專利名稱：一種基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光機(jī)電一體化方向微位移控制技術(shù)領(lǐng)域和光譜分析領(lǐng)域，是一種在納米精度下可以實現(xiàn)激光相位鎖定控制的大行程光譜分析系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
納米技術(shù)是21世紀(jì)最有前途的新興學(xué)科之一，其發(fā)展勢頭十分迅猛。在目前的芯片生產(chǎn)技術(shù)中要求寫入點的直徑為1納米，點距為2納米；醫(yī)學(xué)手術(shù)上的超薄切片的切厚為100±5nm；目前在國內(nèi)外各種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的應(yīng)用范圍也從微米進(jìn)入的納米數(shù)量級，實現(xiàn)這些納米級的加工與測量都離不開超精密定位即納米定位技術(shù)。
新型的傅立葉光譜儀的原理同傳統(tǒng)光譜儀的不同，結(jié)構(gòu)也不同，傅立葉變換光譜儀沒有入射狹縫和出射狹縫，光源面積的大小對儀器分辨率的影響不像傳統(tǒng)光譜儀那么嚴(yán)重，因而它可以用較大面積的光源；而且，它每次檢測到的信號都包含整個頻段的信號，并不像傳統(tǒng)光譜儀那樣每次只能檢測到一個很小的頻率范圍的信息。因此，傅立葉變換光譜儀的信噪比比傳統(tǒng)光譜儀的高得多。
然而傅立葉光譜儀卻要求十分苛刻的測量條件，按照原本傅立葉光譜儀中麥克爾遜干涉儀的設(shè)計，一臂為定臂，一臂為動臂，動臂為壓電微位移器加高精度步進(jìn)電機(jī)的組合，這個組合的工作原理是在壓電微位移器伸長到接近滿偏時，停止測量同時檢偏鏡停止旋轉(zhuǎn)，電機(jī)補(bǔ)償微位移器的伸長，當(dāng)補(bǔ)償完成后，開始測量同時檢偏鏡繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，微位移器繼續(xù)伸長。這樣便存在多個問題1、檢偏鏡在停止和轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)換過程中，速度是存在變化的，它需要時間達(dá)到穩(wěn)定值。2、光源存在功率漂移，所以在停止測量到開始測量時測量值已經(jīng)發(fā)生了變化，測量曲線銜接不上。3、壓電微位移器加步進(jìn)電機(jī)的組合在轉(zhuǎn)換過程中存在極大的振動，有一定的可能會跳出一個條紋周期。4、壓電微位移器加步進(jìn)電機(jī)的組合，很難達(dá)到快速的掃描，即使在最高速的情況下，掃描1um也要10分鐘。
所以即使外界環(huán)境存在微小的干擾也會造成許多無規(guī)則的噪聲特別是振動噪聲，使傅立葉光譜儀測量的信號還是存在很高的噪音。在一般的實驗室條件下，即使在有油壓穩(wěn)定的光學(xué)平臺上，測量的干涉圖進(jìn)行傅立葉變換根本得不到相關(guān)的光譜圖，而是測到很多的振動信號，對測量的環(huán)境要求很高。目前只有國外的少數(shù)幾家公司能夠提供傅立葉變換光譜器，他們技術(shù)比較成熟，制造出分辨率＜0.005cm-1，但價格非常昂貴、維護(hù)費(fèi)用高、專業(yè)性強(qiáng)，很難在我國大規(guī)模使用。特別是光源部分，需要復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)和水冷裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供一種可以大行程連續(xù)掃描，并且快速、穩(wěn)定、高精度、高分辨率、高信噪比的傅立葉光譜儀。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)其發(fā)明目的。
本發(fā)明提供了一種基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，結(jié)構(gòu)上包括白光和激光光源；主要由麥克爾遜干涉儀構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)；用于探測微弱的光信號變化并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號的反饋模塊；用于將反饋模塊處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的控制模塊；用于根據(jù)控制模塊處理結(jié)果控制麥克爾遜兩臂的相位差調(diào)節(jié)的執(zhí)行模塊；和用于在相位差鎖定的情況下，探測反饋模塊和執(zhí)行模塊控制麥克爾遜干涉儀兩臂相位差均勻變化的測量模塊。本光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀的兩臂均為移動臂，通過微移動器控制微動臂移動用于穩(wěn)定相位，通過粗移動器控制粗動臂移動和檢偏鏡旋轉(zhuǎn)用于調(diào)整相位，所述微移動器和粗移動器由執(zhí)行模塊控制。
本發(fā)明是根據(jù)麥克爾遜干涉儀原理追蹤相位變化，也可以通過均勻改變偏振角度控制連續(xù)的相位變化，使得在相當(dāng)長的干涉范圍內(nèi)測出干涉強(qiáng)度隨相位差的變化；反饋控制模塊，用于探測微弱光信號并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號；并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過一定算法完成脈沖對相位差控制處理，再發(fā)控制信號給執(zhí)行模塊；執(zhí)行模塊，用于根據(jù)控制模塊處理結(jié)果，在納米的精度范圍，實現(xiàn)大行程調(diào)節(jié)麥克爾遜干涉儀的粗動臂長度。測量模塊，用于測量白光LED透過樣品后的干涉強(qiáng)度變化。
光學(xué)系統(tǒng)是通過兩路光路共用一種麥克爾遜干涉議。其中He-Ne激光光路通過干涉方法反映相位信息的麥克爾遜干涉儀，用于調(diào)整相位的1/4或1/2波片，用于相位高精度控制的由馬達(dá)驅(qū)動的檢偏鏡，用于放大、準(zhǔn)直的物鏡及光闌，最后由探頭探測到空間某固定點光強(qiáng)的大小。另外白光光路通過He-Ne光路相位鎖定控制均勻變化相位差的麥克爾遜，用于放大、準(zhǔn)直的物鏡及光闌，最后由光電倍增管測量空間某固定點的光強(qiáng)，也就是測量光強(qiáng)隨相位差變化的信息。其光學(xué)系統(tǒng)的工作原理是He-Ne激光經(jīng)過麥克爾遜干涉儀，加入的1/4或1/2波片用于調(diào)整相位，通過干涉條紋反映相位信息并反饋控制微移動器實現(xiàn)相位的鎖定，通過由粗移動器驅(qū)動的檢偏鏡進(jìn)行控制麥克爾遜干涉儀粗動臂的運(yùn)動狀態(tài)。白光光源同He-Ne激光共用一個麥克爾遜干涉儀，通過粗移動器驅(qū)動檢偏鏡均勻旋轉(zhuǎn)控制麥克爾遜干涉儀粗動臂均勻運(yùn)動，掃描出白光干涉圖，進(jìn)行傅立葉變換得到白光的譜圖。
本發(fā)明反饋模塊是一個能夠程控調(diào)節(jié)增益、零位和AD轉(zhuǎn)換分辨率的光信號探測模塊。它包括用于將實驗中的有用的光強(qiáng)度信號提取出來并進(jìn)行放大的光二極管放大部分，控制數(shù)字電位器，光電轉(zhuǎn)換增益信號，控制步進(jìn)電機(jī)帶動干涉臂均勻移動，以及控制壓電微位移器補(bǔ)償外界干擾及步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動不均勻照成的相位差的噪聲信號。
與現(xiàn)有系統(tǒng)相比有幾個性能得到改進(jìn)1、在整個控制過程中微移動器一直工作在中心值附近，不存在伸長滿偏和縮短為0的情況，可以采用伸長量大，且體積更小、更便宜的壓電微位移器來代替現(xiàn)有高成本的微移動器。2、粗移動器采用電機(jī)作，電機(jī)通過皮帶帶動的動臂振動非常小，使得控制效果得到改善，測量減少了主動的干擾源。3、通過粗動臂的連續(xù)移動可以實現(xiàn)連續(xù)的掃描。4、理論上行程可以達(dá)到無限大，實際上只是取決于麥克爾遜干涉儀粗動臂下軌道的長度。5、可以實現(xiàn)高速的掃描，只要檢偏鏡旋轉(zhuǎn)速度同粗動臂速度對應(yīng)的相位差變化速度相當(dāng)，系統(tǒng)都可以工作穩(wěn)定。所以可以采用同時加快檢偏鏡和步進(jìn)電機(jī)的速度的方式，掃描的速度極限取決于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。因此本發(fā)明對實驗或測量環(huán)境的要求并不是十分苛刻，可以在一般的環(huán)境中進(jìn)行實驗或測量，大大降低了實驗和測量的成本。
本發(fā)明的另一個該經(jīng)是采用白光LED作為白光光源。半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)是一種注入式電致發(fā)光器件。由于它具有使用壽命長、抗振動、發(fā)光效率高等諸多優(yōu)點而在全彩色顯示屏，照明光源的開拓等方面被廣泛應(yīng)用。同時，它也具有較好的相干特性，沒有傳統(tǒng)的硅碳棒、高壓水銀弧燈、鎢鹵燈等光源發(fā)熱量大、需要水冷，造價昂貴，使用壽命短等缺點，而且價格低，可以應(yīng)用在傅立葉光譜儀上。普通的白光LED由于加工原因發(fā)射出來的光分布不對稱，無法用透鏡聚焦成平行光。因此本發(fā)明中將LED表層的環(huán)氧樹脂磨平拋光，再用透鏡聚焦成準(zhǔn)平行光。
本發(fā)明的反饋模塊的詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)包括用于提取光強(qiáng)度信號并進(jìn)行放大的光二極管放大部分；用于處理控制模塊傳來的命令，控制數(shù)字電位器，以及將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字后回傳給控制模塊的控制及數(shù)據(jù)傳輸部分。反饋控制模塊用于探測微弱的光信號變化并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是一個能夠程控調(diào)節(jié)增益、調(diào)零位和AD轉(zhuǎn)換的光信號探測模塊，該模塊用的光電轉(zhuǎn)換探測精度到達(dá)1024(210)。模塊主要包括光二極管放大部分和控制及數(shù)據(jù)傳輸部分。光二極管放大部分將測量中的有用的光強(qiáng)度信號提取出來并進(jìn)行放大，將模擬量傳給單片機(jī)mega16。它包括光二極管同運(yùn)放U1組成的電流放大型放大電路，數(shù)字電位器X9C104和緩沖器T1064或OP07組成的數(shù)字調(diào)零電路，由數(shù)字電位器X9C503或X9C104和運(yùn)放U2組成的有反向放大功能的加法器，以及二階低通濾波器。
控制模塊將反饋模塊處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，一方面調(diào)節(jié)反饋模塊中數(shù)字電位器X9C104的大小，使模擬量處于最佳的處理范圍，另一方面將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，根據(jù)一定算法完成相位差控制處理，再控制高壓驅(qū)動壓電微位移器動作。其硬件主要就是單片機(jī)mega16，在mega16中實現(xiàn)PID控制算法。通過A/D電路檢測過程變量Y，并計算誤差e和控制變量u，通過D/A變換后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使過程變量Y穩(wěn)定在設(shè)定的點上，計算速度達(dá)到16MIPS。PC機(jī)同控制模塊之間的通訊是通過串行通訊來實現(xiàn)的，通訊的波特率達(dá)到115K，能夠滿足監(jiān)控的要求。
本發(fā)明采用電腦作為后臺數(shù)據(jù)處理。電腦能夠輕松地實現(xiàn)各種算法，具有界面友好、易于調(diào)試、數(shù)據(jù)可以存儲等優(yōu)點，同時還有大量的其他數(shù)據(jù)處理軟件可供使用。電腦的主要工作是作為數(shù)據(jù)處理，其接受的信號為反饋模塊接受提取的原始信號。所以在無需更換硬件的條件下，可以在電腦上增加軟件來實現(xiàn)多種分析功能，使得本發(fā)明具有更高的功能拓展性能。
為了能夠穩(wěn)定的進(jìn)行測量，必須使得微動臂的移動能夠迅速準(zhǔn)確的補(bǔ)償在測量過程中的震動干擾。所述執(zhí)行模塊由分立的三個部分構(gòu)成，分別控制麥克爾遜干涉儀的粗動臂均勻移動的步進(jìn)電機(jī)，補(bǔ)償麥克爾遜干涉儀相位噪聲變化的壓電微位移器，和帶動檢偏鏡旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)的運(yùn)作。執(zhí)行模塊用于根據(jù)控制模塊處理結(jié)果，控制麥克爾遜兩臂的相位差調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)包括兩部分一部分是微位移調(diào)節(jié)，通過控制麥克爾遜干涉儀的微動臂長度實現(xiàn)補(bǔ)償相位差變化控制，在相位鎖定控制的情況下，可以調(diào)節(jié)麥克爾遜微動臂的長度，保持相位差鎖定。采用納米精度位移通過德國PI公司生產(chǎn)的壓電微位移器實現(xiàn)高穩(wěn)定的動態(tài)調(diào)節(jié)。壓電微位移器在納米的精度范圍調(diào)整邁克爾遜干涉儀的微動臂的長度，并且響應(yīng)速度也能夠達(dá)到毫秒量級。壓電微位移器采用一個數(shù)控電源，電源結(jié)構(gòu)包括控制DA轉(zhuǎn)換器的微控制器mega16，DA轉(zhuǎn)換器，高電壓擴(kuò)展電路。第二部分是相位調(diào)節(jié)，通過改變檢偏器的角度來改變兩臂的相位。在相位鎖定情況下偏振鏡每旋轉(zhuǎn)一周相當(dāng)于麥克爾遜干涉儀兩臂改變一個波長的長度；旋轉(zhuǎn)過程中壓電微位移器同步進(jìn)馬達(dá)聯(lián)合進(jìn)行自動跟蹤補(bǔ)償使得調(diào)節(jié)分辨率達(dá)到波長的1/400，大大降低了控制算法的難度，提高了儀器的穩(wěn)定性。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的光路原理圖；圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3為白光LED光源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)模塊圖；圖5為反饋模塊的光信號探測電路的部分電路圖；圖6為反饋模塊的光信號探測電路的部分電路圖；圖7為反饋模塊的控制處理器部分的電路圖；圖8為執(zhí)行模塊的電路圖；圖9為白光LED的干涉圖；圖10為圖9傅立葉變化結(jié)果同其他光譜儀的比較；圖11用白光LED為光源測量一種帶通濾波器的結(jié)構(gòu)的干涉圖；圖12為圖11傅立葉變化結(jié)果同其他光譜儀的比較；圖13用白光LED為光源測量另一種帶通濾波器的結(jié)構(gòu)的干涉圖；圖14為圖13傅立葉變化結(jié)果同其他光譜儀的比較；具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明是在原有的大行程納米精度定位控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在光路上進(jìn)行創(chuàng)新，在電路上進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合傅立葉光譜儀的設(shè)計原理，自行設(shè)計的，帶有納米精度相位差鎖定控制的白光LED傅立葉光譜儀。
現(xiàn)有技術(shù)的納米精度定位控制系統(tǒng)如圖1所示，麥克爾遜干涉儀的一個臂T1固定，另一臂T2為壓電微位移器PZ加高精度步進(jìn)馬達(dá)的組合，這個組合的工作原理是在壓電微位移器伸長到接近滿偏時，停止測量同時檢偏鏡停止旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)補(bǔ)償微位移器的伸長，當(dāng)補(bǔ)償完成后，開始測量同時檢偏鏡繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，微位移器繼續(xù)伸長，這樣便存在背景技術(shù)中所述的多個問題。本發(fā)明在大行程納米精度定位系統(tǒng)的思想基礎(chǔ)上，利用它反饋控制鎖定相位的特性，應(yīng)用于光譜儀的穩(wěn)定裝置。
大行程納米精度定位控制系統(tǒng)的基本原理如圖2所示，結(jié)構(gòu)上包括白光光源3和激光光源4；主要由麥克爾遜干涉儀構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，白光光源3同激光光源4共用一組麥克爾遜干涉儀；用于探測微弱的光信號變化并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號的反饋模塊5；用于將反饋模塊5處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的控制模塊6；用于根據(jù)控制模塊6處理結(jié)果控制麥克爾遜兩臂的相位差調(diào)節(jié)的執(zhí)行模塊7；和用于在相位差鎖定的情況下，探測反饋模塊5和執(zhí)行模塊6控制的麥克爾遜干涉儀兩臂相位差均勻變化的測量模塊8；所述的光學(xué)系統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀的兩臂均為移動臂，通過微移動器1控制微動臂11移動用于穩(wěn)定相位，通過粗移動器控制粗動臂21移動和檢偏鏡22旋轉(zhuǎn)用于調(diào)整相位，所述微移動器1和粗移動器由執(zhí)行模塊控制。本發(fā)明采用壓電微位移器作為微移動器1，采用能夠在納米的精度范圍調(diào)整邁克爾遜干涉儀的一個臂的長度，并且響應(yīng)速度也要能夠達(dá)到毫秒量級的壓電微位移器。采用電機(jī)作為粗移動器，包括通過皮帶帶動粗動臂的步進(jìn)電機(jī)2和帶動檢偏鏡旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)2’。
當(dāng)入射光為豎直偏振的氦氖激光，按照該系統(tǒng)的理論可以得出 從上面的關(guān)系式可以看出，光二極管探測得到的光強(qiáng)I是由兩部分組成，第一部分是一個直流電壓，是由于半反半透鏡不夠理想，即E1＝E2直流部分不能完全消除，這點可以通過改進(jìn)電子電路的方法解決。強(qiáng)度I的第二部分是一同麥克爾遜干涉儀的有關(guān)的一余弦函數(shù)的平方。按照大行程納米精度定位控制系統(tǒng)的說明，麥克爾遜干涉儀的一臂為固定不動的定臂，另一臂為的動臂。當(dāng)系統(tǒng)通過PID反饋控制保持I值不變時，δ就等于2φ——兩臂間的光程差δ取決于檢偏鏡的取向角φ，所以如果此時φ均勻的轉(zhuǎn)動，則兩臂的相位差δ就會均勻的變化。
本發(fā)明將麥克爾遜干涉儀的兩臂都設(shè)計為動臂，其中微動臂11用壓電微位移器1控制，補(bǔ)償微小的相位差變化。粗動臂21為步進(jìn)電機(jī)2加皮帶帶動的，粗動臂21移動造成的相位差變化Δδ同檢偏鏡22旋轉(zhuǎn)速度造成的變化量Δφ相當(dāng)，檢偏鏡22由直流電機(jī)2’驅(qū)動。這樣，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比有幾個性能得到改進(jìn)1、在整個控制過程中壓電微位移器1一直工作在中心值附近，不存在伸長滿偏和縮短為0的情況，可以采用最大伸長量，更小、更便宜的壓電微位移器。2、電機(jī)2通過皮帶帶動的粗動臂21振動非常小，使得控制效果得到改善，測量減少了主動的干擾源。3、可以實現(xiàn)連續(xù)的掃描。4、理論上行程可以達(dá)到無限大，實際上只是取決于麥克爾遜干涉儀粗動臂21下軌道的長度。5、可以實現(xiàn)高速的掃描，只要檢偏鏡22旋轉(zhuǎn)速度同粗動臂21速度對應(yīng)的相位差變化速度相當(dāng)，系統(tǒng)都可以工作穩(wěn)定?？梢酝瑫r加快檢偏鏡和步進(jìn)電機(jī)的速度，掃描的速度極限取決于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
光學(xué)系統(tǒng)是通過兩路光路共用一種麥克爾遜干涉議。結(jié)合圖2，其中He-Ne激光光路通過干涉方法反映相位信息的麥克爾遜干涉儀，用于調(diào)整相位的1/4或1/2波片，用于相位高精度控制的由馬達(dá)2’驅(qū)動的檢偏鏡22，用于放大、準(zhǔn)直的物鏡及光闌，最后由探頭探測到空間某固定點光強(qiáng)的大小。另外白光光路通過He-Ne光路相位鎖定控制均勻變化相位差的麥克爾遜，用于放大、準(zhǔn)直的物鏡及光闌，最后由光電倍增管測量空間某固定點的光強(qiáng)，也就是測量光強(qiáng)隨相位差變化的信息。結(jié)合圖4所示，其光學(xué)系統(tǒng)的工作原理是He-Ne激光經(jīng)過麥克爾遜干涉儀，加入的1/4或1/2波片用于調(diào)整相位，通過干涉條紋反映相位信息并反饋控制微移動器1實現(xiàn)相位的鎖定，通過由粗移動器2’驅(qū)動的檢偏鏡22進(jìn)行控制麥克爾遜干涉儀粗動臂21的運(yùn)動狀態(tài)。白光光源同He-Ne激光共用一個麥克爾遜干涉儀，通過粗移動器2’驅(qū)動檢偏鏡22均勻旋轉(zhuǎn)控制麥克爾遜干涉儀粗動臂均勻運(yùn)動，掃描出白光干涉圖，進(jìn)行傅立葉變換得到白光的譜圖。
本發(fā)明的另一改進(jìn)點是采用白光LED作為白光光源，目前這種的商品化的白光LED主要是日亞化學(xué)(Nichia)以460nm波長的InGaN藍(lán)光晶粒涂上一層YAG熒光物質(zhì)，利用藍(lán)光LED照射此一熒光物質(zhì)以產(chǎn)生與藍(lán)光互補(bǔ)的555nm波長黃光，再利用透鏡原理將互補(bǔ)的黃光、藍(lán)光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。LED通常在晶體內(nèi)的尺寸約為250um×250um，所以LED光源可以看作是發(fā)散準(zhǔn)點光源，為了得到實驗所用的平行光，必須用透鏡聚焦，常見LED的環(huán)氧樹脂聚封裝采用折射式聚光形式以提高聚光效率和發(fā)光強(qiáng)度，但由于加工原因，發(fā)射出來的光分布不對稱，無法用透鏡聚焦成平行光。因此實驗中將LED表層的環(huán)氧樹脂磨平拋光，再用透鏡聚焦成準(zhǔn)平行光，如圖3所示。
本發(fā)明的探測器使用S1320型光電倍增管；延時器采用WSM-200邁克爾遜干涉儀，測量時使用自行設(shè)計的步進(jìn)馬達(dá)控制程序控制延時器的移動，它和壓電微位移器移動的速度差(產(chǎn)生相位差)取決于檢偏鏡的旋轉(zhuǎn)速度，在此期間，光電倍增管探測，其采樣的時間間隔為0.0359fs，對應(yīng)精度為10.7nm。
本發(fā)明的反饋模塊中光二極管的放大部分包括光二極管同運(yùn)放U1組成的電流放大型放大電路，數(shù)字電位器X9C104和或OP07組成的數(shù)字調(diào)零電路，如圖5所示。由數(shù)字電位器X9C503或X9C104和運(yùn)放U2組成的有反向放大功能的加法器，以及二階低通濾波器，如圖6所示。反饋模塊中控制及數(shù)據(jù)傳輸部分由單片機(jī)mega16和usb接口模塊構(gòu)成，由mega16自帶的AD轉(zhuǎn)換器完成AD轉(zhuǎn)換，如圖7所示?？刂颇K采用PID算法穩(wěn)定相位，PID控制算法的數(shù)字實現(xiàn)部分是主要mega16單片微機(jī)系統(tǒng)通過A/D電路檢測過程變量Y，并計算誤差e和控制變量u，通過D/A變換后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使過程變量Y穩(wěn)定在設(shè)定的點上。本發(fā)明所述執(zhí)行模塊由分立的三個部分構(gòu)成，分別控制麥克爾遜干涉儀的粗動臂均勻移動的步進(jìn)電機(jī)，補(bǔ)償麥克爾遜干涉儀相位噪聲變化的壓電微位移器，和帶動檢偏鏡旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)的運(yùn)作，如圖8所示。壓電微位移器采用一個數(shù)控電源，電源結(jié)構(gòu)包括DA轉(zhuǎn)換器和一個高壓運(yùn)算放大器，高電壓擴(kuò)展電路。
圖9至14為采用本發(fā)明的對白光LED和兩種帶通濾波器測量結(jié)果與現(xiàn)有高精度測量儀器的測量結(jié)果的比較，可以從圖中看出，本發(fā)明的測量結(jié)果與現(xiàn)有高精度儀器的測量結(jié)果十分接近，而本發(fā)明的制造成本更低。
權(quán)利要求
1.一種基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，其特征是包括白光光源(3)和激光光源(4)；主要由麥克爾遜干涉儀構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，白光光源同激光光源共用一組麥克爾遜干涉儀；用于探測微弱的光信號變化并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號的反饋模塊(5)；用于將反饋模塊處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的控制模塊(6)；用于根據(jù)控制模塊處理結(jié)果控制麥克爾遜兩臂的相位差調(diào)節(jié)的執(zhí)行模塊(7)；和用于在相位差鎖定的情況下，探測反饋模塊和執(zhí)行模塊控制的麥克爾遜干涉儀兩臂相位差均勻變化的測量模塊(8)；所述的光學(xué)系統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀的兩臂均為移動臂，通過微移動器(1)控制微動臂(11)移動用于穩(wěn)定相位，通過粗移動器控制粗動臂(21)移動和檢偏鏡(22)旋轉(zhuǎn)用于調(diào)整相位，所述微移動器和粗移動器由執(zhí)行模塊控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，其特征是采用白光LED作為白光光源，LED表層的環(huán)氧樹脂磨平拋光，通過透鏡聚焦成準(zhǔn)平行光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，其特征是采用壓電微位移器作為微移動器，采用能夠在納米的精度范圍調(diào)整邁克爾遜干涉儀的一個臂的長度，并且響應(yīng)速度也要能夠達(dá)到毫秒量級的壓電微位移器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，其特征是采用電機(jī)作為粗移動器，包括通過皮帶帶動粗動臂的步進(jìn)電機(jī)(2)和帶動檢偏鏡旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)(2’)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，其特征是所述的反饋模塊包括用于提取光強(qiáng)度信號并進(jìn)行放大的光二極管放大部分；用于處理控制模塊傳來的命令，控制數(shù)字電位器，以及將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字后回傳給控制模塊的控制及數(shù)據(jù)傳輸部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，其特征是反饋模塊中光二極管的放大部分包括光二極管同運(yùn)放U1組成的電流放大型放大電路，數(shù)字電位器X9C104和緩沖器T1064或OP07組成的數(shù)字調(diào)零電路，由數(shù)字電位器X9C503或X9C104和運(yùn)放U2組成的有反向放大功能的加法器，以及二階低通濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，其特征是所述反饋模塊中控制及數(shù)據(jù)傳輸部分由單片機(jī)mega16和usb接口模塊構(gòu)成，由mega16自帶的AD轉(zhuǎn)換器完成AD轉(zhuǎn)換。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，其特征是所述執(zhí)行模塊由分立的三個部分構(gòu)成，分別控制麥克爾遜干涉儀的粗動臂均勻移動的步進(jìn)電機(jī)，補(bǔ)償麥克爾遜干涉儀相位噪聲變化的壓電微位移器，和帶動檢偏鏡旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)的運(yùn)作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，其特征是控制模塊采用PID算法穩(wěn)定相位，PID控制算法的數(shù)字實現(xiàn)部分是主要mega16單片微機(jī)系統(tǒng)通過A/D電路檢測過程變量Y，并計算誤差e和控制變量u，通過D/A變換后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使過程變量Y穩(wěn)定在設(shè)定的點上。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于動態(tài)穩(wěn)定掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀，其特征是壓電微位移器采用一個數(shù)控電源，電源結(jié)構(gòu)包括DA轉(zhuǎn)換器和一個高壓運(yùn)算放大器，高電壓擴(kuò)展電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及光機(jī)電一體化方向微位移控制技術(shù)領(lǐng)域和光譜分析領(lǐng)域，目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供一種可以大行程連續(xù)掃描，并且快速、穩(wěn)定、高精度、高分辨率、高信噪比的傅立葉光譜儀。結(jié)構(gòu)上包括白光和激光光源；主要由麥克爾遜干涉儀構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)；用于探測微弱的光信號變化并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號的反饋模塊；用于將反饋模塊處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的控制模塊；用于根據(jù)控制模塊處理結(jié)果控制麥克爾遜兩臂的相位差調(diào)節(jié)的執(zhí)行模塊；和用于在相位差鎖定的情況下，探測反饋模塊和執(zhí)行模塊控制麥克爾遜干涉儀兩臂相位差均勻變化的測量模塊。
文檔編號G01J3/45GK1837784SQ20061003496
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月13日
發(fā)明者周建英, 王自鑫, 謝向生, 易閩軍 申請人:中山大學(xué)