專利名稱：降低振動噪音的撓曲安裝動鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學科學儀器領域。更確切地說，本發明涉及在一個傅里葉變換紅外(FTIR)干涉儀中利用的一種新型的撓曲偶聯動鏡。
相關技術討論在科學分析儀器中使用的一種光學干涉儀依賴于作為詢問裝置一部分的疊加光束的干涉。當被配置為傅里葉變換紅外(FTIR)儀器時，該干涉儀的光學輸出被稱為一種干涉圖。該FTIR干涉儀本身經常包括一個分束器和兩個鏡，常規地一個是固定的，并且常規地另一個是移動的。該動鏡沿著該光軸運動，同時始終保持為在光學上與該光束垂直。經常所希望的是該動鏡的運動是反饋受控制的，以便維持該鏡速度常數(同時還控制傾斜)，使得穿過該干涉儀的分析輻射產生一個精確的干涉圖。常規的干涉儀具有一個動鏡組件，該動鏡組件包括一個線性滾珠軸承、空氣軸承、滑動軸承或一個撓曲軸承，并且經常被一個線性電動機(如偶聯至一個永磁體的一個線圈)來提供速度控制。由于這類儀器的靈敏性質，常規的系統經常被配置為通過機械調節精確地對準，即使該系統被運送到世界其他地方。這導致了昂貴的苛刻精確的機械干涉儀系統，有時候所述機械干涉儀系統在運輸震動使該關鍵的平坦光學表面偏移之后需要現場調節。在操作中，這類常規系統中的許多使用主動控制系統(即動態對準)，隨著該干涉儀掃描并且收集到一個所希望的頻譜數據，來控制鏡傾斜。如果干涉儀在所有典型的掃描干涉儀所使用的一個基于激光的速度控制伺服器的控制下進行掃描，這類系統才可以操作。然而，應指出的是當所有實用的干涉儀使用一個或多個基于激光的速度測量系統以便使一個伺服器控制系統能夠控制該動鏡的速度，這類伺服器可以在一個短的時間延遲(由該速度測量方法以及產生校正力的延遲引起)之后僅校正速度誤差。因此，緩慢出現的速度誤差被校正并且大部分被消除。然而由于感應噪音而以快速變化率發生的速度誤差不能被完全校正，留下剩余的速度誤差消極地影響了所收集的頻譜數據。此外，許多干涉儀使用一個激光相傾斜誤差測量系統來控制在X和Y軸的傾斜，除了該速度控制伺服器，該激光相位傾斜誤差測量系統也需要被監測以便校正通過感應噪音造成的、可以額外地影響一個給定的頻譜的、所不希望的傾斜誤差。利用該動鏡的動態控制的這樣一種干涉儀的背景信息在1999年3月16日約翰.Μ.科芬(John M.Coffin)發布的題為“具有動態動鏡對準的紅外分光計的干涉儀(“INTERFEROMETER OF AN INFRARED SPECTROMETER WITH DYNAMIC MOVING MIRRORALIGNMENT”)”的美國專利號5，883，712中被描述并且提出權利要求，該專利包含以下內容“根據本發明，一個用于紅外分光計的干涉儀提供該動鏡的動態對準以便維持該動鏡和該定鏡之間的精確對準。該動鏡的以這種方式的對準使該干涉儀的穩定性最大化同時實現高水平的輸出精度，不管由于該動鏡在它的軸承上的運動引起的振動以及由外部光源傳輸到該干涉儀的振動。該動鏡的安裝的動態性質允許該鏡的位置被高度準確地控制，甚至在存在相對高頻率振動的時候。但是，該干涉儀的結構以及用于維持該動鏡的對準的這些探測器和控制器的結構在構造是簡單的，并且對于該干涉儀只增加了相對很少的額外體積和重量。因此，出現了對改進的廉價的動鏡組件的需要，以便在該動鏡部件處校正傾斜和速度誤差，此外同時隔離在干涉儀中使用的所有滾動和滑動軸承的軸承表面中的缺陷引起的振動和噪音。
發明概述本發明針對一種新型的混合動鏡組件，該混合動鏡組件包括:一個反射器；一個彈性元件，該彈性元件偶聯至該反射器的周邊并且進一步偶聯至一個支撐結構；其中該彈性元件使指向所述支撐結構的感應外應力最小化，并且其中該彈性元件被配置為當被撓曲時提供一個阻滯力。該組件還包括第一多個運動裝置，這些第一多個運動裝置偶聯至該反射器的一個預定的表面；第二多個運動裝置，這些第二多個運動裝置被配置為將匹配和/或不匹配的預定的力與該第一運動裝置偶聯，其中這些匹配和/或不匹配的預定的力使所述反射器能夠短沖程地線性運動和/或X、Y傾斜運動；以及一個線性運動裝置，該線性運動裝置偶聯至該支撐結構以便提供該彈性安裝反射器的長沖程速度和位置控制。本發明的另一方面針對一種動態混合動鏡干涉儀，該動態混合動鏡干涉儀包括:一個分束器，該分束器用于接收來自一個源的輻射束以便提供一個第一分束和一個第二分束；一個反射器，該反射器被配置為沿著一個第一光路長度接收并且返回該源的第一分束；一個偶聯至一個支撐結構的彈性安裝反射器，其中該彈性安裝反射器被配置為沿著一個第二光路長度接收并且返回該源的第二分束；第一運動裝置，該第一運動裝置偶聯至該彈性安裝反射器的一個預定的表面以便提供所述彈性安裝反射器的一個短沖程速度和位置控制和/或一個關于所配置的X和Y軸的傾斜控制；一個第二運動裝置，該第二運動裝置偶聯至該支撐結構以便提供該彈性安裝反射器的長沖程速度和位置控制；以及一個控制裝置，該控制裝置用于向該第一和第二運動裝置提供一個受控的反饋，以便除了該長沖程速度和位置控制之外還能夠進行該短沖程速度和位置控制和/或關于該所配置的X和Y軸的一種組合的傾斜控制，以便在所述干涉儀的一個所配置的出口提供該輸入光源光束輻射的一個詢問干涉圖。因此，本發明在一個干涉儀器內提供一種長沖程軸承系統和一個偶聯的短沖程彈性軸承鏡安排的有益的混合組合。這樣一種安排能夠校正鏡自身的誤差，同時也解決了由在許多常規干涉儀中使用的軸承表面的缺陷造成的、隔離振動和噪音的問題。使用本發明的這樣一種偶聯的撓曲安裝，除了以上的益處之外還增強了速度控制，是因為該移動鏡組件所產生的低質量使在此披露的這些系統相比常規的鏡速度控制干涉儀器能夠更快地響應，以便提供更穩定而且低噪音的頻譜數據。
附圖簡要說明
圖1A示出了本發明的一種有益的撓曲安裝動鏡構型的側面透視圖。圖1B示出了圖1A中展示的撓曲安裝動鏡部分的后視圖。圖1C示出了可以被用來為本發明的這些動鏡構型提供所希望的速度和/或傾斜運動的示例性的電阻矩陣以及偶聯的操作放大器電路。圖2示出了一種有益的混合撓曲安裝動鏡干涉儀系統。圖3示出了一個偶聯至圖1C的電路的相位差電路，該相位差電路被配置為測量并且控制本發明的混合撓曲安裝動鏡的速度和傾斜。
詳細說明在本發明的說明書中，除非含蓄或明確地理解或另外陳述，應理解一個以單數出現的詞語涵蓋它的相對應的復數，并且以復數出現的詞語涵蓋它的相對應的單數。另外，除非含蓄或明確地理解或另外陳述，應理解在此描述的任何給定的部件或實施例、該部件的任何列出的可能的候選或替代物可總體上被單獨使用或者彼此組合使用。此外，應理解如在此示出的圖不一定是按照比例繪制的，其中這些元件中的一些可能僅僅是為了本發明的清晰而繪制出。并且，參考數字在各圖中可能重復，以示出多個對應的或類似的元件。另外，除非含蓄或明確地理解或另外陳述，應理解這樣的候選或替代物的任何列表僅僅是說明性的，并不是限制的。此外，除非另外指示，在說明書和權利要求中使用的表達組成部分、組成成分、反應條件等等的數量的數字應被理解為是由術語“大約”修飾的。因此，除非相反地指示，在本發明書和所附權利要求中闡述的數值參數是近似值，可取決于試圖通過在此呈現的主題獲得的所需要的特性而不同。至少，并且不是試圖對本申請的原則或對等物及對權利要求的范圍進行限制，應當至少根據報告的有效位數的數字及運用尋常的舍入技術解釋每個數值參數。盡管限定在此呈現的主題的廣泛范圍的數值范圍和參數是近似值，但是在具體實例中闡述的數值是盡可能準確地報告的。然而，任何數值本質上就包含了必然的誤差，必定導致它們對應的檢驗測量中的標準偏差。
整體說明本發明的混合撓曲(如彈性元件)安裝動鏡干涉儀針對解決在干涉儀中使用的所有滾動和滑動軸承的軸承表面中的缺陷造成的振動和噪音問題。這類軸承噪音引起通常在分光光度計中的干涉儀中使用的這些動鏡的機械抖動(速度變化)。如在此提出的設計，隔離來自該動鏡的振動噪音，提高該干涉儀的頻譜輸出的質量，因此允許甚至可靠的以及低成本的常見地可用的滾動和滑動軸承的使用。在分光計中使用的干涉儀需要以一個非常穩定的速度并且無傾斜地掃描一個動鏡，以便產生高質量的頻譜。另外，高分辨頻譜要求長度上大于Icm的動鏡沖程長度。撓曲軸承由于它們不具有滾動和滑動部分，提供所需要的低噪音操作，然而撓曲軸承(除非它們非常大并且貴)不能提供大于0.5cm的沖程長度。滑動和滾動軸承可以提供長沖程但是具有在它們的操作中使用的這些光滑平面中的缺陷引起的所不希望的噪音。本發明的混合構型使用用于隔離和短沖程的一個撓曲安排以及一個所希望的軸承機構支撐一個干涉儀的動鏡，以便提供高分辨測量所需要的非常長的沖程長度。因此，在此描述的這些彈性元件被設置在該系統中(例如在該噪音長沖程軸承和該動鏡之間)以便防止該長沖程軸承的高頻率振動偶聯到該動鏡中。如之前所陳述的，所有實用的干涉儀使用一個基于激光的速度測量系統，該系統允許一個伺服器控制系統控制該動鏡的速度。這類伺服器可以在一個短的時間延遲(例如如該速度測量方法引起的以及產生校正力的延遲)之后校正速度誤差。因此，緩慢出現的速度誤差被校正并且大部分被消除。以快速變化率發生的速度誤差不能被完全校正，留下剩余的速度誤差消極地影響了所收集的頻譜。本發明的設計可以通過使用一種低成本的小的短沖程(+/-1mm)彈性(如撓曲)軸承來將該長沖程軸承的振動與該動鏡組件的重要部分隔離開。一種低成本的撓曲和一種分離的長沖程線性軸承的混合組合給出了一種低成本高質量的干涉儀動鏡驅動系統。除了該速度控制伺服器，許多干涉儀還使用一種激光相位傾斜誤差測量系統來控制在X和Y軸的傾斜。本發明可以使用相同的撓曲在不增加成本(除了這些測量和控制電子器件的成本之外)下提供傾斜控制和速度噪音隔離所需要的運動。應領會的是，由于該干涉儀傾斜誤差典型地由長沖程軸承系統中的誤差引起，校正在彈性配置的動鏡處的誤差在傾斜誤差影響該干涉儀的操作之前就校正了這些傾斜誤差，從而允許使用該低成本的長沖程軸承系統以便保持最高整體系統性能。
具體說明柔軟撓曲動鏡安裝組件現在轉向附圖，圖1A示出了本發明的一種有益的撓曲安裝動鏡構型的側面透視圖，總體上由數字100標注，該撓曲安裝動鏡構型用在本發明所披露的系統實施例中。特別地是相對于圖1A，本發明的移動光學部件9 (如一個反射器)被示出為具有附連至一個支撐安裝結構230的一個偶聯的彈性元件6。該光學部件9 (以下稱為鏡9)被配置為本領域的普通技術人員已知的任何反射器設計，該反射器設計可以符合在此的實施例的這些設計規格。示例性的鏡設計包括，但不限于，隅角立方反射器、金屬反射器以及涂覆有高反射率金屬或介電的高反射率和/或防護膜的基底材料(如溴化鉀(KBr))。鏡9的后表面9’ (如由附隨的定向箭頭指示的)也被示出偶聯至為該組件100的一部分的一個或多個磁性驅動以及傾斜運動裝置5b和5d(由于透視圖，僅示出兩個)。圖1A還總體上示出了一個電路板240，該電路板被配置為提供指向相應的驅動線圈(如參考符號5b’和5d’)的校正信號。當接受一個或多個這類校正信號的時候，這些驅動線圈(如5b’和5d’)，提供與該磁性運動裝置(如永磁體5b和5d)協同的、所希望的磁力使該鏡9能夠精確單獨的運動，如在此詳細描述的。圖1B示出了圖1A中示出的該鏡9部分的后視透視圖。確切地說，圖1B展示了具有偶聯至該鏡9的周邊的彈性元件6 (如一個隔膜撓曲件)的有益的安排。現在圖1B還展示了多個速度驅動和傾斜裝置(如偶聯的永磁體，如參考符號5a、5b、5c和5d指示的)。
應理解的是，該彈性隔膜狀撓曲構型6 (如在圖1B中更好地展示的)，經常是但不必須是由厚度高達大約0.5mm的厚度構造并且由有益的材料(例如但不限于，聚合物、塑料、邁拉聚酯薄膜、金屬、紙等等)構造。作為一個有益的實施例，該隔膜狀撓曲件6可以由低成本織物(例如但不限于凱夫拉，如通常存在于揚聲器中的)配置。此外，這類所產生的彈性隔膜狀撓曲件6可以被滲透(例如用油漆)或者用材料處理來另外進一步調整剛性以及因此動鏡9的所產生的希望的運動。如果需要的話，這些彈性隔膜狀撓曲件6還可以被設計有若干折疊線，如波紋(如圖1B中示出的，由字母F指示)，來增強所產生的撓曲同時還提供所希望的剛性/彈性以及因此在所有方向上的受控的變形，以便幫助該鏡9的運動同時仍然完全保護所固定的基底的光學平坦性。因此，這樣一種所得到的結構可以有益地變形并且彎曲直到大約+/_4mm的行進距離附近而不受損壞，但是更有益地被配置為在一個方向上大約2mm的行進距離，并且在經歷過震動后仍然具有足夠的彈性彈回到起始位置。重要的是注意到如果一個鏡安裝的質量中心和旋轉中心不匹配，那么隨著該干涉儀被移動到一個不同的方向或者該干涉儀經過由地板搖動和震動引起的加速力而重力隨之變化，則在質量中心和旋轉中心的偏移可以產生導致所固定的鏡9的所不希望的傾斜的力矩。然后，這種不想要的傾斜必須被校正以便取得最好的性能。因此，該彈性元件6的樞轉點被有益地設計為在一個位置(例如，基本上在與鏡9的質量中心相同的位置處(如大體在圖1B中所示的))處偶聯至鏡9，以便消除或者最小化外部振動以防其使以在此描述的方式安裝的該鏡9傾斜。應領會的是，這類彈性(撓曲)類型的軸承已經被發現與本發明的構型一起使用來獲得低速度誤差或噪音，這是因為由于沒有滑動或滾動軸承行為的事實這些撓曲件的彎曲行為非常平滑。這是重要的，因為沒有實際的平面是真正平滑的；因此滾動和滑動軸承(也在本發明中被利用)與本發明的這些撓曲軸承構型相反，由于不平的部分彼此滑動或滾動，總是增加速度誤差噪音。因此，在通過一個中心開口 9”接合動鏡9之后(如總體上在圖1B中的定向箭頭所示的)，將該動鏡(如圖1A中所示的)偶聯至該彈性元件6的周邊(如以下描述的)，當被施加至磁性運動裝置5a、5b、5c和5d的磁力感應時使鏡9不僅能線性和或阻滯力運動還能傾斜運動(即，由于撓曲能力)。為了在該彈性撓曲元件6的中心開口內附連鏡9，該鏡9經常但不必須用粘合材料(如通過膠粘)固定地附接在適當地方。有益地是，粘合材料的有效量值比該基底更薄并且因此從幾何上看較薄弱。因為該粘合劑從幾何上看較薄弱，由于溫度變化以及粘合劑固化可以累積的應力不能扭曲該較厚并且較強的基底。還應注意的是該彈性撓曲元件6 (如在圖1A和圖1B中所述的)被設計為比配置為設置于其中的、所利用的光學基底更薄弱并且具有較小的剛性。當該儀器處于例如搬運或接受任意感應的振動時，這樣一種柔性安排有益地固定鏡9并且還允許隨著該外部安裝支撐元件(如230)經歷例如震動的運動。該薄的柔性彈性元件6因此限制在該光學鏡9中的應力水平，這是因為該安裝構型(如上所述)比該基底材料自身薄弱。此外，關于該粘合偶聯材料的用途，如果由于溫度變化或附加的粘合劑收縮而發生應力，該薄弱的并且較小剛性的彈性元件6變形，使得這些光學材料(例如，如果使用一種平面光學基底)仍然是平坦的。
以上引用的1999專利描述了一種使用單一磁體的速度和傾斜控制鏡，該單一磁體通過圍繞該磁體的一個單線圈以及在該第一線圈外部的兩對線圈在速度上是受控的，以便為該相同的磁體提供在X和Y上的一個側向力，該側向力導致該鏡傾斜從而通過僅使用一個磁體來提供該動鏡所有軸的控制。這個方法在本發明中也工作，但是該四線圈設計更容易設計并且在較低的響應時間給出更多的力。該動鏡9的速度可以通過使用相同的一種或多種運動裝置控制，例如同樣用來控制該光學元件的傾斜的預定尺寸的磁體5a、5b、5c和5d，以及線圈(例如5a’、5b’、5c’和5d’，如圖1C中所示的)。將這些磁體5a、5b、5c和5d偶聯至該動鏡9可以通過本領域的普通技術人員已知的任意方式，例如像環氧類粘合劑。由于這些磁體5a、5b、5c和5d是輕(小于10克)并且小的，該鏡9的附接區也相應地小，使得任意粘合劑收縮僅影響該鏡9的邊緣處的不重要的區，因此允許一個小而簡單的磁體附接系統，如總體上在圖1A和圖1B中所示的。另外，由于這些磁體不與系統中的任何其他物體接觸，此外它們不能傳輸外界震動和應力至該偶聯的鏡9。因此，該鏡9的速度通過驅動偶聯至這些磁體5a、5b、5c和5d(如圖1B中所示的)的這些相同的線圈(如5a’、5b’、5c’和5d’，如圖1C中所示的)來提供，用相同的速度控制信號56基本上同時驅動所有線圈。在這個操作中，這些基本上匹配的偶聯的磁體5a、5b、5c和5d接收可以以線性方式移動該偶聯鏡9的感應的磁力。特別地是，反饋光學信號(稍后描述的)通過一個所配置的速度控制單元(沒有示出)被監測以便提供合適的低功率水平信號56，這個或這些低功率水平信號通過圖1C中所示的該伺服器電路增加(放大)以便降低實際上導致鏡9運動的磁場。為了提供該鏡9的傾斜，另一方面，將磁場偶聯至這些對應的一個或多個磁體(如磁體5a、5b、5c和5d)的一個或多個線圈(如5a’、5b’、5c’和5d’，如圖1C中所示的)通過預定的感應的匹配的和/或不匹配的磁力獨立地驅動至一個或多個磁體5a、5b、5c和5d中的任何一個。確切地說，傾斜 可以由一個或多個線圈(如5a’、5b’、5c’和5d’，如圖1C中所示的)通過獨立地將經常小于0.5特斯拉的預定的感應的不匹配和/或匹配的磁力指向一個或多個磁體5a、5b、5c和5d(注意該彈性元件6的應用有益地允許這類運動)來提供。協同這類定向的不匹配和/或匹配的磁力，反饋光學信號由一個或多個所配置的示例性傾斜控制系統監測(如以下關于圖3詳細討論的)，以便提供圖1C和圖3中所示的合適的低功率信號52和54，這些低功率信號被增加或放大以便感應實際上導致鏡9的傾斜運動的磁場。因此，圖1C示出了可以被用來提供鏡9的所希望的速度和/或傾斜運動的一個有益的示例性電阻(如R1指示的)矩陣以及偶聯的操作放大器(如Amp指示的具有相應電阻R)伺服電路。在展示基本操作的這個示例性構型中，僅需要四個線圈5a’、5b’、5c’和5d’ (如圖1C中所示的)，以及四個相應的磁體5a、5b、5c和5d(如圖1B中所示的)。雖然圖1C的簡明的設計與圖1A和圖1B的構型組合是有益的，應理解的是這些示意性圖解旨在僅僅是可能的許多其他設計之一的示例。如對于圖1C的另一種安排，可以增加一個電容器仏(即一個高通濾波器)來限制鏡9行進。確切地說，增加與該速度控制信號56串聯的C1(如圖1C中所示的)保證該速度控制信號的DC部分不達到動鏡9。因此該電容器由于其電容降而低起較硬的撓曲件的作用。該增加的電容可以被配置為限制鏡9運動至較短的距離，同時允許使用具有更大的摩擦即(陶瓷或玻璃)滑動或滑動器類型的線性軸承的動鏡9，以便提供盡可能多所需要的沖程長度。這樣一種線性軸承可以被配置為支撐該整個動鏡組件100，該整個動鏡組件包括該撓曲動鏡9安裝件以及用于控制該動鏡撓曲件6的小規模運動的磁體和線圈。該撓曲動鏡9的小規模運動，如該動鏡撓曲件6允許的，因此可以容易地校正由支撐該動鏡9組件100的一個偶聯的長沖程線性滾珠或滑動軸承(關于圖2待討論的混合運動組合)引起的位置誤差。因此，圖1C的電路與包括本發明的動鏡9的安排的系統的整體設計的組合，可以提供高達數千弧度秒(例如高達大約10，000弧度秒)的一個所希望的傾斜以及高達大約+/-1微米的線性運動。還應領會的是由于鏡9構型的設計(即偶聯至如圖1A和圖1B中所示的該示例性撓曲件6)，該組件的整體質量降低。其結果是只需要施加基本上較低的力來移動該鏡9，并且這一方面允許使用上述的小磁體(例如每個磁體大約10克)以及小圈的線(例如小的扁平線圈)來降低磁力。應指出的是這些線圈(如關于圖1C在以下詳細討論的)，可以足夠小以便被配置成在，例如一個2或4層的電路板(例如，如圖1A中所示的240)內的螺旋布線圖(artwork)，以便消除要求制造以及然后安裝的分離的線圈的成本和空間。應領會的是，雖然一種螺旋形線圈不如一種卷繞線圈有效，但這些力基本上是較小的并且總功率仍然小于每線圈一瓦特，因此熱量不是問題。還應指出的是如果被配置為螺旋形線圈，這類線圈不需要具有被插入在該螺旋形線圈中間的一個形成的孔中(這被實行來增加磁力)的這些偶聯的磁體(例如，如圖1A中所示的5b和5d)。相反，這些磁體(如5b和5d)可以被放置離該電路板(沒有示出)一段距離，如大約2微米，以便使該鏡9以及偶聯的磁體(如5b和5d)能夠進行有益的+/-1微米的運動，如總體上在圖1A中所示的構型提供的。圖2展示了本發明的一個示例性的有益的實施例，總體上由參考號200特指，其中光學布局是利用邁克爾遜干涉儀設計的一個緊湊而結實的FTIR分光計系統的形式，該邁克爾遜干涉儀設計包括一個混合運動系統(現在由100’指示)，即一個線性滑動或滾珠軸承系統與該移動撓曲安裝動鏡構型100的組合，如以上討論的。應領會的是，雖然圖2中所示的系統(除了在下文中將要討論的其他實施例之外)以示意圖的形式展示并且包括邁克爾遜干涉儀類型的幾何學，但是應理解的是，這類干涉儀系統可以以如本領域的普通技術人員已知的許多其他有益的構型布置，并且圖2的總體展示以及在此示出的其他實施例僅僅旨在這類不同的構型的示例，而不是將其限制為僅是所描述的。應指出的是該干涉儀200以及特定部件(如圖2中所示的)，以及在此披露的其他實施例，能夠通過計算機或處理器30 (其可以是如本領域的那些普通技術人員已知的專用數字計算機或數字信號處理器)進行操作。該儀器200和該計算機30之間的偶聯32是借助于進行操作的任何I/O裝置。經常，該偶聯32包括一個USB端口，盡管該應用軟件可以通過本領域的普通技術人員理解的那些任何已知的偶聯裝置與該儀器200接合。這類偶聯裝置除了任何其他必要的電子處理之外，通過本發明的嵌入的軟件提供程序控制指令以及工作數據(反饋)。該計算機30還經常電偶聯至一個或多個其他輸出設備，如顯示屏、打印機等，和/或一個或多個其他輸入設備，如鍵盤、因特網連接等。本領域的普通技術人員已知的是一個計算機或處理器30 (如圖2中所示的)可以編排控制一個掃描干涉儀系統的一個或多個運動部分(如該動鏡組件100部分)，以及如常規儀器中利用的任何其他轉化光學元件(如反射器)。這樣一種控制裝置使這些部件能夠開始運動、改變方向、改變傾斜取向并且以一個所希望的速度運動。實際上，這樣一種計算機/處理器30可以決定并且因此實時提供增益和信號，使得一個經配置的電路可以施加必要的驅動電流來感應所希望的運動力。開始預定測量的指令、數據分析等，也經常主要由圖2中所示的計算機30執行。然而，操作也可以在存儲在一個機器可讀介質(如一個計算機可讀介質)上的指令下執行。根據本發明的多個方面，一種計算機可讀媒質指代本領域普通技術人員已知的并且理解的媒質，這些媒質中已編碼以機器/計算機可以讀取(即，掃描/感測)的、并且該機器/計算機的硬件和/或軟件可以解釋的形式提供的信息。特別地是，該計算機可讀介質可以經常包括本地或遠程記憶存儲設備，例如但不限于，本地硬盤驅動器，軟盤，CD-ROM或DVD、RAM、ROM, USB存儲設備，以及甚至本領域的普通技術人員已知并且理解的任意遠程記憶存儲設備。本發明還可以在分布式計算環境中實踐，其中相關聯的任務是由遠程處理設備來進行的，這些遠程處理設備通過一個通信網絡(如無線網絡)來鏈接。轉回到圖2，該干涉儀200提供一個束(由字母A和小的虛線標記指示)，該束導致定向校準紅外光(如A’指示的也由小的虛線標記所示的)，如能夠通過該離軸反射器8與一個加熱的紅外線源7組合，該加熱的紅外線源選自在本領域中利用的任何定制的以及常規的已知來源。這類來源的實例包括但不限于，被加熱到發射出連續波段的光學輻射的線、金屬或陶瓷元件。通過該干涉儀200的實例性操作的方式，經調制的紅外光11退出(如由大的定向箭頭指示的)來被利用以便詢問一個給出的樣品(沒有示出)。圖2的干涉儀200 (被構造為一個邁克爾遜類型的干涉儀)包括一個定鏡(如鏡10)以及目前的一個新型的混合動鏡組件100’(如圖2中詳細示出的)。除了傾斜之外，該動鏡9的平移位置和相關的速度，可以因此(作為一個安排)通過結合一個單色發射源19(如激光)被檢測，該單色發射源提供一個輸出束(如字母B和較大的虛線標記指示的)，該輸出光束被配置為不僅測定該動鏡9的位置和速度并且(如果是所希望的)測定系統中的任何其他移動光學部件的位置和速度。在操作中，光束B指向一個所配置的分束器21并且此后通過一個鏡12進一步指向一個分束器I的正面。當被分束器I的正面接收的時候，分束器I的一個反射出來的部分(如B’指示的)此后由定鏡10接收，該定鏡被安排為將束B’(也由雙向矢量示出的)向后朝向分束器I/補償器板2回射。束B的一部分也通過分束器I/補償器板2(如B”指示的)透射，并且指向本發明的一個新型的動鏡9安排，其中它也被回射(如也由雙向矢量示出的)到分束器I/補償器板2。通過分束器I/補償器板2并且此后被鏡9反射的該光束B”的部分與指向并且從該定鏡10反射出來的光束B’的部分的重組合，提供目前具有一個干涉圖的一個輸出光束(如B”’指示的)，該干涉圖包含關于動鏡9的所希望的光學位置和速度信息。因此，檢測光束B”’使動鏡9的一個所希望的面的速度和位置以及傾斜可以通過計算光束B”’的振幅的峰和谷被精確地測定，該光束B”’由反射器13(也由一個定向箭頭示出的)指向一個詢問檢測器14 (經常為一個四通道檢測器)。作為一個示例性實施例，當被配置為一個四通道檢測器14時，四分體中的一個可以被配置為提供一個代表動鏡9的位置和速度的正弦波信號，該正弦波信號被偶聯至用于處理的速度控制測量電子設備(如圖3中所示的)。為了提供傾斜信息，組合的四分體(將在以下關于圖3討論)可以被分隔開使得該系統的任何移動部分的垂線朝向一個給定的縱軸的偏差可以通過由不同四分體檢測的干涉條紋的相位的差別測定。這類傾斜和速度控制測量電子設備(以下討論的)協同一個示例性控制器30 (如圖2中所示的)提供在圖1C中所示的處于經編排的方式的一個或多個信號52、54和56 (如該速度控制信號)，以便使動鏡9以所希望的傾斜以及一個所希望的速度移動和/或使動鏡9移動到一個所希望的位置。例如，如以上陳述的，一個所產生的速度控制信號56(如圖1C中所示的)可以對所有所配置的線圈(如線圈5a’、5b’、5c’和5d’ )基本上相等地施加，以用于得到一個所希望的運動和/或速度，其中一個+Y信號被施加至該頂線圈5b’以及一個-Y信號被施加至該底線圈5d’以及一個+X信號被施加至該左線圈5a’以及一個-X信號被施加至該右線圈5c’。一個可替代的示例性設計是使用指回該單色光源19的返回激光束。這樣一個束與離去束B”’具有相同的光學速度和位置信息，該束具有的益處是即使其他系統內的配置部件，如但不限于分束器I基于它們的設計而運動，該束也不向側面平移。這類可替代的移動部件在上述的通過引用結合的于2010年11月11日提交的題為“分束器和動鏡的干涉儀速度控制”的美國專利申請系列號12/944，512以及通過引用結合的同樣在2010年11月11日提交的題為“雙輸入干涉儀分束器傾斜控制系統以及撓曲安裝”的美國專利申請系列號12/944,428中被描述。因此，該返回束可以通過被設計為將該接受的光束21的一部分(如圖2中B””指示的)指向一個經常但不必須安裝在單色光源19附近的一個第二檢測器20 (如另一個四通道檢測器)。如在此指出的，所有低成本的線性軸承系統具有相同的傾斜誤差并且增加速度誤差噪音。該示例性干涉儀200 (如圖2中所示的)使用這樣一種低成本的軸承242 (如一個滾珠滑動或滑動器類型的線性軸承)來提供盡可能多的所需要的沖程長度。在操作中，這個線性軸承支撐該整個動鏡組件100’，該動鏡組件100’包括該彈性動鏡安裝件100 (如圖1A所示的)以及用于控制該動鏡撓曲安排的小規模運動的這些磁體和線圈。由該動鏡彈性元件6允許的該動鏡的小規模運動(如以上討論的)可以因此容易地校正由支撐該動鏡組件100’的長沖程線性軸承242導致的位置誤差。關于該組件(如圖2中所示的),該整個動鏡組件100’，包括該動鏡9、該動鏡的支撐撓曲件6、控制該鏡9以及支撐上述組件100’的該長沖程線性軸承(如作為光束290的一部分所示的)的位置的這些磁體(如5b和5d)以及線圈(如5b’和5d’)，被一個安裝在該偶聯塊295上的另外的較大的磁體260控制位置和速度，其中該偶聯塊295在該整個線性軸承290以及動鏡組件100’的質量中心的附近將長行進線性軸承290連接至該動鏡組件100’。移動這個較大的磁體需要的力由安裝在該干涉儀241的不動底座上的一個較大的線圈250提供該較大的驅動線圈250和磁體260控制通過安裝在干涉儀底座241上的該線性軸承塊支撐的長行進滾動或滑動軸承290的位置，并且被設計為更大的以便提供在該長沖程軸承的整個長度(從高達大約IOmm —直到高達大約IOOmm或更大)上的控制，并且這個磁體260和線圈250需要提供足夠的力來控制包括該大型驅動磁體260自身重量的該整個動鏡組件100’的總重量的速度。如先前陳述的，控制該動鏡9自身的位置的這些小磁體如5b和5d(經常為4個)如圖1A中所示的，由于它們的作用力有益地增加，這些小磁體非常小，該鏡的重量小于該動鏡組件的重量，并且相對于安裝在配置有該動鏡組件100’的該電路板240上的這些動鏡線圈5b’和5d’，需要的總行進小于大約+/-1mm。該速度控制信號56 (沒有示出)可以被施加至該大型驅動線圈250以便按所需要地移動該整個動鏡組件100’以便產生所希望的干涉圖數據。同時，該相同的速度控制信號56的一部分(如圖1C中所示的)可以通過電纜280施加至所有的4個小磁體(5a、5b、5c和5d，如圖1B中所示的)，以便提供一個所希望的力來將在相同的方向上加速該動鏡9。如果這些小磁體(5a、5b、5c和5d)上的力有適當的尺寸，該動鏡9和該支撐動鏡組件100’一起加速，從而使該撓曲行進被限制為基本上沒有。該彈性元件6有益地隔離可以導致頻譜問題的這些高頻率振動(即頻率在50Hz直到大約5000Hz的范圍之內)。>如果這些小磁體(5a、5b、5c和5d)上的力不被限制但是增加到由本領域已知的且如在此利用的系統容易實現的力，該動鏡9相比該動鏡組件100’可以更快地加速，這示例性地用于消除速度誤差。支撐該動鏡9的該彈性元件6可以然后進一步移動并且一個阻滯力可以由元件6的所導致的撓曲產生。該速度控制伺服器(如圖3中所示的)可以然后增加如所需要的驅動電壓來克服該阻滯力，驅動電壓的這一相同的增加可以被施加至該大型驅動線圈250，并且所產生的力可以加速該較重的動鏡組件100’直到它“趕上”該動鏡9，從而降低該彈性元件6向后朝向該起始點的偏差的，使得元件6的平均撓曲運動接近零。該彈性元件6的阻滯力保持該動鏡9和該動鏡組件100’的位置在適當的相對位置上而沒有增加控制軟件或硬件。通過允許該動鏡9比該較重的動鏡組件100’更快速地行進，該干涉儀的掃描速度可以被加速，并且或者該大型驅動磁體260和線圈250的尺寸可以被減小來增加性能和或降低成本。對于圖1A在以上討論的該動鏡9、彈性元件6和磁體驅動系統可以用于校正一個低成本的線性軸承的傾斜。通過增加X和Y軸傾斜測量光學器件和電子器件(如以上討論的)，并且通過一個簡單的電阻(如圖1C)矩陣求和該X和Y控制信號，這些X和Y控制信號組合被發送到用于這些低功率小線圈的4線圈驅動器的速度和傾斜信號，提供該動鏡9位置以及傾斜的控制。因此，通過傾斜該動鏡9來校正該線性軸承傾斜誤差，與在該定鏡用通常使用的細微校正方法相比，這些光束關于該儀器的不動部分的對準被較好的維持以便跟隨該動鏡中的誤差。應領會的是，在一個撓曲件(即彈性元件6)安裝該動鏡9允許該動鏡9的慣性來抵抗透過該柔軟撓曲的細微振動力一段時間，該時間段對于所利用的速度和傾斜測量系統是足夠長的以便測量并且積分該誤差，并且在它變得足夠大以致造成頻譜誤差之前精確地校正該誤差。這些不透過彈性元件6的力是足夠小的，使得該動鏡9的慣性給出大約500微秒的誤差校正系統來測量并且進行在傾斜和速度上所需要的校正，這個時間對待進行的誤差測量(大約100微秒)是足夠的，這些誤差積分并且被放大(大約400微秒)，并且用于校正電流以在線圈內建立(大約10微秒)并且停止該鏡的錯誤運動。
一個所配置的控制伺服器(例如，如在以下對于圖3討論的)基本上校正小于大約20Hz的振動(即通過一個大約為50的因子降低誤差)。在IOOHz下，該校正伺服器可以僅通過一個大約為10因子降低誤差。對于頻率范圍在500Hz之內的振動誤差，該控制伺服可以僅通過大約為2的因子降低誤差。在較高頻率下，只有這些干涉儀部分的慣性是真正有效的。該彈性安裝動鏡9允許慣性被有效地降低至大約20Hz，并且因此本發明的整體系統在排斥在從大約IHz (在此該伺服器控制系統有效地工作并且慣性是無效的)至高于大約10，OOOHz的任意頻率下的振動是有益的，這是因為慣性有益地在伺服器無效的高頻率下進行工作。圖3示出了一個有益的示例性速度和相位傾斜電路，通常由參考字符300特指，該速度和相傾斜電路結合一個四通道檢測器30 (例如，圖2的示例性檢測器14、20的任何一個)以便收集圖2中所示的所安排的示例性位置中的任何一個處的經調制的光。圖3中的電路因此示出了具有檢測四分體31、32、33、34的一個檢測器，這些檢測四分體被安排用來將信號指向后續的電路37、38、39和50以便提供該速度控制56以及可以被附帶的伺服器電路利用的X (52)、Y (54)傾斜信號。作為一個示例性操作，來自四分體32的信號可以被用來為這些速度控制電子設備提供一個正弦波信號(被指示為V)，以便發起被一個速度伺服器電路接收的一個速度信號56，例如圖1C中所示的電路的相關部分。來自四分體32的信號還能夠被用來提供一個常見的參考信號來比較從檢測器30的預定的四分體產生的信號的相位。因此，圖3中的電路可以使用四分體31和32的光學信號中的相位差來測量，例如在X軸以及四分體33和32的傾斜來測量該Y軸傾斜。在這一實例中不使用四分體34。例如，由四分體33和32檢測的這些光相位可以被操作以便驅動圖1C的、包括所配置的線圈5b’和5d’的該偶聯的后續電路(如為了容易閱讀現在還在圖3B內在虛線框之內示出)。相應地，感應磁力由分別與磁體5b和5d相互作用的線圈5b’和5d’提供，如圖1B中所示的，以便使本發明的該鏡9上下移動，即提供該Y軸傾斜。此外，由四分體31和32詢問的這些光相位可以被操作以便也驅動圖1C(在該虛線框內示出)的、包括所配置的線圈5a’和5c’的該偶聯的后續電路的相關部分。同樣相應地，感應磁力由分別與磁體5a和5c相互作用的這類線圈提供，如圖1B中所示的，以便使本發明的該鏡9左右移動，即提供該X軸傾斜。因此，由這些配置線圈(如5&’、513’、5(:’和5(1’，如示例性圖1(:中所示的偶聯至圖3中的該電路300)以及通過由圖3B中的電路300提供的信號的磁體(如5a、5b、5c和5d，如圖1B中所示的)，使該動鏡9能夠在該X和Y軸傾斜以便對準該干涉儀中的這些平坦表面。因此，一個常規的速度控制伺服器可以被配置為使用以上討論的該彈性撓曲件6的固有向心力控制該鏡9以便允許該移動9撓曲件6構型以便形成小的受控的沖程，同時該線性軸承242形成這些長受控的沖程。在這一安排中，本發明的控制系統具有該動鏡9的快速響應時間以及一個線性軸承移動242的長沖程，其結果提高了在此描述的整體主動速度控制系統以便能夠形成類似于提供高分辨率的常規的長沖程系統，但是對該長沖程系統的做出改進的一個系統。如另一個有益的安排，在用來驅動該動鏡9之前,該速度控制伺服器信號56可以通過一個高通濾波器(即一個電容器)發送，同時將該速度控制伺服信號56提供至運動組件100’。這樣一種構型使圖1A的該鏡組件100能夠快速地改變速度以便提高速度控制并且同時限制該動鏡6的沖程長度。 應當理解在此描述的關于各實施例的特征在不脫離本發明的精神及范圍下，可用任意組合相混合及匹配。盡管選中的不同的實施例已在此展示并詳細描述，應理解它們是示例性的，并且在不脫離本發明的精神及范圍下，多種子代換及改變是可能。
權利要求
1.一種混合移動鏡組件，該混合動鏡組件包括: 一個反射器； 一個彈性元件，該彈性元件偶聯至所述反射器的周邊并且進一步偶聯至一個支撐結構；其中所述彈性元件使指向所述支撐結構的誘導外應力最小化，并且其中所述彈性元件被配置為當被撓曲時提供一個阻滯力； 第一多個運動裝置，這些第一多個運動裝置偶聯至所述反射器的一個預定的表面；第二多個運動裝置，這些第二多個運動裝置被配置為將匹配和/或不匹配的預定的力與所述第一運動裝置偶聯，其中所述匹配和/或不匹配的預定的力使所述反射器能夠短沖程地線性運動和/或X、Y傾斜運動；以及 一個線性運動裝置，該線性運動裝置偶聯至所述支撐結構以便提供所述彈性安裝反射器的長沖程速度和位置控制。
2.如權利要求1所述的混合動鏡組件，其中所述彈性元件允許所述反射器的位移高達大約+/-1毫米，并且其中所述阻滯力是由所述的大約+/-1毫米的位移引起的。
3.如權利要求1所述的混合移動鏡組件，其中所述彈性元件包括至少一種選自以下的材料:織物、聚合物、塑料、邁拉聚酯薄膜、金屬以及紙。
4.如權利要求1所述的混合移動鏡組件，其中所述彈性元件被配置為波紋狀以便提供所希望的剛性和彈性。
5.如權利要求1所述的混合移動鏡組件，其中所述彈性元件提供對處于大約50直到大約5000HZ的范圍之內的高頻振動的隔離。
6.如權利要求1所述的混合移動鏡組件，其中所述反射器包括選自以下的至少一種反射器:隅角立方反射器、金屬反射器、以及涂覆有高反射率金屬或介電的高反射率和/或防護膜的平面基底材料。
7.如權利要求1所述的混合移動鏡組件，其中所述第一多個運動裝置包括永磁體，這些永磁體通過粘合劑偶聯至所述反射器的所述預定的表面的邊緣。
8.如權利要求7所述的混合移動鏡組件，其中所述永磁體按重量計各自小于大約10克。
9.如權利要求1所述的混合移動鏡組件，其中所述第二多個運動裝置包括線圈，這些線圈被配置為施加小于大約0.5特斯拉的磁力。
10.如權利要求9所述的混合移動鏡組件，其中相對于所述反射器的質量，所述彈性元件的質量使所述線圈施加的低磁力能夠移動所述反射器。
11.如權利要求1所述的混合移動鏡組件，其中用于提供長沖程速度和位置控制的所述線性運動裝置包括選自以下的至少一種裝置:線性滾珠軸承、空氣軸承、滑動軸承以及撓曲軸承。
12.如權利要求11所述的混合移動鏡組件，其中所述線性運動裝置由一個電動機驅動。
13.一種動態混合移動鏡干涉儀，其包括: 一個分束器，該分束器用于接收來自一個源的輻射束以便提供一個第一分束和一個第二分束； 一個反射器，該反射器被配置為沿著一個第一光路長度接收并且返回所述源的所述第一分束； 一個偶聯至一個支撐結構的彈性安裝反射器，其中所述彈性安裝反射器被配置為沿著一個第二光路長度接收并且返回所述光源的所述第二分束； 第一運動裝置，該第一運動裝置偶聯至所述彈性安裝反射器的一個預定的表面以便提供所述彈性安裝反射器的一個短沖程速度和位置控制和/或一個關于所配置的X和Y軸的傾斜控制； 第二運動裝置，該第二運動裝置偶聯至所述支撐結構以便提供所述彈性安裝反射器的長沖程速度和位置控制；以及 控制裝置，該控制裝置用于向所述第一和第二運動裝置提供一個受控的反饋，以便除了所述長沖程速度和位置控制之外還能夠進行所述短沖程速度和位置控制和/或關于所述配置的X和Y軸的一種組合的傾斜控制，以便在所述干涉儀的一個所配置的出口處提供該輸入光源光束輻射的一個詢問干涉圖。
14.如權利要求13所述的動態混合動鏡干涉儀，其中所述彈性安裝反射器包括安排在所述彈性安裝反射器周邊附近 的一個撓曲件，所述撓曲件被設計為提供大約+/-1微米的線性位移，并且進一步被配置為提供由所述大約+/-1微米的線性位移引起的一個阻滯力。
15.如權利要求14所述的動態混合移動鏡干涉儀，其中所述撓曲提供對處于大約50直到大約5000HZ的范圍之內的高頻振動隔離。
16.如權利要求14所述的動態混合移動鏡干涉儀，其中所述彈性元件包括至少一種選自以下的材料:織物、聚合物、塑料、邁拉聚酯薄膜、金屬以及紙。
17.如權利要求13所述的動態混合動鏡干涉儀，其中所述第一運動裝置包括多個偶聯的永磁體，其中所施加的反饋受控的磁場選擇性地吸引或者排斥所述的偶聯磁體中的一個或多個，以便提供所述彈性安裝反射器的線性和/或傾斜運動。
18.如權利要求17所述的動態混合動鏡干涉儀，其中所述控制裝置被配置為使所述施加的范圍受控的磁場能夠提供在所述彈性安裝反射器的X和/或Y軸中的所希望的傾斜，該傾斜處于高達大約10，000弧度秒的范圍之內。
19.如權利要求13所述的動態混合動鏡干涉儀，其中一個速度控制信號被施加至所述第二運動裝置以便使包含所述反射器和所述支撐結構的整個組件在一個所希望的方向中運動，并且其中所述速度控制信號還被施加至所述第一運動裝置以便提供一個或多個預定的力來在相同的所述所希望的方向中加速所述反射器，以便一起加速所述反射器并且使所述反射器的撓曲運動最小化。
20.如權利要求19所述的動態混合動鏡干涉儀，其中所述反射器相對于所述整個組件的剩余部分更快地加速。
21.>如權利要求19所述的動態混合移動鏡干涉儀，其中所述速度控制伺服器信號可以通過一個高通濾波器被發送來驅動所述第一運動裝置，同時所述第二運動裝置也由所述速度控制伺服器信號控制。
22.如權利要求13所述的動態混合動鏡干涉儀，其中在所述干涉儀的系統中，在從大約IHz至大于大約10，OOOHz的頻率范圍之內，振動被隔離。
全文摘要
在此提出一種新型裝置，該裝置在干涉儀內引入一種混合撓曲安裝的動鏡部件。特別地，提供與具有該移動光學部件的新型傾斜和速度控制的一種新型撓曲安裝組合的一種線性軸承。這樣一種安排能夠校正鏡自身的誤差，同時也解決了由在許多常規干涉儀中使用的軸承表面的缺陷造成的、隔離振動和噪音的問題。使用本發明的這樣一種偶聯的撓曲安裝，除了以上的益處還增強了速度控制，這是因為該動鏡組件的所產生的低質量使在此披露的系統能夠比常規的鏡速度控制干涉儀器具更快地響應，并且具有較低的速度誤差以便提供來自該分析器具的一個更穩定并且更低噪音的頻譜。
文檔編號G01J3/453GK103201604SQ201180054257
公開日2013年7月10日 申請日期2011年11月7日 優先權日2010年11月11日
發明者J.M.科芬 申請人:熱電科學儀器有限責任公司