自参考光谱仪制造技术

本公开的各方面涉及一种自参考光谱仪，其用于提供对背景或参考光谱密度以及样品或其他光谱密度的同时测量。自参考光谱仪包括干涉仪，该干涉仪被光耦合以接收输入光束，并且沿第一光路引导输入光束以产生第一干涉光束，并且沿第二光路引导输入光束以产生第二干涉光束，其中每个干涉光束是在干涉仪的输出之前被产生的。光谱仪还包括检测器，其被光耦合以同时检测从第一干涉光束产生的第一干涉信号和从第二干涉光束产生的第二干涉信号，以及处理器，其被配置为处理第一干涉信号和第二干涉信号，并且在处理第一干涉信号时将第二干涉信号用作参考信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自参考光谱仪相关申请的交叉引用本申请要求于2018年3月30日在美国专利和商标局提交的美国临时申请第62/651,016号和于2019年3月28日在美国专利和商标局提交的美国技术申请第16/368,771号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文，就好像以下完整地出于所有适用目的进行了完全阐述。
以下讨论的技术总体上涉及光谱仪，并且特别地涉及用于同时捕获背景或参考光谱密度和样品光谱密度的光谱仪。
技术介绍
傅立叶变换红外(FT-IR)光谱仪测量单束光谱(功率谱密度(PSD))，其中单束光谱的强度与到达检测器的辐射功率成比例。为了测量样品的吸光度，应当首先测量背景光谱(即，不存在样品时的单光束光谱)以补偿仪器传递函数。然后可以测量从样品透射或反射的光的单束光谱。可以从样品的透射率或反射率计算样品的吸光度。例如，可以将样品的吸光度计算为来自样品的透射光或反射光的光谱与背景光谱的比率。对于透射测量，可以在光路中不放置任何物质(例如，空的比色杯)的情况下，通过在仪器的输入处测量光束的光谱来获取背景光谱。对于反射测量，可以通过放置具有接近平坦的光谱响应(跨感兴趣光谱范围具有超过95％反射率)的参考材料而不是样品来获取背景光谱。通常应当在与样品测量相同的条件下进行背景测量。为了继续测量准确的吸收光谱，应当经常甚至在每次样品测量之前进行背景测量，这会花费额外的时间。光谱学家研究了背景测量的频率以及光谱如何随温度和时间变化，以试图推导用于模拟这些效应的模型并且确定如何补偿它们。需要光谱仪设计的其他增强，以减少测量过程中的时间，同时保持在线的参考/背景测量以补偿任何PSD漂移效应。
技术实现思路
以下给出了本公开的一个或多个方面的简化概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是本公开的所有预期特征的广泛概述，并且既不旨在标识本公开的所有方面的关键或重要元素，也不旨在界定本公开的任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本公开的一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。本公开的各个方面提供了对背景或参考光谱密度以及样品或其他光谱密度的同时测量，以维持在线的背景/参考测量，补偿任何PSD漂移效应，并且使获取背景/参考测量并且执行任何PSD补偿所需要的时间最小化。在本公开的一个方面，自参考光谱仪包括干涉仪，该干涉仪被光耦合以接收输入光束，并且沿第一光路引导输入光束以产生第一干涉光束，并且沿第二光路引导输入光束以产生第二干涉光束，其中第一干涉光束和第二干涉光束是在干涉仪的输出之前被产生的。光谱仪还包括被光耦合以同时检测从第一干涉光束产生的第一干涉信号和从第二干涉光束产生的第二干涉信号的检测器、耦合到检测器并且被配置为处理第一干涉信号和第二干涉信号并且在处理第一干涉信号时将第二干涉信号用作参考信号的处理器。在一个示例中，干涉仪可以包括Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪或Fabry-Perot干涉仪，其可以在包括由MEMS致动器致动的可移动反射镜的微机电系统(MEMS)芯片内实现。在一些示例中，干涉仪可以包括后向反射器和两个输出，其中一个输出穿过形成第一光路的样品臂，而另一输出穿过形成第二光路的参考臂。在其他示例中，可以在Michelson干涉仪的输入附近实现耦合器，以将反射的第二干涉光束引导到与第二光路相对应的输入端口上。在其他示例中，可以同时照射被测样品(SUT)和漫反射参考材料或其他反射表面，并且可以将来自SUT和参考的反射光引导到干涉仪。在另外的示例中，第二光路可以包括具有参考吸收峰的参考材料，或用于第一干涉信号的连续波长校正和/或在线反射镜定位的窄带滤光器。在另外的示例中，每个光路可以同时测量不同的光谱范围或分辨率。通过阅读下面的详细描述，将更加充分地理解本专利技术的这些和其他方面。在结合附图阅读以下对本专利技术的具体示例性实施例的描述之后，本专利技术的其他方面、特征和实施例对于本领域技术人员将变得很清楚。尽管可以相对于下面的某些实施例和附图讨论本专利技术的特征，但是本专利技术的所有实施例可以包括本文中讨论的一个或多个有利特征。换言之，尽管可以将一个或多个实施例讨论为具有某些有利特征，但是根据本文中讨论的本专利技术的各个实施例，也可以使用一个或多个这样的特征。以类似的方式，尽管下面可以将示例性实施例作为设备、系统或方法实施例进行讨论，但是应当理解，这样的示例性实施例可以在各种设备、系统和方法中实现。附图说明图1是示出包括被配置为同时测量背景或参考功率谱密度(PSD)以及样品或其他PSD的干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。图2是示出基于包括后向反射器的Michelson干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。图3是示出基于包括后向反射器的Mach-Zehnder干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。图4是示出基于包括耦合器的Michelson干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。图5是示出基于Michelson干涉仪和分束器的自参考光谱仪的示例的图。图6是示出基于Fabry-Perot干涉仪和分束器的自参考光谱仪的示例的图。图7是示出包括自参考光谱仪和集成的漫反射参考材料的微机电系统(MEMS)芯片的侧视图的示例的图。图8是示出包括自参考光谱仪和晶片级结合的漫反射参考材料的MEMS芯片的侧视图的示例的图。图9是示出包括参考材料或过滤器的自参考光谱仪的示例的图。图10是示出在微流体通道中具有集成的液体或气体参考材料的MEMS干涉仪芯片的俯视图的示例的图。图11是示出包括被设计为同时照射参考材料和被测样品(SUT)并且将反射光引导到干涉仪的光学组件的、基于Michelson干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。图12是示出包括被设计为同时照射参考材料和被测样品(SUT)并且将反射光引导到干涉仪的光学组件的、基于Fabry-Perot干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。图13A和13B是示出包括单个检测器和被设计为同时照射参考材料和被测样品(SUT)并且将反射光引导到干涉仪的光学组件的自参考光谱仪的其他示例的图。图14是示出包括单个检测器和被设计为同时照射参考材料和被测样品(SUT)并且将反射光引导到干涉仪的光学组件的自参考光谱仪的另一示例的图。图15A是示出包括被设计为同时反射来自背景源和SUT的光的光学组件的自参考光谱仪的示例的图。图15B是示出基于来自背景源的反射光和所存储的校准测量来估计背景信号的图。图16是示出根据本公开的一些方面的光重定向结构的示例的图。图16A和16B是示出包括被设计为同时反射来自背景源或参考材料和SUT的光的光学组件的自参考光谱仪的其他示例的图。图17是示出基于Michelson干涉仪并且包括两个光源的自参考光谱仪的示例的图，每个光源针对不同的光谱范围被优化。图18是示出基于Michelson干涉仪并且包括两个光源的自参考光谱仪的另一示例的图，每个光源针对不同的光谱范围被优化。图19是示出基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自参考光谱仪，包括：/n干涉仪，被光耦合以接收输入光束，并且沿第一光路引导所述输入光束以产生第一干涉光束，并且沿第二光路引导所述输入光束以产生第二干涉光束，其中所述第一干涉光束和所述第二干涉光束是在所述干涉仪的输出之前被产生的，并且其中所述第一干涉光束和所述第二干涉光束穿过所述干涉仪外部的不同的相应介质；/n检测器，被光耦合以同时检测从所述第一干涉光束产生的第一干涉信号和从所述第二干涉光束产生的第二干涉信号；以及/n处理器，被耦合到所述检测器，并且被配置为处理所述第一干涉信号和所述第二干涉信号，并且被配置为在处理所述第一干涉信号时将所述第二干涉信号用作参考信号。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180330 US 62/651,016;20190328 US 16/368,7711.一种自参考光谱仪，包括：
干涉仪，被光耦合以接收输入光束，并且沿第一光路引导所述输入光束以产生第一干涉光束，并且沿第二光路引导所述输入光束以产生第二干涉光束，其中所述第一干涉光束和所述第二干涉光束是在所述干涉仪的输出之前被产生的，并且其中所述第一干涉光束和所述第二干涉光束穿过所述干涉仪外部的不同的相应介质；
检测器，被光耦合以同时检测从所述第一干涉光束产生的第一干涉信号和从所述第二干涉光束产生的第二干涉信号；以及
处理器，被耦合到所述检测器，并且被配置为处理所述第一干涉信号和所述第二干涉信号，并且被配置为在处理所述第一干涉信号时将所述第二干涉信号用作参考信号。


2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述干涉仪还包括：
分束器，被光耦合以接收所述输入光束，并且将所述输入光束分裂成第一入射光束和第二入射光束；
固定反射器，被光耦合以接收所述第一入射光束，并且朝向所述分束器反射所述第一入射光束以产生第一反射光束；
可移动反射器，被光耦合以接收所述第二入射光束，并且朝向所述分束器反射所述第二入射光束以产生第二反射光束；以及
致动器，被耦合到所述可移动反射器以引起所述可移动反射器的位移，其中所述位移在所述第一反射光束与所述第二反射光束之间产生光路长度差。


3.根据权利要求2所述的光谱仪，其中：
所述分束器还被光耦合以从所述第一反射光束与所述第二反射光束之间的干涉产生所述第一干涉光束，并且沿所述第一光路引导所述第一干涉光束；
所述分束器还被光耦合以从所述第一反射光束与所述第二反射光束之间的干涉产生所述第二干涉光束，并且沿所述第二光路引导所述第二干涉光束；并且
所述检测器包括第一检测器和第二检测器，所述第一检测器被光耦合以检测所述第一干涉信号，所述第二检测器被光耦合以检测所述第二干涉信号。


4.根据权利要求3所述的光谱仪，其中：
所述固定反射器包括固定后向反射器；并且
所述可移动反射器包括可移动后向反射器。


5.根据权利要求4所述的光谱仪，其中：
所述干涉仪包括Mach-Zehnder干涉仪；
所述分束器包括第一分束器和第二分束器；
所述固定反射器还包括第一平面反射镜，所述第一平面反射镜被光耦合以从所述第一分束器接收所述第一入射光束，并且朝向所述固定后向反射器重定向所述第一入射光束；
所述固定后向反射器被光耦合以朝向所述第二分束器引导所述第一反射光束；
所述可移动后向反射器被光耦合以从所述第一分束器接收所述第二入射光束；
所述可移动反射器还包括第二平面反射镜，所述第二平面反射镜被光耦合以从所述可移动后向反射器接收所述第二反射光束，并且朝向所述第二分束器重定向所述第二反射光束；并且
所述第二分束器被光耦合以接收所述第一反射光束和所述第二反射光束，并且产生所述第一干涉光束和所述第二干涉光束。


6.根据权利要求3所述的光谱仪，其中所述干涉仪还包括：
耦合器，被光耦合以接收所述输入光束，并且朝向所述分束器引导所述输入光束，所述耦合器还被光耦合以从所述分束器接收所述第二干涉光束，并且朝向所述第二检测器沿所述第二光路引导所述第二干涉光束。


7.根据权利要求3所述的光谱仪，其中：
所述输入光束包括第一输入光束和第二输入光束，所述第一输入光束包括第一光谱范围，所述第二输入光束包括不同于所述第一光谱范围的第二光谱范围；
所述分束器被光耦合以接收所述第一输入光束，并且将所述第一输入光束分裂成第一子入射光束和第二子入射光束；
所述分束器还被光耦合以接收所述第二输入光束，并且将所述第二输入光束分裂成第三子入射光束和第四子入射光束；
所述固定反射器被光耦合以接收所述第一子入射光束，并且朝向所述分束器反射所述第一子入射光束，以产生第一子反射光束；
所述固定反射器还被光耦合以接收所述第三子入射光束，并且朝向所述分束器反射所述第三子入射光束，以产生第三子反射光束；
所述可移动反射器被光耦合以接收所述第二子入射光束，并且朝向所述分束器反射所述第二子入射光束，以产生第二子反射光束；
所述可移动反射器还被光耦合以接收所述第四子入射光束，并且朝向所述分束器反射所述第四子入射光束，以产生第四子反射光束；
所述分束器还被光耦合以接收所述第一子反射光束和所述第三子反射光束，并且从所述第一子反射光束与所述第三子反射光束之间的干涉产生所述第一干涉光束；并且
所述分束器还被光耦合以接收所述第二子反射光束和所述第四子反射光束，并且从所述第二子反射光束与所述第四子反射光束之间的干涉产生所述第二干涉光束。


8.根据权利要求7所述的光谱仪，其中：
所述分束器包括第一分束器和第二分束器，所述第一分束器被光耦合以接收所述第一输入光束，所述第二分束器被光耦合以接收所述第二输入光束；
所述固定反射器包括第一固定反射器和第二固定反射器，所述第一固定反射器被光耦合以接收所述第一子入射光束，所述第二固定反射器被光耦合以接收所述第三子入射光束；
所述可移动反射器包括第一可移动反射器和第二可移动反射器，所述第一可移动反射器被光耦合以接收所述第二子入射光束，所述第二可移动反射器被光耦合以接收所述第四子入射光束；并且
所述致动器被耦合到所述第一可移动反射器和所述第二可移动反射器两者，以同时位移所述第一可移动反射器和所述第二可移动反射器。


9.根据权利要求8所述的光谱仪，其中所述第二可移动反射器包括光路倍增角反射镜。


10.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述第一光路包括样品臂，并且所述第二光路包括参考臂，其中所述样品臂包括被测样品(SUT)。


11.根据权利要求10所述的光谱仪，其中所述参考臂包括参考材料。


12.根据权利要求11所述的光谱仪，其中所述参...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·梅德哈特，B·莫塔达，Y·M·萨布里，M·胡萨姆，M·安瓦尔，A·什布尔，H·哈德达拉，B·A·萨达尼，
申请(专利权)人：斯维尔系统，
类型：发明
国别省市：美国;US