孫 樂(lè)，黃元申，盛 斌，董成成，周紅艷，張大偉

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感光材料光譜靈敏度測(cè)定曝光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫 樂(lè)1, 2，黃元申1, 2，盛 斌1, 2，董成成1, 2，周紅艷1, 2，張大偉1, 2

( 1. 教育部光學(xué)儀器與系統(tǒng)工程研究中心，上海 200093；2. 上?，F(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093 )

為了測(cè)定感光材料的光譜靈敏度，通過(guò)Code V、SolidWorks軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)了一套感光材料光譜靈敏度測(cè)定曝光系統(tǒng)。分析比較了在不同入射角、不同光柵線數(shù)情況下系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)的差異，確定入射角25°、光柵線數(shù)為350 L/mm是系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的曝光系統(tǒng)能夠產(chǎn)生一個(gè)寬201.5 mm，高80 mm，覆蓋360 nm~900 nm光波長(zhǎng)的矩形光譜，經(jīng)過(guò)一個(gè)18等級(jí)臺(tái)階的灰度片使得光譜功率能在0.52 mW~10.65 mW之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，光譜分辨率能夠達(dá)到0.021 nm，滿足曝光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

光譜測(cè)量；光譜靈敏度；光柵；光譜功率；分辨率

0 引 言

隨著現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光敏感型高分子材料研究作為光物理和光化學(xué)研究領(lǐng)域的重要組成部分在功能材料中占有越來(lái)越突出的地位[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)感光材料的研究也非常多，但是大都是對(duì)感光材料的材料特性及化學(xué)特性等的分析[2-4]，沒(méi)有從光的角度對(duì)感光材料的響應(yīng)特性進(jìn)行分析，例如光的分辨率，光的強(qiáng)弱等對(duì)感光材料敏感性的影響等。

光譜靈敏度是感光材料的一個(gè)重要參數(shù)，光譜靈敏度表示感光材料對(duì)不同波長(zhǎng)輻射的照相效應(yīng)，即產(chǎn)生最小密度以上某一確定密度所需各單色光能量的倒數(shù)。測(cè)定方法是由白光經(jīng)分光系統(tǒng)形成一個(gè)由單色光組成的光譜，經(jīng)過(guò)光調(diào)制器改變譜面的光譜功率，使待測(cè)材料獲得一組全光譜條件下不同能量的曝光。膠片經(jīng)沖洗加工、密度測(cè)量，求取其對(duì)各單色光的靈敏度[5]。感光材料對(duì)不同波長(zhǎng)的響應(yīng)不一樣，對(duì)同一波長(zhǎng)不同功率的響應(yīng)也不一樣。本文設(shè)計(jì)得到由分光系統(tǒng)和光調(diào)制器組成的曝光系統(tǒng)，獲得一組不同功率的全光譜,研究感光材料在不同光強(qiáng)度光譜照射下的光譜靈敏度。

其中的分光系統(tǒng)采用平面閃耀光柵[6-7]分光系統(tǒng)。平面閃耀光柵可以將光能量集中到所需要的級(jí)次上，由于光柵的高分辨率特性，因而系統(tǒng)產(chǎn)生的光譜具有高的分辨率。唐志健等人[8]采用棱鏡系統(tǒng)作為分光系統(tǒng)測(cè)量感光材料靈敏度遠(yuǎn)沒(méi)有采用光柵分光系統(tǒng)得到的光譜分辨率高。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一塊凹面反射鏡產(chǎn)生平行光束照射到光柵上，再通過(guò)一塊柱面鏡進(jìn)行光柵衍射分光譜的成像譜面聚焦。在譜面豎直方向加上灰度片對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，配合水平方向的譜線展寬可以得到一個(gè)二維的波長(zhǎng)不同功率不同的光譜點(diǎn)陣，這樣的光譜對(duì)感光材料進(jìn)行一次實(shí)時(shí)曝光，可以方便快速地得到感光材料對(duì)特定功率光波長(zhǎng)的響應(yīng)特性。

滿足感光材料光譜靈敏度測(cè)定曝光系統(tǒng)的光源，必須要是帶有連續(xù)光譜的光源。氙燈光源和溴鎢燈光源能夠輸出連續(xù)的光譜，輸出光譜范圍可從250 nm到2 500 nm。溴鎢燈光效高、光通量穩(wěn)定，但是其短波藍(lán)紫光較弱、色溫低，而氙燈光源含紫外光譜較多，能夠有效的彌補(bǔ)溴鎢燈在短波的缺陷。本文采用氙燈進(jìn)行藍(lán)紫光波段360 nm~550 nm的曝光響應(yīng)，采用溴鎢燈進(jìn)行較長(zhǎng)波段550 nm~900 nm的曝光響應(yīng)，從而能夠使整個(gè)波段的光譜功率盡可能提高，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度。由于光柵的衍射特性，在一級(jí)光譜長(zhǎng)波段720 nm~900 nm會(huì)有二級(jí)藍(lán)紫光波段的光譜重疊現(xiàn)象，系統(tǒng)采用濾光片對(duì)二級(jí)光譜進(jìn)行濾波，考慮到光源在長(zhǎng)波的能量明顯高于短波，犧牲濾波所帶來(lái)的一部分能量下降以解決光譜重疊的問(wèn)題。設(shè)計(jì)采用的光學(xué)元件經(jīng)過(guò)嚴(yán)格結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到感光材料光譜靈敏度測(cè)定的光譜條件[9-10]。

1 光路的設(shè)計(jì)原理

感光材料光譜靈敏度測(cè)定曝光系統(tǒng)需要得到的全光譜如圖1所示。全光譜寬200 mm，高80 mm，光譜在水平方向上為360 nm~900 nm的線光譜，在豎直方向上整個(gè)光譜的功率可以進(jìn)行18等級(jí)灰度的變化調(diào)節(jié)。

設(shè)計(jì)方案為用一塊合適參數(shù)的平面光柵進(jìn)行色散。一束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后的平面波，以合適的入射角入射到平面光柵進(jìn)行衍射，衍射光波再由一塊經(jīng)過(guò)像差設(shè)計(jì)的柱面鏡聚焦在設(shè)計(jì)的像面上，并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

要得到如圖1所示的全光譜首先要得到平行光。平行光管是由透鏡組組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，光經(jīng)過(guò)透鏡組后可以獲得比較嚴(yán)格的平行光輸出，但是由于平行光管用的是K9玻璃的透鏡，其在紫外波段有嚴(yán)重的吸收，光能量衰減得很厲害，不適合這個(gè)波段范圍使用。從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，紫外波段光譜的嚴(yán)重吸收，光能量嚴(yán)重下降。在天體望遠(yuǎn)系統(tǒng)中多用反射鏡組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，既可以降低光能量的損失，又可以獲得很寬的光譜信息。根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)及分析，系統(tǒng)采用凹面反射鏡作為準(zhǔn)直鏡，結(jié)合設(shè)計(jì)尺寸和波段要求，合理布局光路結(jié)構(gòu)。

圖1 灰度梯度變化全波段線光譜圖

表1 光源功率及經(jīng)過(guò)平行光管后的功率

根據(jù)幾何光學(xué)原理，如果點(diǎn)光源放在凹面反射鏡的焦平面上，那么其反射光是近似平行光束。經(jīng)反射鏡準(zhǔn)直的平行光束投射到平面光柵上進(jìn)行衍射分光，衍射后-1級(jí)的光經(jīng)聚焦鏡聚焦就能在聚焦面得到聚焦譜線。

攝譜儀的光路結(jié)構(gòu)[11-12]采用的是反射球面鏡作為準(zhǔn)直鏡，將準(zhǔn)直光束經(jīng)光柵進(jìn)行色散，色散后的衍射波再經(jīng)過(guò)球面反射鏡進(jìn)行聚焦，在像平面上得到一條細(xì)長(zhǎng)的光譜帶，如圖2所示。攝譜儀的光路結(jié)構(gòu)無(wú)法得到在豎直方向有展寬的光譜，光線在光譜成像過(guò)程中來(lái)回折返，光能量損失嚴(yán)重，而且沒(méi)有辦法形成特定長(zhǎng)度包含特定波長(zhǎng)信息的光譜。

圖2 攝譜儀的光譜圖像

一般光譜儀的探測(cè)器采用的是線陣CCD、硅光電池、光電倍增管等，只要得到一個(gè)方向上的展開(kāi)光譜就可以。如果要得到在豎直方向上具有指定高度的光譜，考慮到水平方向上要對(duì)光柵衍射后的1級(jí)光譜進(jìn)行聚焦而豎直方向上又要有光譜的展寬，本設(shè)計(jì)采用柱面聚焦鏡得到，所采用的柱面鏡在水平方向有準(zhǔn)確的聚焦半徑，而在豎直方向上不聚焦，在豎直方向上相當(dāng)于一塊平面反射鏡，這樣光譜的水平展寬取決于柱面鏡對(duì)光柵的相對(duì)位置以及柱面鏡的聚焦半徑，而光譜高度取決于光柵的高度(光斑能夠充滿光柵表面)，只要光柵高度大于80 mm，得到的線光譜就能滿足80 mm的高度，從而得到既在水平方向上有光譜展寬，又在豎直方向上具有一定高度的全波段線光譜。在成像譜面豎直方向加上18等級(jí)灰度梯度變化的灰度片，使光譜功率梯度變化，得到在水平方向上對(duì)應(yīng)有不同波長(zhǎng)的光譜，同時(shí)不同波長(zhǎng)光譜在豎直方向上有18級(jí)灰度變化的光譜強(qiáng)度。

2 系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)

感光材料光譜靈敏度測(cè)定曝光系統(tǒng)主要由光源、凹面反射鏡、平面衍射光柵和柱面鏡組成。這些元件的位置、大小決定了成像譜面的位置、大小和光譜質(zhì)量。因此要得到具有固定長(zhǎng)寬等要求的光譜帶，必須要確定各光學(xué)元件的光學(xué)參數(shù)即整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)光譜的要求，要得到200 mm寬波長(zhǎng)從360 nm~900 nm的光譜帶，由于全光譜帶的高度為80 mm，所以我們選用110 mm×110 mm大小的平面閃耀光柵。光柵線數(shù)的不同，系統(tǒng)的光譜分辨率不同，得到的光譜衍射角也不相同，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分布也不一樣。根據(jù)：

其中：為柱面鏡的聚焦半徑，1，2分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)波段的衍射角?？梢缘玫疆?dāng)聚焦鏡半徑為1 m和2 m時(shí)所需要的光柵刻線數(shù)分別是350 L/mm和170 L/mm。聚焦鏡的聚焦半徑?jīng)Q定了成像譜面的位置，考慮到光譜能量的要求，光路行程的縮短可以大大提高譜線的能量，所以初步確定光柵的刻線數(shù)為350 L。確定了光柵刻線數(shù)和光柵的尺寸大小，可以確定入射光斑的大小，考慮到光柵的有效使用面積，確定入瞳的大小為100 mm。

根據(jù)入瞳大小，波長(zhǎng)范圍，利用Code V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，添加光學(xué)元件，設(shè)置光譜面位置約束(光譜面位置在光柵之后)和光譜面寬度約束(光譜面寬度為200 mm)，對(duì)應(yīng)的光路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖3中為平行光束與光柵法線的夾角，1、2分別對(duì)應(yīng)柱面鏡到光譜面的距離和光柵到柱面鏡的距離，G為光柵，C為柱面鏡，F(xiàn)代表聚焦像面。

從圖3可以看出，光束以不同的入射角入射到光柵上，要得到特定寬度的線光譜，系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)將會(huì)發(fā)生變化，如柱面鏡到譜面的距離和光柵到柱面鏡的距離。表2表示的是不同入射角入射到光柵上得到的光柵和柱面鏡的相對(duì)位置參數(shù)。表2中、、1、2與圖3中的參數(shù)相對(duì)應(yīng)。從表2中可以看到，入射角不同，光柵和柱面鏡的相對(duì)距離也不同，將會(huì)改變曝光系統(tǒng)的布局結(jié)構(gòu)。

圖3 聚焦成像譜光路二維視圖

表2 不同入射角下的結(jié)構(gòu)參數(shù)

這樣就得到了光柵和柱面鏡的相對(duì)位置和大小。只要有滿足要求的100 mm大小入瞳的光束照射到光柵上就能得到滿足設(shè)計(jì)要求的寬200 mm，高80 mm的光譜展開(kāi)面。即由光源經(jīng)過(guò)凹面反射鏡準(zhǔn)直得到的平行光束大小要大于100 mm。初步參數(shù)已經(jīng)確定，現(xiàn)在主要是光學(xué)元件的擺放問(wèn)題。為了得到一個(gè)合理的元件布局，在這里利用SolidWorks軟件嚴(yán)格按照元件的尺寸進(jìn)行元件擺放。圖4為光柵入射角為0°和25°、光柵線數(shù)為350 L/mm和450 L/mm時(shí)得到的光學(xué)元件布局圖。圖4(a)中入射角為0°、光柵線數(shù)為350 L/mm，(b)中入射角為25°、光柵線數(shù)為350 L/mm，(c)中入射角為25°、光柵線數(shù)為450 L/mm。

圖4 不同入射角，光柵線數(shù)350L/mm和450L/mm光路結(jié)構(gòu)圖L0-光源、S-狹縫、R-反射鏡、M-凹面反射鏡、G-光柵、C-柱面鏡、F-焦像面

對(duì)比圖4(a)、(b)可以看出:光柵線數(shù)相同入射角不同的情況下，(a) 中入射角為0°時(shí)，光譜面F與水平方向有一定的夾角，影響儀器的使用方便性、美觀和后續(xù)的檢測(cè)系統(tǒng)布局。(b) 通過(guò)參數(shù)調(diào)整得到入射角為25°時(shí)光譜面水平，有利于光學(xué)元件的布置，這樣更有利于進(jìn)行光譜靈敏度測(cè)量。確定了入射角，再分析光柵線數(shù)對(duì)光學(xué)元件布置的影響。圖4(b)和(c)為入射角相同光柵線數(shù)不同時(shí)系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)圖，對(duì)比可以看出，采用450 L/mm光柵得到的曝光系統(tǒng)其柱面鏡尺寸比采用350 L/mm光柵要大很多，柱面鏡的加工成本大大增加，增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。(c)中柱面鏡距離成像譜面的距離比(b)要小，這樣得到的光譜能量要大，但是相差約200 mm的行程對(duì)光能量影響不大，卻對(duì)提高成像譜面的光譜成像質(zhì)量影響較大，也會(huì)使其分辨率下降，綜合考慮，我們選擇光柵線數(shù)為350 L/mm。

經(jīng)過(guò)數(shù)次調(diào)整優(yōu)化，最終確定光柵刻線數(shù)為350 L/mm，光柵入射角為25°，在成像光譜面加上灰度片以及探測(cè)裝置，得到整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖5為最后的光路結(jié)構(gòu)圖。

圖5 感光材料光譜靈敏度測(cè)定曝光系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)圖L0-光源、S-狹縫、R-反射鏡、M-凹面反射鏡、G-光柵、C-柱面鏡、F-焦像面、D-探測(cè)器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

曝光系統(tǒng)得到的聚焦譜面光譜圖像如圖6所示。圖6(a)為加上灰度片后的光譜圖像，(b)為未加灰度片的光譜圖像。可以看出，(a)中光譜在豎直方向上呈明顯的梯度變化。圖7表示測(cè)量450 nm、550 nm、650 nm、750 nm波長(zhǎng)光分別在100%、80%、60%、40%、10%灰度處的功率值直方圖，圖中四種波長(zhǎng)光在最低灰度10%時(shí)光譜功率相近為0.5 mW，在灰度為40%時(shí)與表1中經(jīng)過(guò)平行光管后的出光功率相近，灰度為80%和100%時(shí)的光譜功率最高能達(dá)到10.65 mW，可以看出整個(gè)光譜的能量相較于用平行光管作為準(zhǔn)直的光路設(shè)計(jì)系統(tǒng)要大大提高，加上灰度片后有明顯的梯度變化，滿足感光材料光譜靈敏度測(cè)量的光譜功率要求。

圖6 曝光系統(tǒng)光譜圖

采用光柵分辨率測(cè)試軟件測(cè)試得到的光譜分辨率曲線如圖8所示。

從圖8中可以看到，測(cè)試得到的系統(tǒng)分辨率為0.021 nm，小于攝影密度測(cè)量的光譜條件所要求的0.25 nm，滿足感光材料光譜靈敏度測(cè)試的光譜條件。

圖7 四種波長(zhǎng)在不同灰度下的強(qiáng)度直方圖

圖8 光譜分辨率檢測(cè)圖

采用汞燈進(jìn)行標(biāo)定得到的譜線圖如圖9所示。

圖9 汞燈標(biāo)定譜線圖

經(jīng)過(guò)測(cè)量可以得到3條特征譜線的線色散率值分別為

將式(2)、式(3)、式(4)中線色散率求取平均值可以得到平均色散率為2.68 nm/mm，從而可以得到光譜寬度值為

從式(5)中結(jié)果可以看出，在考慮誤差的情況下滿足理論要得到的200 mm光譜寬度的要求。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)定感光材料光譜靈敏度的曝光系統(tǒng)。曝光系統(tǒng)采用溴鎢燈和氙燈兩套光源盡可能的提高整個(gè)光譜段的光譜功率從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，光源通過(guò)凹面反射鏡得到平行光束，照射到平面閃耀光柵上進(jìn)行分光后再由柱面鏡聚焦在焦像面形成光譜。采用Code V軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)確定光柵和柱面聚焦鏡的相對(duì)位置再通過(guò)SolidWorks軟件進(jìn)行整體的系統(tǒng)布局最后優(yōu)化確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)得到一個(gè)200 mm寬80 mm高的在水平方向上有光譜展寬同時(shí)在豎直方向上光譜功率可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的全光譜。在光譜面加上18等級(jí)的灰度片進(jìn)行光譜功率的變化調(diào)節(jié)，同時(shí)通過(guò)功率探測(cè)系統(tǒng)和分辨率檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)光譜的功率和分辨率進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量得到的光譜功率在0.52 mW~10.65 mW之間變化，譜線分辨率能達(dá)到0.021 nm，通過(guò)汞燈標(biāo)定譜線測(cè)量得到的譜面寬度為201.5 mm。曝光系統(tǒng)滿足測(cè)定感光材料的光譜靈敏度要求，從而可以研究感光材料對(duì)特定功率光譜的響應(yīng)特性。

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Design of Exposure System for the Spectral Sensitivity Detection of the Photosensitive Material

SUN Le1, 2，HUANG Yuanshen1, 2，SHENG Bin1, 2，DONG Chengcheng1, 2，ZHOU Hongyan1, 2，ZHANG Dawei1, 2

( 1. Engineering Research Center of Optical Instrument and System, Shanghai200093, China;2. Ministry of Education and Shanghai Key Lab of Modern Optical System, Shanghai 200093, China )

To measure the spectral sensitivity of the photosensitive material, an exposure system for the spectral sensitivity detection of the photosensitive material is designed by use of commercial software of Code V and SolidWorks. The structural differences of the optical path are analyzed using line density of grating under diverse incident angle. The analysis result is that the incident angle of 25° and line density of 350 L/mm are optimum parameters of the exposure system. The experimental result in the system shows that the rectangular spectra of the size of 201.5 mm′80 mm can be achieved, the wavelengths cover the range of 360 nm~900 nm, the intensity of spectra can be adjusted in the range of 0.52 mW~10.65 mW when an 18 gray scale level of slices are inserted in the exposure system, and the resolution of spectra is 0.021 nm, which satisfies the requirement of the exposure system.

spectral measurement; spectral sensitivity; grating; spectral power; resolution

1003-501X(2016)12-0072-07

O433.1; TN253

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.12.012

2016-06-12；

2016-11-05

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2015cb352001)；國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(2015CB352001)；上海市科學(xué)儀器重點(diǎn)項(xiàng)目(14142200902)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61378060、61205156)

孫樂(lè)(1991-)，男(漢族)，江西吉安人。碩士，主要研究方向是光柵檢測(cè)和光譜學(xué)分析。E-mail:13120728716@163.com。