CN109932161A - 一种用于检测衍射光栅指标的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测衍射光栅指标的装置及方法，装置包括用于测试光栅所需一定波长范围的光源发射单元，以及设置在光路上的入射狭缝、准直镜、衍射光栅、衍射光栅夹具、衍射光栅转台、成像物镜、转折物镜、转折物镜转台以及出射狭缝组成的单色及成像单元以及探测单元、数据处理单元和控制单元；通过对衍射光栅模型确认与标定，以及测试相关波长对应的数据能够得到衍射光栅指标数据。本发明的装置简单，操作简便，可实现各种不同刻线的衍射光栅指标的测试，对于衍射光栅指标测试或者光栅制作过程中工艺的有效控制提供了一种检测手段。

Description

一种用于检测衍射光栅指标的装置及方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种用于检测衍射光栅的装置和测试方法。

背景技术

衍射光栅作为光学仪器的一种核心器件，有着较广泛的应用范围。它不仅应用于光谱分析，在天文学、计量学、光通讯、信息处理等领域也有着广泛的应用前景。

采用光栅的光谱分析仪要求具有较高的分辨本领以及较高的信噪比，这样对光栅的性能指标也提出较高的要求。它不仅要求光栅基底材料和光学面型要好，对光栅刻槽精度、槽深以及真空镀膜等都提出较高要求。对于成品光栅能否达到理想的质量指标，以及找出性能指标达不到要求的影响因素等需要经过一系列的测量来综合判断。

现有一些检测光路可以测试光栅杂散光、分辨率和衍射效率等综合指标，但对于导致光栅杂散光和衍射效率等指标不理想的因素未能得知，不便于在光栅制作过程中对技术指标进行有效控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测衍射光栅性能指标的装置及方法，其结构简单，检测准确，方便使用。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于检测衍射光栅的装置及方法，包括：

光源发射单元，用于发射测试光栅所需一定波长范围的复合光，包括光源以及光源聚光镜组件；单色及成像单元，设置在所述光源发射出复合光的光路上，包含入射狭缝、准直镜、衍射光栅、衍射光栅夹具、衍射光栅转台、成像物镜、转折物镜、转折物镜转台以及出射狭缝，衍射光栅夹具位于衍射光栅转台上，入射狭缝、准直镜、衍射光栅、成像物镜、转折物镜和出射狭缝中心线位于同一水平线上，且相互之间保持确定的距离与角度，当采用单个波长测试时，将通过转折物镜转台对转折物镜进行切换；探测单元，包含用于接收所述成像物镜反射来的衍射光谱或者接收通过所述出射狭缝出射后的单色光的探测器，探测器包含用于光谱阵列检测的CCD相机以及用于单波长测试的光电接收器；数据处理单元，用于获取所述探测单元的数据并进行归类、分析以及数据处理；控制单元，用于控制光源发射单元、单色及成像单元、探测单元以及数据处理单元。

在本发明提供的用于检测衍射光栅指标的装置中，还可以具有这样的特征：光源包括但不限于氘灯、钨灯、氙灯、元素灯、LED以及可调谐激光器等具有一定波长范围的光源。

在本发明提供的用于检测衍射光栅指标的装置中，还可以具有这样的特征：衍射光栅与衍射光栅夹具相互独立，可进行衍射光栅的互换。

在本发明提供的用于检测衍射光栅指标的装置中，还可以具有这样的特征：转折物镜包括但不限于球面反射镜、平面镜、部分反射镜、半透半反镜、非球面镜。

一种用于检测衍射光栅指标的方法，其特征在于该方法包含如下步骤：

步骤一、检测装置初始化：

1）将光源发射单元、单色及成像单元、探测单元、数据处理单元以及控制单元按照功能顺序连接好，将待测衍射光栅放置入衍射光栅夹具处，衍射光栅转台以及转折物镜转台的初始位置调回零位；

2）启动光源，单色及成像单元初始化，调整待测衍射光栅位置使其零级光谱通过出射狭缝，并与出射狭缝中心重合；

3）驱动衍射光栅转台，设置波长位置为656.1nm，判断氘灯656.1nm的光谱是否与出射狭缝中心重合，否则调整衍射光栅位置，最终实现656.1nm与出射狭缝中心重合；

步骤二，模型建立与标定：

1）依据整理后的光栅方程：

其中，λ为波长，d为光栅槽距，k为光栅衍射级次，A为臂长，δ为入射光和衍射光夹角，γ为斜块角度，通过选择衍射光栅转台角度对应的丝杆长度L实现波长的自动设定；

2）光谱带宽与杂散光比例系数确认

依据理想光栅对应的输出带宽与杂散光关系：

式中，是次峰光通量与主峰光通量之比，λ_M是入射单色光的波长；λ是被测杂 散光的波长；λ_W是测量仪器的输出带宽；λ_B是被测光栅的闪耀波长；N是光栅总刻线数。通过 测试的大小，可确认系数c是否满足约定范围，并记录测试数值；

3）衍射光栅总杂散光表达式建立

衍射光栅槽距均方差σ²设定为b =σ²/2d²，满足下面表达式：

衍射光栅槽深度的随机误差均方根差为σ_h ²，满足下面表达式：

衍射光栅小尺度的随机表面粗糙度均方差为(ασ_γ)²，满足下面表达式：

式中，q为狭缝高度，f为测量仪器的焦距。

总杂散光是所有影响因素的代数和，整理如下：

4）衍射光栅标定

以220nm处测试NaI杂散光为例，进行标定描述，测试220nm与25nm两波长位置显示其波长数值，重复3次测试，取其平均值为：

根据以上测试数据，建立一个模型如下：

步骤三，衍射光栅指标检测：

同上步骤二中4）的描述，同样以220nm处测试NaI杂散光为例，进行衍射光栅指标检测描述：

1）利用控制单元驱动衍射光栅转台以及数据处理单元，测试220nm为中心波长时装置对应的仪器输出带宽λ_W；

2）分别测试波长为226nm、230nm、235nm以及240nm对应的杂散光数值S226、S230、S235、S240；

3）重复2）步骤，区别在于测试波长为225nm到250nm之间任意4个波长点，但波长间隔要求大于4nm；

4）将所测衍射光栅已知参数N和d以及装置参数q、f代入所建模型中，利用最小二乘法对所测杂散光数值S226、S230、S235、S240与所建模型进行逐次拟合，同时用225nm到250nm之间任意4个波长点的测试数值与拟合数值进行对比验证，如果拟合值不存在跃迁变化，所测数值具有合理性；

5）通过多项式组合反演，得到所测衍射光栅指标分别为槽距均方差σ²、槽深度随机误 差均方根差为σ_h ²、小尺度随机表面粗糙度均方差为。

发明作用与效果

根据本发明提供的一种用于检测衍射光栅指标的装置及方法，装置包括用于测试光栅所需一定波长范围的光源发射单元，以及设置在光路上的入射狭缝、准直镜、衍射光栅、衍射光栅夹具、衍射光栅转台、成像物镜、转折物镜、转折物镜转台以及出射狭缝组成的单色及成像单元，同时包括探测单元、数据处理单元和控制单元；本发明通过对事先建立的衍射光栅模型进行精度确认，并通过测试关键数据进标定，同时通过测试相关波长对应的测试数据，代入修正后的模型中，利用数据处理软件能够得到衍射光栅指标数据；本发明可实现各种不同刻线数、不同厚度、不同尺寸大小的衍射光栅指标测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例中用于检测衍射光栅指标的装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1，图1为本发明一种具体实施方式所提供的一种用于检测衍射光栅指标的装置示意图。如图1所示，本发明公开了一种用于检测衍射光栅指标的装置，该装置具体包括：

光源发射单元，用于发射测试光栅所需一定波长范围的复合光，包括光源11以及光源聚光镜组件12；单色及成像单元，设置在所述光源11发射出复合光的光路上，包含入射狭缝21、准直镜22、衍射光栅23、衍射光栅夹具24、衍射光栅转台25、成像物镜29、转折物镜26、转折物镜转台27以及出射狭缝28，衍射光栅夹具24位于衍射光栅转台25上，入射狭缝21、准直镜22、衍射光栅23、成像物镜29、转折物镜26和出射狭缝28中心线位于同一水平线上，且相互之间保持确定的距离与角度，光源11发射出的复合光通过入射狭缝21后到达准直镜22，通过准直镜22后将复合光反射到衍射光栅23上，通过衍射光栅23反射后的按一定波长排列的单色光到达成像物镜29上，成像物镜29将入射光反射到指定位置；光源11可以根据应用需求进行更换，其中包括氘灯、钨灯、氙灯、元素灯、LED以及可调谐激光器等具有一定波长范围的光源；同时，衍射光栅23与衍射光栅夹具24相互独立，方便对不同尺寸要求的衍射光栅23进行安装，也可进行各种规格衍射光栅23的互换；当采用单个波长测试时，将通过转折物镜转台27对转折物镜26进行切换，同时转折物镜26也可以根据需求进行互换使用，其中包括球面反射镜、平面镜、部分反射镜、半透半反镜、非球面镜等种类的镜片； 探测单元包含用于接收成像物镜29反射来的衍射光谱或者接收通过出射狭缝28出射后的单色光，探测器包含用于光谱阵列检测的CCD相机31以及用于单波长测试的光电接收器32；数据处理单元包含计算机41以及安装在计算机41上的衍射光栅指标检测软件，用于获取所述探测单元的数据并进行归类、分析以及数据处理；控制单元同样包含计算机41，通过其上的应用程序界面输入系统对应的设置参数，用于控制光源发射单元、单色及成像单元、探测单元以及数据处理单元。

本发明还提供了一种用于检测衍射光栅指标的方法，该方法包含如下步骤：

步骤一、检测装置初始化：

1）将光源发射单元、单色及成像单元、探测单元、数据处理单元以及控制单元按照功能顺序连接好，将待测衍射光栅23放置入衍射光栅夹具24处，衍射光栅转台25以及转折物镜转台27的初始位置调回零位；

2）启动光源11，单色及成像单元初始化，调整待测衍射光栅23位置使其零级光谱通过出射狭缝28，并与出射狭缝28中心重合；

3）驱动衍射光栅转台25，设置波长位置为656.1nm，判断氘灯656.1nm的光谱是否与出射狭缝28中心重合，否则调整衍射光栅23位置，最终实现656.1nm与出射狭缝28中心重合；

步骤二，模型建立与标定：

1）依据整理后的光栅方程：

其中，λ为波长，d为光栅槽距，k为光栅衍射级次，A为臂长，δ为入射光和衍射光夹角，γ为斜块角度，通过选择衍射光栅转台角度对应的丝杆长度L实现波长的自动设定；

2）光谱带宽与杂散光比例系数确认

所谓理想光栅，即光栅没有任何缺陷。但光栅衍射后的能量分布是sinc2（λ）函数（其 中，函数），两主峰之间有许多次峰，这些次峰形成杂散光，其大小可由下式 表示：

式中，是次峰光通量与主峰光通量之比，λ_M是入射单色光的波长；λ是被测杂散 光的波长；λ_W是测量仪器的输出带宽；λ_B是被测光栅的闪耀波长；N是光栅总刻线数。需要确 认系数c是否满足约定范围，并记录测试数值；

3）衍射光栅总杂散光表达式建立

光栅槽距的随机误差：

设置光栅槽距为d，其标准偏差为σ²，相邻两槽之间有均方差，设，则杂散光 由下式表示：

光栅槽深度的随机误差：

设置光栅槽深度为h，衍射光栅槽深度的随机误差均方根差为σ_h ²，则杂散光由下式表示：

小尺度的随机表面粗糙度：

表面粗糙度是光栅工作表面的疵病，设a为粗糙度自相关函数，σ_γ为疵病出现的位置偏差，(ασ_γ)²，为粗糙度均方差，则杂散光由下式表示：

式中，q为狭缝高度，f为测量仪器的焦距。

各种原因形成的杂散光是互相独立的，总的杂散光应是所有影响因素的代数和，整理如下：

4）衍射光栅标定

以220nm处测试NaI杂散光为例，进行标定描述，测试220nm与25nm两波长位置显示其波长数值，重复3次测试，取其平均值为：

根据以上测试数据，建立一个模型如下：

步骤三，衍射光栅指标检测：

同上步骤二中4）的描述，同样以220nm处测试NaI杂散光为例，进行衍射光栅指标检测描述：

1）利用控制单元驱动衍射光栅转台25以及数据处理单元，测试220nm为中心波长时装置对应的仪器输出带宽λ_W；

2）分别测试波长为226nm、230nm、235nm以及240nm对应的杂散光数值S226、S230、S235、S240；

3）重复2）步骤，区别在于测试波长为225nm到250nm之间任意4个波长点，但波长间隔要求大于4nm；

4）将所测衍射光栅已知参数N和d以及装置参数q、f代入所建模型中，利用最小二乘法对所测杂散光数值S226、S230、S235、S240与所建模型进行逐次拟合，同时用225nm到250nm之间任意4个波长点的测试数值与拟合数值进行对比验证，如果拟合值不存在跃迁变化，所测数值具有合理性；

5）通过多项式组合反演，得到所测衍射光栅指标分别为槽距均方差σ²、槽深度随机误 差均方根差为σ_h ²、小尺度随机表面粗糙度均方差为。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的一种用于检测衍射光栅指标的装置及方法，装置包括用于测试光栅所需一定波长范围的光源发射单元，以及设置在光路上的入射狭缝、准直镜、衍射光栅、衍射光栅夹具、衍射光栅转台、成像物镜、转折物镜、转折物镜转台以及出射狭缝组成的单色及成像单元，同时包括探测单元、数据处理单元和控制单元；本实施例通过对事先建立的衍射光栅模型进行精度确认，并通过测试关键数据进标定，同时通过测试相关波长对应的测试数据，代入修正后的模型中，利用数据处理软件能够得到衍射光栅指标数据；本实施例可实现各种不同刻线数、不同厚度、不同尺寸大小的衍射光栅指标测试。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域技术人员容易理解的是，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理。在不偏离本发明的原理或基本特征的情况下，本领域技术人员对相应技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定，而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种用于检测衍射光栅指标的装置，包括：

光源发射单元，用于发射测试光栅所需一定波长范围的复合光，包括光源以及光源聚光镜组件；

单色及成像单元，设置在所述光源发射出复合光的光路上，包含入射狭缝、准直镜、衍射光栅、衍射光栅夹具、衍射光栅转台、成像物镜、转折物镜、转折物镜转台以及出射狭缝，所述衍射光栅夹具位于所述衍射光栅转台上， 所述入射狭缝、所述准直镜、所述衍射光栅、所述成像物镜、所述转折物镜和所述出射狭缝中心线位于同一水平线上，且相互之间保持确定的距离与角度，当采用单个波长测试时，将通过所述转折物镜转台对所述转折物镜进行切换；

探测单元，包含用于接收所述成像物镜反射来的衍射光谱或者接收通过所述出射狭缝出射后的单色光的探测器，所述探测器包含用于光谱阵列检测的CCD相机以及用于单波长测试的光电接收器；

数据处理单元，用于获取所述探测单元的数据并进行归类、分析以及数据处理；

控制单元，用于控制所述光源发射单元、所述单色及成像单元、所述探测单元以及所述数据处理单元。

2.根据权利要求1所述的用于检测衍射光栅指标的装置，其特征在于：

其中，所述光源包括但不限于具有一定波长范围的氘灯、钨灯、氙灯、元素灯、LED以及可调谐激光器。

3.根据权利要求1所述的用于检测衍射光栅指标的装置，其特征在于：

其中，所述衍射光栅与所述衍射光栅夹具相互独立，可进行所述衍射光栅的互换。

4.根据权利要求1所述的用于检测衍射光栅指标的装置，其特征在于：

其中，所述转折物镜包括但不限于球面反射镜、平面镜、部分反射镜、半透半反镜、非球面镜。

5.利用权利要求1所述的用于检测衍射光栅指标的装置检测衍射光栅的方法，其特征在于该方法包含如下步骤：

步骤一、检测装置初始化：

1）将光源发射单元、单色及成像单元、探测单元、数据处理单元以及控制单元按照功能顺序连接好，将待测衍射光栅放置入衍射光栅夹具处，衍射光栅转台以及转折物镜转台的初始位置调回零位；

2）启动光源，单色及成像单元初始化，调整待测衍射光栅位置使其零级光谱通过出射狭缝，并与出射狭缝中心重合；

3）驱动衍射光栅转台，设置波长位置为656.1nm，判断氘灯656.1nm的光谱是否与出射狭缝中心重合，否则调整衍射光栅位置，最终实现656.1nm与出射狭缝中心重合；

步骤二，模型建立与标定：

1）依据整理后的光栅方程：

其中，λ为波长，d为光栅槽距，k为光栅衍射级次，A为臂长，δ为入射光和衍射光夹角，γ为斜块角度，通过选择衍射光栅转台角度对应的丝杆长度L实现波长的自动设定；

2）光谱带宽与杂散光比例系数确认

依据理想光栅对应的输出带宽与杂散光关系：

式中，是次峰光通量与主峰光通量之比，λ_M是入射单色光的波长；λ是被测杂散 光的波长；λ_W是测量仪器的输出带宽；λ_B是被测光栅的闪耀波长；N是光栅总刻线数；

通过测试的大小，可确认系数c是否满足约定范围，并记录测试数值；

3）衍射光栅总杂散光表达式建立

衍射光栅槽距均方差σ²设定为b =σ²/2d²，满足下面表达式：

衍射光栅槽深度的随机误差均方根差为σ_h ²，满足下面表达式：

衍射光栅小尺度的随机表面粗糙度均方差为(ασ_γ)²，满足下面表达式：

式中，q为狭缝高度，f为测量仪器的焦距；

总杂散光是所有影响因素的代数和，整理如下：

4）衍射光栅标定

以220nm处测试NaI杂散光为例，进行标定描述，测试220nm与25nm两波长位置显示其波长数值，重复3次测试，取其平均值为：

根据以上测试数据，建立一个模型如下：

步骤三，衍射光栅指标检测：

同上步骤二中4）的描述，同样以220nm处测试NaI杂散光为例，进行衍射光栅指标检测描述：

1）利用控制单元驱动衍射光栅转台以及数据处理单元，测试220nm为中心波长时装置对应的仪器输出带宽λ_W；

2）分别测试波长为226nm、230nm、235nm以及240nm对应的杂散光数值S226、S230、S235、S240；

3）重复2）步骤，区别在于测试波长为225nm到250nm之间任意4个波长点，但波长间隔要求大于4nm；

4）将所测衍射光栅已知参数N和d以及装置参数q、f代入所建模型中，利用最小二乘法对所测杂散光数值S226、S230、S235、S240与所建模型进行逐次拟合，同时用225nm到250nm之间任意4个波长点的测试数值与拟合数值进行对比验证，如果拟合值不存在跃迁变化，所测数值具有合理性；

5）通过多项式组合反演，得到所测衍射光栅指标分别为槽距均方差σ²、槽深度随机误差 均方根差为σ_h ²、小尺度随机表面粗糙度均方差为。