檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置及方法
2023-04-25 00:50:41
檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置及方法
【專利摘要】本發明提供了一種檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置和方法，裝置包括單色光發射單元、設置在單色光光路上的成像單元、探測單元、處理單元以及控制單元；順序連接單色光發射單元、成像單元、探測單元、處理單元以及控制單元，單色光發射單元通過光纖將測試用單色光導入成像單元成像，光譜強度被探測單元中的探測器接收，最後經處理單元記錄、分析以及處理探測器中的數據，得出凹面光柵解析度和衍射效率的數據。本發明的裝置簡單，所需要的專業設備少，操作簡便，可實現各類凹面光柵解析度和衍射效率的同時檢測，也可實現不同類型、不同尺寸凹面光柵在寬波段範圍對解析度和衍射效率的快速檢測。
【專利說明】檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於光譜【技術領域】，具體涉及一種檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置 和測試方法。
【背景技術】
[0002] 光柵是一種非常重要並且應用極其廣泛的高解析度的色散光學元件，廣泛地應用 於單色儀、光譜分析、光通信技術和光計量技術等科學領域。自從光柵研製成功且大量應用 後，其幾乎代替了以前的稜鏡而作為新一代的光譜儀器的色散元件，光柵的精度及其衍射 波長等因素對天文、航天、醫藥、地質等科學【技術領域】有著深刻的影響。解析度和衍射效率 是光柵非常重要的技術性能指標，光柵解析度和衍射效率的高低將直接影響儀器的性能。 凹面光柵同時集準直、色散和聚焦於一體，不僅使得光能損失大為減小，而且大大簡化了光 譜儀的裝置，使整個光譜儀變得小巧輕便。
[0003] 光柵解析度是衡量一塊光柵能夠分開的最小譜線間隔Δ λ的一個重要指標。一 般對光柵解析度的測量有以下三種方法：已知譜線對測量法、人工雙線測量法、譜線半寬度 測定法，前兩種方法所用設備較複雜，經濟成本較高，而且均不能完全評估整塊光柵的分辨 本領，目前廣泛應用的是譜線半寬度測定法。
[0004] 譜線半寬度測定法是一種將瑞利判據作為判斷依據的測試方法。由瑞利判據，分 辨率體現在當某一條譜線的衍射圖樣的主極大與另一條譜線的衍射圖樣的第一極小值重 合時，就說明這兩條相鄰譜線是可以被分辨的。半寬度測定法就是利用光電掃描法測量記 錄出實驗所得譜線的輪廓，把譜線峰值半高處所對應的譜線寬度作為光柵的分辨極限。這 種測量方法比較簡單，易於進行定量測定，並能夠同時得到數據和曲線圖樣，另外這種方法 可以得到光柵的一條完整的光譜曲線圖樣，從而可以通過觀察曲線次極大峰值伴線的強弱 來判斷光柵的好壞，這也是其它測量方法無法獲得的信息。
[0005] 凹面光柵衍射效率包括絕對衍射效率和相對衍射效率的檢測，前者定義為單色入 射光在給定光譜級次中的衍射光通量與同一單色光入射光通量的比值，後者定義為在給定 光譜級次中單色衍射光通量與同一單色光經相同鍍層特性的標準反射鏡的光通量的比值。 本發明實現的是凹面光柵相對衍射效率的檢測。
[0006] 目前國內外多數的光學系統的精確裝調均需要添加多種光學輔助元件，裝調程序 比較繁瑣，各個裝調環節的影響較大，增加了裝調難度，對實驗裝調者的經驗依賴度較大。 另外，目前凹面光柵解析度的檢測方法中，物方距離和像方距離無法自由調整，基本都是把 特定參數的光柵用特定的系統進行檢測，而凹面光柵的種類較多，致使檢測工作繁重。
【發明內容】
[0007] 為解決上述問題，本發明採用了如下技術方案：
[0008] 本發明提供了一種檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置，具有這樣的特徵，包 括：
[0009] 單色光發射單元，用於發射單色光，包含順序連接的光源以及單色儀；成像單元， 設置在單色光的光路上，包含透鏡、狹縫、凹面光柵、標準反射鏡、凹面光柵夾具、光柵轉臺、 承載光柵轉臺的第一轉臺，凹面光柵夾具位於光柵轉臺上，光柵轉臺設置在第一轉臺的底 座上，透鏡、狹縫和凹面光柵中心線位於同一水平線上，且相互之間保持一定距離；探測單 元，包含用於接收單色光經成像單元後所形成的衍射光譜或者反射光譜的探測器，夾持探 測器的探測器夾具，承載探測器夾具的第二轉臺以及覆蓋成像單元和探測單元的暗箱；處 理單元，用於獲取探測單元的數據並且進行記錄、分析以及處理；控制單元，用於控制單色 光發射單元、成像單元、探測單元以及處理單元；其中，凹面光柵和標準反光鏡位於裝置中 的同一位置，當檢測解析度時，採用所述凹面光柵，當檢測衍射效率時，在檢測完畢凹面光 柵衍射光通量後，選擇更換標準反射鏡，凹面光柵夾具和光柵轉臺獨立分開，第一轉臺和第 二轉臺相互獨立，分別用電機控制，用於根據不同的物方距離和像方距離調節所述凹面光 柵和所述探測器的位置，探測器包含用於解析度檢測的CCD照相機以及用於衍射效率檢測 的光功率計。
[0010] 在本發明提供的檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置中，還可以具有這樣的特 徵：光源和單色儀均採用光纖輸出。
[0011] 在本發明提供的檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置中，還可以具有這樣的特 徵：單色光光譜範圍為350nm-700nm，測量波長精度為lnm。
[0012] 一種檢測凹面光柵解析度和衍射效率的方法，其特徵在於，包含下列步驟：
[0013] 步驟1.將單色光發射單元、成像單元、探測單元、處理單元以及控制按照順序連 接好，光柵轉臺和探測器轉臺的初始位置調回零位；
[0014] 步驟2.打開光源、初始化單色儀，調整凹面光柵位置使其零級光譜和狹縫中心重 合；
[0015] 步驟3.轉動凹面光柵初調光束，使其按設計的入射角入射，調整探測器感光面位 置和凹面光柵的中心在同一水平面；
[0016] 步驟4.調整凹面光柵的位置和角度使其正一級光譜成像在探測器感光面上；
[0017] 步驟5.選擇labview光柵解析度檢測軟體，觀察計算機部上的曲線，同時調節狹 縫的寬度和位置，使系統工作於最佳狀態；
[0018] 步驟6.將成像單元和探測單元用暗箱遮住，完成凹面光柵檢測系統的裝調，根據 所檢測到的凹面光柵的衍射光譜圖像的曲線，取50%峰值處對應的半峰寬作為Λ λ，根據 入射波長λ，以及公式λ/△ λ來評估整塊光柵的解析度，完成凹面光柵解析度的檢測；
[0019] 步驟7.將探測器中的CCD照相機更換為光功率計，並選擇衍射效率檢測軟體，採 集記錄凹面光柵的衍射光譜強值；
[0020] 步驟8.更換和凹面光柵大小一致、曲率半徑相同的標準反射鏡，保持位置不變， 採集記錄標準反射鏡的350nm-700nm反射光譜強度值，計算衍射光譜強度值和反射光譜強 度值的比值，得到凹面光柵的相對衍射效率的數據，數據對比處理後繪製出凹面光柵的相 對衍射效率曲線，完成凹面光柵衍射效率的檢測。
[0021] 發明作用與效果
[0022] 根據本發明提供的同時檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置及檢測方法，順序 連接單色光發射單元、成像單元、探測單元、處理單元以及控制單元，單色光發射單元通過 光纖將測試用單色光導入成像單元成像，光譜強度被探測單元中的探測器接收，最後經處 理單元記錄、分析以及處理探測器中的數據，得出凹面光柵解析度和衍射效率的數據；本發 明的光源及單色儀都是模塊化並且採用光纖輸出的，避免了自己搭建反射及聚光等光路， 所需光學輔助元件少，裝調程序簡單，另外，本發明中第一轉臺和第二轉臺相互獨立，分別 用電機控制，可實現測量系統的自動化控制，精確調整凹面光柵的入射角度和工作距離以 及探測器的角度和位置，凹面光柵夾具和光柵轉臺獨立分開，方便安裝不同尺寸或者不同 形狀的凹面光柵，可實現在一套系統上能同時檢測各種類型的凹面光柵的解析度和衍射效 率，也可實現不同類型、不同尺寸凹面光柵解析度和衍射效率在寬波段範圍對解析度和衍 射效率的快速檢測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發明的實施例中檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置示意圖；
[0024] 圖2是本發明的實施例中第一轉臺的結構示意圖；以及
[0025] 圖3是本發明的實施例中第二轉臺的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0027] 圖1為本發明的實施例中檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置示意圖。
[0028] 如圖1所示，檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置100包含單色光發射單元、成 像單元、探測單元、處理單元以及控制單元；其中，單色光發射單元包含光源11、單色儀12、 光纖13、光纖入光埠 14以及光纖出光埠 15 ;成像單兀包含透鏡21、狹縫22、凹面光柵 23、標準反射鏡24、凹面光柵夾具25、光柵轉臺26、第一轉臺27以及狹縫出光埠 28,透鏡 21、狹縫22、凹面光柵23或標準反射鏡24的中心線位於同一水平線上，且相互之間保持一 定的距離，凹面光柵夾具25位於光柵轉臺26上，二者相互獨立，處於可拆卸的狀態，光柵轉 臺26設置在第一轉臺27的底座上；探測單元包含探測器31、探測器夾具32、探測器轉臺 33、第二轉臺34以及覆蓋成像單元和探測單元的暗箱35,探測器夾具32固定探測器31，探 測器轉臺33承載探測器夾具32,探測器轉臺33設置在第二轉臺34上，探測器33包含用於 解析度檢測的CCD照相機以及用於衍射效率檢測的光功率計；處理單元包含計算機41以及 安裝在計算機41上的labview光柵解析度特性檢測軟體和光柵衍射特性檢測軟體；控制單 元同樣包含計算機41，通過其上的程序面板輸入系統相應的設置參數，確保系統正常運行。
[0029] 圖2為本實施例中第一轉臺的結構示意圖。
[0030] 如圖2所示，第一轉臺27為一維轉臺，其上除設置凹面光柵23、標準反射鏡24、凹 面光柵夾具以及標準反射鏡夾具25、光柵轉臺26外，還包含光柵轉臺電機261以及第一轉 臺27上的第一電機271，光柵夾具以及反光鏡夾具25安裝在可360°旋轉的光柵轉臺26 上，光柵轉臺26上的光柵轉臺電機261控制光柵轉臺26的旋轉角度，第一轉臺27上的第 一電機271控制光柵轉臺26的位置，可根據不同的凹面光柵23調節光柵轉臺26上凹面光 柵23中心與光源中心的距離，第一電機271電機可調控量程為0-170mm。
[0031] 圖3為本實施例中第二轉臺的結構示意圖。
[0032] 如圖3所示，第二轉臺34為二維轉臺，包括相互垂直的平行臂341和垂直臂342， 平行臂電機343以及垂直臂電機344,垂直臂342上安裝可360°旋轉的探測器轉臺33,探 測器轉臺33上設置探測器夾具32,探測器夾具32固定探測器31，平行臂341通過平行臂 電機343控制垂直臂342的位置，垂直臂342上的垂直臂電機344控制探測器轉臺33的位 置，探測器轉臺電機331控制探測器轉臺33的旋轉角度，實現探測器31可在第二轉臺34 上的任意位置停留，平行臂電機343以及垂直臂電機344可調控量程均為0-170mm。
[0033] 根據實際應用，光源11包括滷素燈和氣燈，滷素燈的波長範圍為400nm?1600nm, 氘燈的波長範圍為200nm?400nm，單色儀12的波長範圍為350?700nm，帶寬為2nm，最小 步長為lnm，光纖13的纖徑為400um，透鏡21為石英膠合透鏡，優點在於在紫外區域也不會 因為吸收紫外光而造成光強太弱，狹縫22的最小分度值為0. 001mm，暗箱29是發黑處理的 航空鋁材，優點在於可大大減少外界雜散光與噪聲對檢測過程的影響以及檢測過程中由於 入射光束反射對檢測結果的影響。
[0034] 控制單元為計算機41的控制界面，通過在控制界面輸入系統相應的設置參數，確 保系統的正常運行，需要設置的參數包括像素點間距、系統物方焦距、系統像方焦距、檢測 波長值、狹縫寬度和光柵的羅蘭圓直徑；處理單元為計算機41的處理界面，根據所輸入波 長得到的衍射光譜像的光強調節CCD照相機或者光功率計合適的曝光時間和增益，得到系 統在此波長下最優化的光斑和數據曲線圖，保存系統檢測數據，包括最大光強值、半波寬度 值和解析度值。
[0035] 本發明還提供了一種能同時檢測凹面光柵解析度和衍射效率的方法，包括下列步 驟：
[0036] 步驟1.將單色光發射單元、成像單元、探測單元以及處理單元按照順序連接好， 將光柵轉臺26和探測器轉臺33的初始位置調回零位；
[0037] 步驟2.打開光源11和單色儀12,選擇單色儀12的起始輸出波長，將光源11的出 光用光纖13和單色儀12的光纖入口端14連接起來，經單色儀2的光纖出口端15,測試單 色光導入到透鏡21的整個孔徑範圍內，聚焦於狹縫22的中心位置，微調光纖13的固定裝 置，保證從光纖14導出的光剛好均勻充滿整個透鏡21，固定光纖出光埠 15的位置，此時 在狹縫22中心的光斑認為是點光源；
[0038] 步驟3.調整光柵轉臺26的角度，使從狹縫22中心出射的光束充滿整個凹面光柵 23的表面，調節凹面光柵23與狹縫22的工作距離，使凹面光柵23的零級光譜成像對準狹 縫22處的光纖出光埠 28,微調凹面光柵23和狹縫22的光纖埠 28的俯仰角，使入射光 線和出射光線同在光柵中心的水平面上；微調光柵轉臺26的高度及水平位置，保證凹面光 柵23無論旋轉多少角度，從狹縫22入射的光束都能均勻充滿整個光柵孔徑，這樣可以確保 透鏡21、狹縫22與光柵23三者的中心在同一水平線上，並同時確保入射到凹面光柵23的 光束的均勻性，最大限度地減小光束穩定性對檢測結果帶來的影響；
[0039] 步驟4.調整好透鏡21、狹縫22與凹面光柵23的位置關係後，固定透鏡21和狹縫 22的位置，電機再次調控凹面光柵23與狹縫22之間的距離，同時轉動光柵轉臺26,使入射 光線以光柵理論入射角度43. 2°入射，調節探測器31的C⑶照相機所在的第二轉臺34,使 光柵23的正一級光譜成像在探測器21的(XD照相機的感光面上；
[0040] 步驟5.選擇labview光柵解析度特性檢測軟體，採集光譜圖像的原始圖樣，微調 探測器31的CCD照相機在堅直方向和水平方向的位置，保證光譜圖像在CCD照相機感光面 的中間，觀察計算機41上的曲線，使凹面光柵23的衍射光束無俯仰地入射到CCD照相機感 光面中心上；
[0041] 步驟6.通過觀察軟體上的解析度曲線，調節狹縫22的寬度，選擇系統最理想的狹 縫寬度，此時系統的裝置調整完畢，固定鎖死各部分的相對位置，蓋上暗箱29,減少外界雜 散光和噪聲對檢測系統的影響；
[0042] 步驟7.採集解析度數據並保存，根據所檢測到的凹面光柵衍射光譜像的曲線，取 50%峰值處對應的半峰寬作為Λ λ，根據入射波長λ，以及公式λ/Λ λ來評估整塊光柵 的解析度，完成凹面光柵解析度的檢測；
[0043] 步驟8.更換探測器31，用光功率計替換CCD照相機，選擇光柵衍射效率特性檢測 軟體，微調光功率計的探測位置，使光譜圖像在探測面中心，採集並記錄下350nm?700nm 光柵的衍射光譜強度值；
[0044] 步驟9.用相同形狀和相同曲率半徑的標準反射鏡24替換凹面光柵23,保持光束 入射角度不變，電機控制光功率計的探測位置，採集記錄下350nm?700nm標準反射鏡的反 射光譜強度值，計算衍射光譜強度值和反射光譜強度值的比值，得到凹面光柵的相對衍射 效率的數據，數據對比處理後繪製出凹面光柵23的相對衍射效率曲線，完成凹面光柵23衍 射效率的檢測；
[0045] 系統在裝置調節結束，確定好光柵23的光束入射角度並蓋上暗箱29之後，不需要 再手動調節系統各部分的相對位置，只需通過圖3所示的第二轉臺的電機對探測器31的採 集圖像位置進行自動控制，保證檢測過程中把外界雜散光及噪聲對系統的影響降到最小。
[0046] 實施例作用與效果
[0047] 根據本實施例提供的同時檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置及檢測方法，順 序連接單色光發射單元、成像單元、探測單元、處理單元以及控制單元，單色光發射單元通 過光纖將測試用單色光導入成像單元成像，光譜強度被探測單元中的探測器接收，最後經 處理單元記錄、分析以及處理探測器中的數據，得出凹面光柵解析度和衍射效率的數據；本 實施例的光源及單色儀都是模塊化並且採用光纖輸出的，避免了自己搭建反射及聚光等光 路，所需光學輔助元件少，裝調程序簡單，另外，本實施例中第一轉臺和第二轉臺相互獨立， 分別用電機控制，可實現測量系統的自動化控制，精確調整凹面光柵的入射角度和工作距 離以及探測器的角度和位置，凹面光柵夾具和光柵轉臺獨立分開，方便安裝不同尺寸或者 不同形狀的凹面光柵，可實現在一套系統上能同時檢測各種類型的凹面光柵的解析度和衍 射效率，也可實現不同類型、不同尺寸凹面光柵解析度和衍射效率在寬波段範圍對解析度 和衍射效率的快速檢測。
【權利要求】
1. 一種檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置，包括： 單色光發射單元，用於發射單色光，包含順序連接的光源以及單色儀； 成像單元，設置在所述單色光的光路上，包含透鏡、狹縫、凹面光柵、標準反射鏡、凹面 光柵夾具、光柵轉臺以及承載所述光柵轉臺的第一轉臺，所述凹面光柵夾具位於所述光柵 轉臺上，所述光柵轉臺設置在所述第一轉臺的底座上，所述透鏡、所述狹縫和所述凹面光柵 或所述標準反射鏡中心線位於同一水平線上，且相互之間保持一定距離，所述標準反射鏡 和所述凹面光柵在所述光路中的位置相同，入射角度相同，當檢測解析度時，採用所述凹面 光柵，當檢測衍射效率中的標準鏡入射光通量時採用所述標準反射鏡； 探測單元，包含用於接收所述單色光經所述成像單元後所形成的衍射光譜或者反射光 譜的探測器，夾持所述探測器的探測器夾具，承載所述探測器夾具的第二轉臺以及覆蓋所 述成像單元和所述探測單元的暗箱，所述探測器包含用於解析度檢測的CCD照相機以及用 於衍射效率檢測的光功率計； 處理單元，用於獲取所述探測單元的數據並且進行記錄、分析以及處理； 控制單元，用於控制所述單色光發射單元、所述成像單元、所述探測單元以及所述處理 單元； 所述第一轉臺和所述第二轉臺相互獨立，分別用電機控制，用於根據不同的物方距離 和像方距離調節所述凹面光柵和所述探測器的位置； 所述凹面光柵夾具和所述光柵轉臺獨立分開。
2. 根據權利要求1所述的檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置，其特徵在於： 其中，所述光源和所述單色儀均採用光纖輸出。
3. 根據權利要求1所述的檢測凹面光柵解析度和衍射效率的裝置，其特徵在於： 其中，所述單色光光譜範圍為350nm-700nm，測量波長精度為lnm。
4. 一種檢測凹面光柵解析度和衍射效率的方法，其特徵在於，包含下列步驟： 步驟1，將單色光發射單元、成像單元、探測單元、處理單元以及控制單元按照順序連 接好，光柵轉臺和探測器轉臺的初始位置調回零位； 步驟2,打開光源、初始化單色儀，調整凹面光柵位置使其零級光譜和狹縫中心重合； 步驟3,轉動凹面光柵初調光束，使其按設計的入射角入射，調整探測器感光面位置和 凹面光柵的中心在同一水平面； 步驟4,調整凹面光柵的位置和角度使其正一級光譜成像在探測器感光面上； 步驟5,選擇labview光柵解析度檢測軟體，觀察計算機上的曲線，同時調節狹縫的寬 度和位置，使系統工作於最佳狀態； 步驟6,將成像單元和探測單元用暗箱遮住，完成凹面光柵檢測系統的裝調，根據所檢 測到的凹面光柵的衍射光譜圖像的曲線，取50%峰值處對應的半峰寬作為Λ λ，根據入射 波長λ，以及公式λ/△ λ來評估整塊光柵的解析度，完成凹面光柵解析度的檢測； 步驟7,將探測器中的所述CCD照相機更換為光功率計，並選擇衍射效率檢測軟體，採 集記錄凹面光柵的衍射光譜強值； 步驟8,更換和凹面光柵大小一致、曲率半徑相同的標準反射鏡，保持位置不變，採集 記錄標準反射鏡的350nm-700nm反射光譜強度值，計算衍射光譜強度值和反射光譜強度值 的比值，得到凹面光柵的相對衍射效率的數據，數據對比處理後繪製出凹面光柵的相對衍 射效率曲線，完成凹面光柵衍射效率的檢測。
【文檔編號】G01M11/02GK104101485SQ201410318029
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】蘇仰慶, 黃元申, 楊海馬, 王光斌, 黃運柏 申請人:上海理工大學