СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ДРЕЙФА ЧАСТОТЫ В ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ
METHOD TO COMPENSATE FREQUENCY DRIFT IN INTERFEROMETER

[0001] Изобретение относится к способу компенсации дрейфа частоты опорного источника в интерферометре, используемом для генерирования спектральных данных из неизвестных образцов, и к спектрометрическому прибору на основе интерферометра с преобразованием Фурье, действующему согласно этому способу.
[0002] Методики интерферометрической спектроскопии широко применяются при определении химических и композиционных свойств неизвестных образцов. Спектрометрические приборы, которые действуют в соответствии с этими методиками, обычно выполняют их путем генерирования интерференционной картины и обнаружения эффектов на этой картине для представляющего интерес неизвестного образца, помещенного на пути интерферирующих мощных пучков (или иногда на пути мощного пучка перед генерированием интерференционной картины). Полученные таким образом интерференционные данные, так называемая «интерферограмма», наблюдаемая во временной или позиционной области, затем подвергается численному преобразованию в арифметическом блоке, связанном со спектрометрическим прибором, в информацию в частотной области, или в области длин волн, с использованием преобразования Фурье. Поэтому такие спектрометрические приборы часто именуются интерферометрами с преобразованием Фурье (FT). Различия в химических и/или композиционных свойствах неизвестных образцов могут затем подвергаться корреляции с зависящими от длины волны изменениями интенсивности собранных данных. Как правило, это выполняется путем применения к этим данным подходящей эталонной модели в связанном арифметическом блоке.
[0003] Одним из наиболее общих типов FT-интерферометров является интерферометр Майкельсона. Он действует для генерирования требуемой интерференционной картины путем разделения падающей энергии от пробного источника энергии на два луча с более или менее равной интенсивностью с использованием светоделителя; отражения каждого из этих лучей от связанных зеркал так, чтобы они рекомбинировали на светоделителе; перемещения одного или обоих зеркал с тем, чтобы создать переменную разность хода между падающими лучами; и наблюдения на детекторе интерференционной картины (интерферограммы) в связи с изменениями разности хода. Путем выполнения измерения сигнала во многих и, предпочтительно, равноотстоящих положениях подвижного зеркала (зеркал) можно затем реконструировать спектральную информацию исходя из собранной таким образом интерферограммы путем применения методик FT в арифметическом блоке, связанном со спектрометром.
[0004] Как хорошо известно, для интерферометров майкельсоновского типа интенсивность интерферограммы при определенной разности длин путей между двумя лучами, т.н. запаздывание, можно выразить как сумму косинусоидных функций запаздывания. Каждый спектральный элемент (или частота) пробного луча вносит вклад в каждую точку интерферограммы, где вклад (или взвешивание) каждого элемента является уникальным для каждой точки (при условии односторонней интерферограммы). Запаздывание является нулевым, когда расстояния между светоделителем и каждым из зеркал равны. Это образует т.н. центральный всплеск интерферограммы.
[0005] С целью ослабления вычислительной нагрузки, в современных спектрометрах, использующих FT-интерферометры майкельсоновского типа, обычно используются хорошо известная методика быстрого преобразования Фурье (FFT). Критическим для применения методик FFT является точное знание запаздывания в любой момент времени. Поэтому в таких FT-интерферометрах майкельсоновского типа перемещение зеркала (или зеркал) точно отслеживается. Чаще всего, это осуществляется с использованием опорного источника энергии, который испускает в основном монохроматическое излучение с известной длиной волны. Как правило, это - лазерный источник, который сконфигурирован для испускания энергии с известной длиной волны по пути через интерферометр, который, по существу, аналогичен пути, преодолеваемому энергией из пробного источника энергии. Результирующая в основном одночастотная колебательная интерференционная картина, которая обнаруживается детектором, зависит от относительного положения зеркала (зеркал) и от длины волны лазерного излучения. Так как длина волны лазера, по меньшей мере в теории, является точно известной, то положение движущегося зеркала можно точно определять или отслеживать. Таким образом, указанный колебательный сигнал на детекторе используется для контроля или регистрации сбора интерференционных данных при точно известных и равноотстоящих значениях запаздывания. Это может достигаться, например, путем запуска сбора данных при прохождении амплитуды через нуль или при других периодически возникающих особенностях лазерной интерферограммы.
[0006] Как можно принять во внимание, изменение длины волны лазерного излучения между сбором интерференционных данных в различные моменты для одного и того же прибора или между разными приборами будет запускать сбор данных равноотстоящим образом, но на немного отличающихся расстояниях. Это будет вызывать сдвиг по фазе на интерферограммах, собранных в эти различные моменты. Это будет проявляться как разность в шкале частот или длин волн собранных данных, подвергнутых преобразованию Фурье, и, в конечном счете, как разность в химических и/или композиционных свойствах неизвестных образцов, которые подлежат корреляции с зависящими от частоты или длины волны изменениями интенсивности собранных данных в связанном арифметическом блоке.
[0007] С целью преодоления этой трудности и коррекции указанных разностей фаз, вызванных дрейфом опорного источника, хорошо известна периодическая стандартизация спектрометров на основе FT-интерферометра в ходе срока их эксплуатации. Как правило, в ходе акта стандартизации, как, например, раскрытый в патенте США №5933792, измерение выполняют интерферометром на стандартном образце и интерферограмму или спектральные данные, подвергнутые преобразованию Фурье, сравнивают в арифметическом блоке спектрометрического прибора с требуемой интерферограммой или преобразованными спектральными данными для этого стандартного образца. Указанный арифметический блок затем действует для генерирования параметров, основанных на сравнении, которые описывают переход измерений для стандартного образца к таковым для требуемых измерений и которые при применении к измерениям на неизвестном образце будут преобразовывать эти измерения для генерирования стандартизованных измерений, скорректированных по дрейфу частоты.
[0008] Информация, полученная этими средствами для образца с использованием одного прибора, будет идентична информации, полученной для того же образца любым другим прибором того же типа. Более того, предполагается, что такая стандартизация будет корректировать вышеописанные изменения во времени в одном и том же приборе.
[0009] К сожалению, изменения, или дрейф, в длине волны энергии опорного, как правило, опорного лазерного, источника в одном и том же приборе часто возникают намного чаще, чем составляет промежуток между актами стандартизации для данного прибора, поэтому вышеописанные акты стандартизации лишь частично решают проблему.
[0010] Это особенно верно, когда в качестве опорных используются твердотельные источники излучения. Эти источники часто более восприимчивы к изменениям окружающей среды, чем гелий-неоновый лазер, который традиционно использовался в качестве опорного. В качестве специфической проблемы для указанных твердотельных источников видится частый температурный дрейф, и для борьбы с ним в современные FT-интерферометры майкельсоновского типа нередко включают относительно дорогие блоки стабилизации температуры.
[0011] Целью настоящего изобретения является борьба с дрейфом частоты в FT-интерферометрах без необходимости в точной стабилизации температуры опорного источника.
[0012] Согласно настоящему изобретению, предусматривается способ компенсации дрейфа частоты в спектрометрическом приборе на основе FT-интерферометра, где способ включает этапы: (а) получения в арифметический блок спектроскопического прибора данных, представляющих опорную интерферограмму, собранных в ответ на запускающий сигнал, который был сгенерирован в зависимости от частоты излучения опорного источника энергии, с целью отражения положения движущегося оптического элемента указанного интерферометра; и (b) затем получения в арифметический блок данных, представляющих целевую интерферограмму, записанную FT-интерферометром; который отличается тем, что указанный способ также включает этапы: (с) сравнения в арифметическом блоке данных, представляющих опорную интерферограмму, и данных, представляющих целевую интерферограмму, для определения сдвига по фазе между указанными интерферограммами по меньшей мере в одной области вдали от центрального всплеска; (d) генерирования в арифметическом блоке математического преобразования, зависящего от определенного сдвига или сдвигов; и (е) применения указанного математического преобразования для управления действием спектрометра с целью генерирования данных, представляющих интерферограмму неизвестного образца со стабилизированной частотой, зарегистрированную FT-интерферометром.
[0013] Указанное преобразование может генерироваться для максимального увеличения фазовой корреляции между данными опорной и целевой интерферограмм в представляющей интерес области интерферограммы.
[0014] Указанное преобразование может применяться в арифметическом блоке для математической коррекции интерферограммы, регистрируемой для неизвестного образца.
[0015] Для удобства каждая интерферограмма может вначале подвергаться фазовой коррекции для обеспечения того, чтобы на ней был нулевой сдвиг по фазе каждой вносящей вклад частотной составляющей для каждой из двух интерферограмм в центральном всплеске. Например, это можно выполнить в арифметическом блоке для каждой из двух интерферограмм, подвергнутых преобразованию Фурье, путем определения связанного с ними энергетического спектра (являющегося длиной комплексного спектра после применения FFT к интерферограмме), а затем выполнения обратного преобразования Фурье для генерирования интерферограммы с фазовой компенсацией для каждой из двух оригинальных измеренных интерферограмм. Таким образом, вновь генерируемые интерферограммы являются таковыми, что все вносящие вклад частоты буду иметь нулевой сдвиг в центральном всплеске. Это дает то преимущество, что любая разность фаз вдали от центрального всплеска будет максимально увеличиваться для данного дрейфа опорного лазера по частоте и что указанные две интерферограммы могут надежно выравниваться по фазе в центральном всплеске.
[0016] Поскольку дрейф частоты фактически будет вызывать «растягивание» интерферограммы, указанное преобразование предпочтительно также делается зависящим от расстояния на интерферограмме от центрального всплеска, такого как доля или процентная доля положения движущегося оптического элемента, где величину доли или процентной доли вычисляют исходя из определяемого сдвига или сдвигов, например вычисляют как относительный сдвиг или сдвиги.
[0017] Эти и другие преимущества станут очевидными из рассмотрения нижеследующих иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, описываемых со ссылкой на графические материалы сопроводительных чертежей, на которых: Фиг. 1 схематически показывает действие спектрометра на основе FT-интерферометра майкельсоновского типа; Фиг. 2 - стилизованная иллюстрация типичной интерферограммы, полученной с использованием спектрометра по Фиг. 1; и Фиг. 3 - стилизованная иллюстрация типичных интерферограмм, полученных в разные моменты времени для одного и того же образца, которые используются при вычислении компенсации, подлежащей применению в соответствии со способом настоящего изобретения.
[0018] Базовая конструкция и действие спектрометра, включающего FT-интерферометр майкельсоновского типа, обсуждается со ссылкой на Фиг. 1. Лишь в качестве примера спектрометр 2 включает FT-интерферометр 4 майкельсоновского типа и связанный арифметический блок 6, который в данном случае сформирован заодно со спектрометром 2, функционально подключенный для приема вывода из интерферометра 4. Следует принять во внимание, что в альтернативном варианте арифметический блок 6 может предусматриваться как отдельный, но подключенный блок, расположенный локально либо подключенный для приема вывода из интерферометра 4 через сеть (Интернет, LAN, WAN и т.д.), или, на самом деле, часть функциональных возможностей арифметического блока 6 может быть выполнена заодно, локально или на удалении без отступления от изобретения согласно формуле изобретения.
[0019] FT-интерферометр 4 майкельсоновского типа, как правило, включает неподвижное зеркало 8, подвижное зеркало 10 и светоделитель 12 (как правило, также совмещенный со связанной компенсирующей прокладкой, которая для ясности не проиллюстрирована). Источник 14 излучения, выбранный для испускания излучения в пределах области длин волн между ультрафиолетовой и инфракрасной областью электромагнитного спектра, предусмотрен для впуска излучения в интерферометр 4 через коллиматор 16, и интерферирующее излучение направляется через кювету 18 с образцом в направлении связанного детектора 20. В других вариантах осуществления изобретения, кювета 18 с образцом в употреблении может располагаться на пути коллимированного излучения из источника 14 в положении перед светоделителем 12, но предпочтительно в таком положении, чтобы через него также проходило излучение из опорного источника энергии, в данном случае опорного твердотельного лазера 22.
[0020] Так как подвижное зеркало 10 перемещается возвратно-поступательно, излучение, рекомбинирующее на светоделителе 12 после отражения от зеркал 8 и 10, будет генерировать интерференционную картину, которая обнаруживается в детекторе 20, образуя интерферограмму, регистрируемую в арифметическом блоке 6. Для каждой элементарной длины волны излучения, входящего в интерферометр 4, компоненты луча, генерируемые светоделителем 12, будут полностью совпадать по фазе (максимум на интерференционной картине) на светоделителе 12, когда разность длин путей (запаздывание) между каждым зеркалом 8, 10 будет равна целому числу n длин волн, и будут полностью не совпадать по фазе (минимум на интерференционной картине), когда разность длин путей между каждым зеркалом 8, 10 будет равна n+1/2 длин волн. Между двумя этими экстремумами сигнал зависит от косинуса указанного запаздывания.
[0021] Интерферограмма, сохраняемая в памяти компьютера, представляет интенсивность интерференционной картины в дискретных точках или положениях подвижного зеркала 10. Типичная интерферограмма 32, которую можно зарегистрировать для молока, представлена лишь для иллюстрации на Фиг. 2 и, как видно, включает максимальную амплитуду в центральном всплеске 34 и участок 36 амплитуды колебаний, имеющий огибающую амплитуды, которая уменьшается по мере увеличения запаздывания. Фактический частотный состав интерферограммы зависит от длин волн излучения от источника 14, которые достигают детектора 20, и, таким образом, зависит от свойств пропускания какого-либо материала, который помещают на траектории луча от источника 14 к детектору 20.
[0022] Предпочтительно, при реализации анализа зарегистрированной интерферограммы посредством т.н. быстрого преобразования Фурье (FFT) данные собираются в равноотстоящих точках на позиционной оси движущегося зеркала 10 так, чтобы, когда в арифметическом блоке 6 применяется алгоритм FFT, результирующие спектральные данные были представлены точками, равноотстоящими по частоте.
[0023] Для получения равноотстоящих измерений интерференционной картины обычно используется интерференционная картина, генерируемая с использованием опорного источника, в данном случае твердотельного лазера 22. Как правило, излучение от лазера 22 направляют в интерферометр 4, например, через дихроичное зеркало 26 так, чтобы оно следовало в целом по тому же пути через интерферометр 4 и кювету 18 с образцом, что и излучение от источника 14, и обнаруживалось соответствующим детектором 28. В настоящем варианте осуществления изобретения вывод из детектора 28 проводится в детектор 30 перехода через нуль, который является сконфигурированным для создания запускающих сигналов по мере того, как, как описано выше, колебания косинуса в обнаруженной интенсивности проходят через нуль или другой пороговый уровень. Указанный запускающий сигнал затем используют для запуска регистрации точки данных в арифметическом блоке 6, или он может регистрироваться как индекс запаздывания в одном из положений на интерферограмме.
[0024] В одном из вариантов осуществления изобретения при использовании спектрометр 2 согласно настоящему изобретению действует как описано ниже и со ссылкой также на Фиг. 3. Данные, представляющие опорную интерферограмму 40, получают в спектрометр 2 и делают доступными для арифметического блока 6. Это может быть «эталонная» интерферограмма, которая была собрана на приборе того же типа, что и фактический спектрометр 2, или могла быть зарегистрирована спектрометром 2. Данные, представляющие целевую интерферограмму 42, затем последовательно регистрируются интерферометром 4 и делаются доступными для арифметического блока 6.
[0025] Образец в кювете 18 для образца, который используют для генерирования целевого спектра, должен быть тем же самым или по существу аналогичным образцу, который использовали для генерирования опорной интерферограммы, чтобы он сам по себе вызывал несущественные фазовые изменения на регистрируемой интерферограмме. В одном из вариантов осуществления изобретения материал образца, используемый для генерирования опорных и целевых данных при проведении измерений на молоке, может представлять собой т.н. нулевую жидкость, как правило, воду. Использование нулевой жидкости хорошо известно в области FT-спектрометрии с целью установления фонового или «нулевого» уровня, относительно которого измеряют интенсивности пропускания для спектров неизвестных материалов. Интерферограммы нулевой жидкости часто регистрируют, нередко между регистрациями интерферограмм последовательных неизвестных образцов. Поэтому интерферограммы нулевой жидкости преимущественно могут использоваться в способе и спектрометре согласно настоящему изобретению, поскольку нет необходимости в прерывании нормальной работы спектрометра для ввода образцов специально с целью использования в способе согласно настоящему изобретению. В других вариантах осуществления изобретения при генерировании данных опорной и целевой интерферограмм могут использоваться неизвестные образцы одного и того же базового типа, например образцы молока. Это основано на понимании того, что небольшие изменения состава в материале образца, для наблюдения которого, как правило, используют спектрометры на основе FT-интерферометра, оказывают лишь едва уловимое влияние на регистрируемые интерферограммы, которое обычно не будет вносить значительные фазовые изменения. На самом деле, поскольку эти изменения состава приводят лишь к едва уловимым эффектам, в качестве опорной 40 и целевой 42 интерферограмм часто могут использоваться интерферограммы нулевой жидкости и неизвестного образца.
[0026] Кода данные, представляющие в настоящем варианте осуществления изобретения опорную 40 и целевую 42 интерферограммы и, лишь в качестве примера, являющиеся интерферограммами, полученными в разные моменты регистрации интерферограмм нулевой жидкости, становятся доступными для арифметического блока 6, указанный арифметический блок сконфигурирован для применения фазовой коррекции к каждой из интерферограмм, опорной 40 и целевой 42, для того, чтобы обеспечить то, что для каждой из интерферограмм 40, 42 все вносящие вклад частоты будут совпадать по фазе в центральном всплеске. В одном из вариантов осуществления изобретения, арифметический блок 6 приспособлен для определения энергетического спектра (длины комплексного спектра после FFT). Это устранит какую-либо разность фаз между частотными составляющими, вносящими вклад в каждую из зарегистрированных интерферограмм 40, 42. Затем блок 6 применяет к полученному таким образом энергетическому спектру обратное FFT, получая симметричные опорную 40 и целевую 42 интерферограммы «с фазовой коррекцией», где каждая интерферограмма имеет в центральном всплеске нулевой сдвиг по фазе каждой из вносящих вклад частот.
[0027] В качестве примера, арифметический блок 6 может быть сконфигурирован для сохранения элемента данных, представляющего интенсивность центрального всплеска для каждой интерферограммы 40, 42 в ячейке ассоциативной памяти с индексом n=0 и для сохранения каждого последующего элемента данных в последовательно индексированных ячейках ассоциативной памяти. Таким образом, индекс n ячейки ассоциативной памяти будет обладать соответствием положению движущегося зеркала (или запаздыванию).
[0028] Затем блок 6 действует для обнаружения сдвига по фазе между интерферограммами 40, 42 с фазовой коррекцией в окне шириной W, расположенном пространственно (или по времени) на удалении от положения центрального всплеска 44, где центральный всплеск одинаков для каждой интерферограммы 40, 42. Разумеется, специалисту в данной области будет понятно, что указанный сдвиг фактически представляет собой растягивание интерферограммы, однако при определении в относительно небольшом окне он может описываться как линейный сдвиг. Полезно, но несущественно то, что указанное окно располагается так, чтобы измерять максимальный сдвиг с достаточным отношением сигнал-шум. Этого можно достичь, задействовав блок 6 для математического скольжения окна W по оси время/расстояние (в данном случае, по оси x) интерферограммы, в данном случае, путем циклического прохождения индексов n ячеек ассоциативной памяти, в которых хранятся указанные интерферограммы, и измерений положений (значений индекса) на этой оси соответствующих особенностей, таких как пики, впадины или, в данном случае, положения перехода через нуль эталонной 40 и целевой 42 интерферограмм и соответствующих отношений сигнал-шум. В альтернативном варианте положение окна W может быть установлено заранее. После того как будет принято решение о положении окна W, проиллюстрированного на Фиг. 3 как проходящего от положения индекса n=a до n=b, сдвиг d между определенными положениями (например, значениями индекса n) для соответствующих особенностей, в данном случае, иллюстрируемых как переходы через нуль, можно определить математически, например, путем простого вычитания связанных значений индекса, и применить непосредственно для управления действием спектрометра 2 с целью генерирования данных, представляющих интерферограмму неизвестного образца со стабилизированной частотой, зарегистрированную FT-интерферометром 4.
max
[0029] В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, однако, арифметический блок 6 сконфигурирован для использования определяемого таким образом сдвига d в начальном преобразовании, которое затем применяется к целевой интерферограмме 42. Затем определяется фазовая корреляция между преобразованной целевой интерферограммой 42 и опорной интерферограммой 40, и сдвиг изменяется. Генерируется новое преобразование, и снова измеряется корреляция. Это можно повторять до тех пор, пока не будет определена максимальная корреляция. Сдвиг при этой максимальной корреляции d затем используется в спектрометре 2 для управления его работой с целью генерирования данных, представляющих интерферограмму неизвестного образца со стабилизированной частотой, полученную FT-интерферометром 4.
max
max
[0030] В одном из вариантов осуществления изобретения, определяемое таким образом преобразование может использоваться в арифметическом блоке 6 для математической фазовой компенсации данных интерферограммы для неизвестных образцов, которые получают из интерферометра 4. В данном варианте осуществления изобретения преобразование применяется к полученным таким образом данным для перемещения всей интерферограммы на некоторую величину по оси расстояние/время, сопутствующей вычисленному сдвигу d. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения данное перемещение определяется как фиксированная процентная доля (или часть), значение которой основано на сдвиге d положения на интерферограмме для точки, которая подлежит перемещению от центрального всплеска 44 с индексом n=0.
%
%
[0031] Переходы через нуль на лазерной интерферограмме в целом используются как масштабная линейка для производства выборки интерферограммы в равноотстоящих положениях. Дрейф по рабочей частоте опорного источника 22 вызывает растягивание этой масштабной линейки, и поэтому интерферограмма в это время будет фактически подвергаться выборке в разных положениях относительно ранее зарегистрированной интерферограммы. Поэтому предпочтительно, чтобы это растягивание измерялось как процентная доля изменения расстояния между соответствующими особенностями двух интерферограмм 40, 42. Так как сдвиг очень мал, его можно удобно измерять как фиксированный сдвиг «далеко от центрального всплеска», поскольку в данном случае небольшие сдвиги можно накапливать в обнаруживаемый сдвиг. Обнаруженный сдвиг d в окне W затем делят на среднее расстояние, которое с использованием приведенной выше номенклатуры может иметь вид (b-a)/2 окна W от центрального всплеска (в данном случае x=0), для вычисления процентного сдвига d как: d=(dI((b-а)/2))*100 (1).
%
[0032] Тогда указанное преобразование может включать функцию d*z (2), где z - значение индекса памяти n=z измеренной точки данных на интерферограмме, которая является скорректированной.
max
[0033] Как было описано выше, эффективно, чтобы d представляло собой d, так как сдвиг d при применении к целевой интерферограмме с использованием вышеописанного преобразования (2) будет обеспечивать максимальную корреляцию между опорной 40 и целевой 42 интерферограммами.