專利名稱：雙單色分光鏡器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙單色分光鏡器件，更具體地，涉及在該雙單色分光鏡器件中前置分光鏡和主分光鏡的波長校準(zhǔn)機構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
圖3示出了傳統(tǒng)的雙單色分光鏡器件中典型的波長掃描機構(gòu)。波長掃描機構(gòu)10包括具有衍射光柵的前置分光鏡11和具有衍射光柵的主分光鏡12。入口狹縫13設(shè)在前置分光鏡11的衍射光柵的光入射側(cè)。中間狹縫14(也用作主分光鏡12的入口狹縫)設(shè)在前置分光鏡11的衍射光柵的光輸出側(cè)。出口狹縫15設(shè)在主分光鏡12的光輸出側(cè)。來自光源、通過入口狹縫13的光首先入射到前置分光鏡11的衍射光柵。入射光經(jīng)衍射光柵衍射，只有具有預(yù)定衍射光波長的單色光通過狹縫14。主反射鏡16設(shè)在狹縫14之前。通過狹縫14、從主反射鏡16反射的單色光入射到主分光鏡12的衍射光柵。如下文所述，主分光鏡12的衍射光柵與前置分光鏡11的衍射光柵同步。因此，波長等于從前置分光鏡11的出口狹縫14出射的單色光波長的單色光從主分光鏡12的衍射光柵出射，而后從主反射鏡16反射。此后，反射的單色光通過出口狹縫15。從而，通過出口狹縫15的單色光用作波長掃描機構(gòu)10的輸出光并被投影到樣品上。
波長掃描機構(gòu)10的輸出光的波長以前置分光鏡11的衍射光柵和主分光鏡12的衍射光柵彼此同步旋轉(zhuǎn)的方式變化，由此執(zhí)行波長掃描。用于該波長掃描的驅(qū)動機構(gòu)包括作為主要部件的單螺旋推進器(feeding screw)17和兩個記號桿(sign bar)18，19，并構(gòu)造成前置分光鏡11和主分光鏡12通過平行鏈接20連接(這種結(jié)構(gòu)稱為螺旋推進/記號桿系統(tǒng))。
然而，這種螺旋推進/記號桿系統(tǒng)需要大量的部件。具體地，為了實現(xiàn)高剛度和高精確的平行鏈接20，以用于平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)前置分光鏡11的衍射光柵，這種螺旋推進/記號桿系統(tǒng)需要大量的部件。而且，前置分光鏡11和主分光鏡12之間的同步操作必要的準(zhǔn)確度不能通過控制作為驅(qū)動源的電機21來保證。為此，兩個記號桿18和19必須精確地調(diào)整。結(jié)果，調(diào)整操作變得困難。
為了避免這樣的不便，提出了一種具有同步機構(gòu)的分光鏡器件，其中同步機構(gòu)包括連接到前置分光鏡和主分光鏡的衍射元件上的單獨驅(qū)動單元(第一驅(qū)動單元和第二驅(qū)動單元)和通過復(fù)雜的控制來操作兩個驅(qū)動單元使其彼此同步的控制單元(JP-A-8-136344)。這種同步控制控制前置分光鏡和主分光鏡每個衍射元件的旋轉(zhuǎn)角和從每個衍射元件中輸出光的波長，同時也控制第一驅(qū)動單元的傳動比和第二驅(qū)動單元的傳動比。
在配備了這種同步機構(gòu)的分光鏡器件中，與傳統(tǒng)的螺旋推進/記號桿系統(tǒng)相比，實現(xiàn)波長掃描機構(gòu)所必需的部件數(shù)目減少。由于這個原因，整個器件被小型化，且可靠性得到提高。此外，由于在兩個分光鏡之間沒有機械鏈接，因此就能夠獲得這樣的優(yōu)點，即提高兩個分光鏡布置、光柵選擇和安裝方式的自由度。
然而，分光鏡器件這樣復(fù)雜的控制機構(gòu)也需要在器件裝配或長時間使用后校準(zhǔn)每個分光鏡的波長。由分光鏡分離的光的波長可以借助于入口狹縫、出口狹縫和兩者之間的分光鏡(衍射系數(shù))的設(shè)置來確定。在這些部件裝配時出現(xiàn)的裝配錯誤會導(dǎo)致衍射和分離光的波長錯誤。進一步地，對于每個分光鏡設(shè)定的驅(qū)動源的角度準(zhǔn)確度和分光鏡的精度也會影響分離光的波長的準(zhǔn)確度。在雙單色分光鏡器件中，前置分光鏡和主分光鏡中每一個的波長變化都會大大地降低光能的分離效率。以上的各種錯誤都嚴(yán)重地影響了分光鏡器件的性能。
上述JP-A-8-136344公開了這種分光鏡器件的結(jié)構(gòu)，但是沒有講述波長的校準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種雙單色分光鏡器件，該器件能夠容易且準(zhǔn)確地校準(zhǔn)前置分光鏡和主分光鏡中每一個的波長。
解決了上述問題的本發(fā)明是一雙單色分光鏡器件，在入口狹縫和出口狹縫之間設(shè)有前置分光鏡和主分光鏡，特征在于包括(a)存儲部分，存儲零級光的位置，該位置為前置分光鏡的角度位置和主分光鏡的角度位置，在該角度位置處，入射到入口狹縫的主光線經(jīng)由前置分光鏡和主分光鏡到達出口狹縫；
(b)主分光鏡校準(zhǔn)部分，在前置分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)主分光鏡，來檢測主分光鏡對于目標(biāo)波長的角度位置；和(c)前置分光鏡校準(zhǔn)部分，在主分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)前置分光鏡，來檢測前置分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置。
本發(fā)明中校準(zhǔn)前置分光鏡和主分光鏡中每一個的波長的步驟同樣如下進行。
(a)檢測和存儲零級光的位置，該位置為前置分光鏡的角度位置和主分光鏡的角度位置，在該角度位置處，入射到入口狹縫的主光線經(jīng)由前置分光鏡和主分光鏡到達出口狹縫；(b)在前置分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)主分光鏡，來檢測主分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置；和(c)在主分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)前置分光鏡，來檢測前置分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置。
順便提及，步驟(b)和(c)的順序可逆。
在根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行校準(zhǔn)的過程中，使用如在汞燈或氘燈中包含的已知發(fā)射譜線的光。通過利用一束或多束光線(校準(zhǔn)光)進行上述校準(zhǔn)，其中所述光線包括用于校準(zhǔn)的在波長范圍內(nèi)的多條發(fā)射譜線，在波長范圍內(nèi)對于前置分光鏡和主分光鏡的波長校準(zhǔn)可以實現(xiàn)。
首先，為了定義前置分光鏡和主分光鏡中每一個的零階位置，基于入口狹縫、出口狹縫和每個分光鏡之間的幾何位置關(guān)系，定義兩個分光鏡中每一個的假定零級光位置。在這種狀態(tài)下，校準(zhǔn)光線(可以是任何光線)從入口狹縫輸入。前置分光鏡和主分光鏡各自在微小的角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，同時測量從出口狹縫出射的光線強度。當(dāng)從出口狹縫出射的光線強度最大時，前置分光鏡和主分光鏡的角度位置為相應(yīng)的零級光位置。
隨后，在前置分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下，校準(zhǔn)光從入口狹縫入射。通過旋轉(zhuǎn)主分光鏡同時測量從出口狹縫出射的光強，得到校準(zhǔn)光線的發(fā)射線譜。通過使發(fā)射線譜中已知的發(fā)射譜線波長與主分光鏡相應(yīng)的角度位置聯(lián)系起來，可以檢測主分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置。
對于前置分光鏡的波長校準(zhǔn)以同樣的方式執(zhí)行。具體地，在主分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下，校準(zhǔn)光從入口狹縫入射。通過旋轉(zhuǎn)前置分光鏡同時測量從出口狹縫出射的光強，得到校準(zhǔn)光線的發(fā)射線狀譜。通過使發(fā)射線狀譜中已知的發(fā)射譜線波長與前置分光鏡相應(yīng)的角度位置聯(lián)系起來，可以檢測前置分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置。
在根據(jù)本發(fā)明的雙單色分光鏡器件中，如上所述，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動每個分光鏡時可以測量從出口狹縫出射的光線的強度。由于這個原因，利用計算機可以容易地實現(xiàn)波長校準(zhǔn)的自動化，因此，執(zhí)行這種校準(zhǔn)操作的功能可以容易地且低成本地添加到雙單色分光鏡器件中。從而在制造過程中，校準(zhǔn)所需要的時間和勞動量可以大量縮短，由此大大地提高了分光鏡器件的生產(chǎn)率。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的雙單色分光鏡器件的光學(xué)系統(tǒng)圖；圖1B是圖1A的雙單色分光鏡器件中光學(xué)元件的排列圖；和圖2是圖示出借助于該實施例的雙單色分光鏡器件中的波長掃描機構(gòu)對前置分光鏡和主分光鏡校準(zhǔn)的過程的流程圖；圖3是傳統(tǒng)雙單色分光鏡器件中的光學(xué)元件的排列圖。
具體實施例方式
圖1A是本發(fā)明一個實施例的雙單色分光鏡器件的光學(xué)系統(tǒng)圖，圖1B是主要部件排列的透視圖。
從圖1A中看出，根據(jù)該實施例的分光鏡器件30包括前置分光鏡和主分光鏡。前置分光鏡為Monk-Gyreeson型分光鏡，包括凹面鏡31和凹面衍射光柵32。主分光鏡為Czerny-Turner分光鏡，包括兩個凹面鏡33a、33b和平面衍射光柵34。入口狹縫35設(shè)在前置分光鏡的衍射光柵32的光入射側(cè)。中間狹縫36(也用作主分光鏡的入口狹縫)設(shè)在前置分光鏡的衍射光柵32的光出射側(cè)。出口狹縫15設(shè)在主分光鏡12的光出射側(cè)。來自光源38、其中一部分通過入口狹縫13且從凹面鏡31反射后的光入射到前置分光鏡的衍射光柵32。入射光經(jīng)衍射光柵32衍射。具有預(yù)定衍射光波長的單色光通過狹縫36。通過狹縫36、從凹面鏡33a反射的單色光入射到主分光鏡的衍射光柵34。如下文所述，主分光鏡的衍射光柵34與前置分光鏡的衍射光柵32同步。因此，波長等于從前置分光鏡的出口狹縫36出射的單色光波長的單色光從主分光鏡的衍射光柵34出射，而后通過出口狹縫37。通過出口狹縫37的光(單色光)用作來自波長掃描機構(gòu)30的輸出光(以下稱作出射光束)。
從圖1B中看出，根據(jù)本實施例的波長掃描機構(gòu)具有用于旋轉(zhuǎn)衍射光柵的驅(qū)動單元，包括第一驅(qū)動單元41，用來旋轉(zhuǎn)前置分光鏡的衍射光柵32，和第二驅(qū)動單元42，用來旋轉(zhuǎn)主分光鏡的衍射光柵34。這兩個驅(qū)動單元41和42機械上彼此獨立。每個驅(qū)動單元都具有減速器和步進電機相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。進一步地，根據(jù)本實施例的波長掃描機構(gòu)包括利用微型計算機構(gòu)造的控制單元40。該控制單元40將第一控制信號Sc1和第二控制信號Sc2分別提供給第一驅(qū)動單元41和第二驅(qū)動單元42。第一驅(qū)動單元41和第二驅(qū)動單元42分別基于該第一控制信號Sc1和第二控制信號Sc2進行工作，從而衍射光柵32和34彼此同步地工作。這種同步操作逐漸改變出射光束的波長，由此實現(xiàn)波長掃描。
在具有這種機構(gòu)的波長掃描機構(gòu)30中的波長掃描操作在上述JP-A-8-136344中有詳細(xì)描述?，F(xiàn)在，將給出根據(jù)本發(fā)明的前置分光鏡和主分光鏡的自動校準(zhǔn)操作的說明。為了實現(xiàn)這樣的自動校準(zhǔn)操作，根據(jù)本實施例的波長掃描機構(gòu)30在出口狹縫37之后設(shè)有光度計43。來自光度計43的光強信號Sd提供給控制單元40。在圖2所示的下列步驟中，以從光度計43接收的光強信號Sd和分別提供給前置分光鏡和主分光鏡的驅(qū)動單元41和42的輸出信號Sc1和Sc2為基礎(chǔ)，控制單元40為每個分光鏡執(zhí)行校準(zhǔn)。
首先，前置分光鏡的衍射光柵32和主分光鏡的衍射光柵34位于它們的角度位置(臨時零級光位置)，在該位置零級光線從入口狹縫35入射并從出口狹縫37輸出，以光學(xué)系統(tǒng)的幾何布置(圖1A)為基礎(chǔ)確定這些角度位置(步驟S 1)。打開光源38(步驟S2)。當(dāng)涉及來自光度計43的輸出信號Sd時，將第一控制信號Sc1提供給第一驅(qū)動單元41，以逐漸旋轉(zhuǎn)前置分光鏡的衍射光柵32(步驟S3)。通過在臨時零級光位置之前或之后適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)旋轉(zhuǎn)前置分光鏡的衍射光柵32，檢測前置分光鏡的衍射光柵32的角度位置，在該位置來自光度計43的輸出信號Sd最大。將該角度位置確定為前置分光鏡的零級光位置(步驟S4)。通過對主分光鏡的衍射光柵34執(zhí)行相同的操作，確定主分光鏡的零級光位置(步驟S5和S6)。兩個分光鏡的衍射光柵32和34各自的零級光位置存儲在控制單元40中提供的存儲部分中(步驟S7)。
隨后，主分光鏡的衍射光柵34位于它的零級光位置(步驟S8)。在該狀態(tài)下，控制單元40，當(dāng)接收來自光度計43的強度信號Sd時，在預(yù)定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動前置分光鏡的衍射光柵32(步驟S9)。因此，在預(yù)定波長范圍內(nèi)光源38的發(fā)射線狀譜產(chǎn)生(步驟S10)。通過利用包括具有已知波長的發(fā)射譜線的光線作為光源38，前置分光鏡的衍射光柵32的角度位置(嚴(yán)格地說，從控制單元40提供給第一驅(qū)動單元41的控制信號Sc1)和波長之間的關(guān)系被校準(zhǔn)(步驟S11)。確定是否對于所有校準(zhǔn)波長都進行了這樣的波長校準(zhǔn)(步驟S12)。如果沒有，校準(zhǔn)過程返回到步驟S9，使得對于校準(zhǔn)波長衍射光柵32的角度位置和波長之間的關(guān)系被同樣地校準(zhǔn)。當(dāng)對所有校準(zhǔn)波長的校準(zhǔn)都已經(jīng)完成時，對于前置分光鏡的波長校準(zhǔn)結(jié)束(步驟S12到步驟S13)。
校準(zhǔn)波長可以為光源38例如汞燈或氘燈的已知發(fā)射譜線波長。在氘燈的情況下，可以采用例如為486.0nm，656.1nm等的發(fā)射譜線波長。在汞燈的情況下，可以采用例如194.1nm，253.7nm，296.7nm，365.0nm，404.7nm，435.8nm，507.4nm(253.7nm的次級光)，546.1nm，579.0nm，761.0nm(253.65nm的三級光)，809.4nm(404.7nm的次級光)等的發(fā)射譜線波長。
對于主分光鏡進行同樣的校準(zhǔn)。具體地，前置分光鏡的衍射光柵32位于它的零級光位置(步驟S13)。在該狀態(tài)下，控制單元40，當(dāng)接收來自光度計43的強度信號Sd時，在預(yù)定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動主分光鏡的衍射光柵34(步驟S14)。從而，光源38的射線光譜產(chǎn)生(步驟S15)。主分光鏡的衍射光柵34的角度位置(嚴(yán)格地說，從控制單元40提供給第二驅(qū)動單元42的控制信號Sc2)和波長之間的關(guān)系被校準(zhǔn)(步驟S16)。當(dāng)對所有校準(zhǔn)波長的校準(zhǔn)已經(jīng)完成(步驟S17)時，校準(zhǔn)操作結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種雙單色分光鏡器件，在入口狹縫和出口狹縫之間設(shè)有前置分光鏡和主分光鏡，包括(a)存儲部分，存儲零級光的位置，該位置為前置分光鏡的角度位置和主分光鏡的角度位置，在該角度位置處，入射到入口狹縫的主光線經(jīng)由前置分光鏡和主分光鏡到達出口狹縫；(b)主分光鏡校準(zhǔn)部分，以在前置分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)主分光鏡，來檢測主分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置；和(c)前置分光鏡校準(zhǔn)部分，以在主分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)前置分光鏡，來檢測前置分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置。
2.如權(quán)利要求1所述的雙單色分光鏡器件，還包括(d)光源，用于將校準(zhǔn)光投影到入口狹縫；和(e)光強度測量部分，用于測量從出口狹縫出射的校準(zhǔn)光的光強，其中基于測量的光強度，主分光鏡校準(zhǔn)部分和前置分光鏡校準(zhǔn)部分分別旋轉(zhuǎn)主分光鏡和前置分光鏡。
3.一種校準(zhǔn)雙單色分光鏡器件的方法，該器件在入口狹縫和出口狹縫之間設(shè)有前置分光鏡和主分光鏡，包括(a)檢測和存儲零級光的位置，該位置為前置分光鏡的角度位置和主分光鏡的角度位置，在該角度位置處，入射到入口狹縫的主光線經(jīng)由前置分光鏡和主分光鏡到達出口狹縫；(b)在前置分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)主分光鏡，來檢測主分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置；和(c)在主分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)前置分光鏡，來檢測前置分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置。
4.如權(quán)利要求3所述的校準(zhǔn)雙單色分光鏡器件的方法，還包括(d)將校準(zhǔn)光投影到入口狹縫；和(e)測量從出口狹縫出射的校準(zhǔn)光的光強度，其中基于步驟(e)中測量的光強度，步驟(b)和(c)分別旋轉(zhuǎn)主分光鏡和前置分光鏡。
全文摘要
在本發(fā)明中，檢測和存儲零級光的位置，該位置為前置分光鏡的角度位置和主分光鏡的角度位置，在該角度位置時，入射到入口狹縫的主光線經(jīng)由前置分光鏡和主分光鏡到達出口狹縫。在主分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)前置分光鏡，來檢測前置分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置。進一步，在前置分光鏡位于其零級光位置的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)主分光鏡，來檢測主分光鏡對于預(yù)定波長的角度位置。
文檔編號G01J3/18GK1603885SQ20041009214
公開日2005年4月6日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者原田克己 申請人:株式會社島津制作所