感光材料光谱灵敏度测定曝光系统的设计

孙 乐，黄元申，盛 斌，董成成，周红艳，张大伟



感光材料光谱灵敏度测定曝光系统的设计

孙 乐1, 2，黄元申1, 2，盛 斌1, 2，董成成1, 2，周红艳1, 2，张大伟1, 2

( 1. 教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海 200093；2. 上海现代光学系统重点实验室，上海 200093 )

为了测定感光材料的光谱灵敏度，通过Code V、SolidWorks软件优化设计了一套感光材料光谱灵敏度测定曝光系统。分析比较了在不同入射角、不同光栅线数情况下系统光路结构的差异，确定入射角25°、光栅线数为350 L/mm是系统的最优设计。实验结果表明，设计的曝光系统能够产生一个宽201.5 mm，高80 mm，覆盖360 nm~900 nm光波长的矩形光谱，经过一个18等级台阶的灰度片使得光谱功率能在0.52 mW~10.65 mW之间进行调节，光谱分辨率能够达到0.021 nm，满足曝光系统的设计要求。

光谱测量；光谱灵敏度；光栅；光谱功率；分辨率

0 引 言

随着现代材料科学技术的发展，光敏感型高分子材料研究作为光物理和光化学研究领域的重要组成部分在功能材料中占有越来越突出的地位[1]。国内外对感光材料的研究也非常多，但是大都是对感光材料的材料特性及化学特性等的分析[2-4]，没有从光的角度对感光材料的响应特性进行分析，例如光的分辨率，光的强弱等对感光材料敏感性的影响等。

光谱灵敏度是感光材料的一个重要参数，光谱灵敏度表示感光材料对不同波长辐射的照相效应，即产生最小密度以上某一确定密度所需各单色光能量的倒数。测定方法是由白光经分光系统形成一个由单色光组成的光谱，经过光调制器改变谱面的光谱功率，使待测材料获得一组全光谱条件下不同能量的曝光。胶片经冲洗加工、密度测量，求取其对各单色光的灵敏度[5]。感光材料对不同波长的响应不一样，对同一波长不同功率的响应也不一样。本文设计得到由分光系统和光调制器组成的曝光系统，获得一组不同功率的全光谱,研究感光材料在不同光强度光谱照射下的光谱灵敏度。

其中的分光系统采用平面闪耀光栅[6-7]分光系统。平面闪耀光栅可以将光能量集中到所需要的级次上，由于光栅的高分辨率特性，因而系统产生的光谱具有高的分辨率。唐志健等人[8]采用棱镜系统作为分光系统测量感光材料灵敏度远没有采用光栅分光系统得到的光谱分辨率高。本文系统设计采用一块凹面反射镜产生平行光束照射到光栅上，再通过一块柱面镜进行光栅衍射分光谱的成像谱面聚焦。在谱面竖直方向加上灰度片对整个光谱进行功率调节，配合水平方向的谱线展宽可以得到一个二维的波长不同功率不同的光谱点阵，这样的光谱对感光材料进行一次实时曝光，可以方便快速地得到感光材料对特定功率光波长的响应特性。

满足感光材料光谱灵敏度测定曝光系统的光源，必须要是带有连续光谱的光源。氙灯光源和溴钨灯光源能够输出连续的光谱，输出光谱范围可从250 nm到2 500 nm。溴钨灯光效高、光通量稳定，但是其短波蓝紫光较弱、色温低，而氙灯光源含紫外光谱较多，能够有效的弥补溴钨灯在短波的缺陷。本文采用氙灯进行蓝紫光波段360 nm~550 nm的曝光响应，采用溴钨灯进行较长波段550 nm~900 nm的曝光响应，从而能够使整个波段的光谱功率尽可能提高，提高测量的准确性和精度。由于光栅的衍射特性，在一级光谱长波段720 nm~900 nm会有二级蓝紫光波段的光谱重叠现象，系统采用滤光片对二级光谱进行滤波，考虑到光源在长波的能量明显高于短波，牺牲滤波所带来的一部分能量下降以解决光谱重叠的问题。设计采用的光学元件经过严格结构参数设计，可以达到感光材料光谱灵敏度测定的光谱条件[9-10]。

1 光路的设计原理

感光材料光谱灵敏度测定曝光系统需要得到的全光谱如图1所示。全光谱宽200 mm，高80 mm，光谱在水平方向上为360 nm~900 nm的线光谱，在竖直方向上整个光谱的功率可以进行18等级灰度的变化调节。

设计方案为用一块合适参数的平面光栅进行色散。一束经过准直后的平面波，以合适的入射角入射到平面光栅进行衍射，衍射光波再由一块经过像差设计的柱面镜聚焦在设计的像面上，并达到设计要求。

要得到如图1所示的全光谱首先要得到平行光。平行光管是由透镜组组成的望远系统，光经过透镜组后可以获得比较严格的平行光输出，但是由于平行光管用的是K9玻璃的透镜，其在紫外波段有严重的吸收，光能量衰减得很厉害，不适合这个波段范围使用。从表1的实验数据可以看出，紫外波段光谱的严重吸收，光能量严重下降。在天体望远系统中多用反射镜组成的望远系统，既可以降低光能量的损失，又可以获得很宽的光谱信息。根据以上的实验及分析，系统采用凹面反射镜作为准直镜，结合设计尺寸和波段要求，合理布局光路结构。

图1 灰度梯度变化全波段线光谱图

表1 光源功率及经过平行光管后的功率

根据几何光学原理，如果点光源放在凹面反射镜的焦平面上，那么其反射光是近似平行光束。经反射镜准直的平行光束投射到平面光栅上进行衍射分光，衍射后-1级的光经聚焦镜聚焦就能在聚焦面得到聚焦谱线。

摄谱仪的光路结构[11-12]采用的是反射球面镜作为准直镜，将准直光束经光栅进行色散，色散后的衍射波再经过球面反射镜进行聚焦，在像平面上得到一条细长的光谱带，如图2所示。摄谱仪的光路结构无法得到在竖直方向有展宽的光谱，光线在光谱成像过程中来回折返，光能量损失严重，而且没有办法形成特定长度包含特定波长信息的光谱。

图2 摄谱仪的光谱图像

一般光谱仪的探测器采用的是线阵CCD、硅光电池、光电倍增管等，只要得到一个方向上的展开光谱就可以。如果要得到在竖直方向上具有指定高度的光谱，考虑到水平方向上要对光栅衍射后的1级光谱进行聚焦而竖直方向上又要有光谱的展宽，本设计采用柱面聚焦镜得到，所采用的柱面镜在水平方向有准确的聚焦半径，而在竖直方向上不聚焦，在竖直方向上相当于一块平面反射镜，这样光谱的水平展宽取决于柱面镜对光栅的相对位置以及柱面镜的聚焦半径，而光谱高度取决于光栅的高度(光斑能够充满光栅表面)，只要光栅高度大于80 mm，得到的线光谱就能满足80 mm的高度，从而得到既在水平方向上有光谱展宽，又在竖直方向上具有一定高度的全波段线光谱。在成像谱面竖直方向加上18等级灰度梯度变化的灰度片，使光谱功率梯度变化，得到在水平方向上对应有不同波长的光谱，同时不同波长光谱在竖直方向上有18级灰度变化的光谱强度。

2 系统的光路设计

感光材料光谱灵敏度测定曝光系统主要由光源、凹面反射镜、平面衍射光栅和柱面镜组成。这些元件的位置、大小决定了成像谱面的位置、大小和光谱质量。因此要得到具有固定长宽等要求的光谱带，必须要确定各光学元件的光学参数即整个系统的结构参数。

根据光谱的要求，要得到200 mm宽波长从360 nm~900 nm的光谱带，由于全光谱带的高度为80 mm，所以我们选用110 mm×110 mm大小的平面闪耀光栅。光栅线数的不同，系统的光谱分辨率不同，得到的光谱衍射角也不相同，整个系统的结构分布也不一样。根据：

其中：为柱面镜的聚焦半径，1，2分别对应两个波段的衍射角。可以得到当聚焦镜半径为1 m和2 m时所需要的光栅刻线数分别是350 L/mm和170 L/mm。聚焦镜的聚焦半径决定了成像谱面的位置，考虑到光谱能量的要求，光路行程的缩短可以大大提高谱线的能量，所以初步确定光栅的刻线数为350 L。确定了光栅刻线数和光栅的尺寸大小，可以确定入射光斑的大小，考虑到光栅的有效使用面积，确定入瞳的大小为100 mm。

根据入瞳大小，波长范围，利用Code V光学设计软件，添加光学元件，设置光谱面位置约束(光谱面位置在光栅之后)和光谱面宽度约束(光谱面宽度为200 mm)，对应的光路结构图如图3所示。图3中为平行光束与光栅法线的夹角，1、2分别对应柱面镜到光谱面的距离和光栅到柱面镜的距离，G为光栅，C为柱面镜，F代表聚焦像面。

从图3可以看出，光束以不同的入射角入射到光栅上，要得到特定宽度的线光谱，系统光学参数将会发生变化，如柱面镜到谱面的距离和光栅到柱面镜的距离。表2表示的是不同入射角入射到光栅上得到的光栅和柱面镜的相对位置参数。表2中、、1、2与图3中的参数相对应。从表2中可以看到，入射角不同，光栅和柱面镜的相对距离也不同，将会改变曝光系统的布局结构。

图3 聚焦成像谱光路二维视图

表2 不同入射角下的结构参数

这样就得到了光栅和柱面镜的相对位置和大小。只要有满足要求的100 mm大小入瞳的光束照射到光栅上就能得到满足设计要求的宽200 mm，高80 mm的光谱展开面。即由光源经过凹面反射镜准直得到的平行光束大小要大于100 mm。初步参数已经确定，现在主要是光学元件的摆放问题。为了得到一个合理的元件布局，在这里利用SolidWorks软件严格按照元件的尺寸进行元件摆放。图4为光栅入射角为0°和25°、光栅线数为350 L/mm和450 L/mm时得到的光学元件布局图。图4(a)中入射角为0°、光栅线数为350 L/mm，(b)中入射角为25°、光栅线数为350 L/mm，(c)中入射角为25°、光栅线数为450 L/mm。

图4 不同入射角，光栅线数350L/mm和450L/mm光路结构图L0-光源、S-狭缝、R-反射镜、M-凹面反射镜、G-光栅、C-柱面镜、F-焦像面

对比图4(a)、(b)可以看出:光栅线数相同入射角不同的情况下，(a) 中入射角为0°时，光谱面F与水平方向有一定的夹角，影响仪器的使用方便性、美观和后续的检测系统布局。(b) 通过参数调整得到入射角为25°时光谱面水平，有利于光学元件的布置，这样更有利于进行光谱灵敏度测量。确定了入射角，再分析光栅线数对光学元件布置的影响。图4(b)和(c)为入射角相同光栅线数不同时系统的光路结构图，对比可以看出，采用450 L/mm光栅得到的曝光系统其柱面镜尺寸比采用350 L/mm光栅要大很多，柱面镜的加工成本大大增加，增加了系统的设计成本。(c)中柱面镜距离成像谱面的距离比(b)要小，这样得到的光谱能量要大，但是相差约200 mm的行程对光能量影响不大，却对提高成像谱面的光谱成像质量影响较大，也会使其分辨率下降，综合考虑，我们选择光栅线数为350 L/mm。

经过数次调整优化，最终确定光栅刻线数为350 L/mm，光栅入射角为25°，在成像光谱面加上灰度片以及探测装置，得到整个系统的结构参数，图5为最后的光路结构图。

图5 感光材料光谱灵敏度测定曝光系统光路结构图L0-光源、S-狭缝、R-反射镜、M-凹面反射镜、G-光栅、C-柱面镜、F-焦像面、D-探测器

3 实验结果及讨论

曝光系统得到的聚焦谱面光谱图像如图6所示。图6(a)为加上灰度片后的光谱图像，(b)为未加灰度片的光谱图像。可以看出，(a)中光谱在竖直方向上呈明显的梯度变化。图7表示测量450 nm、550 nm、650 nm、750 nm波长光分别在100%、80%、60%、40%、10%灰度处的功率值直方图，图中四种波长光在最低灰度10%时光谱功率相近为0.5 mW，在灰度为40%时与表1中经过平行光管后的出光功率相近，灰度为80%和100%时的光谱功率最高能达到10.65 mW，可以看出整个光谱的能量相较于用平行光管作为准直的光路设计系统要大大提高，加上灰度片后有明显的梯度变化，满足感光材料光谱灵敏度测量的光谱功率要求。

图6 曝光系统光谱图

采用光栅分辨率测试软件测试得到的光谱分辨率曲线如图8所示。

从图8中可以看到，测试得到的系统分辨率为0.021 nm，小于摄影密度测量的光谱条件所要求的0.25 nm，满足感光材料光谱灵敏度测试的光谱条件。

图7 四种波长在不同灰度下的强度直方图

图8 光谱分辨率检测图

采用汞灯进行标定得到的谱线图如图9所示。

图9 汞灯标定谱线图

经过测量可以得到3条特征谱线的线色散率值分别为

将式(2)、式(3)、式(4)中线色散率求取平均值可以得到平均色散率为2.68 nm/mm，从而可以得到光谱宽度值为

从式(5)中结果可以看出，在考虑误差的情况下满足理论要得到的200 mm光谱宽度的要求。

4 结 论

本文设计了一套用于测定感光材料光谱灵敏度的曝光系统。曝光系统采用溴钨灯和氙灯两套光源尽可能的提高整个光谱段的光谱功率从而提高测量的准确度，光源通过凹面反射镜得到平行光束，照射到平面闪耀光栅上进行分光后再由柱面镜聚焦在焦像面形成光谱。采用Code V软件进行仿真设计确定光栅和柱面聚焦镜的相对位置再通过SolidWorks软件进行整体的系统布局最后优化确定系统的结构参数，设计得到一个200 mm宽80 mm高的在水平方向上有光谱展宽同时在竖直方向上光谱功率可以进行调节的全光谱。在光谱面加上18等级的灰度片进行光谱功率的变化调节，同时通过功率探测系统和分辨率检测系统对光谱的功率和分辨率进行检测。测量得到的光谱功率在0.52 mW~10.65 mW之间变化，谱线分辨率能达到0.021 nm，通过汞灯标定谱线测量得到的谱面宽度为201.5 mm。曝光系统满足测定感光材料的光谱灵敏度要求，从而可以研究感光材料对特定功率光谱的响应特性。

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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

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015cb352001)；国家重大科学仪器设备开发专项(2015CB352001)；上海市科学仪器重点项目(14142200902)；国家自然科学基金(61378060、61205156)

孙乐(1991-)，男(汉族)，江西吉安人。硕士，主要研究方向是光栅检测和光谱学分析。E-mail:13120728716@163.com。