CN103201604A - 降低振动噪音的挠曲安装动镜 - Google Patents

Abstract

在此提出一种新型装置，该装置在干涉仪内引入一种混合挠曲安装的动镜部件。特别地，提供与具有该移动光学部件的新型倾斜和速度控制的一种新型挠曲安装组合的一种线性轴承。这样一种安排能够校正镜自身的误差，同时也解决了由在许多常规干涉仪中使用的轴承表面的缺陷造成的、隔离振动和噪音的问题。使用本发明的这样一种偶联的挠曲安装，除了以上的益处还增强了速度控制，这是因为该动镜组件的所产生的低质量使在此披露的系统能够比常规的镜速度控制干涉仪器具更快地响应，并且具有较低的速度误差以便提供来自该分析器具的一个更稳定并且更低噪音的频谱。

Description

降低振动噪音的挠曲安装动镜

相关申请

本申请是于2010年11月11日提交的题为“分束器和动镜的干涉仪速度控制”的美国专利申请系列号12/944,512以及同样在2010年11月11日提交的题为“双输入干涉仪分束器倾斜控制系统以及挠曲安装”的美国专利申请系列号12/944,428的部分继续申请，这两个专利通过引用以其全文结合在此。

发明背景

发明领域

本发明涉及光学科学仪器领域。更确切地说，本发明涉及在一个傅里叶变换红外(FTIR)干涉仪中利用的一种新型的挠曲偶联动镜。

相关技术讨论

在科学分析仪器中使用的一种光学干涉仪依赖于作为询问装置一部分的叠加光束的干涉。当被配置为傅里叶变换红外(FTIR)仪器时，该干涉仪的光学输出被称为一种干涉图。该FTIR干涉仪本身经常包括一个分束器和两个镜，常规地一个是固定的，并且常规地另一个是移动的。该动镜沿着该光轴运动，同时始终保持为在光学上与该光束垂直。经常所希望的是该动镜的运动是反馈受控制的，以便维持该镜速度常数(同时还控制倾斜)，使得穿过该干涉仪的分析辐射产生一个精确的干涉图。常规的干涉仪具有一个动镜组件，该动镜组件包括一个线性滚珠轴承、空气轴承、滑动轴承或一个挠曲轴承，并且经常被一个线性电动机(如偶联至一个永磁体的一个线圈)来提供速度控制。

由于这类仪器的灵敏性质，常规的系统经常被配置为通过机械调节精确地对准，即使该系统被运送到世界其他地方。这导致了昂贵的苛刻精确的机械干涉仪系统，有时候所述机械干涉仪系统在运输震动使该关键的平坦光学表面偏移之后需要现场调节。在操作中，这类常规系统中的许多使用主动控制系统(即动态对准)，随着该干涉仪扫描并且收集到一个所希望的频谱数据，来控制镜倾斜。如果干涉仪在所有典型的扫描干涉仪所使用的一个基于激光的速度控制伺服器的控制下进行扫描，这类系统才可以操作。

然而，应指出的是当所有实用的干涉仪使用一个或多个基于激光的速度测量系统以便使一个伺服器控制系统能够控制该动镜的速度，这类伺服器可以在一个短的时间延迟(由该速度测量方法以及产生校正力的延迟引起)之后仅校正速度误差。因此，缓慢出现的速度误差被校正并且大部分被消除。然而由于感应噪音而以快速变化率发生的速度误差不能被完全校正，留下剩余的速度误差消极地影响了所收集的频谱数据。此外，许多干涉仪使用一个激光相倾斜误差测量系统来控制在X和Y轴的倾斜，除了该速度控制伺服器，该激光相位倾斜误差测量系统也需要被监测以便校正通过感应噪音造成的、可以额外地影响一个给定的频谱的、所不希望的倾斜误差。

利用该动镜的动态控制的这样一种干涉仪的背景信息在1999年3月16日约翰·M·科芬(John M.Coffin)发布的题为“具有动态动镜对准的红外分光计的干涉仪(“INTERFEROMETER OF AN INFRAREDSPECTROMETER WITH DYNAMIC MOVING MIRROR ALIGNMENT”)”的美国专利号5,883,712中被描述并且提出权利要求，该专利包含以下内容“根据本发明，一个用于红外分光计的干涉仪提供该动镜的动态对准以便维持该动镜和该定镜之间的精确对准。该动镜的以这种方式的对准使该干涉仪的稳定性最大化同时实现高水平的输出精度，不管由于该动镜在它的轴承上的运动引起的振动以及由外部光源传输到该干涉仪的振动。该动镜的安装的动态性质允许该镜的位置被高度准确地控制，甚至在存在相对高频率振动的时候。但是，该干涉仪的结构以及用于维持该动镜的对准的这些探测器和控制器的结构在构造是简单的，并且对于该干涉仪只增加了相对很少的额外体积和重量。”

因此，出现了对改进的廉价的动镜组件的需要，以便在该动镜部件处校正倾斜和速度误差，此外同时隔离在干涉仪中使用的所有滚动和滑动轴承的轴承表面中的缺陷引起的振动和噪音。

发明概述

本发明针对一种新型的混合动镜组件，该混合动镜组件包括：一个反射器；一个弹性元件，该弹性元件偶联至该反射器的周边并且进一步偶联至一个支撑结构；其中该弹性元件使指向所述支撑结构的感应外应力最小化，并且其中该弹性元件被配置为当被挠曲时提供一个阻滞力。该组件还包括第一多个运动装置，这些第一多个运动装置偶联至该反射器的一个预定的表面；第二多个运动装置，这些第二多个运动装置被配置为将匹配和/或不匹配的预定的力与该第一运动装置偶联，其中这些匹配和/或不匹配的预定的力使所述反射器能够短冲程地线性运动和/或X、Y倾斜运动；以及一个线性运动装置，该线性运动装置偶联至该支撑结构以便提供该弹性安装反射器的长冲程速度和位置控制。

本发明的另一方面针对一种动态混合动镜干涉仪，该动态混合动镜干涉仪包括：一个分束器，该分束器用于接收来自一个源的辐射束以便提供一个第一分束和一个第二分束；一个反射器，该反射器被配置为沿着一个第一光路长度接收并且返回该源的第一分束；一个偶联至一个支撑结构的弹性安装反射器，其中该弹性安装反射器被配置为沿着一个第二光路长度接收并且返回该源的第二分束；第一运动装置，该第一运动装置偶联至该弹性安装反射器的一个预定的表面以便提供所述弹性安装反射器的一个短冲程速度和位置控制和/或一个关于所配置的X和Y轴的倾斜控制；一个第二运动装置，该第二运动装置偶联至该支撑结构以便提供该弹性安装反射器的长冲程速度和位置控制；以及一个控制装置，该控制装置用于向该第一和第二运动装置提供一个受控的反馈，以便除了该长冲程速度和位置控制之外还能够进行该短冲程速度和位置控制和/或关于该所配置的X和Y轴的一种组合的倾斜控制，以便在所述干涉仪的一个所配置的出口提供该输入光源光束辐射的一个询问干涉图。

因此，本发明在一个干涉仪器内提供一种长冲程轴承系统和一个偶联的短冲程弹性轴承镜安排的有益的混合组合。这样一种安排能够校正镜自身的误差，同时也解决了由在许多常规干涉仪中使用的轴承表面的缺陷造成的、隔离振动和噪音的问题。使用本发明的这样一种偶联的挠曲安装，除了以上的益处之外还增强了速度控制，是因为该移动镜组件所产生的低质量使在此披露的这些系统相比常规的镜速度控制干涉仪器能够更快地响应，以便提供更稳定而且低噪音的频谱数据。

附图简要说明

图1A示出了本发明的一种有益的挠曲安装动镜构型的侧面透视图。

图1B示出了图1A中展示的挠曲安装动镜部分的后视图。

图1C示出了可以被用来为本发明的这些动镜构型提供所希望的速度和/或倾斜运动的示例性的电阻矩阵以及偶联的操作放大器电路。

图2示出了一种有益的混合挠曲安装动镜干涉仪系统。

图3示出了一个偶联至图1C的电路的相位差电路，该相位差电路被配置为测量并且控制本发明的混合挠曲安装动镜的速度和倾斜。

详细说明

在本发明的说明书中，除非含蓄或明确地理解或另外陈述，应理解一个以单数出现的词语涵盖它的相对应的复数，并且以复数出现的词语涵盖它的相对应的单数。另外，除非含蓄或明确地理解或另外陈述，应理解在此描述的任何给定的部件或实施例、该部件的任何列出的可能的候选或替代物可总体上被单独使用或者彼此组合使用。此外，应理解如在此示出的图不一定是按照比例绘制的，其中这些元件中的一些可能仅仅是为了本发明的清晰而绘制出。并且，参考数字在各图中可能重复，以示出多个对应的或类似的元件。另外，除非含蓄或明确地理解或另外陈述，应理解这样的候选或替代物的任何列表仅仅是说明性的，并不是限制的。此外，除非另外指示，在说明书和权利要求中使用的表达组成部分、组成成分、反应条件等等的数量的数字应被理解为是由术语“大约”修饰的。

因此，除非相反地指示，在本发明书和所附权利要求中阐述的数值参数是近似值，可取决于试图通过在此呈现的主题获得的所需要的特性而不同。至少，并且不是试图对本申请的原则或对等物及对权利要求的范围进行限制，应当至少根据报告的有效位数的数字及运用寻常的舍入技术解释每个数值参数。尽管限定在此呈现的主题的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体实例中阐述的数值是尽可能准确地报告的。然而，任何数值本质上就包含了必然的误差，必定导致它们对应的检验测量中的标准偏差。

整体说明

本发明的混合挠曲(如弹性元件)安装动镜干涉仪针对解决在干涉仪中使用的所有滚动和滑动轴承的轴承表面中的缺陷造成的振动和噪音问题。这类轴承噪音引起通常在分光光度计中的干涉仪中使用的这些动镜的机械抖动(速度变化)。如在此提出的设计，隔离来自该动镜的振动噪音，提高该干涉仪的频谱输出的质量，因此允许甚至可靠的以及低成本的常见地可用的滚动和滑动轴承的使用。

在分光计中使用的干涉仪需要以一个非常稳定的速度并且无倾斜地扫描一个动镜，以便产生高质量的频谱。另外，高分辨频谱要求长度上大于1cm的动镜冲程长度。挠曲轴承由于它们不具有滚动和滑动部分，提供所需要的低噪音操作，然而挠曲轴承(除非它们非常大并且贵)不能提供大于0.5cm的冲程长度。滑动和滚动轴承可以提供长冲程但是具有在它们的操作中使用的这些光滑平面中的缺陷引起的所不希望的噪音。

本发明的混合构型使用用于隔离和短冲程的一个挠曲安排以及一个所希望的轴承机构支撑一个干涉仪的动镜，以便提供高分辨测量所需要的非常长的冲程长度。因此，在此描述的这些弹性元件被设置在该系统中(例如在该噪音长冲程轴承和该动镜之间)以便防止该长冲程轴承的高频率振动偶联到该动镜中。

如之前所陈述的，所有实用的干涉仪使用一个基于激光的速度测量系统，该系统允许一个伺服器控制系统控制该动镜的速度。这类伺服器可以在一个短的时间延迟(例如如该速度测量方法引起的以及产生校正力的延迟)之后校正速度误差。因此，缓慢出现的速度误差被校正并且大部分被消除。以快速变化率发生的速度误差不能被完全校正，留下剩余的速度误差消极地影响了所收集的频谱。

本发明的设计可以通过使用一种低成本的小的短冲程(+/-1mm)弹性(如挠曲)轴承来将该长冲程轴承的振动与该动镜组件的重要部分隔离开。一种低成本的挠曲和一种分离的长冲程线性轴承的混合组合给出了一种低成本高质量的干涉仪动镜驱动系统。

除了该速度控制伺服器，许多干涉仪还使用一种激光相位倾斜误差测量系统来控制在X和Y轴的倾斜。本发明可以使用相同的挠曲在不增加成本(除了这些测量和控制电子器件的成本之外)下提供倾斜控制和速度噪音隔离所需要的运动。

应领会的是，由于该干涉仪倾斜误差典型地由长冲程轴承系统中的误差引起，校正在弹性配置的动镜处的误差在倾斜误差影响该干涉仪的操作之前就校正了这些倾斜误差，从而允许使用该低成本的长冲程轴承系统以便保持最高整体系统性能。

具体说明

柔软挠曲动镜安装组件

现在转向附图，图1A示出了本发明的一种有益的挠曲安装动镜构型的侧面透视图，总体上由数字100标注，该挠曲安装动镜构型用在本发明所披露的系统实施例中。特别地是相对于图1A，本发明的移动光学部件9(如一个反射器)被示出为具有附连至一个支撑安装结构230的一个偶联的弹性元件6。该光学部件9(以下称为镜9)被配置为本领域的普通技术人员已知的任何反射器设计，该反射器设计可以符合在此的实施例的这些设计规格。示例性的镜设计包括，但不限于，隅角立方反射器、金属反射器以及涂覆有高反射率金属或介电的高反射率和/或防护膜的基底材料(如溴化钾(KBr))。

镜9的后表面9’(如由附随的定向箭头指示的)也被示出偶联至为该组件100的一部分的一个或多个磁性驱动以及倾斜运动装置5b和5d(由于透视图，仅示出两个)。图1A还总体上示出了一个电路板240，该电路板被配置为提供指向相应的驱动线圈(如参考符号5b’和5d’)的校正信号。当接受一个或多个这类校正信号的时候，这些驱动线圈(如5b’和5d’)，提供与该磁性运动装置(如永磁体5b和5d)协同的、所希望的磁力使该镜9能够精确单独的运动，如在此详细描述的。

图1B示出了图1A中示出的该镜9部分的后视透视图。确切地说，图1B展示了具有偶联至该镜9的周边的弹性元件6(如一个隔膜挠曲件)的有益的安排。现在图1B还展示了多个速度驱动和倾斜装置(如偶联的永磁体，如参考符号5a、5b、5c和5d指示的)。

应理解的是，该弹性隔膜状挠曲构型6(如在图1B中更好地展示的)，经常是但不必须是由厚度高达大约0.5mm的厚度构造并且由有益的材料(例如但不限于，聚合物、塑料、迈拉聚酯薄膜、金属、纸等等)构造。作为一个有益的实施例，该隔膜状挠曲件6可以由低成本织物(例如但不限于凯夫拉，如通常存在于扬声器中的)配置。此外，这类所产生的弹性隔膜状挠曲件6可以被渗透(例如用油漆)或者用材料处理来另外进一步调整刚性以及因此动镜9的所产生的希望的运动。如果需要的话，这些弹性隔膜状挠曲件6还可以被设计有若干折叠线，如波纹(如图1B中示出的，由字母F指示)，来增强所产生的挠曲同时还提供所希望的刚性/弹性以及因此在所有方向上的受控的变形，以便帮助该镜9的运动同时仍然完全保护所固定的基底的光学平坦性。

因此，这样一种所得到的结构可以有益地变形并且弯曲直到大约+/-4mm的行进距离附近而不受损坏，但是更有益地被配置为在一个方向上大约2mm的行进距离，并且在经历过震动后仍然具有足够的弹性弹回到起始位置。重要的是注意到如果一个镜安装的质量中心和旋转中心不匹配，那么随着该干涉仪被移动到一个不同的方向或者该干涉仪经过由地板摇动和震动引起的加速力而重力随之变化，则在质量中心和旋转中心的偏移可以产生导致所固定的镜9的所不希望的倾斜的力矩。然后，这种不想要的倾斜必须被校正以便取得最好的性能。因此，该弹性元件6的枢转点被有益地设计为在一个位置(例如，基本上在与镜9的质量中心相同的位置处(如大体在图1B中所示的))处偶联至镜9，以便消除或者最小化外部振动以防其使以在此描述的方式安装的该镜9倾斜。

应领会的是，这类弹性(挠曲)类型的轴承已经被发现与本发明的构型一起使用来获得低速度误差或噪音，这是因为由于没有滑动或滚动轴承行为的事实这些挠曲件的弯曲行为非常平滑。这是重要的，因为没有实际的平面是真正平滑的；因此滚动和滑动轴承(也在本发明中被利用)与本发明的这些挠曲轴承构型相反，由于不平的部分彼此滑动或滚动，总是增加速度误差噪音。

因此，在通过一个中心开口9”接合动镜9之后(如总体上在图1B中的定向箭头所示的)，将该动镜(如图1A中所示的)偶联至该弹性元件6的周边(如以下描述的)，当被施加至磁性运动装置5a、5b、5c和5d的磁力感应时使镜9不仅能线性和或阻滞力运动还能倾斜运动(即，由于挠曲能力)。

为了在该弹性挠曲元件6的中心开口内附连镜9，该镜9经常但不必须用粘合材料(如通过胶粘)固定地附接在适当地方。有益地是，粘合材料的有效量值比该基底更薄并且因此从几何上看较薄弱。因为该粘合剂从几何上看较薄弱，由于温度变化以及粘合剂固化可以累积的应力不能扭曲该较厚并且较强的基底。

还应注意的是该弹性挠曲元件6(如在图1A和图1B中所述的)被设计为比配置为设置于其中的、所利用的光学基底更薄弱并且具有较小的刚性。当该仪器处于例如搬运或接受任意感应的振动时，这样一种柔性安排有益地固定镜9并且还允许随着该外部安装支撑元件(如230)经历例如震动的运动。该薄的柔性弹性元件6因此限制在该光学镜9中的应力水平，这是因为该安装构型(如上所述)比该基底材料自身薄弱。此外，关于该粘合偶联材料的用途，如果由于温度变化或附加的粘合剂收缩而发生应力，该薄弱的并且较小刚性的弹性元件6变形，使得这些光学材料(例如，如果使用一种平面光学基底)仍然是平坦的。

以上引用的1999专利描述了一种使用单一磁体的速度和倾斜控制镜，该单一磁体通过围绕该磁体的一个单线圈以及在该第一线圈外部的两对线圈在速度上是受控的，以便为该相同的磁体提供在X和Y上的一个侧向力，该侧向力导致该镜倾斜从而通过仅使用一个磁体来提供该动镜所有轴的控制。这个方法在本发明中也工作，但是该四线圈设计更容易设计并且在较低的响应时间给出更多的力。

该动镜9的速度可以通过使用相同的一种或多种运动装置控制，例如同样用来控制该光学元件的倾斜的预定尺寸的磁体5a、5b、5c和5d，以及线圈(例如5a’、5b’、5c’和5d’，如图1C中所示的)。将这些磁体5a、5b、5c和5d偶联至该动镜9可以通过本领域的普通技术人员已知的任意方式，例如像环氧类粘合剂。由于这些磁体5a、5b、5c和5d是轻(小于10克)并且小的，该镜9的附接区也相应地小，使得任意粘合剂收缩仅影响该镜9的边缘处的不重要的区，因此允许一个小而简单的磁体附接系统，如总体上在图1A和图1B中所示的。另外，由于这些磁体不与系统中的任何其他物体接触，此外它们不能传输外界震动和应力至该偶联的镜9。

因此，该镜9的速度通过驱动偶联至这些磁体5a、5b、5c和5d(如图1B中所示的)的这些相同的线圈(如5a’、5b’、5c’和5d’，如图1C中所示的)来提供，用相同的速度控制信号56基本上同时驱动所有线圈。在这个操作中，这些基本上匹配的偶联的磁体5a、5b、5c和5d接收可以以线性方式移动该偶联镜9的感应的磁力。特别地是，反馈光学信号(稍后描述的)通过一个所配置的速度控制单元(没有示出)被监测以便提供合适的低功率水平信号56，这个或这些低功率水平信号通过图1C中所示的该伺服器电路增加(放大)以便降低实际上导致镜9运动的磁场。

为了提供该镜9的倾斜，另一方面，将磁场偶联至这些对应的一个或多个磁体(如磁体5a、5b、5c和5d)的一个或多个线圈(如5a’、5b’、5c’和5d’，如图1C中所示的)通过预定的感应的匹配的和/或不匹配的磁力独立地驱动至一个或多个磁体5a、5b、5c和5d中的任何一个。

确切地说，倾斜可以由一个或多个线圈(如5a’、5b’、5c’和5d’，如图1C中所示的)通过独立地将经常小于0.5特斯拉的预定的感应的不匹配和/或匹配的磁力指向一个或多个磁体5a、5b、5c和5d(注意该弹性元件6的应用有益地允许这类运动)来提供。协同这类定向的不匹配和/或匹配的磁力，反馈光学信号由一个或多个所配置的示例性倾斜控制系统监测(如以下关于图3详细讨论的)，以便提供图1C和图3中所示的合适的低功率信号52和54，这些低功率信号被增加或放大以便感应实际上导致镜9的倾斜运动的磁场。

因此，图1C示出了可以被用来提供镜9的所希望的速度和/或倾斜运动的一个有益的示例性电阻(如R₁指示的)矩阵以及偶联的操作放大器(如Amp指示的具有相应电阻R)伺服电路。在展示基本操作的这个示例性构型中，仅需要四个线圈5a’、5b’、5c’和5d’(如图1C中所示的)，以及四个相应的磁体5a、5b、5c和5d(如图1B中所示的)。虽然图1C的简明的设计与图1A和图1B的构型组合是有益的，应理解的是这些示意性图解旨在仅仅是可能的许多其他设计之一的示例。

如对于图1C的另一种安排，可以增加一个电容器C₁(即一个高通滤波器)来限制镜9行进。确切地说，增加与该速度控制信号56串联的C₁(如图1C中所示的)保证该速度控制信号的DC部分不达到动镜9。因此该电容器由于其电容降而低起较硬的挠曲件的作用。该增加的电容可以被配置为限制镜9运动至较短的距离，同时允许使用具有更大的摩擦即(陶瓷或玻璃)滑动或滑动器类型的线性轴承的动镜9，以便提供尽可能多所需要的冲程长度。这样一种线性轴承可以被配置为支撑该整个动镜组件100，该整个动镜组件包括该挠曲动镜9安装件以及用于控制该动镜挠曲件6的小规模运动的磁体和线圈。该挠曲动镜9的小规模运动，如该动镜挠曲件6允许的，因此可以容易地校正由支撑该动镜9组件100的一个偶联的长冲程线性滚珠或滑动轴承(关于图2待讨论的混合运动组合)引起的位置误差。

因此，图1C的电路与包括本发明的动镜9的安排的系统的整体设计的组合，可以提供高达数千弧度秒(例如高达大约10,000弧度秒)的一个所希望的倾斜以及高达大约+/-1微米的线性运动。还应领会的是由于镜9构型的设计(即偶联至如图1A和图1B中所示的该示例性挠曲件6)，该组件的整体质量降低。其结果是只需要施加基本上较低的力来移动该镜9，并且这一方面允许使用上述的小磁体(例如每个磁体大约10克)以及小圈的线(例如小的扁平线圈)来降低磁力。

应指出的是这些线圈(如关于图1C在以下详细讨论的)，可以足够小以便被配置成在，例如一个2或4层的电路板(例如，如图1A中所示的240)内的螺旋布线图(art work)，以便消除要求制造以及然后安装的分离的线圈的成本和空间。应领会的是，虽然一种螺旋形线圈不如一种卷绕线圈有效，但这些力基本上是较小的并且总功率仍然小于每线圈一瓦特，因此热量不是问题。

还应指出的是如果被配置为螺旋形线圈，这类线圈不需要具有被插入在该螺旋形线圈中间的一个形成的孔中(这被实行来增加磁力)的这些偶联的磁体(例如，如图1A中所示的5b和5d)。相反，这些磁体(如5b和5d)可以被放置离该电路板(没有示出)一段距离，如大约2微米，以便使该镜9以及偶联的磁体(如5b和5d)能够进行有益的+/-1微米的运动，如总体上在图1A中所示的构型提供的。

图2展示了本发明的一个示例性的有益的实施例，总体上由参考号200特指，其中光学布局是利用迈克尔逊干涉仪设计的一个紧凑而结实的FTIR分光计系统的形式，该迈克尔逊干涉仪设计包括一个混合运动系统(现在由100’指示)，即一个线性滑动或滚珠轴承系统与该移动挠曲安装动镜构型100的组合，如以上讨论的。

应领会的是，虽然图2中所示的系统(除了在下文中将要讨论的其他实施例之外)以示意图的形式展示并且包括迈克尔逊干涉仪类型的几何学，但是应理解的是，这类干涉仪系统可以以如本领域的普通技术人员已知的许多其他有益的构型布置，并且图2的总体展示以及在此示出的其他实施例仅仅旨在这类不同的构型的示例，而不是将其限制为仅是所描述的。

应指出的是该干涉仪200以及特定部件(如图2中所示的)，以及在此披露的其他实施例，能够通过计算机或处理器30(其可以是如本领域的那些普通技术人员已知的专用数字计算机或数字信号处理器)进行操作。该仪器200和该计算机30之间的偶联32是借助于进行操作的任何I/O装置。经常，该偶联32包括一个USB端口，尽管该应用软件可以通过本领域的普通技术人员理解的那些任何已知的偶联装置与该仪器200接合。这类偶联装置除了任何其他必要的电子处理之外，通过本发明的嵌入的软件提供程序控制指令以及工作数据(反馈)。该计算机30还经常电偶联至一个或多个其他输出设备，如显示屏、打印机等，和/或一个或多个其他输入设备，如键盘、因特网连接等。

本领域的普通技术人员已知的是一个计算机或处理器30(如图2中所示的)可以编排控制一个扫描干涉仪系统的一个或多个运动部分(如该动镜组件100部分)，以及如常规仪器中利用的任何其他转化光学元件(如反射器)。这样一种控制装置使这些部件能够开始运动、改变方向、改变倾斜取向并且以一个所希望的速度运动。实际上，这样一种计算机/处理器30可以决定并且因此实时提供增益和信号，使得一个经配置的电路可以施加必要的驱动电流来感应所希望的运动力。

开始预定测量的指令、数据分析等，也经常主要由图2中所示的计算机30执行。然而，操作也可以在存储在一个机器可读介质(如一个计算机可读介质)上的指令下执行。根据本发明的多个方面，一种计算机可读媒质指代本领域普通技术人员已知的并且理解的媒质，这些媒质中已编码以机器/计算机可以读取(即，扫描/感测)的、并且该机器/计算机的硬件和/或软件可以解释的形式提供的信息。

特别地是，该计算机可读介质可以经常包括本地或远程记忆存储设备，例如但不限于，本地硬盘驱动器，软盘，CD-ROM或DVD、RAM、ROM，USB存储设备，以及甚至本领域的普通技术人员已知并且理解的任意远程记忆存储设备。本发明还可以在分布式计算环境中实践，其中相关联的任务是由远程处理设备来进行的，这些远程处理设备通过一个通信网络(如无线网络)来链接。

转回到图2，该干涉仪200提供一个束(由字母A和小的虚线标记指示)，该束导致定向校准红外光(如A’指示的也由小的虚线标记所示的)，如能够通过该离轴反射器8与一个加热的红外线源7组合，该加热的红外线源选自在本领域中利用的任何定制的以及常规的已知来源。这类来源的实例包括但不限于，被加热到发射出连续波段的光学辐射的线、金属或陶瓷元件。通过该干涉仪200的实例性操作的方式，经调制的红外光11退出(如由大的定向箭头指示的)来被利用以便询问一个给出的样品(没有示出)。

图2的干涉仪200(被构造为一个迈克尔逊类型的干涉仪)包括一个定镜(如镜10)以及目前的一个新型的混合动镜组件100’(如图2中详细示出的)。除了倾斜之外，该动镜9的平移位置和相关的速度，可以因此(作为一个安排)通过结合一个单色发射源19(如激光)被检测，该单色发射源提供一个输出束(如字母B和较大的虚线标记指示的)，该输出光束被配置为不仅测定该动镜9的位置和速度并且(如果是所希望的)测定系统中的任何其他移动光学部件的位置和速度。在操作中，光束B指向一个所配置的分束器21并且此后通过一个镜12进一步指向一个分束器1的正面。当被分束器1的正面接收的时候，分束器1的一个反射出来的部分(如B’指示的)此后由定镜10接收，该定镜被安排为将束B’(也由双向矢量示出的)向后朝向分束器1/补偿器板2回射。束B的一部分也通过分束器1/补偿器板2(如B”指示的)透射，并且指向本发明的一个新型的动镜9安排，其中它也被回射(如也由双向矢量示出的)到分束器1/补偿器板2。

通过分束器1/补偿器板2并且此后被镜9反射的该光束B”的部分与指向并且从该定镜10反射出来的光束B’的部分的重组合，提供目前具有一个干涉图的一个输出光束(如B”’指示的)，该干涉图包含关于动镜9的所希望的光学位置和速度信息。因此，检测光束B”’使动镜9的一个所希望的面的速度和位置以及倾斜可以通过计算光束B”’的振幅的峰和谷被精确地测定，该光束B”’由反射器13(也由一个定向箭头示出的)指向一个询问检测器14(经常为一个四通道检测器)。

作为一个示例性实施例，当被配置为一个四通道检测器14时，四分体中的一个可以被配置为提供一个代表动镜9的位置和速度的正弦波信号，该正弦波信号被偶联至用于处理的速度控制测量电子设备(如图3中所示的)。为了提供倾斜信息，组合的四分体(将在以下关于图3讨论)可以被分隔开使得该系统的任何移动部分的垂线朝向一个给定的纵轴的偏差可以通过由不同四分体检测的干涉条纹的相位的差别测定。

这类倾斜和速度控制测量电子设备(以下讨论的)协同一个示例性控制器30(如图2中所示的)提供在图1C中所示的处于经编排的方式的一个或多个信号52、54和56(如该速度控制信号)，以便使动镜9以所希望的倾斜以及一个所希望的速度移动和/或使动镜9移动到一个所希望的位置。例如，如以上陈述的，一个所产生的速度控制信号56(如图1C中所示的)可以对所有所配置的线圈(如线圈5a’、5b’、5c’和5d’)基本上相等地施加，以用于得到一个所希望的运动和/或速度，其中一个+Y信号被施加至该顶线圈5b’以及一个-Y信号被施加至该底线圈5d’以及一个+X信号被施加至该左线圈5a’以及一个-X信号被施加至该右线圈5c’。

一个可替代的示例性设计是使用指回该单色光源19的返回激光束。这样一个束与离去束B”’具有相同的光学速度和位置信息，该束具有的益处是即使其他系统内的配置部件，如但不限于分束器1基于它们的设计而运动，该束也不向侧面平移。这类可替代的移动部件在上述的通过引用结合的于2010年11月11日提交的题为“分束器和动镜的干涉仪速度控制”的美国专利申请系列号12/944,512以及通过引用结合的同样在2010年11月11日提交的题为“双输入干涉仪分束器倾斜控制系统以及挠曲安装”的美国专利申请系列号12/944,428中被描述。因此，该返回束可以通过被设计为将该接受的光束21的一部分(如图2中B””指示的)指向一个经常但不必须安装在单色光源19附近的一个第二检测器20(如另一个四通道检测器)。

如在此指出的，所有低成本的线性轴承系统具有相同的倾斜误差并且增加速度误差噪音。该示例性干涉仪200(如图2中所示的)使用这样一种低成本的轴承242(如一个滚珠滑动或滑动器类型的线性轴承)来提供尽可能多的所需要的冲程长度。在操作中，这个线性轴承支撑该整个动镜组件100’，该动镜组件100’包括该弹性动镜安装件100(如图1A所示的)以及用于控制该动镜挠曲安排的小规模运动的这些磁体和线圈。由该动镜弹性元件6允许的该动镜的小规模运动(如以上讨论的)可以因此容易地校正由支撑该动镜组件100’的长冲程线性轴承242导致的位置误差。

关于该组件(如图2中所示的)，该整个动镜组件100’，包括该动镜9、该动镜的支撑挠曲件6、控制该镜9以及支撑上述组件100’的该长冲程线性轴承(如作为光束290的一部分所示的)的位置的这些磁体(如5b和5d)以及线圈(如5b’和5d’)，被一个安装在该偶联块295上的另外的较大的磁体260控制位置和速度，其中该偶联块295在该整个线性轴承290以及动镜组件100’的质量中心的附近将长行进线性轴承290连接至该动镜组件100’。移动这个较大的磁体需要的力由安装在该干涉仪241的不动底座上的一个较大的线圈250提供

该较大的驱动线圈250和磁体260控制通过安装在干涉仪底座241上的该线性轴承块支撑的长行进滚动或滑动轴承290的位置，并且被设计为更大的以便提供在该长冲程轴承的整个长度(从高达大约10mm一直到高达大约100mm或更大)上的控制，并且这个磁体260和线圈250需要提供足够的力来控制包括该大型驱动磁体260自身重量的该整个动镜组件100’的总重量的速度。如先前陈述的，控制该动镜9自身的位置的这些小磁体如5b和5d(经常为4个)如图1A中所示的，由于它们的作用力有益地增加，这些小磁体非常小，该镜的重量小于该动镜组件的重量，并且相对于安装在配置有该动镜组件100’的该电路板240上的这些动镜线圈5b’和5d’，需要的总行进小于大约+/-1mm。

该速度控制信号56(没有示出)可以被施加至该大型驱动线圈250以便按所需要地移动该整个动镜组件100’以便产生所希望的干涉图数据。同时，该相同的速度控制信号56的一部分(如图1C中所示的)可以通过电缆280施加至所有的4个小磁体(5a、5b、5c和5d，如图1B中所示的)，以便提供一个所希望的力来将在相同的方向上加速该动镜9。如果这些小磁体(5a、5b、5c和5d)上的力有适当的尺寸，该动镜9和该支撑动镜组件100’一起加速，从而使该挠曲行进被限制为基本上没有。该弹性元件6有益地隔离可以导致频谱问题的这些高频率振动(即频率在50Hz直到大约5000Hz的范围之内)。

>如果这些小磁体(5a、5b、5c和5d)上的力不被限制但是增加到由本领域已知的且如在此利用的系统容易实现的力，该动镜9相比该动镜组件100’可以更快地加速，这示例性地用于消除速度误差。支撑该动镜9的该弹性元件6可以然后进一步移动并且一个阻滞力可以由元件6的所导致的挠曲产生。该速度控制伺服器(如图3中所示的)可以然后增加如所需要的驱动电压来克服该阻滞力，驱动电压的这一相同的增加可以被施加至该大型驱动线圈250，并且所产生的力可以加速该较重的动镜组件100’直到它“赶上”该动镜9，从而降低该弹性元件6向后朝向该起始点的偏差的，使得元件6的平均挠曲运动接近零。该弹性元件6的阻滞力保持该动镜9和该动镜组件100’的位置在适当的相对位置上而没有增加控制软件或硬件。

通过允许该动镜9比该较重的动镜组件100’更快速地行进，该干涉仪的扫描速度可以被加速，并且或者该大型驱动磁体260和线圈250的尺寸可以被减小来增加性能和或降低成本。对于图1A在以上讨论的该动镜9、弹性元件6和磁体驱动系统可以用于校正一个低成本的线性轴承的倾斜。通过增加X和Y轴倾斜测量光学器件和电子器件(如以上讨论的)，并且通过一个简单的电阻(如图1C)矩阵求和该X和Y控制信号，这些X和Y控制信号组合被发送到用于这些低功率小线圈的4线圈驱动器的速度和倾斜信号，提供该动镜9位置以及倾斜的控制。

因此，通过倾斜该动镜9来校正该线性轴承倾斜误差，与在该定镜用通常使用的细微校正方法相比，这些光束关于该仪器的不动部分的对准被较好的维持以便跟随该动镜中的误差。应领会的是，在一个挠曲件(即弹性元件6)安装该动镜9允许该动镜9的惯性来抵抗透过该柔软挠曲的细微振动力一段时间，该时间段对于所利用的速度和倾斜测量系统是足够长的以便测量并且积分该误差，并且在它变得足够大以致造成频谱误差之前精确地校正该误差。这些不透过弹性元件6的力是足够小的，使得该动镜9的惯性给出大约500微秒的误差校正系统来测量并且进行在倾斜和速度上所需要的校正，这个时间对待进行的误差测量(大约100微秒)是足够的，这些误差积分并且被放大(大约400微秒)，并且用于校正电流以在线圈内建立(大约10微秒)并且停止该镜的错误运动。

一个所配置的控制伺服器(例如，如在以下对于图3讨论的)基本上校正小于大约20Hz的振动(即通过一个大约为50的因子降低误差)。在100Hz下，该校正伺服器可以仅通过一个大约为10因子降低误差。对于频率范围在500Hz之内的振动误差，该控制伺服可以仅通过大约为2的因子降低误差。在较高频率下，只有这些干涉仪部分的惯性是真正有效的。该弹性安装动镜9允许惯性被有效地降低至大约20Hz，并且因此本发明的整体系统在排斥在从大约1Hz(在此该伺服器控制系统有效地工作并且惯性是无效的)至高于大约10,000Hz的任意频率下的振动是有益的，这是因为惯性有益地在伺服器无效的高频率下进行工作。

图3示出了一个有益的示例性速度和相位倾斜电路，通常由参考字符300特指，该速度和相倾斜电路结合一个四通道检测器30(例如，图2的示例性检测器14、20的任何一个)以便收集图2中所示的所安排的示例性位置中的任何一个处的经调制的光。图3中的电路因此示出了具有检测四分体31、32、33、34的一个检测器，这些检测四分体被安排用来将信号指向后续的电路37、38、39和50以便提供该速度控制56以及可以被附带的伺服器电路利用的X(52)、Y(54)倾斜信号。

作为一个示例性操作，来自四分体32的信号可以被用来为这些速度控制电子设备提供一个正弦波信号(被指示为V)，以便发起被一个速度伺服器电路接收的一个速度信号56，例如图1C中所示的电路的相关部分。来自四分体32的信号还能够被用来提供一个常见的参考信号来比较从检测器30的预定的四分体产生的信号的相位。因此，图3中的电路可以使用四分体31和32的光学信号中的相位差来测量，例如在X轴以及四分体33和32的倾斜来测量该Y轴倾斜。在这一实例中不使用四分体34。

例如，由四分体33和32检测的这些光相位可以被操作以便驱动图1C的、包括所配置的线圈5b’和5d’的该偶联的后续电路(如为了容易阅读现在还在图3B内在虚线框之内示出)。相应地，感应磁力由分别与磁体5b和5d相互作用的线圈5b’和5d’提供，如图1B中所示的，以便使本发明的该镜9上下移动，即提供该Y轴倾斜。

此外，由四分体31和32询问的这些光相位可以被操作以便也驱动图1C(在该虚线框内示出)的、包括所配置的线圈5a’和5c’的该偶联的后续电路的相关部分。同样相应地，感应磁力由分别与磁体5a和5c相互作用的这类线圈提供，如图1B中所示的，以便使本发明的该镜9左右移动，即提供该X轴倾斜。

因此，由这些配置线圈(如5a’、5b’、5c’和5d’，如示例性图1C中所示的偶联至图3中的该电路300)以及通过由图3B中的电路300提供的信号的磁体(如5a、5b、5c和5d，如图1B中所示的)，使该动镜9能够在该X和Y轴倾斜以便对准该干涉仪中的这些平坦表面。

因此，一个常规的速度控制伺服器可以被配置为使用以上讨论的该弹性挠曲件6的固有向心力控制该镜9以便允许该移动9挠曲件6构型以便形成小的受控的冲程，同时该线性轴承242形成这些长受控的冲程。在这一安排中，本发明的控制系统具有该动镜9的快速响应时间以及一个线性轴承移动242的长冲程，其结果提高了在此描述的整体主动速度控制系统以便能够形成类似于提供高分辨率的常规的长冲程系统，但是对该长冲程系统的做出改进的一个系统。

如另一个有益的安排，在用来驱动该动镜9之前，该速度控制伺服器信号56可以通过一个高通滤波器(即一个电容器)发送，同时将该速度控制伺服信号56提供至运动组件100’。这样一种构型使图1A的该镜组件100能够快速地改变速度以便提高速度控制并且同时限制该动镜6的冲程长度。

应当理解在此描述的关于各实施例的特征在不脱离本发明的精神及范围下，可用任意组合相混合及匹配。尽管选中的不同的实施例已在此展示并详细描述，应理解它们是示例性的，并且在不脱离本发明的精神及范围下，多种子代换及改变是可能。

Claims (22)

1.一种混合移动镜组件，该混合动镜组件包括：

一个反射器；

一个弹性元件，该弹性元件偶联至所述反射器的周边并且进一步偶联至一个支撑结构；其中所述弹性元件使指向所述支撑结构的诱导外应力最小化，并且其中所述弹性元件被配置为当被挠曲时提供一个阻滞力；

第一多个运动装置，这些第一多个运动装置偶联至所述反射器的一个预定的表面；

第二多个运动装置，这些第二多个运动装置被配置为将匹配和/或不匹配的预定的力与所述第一运动装置偶联，其中所述匹配和/或不匹配的预定的力使所述反射器能够短冲程地线性运动和/或X、Y倾斜运动；以及

一个线性运动装置，该线性运动装置偶联至所述支撑结构以便提供所述弹性安装反射器的长冲程速度和位置控制。

2.如权利要求1所述的混合动镜组件，其中所述弹性元件允许所述反射器的位移高达大约+/-1毫米，并且其中所述阻滞力是由所述的大约+/-1毫米的位移引起的。

3.如权利要求1所述的混合移动镜组件，其中所述弹性元件包括至少一种选自以下的材料：织物、聚合物、塑料、迈拉聚酯薄膜、金属以及纸。

4.如权利要求1所述的混合移动镜组件，其中所述弹性元件被配置为波纹状以便提供所希望的刚性和弹性。

5.如权利要求1所述的混合移动镜组件，其中所述弹性元件提供对处于大约50直到大约5000HZ的范围之内的高频振动的隔离。

6.如权利要求1所述的混合移动镜组件，其中所述反射器包括选自以下的至少一种反射器：隅角立方反射器、金属反射器、以及涂覆有高反射率金属或介电的高反射率和/或防护膜的平面基底材料。

7.如权利要求1所述的混合移动镜组件，其中所述第一多个运动装置包括永磁体，这些永磁体通过粘合剂偶联至所述反射器的所述预定的表面的边缘。

8.如权利要求7所述的混合移动镜组件，其中所述永磁体按重量计各自小于大约10克。

9.如权利要求1所述的混合移动镜组件，其中所述第二多个运动装置包括线圈，这些线圈被配置为施加小于大约0.5特斯拉的磁力。

10.如权利要求9所述的混合移动镜组件，其中相对于所述反射器的质量，所述弹性元件的质量使所述线圈施加的低磁力能够移动所述反射器。

11.如权利要求1所述的混合移动镜组件，其中用于提供长冲程速度和位置控制的所述线性运动装置包括选自以下的至少一种装置：线性滚珠轴承、空气轴承、滑动轴承以及挠曲轴承。

12.如权利要求11所述的混合移动镜组件，其中所述线性运动装置由一个电动机驱动。

13.一种动态混合移动镜干涉仪，其包括：

一个分束器，该分束器用于接收来自一个源的辐射束以便提供一个第一分束和一个第二分束；

一个反射器，该反射器被配置为沿着一个第一光路长度接收并且返回所述源的所述第一分束；

一个偶联至一个支撑结构的弹性安装反射器，其中所述弹性安装反射器被配置为沿着一个第二光路长度接收并且返回所述光源的所述第二分束；

第一运动装置，该第一运动装置偶联至所述弹性安装反射器的一个预定的表面以便提供所述弹性安装反射器的一个短冲程速度和位置控制和/或一个关于所配置的X和Y轴的倾斜控制；

第二运动装置，该第二运动装置偶联至所述支撑结构以便提供所述弹性安装反射器的长冲程速度和位置控制；以及

控制装置，该控制装置用于向所述第一和第二运动装置提供一个受控的反馈，以便除了所述长冲程速度和位置控制之外还能够进行所述短冲程速度和位置控制和/或关于所述配置的X和Y轴的一种组合的倾斜控制，以便在所述干涉仪的一个所配置的出口处提供该输入光源光束辐射的一个询问干涉图。

14.如权利要求13所述的动态混合动镜干涉仪，其中所述弹性安装反射器包括安排在所述弹性安装反射器周边附近的一个挠曲件，所述挠曲件被设计为提供大约+/-1微米的线性位移，并且进一步被配置为提供由所述大约+/-1微米的线性位移引起的一个阻滞力。

15.如权利要求14所述的动态混合移动镜干涉仪，其中所述挠曲提供对处于大约50直到大约5000HZ的范围之内的高频振动隔离。

16.如权利要求14所述的动态混合移动镜干涉仪，其中所述弹性元件包括至少一种选自以下的材料：织物、聚合物、塑料、迈拉聚酯薄膜、金属以及纸。

17.如权利要求13所述的动态混合动镜干涉仪，其中所述第一运动装置包括多个偶联的永磁体，其中所施加的反馈受控的磁场选择性地吸引或者排斥所述的偶联磁体中的一个或多个，以便提供所述弹性安装反射器的线性和/或倾斜运动。

18.如权利要求17所述的动态混合动镜干涉仪，其中所述控制装置被配置为使所述施加的范围受控的磁场能够提供在所述弹性安装反射器的X和/或Y轴中的所希望的倾斜，该倾斜处于高达大约10,000弧度秒的范围之内。

19.如权利要求13所述的动态混合动镜干涉仪，其中一个速度控制信号被施加至所述第二运动装置以便使包含所述反射器和所述支撑结构的整个组件在一个所希望的方向中运动，并且其中所述速度控制信号还被施加至所述第一运动装置以便提供一个或多个预定的力来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挠曲运动最小化。

20.如权利要求19所述的动态混合动镜干涉仪，其中所述反射器相对于所述整个组件的剩余部分更快地加速。

21.>如权利要求19所述的动态混合移动镜干涉仪，其中所述速度控制伺服器信号可以通过一个高通滤波器被发送来驱动所述第一运动装置，同时所述第二运动装置也由所述速度控制伺服器信号控制。

22.如权利要求13所述的动态混合动镜干涉仪，其中在所述干涉仪的系统中，在从大约1Hz至大于大约10,000Hz的频率范围之内，振动被隔离。

Images