TW202419816A

TW202419816A - 反射式諧振感測器的相位檢測方法

Info

Publication number: TW202419816A
Application number: TW111141805A
Authority: TW
Inventors: 郭文凱; 張丞宗
Original assignee: 國立虎尾科技大學
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2024-05-16

Abstract

本發明的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法是對反射式導模諧振感測器投射一檢測光，以產生一反射光，並調整反射式導模諧振感測器與檢測光的方位角關係，以獲得對應多個方位角的反射光所形成的多個干涉條紋影像；接著，處理多個干涉條紋影像，以取得一偏移軌跡，偏移軌跡與多個方位角及干涉條紋影像的像素有關，偏移軌跡包括一最大偏移斜率及對應最大偏移斜率的一最大像素偏移斜率；最後，透過最大偏移斜率及最大像素偏移關係得到反射式導模諧振感測器的一諧振角度。

Description

反射式諧振感測器的相位檢測方法

本發明與光學檢測系統有關，特別是指一種反射式諧振感測器的相位檢測方法。

導模諧振(guided-mode resonance, GMR)元件是結合波導結構和光柵結構，當入射光透過光柵結構耦合至波導結構，並產生相位匹配或諧振條件時，GMR元件會產生全反射，此時，GMR元件的光柵結構表面的折射率(refractive index, RI)的改變具有高度靈敏。

為了獲得GMR元件的相位匹配或諧振條件傳統方式是轉動GMR元件來改變入射角，但這種方式需要能追蹤反射光線的設備，或者需要同時改變入射光及追蹤反射光線的設備，系統複雜性較高。

再者，傳統使用GMR元件進行需要搭配昂貴的光學設備(例如光電調製器(electro optic modulator))，因此，不利於廣泛的應用。

有鑑於上述缺失，本發明的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法可以透過連續調整反射式導模諧振感測器與入射光的方位角關係，並處理反射式導模諧振感測器的各方位角反射光形成的干涉條紋影像的偏移來獲得較佳共振條件的諧振角度，以改善傳統反射式導模諧振感測器的應用需要搭配複雜或昂貴設備的缺點。

本發明的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法包括以下步驟：首先，提供一反射式導模諧振感測器；接著，對反射式導模諧振感測器投射一檢測光，以產生一反射光；然後，調整檢測光與反射式導模諧振感測器的一方位角關係，以獲得對應多個方位角的反射光所形成的多個干涉條紋影像，接著，處理多個干涉條紋影像，以取得一偏移軌跡，偏移軌跡與多個方位角及干涉條紋影像的像素有關，偏移軌跡包括一最大偏移斜率及對應最大偏移斜率的一最大像素偏移斜率；最後，透過最大偏移斜率及最大像素偏移關係得到反射式導模諧振感測器的一諧振角度。

如此，本發明的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法可以透過調整檢測光與反射式導模諧振感測器的方位角關係來達到諧(共)振條件，並依據各方位角的反射光形成的干涉條紋影像的偏移來獲得檢測相位變化量，進而得到諧振角度，以改善傳統問題。又在檢測應用時，透過本發明的方法已知反射式導模諧振感測器諧振角度，因此，反射式導模諧振感測器被固定在諧振角度來獲得對待測物折射率變化的較佳檢測靈敏度，而更適合廣泛的應用。

為了清楚地說明本發明實施例或習知技術中的技術方案，隨後對照附圖說明本發明的具體實施例。顯而易見地，隨後描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域通常知識者來講能輕易根據這些附圖獲得其他的附圖，並獲得其他的實施例。

為使圖面簡潔，各圖式中只示意性地表示出了與發明相關的部分，它們並不代表其作為產品的實際結構。另外，為使圖面簡潔便於理解，在有些圖中具有相同結構或功能的部件，僅示意性地繪示了其中的一個，或僅標出了其中的一個。在本文中，“一個”不僅表示“僅此一個”，也可以表示“多於一個”的情形。

如圖1所示，本發明的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法10包括五個步驟，步驟11是提供一反射式導模諧振感測器，步驟13是對反射式導模諧振感測器投射一檢測光，以產生一反射光，步驟15是調整檢測光與反射式導模諧振感測器的方位角關係以獲得對應多個方位角的反射光所形成的多個干涉條紋影像，步驟17是處理多個干涉條紋影像，步驟19是得到反射式導模諧振感測器的一諧振角度。

如圖2所示，檢測系統30包括一雷射光源31、一光學裝置33、方位旋轉裝置35及一影像感測裝置37。雷射光源31以固定的一投射角度投射大致平行(準直)的雷射光，其中，在雷射光的投射角度未被確定前，雷射光源31可以選擇投射角度。光學裝置33包括偏振片(Polarizer)331及透鏡333，且用以處理雷射光，以讓雷射光處理成散射的檢測光311，透鏡333例如凸透鏡或凹透鏡。方位旋轉裝置35用以承載反射式導模諧振感測器50，並旋轉反射式導模諧振感測器50的方位，反射式導模諧振感測器接50收及反射通過光學裝置33的檢測光311來產生一反射光313。影像感測裝置37用以接收反射式導模諧振感測器50的反射光313，以形成對應的干涉條紋影像。其中，檢測光311及反射光313形成的夾角大致是固定的。

如圖3所示，該圖繪示反射式導模諧振感測器50與檢測光311的關係示意圖。反射式導模諧振感測器50包括一透明基板51、一結合層53及一波導層55。結合層53形成於透明基板51的頂面，且結合波導層55。本實施例中，結合層53是UV膠，波導層53是鋁摻雜氧化鋅的材料。

散射的檢測光311自透明基板51的背面向頂面方向投射，如此，檢測光311會在透明基板51產生反射光313，詳細來說，反射光313包括在透明基板51的背面產生的一第一光束315及大致在透明基板51的頂面與波導層55之間產生的一第二光束317。第一光束315及第二光束317形成干涉(Interference)關係，並透過干涉關係找到第一光束315及第二光束317的諧振角度(關係)，以獲得最大的光強度振幅。

步驟13是檢測光投射到反射式導模諧振感測器50，而在反射式導模諧振感測器50上產生反射光313。本實施例中，檢測光311是透過雷射光源31，以產生雷射光，換言之，檢測光311是雷射光。

步驟15的調整是反射式導模諧振感測器50被設置在方位旋轉裝置35上，以透過方位旋轉裝置35旋轉反射式導模諧振感測器50的方位角(azimuth angle)。但其他實施例中，調整檢測光與反射式導模諧振感測器的方位角關係也可以固定反射式導模諧振感測器，而透過改變檢測光的投射方位角來進行。

本實施例中，步驟15中反射式導模諧振感測器50是被方位旋轉裝置35旋轉在不同的方位角，步驟15的雷射光源31以固定角度投射檢測光311，影像感測裝置37也是以固定角度及焦距接收反射光311，獲得是透過影像感測裝置37接收反射光313而形成干涉條紋影像，影像感測裝置37依據反射光313獲得對應多個方位角的多個干涉條紋影像。

改變反射式導模諧振感測器50與檢測光的方位角關係不會改變檢測光311與反射光313的角度，簡言之，反射光311的反射方向及角度大致是固定的，因此，影像感測裝置37的安裝位置也是固定的。影像感測裝置37相較於光電調製器或追蹤反射光的設備是便宜的硬體，因此，檢測系統的建置成本可以被有效的降低，及簡化硬體組成。

步驟17的處理是影像處理技術，可透過電腦或其他計算設備來進行。每一干涉條紋影像包括多條垂直像區，垂直像區與干涉條紋影像的解析度有關，因此，垂直像區的數量會隨著解析度而有不同。再者，每一垂直像區包括多個像素，像素的數量也是隨著解析度而有不同。舉例來說，干涉條紋影像的解析度是1920*1080，垂直像區的數量是1920，每一垂直像區的像素共有1080個。

如圖4-6所示，圖4-6分別顯示方位角11度、12.7度及14.9度對應的干涉條紋影像，各圖中可觀察到最亮的區域或干涉條紋(圖中白色範圍)略有偏移現象，因此，步驟17的處理包括選定多個干涉條紋影像的最亮的區域或干涉條紋的相同範圍(大致落在375-575的垂直像區)，並平均歸一化多個干涉條紋影像的相同範圍內的多條垂直像區的灰度值，以獲得圖7，y軸表示歸一化強度(normalized intensity)，x軸表示像素位置(pixel position)。灰度值包括多個干涉條紋影像的光強度的峰值。圖6是方位角11度、12.7度及14.9度對應的三張干涉條紋影像的375-575垂直像區平均歸一化的灰度值結果圖。圖7中可看出各方位角度的光強度的峰值(P1、P2、P3)對應於像素位置有偏移。接著，以多個干涉條紋影像的光強度的峰值(P1、P2、P3)對應各方位角度建立圖8的偏移軌跡，y軸表示像素邊緣偏移量(fringe shift)，x軸表示方位角度(azimuth angle)。圖8的方位角度範圍是5度到19度的像素偏移結果圖，圖中可明顯觀察到偏移軌跡的方位角在10度到14.5度的範圍內出現明顯的偏移，其他角度位置雖然有微小偏移，但都不是偏移軌跡中最大的斜率及像素偏移關係，特別是在大約14度發生最大像素偏移，其特性曲線的斜率也是最大，這個最大的斜率及像素偏移關係可定義方為角14度是諧振角度。因此，步驟19中得到諧振角度是透過最大偏移斜率及最大像素偏移關係。

如此，透過本發明的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法可以透過反射光所形成的干涉條紋影像偏移來找出反射式導模諧振感測器靈敏度反應較佳的諧振角度，以有效地改善傳統需要使用高階且昂貴的頻譜分析儀或需使用複雜的反射光追蹤設備的缺點。又，檢測系統的應用可以應用本發明的方法得知反射式導模諧振感測器的諧振角度，而直接固定反射式導模諧振感測器的諧振角度來檢測待測物，例如生物領域、食品、飲料或藥品等，以有效地透過反射式導模諧振感測器對待測物折射率變化來獲得較佳的檢測靈敏度，進而降低檢測系統的成本。待測物是接觸波導層。

10:相位檢測方法 11-19:步驟 30:檢測系統 31:雷射光源 311:檢測光 313:反射光 315:第一光束 317:第二光束 33:光學裝置 331:偏振片 333:透鏡 35:方位旋轉裝置 37:影像感測裝置 50:反射式導模諧振感測器 51:透明基板 53:結合層 55:波導層

有關反射式導模諧振感測器的相位檢測方法、相位檢測系統的組成、構造、特點、流程、步驟、應用將於以下的實施例予以說明，然而，應能理解的是，以下將說明的實施例以及圖式僅只作為示例性地說明，其不應用來限制本發明的申請專利範圍，其中：圖1是本發明的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法的流程圖。圖2是用以實現圖1的相位檢測系統的示意圖。圖3是圖2中相位檢測系統的檢測光與反射式導模諧振感測器形成的入射光及反射光的示意圖。圖4-6分別是圖1的步驟15及圖2的影像感測裝置獲得對應不同方位角的干涉條紋影像圖。圖7是圖4-6的干涉條紋影像進行平均歸一化處理後的灰度值結果圖。圖8是方位角範圍在5度到19度的像素偏移結果圖。

10:相位檢測方法

11-19:步驟

Claims

一種反射式導模諧振感測器的相位檢測方法，包括：提供一反射式導模諧振感測器；對該反射式導模諧振感測器投射一檢測光，以產生一反射光，調整該檢測光與該反射式導模諧振感測器的一方位角關係，以獲得對應多個方位角的反射光所形成的多個干涉條紋影像；處理該多個干涉條紋影像，以取得一偏移軌跡，該偏移軌跡與該多個方位角及該干涉條紋影像的像素有關，該偏移軌跡包括一最大偏移斜率及對應該最大偏移斜率的一最大像素偏移；及透過該最大偏移斜率及該最大像素偏移關係得到該反射式導模諧振感測器的一諧振角度。
如請求項1所述的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法，其中，該多個干涉條紋影像的每一者包括多條垂直像區，該處理包括選定該多個干涉條紋影像的相同範圍，平均歸一化該多個干涉條紋影像的相同範圍內的多條垂直像素區的灰度值，以獲得對應該多個干涉條紋影像的該偏移軌跡，該多條垂直像區的每一者包括多個像素。
如請求項2所述的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法，其中，該多個干涉條紋影像的相同範圍是該多個干涉條紋影像中最亮的區域。
如請求項3所述的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法，其中，該灰度值包括該多個干涉條紋影像的光強度的一峰值。
如請求項1所述的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法，其中，投射該檢測光是透過一雷射光源的一雷射光藉由一光學裝置處理成散射光。
如請求項1所述的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法，其中，獲得對應該多個方位角的反射光所形成的該多個干涉條紋影像是透過一影像感測裝置。
如請求項1所述的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法，其中，該檢測光及該反射光的一夾角是固定的。
如請求項1所述的反射式導模諧振感測器的相位檢測方法，其中，調整該檢測光與該反射式導模諧振感測器的方位角關係包括該反射式導模諧振感測器設置於一方位旋轉裝置，以轉動該反射式導模諧振感測器的一方位角。