单光束紫外分光光度计波长准确度分析与修正_陈建波.pdf

2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFB0504600);中国电波传播研究所稳定支持科研经费资助项目(A132001W03)收稿日期:20220216单光束紫外分光光度计波长准确度分析与修正陈建波1，2，林冠宇1，杨小虎1(1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033;2中国科学院大学，北京100049)摘要:为了提高单光束紫外分光光度计的波长准确度，基于光栅色散原理对影响紫外分光光度计系统波长输出准确度的各项因素及特征进行了分析，提出了将结构修正与光学定标修正相结合的综合波长修正方法。利用该综合修正方法对研制的单光束紫外分光光度计进行波长修正，修正后在 100400 nm 波段范围内的波长精度由02 nm 提高到007 nm。实验结果证明了单光束紫外分光光度计波长准确度分析的合理性以及结构修正与光学定标修正相结合的综合波长修正方法的有效性。关键词:分光光度计;波长准确度;波长精度;波长修正;凹面光栅中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02002707Analysis and Correction of Wavelength Accuracyof Single-beam UV SpectrophotometerCHEN Jian-bo1，2，LIN Guan-yu1，YANG Xiao-hu1(1Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China;2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)Abstract:In order to improve the wavelength accuracy of the single-beam UV spectrophotometer，the factors and character-istics affecting the wavelength output accuracy of the UV spectrophotometer system were analyzed based on the grating dispersiontheory，and comprehensive wavelength correction method combining of structural correction and optical calibration correction wasproposed This comprehensive correction method was used to correct the wavelength of the single-beam UV spectrophotometer de-veloped in the laboratory After correction，the wavelength accuracy in the range of 100400 nm was improved from 02 nm to 007 nm The experimental results demonstrate the rationality of the wavelength accuracy analysis of the single-beam UV spectro-photometer and the effectiveness of the comprehensive wavelength correction method combining structural correction and opticalcalibration correctionKeywords:spectrophotometer;wavelength accuracy;wavelength accuracy;wavelength correction;concave grating0引言在紫外空间光学遥感仪器的研制中，需要对紫外光学元件本体的光谱透射率、光谱反射率、光谱偏振特性和光栅效率等光谱传输特性进行分析13。紫外分光光度计是研究光学元件光谱传输特性的重要工具。波长准确度和光谱分辨力是分光光度计的重要指标，为了满足紫外分光光度计的波长准确度，需要对系统的波长准确度进行修正。SeyaNamioka IV 型消像差凹面光栅成像质量好，结构简单，能量利用率高，是目前紫外分光光度计系统的主流分光设计方案，其波长和光栅转角的值呈正弦关系。因此对光栅的驱动常采用正弦机构、凸轮机构或余割杠杆机构，其波长输出准确度取决于扫描机构的加工精度和装调精度。当光栅扫描机构在加工和装调过程中存在误差时，必然会对光度计系统的波长准确度造成影响。光度计系统的性能依赖于波长准确度，对光度计的波长准确度进行修正是值得思考问题。同类型的色散型光谱仪器采用波长精度修正方法一般从定标修正和结构修正 2 个方向出发46。从定标修正出发，J Cho等在对基于 CCD 的光栅光谱仪研究时采用双三角函数对波长和像素的位置进行标定7;王明志等在对光栅色散性成像光谱仪分析时通过二次拟合函数对光谱通道的中心波长进行标定8。采用三角函数和二次拟合函数对光栅光谱仪进行定标修正时依赖于标准谱线，定标修正的精度会受到标准谱线的数量和分布的影响，定标修正的共同缺点是在偏离标准谱线位置其波长精度会下降。从结构修正出发，王智宏等提28Instrument Technique and SensorFeb2023出基于粒子群寻优的光谱仪波长误差修正方法9，获得波长修正的杆长比参量，对便携式近红外光谱仪进行了修正，其他研究者在对光谱仪波长进行修正时多采用类似方法，但这种方法不能对光栅转角的零位偏差进行修正。许典等在双光栅光谱仪波长扫描机构精度分析中对光栅转角零位偏差进行了阐述10，其通过测量波长定标直线度来估计光栅转角零位误差的大小，并未提出针对性的消除方法。本文针对研发的单光束紫外分光光度计，从光栅扫描机构的工作原理出发，推导出影响单色仪系统波长准确度的因素，并对其逐一分析建立结构修正和定标修正相结合的波长准确度综合修正方法，对包含光栅转角零位偏差在内的多项误差进行有效修正。1分光光度计单色仪系统的工作原理紫外分光光度计系统利用单型全息凹面光栅进行分光，其优点是减少工作波段的反射次数，在提高能量 传 输 效 率 的 同 时，有 效 减 小 系 统 体 积 和重量11。11凹面光栅色散原理凹面光栅色散原理为d(sinisin)=m(1)式中:d 为光栅刻线距;i 为入射光线和光栅法线的夹角;为衍射光线和光栅法线的夹角;m 为衍射光谱的级次;为光栅出射位置对应的波长。当所使用的衍射光谱级次和入射光在法线同一侧时，式(1)中取正号;反之则取负号。光栅分光原理如图 1 所示。图 1光栅分光原理图 1 中，ON 为光栅法线，OB 为出射光线和入射光线的角平分线，i 为入射光线和光栅法线的夹角，为出射光线和光栅法线的夹角，为光栅法线 ON 与OB 的夹角，2 为出射光线和衍射光谱的夹角。采用异侧衍射光谱作为光度计分光系统的出射光1213，则式(1)可以简化为sinisin=md(2)在式(2)中，本文对应的光度计系统，m=1，d=1/1 200 mm。在图 1 中可以得到夹角、i 之间的几何关系，入射角和出射角表示为:i=+=(3)将式(3)代入式(2)进行化简得到波长关于光栅转角 的关系式:=2dcosmsin(4)式中:光栅衍射级次 m=1 为定值;设 a=2dcos/m;d=1/1 200 nm 为定值;入射光线和衍射光线的夹角 2=64为定值。则式(4)可以简化为=asin(5)根据式(5)可知，只需要保证光栅转角的正弦值和波长成线性关系，就能够保证光度计系统的输入和输出的波长成线性关系。12正弦机构驱动原理正弦机构驱动光栅转动的扫描方式如图 2 所示。卷簧拉紧摆杆使摆杆和滑块始终紧密接触，通过丝杠旋转带动滑块前后移动，并带动光栅轴摆杆及光栅转动，从而完成光谱扫描。本文分光光度计的工作波段=100 400nm，对 应 光 栅 轴 的 转 角=4057 106 31116439 504 25。图 2正弦机构原理在装调过程中，若将光栅轴摆杆垂直于丝杠，即入射光线和衍射光谱夹角角平分线位置和光栅法线位置重合，那么光栅轴摆杆转过的角度 和光栅法线ON 与入射光线和出射光线角平分线 OB 的夹角 始终相等14，可以得到关系式如下:sin=sin=xl(6)将式(6)代入式(4)得:第 2 期陈建波等:单光束紫外分光光度计波长准确度分析与修正29=2dcosmlx(7)在式(7)中，光栅常数 d、入射光线和衍射光线的夹角 2、光栅衍射级次 m、光栅摆杆长度 l 为常量，仅滑块位置 x 为变量。通过正弦机构将光谱扫描的输入量和输出量建立线性关系，简化了控制系统的控制关系，为波长扫描机构的扫描精度和重复性提供了理论保证。2光度计波长准确度分析和修正方法21影响光度计波长准确度的因素分析当光栅衍射级次 m=1 时，对式(7)的等号两边进行微分可得:d=2dcosmldx+2dcosmlxd2xdmlsind2dcosml2xdl(8)式中:dx 为光栅轴摆杆沿丝杠方向位移误差;d 为光栅刻线引起的光栅常数误差;d 为光栅入射光线和衍射光谱的半角误差;dl 为光栅轴摆杆的长度误差。根据式(8)可知，在光栅光度计中影响波长准确度的因素主要有 dx、d、d、dl。将式(8)记为=1+234(9)根据式(9)可以发现单色仪输出的波长误差由 4个部分共同作用，即光栅轴摆杆沿丝杠方向的位移误差 x 引起的波长误差 1;光栅常数误差 引起的波长误差 2;光栅入射光线和衍射光谱半角误差 引起的波长误差 3;光栅轴摆杆长度 l 引起的波长误差 4。211丝杠位移误差引起的波长误差 1光栅轴摆杆沿丝杠方向的位移误差主要包括以下5 个因素:丝杠螺距累积误差、丝杠轴向支撑间隙误差、丝杠螺母空回误差、滑块和光栅轴摆杆接触面倾斜产生的滑动面倾斜误差、光栅轴摆杆零位偏差。光度计分光系统采用丝杠定位，其中丝杠螺距累计误差体现在光栅轴摆杆沿丝杠方向上的位移误差，记此项误差为 x。这部分产生的误差为1x=2dcosmlx(10)丝杠轴向支撑间隙误差通过结构的设计可以消除，同时对于丝杠螺母空回误差，如果不考虑光度计的反向读数，此项误差也可以不予考虑。丝杠上滑块和光栅轴摆杆倾斜产生的误差记为滑动面倾斜误差，主要体现在光栅轴摆杆沿丝杠方向的位移误差，其误差形式大致如图3 所示，摆杆初始位置为 OA，光栅轴摆杆转过角度 时处于 OC 位置，当丝杠滑块和光栅轴摆杆球头处于理想位置时，滑块在丝杠上的位移为 x，当丝杠摆杆球头和丝杠上滑块的滑动面存在倾斜时，滑块在丝杠上的位移为 x0。当光栅轴摆杆处于同一角度时，由于滑动面倾斜角 产生的位移误差 BC 为BC=ltan(1cos)(11)可以得到当光栅转角为 时的波长和由滑动面倾斜引起的误差为:1=2dcosmlx+2dcostanm(11x2l2)(12)1=1=2dcostanm(1x2l21)(13)图 3滑动面倾斜误差由 12 节可知，式(7)成立条件为在光栅轴摆杆和丝杠垂直时，即滑块处于零位时，入射光线和衍射光谱角平分线和光栅法线重合。但在实际加工装调过程中，光栅轴摆杆零位偏差不可避免，假设光栅轴摆杆零位偏差为，即入射光线和衍射光谱的角平分线与光栅法线之间存在的初始零位偏差为。那么式(6)可以写为sin(+)=sin(+)=xlcos+1x2l2sin(14)在引入光栅轴摆杆零位偏差后，可以得到光栅轴