光栅光谱

由光栅方程d(sinα±sinβ)=mλ可知，在衍射角不太大的情况下(如在一级光谱内，靠近光谱法线区域时)，不同波长光谱线的位置基本上与其波长值成比例。因此，光栅光谱中的各个波长谱线排列比较均匀，并随着波长值线性增加或减少，相应的光栅光谱线的位置(如离光栅法线的距离)也线性变化。

在棱镜光谱中，由于不同波长的光线受到不同程度的折射而被色散。而棱镜材料对不同波长的折射率变化是不与波长成线性的。棱镜材料在短波方向的折射率的变化要比长波区的变化大得多。因此，棱镜光谱中的谱线排列情况是不均匀的。在短波区，因dn/dλ大，谱线排列非常稀疏，而在长波区，则因dn/dλ小，谱线排列非常稠密。所以，同样大小的波长差值，相应的谱线之间的距离，短波处要大于长波处。因此，我们说棱镜在紫外区的色散要比可见、近红外区的色散大。所以，有些紫外可见分光光度计(特别是高档紫外可见分光光度计)都用石英棱镜作前置单色器，就是这个道理。

光栅光谱的排列比较均匀，不同波长区中同样波长差的两根谱线之间的距离变化不太大。光栅光谱的匀排性不但使光谱更加整齐、匀称，而且对定性分析时初步判断、估计谱线的波长值等比较方便。

此外，在谱线的波长分布顺序方面，光栅与棱镜也是不同的;在光栅光谱中，波长越长的光线衍射角数值越大，谱线越偏离光栅法线。在棱镜光谱中，波长越长的光线，偏向角越小，相应的谱线分布越接近入射角方向的位置。

由光栅方程d(sinα±sinβ)=mλ可知，波长为λ的一级(m=1)光谱线，波长λ/2的二级(m=2)光谱线、波长为λ/3的三级(m=3)光谱线……都具有同样的衍射角。即βλ，1=βλ/2，2=βλ/3，3=……=βλ/m，m，这就是衍射光栅光谱的级次重叠。即衍射光栅在同一位置有不同级次的不同波长的光谱线。在宽波段范围内进行高分辨率光谱研究或光谱分析工作时，光栅光谱的级次重叠是非常明显的，必须采取有力的措施，把不需要的波段隔离掉或滤掉;例如，采用前置单色器、采用相应波段的滤光片等。才能避免不需要级次光谱的干扰，才能保证紫外可见分光光度计的分辨率和分析测试数据的准确性和可靠性。

经棱镜色散后形成的光谱，只是按波长次序排列成一个单一的光谱。而经衍射角光栅色散后形成的光谱，则是包含m=0，±1，±2，±3……所有级次光谱的总和。同一块光栅对同一束入射复合光可在不同位置形成一系列不同级次的光谱;在m=0两侧有对称分布的正级次光谱和负级次光谱。因此，光栅光谱的多级次性是原理性的、是本质的，是不可避免的。光栅的这个特性，将对光栅的应用产生许多相应的问题，它会直接对紫外可见分光光度计的光谱分辨率和光谱的检测造成困难，这是所有紫外可见分光光度计的设计者、制造者、使用者必须重视的问题。

光栅主要有 狭缝光栅和柱镜光栅两类，狭缝光栅即 线型光栅是最 早较为成熟的光栅，其成像原理为针孔成像的原理。 因这种光栅比较容易制作，技术难度不大，所以在十几年前就有制作非常优美的大幅狭缝光栅立体灯箱广告出现。现今一些立体制作公司仍乐于用狭缝光栅立体灯箱参与展览，效果是不错，但狭缝光栅立体灯箱有以下缺陷:透光率仅 20~30%，不环保，不节能，照明灯多耗能大，发热大，室外亮度不够，仅适用于室内。

柱镜光栅 种类繁多主要有板材和模材两大类，其成像原理为弧面透镜折射反射成像原理。 柱镜光栅潜力较大，室内外打不打灯都可使用，市场普及率正不断扩大。光栅膜材曾一度因具有价格竞争力而风靡过一阵，但由于柱镜光栅板价格的逐步下降，以及膜材需要粘贴及技术还有待提高的原因使其竞争力未显突出。

利用光栅视觉软体把不同的图案转化成光栅线数，利用光栅折射的原理，在不同的角度呈现出不同的图案，如右图所示，不同规格的光栅会有不同的折射效果与折射角度，观赏距离也会有所不同，所以在设计光栅效果图档的时候，必须先了解光栅才能设计出符合光栅特性的设计图。

光栅效果可以分为以下几种:立体[3D]、两变[Flip]、变大变小[Zoom]、爆炸[Explosion]、连续动作[Animation]、扭转[Twist]....等，其实可以更简化分类为:立体[3D]、变图[Flip]，在变图中就涵盖所有变化的效果，这些效果可以透过许多市面上的动画软体、绘图软体、网页多媒体软体，产生所需要的分解图档，经由光栅视觉软体将分解图合成为光栅线数即可将平面的效果做成立体[3D]、变图[Flip]的特殊效果。

3D Effect [立体影像]

注意事项:

光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。

衍射光栅在屏幕上产生的光谱线的位置，可用式(a+b)(sinφ ± sinθ) = kλ表示。式中a代表狭缝宽度，b代表狭缝间距，φ为衍射角，θ为光的入射方向与光栅平面法线之间的夹角，k为明条纹光谱级数(k=0，±1，±2……)，λ为波长，a+b称作光栅常数。用此式可以计算光波波长。光栅产生的条纹的特点是:明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰。因而利用光栅衍射可以精确地测定波长。衍射光栅的分辨本领R=l/Dl=kN。其中N为狭缝数，狭缝数越多明条纹越亮、越细，光栅分辨本领就越高。增大缝数N提高分辨本领是光栅技术中的重要课题。

最早的光栅是1821年由德国科学家J.夫琅和费用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的。因形如栅栏，故名为"光栅"。现代光栅是用精密的刻划机在玻璃或金属片上刻划而成的。光栅是光栅摄谱仪的核心组成部分，其种类很多。按所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅。反射光栅使用较为广泛;按其形状又分为平面光栅和凹面光栅。此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、闪耀光栅、阶梯光栅等。

由光栅方程d(sinα±sinβ)=mλ可知，对于相同的光谱级数m，以同样的入射角α投射到光栅上的不同波长λ1、λ2、λ2.....组成的混合光，每种波长产生的干涉极大都位于不同的角度位置;即不同波长的衍射光以不同的衍射角β出射。这就说明，对于给定的光栅，不同波长的同一级主级大或次级大(构成同一级光栅光谱中的不同波长谱线)都不重合，而是按波长的次序顺序排列，形成一系列分立的谱线。这样，混合在一起入射的各种不同波长的复合光，经光栅衍射后彼此被分开。这就是衍射光栅的分光原理。

在制作各种光栅视觉效果前，必须要先了解光栅的特性、种类、规格、厚度、尺寸、方向性等，才能仔细判别如何制作出精致的光栅影像效果，就台湾市面上常用之光栅材料做分类，可分为以下几种。

印刷光栅材质:PET、PP、PVC、TPU等，PET、PP为硬质平板环保材质，PVC、TPU为软质材质。

印刷光栅线数:50 LPI、60 LPI、62 LPI、75 LPI、100 LPI。

光栅线数效果:50 LPI--3D、Flip--常用材料

100 LPI--3D、Flip--常用材料

根据研究，我们人类的眼睛在观察一个三维物体时，由于两眼水平分开在两个不同的位置上，所观察到的物体图像是不同的，它们之间存在着一个像差，由于这个像差的存在，通过人类的大脑，我们可以感到一个三维世界的深度立体变化，这就是所谓的立体视觉原理。 据立体视觉原理，如果我们能够让我们的左右眼分别看到两幅在不同位置拍摄的图像，我们应该可以从这两幅图像感受到一个立体的三维空间。从前面的分析中我们可以知道不同的观察角度将可以看到不同的图像。因如果我们将光栅垂直于两眼放置，由于两眼对光栅的观察角度不同，因而两眼会看到两个不同的图像，从而产生立体感。

通常为了获得更好的立体效果,往往不单以两幅图像制作，而是用一组序列的立体图像去构成，在这样的情况下，根据观察的位置不同，只要同时看到这个序列中的两副图像，即可感受到三维立体效果。

将光栅平置于两眼之间，注意两眼对光栅的线纹角度要保持平行，因而两眼看到的是同一个图像，如果图像是由一列连续动画所构成，那么当双眼上下移动或把光栅上下翻动时，双眼与光栅的角度将发生变化，我们也将看到一个接一个的连续图像，即看到一个动画或变画的效果。

就是指有一面被挤压成圆柱形线条 一面为完整平面的塑胶材料，且圆柱形线条间距相等谓之"光栅"此光栅平面可作为印刷之用途，使用光栅视觉软体合成图档后，使用不同输出设备输出档案，并与光栅贴合或直接印刷在光栅板上，就可以呈现如右图所示的效果，让动画可以直接在平面的印刷上呈现出萤幕所看见的变图效果。

在选择适合的光栅板时，光栅弯曲的角度是非常重要的事，一般来说 3 D 立体效果最理想的光栅是使用窄角度光栅板，它的视角大约在15度~44度之间的效果是最好的，如果要制作变图或动画的效果，宽角度光栅板的视角约44度~65度之间是最适合的光栅板。

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。为更好协助各位使用者选择，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薄金属表面机械刻划而成;复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。

如何选择光栅

选择光栅主要考虑如下因素：

1、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验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。

2、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。

3、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为相对于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，这就是为什么要加消二级光谱滤光片轮的意义。

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。