一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀的製作方法

2023-05-19 04:56:46

一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀的製作方法
【專利摘要】一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀屬於光譜【技術領域】，目的在於解決現有技術出射光譜帶寬不一致的問題，提高測量精度、簡化操作步驟、提高測量效率。本發明的光源模塊發出的光依次經入射孔和可選擇光闌照射到凹面準直鏡C後照射到轉臺上的參考平面反射鏡或待測光柵後經凹面成像鏡匯聚於出射孔；出射孔的出射光經離軸準直鏡準直、分光立方體A分光、固定角錐體A及運動角錐體A反射後由離軸成像鏡匯聚於主探測器；穩頻雷射器發出的雷射經分光立方體B分光、固定角錐體B及運動角錐體B反射，匯聚在參考探測器；運動角錐體A和運動角錐體B一起做勻速直線運動，主探測器進行等光程差數據採集，對採集數據進行光譜還原、相對衍射效率計算。
【專利說明】一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀

【技術領域】
[0001]本發明屬於光譜【技術領域】，具體涉及一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀。

【背景技術】
[0002]光柵光譜儀憑藉其優異的性能，被廣泛應用於光譜分析、前沿交叉學科、社會民生等領域。其中，衍射光柵(以下簡稱光柵)是光柵光譜儀的核心元件，其性能參數直接影響光譜儀器性能，光柵的主要指標有多種，包括衍射效率、衍射波前、分辨力、雜散光強度和鬼線強度，上述指標中，衍射效率決定了光譜儀器的能量傳輸能力，是評價光柵性能最為重要的技術指標之一。
[0003]衍射效率分為絕對衍射效率和相對衍射效率，在實際應用中，衍射效率通常指的是相對衍射效率，即探測器接收到的給定級次和波長的衍射光通量與接收到的標準反射鏡的反射光通量之比。
[0004]光柵使用者往往對所需求的光柵提出要求，要求光柵的衍射效率在某一波長λ的第m級次必須達到規定的技術指標；因此，光柵的研製和生產單位，對其研製、生產的光柵需進行光柵衍射效率的測試。
[0005]現有的平面光柵相對衍射效率測試儀器中，普遍採用雙單色儀的結構形式，參見附圖1，現有的平面光柵相對衍射效率測試儀器的光路結構包括光源外光路、前置單色儀、測量單色儀和控制器。光源外光路包括鎢燈1、氘燈2、聚光鏡3。前置單色儀包括入射狹縫A4、凹面準直鏡A5、分光光柵6、反射聚光鏡7、殼體A8。測量單色儀包括入射狹縫B9、凹面準直鏡B10、待測光柵11或參考平面反射鏡12、轉臺13、反射聚光鏡14、殼體B18、出射狹縫15和光電倍增管16。
[0006]光源外光路和前置單色儀為測量提供單色光，控制器17控制分光光柵6和待測光柵11的連續轉動角速度，使兩單色儀輸出同一波長單色光。光電倍增管17分別接收來自待測光柵11的衍射光和參考平面反射鏡12的反射光，並計算他們的比值。當測量下一波長時，控制分光光柵6和待測光柵11的轉動角度，實現不同波長衍射效率的測量。
[0007]上述測量光路避免不了待測光柵11和參考平面反射鏡12出射光譜寬度和出射光束截面發生變化的問題，需軟體給予補償算法，影響測量精度，測量精度低；另外，前置單色儀需定期定標，增加操作步驟。


【發明內容】

[0008]本發明的目的在於提出一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀，解決現有技術存在的出射光譜帶寬不一致的問題，提高測量精度、簡化操作步驟、提高測量效率。
[0009]為實現上述目的，本發明的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀包括光源模塊、測量單色儀、動鏡系統、控制系統以及設置在傅立葉光譜測量系統殼體內部的傅立葉光譜測量系統和參考幹涉系統；
[0010]所述測量單色儀包括測量單色儀殼體、設置在測量單色儀殼體上的入射孔和出射孔以及設置在測量單色儀殼體內的可選擇光闌、凹面準直鏡C、轉臺和凹面成像鏡；
[0011]所述傅立葉光譜測量系統包括沿光路傳輸方向依次布置的離軸準直鏡、分光立方體A、固定角錐體A、運動角錐體A、離軸成像鏡和主探測器；
[0012]所述參考幹涉系統包括穩頻雷射器、分光立方體B、固定角錐體B、運動角錐體B和參考探測器；
[0013]所述光源模塊發出的光依次經入射孔和可選擇光闌照射到凹面準直鏡C上，形成平行光，所述平行光照射到布置在轉臺上的參考平面反射鏡或待測光柵後經凹面成像鏡匯聚於出射孔，所述傅立葉光譜測量系統設置在所述出射孔的傳播方向上；所述出射孔的出射光經90度離軸準直鏡準直、分光立方體A分光、固定角錐體A及運動角錐體A反射最終由90度離軸成像鏡匯聚於主探測器；
[0014]穩頻雷射器發出的雷射經分光立方體B分光、固定角錐體B及運動角錐體B反射，最終匯聚在參考探測器；
[0015]主光路的運動角錐體A與參考光路運動角錐體B相對設置，通過動鏡系統帶動運動角錐體A和運動角錐體B —起做直線運動，主探測器和參考探測器分別接收並記錄隨光程差變化的幹涉光強；控制系統實時監測並調節動鏡系統使其勻速運動，同時控制主探測器進行等光程差數據採集，對採集數據進行光譜還原、相對衍射效率計算。
[0016]所述光源模塊包括鎢燈、平面反射鏡和聚光鏡；所述鎢燈的光線經所述平面反射鏡反射到所述聚光鏡上，再經所述聚光鏡反射後，聚焦在所述入射孔。
[0017]當置換待測光柵時，待測光柵在轉臺上的位置與參考平面反射鏡在轉臺上的位置相同。
[0018]所述主探測器位於90度離軸成像鏡的焦面上。
[0019]所述入射孔位於凹面準直鏡C的入射光路上，且位於光源模塊和凹面準直鏡C共同的焦面上；所述出射孔位於凹面成像鏡的反射光路上，且位於凹面成像鏡和90度離軸準直鏡共同的焦面上。
[0020]所述入射孔的直徑為1mm，所述出射孔的直徑為2mm。
[0021]所述測量單色儀布置在所述傅立葉光譜測量系統前。
[0022]所述參考幹涉系統布置在所述傅立葉光譜測量系統一側。
[0023]本發明的有益效果為:本發明的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀採用測量單色儀與傅立葉光譜測量系統聯用的形式測量平面光柵的衍射效率，其測量結果帶寬更小、光柵疊級、雜散光的影響更低、測量波長定位精度更高、無需定期標定並且從原理上避免了待測光柵和標準反射鏡出射光譜寬度和出射光束截面不一致對測量結果帶來的影響，提高測量的準確性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為現有技術中的平面光柵衍射效率測試儀的結構示意圖；
[0025]圖2為本發明的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀的結構示意圖；
[0026]其中:1、鎢燈，2、氘燈，3、聚光鏡，4、入射狹縫A，5、凹面準直鏡A，6、分光光柵，7、反射聚光鏡，8、殼體A，9、入射狹縫B，10、凹面準直鏡B，11、待測光柵，12、參考平面反射鏡，13、轉臺，14、反射聚光鏡，15、出射狹縫B，16、光電倍增管，17、控制器，18、殼體B，19、平面反射鏡，20、入射孔，21、可選擇光闌，22、凹面準直鏡C，23、凹面成像鏡，24、出射孔，25、測量單色儀殼體，26、離軸準直鏡，27、分光立方體A，28、固定角錐體A，29、運動角錐體A，30、離軸成像鏡，31、主探測器，32、穩頻雷射器，33、分光立方體B，34、固定角錐體B，35、運動角錐體B，36、動鏡系統，37、參考探測器，38、傅立葉光譜測量系統殼體。

【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明。
[0028]參見附圖2，本發明的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀包括光源模塊、測量單色儀、動鏡系統36、控制系統以及設置在傅立葉光譜測量系統殼體38內部的傅立葉光譜測量系統和參考幹涉系統；
[0029]所述測量單色儀包括測量單色儀殼體25、設置在測量單色儀殼體25上的入射孔20和出射孔24以及設置在測量單色儀殼體25內的可選擇光闌21、凹面準直鏡C22、轉臺13和凹面成像鏡23 ；
[0030]所述傅立葉光譜測量系統包括沿光路傳輸方向依次布置的離軸準直鏡26、分光立方體A27、固定角錐體A28、運動角錐體A29、離軸成像鏡30和主探測器31 ；
[0031]所述傅立葉測量系統的離軸準直鏡26、離軸成像鏡30採用90度離軸拋面鏡MPD254254-90-P01，其有效焦距為50.8_，表面鍍鋁；分光立方體A27採用CM01-BS013、CM01-BS014、CM01-BS015，分別在400-700nm、700-1100nm、1100-1600nm實現 1:1 的分束比；固定角錐體A28和運動角錐體A29採用PS975M以精確回射入射光；主探測器31的兩個光電倍增管分別採用高靈敏度、低噪聲的S1226-8BK和G8605-25，以實現對400_1000nm波段與900-1600nm波段光譜的測量；
[0032]所述參考幹涉系統包括穩頻雷射器32、分光立方體B33、固定角錐體B34、運動角錐體B35和參考探測器37 ；
[0033]所述參考幹涉系統的穩頻雷射器32採用穩頻特性極佳的HRS015穩頻雷射器32 ;分光立方體B33採用CM05-BS016，可在400_700nm實現1:1的分束比；固定角錐體B34和運動角錐體B35採用PS974M以精確回射入射光；參考探測器37採用S1787-12光電倍增管對參考光的幹涉光強進行測量。
[0034]採用新型原理檢測待測光柵11的衍射效率，從原理上避免了待測光柵11和參考平面反射鏡12出射光譜寬度、出射光束截面不一致對測量結果帶來的影響，提高測量的準確性。
[0035]所述光源模塊發出的光依次經入射孔20和可選擇光闌21照射到凹面準直鏡C22上，形成平行光，所述平行光照射到布置在轉臺13上的參考平面反射鏡12或待測光柵11後經凹面成像鏡23匯聚於出射孔24，所述傅立葉光譜測量系統設置在所述出射孔24的傳播方向上；所述出射孔24的出射光經90度離軸準直鏡26準直、分光立方體A27分光、固定角錐體A28及運動角錐體A29反射最終由90度離軸成像鏡30匯聚於主探測器31 ;
[0036]穩頻雷射器32發出的雷射經分光立方體B33分光、固定角錐體B34及運動角錐體B35反射，最終匯聚在參考探測器37 ;
[0037]主光路的運動角錐體A29與參考光路運動角錐體B35相對設置，通過動鏡系統36帶動運動角錐體A29和運動角錐體B35 —起做直線運動使主光路與參考光路的光程差同時發生變化，主探測器31和參考探測器37分別接收並記錄隨光程差變化的幹涉光強；控制系統實時監測並調節動鏡系統36使其勻速運動，同時控制主探測器31進行等光程差數據採集，對採集數據進行光譜還原、相對衍射效率計算。
[0038]所述光源模塊包括鎢燈1、平面反射鏡19和聚光鏡3 ;所述鎢燈I的光線經所述平面反射鏡19反射到所述聚光鏡3上，再經所述聚光鏡3反射後，聚焦在所述入射孔20。
[0039]在本發明最優選方案中，鎢燈I採用飛利浦20W、0?12V的鎢燈I ;所述聚光鏡3的基底採用K9玻璃，所述聚光鏡3表面鍍鋁且焦距f = 102mm。
[0040]當置換待測光柵11時，待測光柵11在轉臺13上的位置與參考平面反射鏡12在轉臺13上的位置相同。
[0041]所述主探測器31位於90度離軸成像鏡30的焦面上接收並記錄各個波段幹涉光強的總和。
[0042]所述入射孔20位於凹面準直鏡C22的入射光路上，且位於光源模塊和凹面準直鏡C22共同的焦面上；所述出射孔24位於凹面成像鏡23的反射光路上，且位於凹面成像鏡23和90度離軸準直鏡26共同的焦面上。
[0043]所述入射孔20的直徑為1mm，所述出射孔24的直徑為2mm。
[0044]所述測量單色儀布置在所述傅立葉光譜測量系統前。
[0045]所述參考幹涉系統布置在所述傅立葉光譜測量系統一側。
[0046]根據待測光柵11的孔徑、衍射角確定可選擇光闌21的孔徑，使得入射到參考平面反射鏡12和待測光柵11的光強相等，保證測量條件的一致，提高測量準確性。
[0047]本發明的傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀工作過程為:首先根據待測光柵11旋轉後有效入射面積確定相應可選擇光闌21的孔徑，將參考平面反射鏡12放到轉臺13上；調整聚光鏡3，使得鎢燈I聚焦於入射孔20並通過可選擇光闌21照射到凹面準直鏡C22上形成平行光，平行光照射到參考平面反射鏡12上，轉臺13在方位、俯仰、滾轉三個自由度上做精確調整，調整好參考平面反射鏡12的狀態後，光線經參考平面反射鏡12後由凹面成像鏡2310匯聚於出射孔2411，其他部件保持不動；動鏡系統36運動一個周期，在動鏡系統36運動過程中利用參考探測器3724探測的幹涉光強實時調節動鏡系統36使其勻速運動，同時控制主探測器31進行等光程差觸發採樣，對主探測器31採集的數據其進行去直流、切趾、相位校正、快速傅立葉變換即可還原衍射光譜。
[0048]同理，將待測光柵11放置到轉臺13上與參考平面反射鏡12同一位置處，卸下參考平面反射鏡12，保持其他部件不動調整好待測光柵11狀態，動鏡系統36再運動一個周期並還原出反射光譜，將待測光柵11還原的衍射光譜與參考平面反射鏡12還原的反射光譜對應波長的光譜做比值，即得待測光柵11在此測量波長下的相對衍射效率。
[0049]所述入射孔20直徑為1mm，增大入射孔20直徑可以增加入射光通量從而提高系統的信噪比；所述出射孔24直徑為2mm，增大出射孔24直徑用於全部接收待測光柵11某波段的衍射光，避免衍射光損失造成測量結果的偏低，同時增加一次性檢測光柵相對衍射效率的檢測波段，提高工作效率。入射孔20、出射孔24要比傳統的平面光柵相對衍射效率儀大數倍，增大了光通量改善了信噪比而又不影響測試性能。
[0050]所述測量單色儀殼體25內部為均勻塗黑、粗糙面，以及在各元件處增加光闌用以降低系統雜散光、提高信噪比。
[0051]所述測量單色儀布置在所述傅立葉光譜測量系統前，避免了傅立葉光譜測量系統置於測量單色儀前對動鏡偏擺、平移的放大作用從而影響幹涉光強的調製度。
[0052]所述參考幹涉系統布置在所述傅立葉光譜測量系統一側而非共路放置，使得參考幹涉系統無需更換分束器，同時避免了由於共路造成的實際可測待測光柵11面積的減小。
[0053]所述測量單色儀殼體25、傅立葉光譜測量系統殼體38均由鋁壓制而成。轉臺13採用鋁，並通過絲槓進行精確控制，其尺寸大於參考平面反射鏡12和待測光柵11的尺寸。
[0054]所述待測光柵11為任意刻線數的平面反射光柵。參考平面反射鏡12的基底材料採用K9光學玻璃，表面鍍鋁。
[0055]動鏡系統36具體為運動平移臺，其採用音圈電機與氣浮導軌相結合的高精度VCS-60A平移臺。
[0056]本發明的傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀，採用測量單色儀與傅立葉光譜測量系統聯用的形式測量平面光柵相對衍射效率，其測量結果帶寬更小、光柵疊級、雜散光的影響更低、測量波長定位精度更高、無需定期標定並且從原理上避免了待測光柵11和標準反射鏡出射光譜寬度和出射光束截面不一致對測量結果帶來的影響，提高測量的準確性。
[0057]以上所述本發明的【具體實施方式】，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何根據本發明的技術構思所作出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀，包括光源模塊和測量單色儀，其特徵在於，還包括動鏡系統(36)、控制系統以及設置在傅立葉光譜測量系統殼體(38)內部的傅立葉光譜測量系統和參考幹涉系統； 所述測量單色儀包括測量單色儀殼體(25)、設置在測量單色儀殼體(25)上的入射孔(20)和出射孔(24)以及設置在測量單色儀殼體(25)內的可選擇光闌(21)、凹面準直鏡C(22)、轉臺(13)和凹面成像鏡(23)； 所述傅立葉光譜測量系統包括沿光路傳輸方向依次布置的離軸準直鏡(26)、分光立方體A(27)、固定角錐體A(28)、運動角錐體A(29)、離軸成像鏡(30)和主探測器(31); 所述參考幹涉系統包括穩頻雷射器(32)、分光立方體B (33)、固定角錐體B (34)、運動角錐體B (35)和參考探測器(37); 所述光源模塊發出的光依次經入射孔(20)和可選擇光闌(21)照射到凹面準直鏡C(22)上，形成平行光，所述平行光照射到布置在轉臺(13)上的參考平面反射鏡(12)或待測光柵(11)後經凹面成像鏡(23)匯聚於出射孔(24)，所述傅立葉光譜測量系統設置在所述出射孔(24)的傳播方向上；所述出射孔(24)的出射光經90度離軸準直鏡(26)準直、分光立方體A(27)分光、固定角錐體A(28)及運動角錐體A(29)反射最終由90度離軸成像鏡(30)匯聚於主探測器(31); 穩頻雷射器(32)發出的雷射經分光立方體B(33)分光、固定角錐體B(34)及運動角錐體B (35)反射，最終匯聚在參考探測器(37); 主光路的運動角錐體A(29)與參考光路運動角錐體B(35)相對設置，通過動鏡系統(36)帶動運動角錐體A(29)和運動角錐體B(35) —起做直線運動，主探測器(31)和參考探測器(37)分別接收並記錄隨光程差變化的幹涉光強；控制系統實時監測並調節動鏡系統(36)使其勻速運動，同時控制主探測器(31)進行等光程差數據採集，對採集數據進行光譜還原、相對衍射效率計算。
2.根據權利要求1所述的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀，其特徵在於，所述光源模塊包括鎢燈(I)、平面反射鏡(19)和聚光鏡(3);所述鎢燈(I)的光線經所述平面反射鏡(19)反射到所述聚光鏡(3)上，再經所述聚光鏡(3)反射後，聚焦在所述入射孔(20) ο
3.根據權利要求1所述的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀，其特徵在於，當置換待測光柵(11)時，待測光柵(11)在轉臺(13)上的位置與參考平面反射鏡(12)在轉臺(13)上的位置相同。
4.根據權利要求1所述的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀，其特徵在於，所述主探測器(31)位於90度離軸成像鏡(30)的焦面上。
5.根據權利要求1所述的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀，其特徵在於，所述入射孔(20)位於凹面準直鏡C(22)的入射光路上，且位於光源模塊和凹面準直鏡C(22)共同的焦面上；所述出射孔(24)位於凹面成像鏡(23)的反射光路上，且位於凹面成像鏡(23)和90度離軸準直鏡(26)共同的焦面上。
6.根據權利要求1所述的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀，其特徵在於，所述入射孔(20)的直徑為1_，所述出射孔(24)的直徑為2mm。
7.根據權利要求1所述的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀，其特徵在於，所述測量單色儀布置在所述傅立葉光譜測量系統前。
8.根據權利要求1所述的一種傅立葉變換平面光柵相對衍射效率測試儀，其特徵在於，所述參考幹涉系統布置在所述傅立葉光譜測量系統一側。
【文檔編號】G01M11/02GK104502067SQ201410820984
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】齊向東, 馬振予, 唐玉國, 李曉天, 於海利, 崔繼承 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所