用于干涉儀中的反射鏡的運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)、包含該機(jī)構(gòu)的干涉儀以及包含該機(jī)構(gòu)的傅里葉變 ...的制作方法
【專利說明】用于干涉儀中的反射鏡的運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)、包含該機(jī)構(gòu)的干涉 儀以及包含該機(jī)構(gòu)的傅里葉變換光譜儀
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求了提交于2013年5月1日的、標(biāo)題為"用于干涉儀中的反射鏡的運(yùn)動(dòng) 的機(jī)構(gòu)、包含該機(jī)構(gòu)的干涉儀以及包含該機(jī)構(gòu)的傅里葉變換光譜儀"的同時(shí)待審的美國臨 時(shí)專利申請(qǐng)第61/818009號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用整體被包含于本文。
[0003] 專利引用：
[0004] 下列文件和參考通過引用整體被包含于本文：記載于2002年P(guān)ub John Wiley&Sons有限公司的Ed John M. Chalmers和Peter R. Griffiths所著的振動(dòng)光譜學(xué)手 冊(cè)中的、Richard S. Jackson所著的"用于中紅外光譜法的連續(xù)掃描干涉儀";Atwar等人 的美國專利申請(qǐng)第2004/0037626號(hào)；Coffin的美國專利第5896197號(hào)；Carangelo等人 的美國專利第5486917號(hào)；Simon等人的美國專利第5309217號(hào)；Curbelo等人的美國專 利第4828367號(hào)；Coffin的美國專利申請(qǐng)第2012/0120405號(hào)；Coffin的美國專利申請(qǐng)第 2012/0120409號(hào)；以及Coffin的美國專利申請(qǐng)第2012/0120404號(hào)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明涉及干涉儀，并且特別地涉及邁克爾遜型干涉儀。
【背景技術(shù)】
[0006] 邁克爾遜干涉儀是在傅里葉變換光譜儀中廣泛使用的雙光束干涉儀。這些光譜儀 用于獲取從遠(yuǎn)紅外線到紫外線的、跨越寬范圍的波長的光譜。邁克爾遜干涉儀是具有單分 束器的分振幅雙光束干涉儀。
[0007] 邁克爾遜干涉儀具有許多設(shè)計(jì)變體，但最簡單的設(shè)計(jì)100被示出于圖1A(現(xiàn)有技 術(shù)）中。干涉儀包含固定反射鏡102、移動(dòng)反射鏡104和分束器組件106。分束器組件106 通常具有三部分：分束器涂層108,其被設(shè)置于基板110上；以及補(bǔ)償板112。輸入輻射束被 分束器108分成兩束子光束。一束子光束通過反射鏡102沿固定長度的路徑被反射到分束 器，并且另一子光束通過可移動(dòng)的反射鏡104沿可變長度的路徑被反射到分束器。兩束子 光束子在分束器106處重新結(jié)合，它們?cè)诖颂幓ハ喔缮?，并且再度分割，使得一束新的子?束沿輸入輻射的路徑返回，并且另一子光束垂直于固定反射鏡射出干涉儀。
[0008] 當(dāng)用于干涉儀中時(shí)，通常有利的是測(cè)量可移動(dòng)反射鏡的位置或速度，或者兩者都 測(cè)量，并且將該測(cè)量結(jié)果使用于到達(dá)促動(dòng)器的反饋回路中。根據(jù)干涉儀的預(yù)期用途，可使用 刻度尺、電容器、參考激光或許多其他工具進(jìn)行測(cè)量。
[0009] -種選擇是建立包含邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換光譜儀。圖1B (現(xiàn)有技術(shù)）是 包含邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換光譜儀的光學(xué)布局的示例說明。來自寬帶光源151的光 通過聚焦鏡片152準(zhǔn)直，并且被引導(dǎo)進(jìn)入由分束器組件106、固定反射鏡102和移動(dòng)反射鏡 104組成的干涉儀。如上述，在分割和重新結(jié)合之后，垂直于固定反射鏡射出的子光束被引 導(dǎo)到光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置允許傳遞光穿過樣品（未示出）或從樣品（未示出）反射，并且 隨后到達(dá)聚焦鏡片153,聚焦鏡片153將光聚焦到探測(cè)器154上。
[0010] 以往復(fù)移動(dòng)的方式來回驅(qū)動(dòng)移動(dòng)反射鏡，以改變其中一束子光束的路徑長度，這 引起在探測(cè)器處的干涉改變，導(dǎo)致探測(cè)器的輸出值改變。作為路徑長度的函數(shù)的探測(cè)器輸 出值使用適合的傅里葉變換方法能被轉(zhuǎn)換成輻射光束的光譜。兩束光束之間的光學(xué)路徑長 度差被稱為光學(xué)延遲，其在所示設(shè)計(jì)中為移動(dòng)反射鏡的物理延遲的兩倍。光譜的分辨率取 決于最大光學(xué)延遲，并且通常被定義為光學(xué)延遲的倒數(shù)。更高分辨率的光譜因此需要移動(dòng) 反射鏡的大范圍運(yùn)動(dòng)。
[0011] 除了來自寬帶光源的光束，在大多數(shù)傅里葉變換光譜儀中，來自激光器155的單 色光束也被引導(dǎo)進(jìn)入干涉儀，使得它與用于進(jìn)行光譜測(cè)量的寬帶光束共線（并且有時(shí)同 軸）。在傅里葉變換光譜儀中，對(duì)于位置或速度，參考激光超越其他測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)在于其 測(cè)量反射鏡的光學(xué)延遲而不是物理延遲。
[0012] 射出的子光束（或在某些配置中，射出的全部子光束）被引導(dǎo)到探測(cè)器156,當(dāng)移 動(dòng)反射鏡被來回驅(qū)動(dòng)時(shí)探測(cè)器156測(cè)量歸因于干涉的強(qiáng)度變化。來自該探測(cè)器的信號(hào)用 于控制移動(dòng)反射鏡的速度或位置，并且用于確定光學(xué)延遲的等增量。在某些傅里葉變換光 譜儀中，來自單色光源的信號(hào)也可用于控制在干涉儀中的一個(gè)或更多光學(xué)構(gòu)件的校準(zhǔn)（例 如，見Coffin的美國專利第5896197號(hào)）。
[0013] 圖1A中的光學(xué)部件必須相對(duì)彼此被精確地校準(zhǔn)，并且移動(dòng)反射鏡104在整個(gè)行程 范圍期間必須相對(duì)于固定反射鏡102保持光學(xué)校準(zhǔn)。移動(dòng)反射鏡具有六個(gè)自由度：三個(gè)平 移自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。要改變干涉儀的兩個(gè)臂之間的光學(xué)路徑差（也被稱為光學(xué)延 遲），需要這些自由度中的一個(gè)的運(yùn)動(dòng)。其他自由度中的運(yùn)動(dòng)必須忽略不計(jì)，或者必須對(duì)光 學(xué)校準(zhǔn)具有忽略不計(jì)的影響，或必須使用伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地保持校準(zhǔn)。
[0014] 在所示的平面反射鏡干涉儀中，清楚的是，被稱為切變的、在垂直于行程方向的方 向上的移動(dòng)反射鏡的平移不會(huì)影響干涉儀的光學(xué)校準(zhǔn)。然而，被稱為傾斜（俯仰和偏擺或 者二者的結(jié)合的總稱）的、圍繞垂直于行程方向的軸線的移動(dòng)反射鏡的旋轉(zhuǎn)會(huì)影響光學(xué)校 準(zhǔn)，因?yàn)閮墒敵鲎庸馐辉俟簿€，并且從而不會(huì)在分束器處正確地重新結(jié)合。除非移動(dòng)反 射鏡恰好垂直于運(yùn)動(dòng)軸線，而實(shí)際上不可能是這種情況，否則圍繞運(yùn)動(dòng)（滾動(dòng)）軸線的旋轉(zhuǎn) 還是會(huì)導(dǎo)致干涉儀失準(zhǔn)。公知的是，因此平面反射鏡干涉儀包含某些的方法，以防止移動(dòng)反 射鏡的滾動(dòng)。
[0015] 干涉儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分是用于使反射鏡移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)必須具有足夠的運(yùn)動(dòng) 范圍，并且必須允許反射鏡在行程的整個(gè)范圍中非常精確地運(yùn)動(dòng)。對(duì)于精度的需求是雙重 的。首先，機(jī)構(gòu)必須具有可忽略不計(jì)的不期望的平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其次，行程必須非常順暢， 否則移動(dòng)反射鏡的位置或速度的精確控制將變得困難。還期望的是，機(jī)構(gòu)相對(duì)地成本低，并 且還期望的是，機(jī)構(gòu)具有比其中使用機(jī)構(gòu)的儀器的壽命更長的預(yù)期使用壽命。要通過單一 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)所有這些目的是困難的，因此已使用許多不同的機(jī)構(gòu)。
[0016] 在許多傅里葉變換光譜儀中已使用精密的空氣軸承，但精密的空氣軸承很昂貴并 且需要供應(yīng)壓縮空氣。通過在某些設(shè)計(jì)中使用電子控制系統(tǒng)來動(dòng)態(tài)地保持干涉儀的校準(zhǔn)， 所需的精確度已被減小，但所需要的機(jī)構(gòu)既復(fù)雜又昂貴。Coffin的美國專利第5896197號(hào) 和Curbelo等人的美國專利第4828367號(hào)教導(dǎo)了不需要壓縮空氣的軸承，但這些軸承具有 滑動(dòng)部分，該滑動(dòng)部分相接觸，因此容易磨損。這種磨損是不期望的，因?yàn)樗軐?dǎo)致光學(xué)校 準(zhǔn)的改變或移動(dòng)反射鏡的不期望的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。進(jìn)一步，在傅里葉變換光譜儀 中，移動(dòng)反射鏡通常以恒定的速度被掃描，并且即使很小的速度偏差也能導(dǎo)致在測(cè)量光譜 中的噪聲和贗象?；瑒?dòng)或滾動(dòng)軸承本質(zhì)上容易有這種速度偏差，因?yàn)檩S承的表面不可能完 全光滑。
[0017] 所謂的"門廊秋千"機(jī)構(gòu)也被使用，其中，構(gòu)件在四個(gè)樞軸點(diǎn)被連接，以形成平行四 邊形。平行四邊形的一個(gè)側(cè)邊能相對(duì)于另一個(gè)側(cè)邊移動(dòng)，使得垂直于運(yùn)動(dòng)方向固定的反射 鏡經(jīng)歷在行程的整個(gè)范圍內(nèi)反射鏡保持精確的光學(xué)校準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)。然而，這些機(jī)構(gòu)生產(chǎn)成本 高，因?yàn)樗鼈冃枰膫€(gè)（或者在某些變體中，為八個(gè)）在樞軸點(diǎn)的精密軸承。Carangelo等 人的美國專利第5486917教導(dǎo)了基于撓性件的機(jī)構(gòu)，其可提供完全線性運(yùn)動(dòng)，但它很復(fù)雜， 并且因此生產(chǎn)成本高。
[0018] 因?yàn)閳D1A所示的簡單的平面反射鏡干涉儀的光學(xué)校準(zhǔn)對(duì)于移動(dòng)反射鏡的不期望 的運(yùn)動(dòng)的敏感度，已設(shè)計(jì)了光學(xué)校準(zhǔn)對(duì)于不期望的運(yùn)動(dòng)較不敏感的許多邁克爾遜干涉儀的 變體，例如，"記載于2002年P(guān)ub John Wiley&Sons有限公司的Ed John M. Chalmers和 Peter R. Gri