检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置和方法，装置包括单色光发射单元、设置在单色光光路上的成像单元、探测单元、处理单元以及控制单元；顺序连接单色光发射单元、成像单元、探测单元、处理单元以及控制单元，单色光发射单元通过光纤将测试用单色光导入成像单元成像，光谱强度被探测单元中的探测器接收，最后经处理单元记录、分析以及处理探测器中的数据，得出凹面光栅分辨率和衍射效率的数据。本发明的装置简单，所需要的专业设备少，操作简便，可实现各类凹面光栅分辨率和衍射效率的同时检测，也可实现不同类型、不同尺寸凹面光栅在宽波段范围对分辨率和衍射效率的快速检测。
【专利说明】检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光谱【技术领域】，具体涉及一种检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置 和测试方法。
【背景技术】
[0002] 光栅是一种非常重要并且应用极其广泛的高分辨率的色散光学元件，广泛地应用 于单色仪、光谱分析、光通信技术和光计量技术等科学领域。自从光栅研制成功且大量应用 后，其几乎代替了以前的棱镜而作为新一代的光谱仪器的色散元件，光栅的精度及其衍射 波长等因素对天文、航天、医药、地质等科学【技术领域】有着深刻的影响。分辨率和衍射效率 是光栅非常重要的技术性能指标，光栅分辨率和衍射效率的高低将直接影响仪器的性能。 凹面光栅同时集准直、色散和聚焦于一体，不仅使得光能损失大为减小，而且大大简化了光 谱仪的装置，使整个光谱仪变得小巧轻便。
[0003] 光栅分辨率是衡量一块光栅能够分开的最小谱线间隔Δ λ的一个重要指标。一 般对光栅分辨率的测量有以下三种方法：已知谱线对测量法、人工双线测量法、谱线半宽度 测定法，前两种方法所用设备较复杂，经济成本较高，而且均不能完全评估整块光栅的分辨 本领，目前广泛应用的是谱线半宽度测定法。
[0004] 谱线半宽度测定法是一种将瑞利判据作为判断依据的测试方法。由瑞利判据，分 辨率体现在当某一条谱线的衍射图样的主极大与另一条谱线的衍射图样的第一极小值重 合时，就说明这两条相邻谱线是可以被分辨的。半宽度测定法就是利用光电扫描法测量记 录出实验所得谱线的轮廓，把谱线峰值半高处所对应的谱线宽度作为光栅的分辨极限。这 种测量方法比较简单，易于进行定量测定，并能够同时得到数据和曲线图样，另外这种方法 可以得到光栅的一条完整的光谱曲线图样，从而可以通过观察曲线次极大峰值伴线的强弱 来判断光栅的好坏，这也是其它测量方法无法获得的信息。
[0005] 凹面光栅衍射效率包括绝对衍射效率和相对衍射效率的检测，前者定义为单色入 射光在给定光谱级次中的衍射光通量与同一单色光入射光通量的比值，后者定义为在给定 光谱级次中单色衍射光通量与同一单色光经相同镀层特性的标准反射镜的光通量的比值。 本发明实现的是凹面光栅相对衍射效率的检测。
[0006] 目前国内外多数的光学系统的精确装调均需要添加多种光学辅助元件，装调程序 比较繁琐，各个装调环节的影响较大，增加了装调难度，对实验装调者的经验依赖度较大。 另外，目前凹面光栅分辨率的检测方法中，物方距离和像方距离无法自由调整，基本都是把 特定参数的光栅用特定的系统进行检测，而凹面光栅的种类较多，致使检测工作繁重。
【发明内容】
[0007] 为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
[0008] 本发明提供了一种检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置，具有这样的特征，包 括：
[0009] 单色光发射单元，用于发射单色光，包含顺序连接的光源以及单色仪；成像单元， 设置在单色光的光路上，包含透镜、狭缝、凹面光栅、标准反射镜、凹面光栅夹具、光栅转台、 承载光栅转台的第一转台，凹面光栅夹具位于光栅转台上，光栅转台设置在第一转台的底 座上，透镜、狭缝和凹面光栅中心线位于同一水平线上，且相互之间保持一定距离；探测单 元，包含用于接收单色光经成像单元后所形成的衍射光谱或者反射光谱的探测器，夹持探 测器的探测器夹具，承载探测器夹具的第二转台以及覆盖成像单元和探测单元的暗箱；处 理单元，用于获取探测单元的数据并且进行记录、分析以及处理；控制单元，用于控制单色 光发射单元、成像单元、探测单元以及处理单元；其中，凹面光栅和标准反光镜位于装置中 的同一位置，当检测分辨率时，采用所述凹面光栅，当检测衍射效率时，在检测完毕凹面光 栅衍射光通量后，选择更换标准反射镜，凹面光栅夹具和光栅转台独立分开，第一转台和第 二转台相互独立，分别用电机控制，用于根据不同的物方距离和像方距离调节所述凹面光 栅和所述探测器的位置，探测器包含用于分辨率检测的CCD照相机以及用于衍射效率检测 的光功率计。
[0010] 在本发明提供的检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置中，还可以具有这样的特 征：光源和单色仪均采用光纤输出。
[0011] 在本发明提供的检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置中，还可以具有这样的特 征：单色光光谱范围为350nm-700nm，测量波长精度为lnm。
[0012] 一种检测凹面光栅分辨率和衍射效率的方法，其特征在于，包含下列步骤：
[0013] 步骤1.将单色光发射单元、成像单元、探测单元、处理单元以及控制按照顺序连 接好，光栅转台和探测器转台的初始位置调回零位；
[0014] 步骤2.打开光源、初始化单色仪，调整凹面光栅位置使其零级光谱和狭缝中心重 合；
[0015] 步骤3.转动凹面光栅初调光束，使其按设计的入射角入射，调整探测器感光面位 置和凹面光栅的中心在同一水平面；
[0016] 步骤4.调整凹面光栅的位置和角度使其正一级光谱成像在探测器感光面上；
[0017] 步骤5.选择labview光栅分辨率检测软件，观察计算机部上的曲线，同时调节狭 缝的宽度和位置，使系统工作于最佳状态；
[0018] 步骤6.将成像单元和探测单元用暗箱遮住，完成凹面光栅检测系统的装调，根据 所检测到的凹面光栅的衍射光谱图像的曲线，取50%峰值处对应的半峰宽作为Λ λ，根据 入射波长λ，以及公式λ/△ λ来评估整块光栅的分辨率，完成凹面光栅分辨率的检测；
[0019] 步骤7.将探测器中的CCD照相机更换为光功率计，并选择衍射效率检测软件，采 集记录凹面光栅的衍射光谱强值；
[0020] 步骤8.更换和凹面光栅大小一致、曲率半径相同的标准反射镜，保持位置不变， 采集记录标准反射镜的350nm-700nm反射光谱强度值，计算衍射光谱强度值和反射光谱强 度值的比值，得到凹面光栅的相对衍射效率的数据，数据对比处理后绘制出凹面光栅的相 对衍射效率曲线，完成凹面光栅衍射效率的检测。
[0021] 发明作用与效果
[0022] 根据本发明提供的同时检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置及检测方法，顺序 连接单色光发射单元、成像单元、探测单元、处理单元以及控制单元，单色光发射单元通过 光纤将测试用单色光导入成像单元成像，光谱强度被探测单元中的探测器接收，最后经处 理单元记录、分析以及处理探测器中的数据，得出凹面光栅分辨率和衍射效率的数据；本发 明的光源及单色仪都是模块化并且采用光纤输出的，避免了自己搭建反射及聚光等光路， 所需光学辅助元件少，装调程序简单，另外，本发明中第一转台和第二转台相互独立，分别 用电机控制，可实现测量系统的自动化控制，精确调整凹面光栅的入射角度和工作距离以 及探测器的角度和位置，凹面光栅夹具和光栅转台独立分开，方便安装不同尺寸或者不同 形状的凹面光栅，可实现在一套系统上能同时检测各种类型的凹面光栅的分辨率和衍射效 率，也可实现不同类型、不同尺寸凹面光栅分辨率和衍射效率在宽波段范围对分辨率和衍 射效率的快速检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的实施例中检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置示意图；
[0024] 图2是本发明的实施例中第一转台的结构示意图；以及
[0025] 图3是本发明的实施例中第二转台的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0027] 图1为本发明的实施例中检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置示意图。
[0028] 如图1所示，检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置100包含单色光发射单元、成 像单元、探测单元、处理单元以及控制单元；其中，单色光发射单元包含光源11、单色仪12、 光纤13、光纤入光端口 14以及光纤出光端口 15 ;成像单兀包含透镜21、狭缝22、凹面光栅 23、标准反射镜24、凹面光栅夹具25、光栅转台26、第一转台27以及狭缝出光端口 28,透镜 21、狭缝22、凹面光栅23或标准反射镜24的中心线位于同一水平线上，且相互之间保持一 定的距离，凹面光栅夹具25位于光栅转台26上，二者相互独立，处于可拆卸的状态，光栅转 台26设置在第一转台27的底座上；探测单元包含探测器31、探测器夹具32、探测器转台 33、第二转台34以及覆盖成像单元和探测单元的暗箱35,探测器夹具32固定探测器31，探 测器转台33承载探测器夹具32,探测器转台33设置在第二转台34上，探测器33包含用于 分辨率检测的CCD照相机以及用于衍射效率检测的光功率计；处理单元包含计算机41以及 安装在计算机41上的labview光栅分辨率特性检测软件和光栅衍射特性检测软件；控制单 元同样包含计算机41，通过其上的程序面板输入系统相应的设置参数，确保系统正常运行。
[0029] 图2为本实施例中第一转台的结构示意图。
[0030] 如图2所示，第一转台27为一维转台，其上除设置凹面光栅23、标准反射镜24、凹 面光栅夹具以及标准反射镜夹具25、光栅转台26外，还包含光栅转台电机261以及第一转 台27上的第一电机271，光栅夹具以及反光镜夹具25安装在可360°旋转的光栅转台26 上，光栅转台26上的光栅转台电机261控制光栅转台26的旋转角度，第一转台27上的第 一电机271控制光栅转台26的位置，可根据不同的凹面光栅23调节光栅转台26上凹面光 栅23中心与光源中心的距离，第一电机271电机可调控量程为0-170mm。
[0031] 图3为本实施例中第二转台的结构示意图。
[0032] 如图3所示，第二转台34为二维转台，包括相互垂直的平行臂341和垂直臂342， 平行臂电机343以及垂直臂电机344,垂直臂342上安装可360°旋转的探测器转台33,探 测器转台33上设置探测器夹具32,探测器夹具32固定探测器31，平行臂341通过平行臂 电机343控制垂直臂342的位置，垂直臂342上的垂直臂电机344控制探测器转台33的位 置，探测器转台电机331控制探测器转台33的旋转角度，实现探测器31可在第二转台34 上的任意位置停留，平行臂电机343以及垂直臂电机344可调控量程均为0-170mm。
[0033] 根据实际应用，光源11包括卤素灯和氣灯，卤素灯的波长范围为400nm?1600nm, 氘灯的波长范围为200nm?400nm，单色仪12的波长范围为350?700nm，带宽为2nm，最小 步长为lnm，光纤13的纤径为400um，透镜21为石英胶合透镜，优点在于在紫外区域也不会 因为吸收紫外光而造成光强太弱，狭缝22的最小分度值为0. 001mm，暗箱29是发黑处理的 航空铝材，优点在于可大大减少外界杂散光与噪声对检测过程的影响以及检测过程中由于 入射光束反射对检测结果的影响。
[0034] 控制单元为计算机41的控制界面，通过在控制界面输入系统相应的设置参数，确 保系统的正常运行，需要设置的参数包括像素点间距、系统物方焦距、系统像方焦距、检测 波长值、狭缝宽度和光栅的罗兰圆直径；处理单元为计算机41的处理界面，根据所输入波 长得到的衍射光谱像的光强调节CCD照相机或者光功率计合适的曝光时间和增益，得到系 统在此波长下最优化的光斑和数据曲线图，保存系统检测数据，包括最大光强值、半波宽度 值和分辨率值。
[0035] 本发明还提供了一种能同时检测凹面光栅分辨率和衍射效率的方法，包括下列步 骤：
[0036] 步骤1.将单色光发射单元、成像单元、探测单元以及处理单元按照顺序连接好， 将光栅转台26和探测器转台33的初始位置调回零位；
[0037] 步骤2.打开光源11和单色仪12,选择单色仪12的起始输出波长，将光源11的出 光用光纤13和单色仪12的光纤入口端14连接起来，经单色仪2的光纤出口端15,测试单 色光导入到透镜21的整个孔径范围内，聚焦于狭缝22的中心位置，微调光纤13的固定装 置，保证从光纤14导出的光刚好均匀充满整个透镜21，固定光纤出光端口 15的位置，此时 在狭缝22中心的光斑认为是点光源；
[0038] 步骤3.调整光栅转台26的角度，使从狭缝22中心出射的光束充满整个凹面光栅 23的表面，调节凹面光栅23与狭缝22的工作距离，使凹面光栅23的零级光谱成像对准狭 缝22处的光纤出光端口 28,微调凹面光栅23和狭缝22的光纤端口 28的俯仰角，使入射光 线和出射光线同在光栅中心的水平面上；微调光栅转台26的高度及水平位置，保证凹面光 栅23无论旋转多少角度，从狭缝22入射的光束都能均匀充满整个光栅孔径，这样可以确保 透镜21、狭缝22与光栅23三者的中心在同一水平线上，并同时确保入射到凹面光栅23的 光束的均匀性，最大限度地减小光束稳定性对检测结果带来的影响；
[0039] 步骤4.调整好透镜21、狭缝22与凹面光栅23的位置关系后，固定透镜21和狭缝 22的位置，电机再次调控凹面光栅23与狭缝22之间的距离，同时转动光栅转台26,使入射 光线以光栅理论入射角度43. 2°入射，调节探测器31的C⑶照相机所在的第二转台34,使 光栅23的正一级光谱成像在探测器21的(XD照相机的感光面上；
[0040] 步骤5.选择labview光栅分辨率特性检测软件，采集光谱图像的原始图样，微调 探测器31的CCD照相机在坚直方向和水平方向的位置，保证光谱图像在CCD照相机感光面 的中间，观察计算机41上的曲线，使凹面光栅23的衍射光束无俯仰地入射到CCD照相机感 光面中心上；
[0041] 步骤6.通过观察软件上的分辨率曲线，调节狭缝22的宽度，选择系统最理想的狭 缝宽度，此时系统的装置调整完毕，固定锁死各部分的相对位置，盖上暗箱29,减少外界杂 散光和噪声对检测系统的影响；
[0042] 步骤7.采集分辨率数据并保存，根据所检测到的凹面光栅衍射光谱像的曲线，取 50%峰值处对应的半峰宽作为Λ λ，根据入射波长λ，以及公式λ/Λ λ来评估整块光栅 的分辨率，完成凹面光栅分辨率的检测；
[0043] 步骤8.更换探测器31，用光功率计替换CCD照相机，选择光栅衍射效率特性检测 软件，微调光功率计的探测位置，使光谱图像在探测面中心，采集并记录下350nm?700nm 光栅的衍射光谱强度值；
[0044] 步骤9.用相同形状和相同曲率半径的标准反射镜24替换凹面光栅23,保持光束 入射角度不变，电机控制光功率计的探测位置，采集记录下350nm?700nm标准反射镜的反 射光谱强度值，计算衍射光谱强度值和反射光谱强度值的比值，得到凹面光栅的相对衍射 效率的数据，数据对比处理后绘制出凹面光栅23的相对衍射效率曲线，完成凹面光栅23衍 射效率的检测；
[0045] 系统在装置调节结束，确定好光栅23的光束入射角度并盖上暗箱29之后，不需要 再手动调节系统各部分的相对位置，只需通过图3所示的第二转台的电机对探测器31的采 集图像位置进行自动控制，保证检测过程中把外界杂散光及噪声对系统的影响降到最小。
[0046] 实施例作用与效果
[0047] 根据本实施例提供的同时检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置及检测方法，顺 序连接单色光发射单元、成像单元、探测单元、处理单元以及控制单元，单色光发射单元通 过光纤将测试用单色光导入成像单元成像，光谱强度被探测单元中的探测器接收，最后经 处理单元记录、分析以及处理探测器中的数据，得出凹面光栅分辨率和衍射效率的数据；本 实施例的光源及单色仪都是模块化并且采用光纤输出的，避免了自己搭建反射及聚光等光 路，所需光学辅助元件少，装调程序简单，另外，本实施例中第一转台和第二转台相互独立， 分别用电机控制，可实现测量系统的自动化控制，精确调整凹面光栅的入射角度和工作距 离以及探测器的角度和位置，凹面光栅夹具和光栅转台独立分开，方便安装不同尺寸或者 不同形状的凹面光栅，可实现在一套系统上能同时检测各种类型的凹面光栅的分辨率和衍 射效率，也可实现不同类型、不同尺寸凹面光栅分辨率和衍射效率在宽波段范围对分辨率 和衍射效率的快速检测。
【权利要求】
1. 一种检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置，包括： 单色光发射单元，用于发射单色光，包含顺序连接的光源以及单色仪； 成像单元，设置在所述单色光的光路上，包含透镜、狭缝、凹面光栅、标准反射镜、凹面 光栅夹具、光栅转台以及承载所述光栅转台的第一转台，所述凹面光栅夹具位于所述光栅 转台上，所述光栅转台设置在所述第一转台的底座上，所述透镜、所述狭缝和所述凹面光栅 或所述标准反射镜中心线位于同一水平线上，且相互之间保持一定距离，所述标准反射镜 和所述凹面光栅在所述光路中的位置相同，入射角度相同，当检测分辨率时，采用所述凹面 光栅，当检测衍射效率中的标准镜入射光通量时采用所述标准反射镜； 探测单元，包含用于接收所述单色光经所述成像单元后所形成的衍射光谱或者反射光 谱的探测器，夹持所述探测器的探测器夹具，承载所述探测器夹具的第二转台以及覆盖所 述成像单元和所述探测单元的暗箱，所述探测器包含用于分辨率检测的CCD照相机以及用 于衍射效率检测的光功率计； 处理单元，用于获取所述探测单元的数据并且进行记录、分析以及处理； 控制单元，用于控制所述单色光发射单元、所述成像单元、所述探测单元以及所述处理 单元； 所述第一转台和所述第二转台相互独立，分别用电机控制，用于根据不同的物方距离 和像方距离调节所述凹面光栅和所述探测器的位置； 所述凹面光栅夹具和所述光栅转台独立分开。
2. 根据权利要求1所述的检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置，其特征在于： 其中，所述光源和所述单色仪均采用光纤输出。
3. 根据权利要求1所述的检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置，其特征在于： 其中，所述单色光光谱范围为350nm-700nm，测量波长精度为lnm。
4. 一种检测凹面光栅分辨率和衍射效率的方法，其特征在于，包含下列步骤： 步骤1，将单色光发射单元、成像单元、探测单元、处理单元以及控制单元按照顺序连 接好，光栅转台和探测器转台的初始位置调回零位； 步骤2,打开光源、初始化单色仪，调整凹面光栅位置使其零级光谱和狭缝中心重合； 步骤3,转动凹面光栅初调光束，使其按设计的入射角入射，调整探测器感光面位置和 凹面光栅的中心在同一水平面； 步骤4,调整凹面光栅的位置和角度使其正一级光谱成像在探测器感光面上； 步骤5,选择labview光栅分辨率检测软件，观察计算机上的曲线，同时调节狭缝的宽 度和位置，使系统工作于最佳状态； 步骤6,将成像单元和探测单元用暗箱遮住，完成凹面光栅检测系统的装调，根据所检 测到的凹面光栅的衍射光谱图像的曲线，取50%峰值处对应的半峰宽作为Λ λ，根据入射 波长λ，以及公式λ/△ λ来评估整块光栅的分辨率，完成凹面光栅分辨率的检测； 步骤7,将探测器中的所述CCD照相机更换为光功率计，并选择衍射效率检测软件，采 集记录凹面光栅的衍射光谱强值； 步骤8,更换和凹面光栅大小一致、曲率半径相同的标准反射镜，保持位置不变，采集 记录标准反射镜的350nm-700nm反射光谱强度值，计算衍射光谱强度值和反射光谱强度值 的比值，得到凹面光栅的相对衍射效率的数据，数据对比处理后绘制出凹面光栅的相对衍 射效率曲线，完成凹面光栅衍射效率的检测。
【文档编号】G01M11/02GK104101485SQ201410318029
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】苏仰庆, 黄元申, 杨海马, 王光斌, 黄运柏 申请人:上海理工大学