專利名稱：時域光譜學(xué)中用于增加測量精度的連續(xù)參考的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及時域系統(tǒng)和方法，以及更具體涉及用于時域光譜儀的技術(shù)，其使得樣本脈沖的相位和幅值能夠借助于參考脈沖而被追蹤和校正，由此顯著地增加時域光譜儀的測量精度。
背景技術(shù)：
時域系統(tǒng)是用于測量物體屬性的重要分析工具。近來，已經(jīng)開發(fā)了被稱為太赫(terahertz)時域光譜儀(THz-TDS)的太赫系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常使用對于均持續(xù)近10到幾百飛秒的近紅外激光脈沖，到均持續(xù)大約I皮秒的電磁秒沖(“T射線”)的可見物。T射線可以通過各種物體透射，使用透鏡或反射鏡的成像系統(tǒng)來聚焦或準(zhǔn)直T射線。在T射線穿過受測試的物體時，它們通常被扭曲。T射線信號中的這些改變可以被分析，以確定物體的屬性?？梢酝ㄟ^測量穿過到檢測器的T射線的(來自吸收、分散和反射的)扭曲量來表征材料。數(shù)字信號處理系統(tǒng)從Thz檢測器獲取數(shù)字化的數(shù)據(jù)，并在光譜或時間域中分析數(shù)據(jù)。因為許多化合物以特有方式改變T射線(例如吸收或分散)，所以分子或化學(xué)化合物示出了可被用作分子的“指紋”的強吸收線。T射線光譜學(xué)可以在材料內(nèi)的不同化學(xué)成分之間進行區(qū)分，即使當(dāng)物體在可見光中看起來一致。例如，太赫傳感器可以被用來測量厚度與T射線的波長近似的紙的卡規(guī)測量厚度(caliper)、水分和基礎(chǔ)重量。在時域(太赫)光譜學(xué)(THz-TDS)中的幅值和相位測量的精度通常受到系統(tǒng)中噪聲的限制。已經(jīng)證明的是，THz-TDS中存在的噪聲的主要類型通常是時基和幅值抖動，其由行進通過相同材料(或空氣)的脈沖所表征，由于環(huán)境參數(shù)中的波動(例如，溫度波動或振動)或硬件誤差(例如，在延遲線中的編碼器誤差)，該脈沖在稍微不同的時間并以稍微不同的幅值到達檢測器。在一些特定的THz-TDS系統(tǒng)中，抖動對噪聲有顯著貢獻，并因此限制了系統(tǒng)的測量精度。在其他的THz-TDS系統(tǒng)中，其是主要來自作為不精確的主要來源的激光器的倍增噪聲(即，幅值噪聲)?，F(xiàn)有技術(shù)努力減少抖動的不利影響，其集中在控制諸如溫度的環(huán)境參數(shù)和最小化振動。此外，提高延遲階段的質(zhì)量也是重要的考慮。例如，Beselt的美國專利申請公布2010/0007955描述了大幅值高頻率光延遲，其尤其適于在掃描太赫傳感器系統(tǒng)中使用，該掃描太赫傳感器系統(tǒng)采用了用作啟動和返回光學(xué)器件的光纖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明部分基于對一種用于實現(xiàn)時域光譜學(xué)的裝置的開發(fā)，該裝置創(chuàng)建連續(xù)的一組參考脈沖，由此可以追蹤和校正樣本脈沖的相位和幅值。該裝置可以在任何現(xiàn)有的時域光譜儀中被容易地采用，在任何現(xiàn)有的時域光譜儀中對幅值和相位兩者都感興趣。該裝置的特征在于，當(dāng)其在THz-TDS中被采用時，可以顯著減少抖動的影響。而且，當(dāng)結(jié)合THz-TDS使用本發(fā)明性技術(shù)時，發(fā)射器不必移開樣本來收集進行進一步分析所需要的參考脈沖。這可以潛在地簡化最終傳感器的設(shè)計。
在一個方面中，本發(fā)明指向一種具有用于測量樣本的至少一個屬性的連續(xù)參考的裝置，其包括:
輻射源，其生成輻射脈沖；
用于分裂輻射脈沖以產(chǎn)生參考輻射脈沖和樣本輻射脈沖的裝置，其中所述樣本輻射脈沖被引導(dǎo)到樣本；以及
檢測器，被放置以用于接收所述參考輻射脈沖，其中所述參考輻射脈沖與所述樣本不相互作用，以及其中所述檢測器被放置以用于接收從所述樣本出現(xiàn)(透射或反射)的所述樣本輻射脈沖。在一個方面中，本發(fā)明指向一種具有用于測量樣本的至少一個屬性的連續(xù)參考的時域光譜學(xué)裝置，其包括:
發(fā)射器，其生成輻射脈沖；
用于分裂輻射脈沖以產(chǎn)生參考輻射脈沖和樣本輻射脈沖的裝置，其中所述樣本輻射脈沖被引導(dǎo)到樣本，并且其中所述參考輻射脈沖與所述樣本不相互作用；
第一反射鏡，被放置成反射已經(jīng)通過所述樣本透射或從所述樣本反射的樣本輻射；
第二反射鏡，被放置成反射所述參考輻射脈沖；以及
檢測器，被放置以用于接收所反射的參考輻射脈沖和所反射的樣本輻射脈沖。在又一方面中，本發(fā)明指向一種改善時域光譜學(xué)裝置的精度的方法，所述裝置包括生成輻射脈沖的發(fā)射器和接收從樣本出現(xiàn)的輻射脈沖的檢測器，所述方法包括以下步驟:
沿著在所述發(fā)射器和所述檢測器之間的光路放置射束分裂器，以形成參考輻射脈沖和被引導(dǎo)到所述樣本的樣本輻射脈沖，并且所述參考輻射脈沖與所述樣本不相互作用；
放置第一反射鏡以將樣本輻射脈沖反射到所述檢測器；以及
放置第二反射鏡以將參考輻射脈沖反射到所述檢測器，并使用所反射的輻射脈沖來監(jiān)測所述參考輻射脈沖的相位和幅值中的波動。


圖1描繪了用于在時域光譜學(xué)中生成連續(xù)參考的裝置；
圖2示出了由射束分裂器所生成的代表性連續(xù)參考(CR)跡線；
圖3比較了兩組脈沖之間的脈沖間抖動；
圖4是示出了兩組脈沖之間的延遲和對其校正的延遲的圖表；
圖5是示例性THz或近THz-TDS的基于透射的薄片測量系統(tǒng)的表示；
圖6示出了用于從THz或近THz-TDS系統(tǒng)(諸如圖5中所示的透射系統(tǒng))針對薄片材料樣本獲得卡規(guī)測量厚度(厚度)、基礎(chǔ)重量和百分比水分的示例性方法，該薄片材料樣本被描述為紙張；
圖7是將水重量(Wff)相關(guān)到參考透射脈沖和測量透射脈沖的綜合功率譜密度的比值的對數(shù)的校準(zhǔn)曲線；
圖8示出了基于針對從影印紙獲得的水分的分?jǐn)?shù)的測量值的校準(zhǔn)曲線擬合；
圖9示出了來自基于透射的THz或近THz-TDS系統(tǒng)的典型模擬輸入和輸出時間脈沖。頂部跡線示出了針對用于從THz-TDS系統(tǒng)獲得的時間參考脈沖和樣本脈沖的電場的時間跡線(以皮秒時間)，并且底部跡線是它們的傅里葉變換；
圖10示出了擬合到通過THz脈沖透射過紙張所獲得的信號數(shù)據(jù)的物理模型；以及圖11是示例性閉環(huán)控制的薄片材料制造系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)提供造紙過程期間的原位測量。該系統(tǒng)包括過程控制器，其使用用于控制過程變量以維持輸出量并最小化次品量的原位測量。
具體實施例方式本發(fā)明指向用于增強時域光譜學(xué)系統(tǒng)的精度的技術(shù)，其可以通過修改標(biāo)準(zhǔn)時域光譜儀來實現(xiàn)。盡管本發(fā)明將在與太赫時域光譜儀的關(guān)系中被描述，但應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明改善了任何時域光譜儀的精度，其中將輻射脈沖應(yīng)用于樣本，并且分析了從該樣本出現(xiàn)的反射或透射脈沖的時間分辨特性。另外，盡管在透射模式中描述太赫時域光譜學(xué)裝置，但要理解的是，本發(fā)明還可適用于反射模式中。圖1說明了發(fā)明性連續(xù)實時參考生成裝置2的一個實施例，該裝置2被放置在標(biāo)準(zhǔn)時域光譜儀的發(fā)射器4和檢測器6之間。射束分裂器8將來自發(fā)射器4的入射光20分成反射光22和透射光24。反射光22在由檢測器6接收之前由平面鏡10經(jīng)過射束分裂器8反射回。類似地，透射光24被透射經(jīng)過樣本14并之后由平面鏡12朝向射束分裂器8反射回，在射束分裂器8處其被反射到檢測器6中。在裝置2增加太赫光譜儀的情況下，發(fā)射器和檢測器可以例如是光電導(dǎo)天線。對于太赫輻射，優(yōu)選的射束分裂器包括一片厚的高電阻率(大于10000 Ο-cm)硅平板。射束分裂器的厚度被選擇為是足夠大的，使得來自其后表面的反射處于測量窗口之外。如果使用較薄的射束分裂器，脈沖形狀將看起來不同，因為來自后側(cè)的多個反射被包括在窗口中。原則上，任一配置可以與本發(fā)明一起被采用。較厚的射束分裂器是優(yōu)選的，因為其不太傾向于振動。高電阻率硅平板尤其適于被用作射束分裂器，因為其具有高折射率，以及太赫頻率中的可接受的吸收性。替代地，藍寶石或聚乙烯可以被用作射束分裂器，盡管它們具有比硅的吸收性更高的吸收性。在操作中，激光脈沖16和18被分別引導(dǎo)到發(fā)射器和檢測器18。最初，太赫輻射脈沖由光電導(dǎo)天線發(fā)射器4所生成，并以45度角度被入射在硅射束分裂器8上，導(dǎo)致以垂直方向行進的兩個脈沖。一個脈沖被透射經(jīng)過樣本14，而另一個脈沖被用來追蹤時間和幅值上的波動。因為兩個脈沖在相同時間和位置被生成，它們的相位和幅值非常強地相關(guān)，并且該相關(guān)性被用來校正測量誤差。該方法尤其適于基于光纖的時域太赫光譜儀，其中光纖的彎曲和溫度波動可能在幅值和相位測量中的精度上具有強烈的不利影響。本發(fā)明的特征在于僅需要一個檢測器6。使用單個檢測器避免了將一組可變伴隨物引入到第二檢測器。圖1的連續(xù)實時參考生成裝置被結(jié)合到如圖5中所示的THz-TDS的基于透射的薄片測量系統(tǒng)并在此進一步描述。通過如此修改系統(tǒng)，對于由太赫光譜儀的發(fā)射器所生成的每個脈沖，射束分裂器生成兩個脈沖，一個穿過感興趣樣本，以及另一個脈沖通過空氣行進。圖2描繪了由射束分裂器所形成的兩個代表性脈沖。每個脈沖具有特有的輪廓和峰值，并且左側(cè)的脈沖被指定為“左”脈沖，以及右側(cè)的脈沖被指定為“右”脈沖?？梢赃x擇在中間某處的任意點來對兩者進行分離。在隨后的分析中，“右”脈沖既被用作參考(即，其中脈沖通過空氣行進)，又被用作樣本脈沖(即，其中脈沖通過樣本行進)。這些是相繼進行的兩個單獨的測量。
實現(xiàn)連續(xù)參考過程的以一個方法是最初收集一組參考脈沖。在該組中，兩個脈沖(“左”和“右”)通過空氣行進。此后，將感興趣樣本插入光譜儀的臂之一中(即，右臂)，并收集新的數(shù)據(jù)組。現(xiàn)在可以使用參考和樣本“右”脈沖測量來執(zhí)行所有分析。左脈沖被用來追蹤右脈沖的時間和幅值中的改變。因為“左”脈沖中的任何改變將最可能表現(xiàn)在“右”脈沖中，所以“左”脈沖可以被監(jiān)測并被用來校正“右”脈沖，并由此減少抖動的影響。圖3示出了針對100個不同的測量脈沖的“左”脈沖和“右”脈沖之間的脈沖間時間抖動。X軸上的“指數(shù)”標(biāo)記指的是實驗測量數(shù)量(1-100)，使得圖表上的每個點對應(yīng)于一組左脈沖和右脈沖。曲線示出了左脈沖和右脈沖之間的成對時間延遲。該相關(guān)曲線進一步確立的是兩個脈沖同步移動，這允許了脈沖之一中的時間抖動的校正。該比較證明了抖動的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以減少到以前1/2。對于精確相位測量尤其重要的基于纖維光學(xué)器件的太赫時域光譜儀而言，本發(fā)明性技術(shù)可以的溫度和其他因素的不利影響，否則該不利影響將干擾相位測量。尤其是，對于基于纖維光學(xué)器件的光譜儀而言，偏振和/或路徑長度改變作為隨傳感器掃描樣本時傳感器的移動而發(fā)生的纖維被扭曲或拉伸的結(jié)果而發(fā)生。圖4的上部曲線是在太赫時域光譜儀的纖維連接被人工扭曲來針對通常用在造紙機中的掃描類型系統(tǒng)模擬移動效果時，針對200個不同的測量脈沖的“左”和“右”脈沖之間的脈沖間時間抖動。該曲線示出的是，偏振改變影響了脈沖的延遲。圖4的下部曲線證明的是，可以采用本發(fā)明性技術(shù)來在兩個脈沖被類似影響時追蹤和校正這些延遲，并且一個脈沖可以被用來追蹤另一個脈沖中的改變。一旦獲得連續(xù)的參考脈沖組，樣本脈沖的相位和幅值可以在必要時被追蹤和校正。例如，可以通過向樣本脈沖加或減延遲來使用參考脈沖校正時間抖動。為了利用參考脈沖校正幅值變化，通過倍增因數(shù)對樣本幅值進行的縮放可以被用來增加或減少其強度。本發(fā)明可以被實現(xiàn)在時域光譜學(xué)系統(tǒng)中。已經(jīng)證明的是，可以原位地使用近THz或THz-TDS來一致地獲得薄片材料的一個或多個參數(shù)/屬性，包括水重量、物理厚度(卡規(guī)測量厚度)和干重量體積分?jǐn)?shù)。該薄片材料可以包括紙張或塑料。根據(jù)結(jié)合一個或多個校準(zhǔn)參數(shù)的這些參數(shù)/屬性，可以獲得薄片材料的包括PM和/或Wff的卡規(guī)測量厚度、基礎(chǔ)重量和水分含量。校準(zhǔn)參數(shù)通常包括已知的Debye參數(shù)，其被用在雙Debye模型中，該在雙Debye模型獲得電磁頻譜的THz或近THz頻譜區(qū)域中的水的介電常數(shù)、測試下的紙張或其他薄片材料的干含量折射率、測試下的紙張的干含量的密度、以及水重量對參考信號與透射(或反射)樣本信號的功率比值的對數(shù)的擬合的系數(shù)。可以通過以下來獲得水分含量(諸如表達為百分比水分(PM))和Wff:測量透射過樣本的僅THz或THz功率或場，并且將其與參考脈沖(無樣本)進行比較，以及因此獲得水已經(jīng)衰減脈沖到什么程度。如本領(lǐng)域已知的，PM與通過以下關(guān)系Wff有關(guān):PM=ffff/BW ;其中BW表示基礎(chǔ)重量(在以下的公式12中被重復(fù))。Bff=ffff+Dff ;DW表示干重量(不存在水)。根據(jù)此衰減測量和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(例如，根據(jù)實驗室校準(zhǔn))，可以確定與薄片材料中存在的水的量有關(guān)的測量。水分含量(諸如表達為PM或Wff)還可以在具有反射幾何結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中通過類似方法來獲得。在基于反射的系統(tǒng)中，THz發(fā)射機/發(fā)射器和THz接收機/檢測器在樣本的同一側(cè)上。在這樣的系統(tǒng)中，從不含水的反射表面獲取參考信號，并且樣本信號是來自樣本的反射的THz或近THz信號。對于基于透射的系統(tǒng):樣本卡規(guī)測量厚度和干重量體積量分?jǐn)?shù)可以通過將針對用于單層薄膜(例如紙張的薄片)的透射函數(shù)的模型與實驗獲得的透射THz脈沖的模型進行擬合來獲得?？梢允褂玫囊粋€物理模型如下:[參見Born, Μ.和Wolf, E的Principles ofOptics,第四版，Pergamon Press (1970)]
權(quán)利要求
1.一種具有用于測量樣本的至少一個屬性的連續(xù)參考的裝置，其包括: 輻射源(4)，其生成輻射脈沖(20)； 用于分裂輻射脈沖(8)以產(chǎn)生參考輻射脈沖(22)和樣本輻射脈沖(24)的裝置，其中所述樣本輻射脈沖(24)被弓丨導(dǎo)到樣本(14);以及 檢測器(6)，被放置以用于接收所述參考輻射脈沖(22)，其中所述參考輻射脈沖(22)與所述樣本(14)不相互作用，以及其中所述檢測器(6)被放置以用于接收從所述樣本出現(xiàn)的所述樣本輻射脈沖(24 )。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中所述樣本輻射脈沖從所述樣本(14)反射。
3.權(quán)利要求1的裝置，進一步包括第一反射鏡(12)，其被放置成反射經(jīng)過所述樣本(14)透射的樣本輻射脈沖(24)。
4.權(quán)利要求3的裝置，進一步包括第二反射鏡(10)，其被放置成將所述參考輻射脈沖(22)反射到單個檢測器(6)。
5.權(quán)利要求1的裝置，其中來自用于分裂輻射脈沖(8)的裝置的所述參考和樣本脈沖(22，24)在時間上被分離，使得所述參考脈沖(22)在相對于所述樣本脈沖(24)的不同時間到達所述檢測器(6)。
6.一種具有用于測量樣本的至少一個屬性的連續(xù)參考的時域光譜學(xué)裝置(100)，其包括: 發(fā)射器(4)，其生成輻射脈沖(20)； 用于分裂輻射脈沖(8)以產(chǎn)生參考輻射脈沖(22)和樣本輻射脈沖(24)的裝置，其中所述樣本輻射脈沖(24)被引導(dǎo)到樣本(14)，并且其中所述參考輻射脈沖(22)與所述樣本(14)不相互作用； 第一反射鏡(12)，被放置成反射已經(jīng)經(jīng)過所述樣本透射或從所述樣本反射的樣本輻射脈沖(24)； 第二反射鏡(10)，被放置成反射所述參考輻射脈沖(22)；以及 檢測器(6)，被放置以用于接收所反射的參考輻射脈沖(22)和所反射的樣本輻射脈沖(24)。
7.權(quán)利要求6的時域光譜學(xué)裝置，還包括用于基于對所述參考輻射脈沖的檢測來校正時間抖動的裝置(125)。
8.權(quán)利要求6的時域光譜學(xué)裝置，還包括用于基于對所述參考輻射脈沖的檢測來校正幅值變化的裝置(125)。
9.一種改善時域光譜學(xué)裝置(100)的精度的方法，所述裝置包括生成輻射脈沖的發(fā)射器(4)和接收從樣本(14)出現(xiàn)的輻射脈沖(24)的檢測器(6)，所述方法包括以下步驟: 沿著在所述發(fā)射器(4)和所述檢測器(6)之間的光路放置射束分裂器(8)，以形成參考輻射脈沖(22)和被引導(dǎo)到所述樣本(14)的樣本輻射脈沖(24)，并且所述參考輻射脈沖(22)與所述樣本(14)不相互作用； 放置第一反射鏡(12)以將樣本輻射脈沖反射到所述檢測器(6);以及 放置第二反射鏡(10)以將參考輻射脈沖(22)反射到所述檢測器，并使用所反射的輻射脈沖來監(jiān)測所述參考輻射脈沖的相位和幅值中的波動。
10.權(quán)利要求9的方法，其中使用單個檢測器(6)來測量所述參考和樣本脈沖(22，24)。
全文摘要
一種用于結(jié)合到時域光譜學(xué)系統(tǒng)中的裝置，其創(chuàng)建連續(xù)參考，由此可以追蹤和校正樣本脈沖的相位和幅值，采用射束分裂器來生成樣本和輻射脈沖。檢測器被放置以用于接收與樣本不相互作用的參考輻射脈沖。相同的檢測器還被放置以用于接收從樣本出現(xiàn)的樣本輻射脈沖。該裝置可以通過在太赫時域光譜儀的發(fā)射器和檢測器之間進行配置來容易地實現(xiàn)。參考脈沖被用來追蹤樣本脈沖的時間和幅值中的改變。因為參考脈沖中的任何改變將最可能表現(xiàn)在樣本脈沖中，所以參考脈沖被監(jiān)測并被用來校正樣本脈沖，并由此減少抖動的影響。
文檔編號G01J3/42GK103189722SQ201180051124
公開日2013年7月3日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月24日
發(fā)明者P.穆薩維, S.多奇, F.M.黑蘭, S.薩瓦德, D.耶斯, S.J.希思 申請人:霍尼韋爾阿斯卡公司