用于干涉仪中的反射镜的运动的机构、包含该机构的干涉仪以及包含该机构的傅里叶变 ...的制作方法
【专利说明】用于干涉仪中的反射镜的运动的机构、包含该机构的干涉 仪以及包含该机构的傅里叶变换光谱仪
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求了提交于2013年5月1日的、标题为"用于干涉仪中的反射镜的运动 的机构、包含该机构的干涉仪以及包含该机构的傅里叶变换光谱仪"的同时待审的美国临 时专利申请第61/818009号的优先权，其内容通过引用整体被包含于本文。
[0003] 专利引用：
[0004] 下列文件和参考通过引用整体被包含于本文：记载于2002年Pub John Wiley&Sons有限公司的Ed John M. Chalmers和Peter R. Griffiths所著的振动光谱学手 册中的、Richard S. Jackson所著的"用于中红外光谱法的连续扫描干涉仪";Atwar等人 的美国专利申请第2004/0037626号；Coffin的美国专利第5896197号；Carangelo等人 的美国专利第5486917号；Simon等人的美国专利第5309217号；Curbelo等人的美国专 利第4828367号；Coffin的美国专利申请第2012/0120405号；Coffin的美国专利申请第 2012/0120409号；以及Coffin的美国专利申请第2012/0120404号。
技术领域
[0005] 本发明涉及干涉仪，并且特别地涉及迈克尔逊型干涉仪。
【背景技术】
[0006] 迈克尔逊干涉仪是在傅里叶变换光谱仪中广泛使用的双光束干涉仪。这些光谱仪 用于获取从远红外线到紫外线的、跨越宽范围的波长的光谱。迈克尔逊干涉仪是具有单分 束器的分振幅双光束干涉仪。
[0007] 迈克尔逊干涉仪具有许多设计变体，但最简单的设计100被示出于图1A(现有技 术）中。干涉仪包含固定反射镜102、移动反射镜104和分束器组件106。分束器组件106 通常具有三部分：分束器涂层108,其被设置于基板110上；以及补偿板112。输入辐射束被 分束器108分成两束子光束。一束子光束通过反射镜102沿固定长度的路径被反射到分束 器，并且另一子光束通过可移动的反射镜104沿可变长度的路径被反射到分束器。两束子 光束子在分束器106处重新结合，它们在此处互相干涉，并且再度分割，使得一束新的子光 束沿输入辐射的路径返回，并且另一子光束垂直于固定反射镜射出干涉仪。
[0008] 当用于干涉仪中时，通常有利的是测量可移动反射镜的位置或速度，或者两者都 测量，并且将该测量结果使用于到达促动器的反馈回路中。根据干涉仪的预期用途，可使用 刻度尺、电容器、参考激光或许多其他工具进行测量。
[0009] -种选择是建立包含迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱仪。图1B (现有技术）是 包含迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱仪的光学布局的示例说明。来自宽带光源151的光 通过聚焦镜片152准直，并且被引导进入由分束器组件106、固定反射镜102和移动反射镜 104组成的干涉仪。如上述，在分割和重新结合之后，垂直于固定反射镜射出的子光束被引 导到光学装置，该光学装置允许传递光穿过样品（未示出）或从样品（未示出）反射，并且 随后到达聚焦镜片153,聚焦镜片153将光聚焦到探测器154上。
[0010] 以往复移动的方式来回驱动移动反射镜，以改变其中一束子光束的路径长度，这 引起在探测器处的干涉改变，导致探测器的输出值改变。作为路径长度的函数的探测器输 出值使用适合的傅里叶变换方法能被转换成辐射光束的光谱。两束光束之间的光学路径长 度差被称为光学延迟，其在所示设计中为移动反射镜的物理延迟的两倍。光谱的分辨率取 决于最大光学延迟，并且通常被定义为光学延迟的倒数。更高分辨率的光谱因此需要移动 反射镜的大范围运动。
[0011] 除了来自宽带光源的光束，在大多数傅里叶变换光谱仪中，来自激光器155的单 色光束也被引导进入干涉仪，使得它与用于进行光谱测量的宽带光束共线（并且有时同 轴）。在傅里叶变换光谱仪中，对于位置或速度，参考激光超越其他测量方法的优势在于其 测量反射镜的光学延迟而不是物理延迟。
[0012] 射出的子光束（或在某些配置中，射出的全部子光束）被引导到探测器156,当移 动反射镜被来回驱动时探测器156测量归因于干涉的强度变化。来自该探测器的信号用 于控制移动反射镜的速度或位置，并且用于确定光学延迟的等增量。在某些傅里叶变换光 谱仪中，来自单色光源的信号也可用于控制在干涉仪中的一个或更多光学构件的校准（例 如，见Coffin的美国专利第5896197号）。
[0013] 图1A中的光学部件必须相对彼此被精确地校准，并且移动反射镜104在整个行程 范围期间必须相对于固定反射镜102保持光学校准。移动反射镜具有六个自由度：三个平 移自由度和三个旋转自由度。要改变干涉仪的两个臂之间的光学路径差（也被称为光学延 迟），需要这些自由度中的一个的运动。其他自由度中的运动必须忽略不计，或者必须对光 学校准具有忽略不计的影响，或必须使用伺服系统动态地保持校准。
[0014] 在所示的平面反射镜干涉仪中，清楚的是，被称为切变的、在垂直于行程方向的方 向上的移动反射镜的平移不会影响干涉仪的光学校准。然而，被称为倾斜（俯仰和偏摆或 者二者的结合的总称）的、围绕垂直于行程方向的轴线的移动反射镜的旋转会影响光学校 准，因为两束输出子光束不再共线，并且从而不会在分束器处正确地重新结合。除非移动反 射镜恰好垂直于运动轴线，而实际上不可能是这种情况，否则围绕运动（滚动）轴线的旋转 还是会导致干涉仪失准。公知的是，因此平面反射镜干涉仪包含某些的方法，以防止移动反 射镜的滚动。
[0015] 干涉仪设计的关键部分是用于使反射镜移动的机构。该机构必须具有足够的运动 范围，并且必须允许反射镜在行程的整个范围中非常精确地运动。对于精度的需求是双重 的。首先，机构必须具有可忽略不计的不期望的平移或旋转运动。其次，行程必须非常顺畅， 否则移动反射镜的位置或速度的精确控制将变得困难。还期望的是，机构相对地成本低，并 且还期望的是，机构具有比其中使用机构的仪器的寿命更长的预期使用寿命。要通过单一 设计实现所有这些目的是困难的，因此已使用许多不同的机构。
[0016] 在许多傅里叶变换光谱仪中已使用精密的空气轴承，但精密的空气轴承很昂贵并 且需要供应压缩空气。通过在某些设计中使用电子控制系统来动态地保持干涉仪的校准， 所需的精确度已被减小，但所需要的机构既复杂又昂贵。Coffin的美国专利第5896197号 和Curbelo等人的美国专利第4828367号教导了不需要压缩空气的轴承，但这些轴承具有 滑动部分，该滑动部分相接触，因此容易磨损。这种磨损是不期望的，因为它能导致光学校 准的改变或移动反射镜的不期望的运动，导致系统性能降低。进一步，在傅里叶变换光谱仪 中，移动反射镜通常以恒定的速度被扫描，并且即使很小的速度偏差也能导致在测量光谱 中的噪声和赝象。滑动或滚动轴承本质上容易有这种速度偏差，因为轴承的表面不可能完 全光滑。
[0017] 所谓的"门廊秋千"机构也被使用，其中，构件在四个枢轴点被连接，以形成平行四 边形。平行四边形的一个侧边能相对于另一个侧边移动，使得垂直于运动方向固定的反射 镜经历在行程的整个范围内反射镜保持精确的光学校准的运动。然而，这些机构生产成本 高，因为它们需要四个（或者在某些变体中，为八个）在枢轴点的精密轴承。Carangelo等 人的美国专利第5486917教导了基于挠性件的机构，其可提供完全线性运动，但它很复杂， 并且因此生产成本高。
[0018] 因为图1A所示的简单的平面反射镜干涉仪的光学校准对于移动反射镜的不期望 的运动的敏感度，已设计了光学校准对于不期望的运动较不敏感的许多迈克尔逊干涉仪的 变体，例如，"记载于2002年Pub John Wiley&Sons有限公司的Ed John M. Chalmers和 Peter R. Gri