感光材料光譜靈敏度測定曝光系統的設計

孫 樂，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定曝光系統的設計

孫 樂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. 教育部光學儀器與系統工程研究中心，上海 200093；2. 上?，F代光學系統重點實驗室，上海 200093 )

為了測定感光材料的光譜靈敏度，通過Code V、SolidWorks軟件優化設計了一套感光材料光譜靈敏度測定曝光系統。分析比較了在不同入射角、不同光柵線數情況下系統光路結構的差異，確定入射角25°、光柵線數為350 L/mm是系統的最優設計。實驗結果表明，設計的曝光系統能夠產生一個寬201.5 mm，高80 mm，覆蓋360 nm~900 nm光波長的矩形光譜，經過一個18等級臺階的灰度片使得光譜功率能在0.52 mW~10.65 mW之間進行調節，光譜分辨率能夠達到0.021 nm，滿足曝光系統的設計要求。

光譜測量；光譜靈敏度；光柵；光譜功率；分辨率

0 引 言

隨著現代材料科學技術的發展，光敏感型高分子材料研究作為光物理和光化學研究領域的重要組成部分在功能材料中占有越來越突出的地位[1]。國內外對感光材料的研究也非常多，但是大都是對感光材料的材料特性及化學特性等的分析[2-4]，沒有從光的角度對感光材料的響應特性進行分析，例如光的分辨率，光的強弱等對感光材料敏感性的影響等。

光譜靈敏度是感光材料的一個重要參數，光譜靈敏度表示感光材料對不同波長輻射的照相效應，即產生最小密度以上某一確定密度所需各單色光能量的倒數。測定方法是由白光經分光系統形成一個由單色光組成的光譜，經過光調制器改變譜面的光譜功率，使待測材料獲得一組全光譜條件下不同能量的曝光。膠片經沖洗加工、密度測量，求取其對各單色光的靈敏度[5]。感光材料對不同波長的響應不一樣，對同一波長不同功率的響應也不一樣。本文設計得到由分光系統和光調制器組成的曝光系統，獲得一組不同功率的全光譜,研究感光材料在不同光強度光譜照射下的光譜靈敏度。

其中的分光系統采用平面閃耀光柵[6-7]分光系統。平面閃耀光柵可以將光能量集中到所需要的級次上，由于光柵的高分辨率特性，因而系統產生的光譜具有高的分辨率。唐志健等人[8]采用棱鏡系統作為分光系統測量感光材料靈敏度遠沒有采用光柵分光系統得到的光譜分辨率高。本文系統設計采用一塊凹面反射鏡產生平行光束照射到光柵上，再通過一塊柱面鏡進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整個光譜進行功率調節，配合水平方向的譜線展寬可以得到一個二維的波長不同功率不同的光譜點陣，這樣的光譜對感光材料進行一次實時曝光，可以方便快速地得到感光材料對特定功率光波長的響應特性。

滿足感光材料光譜靈敏度測定曝光系統的光源，必須要是帶有連續光譜的光源。氙燈光源和溴鎢燈光源能夠輸出連續的光譜，輸出光譜范圍可從250 nm到2 500 nm。溴鎢燈光效高、光通量穩定，但是其短波藍紫光較弱、色溫低，而氙燈光源含紫外光譜較多，能夠有效的彌補溴鎢燈在短波的缺陷。本文采用氙燈進行藍紫光波段360 nm~550 nm的曝光響應，采用溴鎢燈進行較長波段550 nm~900 nm的曝光響應，從而能夠使整個波段的光譜功率盡可能提高，提高測量的準確性和精度。由于光柵的衍射特性，在一級光譜長波段720 nm~900 nm會有二級藍紫光波段的光譜重疊現象，系統采用濾光片對二級光譜進行濾波，考慮到光源在長波的能量明顯高于短波，犧牲濾波所帶來的一部分能量下降以解決光譜重疊的問題。設計采用的光學元件經過嚴格結構參數設計，可以達到感光材料光譜靈敏度測定的光譜條件[9-10]。

1 光路的設計原理

感光材料光譜靈敏度測定曝光系統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，在豎直方向上整個光譜的功率可以進行18等級灰度的變化調節。

設計方案為用一塊合適參數的平面光柵進行色散。一束經過準直后的平面波，以合適的入射角入射到平面光柵進行衍射，衍射光波再由一塊經過像差設計的柱面鏡聚焦在設計的像面上，并達到設計要求。

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系統，光經過透鏡組后可以獲得比較嚴格的平行光輸出，但是由于平行光管用的是K9玻璃的透鏡，其在紫外波段有嚴重的吸收，光能量衰減得很厲害，不適合這個波段范圍使用。從表1的實驗數據可以看出，紫外波段光譜的嚴重吸收，光能量嚴重下降。在天體望遠系統中多用反射鏡組成的望遠系統，既可以降低光能量的損失，又可以獲得很寬的光譜信息。根據以上的實驗及分析，系統采用凹面反射鏡作為準直鏡，結合設計尺寸和波段要求，合理布局光路結構。

圖1 灰度梯度變化全波段線光譜圖

表1 光源功率及經過平行光管后的功率

根據幾何光學原理，如果點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。經反射鏡準直的平行光束投射到平面光柵上進行衍射分光，衍射后-1級的光經聚焦鏡聚焦就能在聚焦面得到聚焦譜線。

攝譜儀的光路結構[11-12]采用的是反射球面鏡作為準直鏡，將準直光束經光柵進行色散，色散后的衍射波再經過球面反射鏡進行聚焦，在像平面上得到一條細長的光譜帶，如圖2所示。攝譜儀的光路結構無法得到在豎直方向有展寬的光譜，光線在光譜成像過程中來回折返，光能量損失嚴重，而且沒有辦法形成特定長度包含特定波長信息的光譜。

圖2 攝譜儀的光譜圖像

一般光譜儀的探測器采用的是線陣CCD、硅光電池、光電倍增管等，只要得到一個方向上的展開光譜就可以。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光柵衍射后的1級光譜進行聚焦而豎直方向上又要有光譜的展寬，本設計采用柱面聚焦鏡得到，所采用的柱面鏡在水平方向有準確的聚焦半徑，而在豎直方向上不聚焦，在豎直方向上相當于一塊平面反射鏡，這樣光譜的水平展寬取決于柱面鏡對光柵的相對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應有不同波長的光譜，同時不同波長光譜在豎直方向上有18級灰度變化的光譜強度。

2 系統的光路設計

感光材料光譜靈敏度測定曝光系統主要由光源、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、大小和光譜質量。因此要得到具有固定長寬等要求的光譜帶，必須要確定各光學元件的光學參數即整個系統的結構參數。

根據光譜的要求，要得到200 mm寬波長從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。光柵線數的不同，系統的光譜分辨率不同，得到的光譜衍射角也不相同，整個系統的結構分布也不一樣。根據：

其中：為柱面鏡的聚焦半徑，1，2分別對應兩個波段的衍射角?？梢缘玫疆斁劢圭R半徑為1 m和2 m時所需要的光柵刻線數分別是350 L/mm和170 L/mm。聚焦鏡的聚焦半徑決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為350 L。確定了光柵刻線數和光柵的尺寸大小，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。

根據入瞳大小，波長范圍，利用Code V光學設計軟件，添加光學元件，設置光譜面位置約束(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)，對應的光路結構圖如圖3所示。圖3中為平行光束與光柵法線的夾角，1、2分別對應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，系統光學參數將會發生變化，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位置參數。表2中、、1、2與圖3中的參數相對應。從表2中可以看到，入射角不同，光柵和柱面鏡的相對距離也不同，將會改變曝光系統的布局結構。

圖3 聚焦成像譜光路二維視圖

表2 不同入射角下的結構參數

這樣就得到了光柵和柱面鏡的相對位置和大小。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計要求的寬200 mm，高80 mm的光譜展開面。即由光源經過凹面反射鏡準直得到的平行光束大小要大于100 mm。初步參數已經確定，現在主要是光學元件的擺放問題。為了得到一個合理的元件布局，在這里利用SolidWorks軟件嚴格按照元件的尺寸進行元件擺放。圖4為光柵入射角為0°和25°、光柵線數為350 L/mm和450 L/mm時得到的光學元件布局圖。圖4(a)中入射角為0°、光柵線數為350 L/mm，(b)中入射角為25°、光柵線數為350 L/mm，(c)中入射角為25°、光柵線數為450 L/mm。

圖4 不同入射角，光柵線數350L/mm和450L/mm光路結構圖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

對比圖4(a)、(b)可以看出:光柵線數相同入射角不同的情況下，(a) 中入射角為0°時，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、美觀和后續的檢測系統布局。(b) 通過參數調整得到入射角為25°時光譜面水平，有利于光學元件的布置，這樣更有利于進行光譜靈敏度測量。確定了入射角，再分析光柵線數對光學元件布置的影響。圖4(b)和(c)為入射角相同光柵線數不同時系統的光路結構圖，對比可以看出，采用450 L/mm光柵得到的曝光系統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，增加了系統的設計成本。(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的行程對光能量影響不大，卻對提高成像譜面的光譜成像質量影響較大，也會使其分辨率下降，綜合考慮，我們選擇光柵線數為350 L/mm。

經過數次調整優化，最終確定光柵刻線數為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裝置，得到整個系統的結構參數，圖5為最后的光路結構圖。

圖5 感光材料光譜靈敏度測定曝光系統光路結構圖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-探測器

3 實驗結果及討論

曝光系統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?？梢钥闯?，(a)中光譜在豎直方向上呈明顯的梯度變化。圖7表示測量450 nm、550 nm、650 nm、750 nm波長光分別在100%、80%、60%、40%、10%灰度處的功率值直方圖，圖中四種波長光在最低灰度10%時光譜功率相近為0.5 mW，在灰度為40%時與表1中經過平行光管后的出光功率相近，灰度為80%和100%時的光譜功率最高能達到10.65 mW，可以看出整個光譜的能量相較于用平行光管作為準直的光路設計系統要大大提高，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量的光譜功率要求。

圖6 曝光系統光譜圖

采用光柵分辨率測試軟件測試得到的光譜分辨率曲線如圖8所示。

從圖8中可以看到，測試得到的系統分辨率為0.021 nm，小于攝影密度測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試的光譜條件。

圖7 四種波長在不同灰度下的強度直方圖

圖8 光譜分辨率檢測圖

采用汞燈進行標定得到的譜線圖如圖9所示。

圖9 汞燈標定譜線圖

經過測量可以得到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 論

本文設計了一套用于測定感光材料光譜靈敏度的曝光系統。曝光系統采用溴鎢燈和氙燈兩套光源盡可能的提高整個光譜段的光譜功率從而提高測量的準確度，光源通過凹面反射鏡得到平行光束，照射到平面閃耀光柵上進行分光后再由柱面鏡聚焦在焦像面形成光譜。采用Code V軟件進行仿真設計確定光柵和柱面聚焦鏡的相對位置再通過SolidWorks軟件進行整體的系統布局最后優化確定系統的結構參數，設計得到一個200 mm寬80 mm高的在水平方向上有光譜展寬同時在豎直方向上光譜功率可以進行調節的全光譜。在光譜面加上18等級的灰度片進行光譜功率的變化調節，同時通過功率探測系統和分辨率檢測系統對光譜的功率和分辨率進行檢測。測量得到的光譜功率在0.52 mW~10.65 mW之間變化，譜線分辨率能達到0.021 nm，通過汞燈標定譜線測量得到的譜面寬度為201.5 mm。曝光系統滿足測定感光材料的光譜靈敏度要求，從而可以研究感光材料對特定功率光譜的響應特性。

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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

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2015cb352001)；國家重大科學儀器設備開發專項(2015CB352001)；上海市科學儀器重點項目(14142200902)；國家自然科學基金(61378060、61205156)

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