CN104977082B - 一种紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置及方法，包括：光源、单色仪、中继光学系统、真空平移台、真空舱、隔振台和平台；在隔振台上放置光源、单色仪、真空舱；平台位于真空系统的真空舱中，且平台底部的支柱伸出真空舱并与真空舱外的隔振台固定连接，保证真空舱外光源、单色仪的光学器件和舱内中继光学系统、被测紫外光谱仪的光学器件固定在相同的隔振台基础上；通过波纹管将支柱包裹在真空舱内，使真空舱内形成真空环境；中继光学系统、真空平移台位于真空舱中的平台上；以及被测紫外光谱仪置于真空平移台上，使中继光学系统和被测紫外光谱仪处于真空环境中；根据检测会聚光波长、能量半高宽与焦面线色散参数计算出被测紫外光谱仪分辨力。

Description

一种紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置及方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，涉及一种真空紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置与方法。

背景技术

真空紫外光谱仪将真空紫外光分解为光谱，需要检测紫外光谱仪的色散方向的分辨力以及定标光谱的谱线位置。普通的光谱仪不需要在真空下进行测试，用单色仪提供指定波长的光束就可以进行测试。要得出紫外光谱仪的光谱分辨力，需要获得用于检测的单色光波长λ焦面线色散Δλ_L 和点扩散函数PSF(Point Spread Function)的能量半高宽FWHM(mm)。紫外光谱仪的光谱分辨力为等于用于检测的单色光波长λ除以光谱分辨率Δλ而光谱分辨率 即光谱分辨力为 然而，真空紫外光为100nm～200nm波长紫外线，由于在空气中衰减很快，必须在真空下才能传播。因此真空紫外光谱仪需要在真空环境下才能进行测试。普通的单色仪采用平面光栅，要对紫外光谱仪进行定标和光谱测量，就需要采用专门的光路如准直镜使光束集中，但在真空紫外波段，测试过程中所搭建光路中的光学镜面，不论是反射或是折射，都会对光强造成严重衰减。

作为标定基准，检测用光源的质量必须高于被测紫外光谱仪的分辨力指标要求，还要能进行量程范围内的波段覆盖。采用对撞机技术虽然能够同时满足这两项要求，但实验系统的搭建与使用成本高昂。

连续谱氘灯经轮胎面光栅的单色仪可以提供单色的光源，但其光谱宽度取决于光栅的质量及臂的长度。另外单色仪出光光束焦比难以做大。而较大的紫外光谱仪入射光束焦比可以提高光谱仪的灵敏度。在检测时如不匹配则会造成灵敏度降低而难以检测。

汞灯、等离子光源可以提供由离散的单色谱线组成的复合紫外光，但其谱线波长是一定的，数量也很有限。

光学系统要求各光学器件间严格的相对位置，以及震动会对相对位置产生影响。真空系统在真空环境的制备中，以及周围环境会对光学系统造成影响。直接将光学器件与真空舱连接，会造成成像的模糊，甚至相对位置关系发生变化，而无法进行检测。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在紫外光传播需真空环境且反射效率低、光源焦比小于被测紫外光谱仪的焦比、单色光源在所提供光的谱线宽度与波长的连续性上不理想、光学检测易受震动影响的技术问题，本发明的目的是提供一种紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置及方法。

(二)技术方案

为了达成所述目的，本发明的第一方面，提供一种紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置包括：光源、单色仪、中继光学系统、真空平移台、真空舱、隔振台和平台；在隔振台上放置光源、单色仪、真空舱；平台位于真空系统的真空舱中，且平台的底部的支柱伸出真空舱并与真空舱外的隔振台固定连接，保证真空舱外光源、单色仪的光学器件和舱内中继光学系统、被测紫外光谱仪的光学器件固定在相同的隔振台基础上；通过波纹管将支柱包裹在真空舱内，使真空舱内形成真空环境；中继光学系统、真空平移台位于真空舱中的平台上；以及被测紫外光谱仪置于真空平移台上，使中继光学系统和被测紫外光谱仪处于真空环境中；其中：

光源包括连续谱光源和离散谱光源，用于提供检测所需的包含紫外光及可见光的复合光；

单色仪，用于接收复合光，生成并出射检测紫外光谱仪所需单色光；

中继光学系统，用于将单色仪的焦比与被测紫外光谱仪的焦比进行匹配，并将单色光生成并出射检测需要的检测会聚光；

被测紫外光谱仪，用于接收检测会聚光，并将检测会聚光的会聚点位置与被测紫外光谱仪的狭缝重合；被测紫外光谱仪的光学器件包括球面光栅、狭缝、图像采集器件；

真空舱为真空环境时，当被测紫外光谱仪、中继光学系统和真空平移台的结构及光路结构产生变形时，导致光路产生变化，从而会使会聚点的位置与被测紫外光谱仪入射端的位置分离；

真空平移台上放置被测紫外光谱仪，调整真空平移台使检测会聚光的会聚点位置与被测紫外光谱仪入射端的狭缝中心再次重合，检测会聚光入射到狭缝，经过球面光栅色散并照射到图像采集器件上，并被测紫外光谱仪在与检测会聚光波长相应光谱坐标位置形成光谱图像；通过连续谱光源和单色仪测量并得到光谱图像的焦面线色散参数，通过离散谱光源测量光谱图像中的谱线，得到谱线的能量半高宽，根据检测会聚光波长、能量半高宽与焦面线色散参数，计算得出被测紫外光谱仪分辨力。

为了达成所述目的，本发明的第二方面，提供一种紫外光谱仪光谱分辨力的检测方法，利用光谱仪光谱分辨力的检测装置检测紫外光谱仪光谱分辨力的步骤包括如下：

步骤S1：根据离散谱光源，在单色仪的光栅处放置光电探测器来标定光栅转角的码盘，完成后移出光电探测器；

步骤S2：将被测紫外光谱仪放入未形成真空的真空舱中进行初步装调，将中继光学系统的出射光束对准被测紫外光谱仪的狭缝；

步骤S3：关闭真空舱，用真空泵抽气，形成真空环境；

步骤S4：利用0级光中的可见光，根据中继光学系统出射的会聚光在被测紫外光谱仪的入射端狭缝上的光斑位置，在监视相机的监测下调整真空平移台，使光斑与被测紫外光谱仪入射端狭缝的中心目测对准重合；

步骤S5：使用连续谱光源，用0级光或测量范围内任意波长的单色光采集被测紫外光谱仪的光谱图像，根据被测紫外光谱仪光谱成像的位置处图像采集器件上的成像的高度或宽度及清晰程度，调整被测紫外光谱仪中的图像采集器件的方向及位置，实现被测紫外光谱仪光谱成像位置即焦面与图像采集器件的感光面贴合；

步骤S6：光源为连续谱光源时，通过反复调整单色仪光栅的转动角度，使单色仪出射每个转动角度对应波长的连续谱单色光，图像采集器件采集并得到所述连续谱单色光光谱对应的光谱图像；

步骤S7：根据每个光谱图像中谱线位置及其对应的连续谱单色光波长之间的关系计算并得到被测紫外光谱仪的焦面线色散参数；当所述连续谱单色光的谱线宽度小于被测紫外光谱仪的分辨率，则执行步骤S10，当所述连续谱单色光的谱线宽度大于等于被测紫外光谱仪的分辨率，则执行步骤S8；

步骤S8：使用离散谱光源的0级光，并在图像采集器件上获得离散谱线的光谱图像；

步骤S9：观察离散谱线的光谱图像中的离散谱线，根据观察到的离散谱线从光源所用元素的谱线表中查找到离散谱线的波长值，以单色仪光栅转动到离散谱线的波长值所对应的离散谱单色光进行检测时在图像采集器件上获得离散谱线的波长值对应的离散谱单色光的光谱图像；当步骤S6采集的光谱图像中缺少波长与查找到的离散谱线波长值相同或相近的连续谱单色光的光谱图像时，执行步骤S6；当步骤S6采集的光谱图像中不缺少波长与查找到的离散谱线波长值相同或相近的连续谱单色光的光谱图像时，执行步骤S10；

步骤S10：根据焦面线色散参数、光谱图像及光谱图像中谱线所对应的波长值计算紫外光谱仪的光谱分辨力。

(三)有益效果

在本发明中，通过如下的技术解决了现有技术的问题：

光源采用离散谱光源(等离子光源或汞灯)与连续谱光源(氘灯)相结合的方式，既有能准确提供谱线位置的光源，又有能连续提供光谱的光源，这样避免了使用对撞机。

为了解决光强衰减问题，一方面采用较大功率的光源，提高所建立真空系统的真空度，还采用了具有轮胎面光栅的单色仪。轮胎面光栅可以将光源所发光束的集束与色散结合一起，在最少的反射次数下提供紫外光谱仪可用的测试用单色光。

建立中继光学系统，利用椭球境，在解决焦比匹配问题的同时，将单色仪出射的光束与射入被测紫外光谱仪的光束之间垂直布置，使得容纳被测紫外光谱仪的真空舱可以尽量小，并不与单色仪出射光束干涉。

将所有元件，如单色仪、真空系统放置到一个刚性体(平台与框架组成)上，进行整体隔振。维持真空系统的真空度所必需的真空泵选用自身振动小或不振动的真空泵，如磁悬浮分子泵，或离子泵，解决光路对振动敏感的问题。

在真空舱的舱内，包含中继光学系统和被测紫外光谱仪。它们应处在同一刚性体上。但由于真空环境制备过程中以及真空舱开关舱门前后所处的压力、力学环境的变化，实际结构难以像理想刚体而真正实现不变形。因此在中继光学系统与被测紫外光谱仪在同一刚性体上的前提下，在被测紫外光谱仪与刚性体之间，设置调整环节，用来补偿这一变化。

因此在真空舱内，设计平台，平台与真空舱外的平台直接连接。平移台上放置中继光学系统和真空平移台，真空平移台上放置被测紫外光谱仪。在中继光学系统的光路与被测紫外光谱仪之间所设计的真空平移台，作为调整环节，用于被测紫外光谱仪入射端狭缝中心与检测会聚光的会聚点位置之间相对位置的调整，一旦发生在制备真空前后的位置变化，可以进行微动调整，该调整在真空下进行。

中继光学系统的光路出射较大焦比的光束，中继光学系统出射的检测会聚光的会聚点位置要与被测紫外光谱仪入射端的狭缝中心对齐。在真空舱外布置监视相机监视被测紫外光谱仪入射端狭缝上的光斑，通过光斑与狭缝之间的位置关系，调整被测紫外光谱仪与检测会聚光间的相对位置关系，使两者对齐。

通过连续谱与离散谱光源结合测试，既实现了测量范围的要求，也实现了对光谱宽度较高的要求，能进行谱线的位置标定，不用对撞机也实现了紫外光谱仪的性能测试。

真空平移台为调整机构有效地解决了真空系统形成后造成的光路位置偏移及不稳定的问题。监视相机拍摄被测紫外光谱仪狭缝位置使得调整补偿的效率明显提高。

理论上，要将中继光学系统的焦点位置与被测紫外光谱仪的入射狭缝对齐，需要五个自由度。将调整机构分成了两部分，一个是三轴的真空平移台，支撑被测紫外光谱仪，另一个是两轴旋转台，支撑中继光学系统中的反射镜或椭球镜。这样，使得一部分自由度可以不必支撑重量较大的被测紫外光谱仪而只用支撑质量较小的单个镜子，从而降低了造价。

通过减少反射面，提高真空度，降低了紫外光传播中的效率损失，使光谱拍摄时获得较高的信噪比。

本发明所述检测方法中，光源采用连续谱光源单色光和离散谱光源单色光。采用离散谱光源时，单色仪出射的单色光谱线宽度窄，测试精度高，但测试波长范围内的谱线数量有限，测试数据难以说明被测光谱仪整个的量程范围；而采用连续谱光源时，单色仪出射的单色光谱线数量多，但谱线宽度受单色仪精度影响，谱线宽度较离散谱单色光的谱线宽度宽，使得测试精度较采用离散谱单色光时低。采用两种光源进行光谱分辨力测试，能够既有高精度的测试数据，又能够在整个量程范围内都有测试数据参考。

例如某光谱仪的波长范围为160nm～300nm，光谱分辨力要求达到1000-2000。在测试中发现，等离子光源在使用氦气时，波段范围内只有164.0nm和294.5nm的单色光亮度足够且与氦元素的谱线表中数据对应。因此，测试它的光谱分辨率时，采用的单色光分别为：离散谱光源(等离子光源，氦)164nm，与294.5nm，所得光谱分辨力分别为：5114，5852；连续谱光源(氘灯)164nm，205nm，218nm，所得光谱分辨力分别为：1724，2295，2181。综合了离散谱单色光与连续谱单色光的测试结果后，说明该光谱仪在整个波段范围内的光谱分辨力符合要求。

附图说明

图1是本发明紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置的总体结构示意图；

图2是本发明紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置的具体实施例的光路原理图；

图3是本发明中继光学系统的另一种形式；

图4是本发明紫外光谱仪光谱分辨力的检测方法流程图；

图5是实际采集到的一幅光谱图像中局部放大的光谱图像示意图；

图6a是某一波长下所采集光谱图像的能量与像元坐标图及能量半高宽；

图6b是另一波长下所采集光谱图像的能量与像元坐标图及能量半高宽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1示出的本发明紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置的总体结构，由光源1、单色仪2、中继光学系统3、真空平移台4、真空舱5、隔振台6和平台7组成，在隔振台6上放置光源1、单色仪2、真空舱5；光源1、单色仪2，真空舱5分别与各真空管道连接；在真空舱5的舱壁上具有安装孔；平台7位于真空系统的真空舱5中，且平台底部的支柱伸出真空舱并与真空舱外的隔振台固定连接，保证真空舱外光源、单色仪的光学器件和舱内中继光学系统、被测紫外光谱仪的光学器件固定在相同的隔振台基础上；通过波纹管将支柱包裹在真空舱内，使真空舱内形成真空环境；中继光学系统3、真空平移台4位于平台7上；被测紫外光谱仪8置于真空平移台4上，使中继光学系统3和被测紫外光谱仪8处于真空环境中，用以使紫外光得以传播；其中：

光源1包括连续谱光源和离散谱光源，用于提供检测所需的含有紫外光和可见光的复合光束；

单色仪2，用于接收光源1出射的复合光束进行色散，生成并出射检测紫外光谱仪所需单色光；它也可以提供0级衍射光即含有紫外光和可见光的复合光束；

中继光学系统3，用于将单色仪2的焦比与被测紫外光谱仪8的焦比进行匹配，并将单色仪2的单色光生成并出射检测需要的检测会聚光；中继光学系统3还有转折光束方向的作用；

被测紫外光谱仪8，用于接收中继光学系统3出射的检测会聚光，并将检测会聚光的会聚点位置与被测紫外光谱仪8入射端的狭缝8b中心重合；被测紫外光谱仪的光学器件含有球面光栅8a、狭缝8b、图像采集器件8c。

真空舱5为真空环境时，当被测紫外光谱仪8、中继光学系统3的光路结构和真空平移台4的结构产生变形时，导致光路产生变化，从而使会聚点的位置与被测紫外光谱仪8入射端的狭缝中心位置分离。

在真空平移台4上放置被测紫外光谱仪8，用于调整真空平移台使检测会聚光的会聚点位置与被测紫外光谱仪8入射端的狭缝中心再次重合，检测会聚光入射到狭缝8b，经过球面光栅8a色散并照射到图像采集器件8c上，并被测紫外光谱仪在与检测会聚光波长相应光谱坐标的位置形成光谱图像；当被测光谱仪8的狭缝8b采用小孔时，连续谱光源形成的光谱图像为一条线，而离散光源则形成分立的点，连续谱光源单色光受限于单色仪，谱线具有一定的宽度，形成一个小线段。通过连续谱光源和单色仪测量并得到被测紫外光谱仪的光谱图像的焦面线色散参数，通过离散谱光源测量被测紫外光谱仪的光谱图像中谱线，得到谱线的能量半高宽，由于分辨力是检测会聚光波长、能量半高宽与焦面线色散参数的函数，则根据检测会聚光波长、能量半高宽与焦面线色散参数计算从而获得被测紫外光谱仪分辨力。

利用离散谱光源与连续谱光源结合单色仪提供单色光，建立真空系统并对被测紫外光谱仪8进行测试评价。

采用整体隔振方式，真空系统采用不震动的离子泵及磁悬浮分子泵进行维持，以降低光学检测对震动的敏感性。

通过设置真空平移台4补偿环节，采用监视相机4a拍摄被测紫外光谱仪8的狭缝8b处的光斑，通过观察光斑与狭缝8b的位置关系，利用光学及数码方式对监视区域进行放大观察，从而对真空中的被测紫外光谱仪8的位置精确调整。

通过连续谱光源结合单色仪2测量被测紫外光谱仪8的焦面线色散参数，通过离散谱光源测量能量半高宽，两者结合以及检测会聚光的波长参数，得出被测紫外光谱仪8的分辨力。

请参阅图2为具体测试时一个范例的光路原理图：所述检测装置包括光源1、单色仪2、中继光学系统3、监视相机4a、真空平移台4、真空舱5、隔振台6、平台7、被测紫外光谱仪8组成。光源1包括离散谱光源1a和连续谱光源1b。所述连续谱光源采用具有连续谱的氘灯，离散谱光源采用具有离散谱的等离子光源或汞灯，在初次装调时，如果使用激光光源1c，装调会更方便些。所述光源1与单色仪2之间采用相同的结构接口，可以进行替换，可以逐个连接到单色仪2上。

单色仪的工作波段在真空紫外波段，单色仪2包含光栅2a、入射狭缝2b、出射狭缝2c、码盘2d、真空泵2e、真空管道2f、真空舱2g和光电探测器2h，将上述光栅、狭缝、码盘包裹后密封，并配置真空泵2e抽真空形成真空环境。在入射狭缝2b的端部设置一机械接口与光源1连接，在出射狭缝2c的端部设置一接口与真空管道连接；单色仪2所出射单色光的波长由光栅2a转角控制，由机械码盘2d或光电码盘2d进行显示出射单色光的波长。

光栅2a用于复合光的色散，在光栅2a两边安装宽度可以调整的入射狭缝2b和出射狭缝2c。入射狭缝2b和出射狭缝2c的宽度调整开大，可以增大通过的光能量，利于装调；入射狭缝2b和出射狭缝2c的宽度调整窄小，可以使单色光的谱线宽度变小，通过控制光栅的旋转角度调整单色光波长，产生符合检测需要的单色光。由于单色仪2的工作波段在真空紫外波段，因此在真空系统中的真空泵2e是必要部件，用以维持真空环境。

通过控制光栅2a的旋转角度调整单色仪出射单色光的波长，产生符合检测所需波长的单色光。理论上，出射单色光波长λ与光栅2a转角Δθ成正比，即λ＝ρΔθ，其中ρ为比例系数，光栅2a转角Δθ是码盘2d显示转角θ与码盘零点偏移量θ₀的差即Δθ＝θ-θ₀。所述码盘2d为机械码盘或光电码盘，由码盘2d显示光栅2a的转角θ。

为了标定单色仪2所出射单色光波长λ与码盘2d显示转角θ之间存在的λ＝ρ(θ-θ₀)的关系，在出射狭缝2c处放置光电探测器2h，如光电倍增管PMT探测器，光源1应用离散谱光源1a，从入射狭缝2b处入射离散谱复合光。连续旋转光栅2a，光电探测器2h显示不同的光强。实测记录光强与码盘显示转角θ，可以得出光强与码盘显示转角θ之间的关系曲线，绘制出离散谱光源1a的光谱谱线图。离散谱光源的谱线是已知的，如氦在等离子光源中的发射谱线，可以通过查阅元素的谱线表获得。因此可以确定出单色仪出射单色光的波长λ与码盘2d显示的转角θ之间的具体函数关系，计算出比例系数ρ和零点偏移量θ₀，得出拟合的函数。单色仪工作时，读出码盘2d显示的光栅转角θ，代入所拟合的函数，可以得出单色仪2出射单色光的波长数值λ。

光源1采用连续谱光源1b时，单色仪2出射的单色光波长为根据码盘2d所显示转角θ代入所拟合函数所计算出的数值，如果希望设置单色仪出射单色光的波长，可以按所拟合函数的反函数计算出码盘2d的转角值，即θ＝λ/ρ+θ₀。旋转光栅2a，至码盘2d显示出该转角值θ，此时单色仪出射波长为λ的单色光。光源1采用离散谱光源时，根据谱线表中的所需谱线的波长数值，计算出码盘2d的转角值θ，旋转光栅2a，至码盘2d显示出该转角值θ，单色仪所出射的单色光是波长为λ的单色光。光源1采用连续谱光源1b时，谱线宽度较宽，而光源1采用离散谱光源1a时，谱线宽度较窄。

续请参阅图2中的中继光学系统3可以是一个椭球镜3a。如图3中所示，或是椭球镜3a与平面镜3b组合，中继光学系统3将单色仪2出射的单色光束的焦比与被测紫外光谱仪8入射所要求的光束焦比进行匹配，形成用于检测的检测会聚光，并调整检测会聚光的光轴方向，使被测紫外光谱仪8容易布置。图2中中继光学系统3仅采用一个椭球镜3a，光路简单，检测会聚光仅有一次反射，光强衰减小，但由于光照射到椭球镜3a镜面的角度较大，照射位置离椭球面长轴即对称轴所在位置较远，椭球面面形与球面差别较大，不易磨制；而图3中，中继光学系统3采用了椭球镜3a与平面镜3c组合的方式，使光线照射到椭球镜3a镜面的角度变小，照射位置离椭球面长轴即对称轴所在位置较近，椭球面面形和球面相接近，镜面磨制相对容易，但由于增加一个反射面，光衰减较图2中所示方式较大。中继光学系统3的光路与真空平移台4组合实现五轴调整，所述五轴调整包括中继光学系统3实现旋转与俯仰两轴转动，真空平移台4实现上下左右前后三轴平移。

真空平移台4承载被测紫外光谱仪8，所述被测紫外光谱仪8的入射端的位置设置狭缝8b。由于中继光学系统3发出的会聚光，在关闭真空舱5的舱门之前，会聚光会聚点的位置与被测紫外光谱仪8入射端位置的狭缝8b重合；真空舱5关闭舱门及真空系统抽气后，所述检测装置产生结构变形，使整个光路发生变化，这个变化将反映在会聚点的位置与狭缝8b的位置分离。通过调整真空平移台4，实现会聚点的位置与狭缝8b再次重合。

真空平移台4由真空电机与真空传动机构组成，驱动真空电机实现真空平移台4的上下左右前后的三维运动。真空电机电源及控制线连接到真空舱5的真空插座后，由真空舱5外的控制电路进行驱动。

为了方便调整会聚点、狭缝8b采用两种办法：一个方法是利用监视相机4a，该监视相机4a由成像镜头和机身组成，可以观察会聚点与狭缝8b处。由于单色仪2的0级光含有可见光成分，因此可以观察到会聚点与狭缝8b是否重合。监视相机4a不需要真空兼容性，放置在真空舱5外，通过观察窗5b进行监视。另一个方法是根据被测紫外光谱仪8上所采集到的光谱质量进行调整，这需要大量的试凑才能实现。由于在会聚点处所有光会聚在一起，能量比经过被测紫外光谱仪8后的色散出来的光要强，前一种方法更容易操作。

真空舱5含有真空泵5a、观察窗5b、真空管道5c，真空舱5将中继光学系统3、真空平移台4、被测紫外光谱仪8及测试中紫外光经过的全部路径包裹起来，形成真空，使紫外光得以传播。

真空舱5内部放置平台7，平台7底部的支柱通过波纹管伸出真空舱5，真空舱5与外部隔振台6连接。在平台7上放置中继光学系统3和真空平移台4，真空平移台4上放置被测紫外光谱仪8。真空舱5的壁上设置观察窗5b、电路接口、真空泵5a的抽口。被测紫外光谱仪8的位置调整通过真空平移台4的移动进行，通过驱动真空电机来完成。真空电机的引线利用了真空舱5的电路接口。真空舱5的观察窗5b，可用来由外部观察真空舱5的内部。真空舱5的外部放置监视相机4a，可以通过观察窗5b不观察中继光与被测紫外光谱仪8的狭缝8b部位，通过观察光斑大小及与狭缝8b是否重合，来判断检测会聚光与被测紫外光谱仪8是否对齐。

真空管道5c是紫外光经过的通道，由于没有光学器件，仅需要一个真空管道，使紫外光得以传播。真空管道5c是真空舱5的变异形式，它使得真空舱5的体积、用料都得以减小。真空管道5c连接真空舱5。

隔振台6是一个将光源1、单色仪2、真空舱5及真空舱5内的平台7上的中继光学系统3、真空平移台4上的被测紫外光谱仪8的光学及机械装置撑起来的刚性结构，用空气弹簧支撑，这使得光路得以稳定保持。

请参阅图4示出本发明紫外光谱仪光谱分辨力的检测步骤如下：

步骤S1：标定光栅2a和码盘2d的步骤：根据离散谱线的等离子光源1a及汞灯1c，在单色仪2的光栅2a处临时放置光电探测器2h，来标定光栅2a转角的码盘2d，完成后移出光电探测器2h。所述光电探测器2h可以选用光电倍增管。

步骤S2：将被测紫外光谱仪8放入未形成真空的真空舱5中，对被测紫外光谱仪进行初步装调。即在真空舱5舱门打开及非真空情况下将中继光学系统3的出射光束对准被测紫外光谱仪8的狭缝8b。这可以借助激光光源1d实现，主要通过各部件位置安装，如压板安装等方式实现正确位置的搜寻及固定。

步骤S3：被测紫外光谱仪8的位置初步装调完成，关闭真空舱5，用真空泵抽气，形成真空环境。

步骤S4：利用0级光中的可见光，根据中继光学系统3的出射光会聚在被测紫外光谱仪2的入射端狭缝2b上的光斑位置，在监视相机4a的监测下调整真空平移台4，使光斑与被测紫外光谱仪8入射端的狭缝8b的中心目测对准重合。

步骤S5：光源1在使用连续谱光源为氘灯1b时，用0级光或测量范围内任意波长的单色光采集光谱图像。通过单色仪2可以在出射狭缝2c处产生测量范围内任意波长的单色光，根据在被测紫外光谱仪8光谱成像位置处图像采集器件8c(如CCD光电耦合器件)上的成像的高度或宽度及清晰程度，调整被测紫外光谱仪8中图像采集器件8c的方向及位置，用于采集图像清晰的指定波长单色光或包含连续波长的复合光光谱的图像，如前后、转角，使得采集图像清晰。成像光路为会聚光路，光谱所成的像在高度或宽度最小时，是合焦的位置，因而可以确认图像采集器件8c在被测紫外光谱仪8的成像位置即焦面位置正确地与被测紫外光谱仪8的图像采集器件8c的感光面贴合。参考码盘2d显示转角对应的波长数值，可以确认图像采集器件8c上所获得的光谱图像是指定波长谱线的光谱图像。

步骤S6：在光源1使用连续谱光源状态下，通过反复调整单色仪2的光栅2a的转动角度，使单色仪出射每个转动角度对应波长的连续谱单色光，图像采集器件8c采集并得到所述连续谱单色光光谱对应的光谱图像。对于连续谱单色光的光谱图像，所述波长值采用转动角度对应单色光的波长值。

步骤S7：根据多条谱线谱线的位置与谱线波长之间的关系，即根据每个光谱图像中谱线位置及其对应的连续谱单色光波长之间的关系计算并得到被测紫外光谱仪的焦面线色散参数；当所述连续谱单色光的谱线宽度小于被测紫外光谱仪的分辨率，则执行步骤S10，当所述连续谱单色光的谱线宽度大于等于被测紫外光谱仪的分辨率，则执行步骤S8；

步骤S8：更换光源1为离散谱光源1a，用0级光，在图像采集器件8c上获得离散谱线的光谱图像；

步骤S9：观察离散谱线的光谱图像中的离散谱线，根据观察到的离散谱线从光源所用元素的谱线表中查找到离散谱线的波长值，以单色仪光栅转动到离散谱线的波长值所对应的离散谱单色光进行检测时在图像采集器件上获得离散谱线的波长值对应的离散谱单色光的光谱图像；当步骤S6采集的光谱图像中缺少的波长与查找到的离散谱线波长值相同或相近的连续谱单色光的光谱图像时，执行步骤S6；当步骤S6采集的光谱图像中不缺少波长与查找到的离散谱线波长值相同或相近的连续谱单色光的光谱图像时，执行步骤S10；

步骤S10：根据焦面线色散参数、光谱图像及光谱图像中谱线所对应的波长值计算紫外光谱仪的光谱分辨力。对于连续谱单色光的光谱图像，所述波长值采用转动角度对应单色光的波长值。

应用连续谱光源2b时单色仪2出射的光谱谱线宽度受限于单色仪2的输出特性，大于采用离散谱光源2a时的谱线宽度，因此应用连续谱光源2b产生的单色光进行检测时，在被测光谱仪8上获得的谱线能量半高宽值可能会大于应用离散谱光源2a产生的单色光进行检测时所获得的谱线能量半高宽。由于离散谱光源2a的谱线数量有限，有时在被测紫外光谱仪8的图像采集器件8c上只有一条谱线，无法直接计算焦面线色散参数。因此连续谱光源2b与离散谱光源2a需要结合使用，综合分析，获得计算光谱分辨率所需的检测会聚光的波长值、焦面线色散参数、能量半高宽，计算出被测紫外光谱仪8的光谱分辨力。

光谱分辨力计算示例：

图像采集器件8c选择CCD器件，所采集的图像是对应图像采集器件8c像元点阵的能量值的矩阵。当被测紫外光谱仪8的狭缝8b采用小孔时，采集到光谱图像在色散方向光斑被拉长，而垂直色散方向不被拉长，光谱形状为线段状；图5为实际采集到的一幅光谱图像中的局部放大的光谱图像示意图。

当被测紫外光谱仪8的狭缝8b采用狭缝时，采集到光谱图像在色散方向拉长，在垂直色散方向具有一定的高度，使得光谱呈条带状。

当狭缝8b选用小孔时，选择在垂直色散方向能量最大的地方，沿色散方向，以像元在色散方向为横坐标，以能量值为纵坐标，绘制出所采集能量与像元坐标的关系。

图6a是波长下所采集光谱图像的能量与像元坐标图及能量半高宽；图6b是另一波长下所采集光谱图像的能量与像元坐标图及能量半高宽。

要得出被测紫外光谱仪8的光谱分辨力，需要获得焦面线色散Δλ_L 和点扩散函数PSF(Point Spread Function)的能量半高宽FWHM(mm)。

需要将图中的像元坐标转换为长度坐标。像元序号×像元大小(mm)＝长度坐标。检测会聚光的波长与长度坐标一一对应。已知波长的检测会聚光经过被测紫外光谱仪8的狭缝8b后，经过光栅，在焦面上成像，其中心位置与检测会聚光的波长一一对应。如果成像中心位置与检测会聚光的波长对应关系呈线性，焦面线色散Δλ_L为(波长1-波长2)/(波长1对应长度坐标-波长2对应长度坐标)。图6a中，波长对应中心坐标为1581，图6b中波长时对应中心坐标为1957。像元大小为0.0135mm，则焦面线色散为

由于焦面线色散是和被测紫外光谱仪8设计相关的常数，可以通过尽量多的获得多个波长及其对应的长度坐标，进行拟合计算，减小误差。如果成像中心位置与波长对应关系不是线性，这个位置的焦面线色散应该取波长1波长2的差值趋近于0时的极限，或者是由多个波长及其对应的长度坐标值，进行曲线拟合。如果计算焦面线色散所用的检测会聚光的波长值与计算光谱分辨力的检测会聚光波长值相同或相近，可以减少由于不线性带来的误差，因此在采用离散谱单色光的光谱图像计算光谱分辨力时，需要采集波长与查到的离散谱线波长值相同或相近的连续谱单色光的光谱图像。

图6a和图6b中所示的谱线轮廓下积分得到的是点扩散函数PSF的能量，在能量一半位置划水平线，在谱线轮廓上获得两个位置，两个位置坐标的差为能量半高宽值。需要将图中的像元坐标转换为长度坐标。像元序号×像元大小(mm)＝长度坐标。如图6a中能量半高宽为11.03像元，转换为长度坐标，即11.03×0.0135＝0.1489mm，而图6b中能量半高宽为10.14像元，转换为长度坐标，即10.14×0.0135＝0.1369mm。

被测紫外光谱仪8的光谱分辨力为： 即1639/(10.244×0.1369)＝1168.7。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (9)

1.一种紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置，其特征在于包括：光源、单色仪、中继光学系统、真空平移台、真空舱、隔振台和平台；在隔振台上放置光源、单色仪、真空舱；平台位于真空系统的真空舱中，且平台的底部的支柱伸出真空舱并与真空舱外的隔振台固定连接，保证真空舱外光源、单色仪的光学器件和舱内中继光学系统、被测紫外光谱仪的光学器件固定在相同的隔振台基础上；通过波纹管将支柱包裹在真空舱内，使真空舱内形成真空环境；中继光学系统、真空平移台位于真空舱中的平台上；以及被测紫外光谱仪置于真空平移台上，使中继光学系统和被测紫外光谱仪处于真空环境中；其中：

光源包括连续谱光源和离散谱光源，用于提供检测所需的包含紫外光及可见光的复合光；

单色仪，用于接收复合光，生成并出射检测被测紫外光谱仪所需单色光；

中继光学系统，用于将单色仪的焦比与被测紫外光谱仪的焦比进行匹配，并将单色光生成并出射检测需要的检测会聚光；

被测紫外光谱仪，用于接收检测会聚光，并将检测会聚光的会聚点位置与被测紫外光谱仪的狭缝重合；被测紫外光谱仪的光学器件包括球面光栅、狭缝、图像采集器件；

真空舱为真空环境时，当被测紫外光谱仪、中继光学系统和真空平移台的结构及光路结构产生变形时，导致光路产生变化，从而会使会聚点的位置与被测紫外光谱仪入射端的位置分离；

真空平移台上放置被测紫外光谱仪，调整真空平移台使检测会聚光的会聚点位置与被测紫外光谱仪入射端的狭缝中心再次重合，检测会聚光入射到狭缝，经过球面光栅色散并照射到图像采集器件上，被测紫外光谱仪在与检测会聚光波长相应的光谱坐标位置形成光谱图像；通过连续谱光源和单色仪测量并得到光谱图像的焦面线色散参数，通过离散谱光源测量光谱图像中的谱线，得到谱线的能量半高宽，根据检测会聚光波长、能量半高宽与焦面线色散参数，计算得出被测紫外光谱仪分辨力。

2.如权利要求1所述紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置，其特征在于，所述连续谱光源采用具有连续谱的氘灯；离散谱光源采用具有离散谱的等离子光源或汞灯。

3.如权利要求1所述紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置，其特征在于，所述单色仪的工作波段在真空紫外波段，所述单色仪包括光栅、入射狭缝和出射狭缝，在光栅两边安装宽度可调整的入射狭缝和出射狭缝，入射狭缝和出射狭缝的宽度调整开大，用于增大通过的光能量；入射狭缝和出射狭缝关小，使单色光的谱线宽度变小，通过控制光栅的旋转角度调整单色光波长，产生符合检测需要的单色光。

4.如权利要求1所述紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置，其特征在于，中继光学系统是一个椭球镜，或是椭球镜与平面镜组合；中继光学系统将单色仪出射的单色光束的焦比与被测紫外光谱仪入射所要求的光束焦比进行匹配，形成检测会聚光。

5.如权利要求1所述紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置，其特征在于，中继光学系统的光路与真空平移台组合形成五轴调整，中继光学系统的光路实现旋转与俯仰两轴转动，真空平移台实现上下左右前后三轴平移。

6.如权利要求1所述紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置，其特征在于，隔振台是一个将光源、单色仪、真空舱内的光学及机械结构支撑起来的刚性结构，用空气弹簧支撑，使得光路得以稳定保持。

7.如权利要求1所述紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置，其特征在于，在单色仪的入射狭缝的端部设置一机械接口与光源连接，在出射狭缝的端部设置一接口与真空管道连接；单色仪所出射单色光的波长由光栅转角控制，由机械码盘或光电码盘显示出射单色光的波长。

8.一种使用权利要求1所述紫外光谱仪光谱分辨力的检测装置的紫外光谱仪光谱分辨力的检测方法包括如下步骤：

步骤S1：根据离散谱光源，在单色仪的光栅处放置光电探测器来标定光栅转角的码盘，完成后移出光电探测器；

步骤S2：将被测紫外光谱仪放入未形成真空的真空舱中进行初步装调，将中继光学系统的出射光束对准被测紫外光谱仪的狭缝；

步骤S3：关闭真空舱，用真空泵抽气，形成真空环境；

步骤S4：利用0级光中的可见光，根据中继光学系统出射的会聚光在被测紫外光谱仪的入射端狭缝上的光斑位置，在监视相机的监测下调整真空平移台，使光斑与被测紫外光谱仪入射端狭缝的中心目测对准重合；

步骤S5：使用连续谱光源，用0级光或测量范围内任意波长的单色光采集被测紫外光谱仪的光谱图像，根据被测紫外光谱仪光谱成像的位置处图像采集器件上的成像的高度或宽度及清晰程度，调整被测紫外光谱仪中的图像采集器件的方向及位置，实现被测紫外光谱仪光谱成像位置即焦面与图像采集器件的感光面贴合；

步骤S6：光源为连续谱光源时，通过反复调整单色仪光栅的转动角度，使单色仪出射每个转动角度对应波长的连续谱单色光，图像采集器件采集并得到所述连续谱单色光光谱对应的光谱图像；

步骤S7：根据每个光谱图像中谱线位置及其对应的连续谱单色光波长之间的关系计算并得到被测紫外光谱仪的焦面线色散参数；当所述连续谱单色光的谱线宽度小于被测紫外光谱仪的分辨率，则执行步骤S10，当所述连续谱单色光的谱线宽度大于等于被测紫外光谱仪的分辨率，则执行步骤S8；

步骤S8：使用离散谱光源的0级光，并在图像采集器件上获得离散谱线的光谱图像；

步骤S9：观察离散谱线的光谱图像中的离散谱线，根据观察到的离散谱线从光源所用元素的谱线表中查找到离散谱线的波长值，以单色仪光栅转动到离散谱线的波长值所对应的离散谱单色光进行检测时在图像采集器件上获得离散谱线的波长值对应的离散谱单色光的光谱图像；当步骤S6采集的光谱图像中缺少波长与查找到的离散谱线波长值相同或相近的连续谱单色光的光谱图像时，执行步骤S6；当步骤S6采集的光谱图像中不缺少波长与查找到的离散谱线波长值相同或相近的连续谱单色光的光谱图像时，执行步骤S10；

步骤S10：根据焦面线色散参数、光谱图像及光谱图像中谱线所对应的波长值计算被测紫外光谱仪的光谱分辨力。

9.如权利要求8所述紫外光谱仪光谱分辨力的检测方法，其特征在于，对于连续谱单色光的光谱图像，所述波长值采用转动角度对应单色光的波长值。