CN103018175B - 一种用于光谱设备的光束精确校准辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光谱设备光束精确校准的辅助装置，它由一个能适应多种光路的空间调整机构和反射镜支撑装置组成空间位置调整机构，由两块可旋转角度反射镜和一块可变光程固定角度反射镜组成V型光路调整机构。该装置能保证不改变原光路传播方向，增加样品表面反射光到达探测器之间的光程，从而提高光谱设备光路校准的准确度。

Description

一种用于光谱设备的光束精确校准辅助装置

技术领域

本发明涉及一种光学仪器校准辅助装置，特别是反射式光谱设备检测前的光强校准。

背景技术

目前，各类光谱设备成为各类光学性能检测重要手段之一，这些检测设备包含傅里叶变换光谱仪、椭偏仪等。它们都是由光源、分光设备、探测器等几个部分构成。反射式光谱设备基本原理如图1所示，光束经过光源和分束器之后，与被检测样品作用之后进入到探测器中。检测前后光强变化为数据检测的依据。

图1中光路2的检测器响应与光束覆盖图示由图2给出。通常情况下，入射光束光斑形状不可能与探测器光阑完全重合，此外样品的大小和厚度均会对入射光束光斑与探测器光阑重合度造成影响，因此需要在每次使用前进行准直，尽量保证检测器响应相应最大化。各类检测器响应与光束覆盖探测器探头面积有关，光束覆盖检测器上面积越大，则检测器所响应的光强越大，测试准确度越高。而现今某些光谱设备日益趋向集成化、小型化，导致光源与检测器之间有效距离（图1中光路2）过短，人眼和手动校准操作时产生的准确度下降。

发明内容

本发明为了解决上述技术上的不足，提供了一种用于提高光谱检测设备光束校准准确度辅助装置。用于保证各种光路情况下，不改变入射光束的传播方向，仅仅改变光束传播的光程。

本发明的技术解决方案如下：

光谱检测设备精密校准辅助装置，包含第一高度调整机构，第二高度调整机构和第一水平调整机构，第二水平调整机构，一个位于水平调整机构上的反射镜支撑装置。特点在于其构成是：

所述的第一高度调整机构和第二高度调整机构平行放置，作为整个光学装置的支撑装置。第一水平调整机构、第二水平调整机构采用螺母安装在第一高度调整机构和第二高度调整机构左右两侧。第一水平调整机构、第二水平调整机构在高度调整机构上下可调，用于适应不同光路高度位置。

在所述第一水平调整机构，第二水平调整机构上平行放置反射镜支撑装置，作为整个反射镜组的支撑。反射镜支撑装置采用螺母安装在第一水平调整机构、第二水平调整机构上，并且可沿水平调整架一维前后滑动，用于适应不同光路的水平位置。

在所述光学装置反射镜支撑装置上依次放置第一反射镜，第二反射镜，第一反射镜转动机构，第二反射镜转动机构。第一反射镜转动机构、第二反射镜转动机构分别固定于光学装置反射镜支撑装置靠近第一高度调整机构端面左右两侧。第一反射镜、第二反射镜分别安装在第一反射镜转动机构，第二反射镜转动机构上，并可以在0到360度之间随着反射镜转动机构改变角度。

在所述第一反射镜、第二反射镜之间固定放置光程调节滑轨，第三反射镜。光程调节滑轨位于第一反射镜和第二反射镜正中间位置，并与第一水平调整机构、第二水平调整机构平行。第三反射镜镜面垂直于光程调节滑轨放置，并可沿光程调节滑轨一维前后滑动。

所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜组成V形折叠光路，用于保证出射光束与入射光束的传播方向一致，且光束传播的光程可调。

利用上述的光谱设备光路精确校准辅助装置对光谱设备校准，包括下列步骤：

①调整光学装置高度位置：调整所述的第一水平调整机构、第二水平调整机构在第一高度调整机构和第二高度调整机构上的高度，保证入射光束和第一反射镜的中心位置高度一致。

②调整光学装置水平位置：调整所述光学装置反射镜支撑装置在第一水平调整机构、第二水平调整机构上的水平位置，保证入射光束和第一反射镜的水平中心位置一致。

③通过调整第三反射镜在光程调节滑轨上的位置，获得所需的光程。

④通过转动所述第一反射镜角度调整机构，保证入射光束正对第一反射镜正中心位置，同时确保在第一反射镜上的反射光线正对第三反射镜正中心位置。转动第二反射镜角度调整机构，确保在第二反射镜上的出射光线与入射光束方向一致。

本发明的技术效果：

本发明提出了一种解决现有光谱设备光程过短，导致光束在和探测器准直的过程调准过程准确度低的问题。假设在设备所能达到最理想状态下，现有光束光斑与探测器探头重合度存在0.1mm的偏差，而某些光谱设备的样品位置到探测器探头之间为15-20cm距离，经过计算，在手动调整端可容忍偏离将会是在0.2mm。如果采用本发明的装置校准，调整第三反射镜在光程调节滑轨上的位置，使得样品位置到探测器探头之间光程距离为100cm，在手动调整端可容忍偏离将会放大到1mm。

附图说明

图1是反射式光谱检测设备基本原理图。

图2是检测器响应与光束覆盖示意图。

图3是反射式光谱检测设备光束校准装置本发明实施例1的结构示意图。

图4是椭偏设备上光束校准装置本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明做进一步的说明，但是不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图3，图3反射式光谱设备光束校准装置是本发明的结构示意图。由图3可见，本发明反射式光谱检测设备光束校准装置，包含第一高度调整机构1，第二高度调整机构2和第一水平调整机构10，第二水平调整机构11，一个位于水平调整架上的反射镜支撑装置9。其构成是：

所述的第一高度调整机构1和第二高度调整机构2平行放置，作为整个光学装置的支撑。第一水平调整机构10、第二水平调整机构11采用螺母固定在第一高度调整机构1和第二高度调整机构2左右。第一水平调整机构10、第二水平调整机构11在第一高度调整机构1、第二高度调整机构2上下位置可调，用于适应不同光路高度位置。反射镜支撑装置9采用螺母固定在水平调整机构10，11上，并可以在水平调整机构10，11所处平面上一维直线移动。

在所述光学装置反射镜支撑装置9上依次放置第一反射镜3，第二反射镜5，第一反射镜转动机构6，第二反射镜转动机构7。第一反射镜转动机构6、第二反射镜转动机构7分别固定于光学装置反射镜支撑装置靠近第一高度调整机构1端面左右两侧。第一反射镜3、第二反射镜5分别安装在第一反射镜转动机构6，第二反射镜转动机构7上，并可以在0到360角度之间旋转。

在所述第一反射镜3、第二反射镜5之间固定放置光程调节滑轨8，第三反射镜4。光程调节滑轨8位于第一反射镜3和第二反射镜4正中间位置，并与第一水平调整架13、第二水平调整架14平行，构成V形对称结构折叠光路（见虚线框）。第三反射镜4镜面垂直于光程调节滑轨8放置，并可沿光程调节滑轨8一维前后位置滑动。

入射光束12入射到第一反射镜3上，调整第一反射镜3在第一反射镜转动机构6上的角度，保证第一反射镜3上的出射光束13正对第三反射镜4的正中心位置。调整第二反射镜5在第一反射镜转动机构7上的角度，保证第三反射镜4上的出射光束14经第二反射镜5反射后，反射光15与入射光束10方向一致。

请参阅图4，图4是本发明实施例3的结构示意图，是用于反射光谱型椭偏仪光路校准装置的结构示意图。

图4中12为椭偏仪光源，采用疝灯光源可输出光谱范围为300nm到2500nm，14为椭偏仪探测器。椭偏仪光源发出光束15经过样品13表面反射后，产生反射光光束16。图4中，第一反射镜3、第二反射镜5、第三反射镜4对光谱范围300nm到2500nm的光束高反射，可采用镀制金属银薄膜来实现。

调节第一水平调整机构10，第二水平调整机构11在第一高度调整机构1和第二高度调整机构2上的高度位置，使得第一反射镜3高度位置与反射光束16一致。调节反射镜支撑装置9在第一水平调整机构10，第二水平调整机构11上的位置，使得第一反射镜3水平位置与反射光束16一致，此时反射光束16正对第一反射镜3中心位置入射。

调节第三反射镜4在光程调节滑轨8上的位置，获得相应光程。转动第一反射镜3在第一反射镜转动机构6的角度，使得反射光17正对第三反射镜4中心位置入射。光束18入射到第二反射镜5上，转动第二反射镜5在第二反射镜转动机构7上的角度，使得出射光束19与入射光束16的方向一致。

该实施例测试待测样品为氧化硅单层薄膜，样品采用电子束蒸发镀制，制备的薄膜厚度为800nm左右，沉积速率为2nm/s。

使用过程：

下面具体描述该校准装置的实际使用过程。首先把待测样品放置在椭偏仪自带的样品台13上，该样品台13可以进行俯仰调节。通过计算机控制椭偏仪光源12输出500nm波长的校准光束15，光束15作用到样品上，获得反射光光束16。在没有增加光谱检测设备光束校准装置的情况下，反射光16将直接进入到探测器14中。此时可手动调整样品台13的俯仰角度来调节反射光束16与探测器14光斑重合度。探测器相应光强为最大时，代表反射光束16进入到探测器内部光斑最大，此时的反射光束16从样品表面到探测器的光程大约为20cm。计算机上读取相应探测器感应光强大小为4.12。

在样品台13和探测器14之间增加光谱检测设备光束校准辅助装置。调节第一水平调整机构10，第二水平调整机构11在第一高度调整机构1和第二高度调整机构2上的高度位置，使得第一反射镜3高度位置与反射光束16一致。调节反射镜支撑装置9在第一水平调整机构10，第二水平调整机构11上的位置，使得第一反射镜3水平位置与反射光束16一致，此时反射光束16正对第一反射镜3中心位置入射。

调节第三反射镜4在光程调节滑轨8上的位置，使得第三反射镜4与第一反射镜3距离为50cm，获得光程大约为100cm。转动第一反射镜3的角度在第一反射镜转动机构6的角度，使得反射光17正对第三反射镜4中心位置入射，转动第二反射镜5的角度在第二反射镜转动机构7上的角度，使得出射光束19与入射光束16的方向一致。

此时反射光束19将沿用入射光束16方向进入到探测器中。手动调节样品台13的俯仰位置，保证探测器上相应光强达到最大，即反射光束19光斑与到探测器14内部重合度最大，此时计算机上读取相应光强为4.38。

校准完成后，取下光谱检测设备光束校准装置，开始进行相应的椭偏测量。

校准结果：

通过采用光谱检测设备光束校准装置，使得反射光16到探测器14之间实际光程从20-30cm左右提高到100cm。在手工调节的样品台13俯仰位置校准时，可容忍的调整偏差将会放大5倍，获得光强提升8%左右。通过调节第三反射镜4在光程调节滑轨8上的位置可以进一步放大可容忍调整偏差，达到进一步精确校准的目的。

Claims (3)

1.一种用于光谱设备光束精确校准的辅助装置，包括第一竖直方向调节机构(1)，第二竖直方向调节机构(2)，第一水平方向调整机构(10),第二水平方向上调整机构(11)和用于放置整个反射镜光路元件和滑轨的反射镜支撑装置(9)，其特征在于：

在所述第一竖直方向调节机构(1)和第二竖直方向调节机构(2)上垂直放置第一水平调节机构(10)和第二水平调节机构(11)，其上下高度位置可调，以满足不同光路高度位置调整的需要；

在所述第一水平调节机构(10)和第二水平调节机构(11)上放置所述反射镜支撑装置(9)，所述反射镜支撑装置(9)在第一水平调节机构(10)和第二水平调节机构(11)上水平位置可调，以满足不同光路水平位置调整需要；

在所述反射镜支撑装置(9)上放置第三反射镜(4)和光程调节滑轨(8)，用于获得不同校准光程需要；放置第一反射镜(3)、第二反射镜(5)、第一反射镜转动机构(6)、第二反射镜转动机构(7)，所述3个反射镜(3，4，5)位置为V型对称结构设计，组成光束调整机构，满足不同光路入射后，不改变光束传播方向输出。

2.根据权利要求1所述的用于光谱设备光束精确校准的辅助装置，其特征在于：所述第一反射镜(3)和第二反射镜(5)为角度可旋转反射镜。

3.根据权利要求1所述的用于光谱设备光束精确校准的辅助装置，其特征在于：所述反射镜(4)具有沿光程调节滑轨(8)一维方向移动的机构，满足光程可变需要。