CN1026442C - 控制干涉分光光度仪的可动镜往复运动的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用来控制干涉仪中可动镜往复运动的方法和装置，其中，首先设定一与所需的可动镜往复速度相应的分频比，然后根据该分频比对来自一振荡器的一脉冲信号进行分频以便产生一分频后的信号，然后将该分频信号与一干涉信号进行比较以产生一控制可动镜往复速度的一误差信号。最好，该分频信号能加以改变，使使用者能按需要改变与所使用的检测器类型相适应的可动镜往复速度，从而能在最佳条件下进行测量。

Description

本发明总的涉及到象傅里叶变换红处（FTIR）分光光度仪（计）的干涉分光光度仪，特别涉及到控制用在干涉分光光度仪中的一双光束干涉仪的可（移）动镜往复运动的方法和装置。

常用的双光束干涉仪除了有一产生干涉图的主干涉仪以外还包括一用来监控可动镜往复运动并从干涉图中抽样的一控制干涉仪。

用于傅里叶变换红外（FTIR）分光光度仪中的检测器包括例如TGS和LiTaO₃等的热电检测器、MCT和InSb等的量子检测器和光声（PAS）检测器。在该干涉仪中，可动镜的往复运动速度代表一调制频率。然而最佳调制频率并不是对所有这些检测器都是相同而是随着检测器的类型不同而不同的。此外，在PAS检测器中，可动镜往复运动的不同速度所检测到的信息是某一样品表面不同深度处的信息。在一些FTIR分光光度仪中，可动镜的往复运动速度是变化的，然而，这种分光光度仪中的变化速度的数值最多只有不多的几个值。

由于不可能通过多级改变可动镜运动的速度，因而在使用能根据可动镜移动的不同速度而检测到不同信息的PAS检测器时，现有的FTIR分光光度仪不能有效地利用光声傅里叶变换分光镜测定法。

在干涉分光光度仪的大量生产中，可动镜的往复运动速度不能做到使每一个干涉分光光度仪有一特定的最大的信噪（S/N）比。

根据前面描述的现有技术的缺点，本发明的目的是提供控制干 涉分光光度仪的可动镜的往复运动的方法和装置，采用这种方法，可动镜的往复运动速度可以很容易地改变，从而可以在最佳条件下进行测量。

本发明的另一个目的是提供能实现一具有多速可动镜的干涉分光光度仪，从而可有效地利用光声傅里叶变换分光镜测定法的方法和装置。

简言之，本发明提供的方法和装置把来自振荡器脉冲的分频信号和来自控制干涉仪的一干涉信号进行比较而产生一误差信号并根据该误差信号控制可动镜的往复速度。

更具体地说，根据本发明的第一方面，本发明可提供一种控制双光束干涉仪的可动镜的往复运动速度的方法，上述双光束干涉仪是用在一干涉分光光度仪中且含有一控制干涉仪，所述方法包含以下步骤：设定一与所需可动镜往复运动速度相对应的分频比;以该分频比对来自振荡器的脉冲信号进行分频，由此产生一分频后的信号;把该分频后的信号与来自控制干涉仪的一干涉信号相比较，由此产生一误差信号;以及根据该误差信号控制可动镜的往复速度直至得到所需的值。

为了得到上述可动镜的所需的往复速度，先设定脉冲信号的分频比，然后，将来自控制干涉仪的干涉信号和按照该分频比对脉冲进行分频而得的信号进行比较。这个比较产生一用来控制可动镜的往复运动速度的误差信号直至得到所需要的值。

最好，分频比能由一中央处理单元加以改变，例如，以便使用者能改变可动镜的往复运动速度去适应所使用的检测器的类型，从而能在最佳条件下进行测量。

根据本发明的第二方面，本发明可提供一种控制双光束干涉仪的可动镜往复运动速度的装置，上述双光束干涉仪是用在一干涉分光光度仪中且含有一控制干涉仪，所述装置包括：用来设定与所需 可动镜往复运动速度相对应的分频比的装置;产生一脉冲信号的振荡器;以所述分频比对来自振荡器的脉冲进行分频并由此产生一分频后的信号的装置;把该分频后的信号与一来自控制干涉仪的干涉信号相比较由此产生一误差信号的装置;以及根据该误差信号控制可动镜的往复运动速度直至得到所需要的值的装置。

当参阅体现本发明原理并用举例的方式举出的一最佳实施例的详细描述和附图后，本发明的以上和其它的目的及优点会变得更为明显。

图1是表示傅里叶变换红外分光光度仪的总体结构的示意图，该红外分光光度仪包括一根据本发明控制可动镜移动速度的装置;

图2是表示上述控制装置结构的方框图;

图3（A）是图2所示的控制装置的第一计数器的方框图;

图3（B）是表明第一计数器运行的时间图;

图4（A）是图2所示的控制装置的第二计数器的方框图;

图4（B）是表明第二计数器运行的时间图;以及

图5是表示图2所示的控制装置的运行的一时间图。

图1是实施本发明的一傅里叶变换红外（FTIR）分光光度计的总体结构示意图。

该FTIR分光光度计包括一光束分离（裂）器和补偿器（以后称为“光束分离（裂）器）2、一固定镜4和一可动镜6。光束分离器2倾斜放置得相对于固定镜4的通常方向和可动镜6的通常方向成60°角。固定镜4固定安装在一个固定镜支承块（未画出）上。而可动镜6由一个往复运动机械装置（结构）8可动地支持着。该往复机械装置8含有一用来使可动镜6朝向或离开光束分离器2移动的线性马达10。

光束分离器2和固定及可动镜4、6与红外（线）（IR）源12共同构成一用作红外线分光仪的主干涉仪。从IR源12过来的红外线光 由一会聚镜14反射，然后通过一狭缝或小孔16，接着通过一准直仪镜18准直，最后在光束分离器2上入射。被主干涉仪改变后的光先后被一平面镜20和一会聚镜22反射，然后通过一取样室24，接着被一椭球镜26反射，最后由一红外线探测器28加以检测，在那里改变后的光被转换成一个电信号。

光束分离器2和固定及可动镜4、6还与一由氦氖激光器30组成的光源组合，共同构成一控制干涉仪。一从氦氖激光器发出的激光束被一反射镜32反射，然后在光束分离器2处入射。被上述控制干涉仪调变的干涉光由一半透镜34接收，从该半透镜34反射的光被一光（电探）测器36检测。一由上述光（电探）测器36检测出的信号被一波形成形器38转变成一脉冲信号。

一可动镜驱动控制装置40构造得可以控制往复机械装置8中的线性马达10的电能供应。为此目的，驱动控制装置40接收一由一振荡器42产生的脉冲信号作为主时钟信号，此脉冲信号具有几兆赫（MHZ）的频率。它也接收由一中央处理单元（CPU）44送出的一分频比信号并产生一输出信号，该输出信号的频率是由上述分频比确定的主时钟信号的频率的适当的函数。然后，驱动控制装置40把这分频输出信号与由控制干涉仪发送出并经波形整形后的干涉信号比较，然后，根据比较结果控制对线性马达10电能的供应。

上述可动镜驱动控制装置40下面参照图2到图4作更详细的描述。

驱动控制装置40含有一D型触发器50，该触发器的输入端分别接收来自振荡器42（图1）的主时钟脉冲信号和波形成形后的激光干涉信号。上述D型触发器50的Q输出端和上述激光干涉信号输进一与门52，该与门的输出端与另一D型触发器54的输入端相连。D型触发器54有一时钟输入端，主时钟脉冲信号就从该端输入。D型触发器54的Q输出X被送到一控制逻辑电路56中。

由CPU44发送出来的分频比N被一闩锁电路58保持或锁住并送进一第一计数器60。该第一计数器60有一计数部分，信号X的一个反向信号X′通过上述逻辑电路56传送到该部分。第一计数器60包括一将在下面参照图3描述的一可编程计时器并构造得能输出一其脉冲宽度随CPU44确定的分频比而变化的单触发脉冲。

由CPU44送出的分频比N也被闩锁电路62所保持或锁住并送进一第二计数器64。该第二计数器64输出一随分频比N而变化的脉冲序列。第二计数器64是一个可编程计数器，以后将参照图4加以描述。上述第二计数器的输出信号POS    CLK被送进一个D型触发器66。D型触发器66的Q输出被反馈到同一触发器66的一个输入端，以便使触发器66产生一具有脉冲保持时间与间歇时间之比为50%且脉冲上升时间是上述第二计数器64的输出信号POS    CLK的脉冲上升时间的两倍的输出脉冲信号POS。该输出脉冲信号POS被送入控制逻辑电路56。

CPU44提供给一第一数模（D/A）转换器68一速度反馈增益，该增益随可动镜6（图1）的往复速度而变化。第一数模转换器68的输出被加到一倒相放大器70和一非倒相放大器72以便从放大器70、72产生不同极性的电压。放大器70、72的输出端分别与开关74、76相连。

控制逻辑电路56还接收激光干涉信号。这个控制逻辑电路56包含多种控制逻辑电路。控制逻辑电路56对激光干涉信号和第一计数器60的输出信号VEL    SET的相位进行比较以产生信号VEL    CONT′和VEL    CONT用来控制开关76、74的开和关。控制逻辑电路56还产生一来自触发器66的输出信号POS的上升边（前沿）的信号POS    SET和一来自触发器54的输出信号X的上升边（前沿）的信号X    POS。

开关74、76的开和关产生一信号VEL    CONT，该信号则被送 至一缓冲电路78，其输出代表一速度误差电压。

信号POS    SET加到一含有一上下（可逆）计数器的位置计数器80。位置计数器80与一第二数模（D/A）转换器82相连，转换器82输出一取决于位置计数器80的计数的电压。第二数模（D/A）转换器82的输出值代表一位置电压。

信号X    POS和信号POS    SET加到一含有一上下（可逆）计数器的位置误差计数器84。当位置误差计数器84接收到X    POS信号时，它就计-1，当它接收到POS    SET信号时，就计+1，且当它同时接收到信号X    POS和POS    SET时，它就不计数。位置误差计数器84与一第三数模（D/A）转换器86相连，第三数模（D/A）转换器86输出一随位置误差计数器84的计数而变化的电压。上述第三数模（D/A）转换器86的输出（值）表示一位置误差电压。

上述速度误差电压、位置电压和位置误差电压一起加到功率放大器88，在那里它们相加在一起然后提供给用来驱动可动镜6（图1）的往复机械装置8（图1）的线性马达10。

图3A表示图2中的第一计数器60的一个例子。如上所述，第一计数器60是一个可编程计时器，并且它的输出信号VEL    SET的脉冲宽度随CPU44（图2）确定的分频比N而变化。

图4A表示第二计数器64的一个例子。这个计数器64的输出信号POS    CLK′（信号POS    CLK的反相信号）随CPU44（图2）设定的分频比N而变化。

下面参照图2及图5描述可动镜驱动控制装置的运行过程。

CPU44设定一分频比N和一速度反馈增益（D/A转换器68的输出电压）。

如图5所示，激光干涉信号与主时钟脉冲信号不同步。触发器50产生一使激光干涉信号与主时钟脉冲信号同步的信号Q。与门52 和触发器54产生作为信号Q的脉冲上升时间信号X。这样，信号X代表上述激光干涉信号的上升时间（即可动镜移动的当前速度）。

如上所述，当信号X′加到第一计数器60时，该计数器产生一与CPU44设定的分频率比相对应的单触发脉冲信号VEL    SET。控制逻辑电路56在VOL    SET信号和激光干涉信号之间进行相位比较。在这里的情况下，如果该干涉信号是低电平而VEL    SET信号是高电平，从控制逻辑电路56输出一减慢（可动）镜的（移动）速度的信号VEL    CONT′。相反，如果激光干涉信号是高电平而VEL    SET信号是低电平，那么从控制逻辑电路56中输出一增加（可动）镜运动速度的信号VEL    CONT″。这些信号VEL    CONT′、VEL    CONT″加到相应的开关76、74上以产生一速度误差电压VEL    CONT。

第二计数器64根据由CPU44设定的分频比N产生一脉冲信号POS    CLK，该信号被送到产生信号POS的触发器66。信号POS的脉冲保持时间与间歇时间之比为50%。且它们上升时间是输入信号POS    CLK的上升时间的两倍。控制逻辑电路56然后从信号POS的上升边（前沿）产生一信号POS    SET。信号POS    SET加到位置计数器80，在被D/A转换器处理后，它表示一位置信号。

位置误差计数器84从控制逻辑电路56接收一信号XPOS和信号POS    SET，它的输出被D/A转换器86处理后表示一位置误差电压。

可动镜6（图1）的移动是一往复运动，当CPU44发出一方向指示信号时，信号POS    SET或它的反相信号POS    SET′加到位置计数器80上，位置计数器80进行上行或下行计数从而实现对可动镜6的往复运动的双向速度控制。

在实施例中，当从振荡器42（图1）中产生的主时钟脉冲信号的频率为1.5MHZ并且在计数器60、64设定的分频比N在10到255 的范围内变化时，速度设定信号VEL    SET的频率能基本上连续地在6.7μs和340μs之间的范围内变化。该频率变化范围与从47.22毫米/秒（mm/scc）到0.93毫米/秒（mm/scc）的速度范围相对应，可动镜的往复（返）速度可根据使用者的需要在47.22毫米/秒到0.93毫米/秒的范围内变化。

如上所述，从振荡器产生的主时钟脉冲信号分频而得的信号与来自控制干涉仪的干涉信号相比较从而产生一用来控制可动镜往复（返）速度的速度误差信号。这样的安排保证了可动镜往返速度的调节的简单和方便，并因此很容易适用于具有代表不同最佳往返速度的不同最佳调制频率的种种检测器。

由于上述主时钟脉冲信号的分频比可在一定的变化范围内选择，使用者可选择一较优的往返速度设定（值）和计数的数量从而使测量时间减少到最小。使用这种方式的安排，在使用光声傅里叶变换分光镜时，能达到有效的测量，从而产生这样的结果即根据往返速度的细微差别能得到取样的深度方向上的信息。

很明显，参阅了本发明的描述之后，种种小的变化和修改是可能的和不言而喻的。因此，应该理解的是：本发明除了上面描述的之外还可以以其他方式或方法加以实施，而这些其他方式和方法，仍落在所附的权利要求的范围之内。

Claims (7)

1、一种用以在干涉分光光度仪中控制双光束干涉仪的可动镜往复运动速度的方法，所述双光束干涉仪包括主干涉仪和控制干涉仪，其特征在于，该方法包括以下步骤：

设定一与所需可动镜往复运动速度相对应的分频比；

以上述分频比对来自一振荡器的一脉冲信号进行分频，由此产生一分频后的信号；

把上述分频信号与来自控制干涉仪的一干涉信号进行比较，由此产生一误差信号；以及

根据上述误差信号控制可动镜的往复运动速度直至达到所需要的值。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述分频比可变化以便改变可动镜的往复运动速度。

3、一种用以在干涉分光光度仪中控制双光束干涉仪的可动镜往复运动速度的装置，所述双光束干涉仪包括主干涉仪和控制干涉仪，其特征在于，所述装置包括：

用来设定一与所需可动镜往复运动速度相对应的分频比的装置;

一产生脉冲信号的振荡器;

以上述分频比对来自上述振荡器的脉冲信号进行分频由此产生一分频后的信号的装置;

把上述分频后的信号与来自控制干涉仪的一干涉信号进行比较由此产生一误差信号的装置;以及

根据上述误差信号控制可动镜的往复运动速度直至达到所需值的装置。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于，上述设定装置可改变上述分频比以改变可动镜的往复运动速度。

5、如权利要求3所述的装置，其特征在于，上述设定装置包括一中央处理单元。

6、如权利要求3所述的装置，其特征在于，上述比较装置包含一控制逻辑电路，上述分频装置包括一接收来自上述振荡器的上述脉冲信号和上述干涉信号的第一触发器、一接收来自上述第一触发器的输出和上述干涉信号的与门、一接收来自上述与门的一个输出和来自上述振荡器的上述脉冲信号并送出一输出信号给上述控制逻辑电路的第二触发器以及一接收来自上述控制逻辑电路的上述输出信号的反相信号和上述分频比并发送出上述分频后的信号到上述控制逻辑电路的计数器。

7、如权利要求6所述的装置，其特征在于，上述计数器包括一能产生其脉冲宽度随上述分频比变化的一单触发脉冲的可编程计时器。

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