CN101464210A - 光栅检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅检测仪，安装于光谱仪发出的准直单色出射光束后，所述光栅检测仪包括光栅、光栅旋转台及光能探测器，光栅可旋转地安装于光栅旋转台上，光栅旋转台位于所述光谱仪与光能探测器之间，其中，在光能探测器与光栅之间还设有透镜，所述透镜满足下述公式：γ≥d×d₁/λ×t，γ为透镜的角放大率，d为光栅的光栅常数，λ为光谱仪发出的准直单色出射光束的波长，t为透镜到光能探测器入口的距离，d₁为光能探测器入口的直径。具备本发明上述透镜的光栅检测仪一方面能使衍射光束之间不存在互相重叠；另一方面，光能探测器入口只能让一束衍射光束通过，另本比较适合配合通用光谱仪使用，具有普遍的适用性，且具有较高的检测精度。

Description

光栅检测仪

技术领域

本发明主要涉及对光存储装置中的光学元件的检测设备，尤其涉及对光栅进行检测的光栅检测仪。

背景技术

随着光存储技术的不断进步，现有的光学读写头已经发展到集蓝光(405nm波长)、红光(660nm)和红外光(780nm)于一身的多功能光存储光盘拾取器。随着光学读写头功能的多样化，光学读写头结构的复杂程度和各元件性能要求的严谨程度也随之急速提高。光学读写头的工作波段可以从紫蓝光400nm波段延伸至近红外800nm波段，而光学读写头中镜片的透过率、反射率和光栅的分光比等参数都必须在此波段范围内满足相应的性能要求。因此，用于光学读写头的镜片和光栅的检测设备所使用的光源也必须涵盖400nm-800nm波段。

用于光谱研究的分光光度计，也叫光谱仪，其工作波段可覆盖190nm至3300nm。基于光谱仪的宽波段优点，配合适当的治具和检测设备，光谱仪已成功地应用在光学读写头镜片的检测领域。

用于光学读写头的光学元件中可分为两大类，第一类为具有光焦度的元件，如物镜和准直镜；第二类为没有光焦度的元件，如反射镜、分光镜和光栅。光谱仪针对第二类光学元件中的反射镜和分光镜的检测特别有效，如利用配套了特定治具的附件，可使光谱仪测试镜片在特定的入射角度范围和特定波段范围内的光反射率和光透过率。

虽然现有的光谱仪对于光学读取头的平面镜片检测技术十分成熟，但在用于光学读取头的光栅检测则非常罕见。如图1和图2所示，入射光束11垂直入射光栅1后，光栅1把入射光束11分成三束衍射光，分别为0级主光束12、+1级衍射光13和-1级衍射光14；此时，光栅面的法线与入射光束11的光轴重合，三束衍射光的中心连线与光栅栅线方向垂直，且与入射光轴垂直，如图1所示，光轴方向为O-Z，光栅栅线方向与垂直方向O-Y重合，三束衍射光的中心连线(即三束光排列方向)与水平方向O-X重合；其中0级主光束12与入射光束11的传播方向相同；±1级衍射光13与14的传播方向分别与0级主光束12的传播方向存在一个相等的衍射角θ，该衍射角θ由下面的表达式决定：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{d},$ 式中λ代表入射波长，d为光栅常数。

但是，用于光学读写头的光栅难以像普通平面镜片一样在光谱仪上进行检测，因为(1)光学读写头光栅的光学特点限制了该应用；(2)光谱仪有限的工作距离阻碍了应用。图3为一典型光学读写头光栅在光谱仪中被准直的单色光垂直入射后，经过光栅衍射后的三光束在光能探测器入口的横截图，如图3所示，-1级光斑23与0级光斑21重叠，而0级光斑21与+1级光斑22重叠，并且三光束光斑都在光能探测器孔径24内。如想单独检测0级和±1级光束的光束，需要满足两个必要条件，其中：(1)三光束之间不存在互相重叠，即相邻两束衍射光的中心距L大于等于入射光束直径25；(2)光能探测器的通光孔径只能使其中一束光束通过。为了解决上述问题，目前常采用两种方法。

一种方法是：在不变的工作距离的情况下，即光栅到光能探测器的距离，缩小光栅入射光束直径至某一临界值以下，与此同时，需要保证光能探测器的通光孔径比入射光束直径大，并且该孔径能阻隔其余两光束的进入，从而解决上述问题。

另一种方法是：在入射光束直径不变的情况下，当工作距离大于入射光束直径与衍射角余切值的乘积的时候，与此同时，需要保证光能探测器的通光孔径比入射光束直径大，并且该孔径能阻隔其余两光束的进入，也能解决上诉问题。

在以上两个方法中，一个需要改变光谱仪的光束直径，另一个需要光谱仪拥有足够的工作空间，这都是需要具备相应特点的光谱仪才能符合的要求，有失普遍适用性；而两个方案都有一个共通点，需要把光能探测器的通光孔径缩小，并且光束与光束之间的距离都非常接近，容易由于对准误差而影响检测的准确性。

因此，急需一种衍射光束之间不相重叠且光能探测器入口只能让一束衍射光束通过的安装操作方便，实用性强、且能准确对光栅进行光学特性检测的光栅检测仪。

发明内容

本发明的目的在于是提供一种衍射光束之间不相重叠且光能探测器入口只能让一束衍射光束通过的安装操作方便，实用性强、且能准确对光栅进行光学特性检测的光栅检测仪。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种光栅检测仪，安装于光谱仪发出的准直单色出射光束后，所述光栅检测仪包括光栅、光栅旋转台及光能探测器，所述光栅可旋转的安装于所述光栅旋转台上，所述光栅旋转台位于所述光谱仪与光能探测器之间，其中，在所述光能探测器与所述光栅之间还设右透镜，所述透镜满足下述公式：

$\mathrm{\γ}\≥\frac{d\×d_1}{\mathrm{\λ}\×t},$

上述γ为透镜的角放大率，d为所述光栅的光栅常数，λ为所述光谱仪发出的准直单色出射光束的波长(即入射到光栅上的入射光束波长)，t为所述透镜到所述光能探测器入口的距离，d₁为所述光能探测器入口的直径。

较佳地，所述光栅检测仪还包括用于能量收集的积分球，所述积分球上设有积分球入口和光能探测器接口，所述积分球入口为d₁，所述光能探测器伸入所述光能探测器接口内。所述积分球主要使入射至积分球的光强分布经过积分球的漫反射后，出射至光能探测器时的光强分布均匀，提高本发明光栅检测仪对光栅等元学元件的光学特性检测的准确性。

较佳地，本发明光栅检测仪的透镜为出射角放大镜，具体地，所述出射角放大镜为望远镜。望远镜具有较大的角放大率γ，从而可使得透镜到光能探测器入口的距离变得较小，缩小光谱仪的工作空间，并使得本发明实用强更强，且检测更准确。

本发明与现有技术相比，由于本发明在光栅与光能探测器之间有透镜，所述透镜使从光栅出射出的±1级衍射光经透镜放大后出射到光能探测器上，不存在与中心的0级衍射光发生互相重叠的现象，并且使±1级衍射光的中心距离大于光能探测器孔径的直径，不用缩小光能探测器的通光孔径即可使光能探测器能独立地检测每一级衍射光的能量，避免了现有技术中由于不同级衍射光束之间距离非常接近所带来的对准误差而影响检测的准确性，本发明所提供的光栅检测仪在配合通用的光谱仪时能对光栅等光学元件的光学特性进行准确的检测，具有普遍的适用性，且检测准确。

附图说明

图1为入射光束垂直通过光栅的立体示意图。

图2为入射光束垂直通过光栅的平面示意图。

图3现有技术中经光栅衍射后的光束在光能探测器入口的截面图。

图4为本发明的光栅检测仪的结构示意图。

图5为本发明的光栅检测仪的侧面示意图。

图6为图5沿A-A线的剖视图。

图7a为本发明的光栅检测仪的光栅相对光栅旋转台旋转前状态示意图。

图7b为本发明的光栅检测仪的光栅相对光栅旋转台旋转后状态示意图。

具体实施方式

如图4、图5所示，本发明光栅检测仪3，安装于光谱仪4发出的准直单色出射光束后，所述光栅检测仪3包括光栅311、光栅旋转台312、及光能探测器(图中未示)，光栅旋转台312位于光谱仪4与光能探测器之间，光栅311位于光栅旋转台312上并可沿方向箭头C-C方向旋转，在所述光能探测器与所述光栅311之间还设有透镜32，所述透镜32满足下述公式：

$\mathrm{\γ}\≥\frac{d\×d_1}{\mathrm{\λ}\×t},$

上述γ为透镜的角放大率，d为所述光栅的光栅常数，λ为所述光谱仪发出的准直单色出射光束的波长(即入射到光栅上的入射光束波长)，t为所述透镜到所述光能探测器入口的距离，d₁为所述光能探测器入口的直径；其中透镜32为望远镜。具备本发明上述透镜32的光栅检测仪3一方面能使衍射光束之间不存在互相重叠；另一方面，光能探测器入口只能让一束衍射光束通过。更具体地，结合图5及图6所示，如下：

较佳者，本发明光栅检测仪3还包括用于能量收集的积分球331，所述积分球331上设有积分球入口3311和光能探测器接口3312，所述积分球入口3311直径为d₁，则t即为所述透镜32到所述积分球入口3311的距离，所述光能探测器伸入所述光能探测器接口3312内。积分球331可绕积分球转动轴D-D在水平面上沿方向箭头B-B方向转动。具体工作原理结合图1及图2所示，如下：

当光栅311平面的法线方向与入射光束41(即，光谱仪发出的准直单色出射光束)的光轴方向O-Z重合，光栅311的栅线方向与垂直方向O-Y重合，据光栅分光原理可知，入射光束41将在水平方向O-X上被光栅311分为三束衍射光束，0级主光束42、+1级衍射光43和-1级衍射光44，其中±1级衍射光43、44与0级主光束42之间的衍射角为a₁；三束衍射光束42、43和44穿过具有角放大率为γ的透镜32后，上述三束衍射光束42、43和44分别变为衍射光束42｀、43｀和44｀，衍射角a₁发生了变化变为了a₂，即±1级衍射光43｀、44｀与0级主光束42｀之间的出射角为a₂；穿过透镜32的三束衍射光束42｀、43｀和44｀经过距离t后，到达积分球331的积分球入口3311，其中积分球入口3311的直径为d₁，上述±1级衍射光43｀、44｀在直径为d₁的积分球入口3311处的中心距离为d₂；入射至积分球331的光强经过积分球331的漫反射后通过光能探测器接口3312出射至光能探测器上，所述积分球311主要使入射至积分球的光强分布经过积分球的漫反射后，出射至光能探测器接口3312时的光强分布均匀，提高本发明光栅检测仪对光栅等元学元件的光学特性检测的准确性。具体地，所述积分球331可沿方向箭头B-B方向在水平面上转动，通过转动积分球311可使积分球接口3311分别对准衍射光束42｀、43｀及44｀，从而光能探测器能独立地检测每一级衍射光的能量，测量精准，操作简单。

由于用于不同光学读写头的光栅不但光栅常数和使用波长不同，而且光栅的栅线方向也会根据光学读写头结构的不同而存在差异。因此，为了保证三束衍射光束42、43和44的排列方向与积分球331的转动方向B-B一致，光栅测试仪3具有对光栅311自行旋转的光栅旋转台312，从而使得光栅311的栅线方向与垂直方向O-Y相同。如图7a和图7b所示，光栅旋转台312可使光栅311沿方向箭头C-C方向自行旋转，从而保证三束衍射光束42、43和44的排列方向与积分球331的转动方向B-B一致。

结合图4至图7b，对本发明光栅检测仪实现三束衍射光束之间不存在互相重叠及光能探测器入口(即，积分球入口3311)只能让一束衍射光束通过的特点做一详细的推论阐述：由于积分球入口3311的直径d₁必定大于等于光谱仪4发出的的准直光直径d₀，可以得到结论1：d₂≥2×d₁；

又因为d 2/2＝t×tan(a₂)，

联立结论1可以得到结论2：

$a_2\≥\arctan \left(\frac{d_1}{t}\right);$

由结论2与衍射角公式 $\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{d}$ (式中λ代表入射波长，d为光栅常数，θ为衍射角)联立，可得到关于结论3：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_2\≥\arctan \left(\frac{d_1}{t}\right)\\ a_1=\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{d}\⇒\mathrm{\γ}\≥\frac{d\×d_1}{\mathrm{\λ}\×t}\\ \mathrm{\γ}=\frac{a_2}{a_1}\end{array}\right.$

上述γ为透镜32的角放大率，d为所述光栅311的光栅常数，λ为所述光谱仪4发出的准直单色出射光束41的波长(即入射到光栅上的入射光束波长)，t为所述透镜32到所述积分球入口3311的距离，d₁为所述积分球入口3311的直径。

因此，当透镜32的角放大率γ满足 $\mathrm{\γ}\≥\frac{d\×d_1}{\mathrm{\λ}\×t}$ 时，本发明光栅检测仪3既能实现三束衍射光束42、43和44之间不存在互相重叠，又能使光能探测器入口(即，积分球入口3311)只能让一束衍射光束通过，从而光能探测器可以单独的检测三束衍射光束42、43和44。这样不用改变所述入射光束41的直径，或者改变光栅311和积分球331之间距离，或者缩小积分球331入口3311的直径，使本发明具有普遍适用性，可以在通用光谱仪4出射的准直单色出射光束的作用下完成对光栅311等光学元件的光学特性检测。

本发明光栅检测仪所涉及的光谱仪4可用其它同等可出射出准直单色光束的光学仪器替代。本发明的光栅检测仪所涉及的安装及调试均为本领域普通技术人员所熟知，在此不再做详细的说明。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1、一种光栅检测仪，安装于光谱仪发出的准直单色出射光束后，所述光栅检测仪包括光栅、光栅旋转台及光能探测器，所述光栅可旋转地安装于所述光栅旋转台上，所述光栅旋转台位于所述光谱仪与所述光能探测器之间，其特征在于：在所述光能探测器与所述光栅之间还设有透镜，所述透镜满足下述公式：

$\mathrm{\γ}\≥\frac{d\×d_1}{\mathrm{\λ}\×t}$

上述公式中γ为透镜的角放大率，d为所述光栅的光栅常数，λ为所述光谱仪发出的准直单色出射光束的波长(即，入射到光栅上的入射光束波长)，t为所述透镜到所述光能探测器入口的距离，d₁为所述光能探测器入口的直径。

2、如权利要求1所述的光栅检测仪，其特征在于：还包括用于能量收集的积分球，所述积分球上设有积分球入口和光能探测器接口，所述积分球入口直径为d₁，所述光能探测器伸入所述光能探测器接口内。

3、如权利要求1所述的光栅检测仪，其特征在于：所述透镜为出射角放大镜。

4、如权利要求3所述的光栅检测仪，其特征在于：所述出射角放大镜为望远镜。

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