CN104502067B - 一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪 - Google Patents
一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪 Download PDFInfo
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Abstract
一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪属于光谱技术领域，目的在于解决现有技术出射光谱带宽不一致的问题，提高测量精度、简化操作步骤、提高测量效率。本发明的光源模块发出的光依次经入射孔和可选择光阑照射到凹面准直镜C后照射到转台上的参考平面反射镜或待测光栅后经凹面成像镜汇聚于出射孔；出射孔的出射光经离轴准直镜准直、分光立方体A分光、固定角锥体A及运动角锥体A反射后由离轴成像镜汇聚于主探测器；稳频激光器发出的激光经分光立方体B分光、固定角锥体B及运动角锥体B反射，汇聚在参考探测器；运动角锥体A和运动角锥体B一起做匀速直线运动，主探测器进行等光程差数据采集，对采集数据进行光谱还原、相对衍射效率计算。
Description
技术领域
本发明属于光谱技术领域，具体涉及一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪。
背景技术
光栅光谱仪凭借其优异的性能，被广泛应用于光谱分析、前沿交叉学科、社会民生等领域。其中，衍射光栅(以下简称光栅)是光栅光谱仪的核心元件，其性能参数直接影响光谱仪器性能，光栅的主要指标有多种，包括衍射效率、衍射波前、分辨力、杂散光强度和鬼线强度，上述指标中，衍射效率决定了光谱仪器的能量传输能力，是评价光栅性能最为重要的技术指标之一。
衍射效率分为绝对衍射效率和相对衍射效率，在实际应用中，衍射效率通常指的是相对衍射效率，即探测器接收到的给定级次和波长的衍射光通量与接收到的标准反射镜的反射光通量之比。
光栅使用者往往对所需求的光栅提出要求，要求光栅的衍射效率在某一波长λ的第m级次必须达到规定的技术指标；因此，光栅的研制和生产单位，对其研制、生产的光栅需进行光栅衍射效率的测试。
现有的平面光栅相对衍射效率测试仪器中，普遍采用双单色仪的结构形式，参见附图1，现有的平面光栅相对衍射效率测试仪器的光路结构包括光源外光路、前置单色仪、测量单色仪和控制器。光源外光路包括钨灯1、氘灯2、聚光镜3。前置单色仪包括入射狭缝A4、凹面准直镜A5、分光光栅6、反射聚光镜7、壳体A8。测量单色仪包括入射狭缝B9、凹面准直镜B10、待测光栅11或参考平面反射镜12、转台13、反射聚光镜14、壳体B18、出射狭缝15和光电倍增管16。
光源外光路和前置单色仪为测量提供单色光，控制器17控制分光光栅6和待测光栅11的连续转动角速度，使两单色仪输出同一波长单色光。光电倍增管17分别接收来自待测光栅11的衍射光和参考平面反射镜12的反射光，并计算他们的比值。当测量下一波长时，控制分光光栅6和待测光栅11的转动角度，实现不同波长衍射效率的测量。
上述测量光路避免不了待测光栅11和参考平面反射镜12出射光谱宽度和出射光束截面发生变化的问题，需软件给予补偿算法，影响测量精度，测量精度低；另外，前置单色仪需定期定标，增加操作步骤。
发明内容
本发明的目的在于提出一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪，解决现有技术存在的出射光谱带宽不一致的问题，提高测量精度、简化操作步骤、提高测量效率。
为实现上述目的，本发明的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪包括光源模块、测量单色仪、动镜系统、控制系统以及设置在傅里叶光谱测量系统壳体内部的傅里叶光谱测量系统和参考干涉系统；
所述测量单色仪包括测量单色仪壳体、设置在测量单色仪壳体上的入射孔和出射孔以及设置在测量单色仪壳体内的可选择光阑、凹面准直镜C、转台和凹面成像镜；
所述傅里叶光谱测量系统包括沿光路传输方向依次布置的90度离轴准直镜、分光立方体A、固定角锥体A、运动角锥体A、90度离轴成像镜和主探测器；
所述参考干涉系统包括稳频激光器、分光立方体B、固定角锥体B、运动角锥体B和参考探测器；
所述光源模块发出的光依次经入射孔和可选择光阑照射到凹面准直镜C上，形成平行光，所述平行光照射到布置在转台上的参考平面反射镜或待测光栅后经凹面成像镜汇聚于出射孔，所述傅里叶光谱测量系统设置在所述出射孔的传播方向上；所述出射孔的出射光经90度离轴准直镜准直、分光立方体A分光、固定角锥体A及运动角锥体A反射最终由90度离轴成像镜汇聚于主探测器；
稳频激光器发出的激光经分光立方体B分光、固定角锥体B及运动角锥体B反射，最终汇聚在参考探测器；
主光路的运动角锥体A与参考光路运动角锥体B相对设置，通过动镜系统带动运动角锥体A和运动角锥体B一起做直线运动，主探测器和参考探测器分别接收并记录随光程差变化的干涉光强；控制系统实时监测并调节动镜系统使其匀速运动，同时控制主探测器进行等光程差数据采集，对采集数据进行光谱还原、相对衍射效率计算。
所述光源模块包括钨灯、平面反射镜和聚光镜；所述钨灯的光线经所述平面反射镜反射到所述聚光镜上，再经所述聚光镜反射后，聚焦在所述入射孔。
当置换待测光栅时，待测光栅在转台上的位置与参考平面反射镜在转台上的位置相同。
所述主探测器位于90度离轴成像镜的焦面上。
所述入射孔位于凹面准直镜C的入射光路上，且位于光源模块和凹面准直镜C共同的焦面上；所述出射孔位于凹面成像镜的反射光路上，且位于凹面成像镜和90度离轴准直镜共同的焦面上。
所述入射孔的直径为1mm，所述出射孔的直径为2mm。
所述测量单色仪布置在所述傅里叶光谱测量系统前。
所述参考干涉系统布置在所述傅里叶光谱测量系统一侧。
本发明的有益效果为：本发明的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪采用测量单色仪与傅里叶光谱测量系统联用的形式测量平面光栅的衍射效率，其测量结果带宽更小、光栅叠级、杂散光的影响更低、测量波长定位精度更高、无需定期标定并且从原理上避免了待测光栅和标准反射镜出射光谱宽度和出射光束截面不一致对测量结果带来的影响，提高测量的准确性。
附图说明
图1为现有技术中的平面光栅衍射效率测试仪的结构示意图；
图2为本发明的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪的结构示意图；
其中：1、钨灯，2、氘灯，3、聚光镜，4、入射狭缝A，5、凹面准直镜A，6、分光光栅，7、反射聚光镜，8、壳体A，9、入射狭缝B，10、凹面准直镜B，11、待测光栅，12、参考平面反射镜，13、转台，14、反射聚光镜，15、出射狭缝B，16、光电倍增管，17、控制器，18、壳体B，19、平面反射镜，20、入射孔，21、可选择光阑，22、凹面准直镜C，23、凹面成像镜，24、出射孔，25、测量单色仪壳体，26、90度离轴准直镜，27、分光立方体A，28、固定角锥体A，29、运动角锥体A，30、90度离轴成像镜，31、主探测器，32、稳频激光器，33、分光立方体B，34、固定角锥体B，35、运动角锥体B，36、动镜系统，37、参考探测器，38、傅里叶光谱测量系统壳体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图2，本发明的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪包括光源模块、测量单色仪、动镜系统36、控制系统以及设置在傅里叶光谱测量系统壳体38内部的傅里叶光谱测量系统和参考干涉系统；
所述测量单色仪包括测量单色仪壳体25、设置在测量单色仪壳体25上的入射孔20和出射孔24以及设置在测量单色仪壳体25内的可选择光阑21、凹面准直镜C22、转台13和凹面成像镜23；
所述傅里叶光谱测量系统包括沿光路传输方向依次布置的90度离轴准直镜26、分光立方体A27、固定角锥体A28、运动角锥体A29、90度离轴成像镜30和主探测器31；
所述傅里叶测量系统的90度离轴准直镜26、90度离轴成像镜30采用90度离轴抛面镜MPD254254-90-P01，其有效焦距为50.8mm，表面镀铝；分光立方体A27采用CM01-BSO13、CM01-BSO14、CM01-BSO15，分别在400-700nm、700-1100nm、1100-1600nm实现1:1的分束比；固定角锥体A28和运动角锥体A29采用PS975M以精确回射入射光；主探测器31的两个光电倍增管分别采用高灵敏度、低噪声的S1226-8BK和G8605-25，以实现对400-1000nm波段与900-1600nm波段光谱的测量；
所述参考干涉系统包括稳频激光器32、分光立方体B33、固定角锥体B34、运动角锥体B35和参考探测器37；
所述参考干涉系统的稳频激光器32采用稳频特性极佳的HRS015稳频激光器32；分光立方体B33采用CM05-BSO16，可在400-700nm实现1:1的分束比；固定角锥体B34和运动角锥体B35采用PS974M以精确回射入射光；参考探测器37采用S1787-12光电倍增管对参考光的干涉光强进行测量。
采用新型原理检测待测光栅11的衍射效率，从原理上避免了待测光栅11和参考平面反射镜12出射光谱宽度、出射光束截面不一致对测量结果带来的影响，提高测量的准确性。
所述光源模块发出的光依次经入射孔20和可选择光阑21照射到凹面准直镜C22上，形成平行光，所述平行光照射到布置在转台13上的参考平面反射镜12或待测光栅11后经凹面成像镜23汇聚于出射孔24，所述傅里叶光谱测量系统设置在所述出射孔24的传播方向上；所述出射孔24的出射光经90度离轴准直镜26准直、分光立方体A27分光、固定角锥体A28及运动角锥体A29反射最终由90度离轴成像镜30汇聚于主探测器31；
稳频激光器32发出的激光经分光立方体B33分光、固定角锥体B34及运动角锥体B35反射，最终汇聚在参考探测器37；
主光路的运动角锥体A29与参考光路运动角锥体B35相对设置，通过动镜系统36带动运动角锥体A29和运动角锥体B35一起做直线运动使主光路与参考光路的光程差同时发生变化，主探测器31和参考探测器37分别接收并记录随光程差变化的干涉光强；控制系统实时监测并调节动镜系统36使其匀速运动，同时控制主探测器31进行等光程差数据采集，对采集数据进行光谱还原、相对衍射效率计算。
所述光源模块包括钨灯1、平面反射镜19和聚光镜3；所述钨灯1的光线经所述平面反射镜19反射到所述聚光镜3上，再经所述聚光镜3反射后，聚焦在所述入射孔20。
在本发明最优选方案中，钨灯1采用飞利浦20W、0～12V的钨灯1；所述聚光镜3的基底采用K9玻璃，所述聚光镜3表面镀铝且焦距f＝102mm。
当置换待测光栅11时，待测光栅11在转台13上的位置与参考平面反射镜12在转台13上的位置相同。
所述主探测器31位于90度离轴成像镜30的焦面上接收并记录各个波段干涉光强的总和。
所述入射孔20位于凹面准直镜C22的入射光路上，且位于光源模块和凹面准直镜C22共同的焦面上；所述出射孔24位于凹面成像镜23的反射光路上，且位于凹面成像镜23和90度离轴准直镜26共同的焦面上。
所述入射孔20的直径为1mm，所述出射孔24的直径为2mm。
所述测量单色仪布置在所述傅里叶光谱测量系统前。
所述参考干涉系统布置在所述傅里叶光谱测量系统一侧。
根据待测光栅11的孔径、衍射角确定可选择光阑21的孔径，使得入射到参考平面反射镜12和待测光栅11的光强相等，保证测量条件的一致，提高测量准确性。
本发明的傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪工作过程为：首先根据待测光栅11旋转后有效入射面积确定相应可选择光阑21的孔径，将参考平面反射镜12放到转台13上；调整聚光镜3，使得钨灯1聚焦于入射孔20并通过可选择光阑21照射到凹面准直镜C22上形成平行光，平行光照射到参考平面反射镜12上，转台13在方位、俯仰、滚转三个自由度上做精确调整，调整好参考平面反射镜12的状态后，光线经参考平面反射镜12后由凹面成像镜23汇聚于出射孔24，其他部件保持不动；动镜系统36运动一个周期，在动镜系统36运动过程中利用参考探测器37探测的干涉光强实时调节动镜系统36使其匀速运动，同时控制主探测器31进行等光程差触发采样，对主探测器31采集的数据其进行去直流、切趾、相位校正、快速傅里叶变换即可还原衍射光谱。
同理，将待测光栅11放置到转台13上与参考平面反射镜12同一位置处，卸下参考平面反射镜12，保持其他部件不动调整好待测光栅11状态，动镜系统36再运动一个周期并还原出反射光谱，将待测光栅11还原的衍射光谱与参考平面反射镜12还原的反射光谱对应波长的光谱做比值，即得待测光栅11在此测量波长下的相对衍射效率。
所述入射孔20直径为1mm，增大入射孔20直径可以增加入射光通量从而提高系统的信噪比；所述出射孔24直径为2mm，增大出射孔24直径用于全部接收待测光栅11某波段的衍射光，避免衍射光损失造成测量结果的偏低，同时增加一次性检测光栅相对衍射效率的检测波段，提高工作效率。入射孔20、出射孔24要比传统的平面光栅相对衍射效率仪大数倍，增大了光通量改善了信噪比而又不影响测试性能。
所述测量单色仪壳体25内部为均匀涂黑、粗糙面，以及在各元件处增加光阑用以降低系统杂散光、提高信噪比。
所述测量单色仪布置在所述傅里叶光谱测量系统前，避免了傅里叶光谱测量系统置于测量单色仪前对动镜偏摆、平移的放大作用从而影响干涉光强的调制度。
所述参考干涉系统布置在所述傅里叶光谱测量系统一侧而非共路放置，使得参考干涉系统无需更换分束器，同时避免了由于共路造成的实际可测待测光栅11面积的减小。
所述测量单色仪壳体25、傅里叶光谱测量系统壳体38均由铝压制而成。转台13采用铝，并通过丝杠进行精确控制，其尺寸大于参考平面反射镜12和待测光栅11的尺寸。
所述待测光栅11为任意刻线数的平面反射光栅。参考平面反射镜12的基底材料采用K9光学玻璃，表面镀铝。
动镜系统36具体为运动平移台，其采用音圈电机与气浮导轨相结合的高精度VCS-60A平移台。
本发明的傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪，采用测量单色仪与傅里叶光谱测量系统联用的形式测量平面光栅相对衍射效率，其测量结果带宽更小、光栅叠级、杂散光的影响更低、测量波长定位精度更高、无需定期标定并且从原理上避免了待测光栅11和标准反射镜出射光谱宽度和出射光束截面不一致对测量结果带来的影响，提高测量的准确性。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪，包括光源模块和测量单色仪，其特征在于，还包括动镜系统(36)、控制系统以及设置在傅里叶光谱测量系统壳体(38)内部的傅里叶光谱测量系统和参考干涉系统；
所述测量单色仪包括测量单色仪壳体(25)、设置在测量单色仪壳体(25)上的入射孔(20)和出射孔(24)以及设置在测量单色仪壳体(25)内的可选择光阑(21)、凹面准直镜C(22)、转台(13)和凹面成像镜(23)；
所述傅里叶光谱测量系统包括沿光路传输方向依次布置的90度离轴准直镜(26)、分光立方体A(27)、固定角锥体A(28)、运动角锥体A(29)、90度离轴成像镜(30)和主探测器(31)；
所述参考干涉系统包括稳频激光器(32)、分光立方体B(33)、固定角锥体B(34)、运动角锥体B(35)和参考探测器(37)；
所述光源模块发出的光依次经入射孔(20)和可选择光阑(21)照射到凹面准直镜C(22)上，形成平行光，所述平行光照射到布置在转台(13)上的参考平面反射镜(12)或待测光栅(11)后经凹面成像镜(23)汇聚于出射孔(24)，所述傅里叶光谱测量系统设置在所述出射孔(24)的传播方向上；所述出射孔(24)的出射光经90度离轴准直镜(26)准直、分光立方体A(27)分光、固定角锥体A(28)及运动角锥体A(29)反射最终由90度离轴成像镜(30)汇聚于主探测器(31)；
稳频激光器(32)发出的激光经分光立方体B(33)分光、固定角锥体B(34)及运动角锥体B(35)反射，最终汇聚在参考探测器(37)；
主光路的运动角锥体A(29)与参考光路运动角锥体B(35)相对设置，通过动镜系统(36)带动运动角锥体A(29)和运动角锥体B(35)一起做直线运动，主探测器(31)和参考探测器(37)分别接收并记录随光程差变化的干涉光强；控制系统实时监测并调节动镜系统(36)使其匀速运动，同时控制主探测器(31)进行等光程差数据采集，对采集数据进行光谱还原、相对衍射效率计算。
2.根据权利要求1所述的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪，其特征在于，所述光源模块包括钨灯(1)、平面反射镜(19)和聚光镜(3)；所述钨灯(1)的光线经所述平面反射镜(19)反射到所述聚光镜(3)上，再经所述聚光镜(3)反射后，聚焦在所述入射孔(20)。
3.根据权利要求1所述的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪，其特征在于，当置换待测光栅(11)时，待测光栅(11)在转台(13)上的位置与参考平面反射镜(12)在转台(13)上的位置相同。
4.根据权利要求1所述的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪，其特征在于，所述主探测器(31)位于90度离轴成像镜(30)的焦面上。
5.根据权利要求1所述的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪，其特征在于，所述入射孔(20)位于凹面准直镜C(22)的入射光路上，且位于光源模块和凹面准直镜C(22)共同的焦面上；所述出射孔(24)位于凹面成像镜(23)的反射光路上，且位于凹面成像镜(23)和90度离轴准直镜(26)共同的焦面上。
6.根据权利要求1所述的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪，其特征在于，所述入射孔(20)的直径为1mm，所述出射孔(24)的直径为2mm。
7.根据权利要求1所述的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪，其特征在于，所述测量单色仪布置在所述傅里叶光谱测量系统前。
8.根据权利要求1所述的一种傅里叶变换平面光栅相对衍射效率测试仪，其特征在于，所述参考干涉系统布置在所述傅里叶光谱测量系统一侧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |