CN111936831B - 自参考光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本公开的各方面涉及一种自参考光谱仪，其用于提供对背景或参考光谱密度以及样品或其他光谱密度的同时测量。自参考光谱仪包括干涉仪，该干涉仪被光耦合以接收输入光束，并且沿第一光路引导输入光束以产生第一干涉光束，并且沿第二光路引导输入光束以产生第二干涉光束，其中每个干涉光束是在干涉仪的输出之前被产生的。光谱仪还包括检测器，其被光耦合以同时检测从第一干涉光束产生的第一干涉信号和从第二干涉光束产生的第二干涉信号，以及处理器，其被配置为处理第一干涉信号和第二干涉信号，并且在处理第一干涉信号时将第二干涉信号用作参考信号。

Description

自参考光谱仪
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月30日在美国专利和商标局提交的美国临时申请第62/651,016号和于2019年3月28日在美国专利和商标局提交的美国实用新型申请第16/368,771号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文，就好像以下完整地出于所有适用目的进行了完全阐述。
技术领域
以下讨论的技术总体上涉及光谱仪，并且特别地涉及用于同时捕获背景或参考光谱密度和样品光谱密度的光谱仪。
背景技术
傅立叶变换红外(FT-IR)光谱仪测量单束光谱(功率谱密度(PSD))，其中单束光谱的强度与到达检测器的辐射功率成比例。为了测量样品的吸光度，应当首先测量背景光谱(即，不存在样品时的单光束光谱)以补偿仪器传递函数。然后可以测量从样品透射或反射的光的单束光谱。可以从样品的透射率或反射率计算样品的吸光度。例如，可以将样品的吸光度计算为来自样品的透射光或反射光的光谱与背景光谱的比率。
对于透射测量，可以在光路中不放置任何物质(例如，空的比色杯)的情况下，通过在仪器的输入处测量光束的光谱来获取背景光谱。对于反射测量，可以通过放置具有接近平坦的光谱响应(跨感兴趣光谱范围具有超过95％反射率)的参考材料而不是样品来获取背景光谱。通常应当在与样品测量相同的条件下进行背景测量。
为了继续测量准确的吸收光谱，应当经常甚至在每次样品测量之前进行背景测量，这会花费额外的时间。光谱学家研究了背景测量的频率以及光谱如何随温度和时间变化，以试图推导用于模拟这些效应的模型并且确定如何补偿它们。需要光谱仪设计的其他增强，以减少测量过程中的时间，同时保持在线的参考/背景测量以补偿任何PSD漂移效应。
发明内容
以下给出了本公开的一个或多个方面的简化概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是本公开的所有预期特征的广泛概述，并且既不旨在标识本公开的所有方面的关键或重要元素，也不旨在界定本公开的任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本公开的一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。
本公开的各个方面提供了对背景或参考光谱密度以及样品或其他光谱密度的同时测量，以维持在线的背景/参考测量，补偿任何PSD漂移效应，并且使获取背景/参考测量并且执行任何PSD补偿所需要的时间最小化。在本公开的一个方面，自参考光谱仪包括干涉仪，该干涉仪被光耦合以接收输入光束，并且沿第一光路引导输入光束以产生第一干涉光束，并且沿第二光路引导输入光束以产生第二干涉光束，其中第一干涉光束和第二干涉光束是在干涉仪的输出之前被产生的。光谱仪还包括被光耦合以同时检测从第一干涉光束产生的第一干涉信号和从第二干涉光束产生的第二干涉信号的检测器、耦合到检测器并且被配置为处理第一干涉信号和第二干涉信号并且在处理第一干涉信号时将第二干涉信号用作参考信号的处理器。
在一个示例中，干涉仪可以包括Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪或Fabry-Perot干涉仪，其可以在包括由MEMS致动器致动的可移动反射镜的微机电系统(MEMS)芯片内实现。在一些示例中，干涉仪可以包括后向反射器和两个输出，其中一个输出穿过形成第一光路的样品臂，而另一输出穿过形成第二光路的参考臂。在其他示例中，可以在Michelson干涉仪的输入附近实现耦合器，以将反射的第二干涉光束引导到与第二光路相对应的输入端口上。在其他示例中，可以同时照射被测样品(SUT)和漫反射参考材料或其他反射表面，并且可以将来自SUT和参考的反射光引导到干涉仪。在另外的示例中，第二光路可以包括具有参考吸收峰的参考材料，或用于第一干涉信号的连续波长校正和/或在线反射镜定位的窄带滤光器。在另外的示例中，每个光路可以同时测量不同的光谱范围或分辨率。
通过阅读下面的详细描述，将更加充分地理解本发明的这些和其他方面。在结合附图阅读以下对本发明的具体示例性实施例的描述之后，本发明的其他方面、特征和实施例对于本领域技术人员将变得很清楚。尽管可以相对于下面的某些实施例和附图讨论本发明的特征，但是本发明的所有实施例可以包括本文中讨论的一个或多个有利特征。换言之，尽管可以将一个或多个实施例讨论为具有某些有利特征，但是根据本文中讨论的本发明的各个实施例，也可以使用一个或多个这样的特征。以类似的方式，尽管下面可以将示例性实施例作为设备、系统或方法实施例进行讨论，但是应当理解，这样的示例性实施例可以在各种设备、系统和方法中实现。
附图说明
图1是示出包括被配置为同时测量背景或参考功率谱密度(PSD)以及样品或其他PSD的干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。
图2是示出基于包括后向反射器的Michelson干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。
图3是示出基于包括后向反射器的Mach-Zehnder干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。
图4是示出基于包括耦合器的Michelson干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。
图5是示出基于Michelson干涉仪和分束器的自参考光谱仪的示例的图。
图6是示出基于Fabry-Perot干涉仪和分束器的自参考光谱仪的示例的图。
图7是示出包括自参考光谱仪和集成的漫反射参考材料的微机电系统(MEMS)芯片的侧视图的示例的图。
图8是示出包括自参考光谱仪和晶片级结合的漫反射参考材料的MEMS芯片的侧视图的示例的图。
图9是示出包括参考材料或过滤器的自参考光谱仪的示例的图。
图10是示出在微流体通道中具有集成的液体或气体参考材料的MEMS干涉仪芯片的俯视图的示例的图。
图11是示出包括被设计为同时照射参考材料和被测样品(SUT)并且将反射光引导到干涉仪的光学组件的、基于Michelson干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。
图12是示出包括被设计为同时照射参考材料和被测样品(SUT)并且将反射光引导到干涉仪的光学组件的、基于Fabry-Perot干涉仪的自参考光谱仪的示例的图。
图13A和13B是示出包括单个检测器和被设计为同时照射参考材料和被测样品(SUT)并且将反射光引导到干涉仪的光学组件的自参考光谱仪的其他示例的图。
图14是示出包括单个检测器和被设计为同时照射参考材料和被测样品(SUT)并且将反射光引导到干涉仪的光学组件的自参考光谱仪的另一示例的图。
图15A是示出包括被设计为同时反射来自背景源和SUT的光的光学组件的自参考光谱仪的示例的图。
图15B是示出基于来自背景源的反射光和所存储的校准测量来估计背景信号的图。
图16是示出根据本公开的一些方面的光重定向结构的示例的图。
图16A和16B是示出包括被设计为同时反射来自背景源或参考材料和SUT的光的光学组件的自参考光谱仪的其他示例的图。
图17是示出基于Michelson干涉仪并且包括两个光源的自参考光谱仪的示例的图，每个光源针对不同的光谱范围被优化。
图18是示出基于Michelson干涉仪并且包括两个光源的自参考光谱仪的另一示例的图，每个光源针对不同的光谱范围被优化。
图19是示出基于Michelson干涉仪并且被配置为同时测量两个不同分辨率的自参考光谱仪的示例的图。
图20是示出基于Michelson干涉仪并且被配置为测量两个不同分辨率的自参考光谱仪的另一示例的图。
图21是示出基于Michelson干涉仪并且在干涉仪的输入处包括抽头分束器的自参考光谱仪的示例的图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而不旨在表示可以实践本文中描述的概念的唯一配置。为了提供对各种概念的透彻理解，详细描述包括特定细节。然而，对于本领域技术人员将很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在某些情况下，以框图形式示出了众所周知的结构和组件，以避免使这些概念模糊。
图1示出了用于同时测量背景或参考功率谱密度(PSD)和样品或其他PSD的自参考光谱仪100的示例。光谱仪100包括光源102、干涉仪104、检测器106、和处理器108。光源102被配置为发射输入光束110，并且可以包括一个或多个宽带热辐射源或具有覆盖感兴趣波长范围的发光器件阵列的量子源。
干涉仪104被光耦合以接收输入光束110并且沿一个或多个光路引导输入光束以在其输出处产生两个干涉光束112a和112b(例如，干涉图案)。在一些示例中，干涉光束111a和112b在干涉仪104内在其输出之前被产生。干涉光束之一112a表示样品或其他光谱，而另一干涉光束112b表示背景或参考光谱。因此，干涉光束112a和112b中的每个穿过干涉仪104外部的不同的相应介质(例如，样品/其他或背景/参考)。干涉仪104可以包括一个或多个Michelson干涉仪、Mach-Zehnder(MZ)干涉仪和/或Fabry-Perot(FP)干涉仪。
另外，干涉仪104可以在微机电系统(MEMS)芯片上实现。如本文中使用的，术语MEMS是指通过微制造技术将机械元件、传感器、致动器和电子器件集成在共同的硅衬底上。例如，微电子器件通常是使用集成电路(IC)工艺制造的，而微机械组件是使用兼容的微加工工艺制造的，该微加工工艺选择性地蚀刻掉硅晶片的部分或添加新的结构层以形成机械和机电组件。MEMS元件的一个示例是具有以反射或折射模式工作的介电或金属化表面的微光学组件。MEMS元件的其他示例包括致动器、检测器凹槽和光纤凹槽。
在本公开的各个方面中，MEMS干涉仪104可以包括可以由MEMS致动器可移动地控制的一个或多个微光学组件(例如，一个或多个反射器或反射镜)。在一些示例中，MEMS干涉仪104可以在绝缘体上硅(SOI)晶片上使用深度反应离子蚀刻(DRIE)工艺来制造，以便产生能够处理平行于SOI衬底传播的自由空间光束的微光学组件和其他MEMS元件。
检测器106被光耦合以从干涉仪104接收干涉光束112a和112b，并且同时检测从第一干涉光束112a产生的第一干涉信号114a和从第二干涉光束112b产生的第二干涉信号114b。例如，干涉信号114a和114b中的每个可以对应于干涉图。
处理器108被配置为接收第一干涉信号114a和第二干涉信号114b，并且在处理第一干涉信号114a时将第二干涉信号114b用作参考信号。例如，处理器108可以被配置为对干涉信号11a4a和114b中的每个应用傅立叶变换以获取相应光谱，并且然后在进一步处理从第一干涉信号114a获取的光谱时使用从第二干涉信号114b获取的光谱。在一些示例中，处理器108可以将被测样品(SUT)的吸光度计算为从第一干涉信号114a获取的光谱与从第二干涉信号114b获取的光谱的比率。
处理器108可以是单个处理设备或多个处理设备。这样的处理设备可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件、逻辑电路系统、模拟电路系统、数字电路系统、和/或基于电路系统的硬编码和/或操作指令来操纵信号(模拟和/或数字)的任何设备。处理器108可以具有相关联的存储器和/或存储器元件，其可以是处理器的单个存储器设备、多个存储器设备、和/或嵌入式电路系统。这样的存储器设备可以是只读存储器、随机存取存储器、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪存、高速缓冲存储器、和/或存储数字信息的任何设备。
图2是示出自参考光谱仪200的示例的图。光谱仪200包括光源202、干涉仪204、检测器206a和206b、电子接口210和数字信号处理器(DSP)208。光源202可以对应于例如图1所示的光源102。另外，干涉仪204、检测器206a和206b以及DSP 208可以分别对应于图1所示的干涉仪104、检测器106和处理器108。
干涉仪204是在MEMS芯片上制造的Michelson干涉仪，其包括分束器212、固定反射器214、可移动反射器216、以及耦合到可移动反射器216的MEMS致动器218。固定反射器214和可移动反射器216均是后向反射器。分束器212可以包括例如基于空气传播的空间分束器(例如，中空波导分束器)或空气/硅分束器(例如，在硅与空气之间的界面处形成的分束器)。干涉仪204包括两个输出238和240，每个输出被光耦合到干涉仪204内的两个光路之一并且各自还被光耦合到干涉仪204外部的相应检测器206a和206b。例如，第一光路形成在分束器212与第一输出238之间，然后在第一输出238处朝向第一检测器206a穿过样品220(例如，SUT)。第二光路形成在分束器212与第二输出240之间，然后在第二输出240处朝向第二检测器206b穿过参考222。
在图2所示的示例中，来自光源202的输入光束224被分束器212分成两个入射光束226和228。固定后向反射器214被光耦合以接收第一入射光束226并且朝向分束器212反射第一入射光束226以产生第一反射光束230。可移动后向反射器216被光耦合以接收第二入射光束228并且朝向分束器212反射第二入射光束228以产生第二反射光束232。可移动后向反射器216耦合到MEMS致动器218以在第一反射光束230与第二反射光束232之间产生期望光程差(光路差)(OPD)。
在一个示例中，MEMS致动器218由梳状驱动器和弹簧形成。通过向梳齿驱动器施加电压，跨致动器218产生电势差，这在致动器218中感应出电容，从而生成驱动力以及来自弹簧的恢复力，从而引起可移动后向反射器216到期望位置的位移(displacement)以用于入射光束228的反射。然后，在反射光束230与232之间创建OPD，该OPD基本上等于可移动后向反射器216的位移的两倍。
反射光束230和232在分束器212处干涉，从而允许在由可移动后向反射器216产生的每个不同的OPD处测量光的时间相干性。分束器212还被光耦合以分离由第一反射光束230与第二反射光束232之间的干涉产生的干涉光束，以产生第一干涉光束234和第二干涉光束236。分束器212还被光耦合以沿第一光路(例如，其可以对应于干涉仪204的样品臂)引导第一干涉光束234并且沿第二光路(例如，可以对应于干涉仪204的参考臂)引导第二干涉光束236。
样品臂和参考臂可以各自以透射配置或反射配置(例如，漫反射配置)操作。在透射配置中，干涉光束(例如，光束234或236)通过样品220或参考222朝向相应检测器206a或206b传播。在反射配置中，干涉光束(例如，光束234或236)从样品220或参考222反射到相应检测器206a或206b。对于参考臂，在透射配置的情况下，参考222可以是空的比色杯，而在反射配置的情况下，参考222可以包括Spectralon或聚四氟乙烯(PTFE)标准反射器。对于样品臂，在透射配置的情况下，干涉光束234可以传播通过样品220，而在反射配置的情况下，干涉光束234可以从样品220朝向检测器206a反射。
每个检测器206a和206b被光耦合以接收相应干涉光束234和236(例如，在穿过样品220/参考222传播或从样品220/参考222反射之后)并且检测相应干涉信号242和244。电子接口210耦合到检测器206a和206b以接收干涉信号242和244，并且被配置为处理干涉信号242和244中的每个以从中提取相应干涉图。DSP 208耦合到电子接口210以接收干涉图，并且被配置为计算样品吸光度AS，如下所示：
其中Id1是来自检测器206a的检测干涉图信号，Id2是来自检测器206b的检测干涉图信号。应当理解，两个检测器206a和206b之间的可能影响样品吸光度的准确性的任何差异都可以在最终计算中进行校准和补偿。
图3是示出自参考光谱仪300的另一示例的图。光谱仪300包括光源302、干涉仪304、以及检测器306a和306b。光源302可以例如对应于图1所示的光源102。另外，干涉仪304以及检测器306a和306b可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪300还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
干涉仪304是在MEMS芯片上制造的MZ干涉仪，其包括第一分束器308、可移动反射器310、耦合到可移动反射器310的MEMS致动器312、第一平面反射镜314、第二平面反射镜316、固定反射器318、和第二分束器320。固定反射器318和可移动反射器310均是后向反射器。干涉仪304包括两个输出，一个输出在第一输出处朝向检测器306a穿过样品322(例如，SUT)，并且另一输出在第二输出处朝向检测器306b穿过参考324。第一光路形成在第二分束器320与干涉仪304在样品322处的第一输出之间，而第二光路形成在第二分束器320与干涉仪304在参考324处的第二输出之间。
在图3所示的示例中，来自光源302的输入光束326被第一分束器308分裂成两个入射光束328和330。可移动后向反射器310被光耦合以接收第一入射光束328并且经由第一平面反射镜314朝向第二分束器320反射第一入射光束328以产生第一反射光束332。第二平面反射镜316被光耦合以朝向第一固定后向反射镜318引导第二入射光束330以使其反射朝向第二分束器320以产生第二反射光束334。可移动后向反射器310被耦合到MEMS致动器312以在第一反射光束332与第二反射光束334之间产生期望光程差(OPD)。
反射光束332和334在第二分束器320处干涉，从而允许在由可移动后向反射器310产生的每个不同的OPD处测量光的时间相干性。第二分束器320还被光耦合以分裂由第一反射光束332与第二反射光束334之间的干涉产生的干涉光束，以产生第一干涉光束336和第二干涉光束338。第二分束器320还被光耦合以沿第一光路引导第一干涉光束336并且沿第二光路引导第二干涉光束338。
每个检测器306a和306b被光耦合以接收相应干涉光束336和338(例如，在穿过样品322/参考324传播或从样品322/参考324反射之后)并且检测相应干涉信号。如上所述，处理器(未示出)然后可以在处理由检测器306a检测到的干涉信号时将由检测器306b检测到的干涉信号用作参考信号。
图4是示出自参考光谱仪400的另一示例的图。光谱仪400包括光源402、干涉仪404、以及两个检测器406a和406b。光源402可以例如对应于图1所示的光源102。另外，干涉仪404以及检测器406a和406b可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪400还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
干涉仪404是在MEMS芯片上制造的Michelson干涉仪，其包括分束器408、固定反射器410(例如，固定反射镜)、可移动反射器412(例如，可移动反射镜)、耦合到可移动反射镜412的MEMS致动器414、和耦合器420。固定反射镜410和可移动反射镜412均为平面反射镜。耦合器420位于干涉仪404的输入处。干涉仪404包括两个输出，一个输出朝向检测器406a穿过样品416(例如，SUT)，而另一输出朝向检测器406b通过耦合器420通过参考418回传。第一光路形成在分束器408与干涉仪404在样品416处的第一输出之间，而第二光路形成在分束器408与干涉仪404在耦合器420/参考418处的第二输出之间。
在图4所示的示例中，来自光源402的输入光束通过耦合器420耦合到分束器408，在该分束器408中，输入光束被分裂成两个入射光束。固定反射镜410被光耦合以接收入射光束之一并且将所接收的入射光束朝向分束器408反射回去。可移动反射镜412被光耦合以从分束器408接收另一入射光束并且朝向分束器408将所接收的入射光束反射回去。可移动反射镜412被耦合到MEMS致动器414以在反射回分束器408的光束之间产生期望光程差(OPD)。
反射光束在分束器408处干涉，从而允许在由可移动反射镜412产生的每个不同的OPD处测量光的时间相干性。分束器408还被光耦合以分裂由反射光束之间的干涉产生的干涉光束，以产生两个干涉光束，每个干涉光束沿第一光路或第二光路之一被引导。每个检测器406a和406b被光耦合以接收两个干涉光束中的相应干涉光束(例如，在穿过样品416/参考418传播或从样品416/参考418反射之后)并且检测相应干涉信号。如上所述，处理器(未示出)然后可以在处理由检测器406a检测到的干涉信号时将由检测器406b检测到的干涉信号用作参考信号。
图5是示出自参考光谱仪的另一示例的图。光谱仪500包括光源502、干涉仪504、以及两个检测器506a和506b。光源502可以例如对应于图1所示的光源102。另外，干涉仪504以及检测器506a和506b可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪500还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
干涉仪504是在MEMS芯片上制造的Michelson干涉仪，其包括分束器508、固定反射器510(例如，固定反射镜)、可移动反射器512(例如，可移动反射镜)、和耦合到可移动反射镜512的MEMS致动器514。固定反射器510和可移动反射镜512均为平面反射镜。在图5所示的示例中，干涉仪504包括单个输出。光谱仪500还包括附加分束器516，其被光耦合以接收干涉仪504的输出(例如，干涉光束)并且将该输出分裂成两个干涉光束，该两个干涉光束然后可以各自朝向样品518或参考520之一被引导。每个检测器506a和506b被光耦合以接收两个干涉光束中的相应干涉光束(例如，在穿过样品518/参考520传播或从样品518/参考520反射之后)并且检测相应干涉信号。如上所述，处理器(未示出)然后可以在处理由检测器506a检测到的干涉信号时将由检测器506b检测到的干涉信号用作参考信号。
图6是示出自参考光谱仪的另一示例的图。光谱仪600包括光源602、干涉仪604、以及两个检测器606a和606b。光源602可以例如对应于图1所示的光源102。另外，干涉仪604以及检测器606a和606b可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪600还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
干涉仪604是在MEMS芯片上制造的FP干涉仪，其包括耦合到MEMS致动器610的可调谐FP滤光器608。可调谐FP滤光器608包括两个平板，平板之一耦合到MEMS致动器610。在一个示例性操作中，来自光源602的输入光束透射通过FP可调谐滤光器608的顶部平板并且进入平板之间的FP气腔，在此，输入光束被多次反射离开平板的内部反射表面中的每个内部反射表面。MEMS致动器610引起底部平板的位移，从而改变腔体的宽度，从而导致多个偏移(offset)光束在FP气腔内部彼此干涉。每当光到达平板时，一部分反射光(干涉光束)透射穿过底部平板，并且由干涉仪604输出。
在图6所示的示例中，干涉仪604包括单个输出。光谱仪600还包括附加分束器612，其被光耦合以接收干涉仪604的输出(例如，干涉光束)并且将该输出分裂成两个干涉光束，该两个干涉光束然后可以分别朝向样品614或参考616之一被引导。每个检测器606a和606b被光耦合以接收两个干涉光束中的相应干涉光束(例如，在穿过样品616/参考616传播或从样品616/参考616反射之后)并且检测相应干涉信号。处理器(未示出)然后可以在处理由检测器606a检测到的干涉信号时将由检测器606b检测到的干涉信号用作参考信号，如上所述。
图7是示出包括自参考光谱仪的各种组件的微机电系统(MEMS)芯片700的侧视图的示例的图。MEMS芯片700可以在包括器件层708、处理层704、和夹在器件层708与处理层704之间的掩埋氧化物(BOX)层706的绝缘体上硅(SOI)晶片702中使用诸如深度反应离子蚀刻(DRIE)等深度蚀刻技术来制造。MEMS干涉仪的各种组件(诸如分束器712、以及其他微光学组件(例如，反射镜、MEMS致动器等))可以使用单个光刻步骤来限定，并且使用高度各向异性工艺在器件层708中被蚀刻，直到到达蚀刻停止(BOX)层706。可以通过选择性地移除可移动部分下方的BOX层706来释放任何可移动部分，诸如可移动反射器和MEMS致动器。MEMS芯片700还可以晶片级结合到另一衬底710(诸如封装)。
MEMS芯片700还可以包括形成用于MEMS干涉仪的参考材料的漫反射表面714、和集成反射器716，每个均在MEMS芯片内单片(monolithically)制造。在图7所示的示例中，漫反射表面714可以包括无序硅(例如，黑硅)。黑硅是针状表面结构，其中该结构的表面包括由单晶硅制成的多个针。在一些示例中，针直径可以小于1微米，并且针高度可以大于10微米，其中这些参数跨黑硅区域随机变化。可以通过在不使用光刻掩模的情况下进行蚀刻来将针形成为各种形状，诸如尖峰、圆柱、圆锥和棱锥。漫反射表面714可以涂覆有金属以用作高通量参考，或涂覆有电介质以用作低通量参考。
使用例如图2-6所示的任何自参考光谱仪配置，来自分束器712的干涉光束可以朝向漫反射表面714被引导，并且其输出可以被集成反射器716(例如，可以是弯曲的反射器)朝向检测器芯片718被反射。如上所述，由检测器芯片718检测到的所得到的干涉信号可以在处理样品干涉信号时用作参考信号。
图8是示出包括自参考光谱仪的各种组件的MEMS芯片800的侧视图的示例的图。MEMS芯片800可以在包括器件层808、处理层804、和夹在器件层808与处理层804之间的掩埋氧化物(BOX)层806的绝缘体上硅(SOI)晶片802中使用诸如深度反应离子蚀刻(DRIE)等深度蚀刻技术来制造。MEMS干涉仪的各种组件(诸如分束器812、以及其他微光学组件(例如，反射镜、MEMS致动器等))可以使用单个光刻步骤来限定，并且使用高度各向异性工艺在器件层808中被蚀刻，直到到达蚀刻停止(BOX)层806。可以通过选择性地移除可移动部分下方的BOX层806来释放任何可移动部分，诸如可移动反射器和MEMS致动器。MEMS芯片800还可以晶片级结合到另一衬底810(诸如封装)。
MEMS芯片800还可以包括在MEMS芯片内单片制造的集成反射器816。另外，漫反射表面814可以晶片级结合到MEMS芯片700。在图8所示的示例中，漫反射表面814可以包括喷砂表面(例如，玻璃)。漫反射表面814可以涂覆有金属以用作高通量参考，或涂覆有电介质以用作低通量参考。
使用例如图2-6所示的任何自参考光谱仪配置，来自分束器812的干涉光束可以经由集成反射器816(例如，可以是弯曲反射器)朝向漫反射表面814被引导，并且来自漫反射表面814的反射光束可以朝向检测器芯片818被反射。如上所述，由检测器芯片818检测到的所得到的干涉信号可以在处理样品干涉信号时用作参考信号。
图9是示出自参考光谱仪900的另一示例的图。光谱仪900类似于图2所示的光谱仪在于：光谱仪900包括光源902、Michelson干涉仪904(包括分束器908、固定后向反射器910、可移动后向反射器912、和耦合到可移动后向反射器912的MEMS致动器914)、以及两个检测器906a和906b。干涉仪904还包括两个输出，一个输出直接通向检测器906a，而另一输出在该输出处朝向检测器906b穿过参考材料或滤光器916。因此，第一光路形成在分束器908与干涉仪904朝向第一检测器906a的第一输出之间，而第二光路形成在分束器908与干涉仪904在参考材料或滤光器916处的第二输出之间。
在一些示例中，来自参考材料或滤光器916的具有由检测器906b检测到的参考吸收峰值的干涉信号可以被处理器(未示出)用于对由检测器906a检测到的干涉信号进行连续波长校正。另外，在其中将窄带滤光器916并入到光谱仪900中的示例中，窄带滤光器916也可以用于可移动反射器912的在线反射镜定位。例如，来自检测器906b的检测到的干涉图可以是与滤光器916的中心波长λ0相对应的周期的正弦信号的形式。更具体地，检测到的干涉图信号的一个循环可以与由于可移动后向反射器912的位移而产生的从固定后向反射器910和从可移动后向反射器912被反射回到分束器908的反射光束之间的OPD(等于λ0)相对应。
图10是示出MEMS干涉仪芯片1000的俯视图的示例的图。MEMS干涉仪芯片1000可以例如在绝缘体上硅(SOI)晶片中使用DRIE来制造。MEMS干涉仪芯片1000包括固定反射镜1002、耦合到MEMS致动器1006的可移动反射镜1004、形成在硅与空气之间的界面处的分束器1008、以及集成在MEMS干涉仪芯片1000内的微流体通道或连接器1010。微流体通道1010可以包括由液体或气体形成的参考材料1012。在知道某些吸收峰的参考波长位置的情况下，可以校正MEMS干涉仪芯片1000的输出的波长轴。
在该示例中，在干涉仪的输出处产生的干涉光束包括组合的干涉光束，该组合的干涉光束包括由于穿过反射镜1002和1004、以及分束器1008(例如，第一光路)而产生的第一干涉光束和由于穿过反射镜1002/1004、分束器1008、和参考材料1012(例如，第二光路)而产生的第二干涉光束两者。因此，可以利用单个检测器来检测包括第一干涉信号(例如，样品信号或其他信号)和第二干涉信号(例如，参考信号)两者的单个干涉信号。在图10的示例中，光在干涉仪的输出处透射通过参考液体或气体。然而，在其他示例中，光可以在干涉仪的输入处透射通过参考液体或气体。
图11是示出自参考光谱仪1100的另一示例的图。光谱仪1100包括光源1102、干涉仪1104、以及两个检测器1106a和1106b。光源1102可以例如对应于图1所示的光源102。另外，干涉仪1104以及检测器1106a和1106b可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪1100还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
光谱仪1100还包括光学组件，该光学组件被设计为同时照射样品(例如，SUT)1110和参考(例如，漫反射表面)1112。在图11所示的示例中，光谱仪1100包括分束器1108，分束器1108被光耦合以将从光源1102发射的原始源光束1105分裂成由第一反射表面1114朝向样品1110反射的第一源光束和由第二反射表面1116朝向参考1112反射的第二源光束。从样品1110和参考1112反射的光可以经由例如一个或多个波导1128a和1128b和/或其他附加光学组件1118分别作为第一输入光束1136和第二输入光束1138而朝向干涉仪1104的相应输入被引导。例如，附加光学组件1118可以包括被光耦合以接收从样品1110反射的第一输入光束1136的第一平面反射镜1130和被光耦合以接收从参考1112反射的第二输入光束1138的第二平面反射镜1132。从平面反射镜1130和1132反射的第一输入光束和第二输入光束然后可以朝向反射元件1134被引导，反射元件1134被光耦合以将第一输入光束1136和第二输入光束1138分别引导到干涉仪1104中。
干涉仪1104是Michelson干涉仪，其包括分束器1120、固定反射器1122(例如，固定反射镜)、可移动反射器1124(例如，可移动反射镜)、以及耦合到可移动器反射器1124的MEMS致动器1126。固定反射镜1122和可移动反射镜1124均为平面反射镜。在图11所示的示例中，第一输入光束1136和第二输入光束1138分别各自被输入到分束器1120，分束器1120被光耦合以将每个输入光束分裂成相应入射光束。例如，分束器1120可以将从样品1110反射的第一输入光束1136分裂成第一入射光束1140和第二入射光束1142，并且可以朝向固定反射镜1122引导第一入射光束1140并且朝向可移动反射镜1124引导第二入射光束1142。另外，分束器1120可以将从参考1112反射的第二输入光束1138分裂成第三入射光束1144和第四入射光束1146，并且朝向固定反射镜1122引导第三入射光束1144并且朝向可移动反射镜1124引导第四入射光束1146。
固定反射镜1122被光耦合以朝向分束器1120分别反射回所接收的第一入射光束1140和第三入射光束1144分别作为第一反射光束1148和第三反射光束1152。可移动反射镜1124被光耦合以朝向分束器1120分别反射回所接收的第二入射光束1142和第四入射光束1146分别作为第二反射光束1150和第四反射光束1154。可移动反射镜1124耦合到MEMS致动器1126，以在第一和第三反射光束与第二和第四反射光束之间产生期望的相应光程差(OPD)。
分别地，第一反射光束1148和第二反射光束1150在分束器1120处干涉以产生第一干涉光束1156，而第三反射光束1152和第四反射光束1154分别地在分束器1120处干涉以产生第二干涉光束1158。分束器1120还被光耦合以朝向检测器1106a引导第一干涉光束1156以检测第一干涉信号，并且朝向检测器1106b引导第二干涉光束1158以检测第二干涉信号。如上所述，处理器(未示出)然后可以在处理由检测器1106a检测到的干涉信号时将由检测器1106b检测到的干涉信号用作参考信号。在该示例中，在被光耦合以接收从样品1110反射的第一输入光束1136的干涉仪1104的第一输入与朝向第一检测器1106a引导第一干涉光束1156的其第一输出之间形成有第一光路，而在被光耦合以接收从参考1112反射的第二输入光束1138的干涉仪1104的第二输入与朝向第二检测器1106b引导第二干涉光束1158的其第二输出之间形成有第二光路。
在一些示例中，可以在MEMS芯片上单片地制造干涉仪1104、分束器1108、反射表面1114和1116、以及另外的光学组件1118。另外，应当理解，可以利用其他光学组件朝向样品1110和参考1112引导原始输入光束并且将从样品1110和参考1112反射的输入光束引导到干涉仪1104中。
图12是示出自参考光谱仪的另一示例的图。光谱仪1200包括光源1202、干涉仪1204以及两个检测器l206a和l206b。光源1202可以对应于例如图1所示的光源102。另外，干涉仪1204以及检测器l206a和l206b可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪1200还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
光谱仪1200被配置为同时照射样品(例如，SUT)1210和参考(例如，漫反射表面)1212。在图12所示的示例中，从光源1202输出的源光束1235朝向样品1210和参考1212两者被引导。从样品1210和参考1212反射的光可以分别经由例如附加光学组件1218朝向干涉仪1204的相应输入被引导作为输入光束1236和1238。例如，附加光学组件1218可以包括被光耦合以接收从样品1210反射的第一输入光束的第一平面反射镜1230和被光耦合以接收从参考1212反射的第二输入光束的第二平面反射镜1232。然后，将从平面反射镜1230和1232反射的第一输入光束和第二输入光束朝向反射元件1234被引导，反射元件1234被光耦合以分别将第一输入光束1236和第二输入光束1238引导到干涉仪1204中。
干涉仪1204是FP干涉仪，其包括耦合到MEMS致动器1222的可调谐FP滤光器1220。可调谐FP滤光器1220包括两个平板，平板之一耦合到MEMS致动器1222。在一个示例性操作中，从样品1210和参考1212分别反射的第一输入光束1236和第二输入光束1238被透射通过FP可调谐滤光器1220的顶部平板并且进入平板之间的FP气腔，在此，输入光束被多次反射离开平板的内部反射表面中的每个内部反射表面。MEMS致动器1222引起底部平板的位移，从而改变腔体的宽度，从而导致多个偏移光束在FP气腔内部彼此干涉。每当光朝向相应检测器1206a和1206b到达平板时，与第一干涉光束1240和第二干涉光束1242中的每个相关联的反射光的一部分透射通过底部平板。
处理器(未示出)随后可以在处理由检测器1206a检测到的干涉信号时将由检测器1206b检测到的干涉信号用作参考信号。在该示例中，在被光耦合以接收从样品1210反射的输入光束1236的干涉仪1204的第一输入与被耦合以向第一检测器1206a提供第一干涉光束1240的干涉仪1204的第一输出之间形成有第一光路，而在被光耦合以接收从参考1212反射的输入光束1238的干涉仪1204的第二输入与被耦合以向第二检测器1206b提供第二干涉光束1242的干涉仪1204的第二输出之间形成有第二光路。
应当理解，图12所示的光学组件仅是示例性的，并且可以利用其他光学组件(例如，诸如图11所示的光学组件)将来自光源1202的光引导到样品1210和参考1212并且将从样品1210和参考1212反射的输入光束引导到干涉仪1204中。
图13A和13B是示出自参考光谱仪1300的另一示例的图。光谱仪1300包括光源1302、干涉仪1304、和单个检测器1306。光源1302可以例如对应于图1所示的光源102。另外，干涉仪1304和检测器1306可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪1300还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
光谱仪1300还包括光学组件，该光学组件被设计为同时照射样品(例如，SUT)1310和参考(例如，漫反射表面)1312。在图13所示的示例中，光谱仪1300包括分束器1308，分束器1308被光耦合以将来自光源1302的原始源光束1305分裂成由第一反射表面1314朝向样品1310反射的第一源光束和由第二反射表面1316朝向参考1312反射的第二源光束。分别作为第一输入光束1336和第二输入光束1338从样品1310和参考1312反射的光可以经由例如一个或多个波导和/或其他附加光学组件1318朝向干涉仪1304的相应输入被引导，如上面结合图11所述。
在图13A所示的示例中，干涉仪1304是Michelson干涉仪，其包括分束器1320、固定反射器1322a和1322b(例如，固定反射镜)、可移动反射器1324(例如，可移动反射镜)、耦合到可移动反射器1324的MEMS致动器1326、和聚焦反射器1328(例如，弯曲反射器)。固定反射镜132a和1322b以及可移动反射镜1324均是平面反射镜。在图13所示的示例中，从样品1310和参考1312反射的第一输入光束1336和第二输入光束1338各自被输入到分束器1320，分束器1320被光耦合以将每个输入光束分裂成相应入射光束。例如，分束器1320可以将从样品1310反射的第一输入光束分裂成朝向第一固定反射镜1322a被引导的第一入射光束和朝向可移动反射镜1324被引导的第二入射光束。分束器1320还可以将从参考1312反射的第二输入光束分裂成朝向第二固定反射镜1322b被引导的第三入射光束和朝向可移动反射镜1324被引导的第四入射光束。
第一固定反射镜1322a和第二固定反射镜1322b各自被被光耦合以朝向分束器1320反射回相应的所接收的第一入射光束和第三入射光束分别作为第一反射光束和第三反射光束。可移动反射镜1324被光耦合以朝向分束器1320反射回所接收的第二入射光束和第四入射光束作为第二反射光束和第四反射光束。可移动反射镜1324被耦合到MEMS致动器1326以在第一和第三反射光束与第二和第四反射光束之间产生期望的相应光程差(OPD)。
第一反射光束和第二反射光束在分束器1320处干涉以产生第一干涉光束1340，而第三反射光束和第四反射光束在分束器1320处干涉以产生第二干涉光束1342。分束器1320还被光耦合以分别朝向聚焦反射器1328引导第一干涉光束1340和第二干涉光束1342，聚焦反射器1328分别将第一干涉光束1340和第二干涉光束1342中的每个聚焦到单个检测器1306上，以检测包括从第一干涉光束产生的第一干涉信号和从第二干涉光束产生的第二干涉信号两者的组合干涉信号。在该示例中，在被光耦合以接收从样品1310反射的第一输入光束的干涉仪1304的第一输入与在聚焦反射器1328处的干涉仪1304的单个输出之间形成有第一光路，而在被光耦合以接收从参考1112反射的第二输入光束的干涉仪1304的第二输入与在聚焦反射器1328处的干涉仪1304的单个输出之间形成有第二光路。
为了使用单个检测器1306，通过将固定反射镜之一相对于另一固定反射镜移位(shift)，将从第一干涉信号获取的样品干涉图(如图13A所示)和从第二干涉信号获取的参考干涉图(如图13A所示)在空间上分离。在图13A所示的示例中，样品光路内的第一固定反射镜1322a与参考光路中的第二固定反射镜1322b在空间上偏移距离d0(例如，第一反射镜和第二反射镜相对于分束器1320在空间上彼此偏移)，距离d0对应于预定余量内的目标分辨率，以避免第一干涉信号与第二干涉信号之间的交叉耦合。因此，两个干涉图(例如，样品和参考)也彼此移位距离d0。
在该示例中，可以如下从所测量的组合干涉图Id中提取样品吸光度AS：
其中WS和WR是分别用于检测样品干涉图和参考干涉图的窗口函数。在某些示例中WS和WR是可移动反射镜1324的反射镜位移x的相同窗口函数W的移位版本：
应当理解，在一些示例中，干涉仪1304可以包括单个固定反射镜和两个可移动反射镜，它们在空间上彼此偏移以产生可以如上所述进行处理的相同的组合干涉图。
在图13B所示的示例中，代替包括两个固定反射镜1322a和1322b，利用单个固定反射镜1322以及薄膜FP平板1330。FP平板1330被示出为在第二光路(例如，对应于参考光路)内在分束器1320之前实现。FP平板1330的厚度为d0，因此产生彼此延迟等于2d0的量的参考光(例如，第二输入光束)的多个实例。这导致参考干涉图的两个实例(如图13B所示)，其关于间隔为2d0的参考光具有α和β的功率比，其主实例(丛发(burst))与样品干涉图对准。然后，处理器(未示出)可以从干涉图的右半部分提取参考功率谱密度(PSD)，并且利用参考PSD从干涉图的左半部分(包括样品干涉图和参考干涉图的β部分的总和)提取样品PSD。
图14是示出自参考光谱仪1400的另一示例的图。光谱仪1400包括光源1402、干涉仪1404和单个检测器1406。光源1402可以对应于例如图1所示的光源102。另外，干涉仪1404和检测器1406可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪1400还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
光谱仪1400还包括光学组件，该光学组件被设计为同时照射样品(例如，SUT)1410和参考(例如，漫反射表面)1412。在图14所示的示例中，光谱仪1400包括分束器1408，分束器1408被光耦合以将来自光源1402的原始源光束分裂成由第一反射表面1414朝向样品1410反射的第一源光束和由第二反射表面1416朝向参考1412反射的第二源光束。从样品1410和参考1412反射的光可以经由例如一个或多个波导和/或其他附加光学组件1418朝向干涉仪1404的相应输入被引导，如以上结合图11所述。
在图14所示的示例中，干涉仪1404是FP干涉仪，其包括可调谐FP滤光器1420和聚焦透镜1430。可调谐FP滤光器1420包括耦合到MEMS致动器1422的可移动平板1424、以及两个固定平板1426和1428，每个固定平板位于可移动平板1424的单独侧。第一固定平板1426位于可移动平板1424的第一侧，该第一侧最靠近干涉仪1404的朝向检测器1406的输出，而第二固定平板1428位于可移动平板1424的第二侧，该第二侧与第一侧相对并且最靠近干涉仪1404的输入。第一固定平板1426和第二固定平板1428各自具有大约为可移动平板1424的长度的一半的长度，并且被定位使得第一固定平板1426靠近与可移动平板1424的长度的第一一半相对应的可移动平板1424的第一部分，并且第二固定平板1428靠近与可移动平板1426的长度的第二一半(例如，长度的另一半)相对应的可移动平板1424的第二部分。
因此，第一固定平板1426被包括在第一光路(例如，样品臂)内，第一光路在被光耦合以从样品1410接收反射输入光束的干涉仪1404的第一输入与聚焦透镜1430之间，而第二固定平板1428被包括在第二光路(例如，参考臂)内，第二光路在被光耦合以从参考1412接收反射输入光束的干涉仪1404的第二输入与聚焦透镜1430之间。
MEMS致动器1422被配置为使FP可调谐滤光器1420的可移动平板1424位移以改变可移动平板1424与第一固定平板1426之间的样品间隙gs，使得样品间隙增加(例如，gs+Δ)。MEMS致动器1422还被配置为使可移动平板1424位移以改变可移动平板1424与第二固定平板1426之间的参考间隙gr，使得参考间隙减小(例如，gr-Δ)。可移动平板1424的位移导致两个不同的隔离光谱带经由聚焦透镜1430耦合到检测器1406，其中第一带λs对应于由检测器1406检测到的样品干涉信号，第二带λr对应于由检测器1406检测到的参考干涉信号。可以通过改变FP可调谐滤光器1420的间隙来扫描光谱范围。当两个间隙相等时，样品干涉信号和参考干涉信号可以重叠。然而，处理器(未示出)可以被配置为预测重叠频带，以便隔离每个信号(样品和参考)。
图15A是示出自参考光谱仪1500的另一示例的图。光谱仪1500包括光源1502a和1502b以及干涉仪1504。干涉仪1504可以包括耦合到单个检测器(未示出)的输出。光源1502a和1502b可以对应于例如图1所示的光源102。另外，干涉仪1504可以对应于图1所示的干涉仪104。光谱仪1500还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
光谱仪1500还可以包括壳体1512，该壳体1512容纳光源1502a和1502b并且包括窗口1506，可以在窗口1506上放置样品(例如，SUT)1510。壳体1512还包括形成进入干涉仪1504的输入孔或耦合孔的开口1514。在一些示例中，干涉仪可以包括Michelson干涉仪、MZ干涉仪或FP干涉仪。在一些示例中，干涉仪1504可以在MEMS芯片上实现，并且壳体1512可以被结合到MEMS芯片。
在图15A所示的示例中，光源1502a和1502b被光耦合以发射相应源光束以照射窗口1506上的样品1510。然后，来自样品1510的漫反射光可以被耦合作为经由开口1514到干涉仪1504的输入的第一输入光束，其可以被测量为样品信号(例如，第一干涉信号)。到干涉仪1504的第二输入光束可以包括从窗口1506反向反射的光，该光然后可以被输入到干涉仪1504并且被测量为背景参考信号(例如，第二干涉信号)。在该示例中，窗口1506在样品1510下方和周围延伸，并且耦合到壳体1512的相应侧面。为了能够同时测量样品1510和背景(例如，来自窗口1506的背反射光)，窗口1506可以包括抗反射涂覆1508，该抗反射涂覆1508被选择为完全反射光谱的期望范围并且将光谱的剩余范围传递到样品1510以从样品1510反射。
从窗口1506反射的波长范围可以用于估计整个背景信号，如图15B的曲线图所示。在图15B所示的示例中，光谱仪可以同时测量跨样品光谱的样品干涉信号和跨背景光谱的背景干涉信号。样品光谱的波长范围在1400到2500nm之间，而背景光谱的波长范围在1300nm到1400nm之间以及2500nm到2600nm之间。所测量的背景(BG)光谱(例如，在1300nm到1400nm之间以及在2500nm到2600nm之间)可以用于估计背景(BG)信号的剩余部分(例如，在1500nm到2500nm之间)。
在一些示例中，背景信号的剩余部分可以使用所测量的BG光谱和当将参考漫反射标准物放置在窗口1506上时获取的背景信号的校准读数来估计。校准读数周期性地更新以补偿光谱仪的任何变化。另外，来自温度传感器(未示出)的读数也可以用于补偿由于温度变化而引起的检测器响应的任何变化。在其他示例中，代替在窗口1506上提供抗反射涂覆1508，可以将来自窗口1506的背反射(例如，不存在SUT或参考漫反射标准)用作背景信号。但是，在该示例中，背景信号不是与样品信号同时测量的。
图16A和16B是示出自参考光谱仪1600的其他示例的图。光谱仪1600包括第一组发光器1602a和1602b、第二组发光器1602c和1602d以及干涉仪1604。干涉仪1604可以包括耦合到单个检测器(未示出)的输出。发光器1602a-1602d可以对应于例如图1所示的光源102。另外，干涉仪1604可以对应于图1所示的干涉仪104。光谱仪1600还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
光谱仪1600还可以包括壳体1616，该壳体1616容纳发光器1602a-1602d并且包括窗口1606，可以在窗口1606上放置样品(例如，SUT)1610。壳体1616还包括形成进入干涉仪1604的输入孔或耦合孔的开口1618。在一些示例中，干涉仪可以包括Michelson干涉仪、MZ干涉仪或FP干涉仪。在一些示例中，干涉仪1604可以在MEMS芯片上实现，并且壳体1616可以被结合到MEMS芯片。
在图16A所示的示例中，每组发光器(例如，第一组发光器1602a和1602b以及第二组发光器1602c和1602d)可以被光耦合以发射相应源光束以同时照射样品1610和窗口1606两者。然而，第二组发光器1602c和1602d可以定位在壳体1616的边缘附近，以与第一组发光器1602a和1602b相比，产生更多的从窗口1606朝向开口1618的背反射。因此，由源自每组发光器1602a/1602b和1602c/1602d的光产生的反射光谱可以是不同的。
为了提取样品光谱和背景光谱，发光器1602a-1602d可以耦合到开关1614，该开关1614被配置为交替地接通第一组发光器1602a和1602b以及第二组发光器1602c和1602d。例如，在第一时间(t1)，开关1614可以接通第一组发光器1602a和1602b并且断开第二组发光器1602c和1602d，以使得干涉仪1604能够测量第一组合干涉信号S1。然后，在第二时间(t2)，开关1614可以断开第一组发光器1602a和1602b并且接通第二组发光器1602c和1602d，以使得干涉仪能够测量第二组合干涉信号S2。组合干涉信号S1和S2可以表示为：
S1＝aSS+bSR (公式4)
S2＝cSS+dSR (公式5)
其中SS是样品干涉信号的贡献，SR是背景干涉信号的贡献，a、b、c和d是常数，表示将样品干涉信号添加到背景干涉信号的比率。结果，信号S1和S2可以被认为是源自不同的光源，因此处理器(未示出)可以利用盲源分离(BSS)算法来提取SS和SR。在一些示例中，开关1614还可以由处理器控制。
在一些示例中，窗口1606可以包括可选的阻挡材料1608，可选的阻挡材料1608沿窗口1606的顶表面延伸并且还围绕样品1610在窗口1606下方延伸。阻挡材料1608可以被设计为防止从第二组发光器1602c和1602d发出的光到达样品1610并且还防止从第一组发光器1602a和1602b发出的光到达围绕样品1610的窗口1606。在该示例中，S1＝SS并且S2＝SR。然而，在该示例中，样品干涉信号SS和背景干涉信号SR被分别(例如，分别在时间t1和t2)测量。
在图16B所示的示例中，代替使用由来自窗口1606的背反射产生的背景干涉信号来处理样品干涉信号，参考漫反射材料1612可以耦合在壳体1616的相应侧面与窗口1606之间。例如，参考漫反射材料1612可以包括在其中心的开口和围绕该开口以接纳窗口1606的凸缘(lip)。在一些示例中，窗口1606还可以结合到参考漫反射材料1612的凸缘以将窗口1606固定到位。在该示例中，可以从组合干涉信号S1和S2中提取参考干涉信号(而不是背景干涉信号)。如上所述，样品干涉信号和参考干涉信号可以使用例如BSS算法来提取。
在一些示例中，阻挡材料1608还可以沿参考漫反射材料1612的顶表面并且围绕窗口1606被包括，使得从第二组发光器1602c和1602d发射的光被参考漫反射材料1612反射并且耦合到干涉仪1604以产生背景干涉信号，而从第一组发光器1602a和1602b发射的光被样品1610反射并且耦合到干涉仪以产生样品干涉信号。因此，从第一组发光器1602a和1602b发射的光仅贡献SS，而从第二组发光器1602c和1602c发射的光仅贡献SR。然而，在该示例中，样品干涉信号SS和背景干涉信号SR是分别测量的(例如，分别在时间t1和t2处)。
图17是自参考光谱仪1700的另一示例的图。光谱仪1700包括两个光源1702a和1702b、干涉仪1704以及两个检测器1706a和1706b。光源1702a和1702b中的每个可以针对不同的光谱(波长)范围被优化。例如，光源1702a可以被配置为发射在第一光谱范围内(例如，在λ2到λ3之间)的第一输入光束1716，而第二光源1702b可以被配置为发射在第二光谱范围内(例如，在λ3到λ4之间)的第二输入光束1718。光源1702a和1702b可以例如对应于图1所示的光源102。另外，干涉仪1704以及检测器1706a和1706b可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪1700还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
干涉仪1704是Michelson干涉仪，其包括分束器1708、固定反射器1710(例如，固定反射镜)、可移动反射器1712(例如，可移动反射镜)、以及耦合到可移动反射器1712的MEMS致动器1714。固定反射镜1710和可移动反射器1712均为平面反射镜。在图17所示的示例中，第一输入光束1716和第二输入光束1718分别各自被输入到分束器17108，分束器17108被光耦合以将输入光束中的每个分裂成相应入射光束。例如，分束器1708可以将第一输入光束1716分成第一入射光束1720和第二入射光束1722，并且可以将第一入射光束1720朝向固定反射镜1710引导并且将第二入射光束1722朝向可移动反射镜1712引导。另外，分束器1708可以将第二输入光束1718分裂成第三入射光束1724和第四入射光束1726，并且将第三入射光束1724朝向固定反射镜1710引导并且将第四入射光束1726朝向可移动反射器1712引导。
固定反射镜1710被光耦合以朝向分束器1708分别反射回所接收的第一入射光束1720和第三入射光束1724分别作为第一反射光束1728和第三反射光束1732。可移动反射镜1712被光耦合以朝向分束器1708分别反射回所接收的第二入射光束1722和第四入射光束1726分别作为第二反射光束1730和第四反射光束1734。可移动反射镜1712耦合到MEMS致动器1714以在第一和第三反射光束与第二和第四反射光束之间产生期望的相应光程差(OPD)。
第一反射光束1728和第二反射光束1730分别在分束器1708处干涉以产生第一干涉光束1736，而第三反射光束1732和第四反射光束1734分别在分束器1708处干涉以产生第二干涉光束1738。分束器1708还被光耦合以朝向检测器1706a引导第一干涉光束1736以检测第一干涉信号，并且朝向检测器1706b引导第二干涉光束1738以检测第二干涉信号。处理器(未示出)然后可以在处理由检测器1706a检测到的干涉信号时将由检测器1706b检测到的干涉信号用作参考信号。例如，与由检测器1706b检测到的第二光谱范围相对应的干涉信号可以用于补偿或校准与由检测器1706a检测到的第一光谱范围相对应的干涉信号的任何误差。在该示例中，在被光耦合以接收第一输入光束1716的干涉仪1704的第一输入与朝向第一检测器1706a引导第一干涉光束1736的其第一输出之间形成第一光路，而在被光耦合以接收第二输入光束1718的干涉仪1704的第二输入与朝向第二检测器1706b引导第二干涉光束1738的其第二输出之间形成第二光路。在一些示例中，如图2所示，在干涉仪的相应输出处可以存在样品和参考，以产生不同光谱范围的样品干涉信号和参考干涉信号。
图18是示出自参考光谱仪1800的另一示例的图。如图17中，光谱仪1800包括两个光源1802a和1802b、干涉仪1804以及两个检测器1806a和1806b。光源1802a和1802b中的每个可以针对不同的光谱(波长)范围被优化。例如，光源1802a可以被配置为发射在第一光谱范围内(例如，在λ2到λ3之间)的第一输入光束，而第二光源1802b可以被配置为发射在第二光谱范围内(例如，在λ3到λ4之间)的第二输入光束。光源1802a和1802b可以例如对应于图1所示的光源102。另外，干涉仪1804以及检测器1806a和1806b可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪1800还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
干涉仪1804是Michelson干涉仪，其包括两个分束器1808a和1808b、两个固定反射器1810a和1810b(例如，固定反射镜)、两个可移动反射器1802a和18l2b(例如，可移动反射镜)、以及耦合到可移动反射器1812a和1812b的MEMS致动器1814。在一些示例中，每个分束器1808a和1808b针对由对应光源1802a和1802b产生的特定波长范围被优化。例如，分束器之一1808a可以是空气/硅分束器，而另一分束器1808b可以是中空波导分束器，从而使得波长范围可以扩展到UV/可见光谱中，其中硅内部的传播可能是有损的。分束器1808a和1808b中的每个可以与相同的MEMS致动器1814单片集成，如图18所示。
在图18所示的示例中，来自相应光源1802a和1802b的每个输入光束分别输入到相应分束器1808a和1808b，其被光耦合以将输入光束中的每个分裂成相应入射光束。例如，分束器1808a可以将来自第一光源1802a的第一输入光束分裂成第一入射光束和第二入射光束，并且可以朝向第一固定反射镜180a引导第一入射光束，并且朝向第一可移动反射镜1812a引导第二入射光束。另外，第二分束器1808b可以将来自第二光源1802b的第二输入光束分裂成第三入射光束和第四入射光束，并且朝向第二固定反射镜1810b引导第三入射光束，并且朝向第二可移动反射镜1812b引导第四入射光束。
第一固定反射镜1810a被光耦合以朝向第一分束器1808a反射回所接收的第一入射光束作为第一反射光束。第一可移动反射镜181a被光耦合以朝向第一分束器1810a反射回所接收的第二入射光束作为第二反射光束。另外，第二固定反射镜1810被光耦合以朝向第二分束器1808b反射回所接收的第三入射光束作为第三反射光束。第二可移动反射镜18l2b还被光耦合以朝向第二分束器1808b反射回所接收的第四入射光束作为第二反射光束。每个可移动反射镜1812a和1812b耦合到MEMS致动器1814以在第一和第三反射光束与第二和第四反射光束之间产生期望的相应光程差(OPD)。
第一反射光束和第二反射光束在第一分束器1808a处干涉以产生朝向第一检测器1806a的第一干涉光束，而第三反射光束和第四反射光束在第二分束器1808b处干涉以产生朝向第二检测器1806b的第二干涉光束。如上所述，处理器(未示出)然后可以在处理由检测器1806a检测到的干涉信号时将由检测器1806b检测到的干涉信号用作参考信号。在该示例中，在被光耦合以接收第一输入光束的干涉仪1804的第一输入与朝向第一检测器1806a引导第一干涉光束的其第一输出之间形成第一光路，而在被光耦合以接收第二输入光束的干涉仪1804的第二输入与朝向第二检测器1806b引导第二干涉光束的第二输出之间形成第二光路。在一些示例中，如图2所示，在干涉仪的相应输出处可以存在样品和参考，以产生不同光谱范围中的样品干涉信号和参考干涉信号。
图19是示出自参考光谱仪1900的另一示例的图。光谱仪1900包括光源1902、干涉仪1904以及两个检测器1906a和1906b。光源1902可以对应于例如图1所示的光源102。另外，干涉仪1904以及检测器1906a和1906b可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪1900还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
干涉仪1904是Michelson干涉仪，其包括分束器1908、固定反射器1910(例如，固定反射镜)、两个可移动反射器1912a和1912b、以及耦合到可移动反射器1912a和1192b的MEMS致动器1914。第一可移动反射器1912a是光程差(OPD)倍增角反射镜(multiplier cornermirror)，而第二可移动反射器1912b是平面反射镜。两个不同的可移动反射器1912a和1912b使得能够同时以两个不同的分辨率测量来自光源1902的输入光束的PSD。
例如，可以穿过可移动平面反射镜1912b形成第一光路，而可以穿过可移动OPD倍增角反射器形成第二光路。穿过平面可移动反射镜1912b的第二光路提供分辨率R0，而穿过OPD倍增角反射器1912a的第二光路提供分辨率R0/n，其中对于图19所示的OPD倍增角反射器1912a，n＝2。在一个示例中，如果穿过可移动OPD倍增反射器1912a的第一光路的信噪比(SNR)为S0，则穿过平面反射镜1910的第二光路的信噪比为2S0(例如，如果在检测器1906a处测量的干涉图被截断以产生R0的分辨率。
图20是示出自参考光谱仪2000的另一示例的图。光谱仪2000包括光源2002、干涉仪2004和单个检测器2006。光源2002可以例如对应于图1所示的光源102。另外，干涉仪2004和检测器2006可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪2000还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
干涉仪2004是Michelson干涉仪，其包括分束器2008、固定反射器2010(例如，固定反射镜)、两个可移动反射器2012a和2012b、以及耦合到可移动反射器2012a和2012b的MEMS致动器2014。第一可移动反射器2012a是光程差(OPD)倍增角反射镜，而第二可移动反射器2012b是平面反射镜。与图19所示的示例类似，两个不同的可移动反射器2012a和2012b使得能够以两个不同的分辨率测量来自光源2002的输入光束的PSD。然而，在图20所示的示例中，耦合到平面反射镜2018的MEMS开关2016可以用于在穿过可移动OPD倍增角反射镜1912a的第一光路与穿过可移动平面反射镜1912b的第二光路之间切换。例如，MEMS开关2016可以被耦合以使平面反射镜2018从第一位置2020和第二位置2022移位，在第一位置2020，第一光路耦合到检测器2006，在第二位置2022，第二光路耦合到检测器2006。
图21是示出自参考光谱仪2100的另一示例的图。光谱仪2100包括光源2102、干涉仪2104以及两个检测器2106a和2106b。光源2102可以例如对应于图1所示的光源102。另外，干涉仪2104以及检测器2106a和2106b可以分别对应于图1所示的干涉仪104和检测器106。另外，光谱仪2100还可以包括处理器和/或其他电路系统(为简单起见而未示出)。
干涉仪2104是Michelson干涉仪，其包括分束器2108、固定反射器2110(例如，固定反射镜)、可移动反射器2112(例如，可移动反射镜)、以及耦合到可移动反射器2112的MEMS致动器2114。固定反射镜2110和可移动反射镜2112均是平面反射镜。干涉仪2104还包括在干涉仪2104的输入处的抽头分束器(tap splitter)或耦合器2116，抽头分束器或耦合器2116被光耦合以从光源2102接收输入光束并且将输入光束的一部分重定向到第二检测器2106b以在进入干涉仪时对光源功率进行采样。抽头分束器或耦合器2116还可以将输入光束的剩余部分引导到干涉仪2104以用于将其输出耦合到第一检测器21010a。在第二检测器2106b处测量到的PSD可以用于补偿在第一检测器2106a处测量到的干涉信号中的源功率变化或源噪声。
在本公开中，词语“示例性”用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实现或方面都不必被解释为比本公开的其他方面优选或有利。同样，术语“方面”不要求本公开的所有方面都包括所讨论的特征、优点或操作模式。本文中使用的术语“耦合”是指两个物体之间的直接或间接耦合。例如，如果对象A物理接触(touch)对象B，而对象B接触对象C，则即使对象A和C彼此不直接物理接触，它们仍然可以被视为彼此耦合。例如，即使第一物体从不直接与第二物体物理接触，第一物体也可以耦合到第二物体。术语“电路”和“电路系统”被广泛地使用，并且旨在包括电气设备和导体的硬件实现，其在被连接和配置时使得能够实现本公开中描述的功能，而不受电子电路的类型以及信息和指令的软件实现的限制，这些信息和指令在由处理器执行时能够执行本公开中描述的功能。
图1-21所示的组件、步骤、特征和/或功能中的一个或多个可以重新布置和/或组合成单个组件、步骤、特征或功能，或者体现为几个组件、步骤或功能。在不脱离本文中公开的新颖特征的情况下，还可以添加附加的元素、组件、步骤和/或功能。图1-21所示的装置、设备和/或组件可以被配置为执行本文中描述的方法、特征或步骤中的一个或多个。本文中描述的新颖算法也可以有效地以软件实现和/或嵌入在硬件中。
应当理解，所公开的方法中的步骤的特定顺序或层次是示例性过程的图示。应当理解，基于设计偏好，可以重新布置方法中的步骤的特定顺序或层次。所附的方法权利要求以示例顺序呈现了各个步骤的要素，并且并不表示限于所呈现的特定顺序或层次，除非在其中具体叙述。
提供先前的描述以使得本领域的任何技术人员能够实践本文中描述的各个方面。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员将是很清楚的，并且本文中定义的一般原理可以应用于其他方面。因此，权利要求书不意图限于本文中示出的方面，而是应当被赋予与权利要求书的语言相一致的完整范围，其中以单数形式提及元素并非意图表示“一个且仅一个”，除非特别说明，否则表示“一个或多个”。除非另有特别说明，术语“一些”是指一个或多个。提及项目列表中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖：a；b；c；a和b；a和c；b和c；以及a、b和c。本领域普通技术人员已知或以后将知道的，贯穿本公开内容所描述的各个方面的元素的所有结构和功能等同物均通过引用明确地并入本文，并且意在由权利要求书涵盖。而且，无论在权利要求书中是否明确叙述了本文中公开的内容，都不打算将其公开给公众。任何权利要求要素不得根据美国法典第35条第112(f)的规定来解释，除非该要素使用短语“用于……的手段”明确表述，或者在方法权利要求的情况下，该要素使用短语“用于……的步骤”进行陈述。

Claims (14)

1.一种自参考光谱仪，包括：
干涉仪，包括输入、输出和至少一个光学组件，
其中所述输入被光耦合以接收输入光束，并且沿第一光路引导所述输入光束以产生第一干涉光束，并且沿第二光路引导所述输入光束以产生第二干涉光束，其中所述第一干涉光束和所述第二干涉光束在所述干涉仪的所述输出之前被产生，并且经由所述至少一个光学组件中的同一光学组件在所述输出处离开所述干涉仪；
隔离组件，被配置为在所述干涉仪中使所述第一干涉光束与所述第二干涉光束隔离；
检测器，被光耦合以同时检测从所述第一干涉光束产生的第一干涉信号和从所述第二干涉光束产生的第二干涉信号，其中所述第一干涉信号和所述第二干涉信号指示光穿过所述干涉仪外部的不同的相应介质的相应吸光度，其中所述光与所述第一干涉光束和所述第二干涉光束相关联；以及
处理器，被耦合到所述检测器，并且被配置为处理所述第一干涉信号和所述第二干涉信号，并且被配置为在处理所述第一干涉信号时将所述第二干涉信号用作参考信号。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述干涉仪还包括：
分束器，被光耦合以接收所述输入光束，并且将所述输入光束分裂成第一入射光束和第二入射光束；
固定反射器，被光耦合以接收所述第一入射光束，并且朝向所述分束器反射所述第一入射光束以产生第一反射光束；
可移动反射器，被光耦合以接收所述第二入射光束，并且朝向所述分束器反射所述第二入射光束以产生第二反射光束；以及
致动器，被耦合到所述可移动反射器以引起所述可移动反射器的位移，其中所述位移在所述第一反射光束与所述第二反射光束之间产生光路长度差。
3.根据权利要求2所述的光谱仪，其中：
所述分束器还被光耦合以从所述第一反射光束与所述第二反射光束之间的干涉产生所述第一干涉光束，并且沿所述第一光路引导所述第一干涉光束；
所述分束器还被光耦合以从所述第一反射光束与所述第二反射光束之间的干涉产生所述第二干涉光束，并且沿所述第二光路引导所述第二干涉光束；并且
所述检测器包括第一检测器和第二检测器，所述第一检测器被光耦合以检测所述第一干涉信号，所述第二检测器被光耦合以检测所述第二干涉信号。
4.根据权利要求3所述的光谱仪，其中：
所述固定反射器包括固定后向反射器；并且
所述可移动反射器包括可移动后向反射器。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述第一光路包括样品臂，并且所述第二光路包括参考臂，其中所述样品臂包括被测样品SUT。
6.根据权利要求5所述的光谱仪，其中所述处理器还被配置为基于所述第一干涉信号与所述第二干涉信号的比率来计算所述SUT的吸光度。
7.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括：
光源，被配置为向被测样品SUT和参考材料引导源光束；
其中所述SUT被光耦合以反射所述源光束以产生第一输入光束，并且所述参考材料被光耦合以反射所述源光束以产生第二输入光束，其中所述输入光束包括所述第一输入光束和所述第二输入光束；
其中所述干涉仪被光耦合以接收从所述SUT反射的所述第一输入光束和从所述参考材料反射的所述第二输入光束，并且从所述第一输入光束产生所述第一干涉光束，并且从所述第二输入光束产生所述第二干涉光束。
8.根据权利要求7所述的光谱仪，其中所述干涉仪包括Michelson干涉仪或Fabry-Perot干涉仪。
9.根据权利要求7所述的光谱仪，其中所述干涉仪还包括：
分束器，被光耦合以接收所述第一输入光束和所述第二输入光束，并且将所述第一输入光束分裂成第一入射光束和第二入射光束，并且将所述第二输入光束分裂成第三入射光束和第四入射光束；
固定反射器，被光耦合以接收所述第一入射光束和所述第三入射光束，朝向所述分束器反射所述第一入射光束以产生第一反射光束，并且朝向所述分束器反射所述第三入射光束以产生第三反射光束；以及
可移动反射器，被光耦合以接收所述第二入射光束和所述第四入射光束，朝向所述分束器反射所述第二入射光束以产生第二反射光束，并且朝向所述分束器反射所述第四入射光束以产生第四反射光束；
其中所述分束器还被光耦合以从所述第一反射光束与所述第二反射光束之间的干涉产生所述第一干涉光束，并且朝向所述检测器引导所述第一干涉光束；
其中所述分束器还被光耦合以从所述第三反射光束与所述第四反射光束之间的干涉产生所述第二干涉光束，并且朝向所述检测器引导所述第二干涉光束；
其中所述第一光路包括所述第一入射光束、所述第二入射光束、所述第一反射光束、所述第二反射光束和所述第一干涉光束；以及
其中所述第二光路包括所述第三入射光束、所述第四入射光束、所述第三反射光束、所述第四反射光束和所述第二干涉光束。
10.根据权利要求9所述的光谱仪，其中：
所述固定反射器包括第一固定反射器和第二固定反射器，所述第一固定反射器被光耦合以接收所述第一入射光束，所述第一固定反射器被光耦合以接收所述第三入射光束；并且
所述第一固定反射器关于所述分束器在空间上与所述第二固定反射器偏移一定距离，所述距离被配置为避免所述第一干涉信号与所述第二干涉信号之间的交叉耦合，以使得所述第一固定反射器和所述第二固定反射器形成所述隔离组件；
所述检测器包括被光耦合以检测组合干涉信号的单个检测器，所述组合干涉信号包括所述第一干涉信号和所述第二干涉信号；并且
从所述第一干涉信号获得的样品干涉图的样品干涉图丛发与从所述第二干涉信号获得的参考干涉图的参考干涉图丛发基于所述距离而在空间上分离。
11.根据权利要求9所述的光谱仪，其中所述干涉仪还包括：
薄膜Fabry-Perot平板，被光耦合以接收所述第二输入光束，并且将所述第二输入光束提供给所述分束器，其中所述隔离组件包括所述薄膜Fabry-Perot平板。
12.根据权利要求7所述的光谱仪，其中所述隔离组件包括第一平面反射镜、第二平面反射镜和反射元件，所述第一平面反射镜被光耦合以接收从所述SUT反射的所述第一输入光束，所述第二平面反射镜被光耦合以接收从所述参考材料反射的所述第二输入光束，所述反射元件被光耦合以将来自所述第一平面反射镜的所述第一输入光束反射到所述干涉仪并且将来自所述第二平面反射镜的所述第二输入光束反射到所述干涉仪。
13.根据权利要求12所述的光谱仪，其中所述隔离组件还包括分束器，所述分束器被光耦合以从宽带光源接收所述输入光束，并且将所述输入光束分裂成被引导朝向所述SUT的所述第一输入光束和被引导朝向所述参考材料的所述第二输入光束。
14.根据权利要求13所述的光谱仪，其中所述隔离组件还包括第一反射表面和第二反射表面，所述第一反射表面被光耦合以从所述分束器接收所述第一输入光束并且朝向所述SUT引导所述第一输入光束，所述第二反射表面被光耦合以从所述分束器接收所述第二输入光束并且朝向所述参考材料引导所述第二输入光束。
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