光柵光譜儀(光譜儀原理)

1.光譜儀原理

光譜儀spectrometer將復(fù)色光分離成光譜的光學(xué)儀器。

光譜儀有多種類型，除在可見光波段使用的光譜儀外，還有紅外光譜儀和紫外光譜儀。按色散元件的不同可分為棱鏡光譜儀、光柵光譜儀和干涉光譜儀等。

按探測方法分，有直接用眼觀察的分光鏡，用感光片記錄的攝譜儀，以及用光電或熱電元件探測光譜的分光光度計(jì)等。單色儀是通過狹縫只輸出單色譜線的光譜儀器，常與其他分析儀器配合使用。

圖中所示是三棱鏡攝譜儀的基本結(jié)構(gòu)。狹縫S與棱鏡的主截面垂直，放置在透鏡L的物方焦面內(nèi)，感光片放置在透鏡L的像方焦面內(nèi)。

用光源照明狹縫S, S的像成在感光片上成為光譜線，由于棱鏡的色散作用，不同波長的譜線彼此分開，就得入射光的光譜。棱鏡攝譜儀能觀察的光譜范圍決定于棱鏡等光學(xué)元件對光譜的吸收。

普通光學(xué)玻璃只適用于可見光波段，用石英可擴(kuò)展到紫外區(qū)，在紅外區(qū)一般使用氯化鈉、溴化鉀和氟化鈣等晶體。目前普遍使用的反射式光柵光譜儀有較寬的光譜范圍。

表征光譜儀基本特性的參量有光譜范圍、色散率和分辨本領(lǐng)等?；诟缮嬖碓O(shè)計(jì)的光譜儀（如法布里-珀羅干涉儀）具有很高的色散率和分辨本領(lǐng)，常用于光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析。

/view/69332.htm光柵 光柵：光柵是結(jié)合數(shù)碼科技與傳統(tǒng)印刷的技術(shù)，能在特制的膠片上顯現(xiàn)不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立體世界，電影般的流暢動(dòng)畫片段，匪夷所思的幻變效果。

光柵是一張由條狀透鏡組成的薄片，當(dāng)我們從鏡頭的一邊看過去，將看到在薄片另一面上的一條很細(xì)的線條上的圖像，而這條線的位置則由觀察角度來決定。如果我們將這數(shù)幅在不同線條上的圖像，對應(yīng)于每個(gè)透鏡的寬度，分別按順序分行排列印刷在光柵薄片的背面上，當(dāng)我們從不同角度通過透鏡觀察，將看到不同的圖像。

立體效果 根據(jù)研究，我們?nèi)祟惖难劬υ谟^察一個(gè)三維物體時(shí)，由于兩眼水平分開在兩個(gè)不同的位置上，所觀察到的物體圖像是不同的，它們之間存在著一個(gè)像差，由于這個(gè)像差的存在，通過人類的大腦，我們可以感到一個(gè)三維世界的深度立體變化，這就是所謂的立體視覺原理。 據(jù)立體視覺原理，如果我們能夠樣我們的左右眼分別看到兩幅在不同位置拍攝的圖像，我們應(yīng)該可以從這兩幅圖像感受到一個(gè)立體的三維空間。

從前面的分析中我們可以知道不同的觀察角度將可以看到不同的圖像。因如果我們將光柵垂直於兩眼放置，由于兩眼對光柵的觀察角度不同，因而兩眼會(huì)看到兩個(gè)不同的圖像，從而產(chǎn)生立體感。

常為了獲得更好的立體效果我不單單以兩幅圖像制作，而是用一組序列的立體圖像去構(gòu)成，在這樣的情況下，根據(jù)觀察的位置不同，只要同時(shí)看到這個(gè)序列中的兩副圖像，即可感受到三維立體效果。 動(dòng)畫\幻變\變畫 將光柵平置于兩眼之間，注意兩眼對光柵的線紋角度要保持平行，因而兩眼看到的是同一個(gè)圖像，如果圖像是由一列連續(xù)動(dòng)畫所構(gòu)成，那么當(dāng)雙眼上下移動(dòng)或把光柵上下翻動(dòng)時(shí)，雙眼與光柵的角度將發(fā)生變化，我們也將看到一個(gè)接一個(gè)的連續(xù)圖像，即看到一個(gè)動(dòng)畫或變畫的效果。

光柵原理明說明 光柵也稱衍射光柵。是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散（分解為光譜）的光學(xué)元件。

它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫（刻線）的平面玻璃或金屬片。光柵的狹縫數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。

單色平行光通過光柵每個(gè)縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋很寬、明條紋很細(xì)的圖樣，這些銳細(xì)而明亮的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長而異，當(dāng)復(fù)色光通過光柵后，不同波長的譜線在不同的位置出現(xiàn)而形成光譜.光通過光柵形成光譜是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果。

一、何謂光柵板 就是指有一面被擠壓成圓柱形線條 一面為完整平面的塑膠材料，且圓柱形線條間距相等謂之「 光柵 」 此光柵平面可作為印刷之用途，使用光柵視覺軟體合成圖檔后，使用不同輸出設(shè)備輸出檔案，并與光柵貼合或直接印刷在光柵板上，就可以呈現(xiàn)如右圖所示的效果，讓動(dòng)畫可以直接在平面的印刷上呈現(xiàn)出螢?zāi)凰匆姷淖儓D效果。 二、窄角度光柵與寬角度光柵 在選擇適合的光柵板時(shí)，光柵彎曲的角度是非常重要的事，一般來說 3 D 立體效果最理想的光柵是使用窄角度光柵板，它的視角大約在15度 ~ 44度之間的效果是最好的，如果要制作變圖或動(dòng)畫的效果，寬角度光柵板的視角約44度~ 65度之間是最適合的光柵板。

三、市面常用之光柵種類與用途 在制作各種光柵視覺效果前，必須要先了解光柵的特性、種類、規(guī)格、厚度、尺寸、方向性等，才能仔細(xì)判別如何制作出精致的光柵影像效果，就臺灣市面上常用之光柵材料做分類，可分為以下幾種。 印刷光柵材質(zhì)：PET、PP、PVC、TPU等，PET、PP為硬質(zhì)平板環(huán)保材質(zhì)，PVC、TPU為軟質(zhì)材質(zhì)。

印刷光柵線數(shù)：50 LPI、60 LPI、62 LPI、75 LPI、100 LPI。 光柵線數(shù)效果：50 LPI------------3D、Flip------------常用材料 60 LPI------------3D、Flip、Zoom、Twist、Animation 62 LPI------------3D、Flip、Zoom、Twist、Animation 75 LPI------------3D、Flip、Zoom、Twist、Animation------------常用材料 100 LPI-----------3D、Flip------------常用材料 光柵 設(shè)計(jì)圖。

2.光柵光譜儀的國內(nèi)外研制狀況是什么

光譜儀基礎(chǔ)知識介紹光譜分析方法作為一種重要的分析手段，在科研、生產(chǎn)、質(zhì)控等方面，都發(fā)揮著極大的作用。

無論是穿透吸收光譜，還是熒光光譜，拉曼光譜，如何獲得單波長輻射是不可缺少的手段。由于現(xiàn)代單色儀可具有很寬的光譜范圍（UV- IR），高光譜分辨率（到0.001nm），自動(dòng)波長掃描，完整的電腦控制功能極易與其他周邊設(shè)備融合為高性能自動(dòng)測試系統(tǒng)，使用電腦自動(dòng)掃描多光柵單色儀已成為光譜研究的首選。

當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入單色儀的入射狹縫，首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡匯聚成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長（顏色）。利用每個(gè)波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。

通過電腦控制可精確地改變出射波長?！窆鈻呕A(chǔ)光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。

為更好協(xié)助各位使用者選擇，在此做一簡要介紹。光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等。

刻劃光柵是用鉆石刻刀在涂薄金屬表面機(jī)械刻劃而成；復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形。

全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息光柵通常包括正弦刻槽。

刻劃光柵具有衍射效率高的特點(diǎn)，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率?！羧绾芜x擇光柵選擇光柵主要考慮如下因素：1、閃耀波長，閃耀波長為光柵最大衍射效率點(diǎn)，因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實(shí)驗(yàn)需要波長附近。

如實(shí)驗(yàn)為可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm。2、光柵刻線，光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜分辨率，刻線多光譜分辨率高，刻線少光譜覆蓋范圍寬，兩者要根據(jù)實(shí)驗(yàn)靈活選擇。

3、光柵效率，光柵效率是衍射到給定級次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號損失愈小。

為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率?！艄鈻欧匠谭瓷涫窖苌涔鈻攀窃谝r底上周期地刻劃很多微細(xì)的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長相當(dāng)，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。

光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。對某波長，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，這些方向確定了衍射級次。

如圖1所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為α，衍射角為β，衍射級次為m,d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的極大值：Mλ=d(sinα+sinβ)定義φ為入射光線與衍射光線夾角的一半，即φ=（α-β）/2；θ為相對于零級光譜位置的光柵角，即θ=（α+β）/2，得到更方便的光柵方程：mλ=2dcosφsinθ從該光柵方程可看出：對一給定方向β，可以有幾個(gè)波長與級次m相對應(yīng)λ滿足光柵方程。比如600nm的一級輻射和300nm的二級輻射、200nm的三級輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加消二級光譜濾光片輪的意義。

衍射級次m可正可負(fù)。對相同級次的多波長在不同的β分布開。

含多波長的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變?chǔ)?，則在α+β不變的方向得到不同的波長?！窆鈻艈紊珒x重要參數(shù)：◆分辨率光柵單色儀的分辨率R是分開兩條臨近譜線能力的度量，根據(jù)羅蘭判據(jù)為：R=λ/Δλ光柵光譜儀中有實(shí)際意義的定義是測量單個(gè)譜線的半高寬（FWHM）。

實(shí)際上，分辨率依賴于光柵的分辨本領(lǐng)、系統(tǒng)的有效焦長、設(shè)定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學(xué)像差以及其它參數(shù)。R∝ M·F/WM-光柵線數(shù) F-譜儀焦距 W-狹縫寬度。

◆色散光柵光譜儀的色散決定其分開波長的能力。光譜儀的倒線色散可計(jì)算得到：沿單色儀的焦平面改變距離χ引起波長λ的變化，即：Δλ/Δχ=dcosβ/mF這里d、β、F分別是光柵刻槽的間距、衍射角和系統(tǒng)的有效焦距，m為衍射級次。

由方程可見，倒線色散不是常數(shù)，它隨波長變化。在所用波長范圍內(nèi)，變化可能超過2倍。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，在本樣本中，用1200l/mm光柵色散的中間值（典型的為435.8nm）時(shí)的倒線色散。◆帶寬帶寬是忽略光學(xué)像差、衍射、掃描方法、探測器像素寬度、狹縫高度和照明均勻性等，在給定波長，從光譜儀輸出的波長寬度。

它是倒線色散和狹縫寬度的乘積。例如，單色儀狹縫為0.2mm，光柵倒線色散為2.7nm/mm，則帶寬為2.7*0.2=0.54nm。

◆波長精度、重復(fù)性和準(zhǔn)確度波長精度是光譜儀確定波長的刻度等級，單位為nm。通常，波長精度隨波長變化。

波長重復(fù)性是光譜儀返回原波長的能力。這體現(xiàn)了波長驅(qū)動(dòng)機(jī)械和整個(gè)儀器的穩(wěn)定性。

卓立漢光的光譜儀的波長驅(qū)動(dòng)和機(jī)械穩(wěn)定性極佳，其重復(fù)性超過了波長精度。波長準(zhǔn)確度是光譜儀設(shè)定波長與實(shí)際波長的差值。

每臺單色儀都要在很多波長檢查波長準(zhǔn)確度。◆F/#F/#定義為光譜儀準(zhǔn)直凹面反射鏡的直徑與焦距的比值。

光通過效率與F/#的平方成反比，F(xiàn)/#愈小，光通過率愈高。

3.請介紹光譜儀的工作原理和基本功能

通過對材料光譜的測量可以得到其光學(xué)性質(zhì)。

傳統(tǒng)的光譜技術(shù)包括反射光譜、吸收光譜、發(fā)光光譜和喇曼散射光譜， 它們都屬于色散型光譜技術(shù)。色散型光譜儀測量的是光源經(jīng)過光柵分光以后的光信號， 給出光強(qiáng)的波長分布。

色散型光譜儀分為紫外、可見光和紅外光譜儀。 非色散型光譜儀包括傅立葉變換紅外吸收光譜、光導(dǎo)電譜、光聲光譜和光熱光譜。

它們具有更高的測量靈敏度。 對于光譜功能的認(rèn)識，可以通過一個(gè)例子說明。

比如半導(dǎo)體的吸收光譜。半導(dǎo)體的本征吸收對應(yīng)價(jià)帶頂?shù)碾娮游找粋€(gè)光子獲得能量從而跨過能隙到導(dǎo)帶底 ； 晶格吸收（一般是離子晶體的紅外吸收）對應(yīng)紅外光激發(fā)相同頻率的聲子。

還有施主和受主的雜質(zhì)吸收和激子吸收等等。光的吸收就是在光的作用下由低能級向高能級的量子躍遷。

4.光柵光譜儀 衍射光的角度與哪些物理量有關(guān)

光柵光譜儀 衍射光的角度與哪些物理量有關(guān)

衍射光柵是一種由密集﹑等間距平行刻線構(gòu)成的非常重要的光學(xué)器件，分反射和透射兩大類。

作用：

它利用多縫衍射和干涉作用﹐將射到光柵上的光束按波長的不同進(jìn)行色散﹐再經(jīng)成像鏡聚焦而形成光譜。天文儀器中應(yīng)用較多的是反射光柵﹐它的基底是低膨脹系數(shù)的玻璃或熔石英﹐上面鍍鋁﹐然后把平行線刻在鋁膜上。

形成條件

相關(guān)公式：d·sinθ= n·λ

其中d為為兩狹縫之間的間距，θ為衍射角度，n為光柵級數(shù)，λ為波長。

通常所講的衍射光柵是基于夫瑯禾費(fèi)多縫衍射效應(yīng)工作的。描述光柵結(jié)構(gòu)與光的入射角和衍射角之間關(guān)系的公式叫“光柵方程”。