具有多个扫描架的干涉仪的制作方法
【专利摘要】一种干涉仪包括固定组件和可移动组件，所述固定组件包括基座、分束器组件和固定反射镜，所述可移动组件包括上扫描架、下扫描架和连接到下扫描架的可移动反射镜。一对内挠曲支承件连接到基座和上扫描架，允许上扫描架相对于基座的运动，并且一对外挠曲支承件连接到上和下扫描架，允许下扫描架相对于上扫描架的运动。上和下扫描架的运动允许可移动反射镜在扫描方向上的扫描运动，所述扫描运动被限制成使得在扫描运动期间，扫描运动保持包含可移动反射镜的平面，平行于在可移动和固定组件之间的相应距离处的包含可移动反射镜的多个平面。
【专利说明】具有多个扫描架的干涉仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有多个扫描架的干涉仪。
【背景技术】
[0002]迈克耳逊干涉仪在许多商业应用中使用。各种设计的性能特性和稳定性限制是公知的和明白的。常规干涉仪中的光学元件的微小失配导致可能显著影响干涉仪的性能的调制变化。在包括迈克耳逊干涉仪的商用干涉仪的设计中已进行了许多尝试来减小失配和/或失配的影响。这些尝试中的一些包括被动装置，例如使用方角反射镜、后向反射镜和/或其它装置来补偿非期望的影响。其它尝试使用主动装置，例如动态反射镜或动态热控制等。替代地，调节机构可用以允许光学元件的关系的周期或必要重建从而保持可接受的对准状态。
[0003]一般而言，迈克耳逊干涉仪通过将输入光束分裂成两个部分，引起所述部分中的一个的交替路径差异，并且在初始分裂的准确点重组所述部分，产生交替光信号。保持在扫描期间产生路径差异的反射镜元件(例如，可移动反射镜)的平坦度和一致几何关系(到波阵面)对于系统性能、稳定性和最终仪器数据质量是重要的。固定或可移动反射镜到波阵面的几何关系或平坦度的任何短期或长期变化(共同被称为光学不稳定性)可以产生受损结果。当分束器改变相对于波阵面的平坦度或角时产生类似结果。
[0004]干涉仪的光谱分辨率与在扫描期间可移动反射镜移动的距离相关。特别在傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪设计的领域中，可移动反光镜的运动典型地经由机械支承件实现。具有多种多样的成本和复杂性的支承件实现方式有很多。
[0005]板簧(支承件或挠曲支承件)已用于干涉仪。通过引用合并于此的Ressler等人的美国专利第7，630，081号(2009年12月8日)是常规干涉仪的例子。美国专利第7，630，081号提出使用一对挠曲支承件(包括材料选择和几何形状的公开)，从而以较低成本和较小尺寸获得高度的性能和热/机械稳定性。然而，这样的常规干涉仪由于固有的支承件行程限制而可能具有有限的分辨率能力。因此，需要高性能、可靠的干涉仪，其能够具有更长的支承件行程，例如为中级实验室市场提供更大的分辨率。
【发明内容】
[0006]根据代表性实施例，一种干涉仪包括固定组件和相对于固定组件可移动的可移动组件、一对内挠曲支承件以及一对外挠曲支承件。固定组件包括基座、配置成将从光源发射的光分裂成光的第一和第二部分的分束器组件以及用于反射光的第一部分的固定反射镜。可移动组件包括上扫描架、下扫描架以及连接到下扫描架用于反射光的第二部分的可移动反射镜。分束器组件还配置成将被反射的光的第一和第二部分组合成重组辐射束。一对内挠曲支承件具有连接到基座的端部和连接到上扫描架的端部，允许上扫描架相对于基座的运动。一对外挠曲支承件具有连接到上扫描架的端部和连接到下扫描架的端部，允许下扫描架相对于上扫描架的运动。上扫描架的运动和下扫描架的运动允许可移动反射镜在扫描方向上的扫描运动，所述扫描运动被限制成使得在扫描运动期间，扫描运动保持包含可移动反射镜的平面，平行于在可移动组件和固定组件之间的相应距离处的包含可移动反射镜的多个平面。分束器组件、固定反射镜和可移动反射镜定位在包含处于相应平坦状态时的一对内挠曲支承件的各平面之间的空间内。
[0007]根据另一代表性实施例，一种傅里叶变换红外光谱系统包括配置成发射红外辐射的光源，以及配置成接收红外辐射并且提供重组辐射的干涉仪，所述重组辐射包括具有变化相对相位的反射辐射的第一和第二部分。干涉仪包括分束器组件、固定反射镜、可移动反射镜、上和下扫描架以及用于接收重组辐射的检测系统。分束器组件安装到静止基座并且配置成将从光源发射的红外辐射分裂成辐射的第一和第二部分并且重组反射辐射的第一和第二部分以提供重组辐射。固定反射镜安装到静止基座并且配置成反射辐射的第一部分以将反射辐射的第一部分提供给分束器。可移动反射镜配置成反射辐射的第二部分以将反射福射的第二部分提供给分束器，可移动反射镜相对于分束器在扫描方向上可移动以改变反射辐射的第二部分相对于反射辐射的第一部分的相位。上扫描架经由一对内挠曲支承件安装到静止基座并且在第一弧形运动中相对于静止基座可移动，分束器组件、固定反射镜和可移动反射镜定位在包含处于相应非挠曲位置时的一对内挠曲支承件的各平面之间的空间内。下扫描架经由一对外挠曲支承件安装到上扫描架并且在第二弧形运动中相对于上扫描架可移动，第二弧形运动大致(substantially)等于第一弧形运动，但是在相反方向上呈弧形。可移动反射镜附连到下扫描架使得上扫描架在第一弧形运动中的运动和下扫描架在第二弧形运动中的运动允许可移动反射镜在扫描方向上的运动。
[0008]根据另一代表性实施例，一种傅里叶变换红外光谱系统的干涉仪包括固定组件、可移动组件、一对内挠曲支承件以及一对外挠曲支承件。固定组件包括基座、配置成将从光源发射的光分裂成光的第一和第二部分的分束器以及用于反射光的第一部分的固定反射镜。相对于固定组件可移动的可移动组件包括上扫描架、下扫描架以及连接到下扫描架用于反射光的第二部分的可移动反射镜。分束器还配置成将被反射的光的第一和第二部分组合成重组辐射束。一对内挠曲支承件具有连接到基座的上端和连接到上扫描架的下端，允许上扫描架相对于基座的运动。一对外挠曲支承件具有连接到上扫描架的上端和连接到下扫描架的下端，允许下扫描架相对于上扫描架的运动。在上扫描架的运动期间上扫描架的上平面中的上点限定上弧，并且在下扫描架的运动期间下扫描架的下平面中的下点限定与上弧相等并且相反的下弧，其中上点和下点几何共轭，允许可移动反射镜的扫描运动使得在扫描运动期间包含可移动反射镜的平面保持平行于在可移动组件和固定组件之间的相应多个距离处的包含可移动反射镜的多个平面。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]当结合附图阅读时从以下详细描述最佳地理解示例性实施例。需要强调的是各种特征不必按比例绘制。实际上，为了论述的清楚可以任意增加或减小尺寸。只要适用和可行，相似的附图标记表示相似的元件。
[0010]图1示出根据代表性实施例的干涉仪中的光学元件的简化横截面侧视正视图；
[0011]图2示出根据代表性实施例的干涉仪的侧视等轴视图；
[0012]图3示出根据代表性实施例的干涉仪的上扫描架和基座的侧视等轴视图；[0013]图4示出根据代表性实施例的干涉仪的下扫描架的侧视等轴视图；
[0014]图5示出根据代表性实施例的干涉仪中的挠曲支承件的前视正视图；
[0015]图6示出根据代表性实施例的干涉仪的侧视正视图；
[0016]图7示出根据代表性实施例的干涉仪的横截面侧视正视图；
[0017]图8示出等轴横截面图，显示根据代表性实施例的固定反射镜和用于将它相对于固定组件移动的机构的细节；以及
[0018]图9示出根据代表性实施例的干涉仪的可移动分束器组件的俯视平面图。
【具体实施方式】
[0019]在以下详细描述中，为了解释而非限制的目的，阐述公开具体细节的示例性实施例以便提供根据本发明的教导的实施例的透彻理解。然而，他人利用本公开将显而易见脱离本文中所公开的具体细节的根据本教导的其它实施例属于附带权利要求的范围内。而且，公知设备和方法的描述可以省略从而不使示例性实施例的描述晦涩。这样的方法和设备在本教导的范围内。
[0020]一般而言，应当理解附图和其中描绘的各元件未按比例绘制。此外，相对术语、例如“之上”、“之下”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”和“水平”用于描述各种元件的彼此关系，如附图中所示。应当理解这些相对术语旨在涵盖除了图中所示的取向以外的设备和/或元件的不同取向。例如，如果设备相对于附图中的视图被颠倒，则例如被描述为在另一元件“之上”的元件现在将在那个元件之下。类似地，如果设备相对于附图中的视图旋转90度，则例如被描述为“竖直”的元件现在将“水平”。
[0021]图1示出根据代表性实施例的干涉仪中的光学元件的简化横截面侧视图。
[0022]参考图1，根据代表性实施例示出干涉仪I中的光学元件，包括分束器4、可移动反射镜8和固定反射镜9。来自光源2的光3被引导到包括分束表面5的分束器4。例如，光3可以是红外辐射并且光源2可以是红外辐射源。在实施例中，干涉仪例如可以用于傅里叶变换红外(FTIR)光谱学。光3由分束表面5分裂成透射部分7a (第一部分)和反射部分6a (第二部分)。反射部分6a继续到达可移动反射镜8，所述可移动反射镜将反射部分6a作为返回到分束表面5的反射束6b (被反射的第二部分)反射回到自身上。以类似方式，透射部分7a继续到达固定反射镜9，所述固定反射镜将透射部分7a作为返回到分束表面5的反射束7b (被反射的第一部分)反射回到自身上。反射束6b、7b在分束表面5处重组，并且反射束6b、7b的至少一部分作为重组辐射束10被反射。重组辐射束10然后继续到达采样装置11。采样装置11将重组辐射束10修改成样本编码辐射12，作为采样装置11中的样本Ila的函数(function)。样本编码辐射12继续到达检测系统13。样本Ila被识别为样本编码辐射12的函数。应当理解随着采样装置11和检测系统13改变光源2的位置是本领域技术人员已知的。
[0023]当从分束表面5到可移动反射镜8和固定反射镜9的相应光学距离大致相等时，重组辐射束10保持同相，原因是没有光学延迟。当可移动反射镜8移动靠近或远离分束表面5，而可移动反射镜8的平面表面保持与反射部分6a的角取向时,反射束6b的反射返回到分束表面5并且产生延迟变化。反射束6b中的延迟变化调制重组辐射束10。
[0024]当使用干涉仪I作为快速扫描FTIR系统的一部分时，例如如图2中所示，典型地以恒定速度驱动可移动反射镜8，从而以已知方式调制重组辐射束10，随后可以进行傅里叶变换以恢复重组辐射束10和/或样本编码辐射12的频率信息。如果包括分束器4、可移动反射镜8和/或固定反射镜9的光学元件中的一个或多个改变位置，或者如果光学关系在分束器4、可移动反射镜8和/或固定反射镜9之间变化,则在重组辐射束10中发生一定量的调制变化。这样的意外变化产生不利影响并且因此是非期望的。
[0025]图2示出根据代表性实施例的干涉仪的侧视等轴视图。
[0026]参考图2，例如可以用于傅里叶变换红外光谱学的干涉仪101包括固定组件140和可移动组件120，其中可移动反射镜8和电机线圈组件125附连到可移动组件120。固定组件140包括固定外壳或基座141和与基座141成一体地组合的分束器支座147。分束器支座147提供用于包括可选择分束器4a、4b (未在图2中显示)的可移动分束器组件160的引导件，每个分束器配置成将从光源2发射的光3分裂成反射部分6a和透射部分7a，如上面参考分束器4所述。基座141还包括用于反射透射部分7a以提供反射束7b的固定反射镜
9。可移动组件120相对于固定组件140可移动，并且包括上扫描架130和下扫描架150。在实施例中，可移动反射镜8连接到下扫描架150以用于反射反射部分6a以提供反射束6b。分束器组件160配置成将反射束6b、7b组合成输出到采样装置11和检测系统13的重组辐射束10，如上所述。
[0027]干涉仪101还包括一对内挠曲支承件131a、131b (例如，第一内挠曲支承件131a和第二内挠曲支承件131b)以及一对外挠曲支承件151a、151b (例如，第一外挠曲支承件151a和第二外挠曲支承件131b)。内挠曲支承件131a、131b的每一个具有连接到基座141的下端和连接到上扫描架130的上端，允许上扫描架130相对于基座的运动(振荡)，在正/负扫描方向SD上具有微小扫描摩擦。外挠曲支承件151a、151b的每一个具有连接到上扫描架130的上端和连接到下扫描架150的下端，允许下扫描架150相对于上扫描架130的运动(振荡)，在正/负扫描方向SD上具有微小扫描摩擦。
[0028]内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b可以是例如配置成基本上挠曲或弯曲以便于可移动反射镜8在扫描方向SD上的运动的板簧。也就是说，当电磁力施加于电机线圈组件125时，上扫描架130的运动和下扫描架150的运动允许可移动反射镜8在扫描方向SD上的扫描运动。例如取决于施加在电机线圈组件125上的电压的极性，向左或向右大幅施加电磁力，如扫描方向SD所示。电机线圈组件125可以包括线圈和磁体的组合，包括在伺服控制下操作的线性驱动电机，其例如将交替驱动力施加到下扫描架150。在所示的实施例中，当下扫描架150在电机线圈组件125的电机驱动力下移动时，外挠曲支承件151a、151b弯曲，因此将力施加到内挠曲支承件131a、131b中，内挠曲支承件也弯曲。随着下扫描架150的每个增量运动，该过程继续直到在一个方向上获得可移动反射镜8的必要行程距离。电机线圈组件125的极性然后可以反向，导致方向变化直到获得可移动反射镜8在相反方向上的必要行程距离。
[0029]扫描运动被限制成使得在扫描操作期间，它保持包含可移动反射镜8的反射表面的平面，平行于在可移动组件120和固定组件140之间的所有相应距离处的包含可移动组件120的可移动反射镜8的多个平面。换句话说，由于由内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b提供的限制运动，除了光学延迟以外，分束器4a或4b和可移动反射镜8之间的光学关系保持基本不变。因此，当可移动组件120相对于固定组件140平移时，可移动反射镜8的反射表面不角偏转。在实施例中,可移动反射镜8、固定反射镜9和分束器组件160完全定位在处于相应平坦状态(非挠曲或中立位置)时的一对内挠曲支承件131a、131b的各平面之间的空间内，如图所示。
[0030]相比于适合于使用一对挠曲支承件的常规干涉仪的低分辨率光谱学的较短距离，使用两对挠曲支承件(例如内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b)的所示实施例可以获得适合于例如高分辨率光谱学的更长运动距离。分辨率和必要扫描距离之间的关系为L=l/[2(分辨率)]。具体地，对于2波数分辨率机械支承件必须行进的距离为大约±.25cm，而对于1/2波数分辨率行程为大约± lcm。换句话说，分辨率的该改善需要支承件行程距离的4X增加，这与所示实施例中一样使用两对内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b获得，同时保持必要扫描参数和干涉仪设计目标。
[0031]图3和4示出根据代表性实施例的上扫描架130 (连接到基座140)和下扫描架150的侧视等轴视图。
[0032]上扫描架130显示为附连到内挠曲支承件131a、131b，所述内挠曲支承件也附连到固定组件140的基座141。基座141支撑下面所述的分束器组件160。上扫描架130限定上开口 137，光能够通过所述上开口进入以入射在可选择分束器4a、4b中的一个上。内挠曲支承件131a (也在图5中显示)限定开口 138a，可移动反射镜8和电机线圈组件125的至少一部分可以通过所述开口插入，并且相对的内挠曲支承件131b限定开口 138b，所述开口提供来自分束器组件160的重组辐射束10的无障碍光路。
[0033]下扫描架150显示为附连到外挠曲支承件151a、151b。可移动反射镜8和电机线圈组件125附连到下扫描架150。下扫描架150限定下开口 159，固定组件140的基座141可以以足够的间隙定位在所述下开口中，从而当外挠曲支承件151a、151b的上端附连到下扫描架150时，允许下扫描架150相对于基座141自由地移动，如图2中所示，如上所述。外挠曲支承件151a限定提供间隙的开口 158a，可移动反射镜8和电机线圈组件125的至少一部分可以通过所述开口插入，并且相对的外挠曲支承件151b限定开口 158b，重组辐射束10可以不受限制地透射通过所述开口。开口 138a、138b可以相应地与开口 151a、151b大致对准。
[0034]图5示出根据代表性实施例的干涉仪中的挠曲支承件的例子的前视正视图。图5中所示的挠曲支承件被识别为内挠曲支承件131 a，但是应当理解挠曲支承件代表内挠曲支承件131a、131b和/或外挠曲支承件151a、151b中的任何一个。一般而言，内挠曲支承件131a、131b具有彼此大致相同的尺寸和形状，并且外挠曲支承件151a、151b类似地具有彼此大致相同的尺寸和形状。此外，一对内挠曲支承件131a、131b可以具有与一对外挠曲支承件151a、151b大致相同的尺寸和形状，如图所示。
[0035]代表性内挠曲支承件131a包括在形状上可以为大致矩形的开口 138a。开口 138a提供适合于支承可移动组件120的重量并且提供由环境力强加的非期望冲击、扭矩和剪切的抗性的模量特性。尽管开口 138a在所示实施例中为矩形，但是应当理解其它实施例可以包括内挠曲支承件131a的开口 138a (以及开口 138b、158a、158b)的其它形状，例如长圆形、椭圆形、圆形或可以改善鲁棒性和/或稳定性而不脱离本教导的范围的任何其它形状。
[0036]图6示出根据代表性实施例的处于已组装状态的干涉仪的侧视正视图。
[0037]参考图6，干涉仪101包括固定组件140和可移动组件120，其中可移动反射镜8和电机线圈组件125附连到可移动组件120。固定组件140包括基座141和分束器支座147。分束器支座147包括配置成固定可移动分束器组件160并且引导分束器组件160的运动的上凸缘147a和下凸缘147b，如下面所述。可移动组件120相对于固定组件140可移动，并且包括上扫描架130和下扫描架150。内挠曲支承件131a、131b连接到上扫描架130和基座141，并且外挠曲支承件151a、151b连接到上扫描架130和下扫描架150。在实施例中，可移动反射镜8连接到下扫描架150以用于反射反射部分6a以提供反射束6b。
[0038]如上所述，可移动反射镜8通过电机线圈组件125的操作在扫描方向SD上移动。上扫描架130和下扫描架150以保持可移动反射镜8的平面平行于包含沿着扫描路径在扫描方向SD上(向左或向右，在所示取向上)移动的可移动反射镜8的所有平面的方式一起移动。更特别地，上扫描架130包括上平面136并且下扫描架150包括下平面156，其中当内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b处于中立或非挠曲位置时，上平面136和下平面156彼此大致平行。当内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b处于中立或非挠曲位置时，上平面136和下平面156也大致平行于扫描方向SD。因此，当可移动反射镜8在扫描方向SD上(向左或向右)移动时，上扫描架130的上平面136中的上点UP在与可移动反射镜8相同的总方向上(向左或向右)限定上弧138，而下扫描架150的下平面156中的下点LP在与可移动反射镜8相同的总方向上(向左或向右)限定下弧158。在实施例中，当下点LP和上点UP彼此几何共轭时，下弧158与上弧138大致相等并且相反。响应内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b的同时挠曲或弯曲上点UP遵循上弧138并且下点遵循下弧158。
[0039]另外，内挠曲支承件131a、131b在中立或非挠曲位置相应地限定内平面171a、171b，并且外挠曲支承件151a、151b在中立或非挠曲位置相应地限定外平面172a、172b。在实施例中，内平面171a、171b和外平面172a、172b彼此大致平行。此外，上扫描架130包含前平面137，在中立或非挠曲位置所述前平面大致平行于内挠曲支承件131a、131b的内平面171a、171b。当内挠曲支承件131a、131b处于中立或非挠曲位置时前平面137也大致平行于基座141的前平面142。类似地，下扫描架150包含前平面157，在中立或非挠曲位置所述前平面大致平行于外挠曲支承件151a、151b的外平面172a、172b。当内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b处于中立或非挠曲位置时前平面157也大致平行于前平面137。在实施例中，在扫描运动期间上扫描架130的前平面137保持平行于基座141的前平面142，并且在扫描运动期间下扫描架150的前平面157保持平行于上扫描架130的前平面137 (以及基座141的前平面142)。
[0040]图7示出根据代表性实施例的干涉仪的横截面侧视正视图。
[0041]参考图7，干涉仪101包括固定组件140和可移动组件120。固定组件140包括固定反射镜9和分束器组件160，以及各种固定装置。在所示的示例性配置中，固定装置包括内夹钳元件132a、132b和相应的紧固件133a、133b (例如螺钉)以用于将内挠曲支承件131a、131b的下端附连到基座141。例如多个螺纹孔141a、141b可以设在基座141中以用于将干涉仪101固定到框架、仪器外壳或基板(未显示)。
[0042]分束器组件160包括在分束器架161上的分束器4a和分束器4b (未在图7中显示)，所述分束器架可滑动地安装到固定组件140的分束器支座147，以允许通过将分束器4a、4b中的一个滑动到从光源2发射的光3的路径中选择多个可选择分束器4a和4b中的一个，如下面参考图7和9所述。分束器4a通过分束器紧固件144a、144b和相应的O形圈145a、145b安装到分束器架161的表面。分束器支座147中的开口 148提供用于输出到采样装置11和检测系统13的重组辐射束10的间隙，并且分束器支座147和基座141中的开口 149提供用于透射到固定反射镜9的透射部分7a和从固定反射镜9反射的反射束7b的间隙。来自光源2的光3经由由上扫描架130限定的上开口 137进入干涉仪101的固定组件140以到达分束器4a。
[0043]可移动组件120包括上扫描架130、下扫描架150、可移动反射镜8和电机线圈组件125以及各种固定装置。在实施例中，可移动反射镜8和电机线圈组件125连接到下扫描架150，并且可移动反射镜8配置成将反射部分6a作为反射束6b反射回到自身上。替代地，可移动反射镜8和电机线圈组件125可以连接到上扫描架130，并且下扫描架150连接到基座140，而不脱离本教导的范围。
[0044]在所示的示例性配置中，可移动组件120的固定装置包括外夹钳元件152a、152b和相应的紧固件153a、153b (例如螺钉)以用于将外挠曲支承件151a、151b的下端附连到下扫描架150。可移动组件120的固定装置还包括内夹钳元件139a、139b、外夹钳元件154a、154b和相应的紧固件155a、155b (例如螺钉)以用于相应地将内挠曲支承件131a、131b的上端和外挠曲支承件151a、151b的上端附连到上扫描架130。可移动组件120的所有部件刚性地紧固以形成单元，当由在扫描方向SD上施加于电机线圈组件125的电磁力致动时所述单元一起移动，如上所述。使用电机线圈驱动干涉仪的可移动反射镜以获得相应的固定和可移动组件140、120之间的延迟(例如距离)是已知的。
[0045]一般而言，内夹钳元件132a、132b和紧固件133a、133b用作将内挠曲支承件131a、131b固定到基座141的装置。当内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b随着上扫描架130的相对运动偏转时发生可移动和固定组件120、140之间的运动。类似地，夕卜夹钳元件152a、152b和紧固件153a、153b用作将外挠曲支承件151a、151b固定到下扫描架150的装置，并且内夹钳元件139a、139b、外夹钳元件154a、154b和紧固件155a、155b用作将内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b固定到上扫描架130的装置，同时允许可移动和固定组件120、140之间的运动。在替代实施例中，粘合剂、热焊、焊接、环氧树脂和挤出金属可用用于将内/外挠曲支承件固定到可移动和固定组件120、140。
[0046]当相对于可移动反射镜8的表面的角保持分束器4a、4b的表面的角时，可以满足分束器4a、4b和可移动反射镜8之间的光学关系。类似地，当从分束器4a、4b朝着可移动反射镜8的光束的轴线的角保持在相对于可移动反射镜8的表面的预定角时，可以满足分束器4a、4b和可移动反射镜8之间的光学关系。
[0047]如上所述，分束器组件160、固定反射镜9和可移动反射镜8定位在包含相应地处于它们的平坦状态的内挠曲支承件131a、131b的内平面171a、171b之间的空间中。
[0048]再次参考图5，在所示的实施例中，代表性内挠曲支承件131a的夹紧区域32还与夹钳元件132a、139a的边缘对准以限定无限制夹紧长度L。间隙孔33被提供用于紧固件133a、155a，并且对准孔34被提供以容纳用于精确定位的高公差销(未显示)。类似地，内挠曲支承件131b的夹紧区域32和间隙孔33将与夹钳元件132b、139b的边缘对准，并且接收紧固件133b、155b。而且，外挠曲支承件151a、151b的夹紧区域32和间隙孔33将相应地与夹钳元件152a、152b、154a、154b的边缘对准，并且接收紧固件153a、153b、155a、155b。[0049]图8示出等轴横截面图，显示根据代表性实施例的固定反射镜和用于将它相对于固定组件移动的机构的细节。
[0050]参考图8，固定反射镜9定位在固定反射镜腔50中。更具体地，基座141的球形表面部分51接触固定反射镜9的球形表面部分52。六个(6)调节螺钉接触固定反射镜9的圆锥表面53，其中的一个示出为54。在实施例中，螺钉54围绕圆锥表面53的圆周大致对称地放置。以该方式，螺钉54可以用于调节固定反射镜9的取向。固定反射镜调节例如可以用伺服或步进电机(未显示)操作，但是可以包含调节固定反射镜9的其它装置而不脱离本教导的范围。
[0051]图9示出根据代表性实施例的干涉仪的可移动分束器组件的俯视平面图。
[0052]参考图9，分束器组件160包括可滑动地安装到分束器支座147和/或静止基座141的分束器架161。多个分束器4a、4b彼此相邻定位在分束器架161的上表面上。分束器架161配置成在分束器支座147的凸缘147a、147b内在大致垂直于扫描方向SD的分束器定位方向BSP上滑动。因此，分束器架161的滑动操作选择性地将分束器4a、4b中的一个放置到从光源2 (未在图9中显示)发射的光3的路径中。分束器架161例如可以使用伺服或步进电机(未显示)操作，但是可以包含滑动分束器架161的其它装置而不脱离本教导的范围。
[0053]在所示布置中，分束器架161已定位成选择分束器4a。分束器4a、4b可以由不同材料形成以相应地透射从光源2发射的不同频率的感兴趣的光3。例如，分束器4a、4b可以配置成具有ZnSe、KBr或CaF2的各种组合。尽管图9描绘两个分束器4a、4b，但是应当理解分束器架161可以包括附加的分束器而不脱离本教导的范围。还应当理解可以使用单、固定分束器而不是可选择分束器实现干涉仪101的各种实施例。
[0054]在使用期间，光学失配和不稳定性的两个主要来源是来自干涉仪101上的机械和热应力的应变。在实施例中，内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b以匹配组或对被制造，并且组装以保证相对于彼此保持精确固定的可移动组件120上的可移动反射镜8和固定组件140上的分束器4a、4b和/或固定反射镜9之间的基本精确可重复的轨迹和关系。
[0055]使用一对内挠曲支承件131a、131b和一对外挠曲支承件151a、151b，其中相应的内平面171a、171b限定包含干涉仪光学元件(例如，分束器4a、4b，固定反射镜9，和可移动反射镜8)的空间，提供明显的对称性、用于辐射的最小光路长度和最小结构长度。这些特征以及材料的适当选择最小化周围空间中的热变化的影响。所示的实施例还提供用于输入或输出辐射的透明光路和用于方便地驱动包括可移动反射镜8的可移动组件120的机械装置。同时，内挠曲支承件131a、131b和外挠曲支承件151a、151b的对称性和紧凑性最小化来自热和机械应力的应变。明显减小的应变导致明显改善的光学稳定性。
[0056]温度在许多仪器操作环境中恒定地变化并且典型地可预测。需要在这样的环境中工作的干涉仪典型地需要从温度变化隔离，具有补偿装置以抵消变化的影响，和/或最小化这样的温度变化的影响。历史上，干涉仪已设计成从环境变化隔离并且抵消环境变化的影响。本文中的各种实施例帮助减小和/或最小化环境变化的影响。
[0057]一般而言，当物质自身的温度升高时物质的尺寸增加。该关系典型地根据以下公式表述=L=LJhA (t-t。))，其中L。是在温度t。下的物体的长度，A是线性膨胀的系数，并且L是在温度t下的物体的长度。线性膨胀的系数A对于多数普通材料是已知的。在红外干涉仪中，分束器材料的选择确定仪器的有用频率范围。
[0058]一种常用的材料硒化锌(ZnSe)具有A=7.2x10_6/C。当使用典型的一英寸直径(25.4毫米)分束器时，如果分束器直径不受限制，则对于摄氏温标上的每十度的变化在直径上有大约1.5微米的变化。尽管该变化似乎较小，但是如果分束器受到约束，则它能够产生巨大应力。例如，对于牢固地固定到铝外壳的ZnSe分束器(商用FTIR的一般惯例)，铝将试图以ZnSe的速率的大约三倍变化。如果不适当地消散，由此产生的应力可以导致表面扭曲和/或角(例如倾斜)变化，可能导致调制变化和不稳定性。
[0059]在实施例中，基座141、上扫描架130、下扫描架150、内挠曲支承件131a、131b、外挠曲支承件 151a、151b、夹钳元件 132a、132b、139a、139b、152a、152b、154a、154b、紧固件133a、133b、153a、153b、155a、155b、可移动反射镜8和固定反射镜9均可以例如由钢形成。另外，可以预料可移动反射镜8和固定反射镜9包括金属化膜以便改善例如红外范围中的反射率。
[0060]钢和钛具有很接近ZnSe的热膨胀的系数。所以，使用钢或钛代替铝外壳将减小ZnSe和外壳之间的应变差异。然而，通过从铝变为钢或钛以克服其它因素、例如导热性、热吸收和热发射等而改善应变差异的益处以前还未被揭示。据推测，改善的应变差异不能单独获得改善的结果，原因是其它因素是光学不稳定性的来源。在这方面，本文中所述的各种实施例提出形状和对称性的作用即使不比热膨胀的系数差异的作用的重要性更大也是同等的。
[0061]尽管本公开引用示例性实施例，但是本领域的技术人员将显而易见可以进行各种变化和修改而不脱离本教导的精神和范围。所以，应当理解以上实施例不是限制性的，而是示例性的。
【权利要求】
1.一种干涉仪，其包括: 固定组件，所述固定组件包括基座、配置成将从光源发射的光分裂成光的第一和第二部分的分束器组件、以及用于反射所述光的第一部分的固定反射镜； 相对于所述固定组件可移动的可移动组件，所述可移动组件包括上扫描架、下扫描架以及连接到所述下扫描架的用于反射所述光的第二部分的可移动反射镜，其中所述分束器组件还配置成将被反射的光的第一和第二部分组合成重组辐射束； 一对内挠曲支承件，所述一对内挠曲支承件具有连接到所述基座的端部和连接到所述上扫描架的端部，允许所述上扫描架相对于所述基座的运动；以及 一对外挠曲支承件，所述一对外挠曲支承件具有连接到所述上扫描架的端部和连接到所述下扫描架的端部，允许所述下扫描架相对于所述上扫描架的运动， 其中所述上扫描架的运动和所述下扫描架的运动允许所述可移动反射镜在扫描方向上的扫描运动，所述扫描运动被限制成使得在所述扫描运动期间，所述扫描运动保持包含所述可移动反射镜的平面，平行于在所述可移动组件和所述固定组件之间的相应距离处的包含所述可移动反射镜的多个平面，并且 其中所述分束器组件、所述固定反射镜和所述可移动反射镜定位在包含处于相应平坦状态时的所述一对内挠曲支承件的各平面之间的空间内。
2.根据权利要求1所述的干涉仪，其中在所述上扫描架的运动期间所述上扫描架的上平面中的上点限定上弧，并且在所述下扫描架的运动期间所述下扫描架的下平面中的下点限定与所述上弧相等并且相反的下弧，其中所述上点和所述下点几何共轭。
3.根据权利要求1所述的干涉仪，其中所述上扫描架包含前平面，所述前平面大致平行于处于非挠曲位置的所述一对内挠曲支承件的平面，在扫描运动期间所述上扫描架的前平面保持平行于所述基座的前平面。
4.根据权利要求3所述的干涉仪，其中所述下扫描架包含前平面，所述前平面大致平行于处于非挠曲位置的所述一对外挠曲支承件的平面，在扫描运动期间所述下扫描架的前平面保持平行于所述上扫描架的前平面。
5.根据权利要求1所述的干涉仪，其中所述光的第一部分是透射部分，并且所述光的第二部分是反射部分。
6.根据权利要求1所述的干涉仪，其中所述可移动组件还包括用于允许所述可移动反射镜的扫描运动的电机线圈组件。
7.根据权利要求6所述的干涉仪，其中所述一对内挠曲支承件的第一内挠曲支承件和所述一对外挠曲支承件的第一外挠曲支承件的每一个限定第一开口，用于为所述可移动反射镜和所述电机线圈组件中的至少一个提供间隙。
8.根据权利要求7所述的干涉仪，其中所述一对内挠曲支承件的第二内挠曲支承件和所述一对外挠曲支承件的第二外挠曲支承件限定第二开口，用于提供来自所述分束器组件的重组辐射束的无障碍光路。
9.根据权利要求8所述的干涉仪，其中当所述可移动组件相对于所述固定组件平移时，所述可移动反射镜的表面不角偏转。
10.根据权利要求1所述的干涉仪，其中所述分束器组件包括多个可选择分束器。
11.根据权利要求10所述的干涉仪，其中所述多个可选择分束器包括不同材料，以相应地透射从光源发射的不同频率的感兴趣的光。
12.根据权利要求10所述的干涉仪，其中所述分束器组件还包括包含所述多个可选择分束器的分束器架，所述分束器架可滑动地安装到所述固定组件，以允许通过将所述多个可选择分束器中的一个滑动到从光源发射的光的路径中而选择所述多个可选择分束器中的一个。
13.一种傅里叶变换红外光谱系统，其包括: 配置成发射红外辐射的光源；以及 配置成接收所述红外辐射并且提供重组辐射的干涉仪，所述重组辐射包括具有变化相对相位的反射辐射的第一和第二部分，所述干涉仪包括: 分束器组件，所述分束器组件安装到静止基座，并且配置成将从所述光源发射的红外辐射分裂成辐射的第一和第二部分并且重组反射辐射的第一和第二部分以提供所述重组福射; 固定反射镜，所述固定反射镜安装到所述静止基座，并且配置成反射辐射的第一部分以将反射辐射的第一部分提供给分束器； 可移动反射镜，所述可移动反射镜配置成反射辐射的第二部分以将反射辐射的第二部分提供给分束器，所述可移动反射镜相对于所述分束器在扫描方向上可移动，以改变反射辐射的第二部分相对于反射辐射的第一部分的相位； 上扫描架，所述上扫描架经由一对内挠曲支承件安装到所述静止基座，并且在第一弧形运动中相对于所述静止基座可移动，所述分束器组件、所述固定反射镜和所述可移动反射镜定位在包含处于相应非挠曲位置时的所述一对内挠曲支承件的各平面之间的空间内；以及 下扫描架，所述下扫描架经由一对外`挠曲支承件安装到所述上扫描架，并且在第二弧形运动中相对于所述上扫描架可移动，所述第二弧形运动大致等于所述第一弧形运动，但是在相反方向上呈弧形， 其中所述可移动反射镜附连到所述下扫描架，使得所述上扫描架在所述第一弧形运动中的运动和所述下扫描架在所述第二弧形运动中的运动允许所述可移动反射镜在扫描方向上的运动；以及 用于接收所述重组辐射的检测系统。
14.根据权利要求13所述的傅里叶变换红外光谱系统，其中所述一对内挠曲支承件的每个内挠曲支承件包括连接到所述静止基座的端部和连接到所述上扫描架的端部，并且其中所述一对外挠曲支承件的每个外挠曲支承件包括连接到所述上扫描架的端部和连接到所述下扫描架的端部。
15.根据权利要求14所述的傅里叶变换红外光谱系统，其中所述一对内挠曲支承件定位在所述一对外挠曲支承件内，并且当所述内挠曲支承件处于非挠曲位置时，所述固定反射镜和所述可移动反射镜定位在所述内挠曲支承件之间的空间内。
16.根据权利要求13所述的傅里叶变换红外光谱系统，其中所述分束器组件包括: 可滑动地安装到所述静止基座的分束器架；以及 定位在所述分束器架中的多个分束器， 其中所述分束器架的操作选择性地将所述多个分束器中的一个放置到从所述光源发射的红外辐射的路径中。
17.根据权利要求16所述的傅里叶变换红外光谱系统，其中所述多个可选择分束器包括不同材料，以相应地透射从所述光源发射的不同频率的感兴趣的红外辐射。
18.根据权利要求13所述的傅里叶变换红外光谱系统，其中所述上扫描架包含前平面，所述前平面大致平行于处于相应非挠曲位置时的所述一对内挠曲支承件的平面和所述静止基座的前平面，在所述上扫描架在所述第一弧形运动中的运动期间，所述上扫描架的前平面保持平行于所述静止基座的前平面，并且 其中所述下扫描架包含前平面，所述前平面大致平行于处于非挠曲位置时的所述一对外挠曲支承件的平面和所述上扫描架的前平面，在所述下扫描架在所述第二弧形运动中的运动期间，所述下扫描架的前平面保持平行于所述上扫描架的前平面。
19.一种傅里叶变换红外光谱系统的干涉仪，所述干涉仪包括: 固定组件，所述固定组件包括基座、配置成将从光源发射的光分裂成光的第一和第二部分的分束器、以及用于反射所述光的第一部分的固定反射镜； 相对于所述固定组件可移动的可移动组件，所述可移动组件包括上扫描架、下扫描架以及连接到所述下扫描架的用于反射所述光的第二部分的可移动反射镜，其中所述分束器还配置成将被反射的光的第一和第二部分组合成重组辐射束； 一对内挠曲支承件，所述一对内挠曲支承件具有连接到所述基座的上端和连接到所述上扫描架的下端，允许所述上扫描架相对于所述基座的运动；以及 一对外挠曲支承件，所述一对外挠曲支承件具有连接到所述上扫描架的上端和连接到所述下扫描架的下端，允许所述下扫描架相对于所述上扫描架的运动， 其中在所述上扫描架的运动期间所述上扫描架的上平面中的上点限定上弧，并且在所述下扫描架的运动期间所述下扫描架的下平面中的下点限定与所述上弧相等并且相反的下弧，其中所述上点和所述下点几何共轭，允许所述可移动反射镜的扫描运动，使得在所述扫描运动期间，包含所述可移动反射镜的平面保持平行于在所述可移动组件和所述固定组件之间的相应多个距离处的包含所述可移动反射镜的多个平面。
20.根据权利要求19所述的干涉仪，其中所述上扫描架包含前平面，所述前平面大致平行于处于中立位置的所述一对内挠曲支承件的平面，在扫描运动期间所述上扫描架的前平面保持平行于所述基座的前平面，并且 其中所述下扫描架包含前平面，所述前平面大致平行于处于中立位置的所述一对外挠曲支承件的平面，在扫描运动期间所述下扫描架的前平面保持平行于所述上扫描架的前平面。
【文档编号】G01B9/02GK103885179SQ201310593817
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2012年12月21日
【发明者】G.雷斯勒, J.H.萨勒 申请人:安捷伦科技有限公司