影像测量仪光栅尺基础知识

光栅作为重要的分光器件，他的选择与性能直接影响整个系统性能。为更好协助用户选择，在此做一简要介绍。

　　光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂有金属的表面上机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光ず透粗乒庹さ目滩凼侨切巍Ｈ⒐庹な怯杉す飧缮嫣跷乒饪潭伞Ｈ⑼ǔ０ㄕ铱滩邸？袒庹ぞ哂醒苌湫矢叩奶氐悖⒐庹す馄追段Ч悖由⒐獾停铱勺鞯礁吖馄追直媛省?/SPAN>

光栅方程

　　反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。如图1所示，光栅刻槽垂直辐射入射平面，辐射与光栅法线入射角为α，衍射角为β，衍射级次为m，d为刻槽间距，在下述条件下得到干涉的极大值：

mλ=d（sinα+sinβ）

　　定义φ为入射光线与衍射光线夹角的一半，即φ=(α-β)/2；θ为相对与零级光谱位置的光栅角，即θ=(α+β)/2,得到更方便的光栅方程：

mλ=2dcosφsinθ

　　从该光栅方程可看出：

　　对一给定方向β，可以有几个波长与级次m相对应λ满足光栅方程。比如600nm的一级辐射和300nm的二级辐射、200nm的三级辐射有相同的衍射角。

　　衍射级次m可正可负。

　　对相同级次的多波长在不同的β分布开。

　　含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变α，则在α+β不变的方向得到不同的波长。

如何选择光栅

选择光栅主要考虑如下因素：

刻槽密度G=1/d，d是刻槽间隔，单位为mm。

闪耀波长

　　闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实际需要波长附近。如实际应用在可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。

光栅刻线

　　光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。

光栅效率

　　光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。

光栅光谱仪重要参数：

分辨率(resolution)

　　光栅光谱仪的分辨率R是分开两条临近谱线能力的度量，根据瑞利判据为：

R==λ/Δλ

　　光栅光谱仪有实际意义的定义是测量单个谱线的半高宽(FWHM)。实际上，分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数等。

R∝M.F/W

M--光栅线数　　F--谱仪焦距　　W--狭缝宽度

色散

　　光栅光谱仪的色散决定其分开波长的能力。光谱仪的倒线色散可计算得到：沿单色仪的焦平面改变距离χ引起波长λ的变化，即：

Δλ/Δχ=dcosβ/nF

　　这里d、β、F分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距，n为衍射级次。由方程可见，倒线色散不是常数，它随波长变化。在所用波长范围内，改变化可能超过2倍。根据国家标准，在本样本中，用1200 l/mm光栅色散的中间值（典型的为435.8nm）时的倒线色散。

带宽

　　带宽是忽略光学像差、衍射、扫描方法、探测器像素宽度、狭缝高度和照明均匀性等，在给定波长，从光谱仪输出的波长宽度。它是倒线色散和狭缝宽度的乘积。例如，单色仪狭缝为0.2mm，光栅倒线色散为2.7nm/mm，则带宽为2.7*0.2=0.54nm。

波长精度、重复性和准确度