中阶梯谱仪的波长校准组件和方法

专利名称：中阶梯谱仪的波长校准组件和方法
技术领域：
本发明涉及按权利要求1前序部分所述的一种谱仪。此外，本发明涉及一种中阶梯谱仪的波长校准方法。
中阶梯谱仪是按中阶梯光栅工作的谱仪。这些光栅具很高的角度色散能力，即把靠得很近的波长按角度分离的能力。这使得它具有分辨率高而且尺寸也很小的优点。因而，中阶梯光栅特别适用于高分辨率光谱学，例如用连续光源的原子吸收光谱学。用中阶梯光栅的谱仪一般工作在很高的衍射序数，典型值为第20至第150序数。在每一序数内的自由光谱范围比较小。
为了避免在谱仪出口平面内不同衍射序数的光谱重叠，中阶梯谱仪与各序数内部分离联合使用，这种分离垂直于中阶梯色散的方向并造成二维光谱。将中阶梯光栅与分离的预单色仪联用也被称为所谓的双中阶梯谱仪组件。辐射用棱镜等在光谱上预选。只有从基本相当于一个序数的有限光谱范围来的辐射进入中阶梯谱仪。所产生的中阶梯谱仪为线性光谱形式。衍射光栅或棱镜被用作色散光学元件以用预单色仪选择序数。预单色仪和中阶梯光栅的色散方向是彼此平行的。
对于大多数应用需要对谱仪进行校准。这时在谱仪出口平面的每个几何位置分配一个波长。这种校准随着温度变化、振动或其它机械变化而改变。在这种情况下需要重新校准该装置。
现有技术DE 41 18 760 A1提供了一种双谱仪组件，它具有一个带可变棱镜角的液体棱镜，该液体棱镜产生一个可调节的低色散的光谱。此光谱成象在一个中间缝(同时构成入口缝)上，此缝用作下一个中阶梯谱仪的场阑。中间缝从被测光源的全部光谱中切出一部分光谱，其带宽至少小于相应中阶梯光栅衍射序数的带宽。这类组件具有一个宽度不变的小的中间缝。此中间缝的宽度选成与检测器图象元(象素)的宽度相似。入口缝的宽度比较大。可以通过对棱镜角度作相应调节而改变线性色散以选择进入中间缝的光的光谱带宽。这部分光谱的波长位置可通过旋转棱镜来调节。这部分光谱在中阶梯谱仪检测器上的位置可通过旋转中阶梯光栅来调节。波长位置的调节精度分别取决于中阶梯光栅和预单色仪的棱镜角度的机械调整精度。
DE 195 45 178 A1中的谱仪组件包括一个中阶梯谱仪和一个用来分离各序数的前棱镜谱仪，此组件利用低气压放电灯的氖光谱来校准中阶梯谱仪的波长。从线光源来的光绕过棱镜谱仪通过中间缝隙平面内的一个辅助缝而进入中阶梯谱仪，并用光检测器处的附加检测器元件检测。在这类组件中，辅助缝和中间缝的宽度为常数，具有相同的宽度，且小于预单色仪的入口缝。中间缝按一种大家知道的方法形成双谱仪组件的场阑。所述组件的入口缝宽度可分步骤改变。利用固定的棱镜角可让入口缝用作进入中阶梯谱仪的光束的光谱限制。进入辅助缝的光不经过波长校准的预色散而在检测器上产生一个特征谱线图。不是所有的线属于中阶梯光栅的一个衍射序数，而是代表不同光栅衍射序数的叠加。每条线准确地代表光栅上入射和衍射角的一对值。当线的密度足够密时，至少有一条线对每个光栅位置成象于参考检测器上。把各检测器机械地连到一个公共硅芯片上，可以利用第二个平行安置的参考检测器的参考线位置，对测量检测器就每个测量波长进行波长校准。波长位置的调整精度除各种测量的成象误差和参考光谱的成象误差之外，仅取决于测量参考光谱的测量精度。因此它与中阶梯光栅的机械调节精度无关。
这些已知组件的一个缺点是，光接收检测器的每一检测器元件是由一个从远宽于中间缝的入口缝的不同位置来的光照明的。因而，当使用专用于研究具有不均匀光密度分布的光源的双谱仪组件时，可能产生测量误差。
此外，由预单色仪选定的波长范围的波长位置调节精度完全取决于用于预单色仪的色散元件的机械调节精度。还有，具有很高中阶梯谱仪线性色散的校准光源的线密度，还不足以对每个光栅位置使至少一条校准线在检测器上成象。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种上述那种双谱仪组件，其中可通过控制中阶梯光栅和预单色仪的色散元件的关系对整个组件作完全的波长校准。此外，本发明的一个目的是提供一个可以校准的谱仪，其中选定波长范围内的光谱密度值的相对分布，对于具有不均匀光密度分布的光源的强度变化不敏感。
按照本发明，这个目的是通过实施权利要求1的特征部分而实现的。
当使用窄的入口缝和宽的中间缝时，入口缝构成整个光学组件的场阑。对于不同的波长，同样光源位置在任何时候都成象在每个检测器象素上。入口缝的象可能由于热和机械等影响而移动。由于可以将此象在连续光谱的波长范围内成象在检测器上，并总能将预单色仪调整在检测器上的相同位置，这种变动可以部分在线补偿。这样就可获得一个高精度可调组件，它能提供正确的强度值，这些值与光源的变化无关，而且在很大程度上不受热和机械的影响。连续光谱保证对每个光栅位置在每一序数内存在一个可移动的强度峰值或强度曲线。但是，并不要求在所有波长都具有完全相同强度的理想光谱。只需要光在所有相关波长发射就够了。这类光源例如包括稀有气体高压短弧灯等。
这种器件特别适用于带连续光谱的光源。这包括原子吸收谱仪等，其中对基础干扰的修正是用连续光源或把连续光源作为测量光源的原子吸收谱仪来实现的。不过，连续光源也可以进入专门用于组件校准的光路中。
入口缝的宽度最好选成使它的象在检测器上的宽度等于检测器元件的宽度。因此，实现了最大分辨率和最大透光度之间的良好折衷。降低入口缝的宽度并不会使分辨率提高。增加宽度将提高透光度，但与此同时也导致分辨率降低。
中间缝的宽度最好是可调节的。这样在检测器上的强度曲线就可以对每个波长调节成只有要求的光谱带宽被用来作光谱测量，且所有其它的波长被阻断。这样就具有降低杂散光等优点。当用连续光谱校准预单色仪时，可以将用最小缝宽对强度曲线边缘的测量作为定位之用。
在本发明的一个实施例中，预单色仪包含一个棱镜。由于透明度高，石英棱镜特别适用于紫外/可见光谱范围的应用。在另一种实施例中，空间分辨检测器是一个电荷耦合器件(CCD)检测器或光电探测器阵列(PDA)检测器。
在本发明的一种特定优选实施例中，预单色仪是按利特罗(Littrow)排列安置的。因而用不了几个元件就能实现成象误差小且分辨率高的小型装置。从而降低对空间的要求及成本。这对中阶梯谱仪装置也同样适用。
对波长的调节最好通过旋转各色散元件来实现。但也可以调节其它的光学元件，如镜或检测器。
在本发明一种特定优选实施例中，波长校准装置包含一个具有线性光谱的线光源，它发射的光可以成象在中间缝上，同时提供了用处于参考位置的检测器检测到的线的调整方法。这类校准能这样调整波长，使得剩余误差只决定于检测器的测量误差而不是旋转光栅的机械调节误差。只要中阶梯光栅上的各衍射角彼此充分接近，校准光源的线光谱可以出现在一个远离被测波长的波长范围(即按衍射序数的顺序)，这个衍射序数与测量波长的序数是很不相同的。通过计算不同衍射序数中测量波长和参考波长的衍射角，就可以按很简单的方法调节相应的角向位置。
当对中阶梯光栅所有各衍射序数校准光源的全部重叠线彼此相距太远时，在本发明另一个实施例中可将一个或几个附加的校准缝沿着中阶梯光栅的色散方向设在中间缝旁边，并提供一个或几个具有线性光谱的光源用来照明这些校准缝。在此情况下，在检测器处将数次出现在色散方向偏移的线性光谱。相同波长各线相对于由中间缝本身产生的这种线的偏移，是由各缝相对于中间缝的几何距离造成的。因此，在检测器上产生的线密度可降低波长校准的测量误差。各缝开口之间的实际几何距离可用相同波长的缝象精确测量出来。
最好把棱镜和中阶梯光栅按这样的方式安排，使得在棱镜、预单色仪和中阶梯谱仪的共同色散方向上，入口缝象在中间缝内的漂移和入口缝象在检测器上的漂移产生在相反的方向，这些漂移是由于温度变化而引起的棱镜和光栅色散改变而造成的。随着环境温度增加及由此引起的光栅载体的热伸长将使光栅常数增加。因此对于在中阶梯光栅上的一个恒定的入射角，单色波长的色散将减小。相应的谱线将朝着检测器上较短波长的方向偏移。
环境温度还会影响棱镜材料的色散常数。因而入口缝在中间缝内的单色象会偏移。中阶梯光栅被按这种方式偏移的波长的入射角照明。在中阶梯光栅上的入射角越大则衍射角越小。当光栅、棱镜和改变色散方向的光学元件(即镜子，如果存在的话)的位置适当时，两种热效应将发生在相反的方向，因此只引起在检测器上的光谱极小的漂移。所以可以实现波长位置预定位的较高调节精度。同时可以减少所需的波长校准的重复次数。
另外，本发明的这个目的是按照权利要求11至15中校准此类谱仪的方法而达到的。
本发明的进一步修改是各权利要求条款的话题。下面将参考各附图对本发明的一个实施例作详细描述。
附图简介

图1是一个带预单色仪的中阶梯谱仪的示意图。
图2表示一个中间缝组件的详图。
图3表示图2的带附加的校准缝的中间缝组件，。
图4a表示中间缝的一部分和入口缝的单色象的校准位置。
图4b表示具有连续光谱的光源和在检测器处参考位置内具有线光谱的光源的强度分布。
图5a是图4a在非校准位置的情况。
图5b是图4b在非校准位置的情况。
实施例的描述图1中数字10表示一个谱仪组件。组件10包括一个预单色仪2和一个中阶梯光栅4。数字21表示预单色仪2的入口缝。它由具有用来校准的连续波长光谱的光源11照明。这类光源可以是一个氖气高压短弧光灯。为此目的，将一个旋转镜13和一个透镜12作为成象元件安装在测量光路14内。入口缝21具有25μm的固定缝宽，相当于用作空间分辨光检测器的CCD线性阵列5的检测器元件51的宽度。入口缝21构成双谱仪组件的场阑，并确定在检测器5位置处一个单色束的宽度。
入射发散光束由一个抛物镜22偏转和准直。平行光通过一个棱镜23。因而光首先被色散。经过处在棱镜23后面的平面镜24的反射后，光第二次通过棱镜23，由此实现几乎是双重色散。接着，被棱镜按波长色散至一定程度的光由镜22会聚在中间缝3上。由于两次通过棱镜，故可产生最大的角度色散。这对600nm以上的长波长光谱范围特别重要，这样可以将光源11的连续谱在中间缝3处切分成足够小的光谱间隔。在中间缝3位置上的光谱范围波长定位可通过绕公共轴25电动旋转棱镜23和平面镜24来实现。这在图中用箭头26表示。
一部分光谱带宽明显减小的光通过中间缝3进入中阶梯谱仪4。发散束在那里碰上抛物镜41并被准直。抛物镜41将平行光束沿中阶梯光栅42的方向反射。在中阶梯光栅42处衍射后再次被抛物镜41反射并会聚在CCD线性阵列5上。后者将光谱强度分布转换成电信号，后来该电信号经数字化并传输以作进一步数据处理。为了选择波长，可绕一条旋转轴43旋转中阶梯光栅42，此轴平行于光栅槽伸展。这在图中用双箭头44指示。
组件内光栅和棱镜按这样的方式安装，使预单色仪和中阶梯谱仪内由热引起的波长漂移沿着相反的方向。
中间缝3有两个可活动的缝夹片，用来调节中间缝的宽度。当可调的宽度最小时，此缝夹片碰到一个具有确定直径的销子。固此缝夹片再也不能彼此靠近，使缝宽度在一个确定位置被调节到一个可重复的值。这个最小宽度比检测器元件和入口缝的宽度大。
图2详细表示带可调缝宽度的中间缝的机械组件50的一个实施例。中间缝由两个缝边缘52构成。该缝边缘52分别安装在一个平面缝边缘托架57上，后者被连至一个基本为矩形的底座本体58上。该底座本体58固定在谱仪组件的一块底板(未示)上。托架57和底座本体58的连接部分做成锥形并形成弯曲弹簧的弹簧接头51。
托架57在图2的下端被切去。在切去的空间内安装一个由步进马达控制的偏心盘54。若偏心盘54绕转轴55旋转，两块托架57被弯曲弹簧51的力推开，或者再次相互靠近。因此，缝边缘并非彼此完全平行，而是作剪刀形的运动。但所产生的对带宽限制的影响可以忽略，特别是对小的缝高(如1mm)。
为给夹片57在底座本体58内提供充分的运动空间，在其间留了一些间隔59。另外，用一个销53来确定最小的缝宽。
图3为同类中间缝组件50的另一个实施例。这时在底座本体58的每一边再提供固定的辅助缝56。当对中阶梯谱仪标定时，用辅助缝56作为附加的校准缝，以增加检测器处的线密度。
总起来说，光源11的实象首先由预单色仪2的光学系统准确成象在中间缝3上，然后由中阶梯谱仪的光学系统(图1)成象在检测器上。
将旋转镜33转至测量光路内，可使氖灯光由成象元件32会聚在中间缝3的平面内，不预先分开各序数而在中阶梯谱仪内色散，并在检测器5上检测出光谱。
上述组件按下面的方法进行波长校准首先，把中间缝调到比入口缝的宽度稍宽(如30μm)。然后把镜33绕轴34转至光通路内，因而从具有连续光谱的光源11来的光被阻断，而由具有线性光谱的光源来的光通过中间缝进入中阶梯谱仪内。
通过绕轴线43旋转可使中阶梯光栅42粗略定位。这意味着用来校准要求的测量波长所选定的参考线可以在线性检测器阵列上清楚地识别。此参考线可根据测量波长从现有线光源参考线的波长目录中选定。这样就可以确定线性检测器阵列上参考线所达到的位置。再将这个位置与原先计算出的要求位置相比较。根据测量波长的计算衍射角和参考线之间的差，可以计算出所需的位置。
参考线与它所要求的位置之间的位置偏差可通过细调中阶梯光栅的角向位置而校正，从而将测量波长调节到其所需的位置。这意味着通过旋转光栅，线可移到这个位置。经这个步骤之后中阶梯谱仪就被完全校准。当已知序数的光进入谱仪时，就可以在每个检测器元件上准确无误地分配波长。
为校准装在预单色仪内的棱镜，再次用连续光源照明入口缝。重新将镜33转出光路将线光谱阻断。至此棱镜还是首先被粗略定位。定位时应保证与所需测量波长的偏差小于由线性检测器阵列检测到的中阶梯光谱内该序数自由光谱范围的一段，其中测量波长是以最大激发效率测量的。换句话说，“正确”序数被耦合到中阶梯谱仪内。这种情况下可在线性检测器阵列上准确无误地识别光谱部分。
当把中间缝调到小宽度时，光谱间隔以峰值形曲线出现，这样可以很容易确定最大值和半宽度值等。也可以用较宽的中间缝来校准。在这种情况下，光谱间隔以梯形强度曲线出现，这可以将位置定义为半宽度值的中央等。光谱间隔由中间缝选定并在中阶梯光栅处色散。
图4a以高度放大的比例表示图1中预单色仪2中间缝3处的情况。此图示出预单色仪在中阶梯光栅42(图1)的位置被内线光源31精确调整后的理想调节状况。
由发射线82代表的测量波长准确地处在带缝边缘80的中间缝中央。由缝边缘80之间距离决定的中间缝宽度应这样选择，使对于选定的光谱间隔的光谱带宽，其几何宽度在色散和成象于中阶梯谱仪4内的线性检测器阵列5上之后小于检测器的宽度。在现在的情况下，中间缝的宽度在0.05至0.1mm之间。线性检测器阵列的宽度约为10mm。
图4b表示对于图4a的发射线82和连续谱81进行测量的情况下在线性检测器阵列5上得到的强度分布。在对中阶梯谱仪进行校准后，发射线82的强度分布83对其要求位置86是对称的。在对预单色仪进行校准后，对于一个从连续谱选择的光谱部分其基本上为梯形强度分布84的半宽度值的中心85完全与所要求的测量波长位置86重合。
这种情况可能会因温度变化或其它干扰而改变。图5表示这类干扰情况。图5a以高度放大比例表示此情况下的中间缝，这时预单色仪的光谱相对于中间缝有偏移。由偏移发射线92代表的测量波长不再处于缝边缘80的中央，即连续谱线91的位置也偏移了同样的量。
图5b表示对于测量发射线92和连续谱线91的情况下在线性检测器阵列上的相关强度值。发射线92强度分布93的中心位置在线性检测器阵列上离所要求位置86的偏移，与发射线92离中间缝的缝边缘80之间的中心的偏离大致相同的量98。但是，由连续谱线选定的光谱间隔的梯形强度分布94的半宽度值95的中心的偏移99却要大得多，因为由中间缝选定的光谱间隔由于中阶梯色散在线性检测器阵列上被大大拉开了。这是由于中阶梯色散比预单色仪色散高得多的缘故。但是单色发射线的象却不会因中阶梯色散展宽很多。
若测量光谱是线性谱或连续谱，则这种中间象的偏移对线性检测器阵列上的强度分布将产生完全不同的结果。与线性偏移相比，连续谱线的梯形强度曲线的半宽度值中心的偏移要大得多(这可由中阶梯谱仪和预单色仪的线性色散之间的关系来解释)，因而采用连续谱线测量在中间缝内测量波长的定位精度高。
这种校准特别适合于使用发射连续光谱的光源的测量方法，如利用连续谱线源的原子吸收光谱学(CSAAS)，或用氘灯作本底补偿的原子吸收光谱学。
权利要求
1.谱仪组件(10)，包括(a)一个具有连续波长光谱的光源(11)；(b)一个用来产生较小线性色散的预单色仪(2)，光谱间隔可由所述较小线性色散选定，这种光谱间隔的光谱带宽比中阶梯光谱中该序数自由光谱范围的带宽小或相同，其中选定的光谱部分的中心波长可通过最大激发效率测量，(c)一个带波长校准装置的中阶梯谱仪，(d)一个处于预单色仪(2)上的入口缝(21)，(e)一个带中间缝(3)的中间缝组件(50)，(f)一个处于谱仪出口平面的空间分辨光检测器(5)，用来检测波长光谱，该组件的特征在于(g)中间缝(3)的宽度大于预单色仪在中间缝处产生的入口缝的单色象，且(h)提供了校准预单色仪的装置，它用来校准具有连续谱线并会聚在检测器上的光源的光的参考位置。
2.如权利要求1的谱仪，其特征在于中间缝(3)的宽度是可调的。
3.如上述任一项的谱仪，其特征在于预单色仪(2)包括一个棱镜(23)。
4.如上述任一项的谱仪，其特征在于几何分辨检测器是一个CCD或PDA检测器。
5.如上述任一项的谱仪，其特征在于预单色仪(2)是设在利特罗(Littrow)装置内。
6.如上述任一项的谱仪，其特征在于中阶梯光栅(42)设在利特罗(Littrow)装置内。
7.如上述任一项的谱仪，其特征在于提供了校准中阶梯谱仪(42)的装置，它包括一个具有线光谱的光源(31)，从此光源发出的光会聚在中间缝(3)上，提供了将检测器检测到的一条线调节到一个参考位置的装置。
8.如权利要求7的谱仪，其特征在于调节线的装置包括将中阶梯光栅(42)绕一沿平行于光栅槽延伸的轴(43)旋转的装置。
9.如上述任一项的谱仪，其特征在于有一个或几个附加校准缝(56)，其紧靠沿中阶梯光栅(42)色散方向的中间缝(3)；和一个或几个用来照明此校准缝的具有线光谱的光源(31)。
10.按权利要求3至9中任一项的谱仪，其特征在于棱镜(23)和中阶梯光栅(42)是按这样一种方式安置的，使得由于温度变化在棱镜(23)、预单色仪(2)和中阶梯谱仪(4)的共同色散方向上，在中间缝(3)处入口缝(21)象的漂移与在检测器(5)上入口缝的象的漂移发生在相反的方向。
11.按上述任何一项权利要求校准谱仪的方法，其特征在于具有以下步骤(a)校准中阶梯谱仪(4)，(b)用具有连续波长谱的光照明入口缝(21)，(c)将中间缝(3)的宽度调整到一个值，从而产生一个入口缝的单色实象，其宽度比中间缝的宽度小，(d)确定检测器(5)处的透射谱带的位置，(e)通过调整预单色仪(5)来调节检测器(5)处的透射谱带至所需的位置。
12.按权利要求11的方法，其特征在于，为了校准中阶梯谱仪，首先用具有线光谱的光源(31)来的光照明中间缝，用检测器(5)确定一条或几条线的位置，并与所要求的一个或几个位置相比较，同时把谱仪调整成使检测器上的各线处在这些要求位置上。
13.按权利要求12的方法，其特征在于，谱仪(4)的调整是通过绕平行于光栅槽的一条轴线(43)旋转中阶梯光栅(42)实现的。
14.按权利要求11至13中任一项的方法，其特征在于，预单色仪的调节是通过将位于预单色仪(2)内的棱镜(23)绕一条平行于棱镜顶部边缘的轴线旋转而实现的。
全文摘要
一种谱仪组件(10)，包括一个具有连续谱线的光源(11)，一个用来产生较小线性色散的光谱的预单色仪(2)，从其中可选择一个光谱部分，其光谱带宽小于或等于中阶梯光谱内该序数的自由光谱范围的带宽，其中所选定的光谱间隔的中心波长可以以最大激发效率测定，一个带波长校准装置的中阶梯谱仪(4)，一个处在预单色仪(2)上的入口缝(21)，一个带中间缝(3)的中间缝组件(50)，和一个位于谱仪出口平面、用于检测波长谱的空间分辨光检测器(5)。该组件的特征在于中间缝(3)的宽度大于在中间缝处由预单色仪产生的入口缝的单色象，并提供了校准预单色仪的装置，该装置用来将具有连续谱线的光源在检测器上的光校准到一个参考位置。
文档编号G01J3/02GK1630811SQ03803518
公开日2005年6月22日 申请日期2003年1月28日 优先权日2002年2月7日
发明者S·弗罗雷克, H·贝克尔-罗斯, U·海特曼 申请人:应用光学电子光学及光谱学开发研究所, 光谱化学及应用光谱学开发研究所