分射线的光强度被测量，并且这些部分射线的强度之比值被构成起校准作用的测试信号。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，入射到反射表面(4)上的偏振光(13)的入射角α在偏振角α_p附近，并且α最好略大于α_p。

3．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，入射到反射表面(4)上的偏振光(13)的偏振面和由入射的和出来的射线确定的反射面之间的角尽可能地小。

4．如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，进入偏振棱镜(5)的偏振光(14)的偏振面和走出的正常射线的偏振面之间的角最好有近似0°或近似(+/-)90°的值。

5．如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，反射表面(4)的反射面和离开偏振棱镜(5)的正常的部分射线的偏振面之间的角可以被调整，以使信号最佳化。

6．如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，可见光或近红外线及相应射线源(1)被应用。

7．如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，光射线还被调制，并且作为结果的信号被相应解调。

8．如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在一个表面上反射时不是被反射，而是被折射的以及通过玻璃进入的部分射线的强度也被检测，并且作为附属的参考信号被应用。

9．借助于将测量结果与一个校准曲线进行比较来非常精确地确定偏振光的(主)偏振面的装置，它由以下部件组成：一个光源(1)，一个偏振滤光器(2)，一个具有测试体的测量室(3)，一个具有反射表面(4)的构件，一个偏振棱镜(5)，用于测量部分射线的光强度的检测器(6a,6b)，检测信号放大器(7a,7b)和一个比值构成器(8)。

10．如权利要求9所述的装置，其特征在于，测试体之前的光射线被一个调制器(9)调制，并且在终端作为结果的比值信号被一个解调器(10)相应解调。

11．如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，在反射表面被折射的射线(15c)的强度被检测(6c,7c)，并且作为附属的参考信号被应用。

12．如权利要求11所述的装置，其特征在于，光源(1)是一个激光二极管，它由一个振荡器(9)控制。

13．如权利要求12所述的装置，其特征在于，解调器(10)是一个“锁定”放大器。

14．如权利要求9至13中任一项所述的装置，其特征在于，它是微型结构并且尤其可以作为血糖计被植入体内。

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