CN1603885A - 双单色分光镜器件 - Google Patents

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Abstract

在本发明中，检测和存储零级光的位置，该位置为前置分光镜的角度位置和主分光镜的角度位置，在该角度位置时，入射到入口狭缝的主光线经由前置分光镜和主分光镜到达出口狭缝。在主分光镜位于其零级光位置的状态下旋转前置分光镜，来检测前置分光镜对于预定波长的角度位置。进一步，在前置分光镜位于其零级光位置的状态下旋转主分光镜，来检测主分光镜对于预定波长的角度位置。

Description

双单色分光镜器件
技术领域
本发明涉及双单色分光镜器件，更具体地，涉及在该双单色分光镜器件中前置分光镜和主分光镜的波长校准机构和方法。
背景技术
图3示出了传统的双单色分光镜器件中典型的波长扫描机构。波长扫描机构10包括具有衍射光栅的前置分光镜11和具有衍射光栅的主分光镜12。入口狭缝13设在前置分光镜11的衍射光栅的光入射侧。中间狭缝14(也用作主分光镜12的入口狭缝)设在前置分光镜11的衍射光栅的光输出侧。出口狭缝15设在主分光镜12的光输出侧。来自光源、通过入口狭缝13的光首先入射到前置分光镜11的衍射光栅。入射光经衍射光栅衍射，只有具有预定衍射光波长的单色光通过狭缝14。主反射镜16设在狭缝14之前。通过狭缝14、从主反射镜16反射的单色光入射到主分光镜12的衍射光栅。如下文所述，主分光镜12的衍射光栅与前置分光镜11的衍射光栅同步。因此，波长等于从前置分光镜11的出口狭缝14出射的单色光波长的单色光从主分光镜12的衍射光栅出射，而后从主反射镜16反射。此后，反射的单色光通过出口狭缝15。从而，通过出口狭缝15的单色光用作波长扫描机构10的输出光并被投影到样品上。
波长扫描机构10的输出光的波长以前置分光镜11的衍射光栅和主分光镜12的衍射光栅彼此同步旋转的方式变化，由此执行波长扫描。用于该波长扫描的驱动机构包括作为主要部件的单螺旋推进器(feeding screw)17和两个记号杆(sign bar)18，19，并构造成前置分光镜11和主分光镜12通过平行链接20连接(这种结构称为螺旋推进/记号杆系统)。
然而，这种螺旋推进/记号杆系统需要大量的部件。具体地，为了实现高刚度和高精确的平行链接20，以用于平稳地旋转前置分光镜11的衍射光栅，这种螺旋推进/记号杆系统需要大量的部件。而且，前置分光镜11和主分光镜12之间的同步操作必要的准确度不能通过控制作为驱动源的电机21来保证。为此，两个记号杆18和19必须精确地调整。结果，调整操作变得困难。
为了避免这样的不便，提出了一种具有同步机构的分光镜器件，其中同步机构包括连接到前置分光镜和主分光镜的衍射元件上的单独驱动单元(第一驱动单元和第二驱动单元)和通过复杂的控制来操作两个驱动单元使其彼此同步的控制单元(JP-A-8-136344)。这种同步控制控制前置分光镜和主分光镜每个衍射元件的旋转角和从每个衍射元件中输出光的波长，同时也控制第一驱动单元的传动比和第二驱动单元的传动比。
在配备了这种同步机构的分光镜器件中，与传统的螺旋推进/记号杆系统相比，实现波长扫描机构所必需的部件数目减少。由于这个原因，整个器件被小型化，且可靠性得到提高。此外，由于在两个分光镜之间没有机械链接，因此就能够获得这样的优点，即提高两个分光镜布置、光栅选择和安装方式的自由度。
然而，分光镜器件这样复杂的控制机构也需要在器件装配或长时间使用后校准每个分光镜的波长。由分光镜分离的光的波长可以借助于入口狭缝、出口狭缝和两者之间的分光镜(衍射系数)的设置来确定。在这些部件装配时出现的装配错误会导致衍射和分离光的波长错误。进一步地，对于每个分光镜设定的驱动源的角度准确度和分光镜的精度也会影响分离光的波长的准确度。在双单色分光镜器件中，前置分光镜和主分光镜中每一个的波长变化都会大大地降低光能的分离效率。以上的各种错误都严重地影响了分光镜器件的性能。
上述JP-A-8-136344公开了这种分光镜器件的结构，但是没有讲述波长的校准。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种双单色分光镜器件，该器件能够容易且准确地校准前置分光镜和主分光镜中每一个的波长。
解决了上述问题的本发明是一双单色分光镜器件，在入口狭缝和出口狭缝之间设有前置分光镜和主分光镜，特征在于包括：
(a)存储部分，存储零级光的位置，该位置为前置分光镜的角度位置和主分光镜的角度位置，在该角度位置处，入射到入口狭缝的主光线经由前置分光镜和主分光镜到达出口狭缝；
(b)主分光镜校准部分，在前置分光镜位于其零级光位置的状态下旋转主分光镜，来检测主分光镜对于目标波长的角度位置；和
(c)前置分光镜校准部分，在主分光镜位于其零级光位置的状态下旋转前置分光镜，来检测前置分光镜对于预定波长的角度位置。
本发明中校准前置分光镜和主分光镜中每一个的波长的步骤同样如下进行。
(a)检测和存储零级光的位置，该位置为前置分光镜的角度位置和主分光镜的角度位置，在该角度位置处，入射到入口狭缝的主光线经由前置分光镜和主分光镜到达出口狭缝；
(b)在前置分光镜位于其零级光位置的状态下旋转主分光镜，来检测主分光镜对于预定波长的角度位置；和
(c)在主分光镜位于其零级光位置的状态下旋转前置分光镜，来检测前置分光镜对于预定波长的角度位置。
顺便提及，步骤(b)和(c)的顺序可逆。
在根据本发明执行校准的过程中，使用如在汞灯或氘灯中包含的已知发射谱线的光。通过利用一束或多束光线(校准光)进行上述校准，其中所述光线包括用于校准的在波长范围内的多条发射谱线，在波长范围内对于前置分光镜和主分光镜的波长校准可以实现。
首先，为了定义前置分光镜和主分光镜中每一个的零阶位置，基于入口狭缝、出口狭缝和每个分光镜之间的几何位置关系，定义两个分光镜中每一个的假定零级光位置。在这种状态下，校准光线(可以是任何光线)从入口狭缝输入。前置分光镜和主分光镜各自在微小的角度范围内旋转，同时测量从出口狭缝出射的光线强度。当从出口狭缝出射的光线强度最大时，前置分光镜和主分光镜的角度位置为相应的零级光位置。
随后，在前置分光镜位于其零级光位置的状态下，校准光从入口狭缝入射。通过旋转主分光镜同时测量从出口狭缝出射的光强，得到校准光线的发射线谱。通过使发射线谱中已知的发射谱线波长与主分光镜相应的角度位置联系起来，可以检测主分光镜对于预定波长的角度位置。
对于前置分光镜的波长校准以同样的方式执行。具体地，在主分光镜位于其零级光位置的状态下，校准光从入口狭缝入射。通过旋转前置分光镜同时测量从出口狭缝出射的光强，得到校准光线的发射线状谱。通过使发射线状谱中已知的发射谱线波长与前置分光镜相应的角度位置联系起来，可以检测前置分光镜对于预定波长的角度位置。
在根据本发明的双单色分光镜器件中，如上所述，旋转驱动每个分光镜时可以测量从出口狭缝出射的光线的强度。由于这个原因，利用计算机可以容易地实现波长校准的自动化，因此，执行这种校准操作的功能可以容易地且低成本地添加到双单色分光镜器件中。从而在制造过程中，校准所需要的时间和劳动量可以大量缩短，由此大大地提高了分光镜器件的生产率。
附图说明
图1A是根据本发明一个实施例的双单色分光镜器件的光学系统图；
图1B是图1A的双单色分光镜器件中光学元件的排列图；和
图2是图示出借助于该实施例的双单色分光镜器件中的波长扫描机构对前置分光镜和主分光镜校准的过程的流程图；
图3是传统双单色分光镜器件中的光学元件的排列图。
具体实施方式
图1A是本发明一个实施例的双单色分光镜器件的光学系统图，图1B是主要部件排列的透视图。
从图1A中看出，根据该实施例的分光镜器件30包括前置分光镜和主分光镜。前置分光镜为Monk-Gyreeson型分光镜，包括凹面镜31和凹面衍射光栅32。主分光镜为Czerny-Turner分光镜，包括两个凹面镜33a、33b和平面衍射光栅34。入口狭缝35设在前置分光镜的衍射光栅32的光入射侧。中间狭缝36(也用作主分光镜的入口狭缝)设在前置分光镜的衍射光栅32的光出射侧。出口狭缝15设在主分光镜12的光出射侧。来自光源38、其中一部分通过入口狭缝13且从凹面镜31反射后的光入射到前置分光镜的衍射光栅32。入射光经衍射光栅32衍射。具有预定衍射光波长的单色光通过狭缝36。通过狭缝36、从凹面镜33a反射的单色光入射到主分光镜的衍射光栅34。如下文所述，主分光镜的衍射光栅34与前置分光镜的衍射光栅32同步。因此，波长等于从前置分光镜的出口狭缝36出射的单色光波长的单色光从主分光镜的衍射光栅34出射，而后通过出口狭缝37。通过出口狭缝37的光(单色光)用作来自波长扫描机构30的输出光(以下称作出射光束)。
从图1B中看出，根据本实施例的波长扫描机构具有用于旋转衍射光栅的驱动单元，包括第一驱动单元41，用来旋转前置分光镜的衍射光栅32，和第二驱动单元42，用来旋转主分光镜的衍射光栅34。这两个驱动单元41和42机械上彼此独立。每个驱动单元都具有减速器和步进电机相结合的结构。进一步地，根据本实施例的波长扫描机构包括利用微型计算机构造的控制单元40。该控制单元40将第一控制信号Sc1和第二控制信号Sc2分别提供给第一驱动单元41和第二驱动单元42。第一驱动单元41和第二驱动单元42分别基于该第一控制信号Sc1和第二控制信号Sc2进行工作，从而衍射光栅32和34彼此同步地工作。这种同步操作逐渐改变出射光束的波长，由此实现波长扫描。
在具有这种机构的波长扫描机构30中的波长扫描操作在上述JP-A-8-136344中有详细描述。现在，将给出根据本发明的前置分光镜和主分光镜的自动校准操作的说明。为了实现这样的自动校准操作，根据本实施例的波长扫描机构30在出口狭缝37之后设有光度计43。来自光度计43的光强信号Sd提供给控制单元40。在图2所示的下列步骤中，以从光度计43接收的光强信号Sd和分别提供给前置分光镜和主分光镜的驱动单元41和42的输出信号Sc1和Sc2为基础，控制单元40为每个分光镜执行校准。
首先，前置分光镜的衍射光栅32和主分光镜的衍射光栅34位于它们的角度位置(临时零级光位置)，在该位置零级光线从入口狭缝35入射并从出口狭缝37输出，以光学系统的几何布置(图1A)为基础确定这些角度位置(步骤S 1)。打开光源38(步骤S2)。当涉及来自光度计43的输出信号Sd时，将第一控制信号Sc1提供给第一驱动单元41，以逐渐旋转前置分光镜的衍射光栅32(步骤S3)。通过在临时零级光位置之前或之后适当的范围内旋转前置分光镜的衍射光栅32，检测前置分光镜的衍射光栅32的角度位置，在该位置来自光度计43的输出信号Sd最大。将该角度位置确定为前置分光镜的零级光位置(步骤S4)。通过对主分光镜的衍射光栅34执行相同的操作，确定主分光镜的零级光位置(步骤S5和S6)。两个分光镜的衍射光栅32和34各自的零级光位置存储在控制单元40中提供的存储部分中(步骤S7)。
随后，主分光镜的衍射光栅34位于它的零级光位置(步骤S8)。在该状态下，控制单元40，当接收来自光度计43的强度信号Sd时，在预定范围内旋转驱动前置分光镜的衍射光栅32(步骤S9)。因此，在预定波长范围内光源38的发射线状谱产生(步骤S10)。通过利用包括具有已知波长的发射谱线的光线作为光源38，前置分光镜的衍射光栅32的角度位置(严格地说，从控制单元40提供给第一驱动单元41的控制信号Sc1)和波长之间的关系被校准(步骤S11)。确定是否对于所有校准波长都进行了这样的波长校准(步骤S12)。如果没有，校准过程返回到步骤S9，使得对于校准波长衍射光栅32的角度位置和波长之间的关系被同样地校准。当对所有校准波长的校准都已经完成时，对于前置分光镜的波长校准结束(步骤S12到步骤S13)。
校准波长可以为光源38例如汞灯或氘灯的已知发射谱线波长。在氘灯的情况下，可以采用例如为486.0nm，656.1nm等的发射谱线波长。在汞灯的情况下，可以采用例如194.1nm，253.7nm，296.7nm，365.0nm，404.7nm，435.8nm，507.4nm(253.7nm的次级光)，546.1nm，579.0nm，761.0nm(253.65nm的三级光)，809.4nm(404.7nm的次级光)等的发射谱线波长。
对于主分光镜进行同样的校准。具体地，前置分光镜的衍射光栅32位于它的零级光位置(步骤S13)。在该状态下，控制单元40，当接收来自光度计43的强度信号Sd时，在预定范围内旋转驱动主分光镜的衍射光栅34(步骤S14)。从而，光源38的射线光谱产生(步骤S15)。主分光镜的衍射光栅34的角度位置(严格地说，从控制单元40提供给第二驱动单元42的控制信号Sc2)和波长之间的关系被校准(步骤S16)。当对所有校准波长的校准已经完成(步骤S17)时，校准操作结束。

Claims (4)

1.一种双单色分光镜器件，在入口狭缝和出口狭缝之间设有前置分光镜和主分光镜，包括：
(a)存储部分，存储零级光的位置，该位置为前置分光镜的角度位置和主分光镜的角度位置，在该角度位置处，入射到入口狭缝的主光线经由前置分光镜和主分光镜到达出口狭缝；
(b)主分光镜校准部分，以在前置分光镜位于其零级光位置的状态下旋转主分光镜，来检测主分光镜对于预定波长的角度位置；和
(c)前置分光镜校准部分，以在主分光镜位于其零级光位置的状态下旋转前置分光镜，来检测前置分光镜对于预定波长的角度位置。
2.如权利要求1所述的双单色分光镜器件，还包括：
(d)光源，用于将校准光投影到入口狭缝；和
(e)光强度测量部分，用于测量从出口狭缝出射的校准光的光强，
其中基于测量的光强度，主分光镜校准部分和前置分光镜校准部分分别旋转主分光镜和前置分光镜。
3.一种校准双单色分光镜器件的方法，该器件在入口狭缝和出口狭缝之间设有前置分光镜和主分光镜，包括：
(a)检测和存储零级光的位置，该位置为前置分光镜的角度位置和主分光镜的角度位置，在该角度位置处，入射到入口狭缝的主光线经由前置分光镜和主分光镜到达出口狭缝；
(b)在前置分光镜位于其零级光位置的状态下旋转主分光镜，来检测主分光镜对于预定波长的角度位置；和
(c)在主分光镜位于其零级光位置的状态下旋转前置分光镜，来检测前置分光镜对于预定波长的角度位置。
4.如权利要求3所述的校准双单色分光镜器件的方法，还包括：
(d)将校准光投影到入口狭缝；和
(e)测量从出口狭缝出射的校准光的光强度，
其中基于步骤(e)中测量的光强度，步骤(b)和(c)分别旋转主分光镜和前置分光镜。
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