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1. GEBIET
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Messvorrichtung
zum Messen der physikalischen Menge einer bestimmten Komponente, die
in einer zu messenden Substanz enthalten ist, und auf ein Verfahren,
das durch eine derartige Vorrichtung verwendet wird.
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2. BESCHREIBUNG DES TECHNISCHEN
GEBIETS
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Ein
Verfahren zum Messen einer physikalischen Menge durch die Verwendung
der Lichtinterferenz ist bekannt, siehe z. B.
US 4842408 A . Die physikalischen
Mengen umfassen z. B. die Verschiebung eines Objekts, das Oberflächenprofil
eines Objekts, die Doppelbrechung einer Substanz, die die Doppelbrechungseigenschaft
besitzt, und die Konzentration einer wässrigen Lösung einer Substanz, die Drehvermögen besitzt.
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Das
Verfahren nach
US 4842408
A verwendet die Tatsache, dass zwischen der Phase des überlagernden
Interferenzlichts und der physikalischen Menge einer bestimmten
Komponente, die ein Gegenstand der Messung ist, eine Beziehung vorhanden
ist. Das Verfahren enthält
das Umsetzen des Interferenzlichts in ein elektrisches Signal und
das Bestimmen der physikalischen Menge der bestimmten Komponente
durch das Messen der Phase des elektrischen Signals. Die physikalische
Menge wird durch das Messen einer Verschiebung der Phase des Messlichts
von der Phase eines bekannten Referenzlichts (d. h. der Phasendifferenz
zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht) bestimmt.
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Im
Allgemeinen wird die Phasendifferenz zwischen dem Referenzlicht
und dem Messlicht durch die Änderung
der zu messenden physikalischen Menge beeinflusst. Wie die Änderung
der physikalischen Menge größer wird,
wird die Phasendifferenz größer. Die
Phasendifferenz ist jedoch normalerweise äußerst klein. Es ist deshalb
ein Phasendifferenzmesser mit einer äußerst hohen Genauigkeit erforderlich,
um die Änderung
der physikalischen Menge mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit zu
messen.
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Die
Grenze der Auflösung
eines Phasendifferenzmessers beträgt im Allgemeinen elektrisch 0,1° bis 0,01°. Eine Phasendifferenz
unter der obigen Grenze kann nicht gemessen werden. Es ist deshalb nicht
möglich,
eine sehr kleine Änderung
der physikalischen Menge durch das herkömmliche Verfahren zu messen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
optische Messvorrichtung dieser Erfindung zum Messen einer physikalischen
Menge einer bestimmten Komponente, die in einer zu messenden Substanz
enthalten ist, indem Messlicht verwendet wird, das durch die zu
messende Substanz verläuft, und
indem vorgegebenes Referenzlicht verwendet wird, umfasst: erste
Interferenzmittel, um ein erstes Lichtinterferenzsignal zu erhalten,
indem das Messlicht zur Interferenz gebracht wird; zweite Interferenzmittel,
um ein zweites Lichtinterferenzsignal zu erhalten, indem das Referenzlicht
zur Interferenz gebracht wird; einen ersten photoelektrischen Umsetzungsabschnitt,
um das erste Lichtinterferenzsignal in ein erstes elektrisches Signal
umzusetzen; einen zweiten photoelektrischen Umsetzungsabschnitt,
um das zweite Lichtinterferenzsignal in ein zweites elektrisches
Signal umzusetzen; einen ersten Phasenerweiterungsabschnitt, um
eine Phase des ersten elektrischen Signals zu erweitern; einen zweiten
Phasenerweiterungsabschnitt, um eine Phase des zweiten elektrischen
Signals zu erweitern; einen Phasendifferenz-Messabschnitt, um eine
Phasendifferenz zwischen einer durch den ersten Phasenerweiterungsabschnitt
erweiterten Phase und einer durch den zweiten Phasenerweiterungsabschnitt
erweiterten Phase zu messen; und einen Abschnitt zum Bestimmen einer
physikalischen Menge, um die physikalische Menge der bestimmten
Komponente, die in der zu messenden Substanz enthalten ist, in Abhängigkeit
von der durch den Phasendifferenz-Abschnitt gemessenen Phasendifferenz
zu bestimmen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung verläuft
das Referenzlicht durch eine Referenzsubstanz.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst der erste Phasenerweiterungsabschnitt wenigstens
eine erste Multiplikationsschaltung, um das erste elektrische Signal
zu multiplizieren, und umfasst der zweite Phasenerweiterungsabschnitt
wenigstens eine zweite Multiplikationsschaltung, um das zweite elektrische
Signal zu multiplizieren.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst die erste Multiplikationsschaltung einen ersten
Multiplizierer zum Erweitern einer Frequenz und ei ner Phase des
ersten elektrischen Signals, einen ersten Verstärker zum Verstärken eines Ausgangssignals
des ersten Multiplizierers sowie einen ersten Signalformprozessor
zum Extrahieren eines Signals mit einer vorgegebenen Frequenz aus
einem Ausgangssignal des ersten Verstärkers, um Rauschen zu entfernen,
und umfasst die zweite Multiplikationsschaltung einen zweiten Multiplizierer
zum Erweitern einer Frequenz und einer Phase des zweiten elektrischen
Signals, einen zweiten Verstärker zum
Verstärken
eines Ausgangssignals des zweiten Multiplizierers sowie einen zweiten
Signalformprozessor zum Extrahieren eines Signals mit vorgegebener
Frequenz aus einem Ausgangssignal des zweiten Verstärkers, um
Rauschen zu entfernen.
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Gemäß einem
erweiterten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Messverfahren
zum Messen einer physikalischen Menge einer bestimmten Komponente,
die in einer zu messenden Substanz enthalten ist, indem Messlicht
verwendet wird, das sich durch die zu messende Substanz bewegt,
und indem vorgegebenes Referenzlicht verwendet wird, geschaffen.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Erhalten eines
ersten Lichtinterferenzsignals, indem das Messlicht zur Interferenz
gebracht wird; b) Erhalten eines zweiten Lichtinterferenzsignals,
indem das Referenzlicht zur Interferenz gebracht wird; c) Umsetzen
des ersten Lichtinterferenzsignals in ein erstes elektrisches Signal;
d) Umsetzen des zweiten Lichtinterferenzsignals in ein zweites elektrisches
Signal; e) Erweitern einer Phase des ersten elektrischen Signals;
f) Erweitern einer Phase des zweiten elektrischen Signals; g) Messen
einer Phasendifferenz zwischen einer im Schritt e) erweiterten Phase
und einer im Schritt f) erweiterten Phase; und h) Bestimmen der
physikalischen Menge der bestimmten Komponente, die in der zu messenden Substanz
enthalten ist, in Abhängigkeit
von der im Schritt g) gemessenen Phasendifferenz.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung verläuft
das Referenzlicht durch eine Referenzsubstanz.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Schritt e) den folgenden Schritt: i) Multiplizieren
des ersten elektrischen Signals mit sich wenigstens einmal und umfasst
der Schritt f) den folgenden Schritt: j) Multiplizieren des zweiten
elektrischen Signals mit sich wenigstens einmal.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Schritt i) die folgenden Schritte: Erweitern
einer Frequenz und einer Phase des ersten elektri schen Signals durch
Verwenden eines ersten Multiplizierers; Verstärken eines Ausgangssignals
des ersten Multiplizierers durch Verwenden eines ersten Verstärkers; und
Extrahieren eines Signals, das eine vorgegebene Frequenz besitzt,
aus einem Ausgangssignal des ersten Verstärkers, um Rauschen zu entfernen,
und umfasst der Schritt j) die folgenden Schritte: Erweitern einer
Frequenz und einer Phase des zweiten elektrischen Signals durch Verwenden
eines zweiten Multiplizierers; Verstärken eines Ausgangssignals
des zweiten Multiplizierers durch Verwenden eines zweiten Verstärkers; und
Extrahieren eines Signals, das eine vorgegebene Frequenz besitzt,
aus einem Ausgangssignal des zweiten Verstärkers, um Rauschen zu entfernen.
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Folglich
macht die hierin beschriebene Erfindung die Vorteile (1) Schaffen
einer optischen Messvorrichtung mit einer verbesserten Messgenauigkeit, die
eine sehr kleine Änderung
einer physikalischen Menge messen kann, und (2) Schaffen eines optischen
Messverfahrens, das durch eine derartige Vorrichtung verwendet wird,
möglich.
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Diese
und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für die Fachleute
auf dem Gebiet beim Lesen und Verstehen der folgenden ausführlichen
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung offensichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 veranschaulicht
eine Konfiguration einer optischen Messvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 veranschaulicht
die Konfigurationen der Phasenerweiterungsabschnitte für das Messlicht und
das Referenzlicht der Vorrichtung.
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3 veranschaulicht
die Konfigurationen der Multiplikationsschaltungen für das Messlicht
und das Referenzlicht der Phasenerweiterungsabschnitte der Vorrichtung.
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4 veranschaulicht
die Signalformen der Signale, die in die Multiplikationsschaltungen
für das Messlicht
und das Referenzlicht eingegeben werden.
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5 veranschaulicht
die Signalformen der Signale, die aus den Multiplikations schaltungen
für das
Messlicht und das Referenzlicht ausgegeben werden.
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6 ist
eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Phasendifferenz
zwischen den in die Phasenerweiterungsabschnitte eingegebenen Signalen
und der Phasendifferenz zwischen den aus den Phasenerweiterungsabschnitten
ausgegebenen Ausgangssignalen zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beigefügte
Zeichnung beschrieben.
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1 veranschaulicht
eine Konfiguration einer optischen Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die optische Messvorrichtung 100 enthält die Lichtquellen 1 und 2,
einen Strahlteiler 3, einen Spiegel 4, die Probenzellen 6m und 6r, die
Polarisationsplatten 7m und 7r, die Photodioden 8m und 8r,
die Verstärker 9m und 9r,
die Mischer 10m und 10r, einen elektrischen Messsender 11,
die Phasenerweiterungsabschnitte 12m und 12r,
einen Phasendifferenzmesser 13 und einen Abschnitt 14 zum
Bestimmen der physikalischen Menge.
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Die
Lichtquellen 1 und 2 emittieren Lichtstrahlen.
Ein von der Lichtquelle 1 emittierter Strahl und ein von
der Lichtquelle 2 emittierter Strahl besitzen Frequenzen,
die voneinander verschieden sind, wobei sie in Richtungen polarisiert
sind, die um 90° voneinander
getrennt sind. Die Lichtquelle 1 emittiert z. B. einen
Strahl mit einer Frequenz f0, der in der
horizontalen Richtung polarisiert ist, während die Lichtquelle 2 einen
Strahl mit einer Frequenz f0 + Δf emittiert,
der in der vertikalen Richtung polarisiert ist. Die von den Lichtquellen 1 und 2 emittierten
Strahlen fallen auf den Strahlteiler 3.
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Der
Strahlteiler 3 teilt die Strahlen von den Lichtquellen 1 und 2 in
das Messlicht und das Referenzlicht. Das resultierende Messlicht
und das resultierende Referenzlicht enthalten jeweils eine horizontal
linear polarisierte Lichtkomponente mit einer Frequenz f0 und eine vertikal linear polarisierte Lichtkomponente
mit einer Frequenz f0 + Δf. Diese linear polarisierten
Lichtkomponenten sind kohärente
Komponenten.
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Die
Probenzelle 6m, die Polarisationsplatte 7m und
die Photodiode 8m sind im optischen Weg für das vom
Strahlteiler 3 ausgegebene Messlicht angeordnet. Das Messlicht
verläuft
durch die Probenzelle 6m, die eine zu messende Substanz
speichert. Dann verläuft
das Messlicht durch die Polarisationsplatte 7m, wo die
horizontal linear polarisierte Lichtkomponente und die vertikal
linear polarisierte Lichtkomponente einander überlagert werden, damit sie
miteinander interferieren. Im Ergebnis wird ein Lichtinterferenzsignal
Im mit einer Frequenz Δf und einer Phase Φm als das Ausgangssignal der Polarisationsplatte 7m erhalten.
Die Phase Φm hängt
sowohl von der Phasendifferenz zwischen der horizontal linear polarisierten
Lichtkomponente und der vertikal linear polarisierten Lichtkomponente
als auch der durch die Art der zu messenden Substanz verursachten
Phasendifferenz ab.
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Das
Lichtinterterenzsignal Im wird durch den Ausdruck
(1) im Folgenden dargestellt: Im = Am·Sin[ωt + Φm], (1)wobei Am die Amplitude des Lichtinterferenzsignals
Im bezeichnet, ω die Frequenz der Interferenzschwebung
bezeichnet und Φm
die Phase des Lichtinterferenzsignals Im bezeichnet.
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Falls
die zu messende Substanz Drehvermögen besitzt, werden die Viertelwellenlängenplättchen 5A und 5B außerdem im
optischen Weg für
das Messlicht angeordnet, wie in 1 gezeigt
ist.
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Im
Allgemeinen ändert
sich der Polarisationszustand des Strahls, wenn eine linear polarisierte Lichtkomponente
durch eine Doppelbrechungsplatte, wie z. B. das Viertelwellenlängenplättchen 5A oder 5B,
verläuft.
In dem Fall, in dem das Viertelwellenlängenplättchen so angeordnet ist, dass
seine Achse 45° in
Bezug auf die Schwingungsebene der linear polarisierten Lichtkomponente
aufweist, wird die linear polarisierte Lichtkomponente durch das
Viertelwellenlängenplättchen in
eine zirkular polarisierte Lichtkomponente umgesetzt. Im Gegenteil
wird eine zirkular polarisierte Lichtkomponente durch das Viertelwellenlängenplättchen in
eine linear polarisierte Lichtkomponente umgesetzt.
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Die
horizontal linear polarisierte Lichtkomponente und die vertikal
linear polarisierte Lichtkomponente, die im vom Strahlteiler 3 ausgegebenen
Messlicht enthalten sind, werden in eine im Uhrzeigersinn zirkular
polarisierte Lichtkomponente bzw. eine entgegen dem Uhrzeigersinn
zirkular polarisierte Lichtkomponente umgesetzt, indem sie durch
das Viertelwellenlängenplättchen 5A verlaufen.
Dann verläuft das
Messlicht durch die Probenzelle 6m. Wenn die zu messende
Substanz Drehvermögen
besitzt, werden die Phasen der im Uhrzeigersinn zirkular polarisierten
Lichtkomponente und der entgegen dem Uhrzeigersinn zirkular polarisierten
Lichtkomponente voneinander verschoben. Die im Uhrzeigersinn zirkular
polarisierte Lichtkomponente und die entgegen dem Uhrzeigersinn
zirkular polarisierte Lichtkomponente verlaufen dann durch das Viertelwellenlängenplättchen 5B,
um zurück
in die horizontal linear polarisierte Lichtkomponente bzw. die vertikal
linear polarisiert Lichtkomponente umgesetzt zu werden. Dann verläuft das
Messlicht durch die Polarisationsplatte 7m.
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Das
vom Strahlteiler 3 ausgegebene Referenzlicht wird durch
den Spiegel 4 reflektiert, wobei die Richtung um 90° geändert wird.
Die Probenzelle 6r, die Polarisationsplatte 7r und
die Photodiode 8r sind im optischen Weg für das durch
den Spiegel 4 reflektierte Referenzlicht angeordnet.
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Das
vom Strahlteiler 3 ausgegebene Referenzlicht verläuft durch
die Probenzelle 6r, die keine zu messende Substanz speichert.
Dann verläuft
das Referenzlicht durch die Polarisationsplatte 7r, wo
die horizontal linear polarisierte Lichtkomponente und die vertikal
linear polarisierte Lichtkomponente einander überlagert werden, um miteinander
zu interferieren. Im Ergebnis wird ein Lichtinterferenzsignal Ir mit einer Frequenz Δf und einer Phase Φr als ein Ausgangssignal der Polarisationsplatte 7r erhalten.
Die Phase Φr hängt
von der Phasendifferenz zwischen der horizontal linear polarisierten
Lichtkomponente und der vertikal linear polarisierten Lichtkomponente ab.
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Das
Lichtinterferenzsignal Ir wird durch den Ausdruck
(2) im Folgenden dargestellt: Ir = Ar·Sin[ωt + Φr], (2)wobei
Ar die Amplitude des Lichtinterferenzsignals
Ir bezeichnet, ω die Frequenz der Interferenzschwebung
bezeichnet und Φr die Phase des Lichtinterferenzsignals Ir bezeichnet.
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Die
Photodiode 8m setzt das Lichtinterferenzsignal Im in ein elektrisches Signal Vm um,
während
die Photodiode 8r das Lichtinterferenzsignal Ir in ein
elektrisches Signal Vr umsetzt.
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Die
elektrischen Signale Vm und Vr werden durch
die Ausdrücke
(3) bzw. (4) im Folgenden dargestellt: Vm = Bm·Sin[ωt + Φm], (3) Vr =
Br·Sin[ωt + Φr], (4)wobei
Bm und Br die Amplituden
der elektrischen Signale Vm bzw. Vr bezeichnen.
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Demzufolge
wird die Phasendifferenz ΔΦ zwischen
den elektrischen Signalen Vm bzw. Vr durch den Ausdruck (5) im Folgenden dargestellt: ΔΦ = Φm – Φr. (5)
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Das
elektrische Signal Vm wird durch den Verstärker 9m verstärkt und
dann durch den Mischer 10m mit einem vom elektrischen Messsender 11 ausgegebenen
oszillierenden elektrischen Signal gemischt, um einen Frequenzbereich
zu erhalten, der durch den Phasendifferenzmesser 13 messbar
ist. Das Ausgangssignal des Mischers 10m wird zum Phasenerweiterungsabschnitt 12m geliefert.
Ebenso wird das elektrische Signal Vr über den
Verstärker 9r und
den Mischer 10r zum Phasenerweiterungsabschnitt 12r geliefert.
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2 veranschaulicht
die Konfigurationen der Phasenerweiterungsabschnitte 12m und 12r.
Der Phasenerweiterungsabschnitt 12m enthält N Multiplikationsschaltungen 120m-1 bis 120m-N,
die in Reihe geschaltet sind. Der Phasenerweiterungsabschnitt 12r enthält N Multiplikationsschaltungen 120r-1 bis 120r-N,
die in Reihe geschaltet sind.
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3 veranschaulicht
die Konfigurationen der Multiplikationsschaltungen 120m-1 und 120r-1. Die
Multiplikationsschaltung 120m-1 enthält einen Multiplizierer 121m-1,
einen Verstärker 122m-1 und einen
Signalformprozessor 123m-1. Die Multiplikationsschaltung 120r-1 enthält einen
Multiplizierer 121r-1, einen Verstärker 122r-1 und einen
Signalformprozessor 123r-1.
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Der
Multiplizierer 121m-1 multipliziert das vom Mischer 10m ausgegebene
elektrische Signal Vm mit sich selbst, um
die Frequenz und die Phase des elektrischen Signals Vm zu
erweitern. Im Ergebnis wird ein elektrisches Signal Vm-1' erhalten.
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Das
elektrische Signal Vm1' wird durch den Ausdruck (6) im Folgenden
dargestellt: Vm1' =
Vm*Vm
= Bm·Sin[ωt + Φm]*Bm·Sin[ωt + Φm]
= Bm 2/2[1 – Cos(2ωt + 2Φm)]
= Dm[1 – Cos(2ωt + Ψm)], (6)wobei
Dm die Amplitude des elektrischen Signals
Vm1' bezeichnet,
während Ψm die Phase des elektrischen Signals Vm1' bezeichnet.
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Ebenso
multipliziert der Multiplizierer 121r-1 das vom Mischer 10r ausgegebene
elektrische Signal Vr mit sich selbst, um
die Frequenz und die Phase des elektrischen Signals Vr zu
erweitern. Im Ergebnis wird ein elektrisches Signal Vr1' erhalten.
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Das
elektrische Signal Vr1' wird durch den Ausdruck (6) im Folgenden
dargestellt: Vr1' =
Vr*Vr
= Br·Sin[ωt + Φr]*Br·Sin[ωt + Φr]
= Br 2/2[1 – Cos(2ωt + 2Φr)]
= Dr[1 – Cos(2ωt + Ψr)], (7)wobei
Dr die Amplitude des elektrischen Signals
Vr1' bezeichnet,
während Ψr die Phase des elektrischen Signals Vr1' bezeichnet.
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Demzufolge
wird die Phasendifferenz ΔΨ zwischen
den elektrischen Signalen Vm1' und Vr1' durch den Ausdruck
(8) im Folgenden dargestellt: ΔΨ = Ψm – Ψr = 2ΔΦ. (8)
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Der
Verstärker 122m-1 verstärkt das
vom Multiplizierer 121m-1 ausgegebene elektrische Signal,
sodass die Amplitude des durch die Frequenzerweiterungsverarbeitung
durch den Multiplizierer 121m-1 gedämpften Signals kompensiert
wird, um die ursprüngliche
Amplitude wiederzuerlangen.
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Der
Signalformprozessor 123m-1 extrahiert eine erforderliche
Frequenz aus dem elektrischen Signal, um das Rauschen zu entfernen,
und gibt ein elektrisches Signal Vm1'' aus.
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Das
elektrische Signal V1m'' wird
durch den Ausdruck (9) im Folgenden dargestellt: Vm1'' = Dm1·Cos(2ωt + 2Φm). (9)
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Es
wird aus den Ausdrücken
(3) und (9) festgestellt, dass die Phase des elektrischen Signals Vm1'' auf das Doppelte
der des elektrischen Signals Vm erweitert
worden ist.
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Das
elektrische Signal Vm1'' wird
aus der Multiplikationsschaltung 120m-1 ausgegeben. Die
Konfigurationen der Multiplikationsschaltungen 120m-2 bis 120m-N sind
die gleichen wie die der Multiplikationsschaltung 120m-1.
Ein aus der Multiplikationsschaltung 120m-N ausgegebenes
elektrisches Signal VmN'' wird
deshalb durch den Ausdruck (10) im Folgenden dargestellt: VmN'' = DmN·Cos(2Nωt
+ 2NΦm). (10)
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Es
wird aus den Ausdrücken
(3) und (10) festgestellt, dass die Phase des elektrischen Signals VmN'' auf das 2N-fache der Phase des elektrischen Signals
Vm erweitert worden ist.
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Ebenso
wird das aus der Multiplikationsschaltung 120r-N ausgegebene
elektrische Signal VrN'' durch
den Ausdruck (11) im Folgenden dargestellt: VrN'' =
DrN·Cos(2Nωt
+ 2NΦr). (11)
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Es
wird aus den Ausdrücken
(4) und (11) festgestellt, dass die Phase des elektrischen Signals VrN'' auf das 2N-fache der Phase des elektrischen Signals
Vr erweitert worden ist.
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Demzufolge
wird die Phasendifferenz ΔΨN zwischen dem aus dem Phasenerweiterungsabschnitt 12m ausgegebenen
elektrischen Signal VmN'' und
dem aus dem Phasenerweiterungsabschnitt 12r ausgegebenen
elektrischen Signal VrN'' durch
den Ausdruck (12) im Folgenden dargestellt: ΔΨN = 2NΦm – 2NΦr = 2NΔΦ. (12)
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Die
Phasendifferenz ΔΨN wird durch den Phasendifferenzmesser 13 gemessen.
Die Phasendifferenz ΔΨN und die physikalische Menge einer spezifischen
Komponente, die in der zu messenden Substanz enthalten ist, besitzen
eine vorgegebene Beziehung. Die physikalische Menge der spezifischen
Komponente ist z. B. als eine Funktion F der Phasendifferenz ΔΨN definiert. Die Funktion F ist gegeben.
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Der
Abschnitt 14 zum Bestimmen der physikalischen Menge bestimmt die
physikalische Menge auf der Grundlage der Phasendifferenz ΔΨN. Die physikalischen Mengen enthalten z.
B. die Verschiebung eines Objekts, das Oberflächenprofil eines Objekts, die
Doppelbrechung einer Substanz, die die Doppelbrechungseigenschaft
besitzt, und die Konzentration einer wässrigen Lösung einer Substanz, die Drehvermögen besitzt.
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Folglich
wird durch das N-malige Wiederholen der Multiplikation in den Phasenerweiterungsabschnitten 12m und 12r ein
elektrisches Signal mit einer um das 2N-fache von der Phasendifferenz ΔΦ erweiterten
Phasendifferenz erhalten, die direkt mit der physikalische Menge
in Beziehung steht (ΔΨN = 2NΔΦ). Dies
erlaubt, dass eine bestimmte physikalische Menge einer zu messenden
Substanz durch die Verwendung eines Phasendifferenzmessers mit einer
herkömmlichen
Genauigkeit mit höherer
Genauigkeit gemessen wird.
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Die
Wirkung der Phasenerweiterung durch die in 3 gezeigte
Multiplikationsschaltung 120m-1 wurde unter Verwendung
eines elektrischen Wechselstromsignals mit einer verringerten Frequenz
von 1 MHz untersucht, das aus einer 2-Kanal-Lichtüberlagerungs-Interferenz erhalten
wurde.
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4 zeigt
die Signalformen des elektrischen Signals Vm,
das dem Messlicht entspricht, und des elektrischen Signals Vr, das dem Referenzlicht entspricht, die
beide vor der Phasenerweiterung durch die Multiplikationsschaltungen 120m-1 und 120r-1 erhalten
worden sind. Diese Signalformen können unter Verwendung eines
Oszilloskops beobachtet werden.
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5 zeigt
die Signalformen des elektrischen Signals Vm1'', das dem Messlicht entspricht, und
des elektrischen Signals Vr1'', das dem Referenzlicht entspricht, die
beide nach der Phasenerweiterung durch die Multiplikationsschaltungen 120m-1 und 120r-1 erhalten
worden sind. Diese Signalformen können unter Verwendung eines
Oszilloskops beobachtet werden.
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Es
wird aus den 4 und 5 beobachtet,
dass die Frequenzen der elektrischen Signale durch die Verarbeitung
durch die Multiplikationsschaltungen 120m-1 und 120r-1 verdoppelt
werden.
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Außerdem ist
in 5 die Phasendifferenz zwischen dem elektrischen
Signal Vm1'',
das dem Messlicht entspricht, und dem elektrischen Signal Vr1'', das dem Referenzlicht
entspricht, auf 180° erweitert
worden, während
in 4 die Phasendifferenz zwischen dem elektrischen
Signal Vm, das dem Messlicht entspricht,
und dem elektrischen Signal Vr, das dem
Referenzlicht entspricht, 90° beträgt.
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6 zeigt
die Beziehung zwischen der Phasendifferenz zwischen den in die Phasenerweiterungsabschnitte 12m und 12r eingegebenen
Signalen und der Phasendifferenz zwischen den aus den Phasenerweiterungsabschnitten 12m und 12r ausgegebenen
Signalen. Es wird aus 6 festgestellt, dass die Phasendifferenz
durch die Phasenerweiterungsabschnitte 12m und 12r erweitert
worden ist.
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Übrigens
kann die Probenzelle 6r eine Referenzsubstanz speichern,
damit das Referenzlicht durch die Referenzsubstanz verlaufen kann.
Die Referenzsubstanz kann z. B. Luft sein. Alternativ kann das Innere
der Probenzelle 6r Vakuum sein.
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Die
Mischer können
als die Multiplizierer verwendet werden. Als die Signalformprozessoren
können
Filter, wie z. B. ein Bandpassfilter und ein Hochpassfilter, verwendet
werden.
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In
der Multiplikationsschaltung kann ein Mischer verwendet werden,
um die Frequenz des elektrischen Signals nach der Vergrößerung der
Frequenz durch den Multiplizierer zu verringern. Dies unterstützt die
Messung der Phasendifferenz.
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Folglich
werden gemäß der optischen
Messvorrichtung und gemäß dem optischen
Messverfahren der vorliegenden Erfindung die Phase eines ersten
elektrischen Signals, das dem Messlicht entspricht, und die eines
zweiten elektrischen Signals, das dem Referenzlicht entspricht,
erweitert. Dies erweitert die Phasendifferenz zwischen dem ersten elektrischen
Signal und dem zweiten elektrischen Signal. Durch die Erweiterung
der Phasendifferenz wird die Genauigkeit der Messung der Phasendifferenz verbessert.
Weil die Phasendifferenz und die physikalische Menge in einer vorgegebenen
Beziehung stehen, kann die Genauigkeit der Messung der physikalischen
Menge außerdem
verbessert werden.
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Für den Fachmann
auf dem Gebiet werden verschiedene andere Modifikationen offensichtlich sein
und können
leicht durch sie ausgeführt
werden, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen. Demzufolge
ist nicht beabsichtigt, dass der Umfang der beigefügten Ansprüche auf
die Beschreibung, wie sie hierin dargelegt ist, eingeschränkt ist,
sondern dass stattdessen die Ansprüche umfassend ausgelegt werden.