CN105358932A

CN105358932A - 用于干涉仪中的反射镜的运动的机构、包含该机构的干涉仪以及包含该机构的傅里叶变换光谱仪

Info

Publication number: CN105358932A
Application number: CN201480037632.3A
Authority: CN
Inventors: R·杰克逊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-01
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2016-02-24
Also published as: US9297639B2; WO2014179213A2; WO2014179213A3; US20140327914A1

Abstract

一种允许干涉仪的镜片的精确运动的机构，其包括具有高横向刚度的两个或多个膜片挠性件，创造了卓越性能的迈克尔逊干涉仪。当与反射镜表面的精确控制和参考激光相结合时，上述机构创造了卓越性能的傅里叶变换光谱仪。

Description

用于干涉仪中的反射镜的运动的机构、包含该机构的干涉仪以及包含该机构的傅里叶变换光谱仪

相关申请的交叉引用

本申请要求了提交于2013年5月1日的、标题为“用于干涉仪中的反射镜的运动的机构、包含该机构的干涉仪以及包含该机构的傅里叶变换光谱仪”的同时待审的美国临时专利申请第61/818009号的优先权，其内容通过引用整体被包含于本文。

专利引用：

下列文件和参考通过引用整体被包含于本文：记载于2002年PubJohnWiley&Sons有限公司的EdJohnM.Chalmers和PeterR.Griffiths所著的振动光谱学手册中的、RichardS.Jackson所著的“用于中红外光谱法的连续扫描干涉仪”；Atwar等人的美国专利申请第2004/0037626号；Coffin的美国专利第5896197号；Carangelo等人的美国专利第5486917号；Simon等人的美国专利第5309217号；Curbelo等人的美国专利第4828367号；Coffin的美国专利申请第2012/0120405号；Coffin的美国专利申请第2012/0120409号；以及Coffin的美国专利申请第2012/0120404号。

技术领域

本发明涉及干涉仪，并且特别地涉及迈克尔逊型干涉仪。

背景技术

迈克尔逊干涉仪是在傅里叶变换光谱仪中广泛使用的双光束干涉仪。这些光谱仪用于获取从远红外线到紫外线的、跨越宽范围的波长的光谱。迈克尔逊干涉仪是具有单分束器的分振幅双光束干涉仪。

迈克尔逊干涉仪具有许多设计变体，但最简单的设计100被示出于图1A(现有技术)中。干涉仪包含固定反射镜102、移动反射镜104和分束器组件106。分束器组件106通常具有三部分：分束器涂层108，其被设置于基板110上；以及补偿板112。输入辐射束被分束器108分成两束子光束。一束子光束通过反射镜102沿固定长度的路径被反射到分束器，并且另一子光束通过可移动的反射镜104沿可变长度的路径被反射到分束器。两束子光束子在分束器106处重新结合，它们在此处互相干涉，并且再度分割，使得一束新的子光束沿输入辐射的路径返回，并且另一子光束垂直于固定反射镜射出干涉仪。

当用于干涉仪中时，通常有利的是测量可移动反射镜的位置或速度，或者两者都测量，并且将该测量结果使用于到达促动器的反馈回路中。根据干涉仪的预期用途，可使用刻度尺、电容器、参考激光或许多其他工具进行测量。

一种选择是建立包含迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱仪。图1B(现有技术)是包含迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱仪的光学布局的示例说明。来自宽带光源151的光通过聚焦镜片152准直，并且被引导进入由分束器组件106、固定反射镜102和移动反射镜104组成的干涉仪。如上述，在分割和重新结合之后，垂直于固定反射镜射出的子光束被引导到光学装置，该光学装置允许传递光穿过样品(未示出)或从样品(未示出)反射，并且随后到达聚焦镜片153，聚焦镜片153将光聚焦到探测器154上。

以往复移动的方式来回驱动移动反射镜，以改变其中一束子光束的路径长度，这引起在探测器处的干涉改变，导致探测器的输出值改变。作为路径长度的函数的探测器输出值使用适合的傅里叶变换方法能被转换成辐射光束的光谱。两束光束之间的光学路径长度差被称为光学延迟，其在所示设计中为移动反射镜的物理延迟的两倍。光谱的分辨率取决于最大光学延迟，并且通常被定义为光学延迟的倒数。更高分辨率的光谱因此需要移动反射镜的大范围运动。

除了来自宽带光源的光束，在大多数傅里叶变换光谱仪中，来自激光器155的单色光束也被引导进入干涉仪，使得它与用于进行光谱测量的宽带光束共线(并且有时同轴)。在傅里叶变换光谱仪中，对于位置或速度，参考激光超越其他测量方法的优势在于其测量反射镜的光学延迟而不是物理延迟。

射出的子光束(或在某些配置中，射出的全部子光束)被引导到探测器156，当移动反射镜被来回驱动时探测器156测量归因于干涉的强度变化。来自该探测器的信号用于控制移动反射镜的速度或位置，并且用于确定光学延迟的等增量。在某些傅里叶变换光谱仪中，来自单色光源的信号也可用于控制在干涉仪中的一个或更多光学构件的校准(例如，见Coffin的美国专利第5896197号)。

图1A中的光学部件必须相对彼此被精确地校准，并且移动反射镜104在整个行程范围期间必须相对于固定反射镜102保持光学校准。移动反射镜具有六个自由度：三个平移自由度和三个旋转自由度。要改变干涉仪的两个臂之间的光学路径差(也被称为光学延迟)，需要这些自由度中的一个的运动。其他自由度中的运动必须忽略不计，或者必须对光学校准具有忽略不计的影响，或必须使用伺服系统动态地保持校准。

在所示的平面反射镜干涉仪中，清楚的是，被称为切变的、在垂直于行程方向的方向上的移动反射镜的平移不会影响干涉仪的光学校准。然而，被称为倾斜(俯仰和偏摆或者二者的结合的总称)的、围绕垂直于行程方向的轴线的移动反射镜的旋转会影响光学校准，因为两束输出子光束不再共线，并且从而不会在分束器处正确地重新结合。除非移动反射镜恰好垂直于运动轴线，而实际上不可能是这种情况，否则围绕运动(滚动)轴线的旋转还是会导致干涉仪失准。公知的是，因此平面反射镜干涉仪包含某些的方法，以防止移动反射镜的滚动。

干涉仪设计的关键部分是用于使反射镜移动的机构。该机构必须具有足够的运动范围，并且必须允许反射镜在行程的整个范围中非常精确地运动。对于精度的需求是双重的。首先，机构必须具有可忽略不计的不期望的平移或旋转运动。其次，行程必须非常顺畅，否则移动反射镜的位置或速度的精确控制将变得困难。还期望的是，机构相对地成本低，并且还期望的是，机构具有比其中使用机构的仪器的寿命更长的预期使用寿命。要通过单一设计实现所有这些目的是困难的，因此已使用许多不同的机构。

在许多傅里叶变换光谱仪中已使用精密的空气轴承，但精密的空气轴承很昂贵并且需要供应压缩空气。通过在某些设计中使用电子控制系统来动态地保持干涉仪的校准，所需的精确度已被减小，但所需要的机构既复杂又昂贵。Coffin的美国专利第5896197号和Curbelo等人的美国专利第4828367号教导了不需要压缩空气的轴承，但这些轴承具有滑动部分，该滑动部分相接触，因此容易磨损。这种磨损是不期望的，因为它能导致光学校准的改变或移动反射镜的不期望的运动，导致系统性能降低。进一步，在傅里叶变换光谱仪中，移动反射镜通常以恒定的速度被扫描，并且即使很小的速度偏差也能导致在测量光谱中的噪声和赝象。滑动或滚动轴承本质上容易有这种速度偏差，因为轴承的表面不可能完全光滑。

所谓的“门廊秋千”机构也被使用，其中，构件在四个枢轴点被连接，以形成平行四边形。平行四边形的一个侧边能相对于另一个侧边移动，使得垂直于运动方向固定的反射镜经历在行程的整个范围内反射镜保持精确的光学校准的运动。然而，这些机构生产成本高，因为它们需要四个(或者在某些变体中，为八个)在枢轴点的精密轴承。Carangelo等人的美国专利第5486917教导了基于挠性件的机构，其可提供完全线性运动，但它很复杂，并且因此生产成本高。

因为图1A所示的简单的平面反射镜干涉仪的光学校准对于移动反射镜的不期望的运动的敏感度，已设计了光学校准对于不期望的运动较不敏感的许多迈克尔逊干涉仪的变体，例如，“记载于2002年PubJohnWiley&Sons有限公司的EdJohnM.Chalmers和PeterR.Griffiths所著的振动光谱学手册中的、RichardS.Jackson所著的用于中红外光谱法的连续扫描干涉仪”中所述的设计。

在所有这些设计中，光学构件或组件在一个自由度中具有平移自由度或者旋转自由度，以改变一束子光束相对于其他子光束的路径长度。在所有的设计中，必要的是，该平移或旋转都不影响干涉仪的光学校准，或者必须在扫描期间使用伺服系统动态地保持校准。进一步，所有其他自由度中的平移或旋转都必须可忽略不计，或者必须不影响干涉仪的校准，或者必须使用伺服系统来动态地控制以保持校准。

要实现这些目的，不同的设计已将特定的期望的特性与其他交换。例如，图1A所示的两个平面反射镜能被立方角逆反射器替代。因为来自该逆反射器的反射光束总是平行于入射光束，所以干涉仪的校准不会对移动反射镜的倾斜敏感。然而，尽管这在倾斜方面比平面反射镜设计的问题少，它却对移动反射镜的切变敏感。

尽管立方角逆反射器的使用减少了干涉仪校准对于移动反射镜的不期望的运动的敏感度，但逆反射器必须是非常高的精度，并且因此成本高。进一步，立方角逆反射器的质量比平面反射镜的质量更大，这在外部振动存在的情况下减小了可实现的扫描速度以及伺服系统控制速度或位置的能力，并且需要更大的功率、更贵的控制系统来致动移动反射镜。

在另一变体中，图1中的平面反射镜104能被立方角逆反射器和平面反射镜的组合代替，如图2(现有技术)中的200所示。路径长度则通过移动立方角逆反射器被改变。在这种配置中，干涉仪的校准对于移动反射镜的切变和倾斜都不敏感。然而，立方角逆反射器的直径必须是干涉仪中的光束的直径的两倍，这进一步增加了成本和移动反射镜的质量。其他设计则更复杂，例如，在Simon等人的美国专利第5309217号中公开的干涉仪，其在旋转机构上使用了两个立方角逆反射器。这种干涉仪的校准非常稳定，但它需要两个昂贵的逆反射器，并且旋转机构的质量非常大。

在共同提交的美国申请US2012/0120405和US2012/0120409中，以及在Coffin的美国申请US2012/0120404中，教导了多种机构，其中使用一个或多个膜片挠性件安装一个或多个光学部件，使得能改变光学延迟，并且能使用伺服系统来校准光学部件或多个光学部件。这些机构包括被安装于单个挠性件上的反射镜、被安装于单个挠性件上的分束器以及具有被安装在双挠性件上的一对反射镜的、被安装在单个挠性件上的分束器。

然而，与本发明相比，挠性件表示“弹性的”，以致他们给光学部件提供冲击和振动隔离，并且还允许光学部件的多于一个自由度的运动。尽管这些机构确实提供了冲击和振动隔离的益处，但是因为挠性件是弹性的，所以需要复杂的伺服系统来保持干涉仪的光学校准。这种伺服系统是不期望的，因为它们增加了复杂性和成本，并且如Coffin所提到的，它们具有有限的带宽，因此不能补偿所有可能的校准误差。

因此，期望的是具有用于移动反射镜的机构，其特征在于实质上单轴的平滑运动，其制造成本不高，并且具有非常长的预期使用寿命。还期望的是合理程度的振动不影响被安装于机构上的移动反射镜的校准。这种机构可用于建立其中的移动反射镜为单平面反射镜的迈克尔逊干涉仪，其既不昂贵同时也轻，不需要伺服系统来在操作期间保持校准。

发明内容

本节的目的在于概述本发明的某些方面，并且简要的引入一些优选的实施方式。可进行简化或省略，以避免使本节的目的模糊化。这种简化和省略并不旨在限制本发明的范围。

所有参考，包括本说明书中引用的任何专利或专利申请都通过引用被包含于此。不认为任何参考组成了现有技术。参考的讨论说明了它们的作者所宣告的内容，并且申请人保留挑战所引用的文件的准确性和相关性的权利。应清楚地理解的是，尽管在本文中引用若干现有技术公开，但是这种引用并不等于承认任何这些文件形成了技术领域的公知常识的一部分。

应认识到的是，在不同的法律范围内，术语“包含”可被归于排他的或非排他的意思。出于本说明的目的，并且除非特别说明，术语“包含”应该具有非排他的意思，即是，它意味着不仅包括其直接引用的所列的部件，而且还包括其他没有说明的部件或构件。

当术语“包含”或“包含了”在方法或程序中用于相关的一个或多个步骤时，上述理论也适用。

在一个方面中，本发明涉及迈克尔逊干涉仪，其包含固定反射镜、分束器组件和被安装在两个或更多膜片挠性件上的可移动反射镜，所述挠性件具有允许反射镜运动的高横向刚性，并且其中所述可移动反射镜受到闭环控制。在另一方面中，所述的干涉仪的闭环控制主要控制所述可移动反射镜的速度。而在另一方面中，通过参考激光来产生所述的干涉仪的闭环控制，参考激光也穿过所述干涉仪。在一个方面中，所述干涉仪的闭环控制主要控制所述可移动反射镜的位置，并且通过一个或多个机械阻尼、电子阻尼和/或补偿滤波器来减弱不期望的共振影响。

在另一个方面中，通过参考激光来产生所述干涉仪的闭环控制，参考激光也穿过所述干涉仪。而在另一方面中，所述干涉仪的挠性件允许所述可移动反射镜实质上单轴地运动。在另一方面中，所述干涉仪的闭环控制主要控制所述可移动反射镜的速度。而在另一方面中，所述干涉仪的闭环控制主要控制所述可移动反射镜的位置，并且通过一个或多个机械阻尼、电子阻尼和/或补偿滤波器来减弱不期望的共振影响。在另一方面中，所述干涉仪的膜片挠性件是包含双部件或多部件挠性件的复合挠性件，使得运动的范围增加。

在一个方面中，本发明涉及傅里叶变换光谱仪，其包含迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪具有被安装在两个或多个膜片挠性件上的可移动反射镜，所述挠性件具有允许所述反射镜的运动的高横向刚度，其中所述可移动反射镜受到闭环控制。在另一方面中，所述的干涉仪的闭环控制主要控制所述可移动反射镜的速度，并且通过参考激光来产生所述闭环控制，参考激光也穿过所述干涉仪。在一个方面中，所述干涉仪的闭环控制主要控制所述可移动反射镜的位置，通过参考激光来产生所述闭环控制，参考激光也穿过所述干涉仪，并且通过一个或多个机械阻尼、电子阻尼和/或补偿滤波器来减弱不期望的共振影响。

在另一方面中，所述光谱仪的挠性件允许所述可移动反射镜实质上单轴地运动。而在另一方面中，所述的光谱仪的闭环控制主要控制所述可移动反射镜的速度，并且通过参考激光来产生所述闭环控制，参考激光也穿过所述光谱仪。在另一个方面中，所述光谱仪的闭环控制主要控制所述可移动反射镜的位置，通过参考激光来产生所述闭环控制，参考激光也穿过所述干涉仪，并且通过一个或多个机械阻尼、电子阻尼和/或补偿滤波器来减弱不期望的共振影响。在另一方面中，所述干涉仪的膜片挠性件包含双部件或多部件挠性件组成的复合挠性件，使得运动的范围增加。而在一个方面中，所述光谱仪的闭环控制主要控制所述可移动反射镜的速度，并且通过参考激光来产生所述闭环控制，参考激光也穿过所述干涉仪。

本发明的其他特征和益处通过查阅下面详细描述的本发明的实施方式并结合附图将变得显而易见。

附图说明

图1A示出了迈克尔逊干涉仪的现有技术图例。

图1B示出了包含迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱仪的光学布局的现有技术图示。

图2示出了如何根据现有技术通过立方角逆反射器和平面反射镜的组合来替代平面反射镜。

图3A至3B示出了根据本发明的示例实施方式的示例膜片挠性件，其在挠性件的中心相对于边缘变形时不会表现出派生的平移或旋转运动。

图4示出了根据本发明的示例实施方式的机构的机械布局。

图5A至5B示出了允许增加的运动范围的复合膜片挠性件。

图6示出了根据本发明的示例实施方式的、实际偏差相对于作为驱动频率的函数的期望的偏差的振幅和相位。

图7示出了方框图，该方框图示出了根据本发明的示例实施方式可如何将滤波器用于闭环控制系统中。

图8示出了根据本发明的示例实施方式，当采用补偿滤波器时，实际偏差相对于作为驱动频率的函数的期望的偏差的闭环增益和相位。

图9示出了方框图，该方框图示出了根据本发明的示例实施方式的可选的设计，其分隔信号和反馈路径之间的补偿滤波器。

图10示出了根据本发明的示例实施方式，当采用可选的补偿滤波器时，实际偏差相对于作为驱动频率的函数的期望的偏差的闭环增益和相位。

图11示出了根据本发明的示例实施方式，当包含有在信号路径中提高高频增益的预补偿滤波器时的设计。

本领域的技术人员将从下列详细描述、附图和所附权利要求中了解且理解上述和其他特征。

具体实施方式

为了提供本发明的整体理解，现在将描述特定的说明性实施方式和示例。然而，本领域的技术人员会理解的是，相同或相等的功能与工序可通过同样被包含于本发明的主旨和范围中的不同实施方式来完成。这里所描述的组合、装置系统和/或方法可被调整且修改为适合于所处理的应用，并且这里所描述的内容可用于其他适合的应用中，并且其他附加内容和修改不会偏离本发明的范围。

可进行简化或省略，以避免使本节的目的模糊化。这种简化和省略并不旨在限制本发明的范围。

如在说明书和权利要求中所使用的，除非文中清楚的说明，否则单数形式的“某”、“该”和“所述”包括复数参考。例如，除非文中清楚的说明，否则术语“某事物”可包括多个事物。如在说明书和权利要求中所使用的，除非本文清楚的说明，否则所参考的单数名称或形式包括所述名称的一类中的变形。

在下列描述中仅出于方便使用特定的术语，而不是出于限制。词语“下面”、“上面”、“底部”、“顶部”、“前面”、“后面”、“左”、“右”、“侧”在所参考的附图中表示方向，但并不限制模块或它们的任何组件可使用的定向。

图1A、1B和2中所示的现有技术的限制已在上文中被指出。参考图3A和3B，可见示例的膜片挠性件300，其由刚性片材制成，其中切口306的花纹允许挠性件的中心302相对于挠性件的边缘304变形。这些挠性件具有三个不受限制的自由度。如果指定z轴作为垂直于附图的平面的轴线，并且x和y轴作为在附图的平面中的正交轴线，则挠性件的中心能沿z轴平移，或相对于挠性件的边缘围绕x轴或者y轴旋转。

三个受限制的自由度是沿x轴或者y轴的平移(即是，它们具有较高的横向刚度)以及围绕z轴的旋转。这些挠性件设计的重要方面是，它们不会表现出在受限制的自由度中的任何派生运动。这里，派生运动被定义为响应在不受限制的自由度中的运动而产生的、在受限制的自由度中的运动。这些仅是不具有派生运动的膜片挠性件的两个示例。其他的具有高横向刚度且不表现出派生的旋转或平移运动的挠性件设计也是可行的，例如，在Atwar等人的美国专利申请第2004/0037626号中所描述的设计。该挠性件能由通常可用于制作弹簧的任何适合的刚性材料制成，包括金属、聚合物和复合材料。

存在具有围绕运动方向的派生旋转的许多挠性件的设计，但由于上述原因，它们不适合其中移动反射镜是平面反射镜的迈克尔逊干涉仪。表现出派生平移运动(即是，垂直于期望的运动方向的派生运动)的挠性件原则上可用于其中移动反射镜是平面反射镜的迈克尔逊干涉仪，但除非两个挠性件的平移运动的方向被精确地校准，否则则移动反射镜将在运动期间表现出倾斜。因此，期望的是，使用不表现出派生旋转运动或派生平移运动的挠性件。

图4示出了根据示例实施方式提出的机构400的机械布局。机构具有被安装于刚性框架404的两个膜片挠性件402，使得它们平行、同心并且保持固定的间隔距离，虽然示出了两个，但可使用两个或多个这种挠性件。连接杆406穿过并且被附接于两个挠性件的中心。如Atwar等人的美国专利申请第2004/0037626号所述，如果两个膜片挠性件被设计为使得在期望的方向上的变形不引起派生的平移或旋转运动，则这种组件的运动是高度单轴的。平面反射镜408和促动器410被附接于连接杆的相对的端部，促动器410能用于相对框架来回地驱动反射镜。促动器通常是音圈，但可为能够产生期望的运动的任何促动器。

如上述，傅里叶变换光谱仪的分辨率取决于移动反射镜的最大光学延迟。对于大多数流体和固体的测量，4cm^-1的分辨率通常被认为是适合的。要实现该分辨率，最大光学延迟必须是2.5mm，并且因此最大物理延迟必须是1.25mm。膜片挠性件的最大挠度明确地取决于它们的设计的细节，并且特别是取决于它们的整体尺寸，但使用图3中所示的设计的中等尺寸的挠性件(大约50mm的直径)容易实现1.25mm的挠度。如果需要比使用合理尺寸的挠性件可能实现的分辨率更高的分辨率，则可采用复合挠性件。

图5A至5B示出了用于双重和三重复合挠性件的设计。连接杆500被附接于第一部件膜片挠性件的中心502。所述第一部件膜片挠性件的边缘通过薄的、刚性的环506被附接于第二部件膜片挠性件504的边缘。第二部件膜片挠性件504的中心被附接到刚性框架508或以相似的方式被附接于第三部件膜片挠性件510，第三部件膜片挠性件510的边缘被附接于刚性框架508。

第二部件膜片挠性件和第三部件膜片挠性件可实际上为与第一膜片挠性件相同的设计，或者它们可为不同的设计，只要这种不同的设计也不表现出派生运动。应了解的是，该附图不是按比例绘制的，并且实际上环506应该尽可能的薄，同时仍然允许部件膜片挠性件的必要挠度。尽管已描述了使用两个或三个部件挠性件的复合挠性件，但是清楚的是，可包括任何数量的附加挠性件，每个附加的挠性件都增加了复合挠性件的运动的范围，但导致一定的横向刚度损失。

应认识到的是，尽管上述机构能用于其中移动反射镜是平面反射镜的干涉仪，但是利用平移运动来改变干涉仪的一个臂中的路径长度的其他设计也从这种设计中获益。例如，如上述，在两个平面反射镜被立方角逆反射器替换的情况下，机构具有的益处是会将可忽略不计的切变引入到移动反射镜中、生产成本低、具有非常平滑的运动并且具有非常长的使用寿命。

在上面给出的移动平面反射镜由平面反射镜和立方角逆反射器的组合替代的示例中，导致倾斜或切变的派生运动并不重要，但即使在该示例中，机构也具有生产成本低、具有非常平滑的运动以及具有非常长的寿命的益处。在这种设计中，应了解的是，挠性件实际上是具有高横向刚度但表现出派生运动的设计，但与不会表现出派生运动的挠性件相比，使用这种挠性件并不有利。应注意的是，这种设计的一个益处是光学延迟是物理延迟的四倍。因此，对于给定变形的挠性件(即是，对于给定的物理延迟)，使用这种设计的傅里叶变换光谱仪能够将使用移动平面反射镜的傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率变为两倍。

如已讨论的，在傅里叶变换光谱仪中，对于大多数的运动范围，移动反射镜通常以恒定的速度被驱动，并且需要闭环控制实现精确的速度。这种闭环控制还用于使外部扰动(诸如振动和温度变化)的效果最小化，干涉仪对于这些外部扰动非常敏感。

因为图4所示的机构包含被安装于弹性挠性件上的块体，所以在其固有频率下具有强烈的共振。当需要控制位置时，这种共振给闭环控制系统带来了问题。图6示出了根据示例实施方式的、实际偏差相对于作为驱动频率的函数的期望偏差的振幅和相位图600。例如，该频率可产生自外部振动。

如公知的，在共振频率下，促动器的非常小的输入将产生非常大的偏差，并且响应的相位突然地改变180度。如公知的，这种响应特性使得移动反射镜的位置的闭环控制变得困难。特别地，干涉仪对外部干扰(例如振动)敏感。在共振频率之上还有二次衰减，这限制了驱动系统的频率响应。可能的是，通过阻尼来减少不期望的共振效果，这减少了在共振频率下的偏差的振幅，并且使得相位移动更平缓。这种阻尼可为通过许多已知工具实现的机械的或电子的或者二者的结合。然而，阻尼具有进一步的抑制高频响应的不期望的效果。

更好的方法是，使用电子滤波器来补偿机械共振。图7示出了方框图，其示出了可如何将这种滤波器使用于闭环控制系统700中。假设简单共振，物理系统H(s)对输入信号的响应能被表达为：

H (s) = \frac{1}{{(\frac{s}{2 \cdot π \cdot f_{R}})}^{2} + \frac{1}{Q_{R}} \cdot (\frac{s}{2 \cdot π \cdot f_{R}}) + 1}

其中，s是复频率，Q_R是共振的品质因数，并且高品质因数f_R实质上等于共振的中心频率。H(s)具有两个复共轭极点，并且因此需要具有复零点的滤波器来抵消这些极点。

滤波器还需要允许滤波器性能被调节的两个实极点。该滤波器能被表示为：

P (s) = \frac{{(\frac{s}{2 \cdot π \cdot f_{0}})}^{2} + \frac{1}{Q} \cdot (\frac{s}{2 \cdot π \cdot f_{0}}) + 1}{(\frac{s}{2 \cdot π \cdot P_{1}} + 1) \cdot (\frac{s}{2 \cdot π \cdot P_{2}} + 1)}

其中，Q是滤波器的品质因数，p₁和p₂是极点的频率，并且高品质因数f₀实质上等于滤波器的中心频率。对于最佳补偿，使Q等于Q_R，并且使f₀等于f_R。这能通过将Q和f₀设置为预定值或附加电子元件来实现，该附加电子元件将滤波器自动地调整到最优值。伴随增益G，具有补偿滤波器的系统的闭环增益被给出为：

C (s) = \frac{G \cdot H (s) \cdot P (s)}{1 + G \cdot H (s) \cdot P (s)}

图8示出了实际偏差的闭环增益和相位相对于作为驱动频率的函数的期望偏差的相位图800，其中补偿滤波器被包括在信号路径中，并且p₁和p₂分别被设为70Hz和50kHz。增益和相位在更大的频率范围内都实质上平坦，因此驱动系统具有更宽的频率响应，并且干涉仪对外部扰动较不敏感。

如图9所示，可选的设计是将在信号和反馈路径之间的补偿滤波器分隔。根据实际考虑(诸如动态范围和噪声)来决定是否需要这种分隔。分隔滤波器的方式很多，一个示例是可将缺口保持在信号路径中，并且将增加的高频增益移动到反馈路径。P1(s)和P2(s)则被给出为：

P 1 (s) = \frac{{(\frac{s}{2 \cdot π \cdot f_{0}})}^{2} + \frac{1}{Q} \cdot (\frac{s}{2 \cdot π \cdot f_{0}}) + 1}{{(\frac{s}{2 \cdot π \cdot f_{0}})}^{2} + \sqrt{2} \cdot (\frac{s}{2 \cdot π \cdot f_{0}}) + 1}

P 2 (s) = \frac{{(\frac{s}{2 \cdot π \cdot f_{0}})}^{2} + \sqrt{2} \cdot (\frac{s}{2 \cdot π \cdot f_{0}}) + 1}{(\frac{s}{2 \cdot π \cdot P_{1}} + 1) \cdot (\frac{s}{2 \cdot π \cdot P_{2}} + 1)}

围绕环路的总增益与之前相同，从而系统对外部扰动的响应不受分隔影响。驱动对于输入信号的响应相位图1000(即是，“期望的偏差”)在图10中被示出。在其中可见的是，没有显著的共振，但与未分隔的滤波器相比，驱动对于输入信号的频率响应减少。

当目的是控制移动反射镜的位置时，这种频率响应的减少通常不产生问题。例如，如果产生问题，则因为期望的是能够使得干涉仪从一个位置非常迅速地步进到另一个位置，所以如图11所示，在设计的第三变体1100中能包括预补偿过滤器，以在信号路径中提高高频增益。

根据干涉仪的预期应用，预补偿P3(s)可具有与P2(s)相同的形式，或者可不同。在所有已描述的补偿滤波器的变体中，必须为品质因数Q和频率f₀选择值。对于最佳的补偿，应该使Q等于Q_R，并且应该使f₀等于f_R。然而，滤波器的性能对所选的Q的实际值非常不敏感，并且实质上匹配就足够了。f₀和f_r之间的不匹配对性能具有更大的影响，但是这种影响不大于几个百分点的误差，其实际上是容易实现的。

结论

总结详细的描述应该注意的是，对本领域的技术人员显而易见的是可在不偏离本发明的主旨的情况下对于优选的实施方式做出改变和修改。而且，这种改变和修改旨在被包含于本文中、在所附权利要求所阐述的本发明的范围内。进一步，在权利要求中，所有方法或步骤加功能构件的结构、材料、作用和等同物都旨在包括用于执行它们所引用的功能的任何结构、材料或作用。

应强调的是，本发明的上述实施方式、特别是任何“优选实施方式”仅是实施的可行示例，仅被阐述用于本发明的原理离的清楚的理解。可在实质上不偏离本发明的原理的主旨的情况下对本发明的上述实施方式进行改变和修改。所有修改和改变都旨在被包含于本文中、在本发明的内容的范围内，并且通过所附权利要求保护。

已充分具体地详细描述了本发明。本发明的用途被本领域的技术人员所了解。本领域的技术人员应理解的是，仅以示例的方式公开了实施方式，并且可在不偏离所要求的本发明的主旨和范围的情况下采用部件的布置和组合的多种变化。因此，本发明的范围由所附权利要求限定，而不由上述实施方式的说明限定。

Claims

1.一种迈克尔逊干涉仪，其包含：

固定反射镜、分束器组件和可移动反射镜，可移动反射镜被安装在两个或更多的膜片挠性件上，膜片挠性件具有高横向刚度，以允许反射镜的运动；并且

其中可移动反射镜受到闭环控制。

2.根据权利要求1所述的干涉仪，其中，闭环控制主要控制可移动反射镜的速度。

3.根据权利要求2所述的干涉仪，其中，通过参考激光产生闭环控制，参考激光也穿过干涉仪。

4.根据权利要求1所述的干涉仪，其中，闭环控制主要控制可移动反射镜的位置，并且通过一个或多个机械阻尼、电子阻尼和/或补偿滤波器来减弱不期望的共振影响。

5.根据权利要求4所述的干涉仪，其中，通过参考激光产生闭环控制，参考激光也穿过干涉仪。

6.根据权利要求1所述的干涉仪，其中，膜片挠性件允许可移动反射镜实质上单轴地运动。

7.根据权利要求6所述的干涉仪，其中，闭环控制主要控制可移动反射镜的速度。

8.根据权利要求7所述的干涉仪，其中，通过参考激光产生闭环控制，参考激光也穿过干涉仪。

9.根据权利要求6所述的干涉仪，其中，闭环控制主要控制可移动反射镜的位置，并且通过一个或多个机械阻尼、电子阻尼和/或补偿滤波器来减弱不期望的共振影响。

10.根据权利要求9所述的干涉仪，其中，通过参考激光产生闭环控制，参考激光也穿过干涉仪。

11.根据权利要求6所述的干涉仪，其中，膜片挠性件是复合挠性件，其包含双部件或多部件挠性件，使得运动的范围增加。

12.根据权利要求11所述的干涉仪，其中，通过参考激光产生闭环控制，参考激光也穿过干涉仪。

13.一种傅里叶变换光谱仪，其包含：

迈克尔逊干涉仪，其具有被安装在两个或多个膜片挠性件上的可移动反射镜，

膜片挠性件具有允许反射镜的运动的高横向刚度，并且

其中可移动反射镜受到闭环控制。

14.根据权利要求13所述的傅里叶变换光谱仪，其中，闭环控制主要控制可移动反射镜的速度，并且通过参考激光产生闭环控制，参考激光也穿过干涉仪。

15.根据权利要求13所述的傅里叶变换光谱仪，其中，闭环控制主要控制可移动反射镜的位置，通过参考激光产生闭环控制，参考激光也穿过干涉仪，并且通过一个或多个机械阻尼、电子阻尼和/或补偿滤波器来减弱不期望的共振影响。

16.根据权利要求13所述的傅里叶变换光谱仪，其中，膜片挠性件允许可移动反射镜实质上单轴地运动。

17.根据权利要求16所述的傅里叶变换光谱仪，其中，闭环控制主要控制可移动反射镜的速度，并且通过参考激光产生闭环控制，参考激光也穿过干涉仪。

18.根据权利要求16所述的傅里叶变换光谱仪，其中，闭环控制主要控制可移动反射镜的位置，通过参考激光产生闭环控制，参考激光也穿过干涉仪，并且通过一个或多个机械阻尼、电子阻尼和/或补偿滤波器来减弱不期望的共振影响。

19.根据权利要求16所述的傅里叶变换光谱仪，其中，膜片挠性件是复合挠性件，其包含双部件或多部件挠性件，使得运动的范围增加。

20.根据权利要求19所述的傅里叶变换光谱仪，其中，闭环控制主要控制可移动反射镜的速度，并且通过参考激光产生闭环控制，参考激光也穿过干涉仪。