干涉仪阶梯扫描系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及干涉仪阶梯扫描系统和方法。在一些实施例中，阶梯扫描红外(IR)光谱仪干涉仪中的路径长度差(延迟)被在AC伺服机构(伺服)控制下保持阶梯变化之后的第一时间段，并且在DC伺服控制下保持第一时间段之后的第二时间段。在DC伺服控制时间段期间和/或之后获取数据。特别是在诸如高速时间分辨光谱仪(TSR)的快速时间缩放应用中，在数据获取之前停止AC伺服控制允许限制否则可能影响感兴趣的信号的抖动频率噪声。反射镜位置控制电路控制反射镜位置的步进以及将反射镜伺服控制从AC转换到DC。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及干涉仪，并且具体涉及用于控制阶梯扫描光谱仪干涉仪中的光路差的伺服控制系统和方法。
技术介绍
傅里叶变换光谱仪通常包括用来产生单色基准光束(例如，激光束)的经反射的部分之间的干涉以及所关注的宽带红外光束的经反射的部分之间的干涉的干涉仪。干涉仪可以包括一个或多个可移动的反射镜，该反射镜的位置被用来控制经过干涉仪的光学路径长度。在快速扫描中，随着获取数据，干涉光束各部分之间的路径长度差(延迟)以恒定速度在所关注的区间之上增加。在阶梯扫描过程中，延迟以阶梯方式变化，并且在每个阶梯处获取数据。可以通过移动一个或多个光学元件(诸如反射镜)来改变延迟。阶梯扫描干涉仪可以使用抖动(dither)来在可以线性移动的反射镜与固定到致动器(诸如压电致动器(PZT))的反射镜之间的路程差中产生小的周期性变化。这种抖动对于单色基准光束和宽带红外光束进行调制。单色光束可以被用作基准，来对两个反射镜之间的平均路程差进行精确地伺服控制。在一种方法中，经调制的单色光束被从干涉仪引导向探测器，其中探测器的输出受到AC(交流)耦合。以抖动的两倍频率工作的解调器被用来检测抖动信号的二次谐波，并且被用作伺服的误差输入，其中伺服的误差输入将移动反射镜与固定反射镜之间的时间平均路程差调整到单色光的过零点(zero crossing)。抖动和AC耦合的应用减少了系统特性对于由单色光源强度、分束器效率和探测器灵敏度的时间变化而弓I起的漂移的相关性。通常使用的干涉仪可能在一些顶光谱应用(例如时间分辨光谱学(TRS))中工作不理想。
技术实现思路
根据一个方面，一种方法包括使得阶梯扫描干涉仪中的光学路径长度差从第一值步进到第二值；使得干涉仪反射镜在AC伺服控制下抖动持续第一时间区间，以使得在第二阶梯值处的路径长度差稳定；对于接着第一时间区间的第二时间区间，将反射镜不能在 AC伺服控制下的抖动禁用，并且使得能够进行干涉仪反射镜位置DC伺服控制；以及在将反射镜在AC伺服控制下的抖动禁用的时间，执行干涉仪采样数据收集。根据另一个方面，一种设备包括至少一个致动器，其被构造为使得阶梯扫描干涉仪中的光学路径长度差从第一值步进到第二值；以及连接到该至少一个致动器的系统控制器。该系统控制器被构造为使得干涉仪反射镜在AC伺服控制下抖动持续第一时间区间， 以使得在第二阶梯值处的路径长度差稳定；对于接着第一时间区间的第二时间区间，将反射镜在AC伺服控制下的抖动禁用，并且使得能够进行干涉仪反射镜位置DC伺服控制；并且在将反射镜在AC伺服控制下的抖动禁用的时间，执行干涉仪采样数据收集。附图说明通过阅读以下详细说明以及参考附图，将会更好地理解本专利技术的上述方面和优点ο图1示出了根据本专利技术的一些实施例的示例性阶梯扫描光谱仪干涉仪。图2示出了根据本专利技术的一些实施例的干涉仪路径差(延迟)、抖动源信号和红外 (IR)数据收集信号的时间相关性。图3示出了根据本专利技术的一些实施例的干涉仪控制器。图4示出了根据本专利技术的一些实施例，在存在DC偏移漂移的情况下探测器信号和放大器输出的时间相关性。图5示出了根据本专利技术的一些实施例的解调器输入、控制和输出信号的时间相关性。具体实施例方式在以下描述中，“一组”元件包括一个或多个元件。“多个”元件包括两个或多个元件。提到任何元件都应被理解为涵盖了一个或多个元件的情形。每个所提到的元件或结构可以通过整体结构而形成或者是整体结构的一部分，或者可以由多个单独的结构形成。除非另有说明，任何所提到的电或机械的连接可以是直接连接或者通过中间结构而间接地以可操作方式连接。两个事件同步发生意味着两个事件根据相同的时钟周期发生。除非另外指明，术语“逻辑”涵盖了专用的硬件(例如，专用集成电路(ASIC)的一部分)以及可编程的逻辑器件(例如，现场可编程门阵列(FPGA)、可编程数字信号处理器(DSP)或其它可编程的处理器，诸如微控制器)的情形。以下描述通过示例的方式而不是通过限制的方式示出了本专利技术的实施例。图1示出了根据本专利技术的一些实施例的示例性阶梯扫描光谱仪干涉仪系统10。干涉仪系统10包括宽带红外光源20、单色基准光源(诸如激光器)22、光学地耦合到宽带光源20和激光器22的干涉仪24、以及电耦合到干涉仪M的控制器26。图1中示出的示例性干涉仪是90°迈克尔逊干涉仪，如下所述的系统和方法可以用于其它干涉仪构造。干涉仪M包括分束器30，光学地耦合到分束器30的两个可移动的、相互横向朝向(例如，彼此垂直)的平面反射镜32、34，以及分别光学耦合到分束器30的红外光探测器和基准光探测器46、48。反射镜32可以沿着与其反射表面垂直的方向线性移动。可以沿着两个旋转轴调整反射镜34的位置和朝向，以允许控制反射镜32、34与沿着光路的一个平移方向之间的 (一个或多个)相对角度。反射镜32机械地连接到控制反射镜32的直线运动(平移)的直线电机(LM)40。反射镜34机械地连接到3元件压电换能器(PZT)44，PZT 44控制反射镜 34相对于反射镜32的朝向和距离并且允许使得反射镜34抖动。在一些实施例中，PZT 44 的三个元件沿着反射镜34的背面以三角形状等间距地分隔开。通过相等地驱动全部三个 PZT元件来实现平移，同时通过不相等地驱动三个PZT元件来实现微小的朝向改变(例如， 通过根据期望的角度变化而驱动一个或两个元件)。可以通过对于全部三个PZT元件相等地施加正弦驱动信号来实现抖动。控制器沈电连接到LM 40、PZT 44和探测器48。响应于从如下所述的探测器48接收到的信号，控制器沈控制LM 40和PZT 44的操作。宽带红外光源20输出对感兴趣的光谱信息进行了编码的宽带红外光束50，同时5激光器22产生单色基准光束52。光束50、52入射到分束器30上。对于每个光束50、52，分束器30将入射光分离，将一部分朝向反射镜32引导并且将另一部分朝向反射镜34引导。 由反射镜32、34反射的光返回并且通过分束器30，并且由探测器46、48探测。由于沿着两个光路前进的光之间的干涉，由每个探测器46、48探测到的光的强度取决于反射镜32、34 的位置，其中反射镜32、34的位置决定每个光束的发生干涉的那些部分的光路之间的路径长度差(延迟)。单色基准光52被用来对干涉仪延迟进行精确地伺服控制，这可以通过控制反射镜32的线性位置而实现。在一些实施例中，反射镜32、34都可以沿着每个反射镜处的局部光路线性移动。为了简便，以下描述集中在只有反射镜32在延迟阶梯之间线性移动而反射镜；34抖动的系统。为了执行测量，反射镜32的位置在多个位置之间步进，其中每个位置对应于单色光在探测器48处的过零点。在每个线性平移阶梯之后，在AC伺服控制下使得反射镜34抖动第一时间段，以使得反射镜位置稳定在过零点。之后停止抖动，并且在DC(直流)伺服控制下保持反射镜34的位置。在停止抖动并且反射镜34处于DC伺服控制下的时间，收集感兴趣的顶数据。在抖动停止的时间收集数据允许减少通过抖动而引入到所检测到的信号中的假象(artifact)。对于诸如时间分辨光谱学的高速应用来说，减少这种假象是尤其令人感兴趣的。此时，在数据获取时间区间中，通过使用DC伺服控制来保持位置延迟。在一些实施例中，采取措施来调整反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种方法，包括：使得阶梯扫描干涉仪中的光学路径长度差从第一值步进到第二值；使得干涉仪反射镜在ＡＣ伺服控制下抖动持续第一时间区间，以使得在第二阶梯值处的路径长度差稳定；对于接着所述第一时间区间的第二时间区间，将所述反射镜在ＡＣ伺服控制下的所述抖动禁用，并且使得能够进行干涉仪反射镜位置ＤＣ伺服控制；以及在将所述反射镜在ＡＣ伺服控制下的抖动禁用的时间执行干涉仪采样数据收集。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·B·约翰逊，安东尼·邦德，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：US