高精度分光光度计测量光谱透过率

关键词：高精度分光光度计；透过率；美析仪器www.macylab.com；UV-1100;UV-1800

    该型号紫外分光光度计系统的特点是基于双光栅单色仪的全自动单光束测量仪器。在出射光路中引入了积分球，用来消除光束的偏振性和不均匀性，而且在信号接收部分提出了将滤光片和探测器作为整体考虑，优点是接近滤光片的实际使用环境，减少了其实际测量误差。着重叙述了该仪器的设计过程和不确定度分析。测量的不确定度源包括光源的稳定性，双单色仪重复性、再现性，光束的均匀性，内反射，探测器线性、稳定性、偏振性、均匀性，系统杂散光。经本仪器测量的滤光片透过率合成不确定度为 5.859×10-3，完全满足测量精度要求。双光束紫外分光光度计UV-1800。

引 言

目前，在光学遥感传感器定标领域，基于硅陷阱探测器的滤光片辐射计是解决波段式仪器高精度辐射定标的有效途径，因其体积小、重量轻、功耗低，在野外、机载和星载高精度辐射定标中具有广阔的应用前景。因此，滤光片透过率和探测器绝对响应率的测量对提高滤光片辐射计的测量精度至关重要。双光束紫外分光光度计UV-1800。

通过实验证明，硅陷阱探测器的绝对光谱响应率不确定度小于 0.035%，其可以作为高精度的绝对光谱响应率标准探测器，滤光片透过率的不确定度则成为滤光片辐射计测量不确定度的主要来源。虽然，很多商业仪器测量透过率相对比较精确，但很难估算由于各种仪器参数引入的系统不确定度。高精度分光光度计是在 dk242 双单色仪基础上，设计了入射光路和出射光路。入射光路是由两块离轴抛物镜和光源冷却系统组成，出射光路主要包括离轴抛物镜和积分球。因为单色仪出射的光束具有明显的灯丝像，所以积分球主要起到均匀双单色仪出射光和消除单色光的偏振性。接收部分直接采用滤光片辐射计整体作为探测单元，因为在实际测量时很难保证入射到滤光片表面的光束是平行光，而且光谱透过率曲线和入射光的角度也有很大关系，将滤光片和探测器作为整体考虑有利于测得的光谱透过率更接近实际测量条件。整个仪器光路采用单光路而不采用双光路主要是因为：首先，单光路比双光路有更大的光通量，而且光路调整简单;其次，减少系统引入的误差，有利于仪器的不确定度分析。双单色仪出射光最大特点是光强很弱，而且通过积分球均匀化后出射光强大约削弱100 倍，使得探测器的信噪比很低，接近了探测器的本底噪声。双光束紫外分光光度计UV-1800。

为了解决信噪比低的矛盾，在双单色仪的出射狭缝处加入了锁相放大器，从而改善了探测器信噪比，为提高测量精度提供了保障。基于双单色仪的高精度分光光度计对滤光片光谱透过率测量的合成不确定度优于5.859×10-3。因此，通过该仪器测量的光谱透过率可以直接运用到滤光片辐射计实际测量中，在传递标准(陷阱探测器) 和工作标准(积分球定标源和标准灯等) 之间建立高精度辐射标准传递关系，实现光谱辐亮度和光谱辐照度等辐射量的高精度测量。双光束紫外分光光度计UV-1800。

1 高精度分光光度计系统组成

1.1 入射光路

照明部分采用什么形式的光学结构，对系统的入射效率以及后面的出射效率影响都很大。在光学结构选型时，主要考虑以下几种方式：

1.1.1 双透镜式

第一个透镜为准直作用，灯丝置于焦点处，经第一个透镜后，变成平行光;第二个透镜按照系统的 f#进行设计，并将平行光聚焦到入射狭缝处。该结构的优点是：结构简单，光能量利用率较高。它的缺点是：由于使用了透镜，必不可少地会给系统引入色差、球差等像差，这对于波谱测试系统是严重问题。

1.1.2 光纤导入方式

这里通常都使用多根光纤组成的光纤束。一端通过耦合装置将光源发出的光线耦合进光纤，另一端将光纤排列成入射狭缝的形状。光纤选择时考虑到了与单色仪的 f# 匹配。该方式显著的优点：结构简单、使用方便。同时也存在不足：光纤存在传输损耗，出射效率不高，输出不稳定，光纤与狭缝的配合对机械调整的要求很高，难以保证高精度的耦合重复性。显然，它的缺点对于定标测试系统来说是难以容忍的。

1.1.3 双抛物反射镜方式

抛物面反射镜具有如下特性：对于从焦点射来的光线，经抛物反射镜后平行出射;对于平行入射的光线，经抛物面反射镜后会聚到焦点处。本照明方式选用的是一对完全相同的离轴抛物面反射镜，光源位于第一个反射镜的焦点处，经过第一个镜面反射形成平行光并传递给第二个反射镜，平行光的出射方向和抛物镜的光轴平行，第二个抛物反射镜将光线会聚到焦点处，也就是单色仪的入射狭缝处。该方式的优点在于光路中均采用了反射式结构，不会引入像差，且效率较高;缺点是由于离轴抛物反射镜属于非球面镜，加工难度大，成本高。

综合比较这三种方式的优缺点，我们选择了第三种。这主要还是根据我们的使用要求而确定的。实际使用中单色仪覆盖的波谱范围宽，如果使用透镜系统，必然会在波段变化过程中，光束路径产生较大的偏差，测试条件就发生改变了。另外，测试过程中也要求能量尽量稳定，而使用光纤系统却很难保证这一点。第三种方式除加工较为复杂外，没有明显的不足，最终被应用到这套系统中。

我们选用的是dk242 双单色仪，由于 dk-242 双单色仪是把两个同样的单色仪串联在一起的，所以它存在加、减两种工作模式。通常双单色仪运行在加模式下，在加模式下工作，两个光栅转动方向、角度完全相同，被第一个单色仪色散的出射光，经过第二个光栅作用，又一次被色散，相当于焦距扩大了二倍，系统的光谱分辨率也提高了二倍。同时在双单色仪内部，各光学路径均有相应的孔径限制，隔板都采用特种工艺处理以尽量减少对光的反射，使得出射光中杂散光小于 10-10。dk-242 在设计中采用了凹面镜聚焦和准直的 czerny-turner 结构。光栅放在一个三角形转台上，各边均固定一块光栅，通过合理选择光栅配置，可以使单色仪的波谱覆盖范围充分满足用户要求。使用中，在步进电机驱动下，通过软件选择所使用的光栅，转台转动到规定位置。由于双单色仪中的三组光栅自身参数不同，波谱覆盖范围也不同，所以所能提供的波谱分辨率也不尽相同。

1.3 出射光路

双单色仪出射光束特点是发散角很大，有明暗条纹 (因为出射光束成灯丝像)，而且由于双单色仪出射狭缝非常小(例如，分辨率为 0.75nm 时，那么出射狭缝大约只有 220μm)在光束边缘光能分布不均匀，如果直接入射到探测器，势必造成测量的很大误差。因此，在探测器接收之前必须经过积分球的均匀化，使得探测器接收到均匀的光斑，这同时和实际测量条件也相似。由于在贴近出射狭缝处的光束像最小，如果在双单色仪出射狭缝处直接加入积分球，虽然光路很紧凑，但机械重复性很差，不能明确判断光束完全入射积分球。作者从入射光路得到启发，在通过两块离轴抛物镜成像在积分球入射口处，这样不仅容易调节光束进入积分球，而且更重要的是在双单色仪出射狭缝处可以加入光斩波器，满足调制位置在系统的越前端越好的原则(入射光路和双单色仪是通过 f# 进行匹配的，无法插入斩波器，所以只好放在出射光路中)。双单色仪出射光的另一个特点是出射光强很弱，如再经过积分球光能又衰减了近 100 倍，测量信号和探测器的本底噪声非常接近，信噪比很低，于是在光路中加入了光斩波器和锁相放大器，用来提升探测器的信噪比，使得测量精度满足要求。

2 光路各部分参数设计

2.1 工作原理

高精度分光光度计系统由入射、出射光路、双单色仪、斩波器、积分球、锁相放大器等部分组成，其工作原理图如图3。卤钨灯发出的光束，经分束片一部分入射到电压监视电路，另一部分经过入射光路的两块离轴抛物镜无像差的成像到双单色仪的入射狭缝，通过双单色仪分光，经斩波器斩波后进入入射光路，最终被滤光片辐射计接收，探测器将经过调制的光能转化成交流电信号，经锁相放大器信号处理电路对交流信号放大、整形和滤波处理变为相应的直流信号，最后通过 gpib 接口上传到微机。

双光束紫外分光光度计UV-1800。

从工作原理上来看，这种测量滤光片透过率是利用双单色仪对滤光片波段进行光谱扫描的方法。通常光谱透过率通常定义为透射光和入射光之比，表示为

式中if为加载滤光片时测量值，iuf为不加载滤光片时测量值，i0为探测器背景噪声测量值。从公式中可以看出在测试之前，先测出探测器的本底噪声，然后依次测出加载和不加载滤光片条件下探测器值，利用透过率定义公式得出对应波长下透过率值。最后，利用软件对测量值进行光源波动补偿，从而使得高精度测量滤光片透过率成为可能。

2.2 光路参数的确定

光路设计主要围绕双单色仪参数来设计的，根据其出射光的特点来估算入射光路和出射光路的一些主要参数。

2.2.1 入射光路参数设计

入射光路要求从光源出射的光束最大限度的入射到双单色仪。根据这个设计思想，光路中采用了离轴抛物镜，尺寸上根据双单色仪的 f# 进行设计，镜面尺寸为 61mm×61mm，焦距为240mm。光源两边加了散热装置，使光源周围的热量不会聚集，从而保证光源稳定性。为了定量评估光源稳定性以及在后续测量中进行修正，在入射光路中插入高精度陷阱探测器来监视光源的稳定性，为光谱透过率数值修正提供依据。

2.2.2 双单色仪参数设计

双单色仪参数主要是根据需要的测量分辨率来选择入射狭缝和出射狭缝的宽度，以及根据双单色仪的信噪比来选择扫描速度。入射狭缝和出射狭缝宽度是根据光栅方程和选定的波谱位置，计算出当前的线色散系数，然后通过用户选定所需要的光谱分辨率，计算出狭缝的宽度并调节到相应位置。光栅方程如下：

式中λ 为波长，θ 为入射光与光栅法线的夹角， 为入射光与当前波谱光夹角的一半，d 为光栅常数，根据滤光片透过波长范围，选定光栅为 1200 线/mm。已知 2φ 为 15o，即可求出此时θ 为 25.113o。根据光栅线色散系数计算公式，有：

式中d 和dθ分别为线色散本领和角色散本领。

而对光栅方程两边同时求导数，可得到：

当dk-242 在加模式下运行时，焦距应是两段焦距相加，即480mm。由上述公式可计算出对应波长下线色散系数的倒数。再根据波长分辨率和出射狭缝、线色散系数倒数的关系：

由式(4)计算出对应波长下双单色仪出射狭缝、入射狭缝的宽度。而对于扫描速度来说，直接影响到双单色仪测量的信噪比，光谱扫描速度 r 和信噪比关系为

式中δγ 为与狭缝有关的分辨率，r 是光谱扫描速度。从式中看出如果要求双单色仪分辨率提高，或扫描速度快，则单色仪信噪比一定降低，所以，在兼顾测量时间的同时，选择了扫描速度为 100nm/min。

2.2.3 出射光路参数设计

双单色仪出射的光束特点是能量很弱，光束不均匀，而且带有偏振性。根据这一特性，在出射光路中加入了积分球和锁相放大器，积分球起到均匀光束和消偏振的作用而锁相放大器起到探测弱信号的作用。积分球设计是根据所采用的光源、双单色仪出射光斑大小以及后续探测器综合设计的。它的设计非常重要，不仅关系到出射光斑的均匀性，而且关系到光斩波器需要 设置多大调制频率来满足探测器的信噪比。首先，需要估计光源的辐亮度值，利用普朗克公式得出光源的辐照度，在转换成辐亮度。其次，计算双单色仪内部各反射镜的反射效率，得出出射光束的辐通量。最后，利用传递积分球亮度公式计算积分球出射亮度：

式中a 为积分球内表面积。f 为积分球的开口比，ρ 为积分球反射率，取ρ=0.97。通过计算，最终得出积分球出射光束亮度、积分球大小、入口、出口的面积等一些参数。本实验中积分球直径为 30mm，材料为f4。入口根据出射光束形状设计为 2mm×4mm 的长方形，出口形状则根据后面探测器的视场角以及其有效接收面设计成直径 8mm 的圆。由于从积分球出射的光能很弱(10-7量级)，几乎被探测器以及后续电路的噪声所湮没，因此在双单色仪出射光路处加入斩波器，通常斩波频率越大，越有利于提取噪声中的有效信号。通过实验，斩波频率选为1khz。

2.2.4 探测器部分设计

通常在信号接收部分采用积分球和探测器相结合的测量单元，但在本仪器设计中考虑到滤光片辐射计的实际测量条件，即在实际测量时光束可能不是垂直入射，而是以一定的入射角入射，从而使得测量的辐照度与实际的值有很大误差(主要是滤光片透过率随入射角度而变化)。将滤光片和探测器作为测量单元，从积分球出射的光直接照射到探测器，这种照射方式和滤光片辐射计实际测量状态相似，因此测出的滤光片透过率更符合实际测量条件，可直接用于滤光片辐射计，而不需要在后续数据处理中对滤光片透过率加以修正。另外，由于探测器部分采用光陷阱探测器，其反射率为 0.25%，因此它和滤光片之间的内反射可以忽略不计。

3 测量实验及仪器不确定度分析

3.1 测量过程

在测量实验之前系统整体预热 30~40 分钟，包括灯、积分球和探测器预热。在预热的同时可以进行光路调整，光路调整主要是确保入射到双单色仪的光斑能够充满光栅，使光栅效率达到最大，同时调整出射光路中积分球和滤光片辐射计，使它们在同一光轴上。为了保证测量值的精确，一方面光源监视电路记录光源波动数据，一方面由于滤光片的中心波长会随着温度的变化而变化，一般温度升高，中心波长会向长波方向漂移，温度下降，否则反之。所以，在后续出射光路中还加入了测温装置。通过这两方面监视外界干扰，给测量数据及时修正。根据测量所需的分辨率和滤光片波段设定双单色仪的入射狭缝和出射狭缝宽度，一般缝宽设置在测量过程中不变的。双单色仪扫描光谱时，通过自行编写的软件控制其运行，当到达指定波长便启动采集器采集数据，为了保证数据可靠性，一般相同波长下测量 10 次，然后取其平均值作为该波长下测量值。当采集器采完数据后，启动双单色仪到下一波段。依次反复上述过程，直到测量结束。对应波长下光谱透过率公式改为

单光路测量一次光谱透过率需要 50 分钟左右，这主要由单一波长下采集数据的时间所决定的。

3.2 仪器不确定度分析

滤光片透过率曲线的不确定度源主要来源于入射光路、双单色仪和出射光路这三部分 (见表格 1)。测量结果中包括的不确定度由以下因素引起：

3.2.1 给光源供电的电源波动

系统光源采用大功率恒流源，通过监视电路加以监控，电源引起的光源功率波动小于 0.1‰。

3.2.2 双单色仪系统光机部分重复性和复现性

双单色仪系统内部参与改变光路的光学器件有 12 个反射镜和两个光栅，由于空气湿度、灰尘等因素的影响，必然会使它们的反射、衍射效率降低，从而影响系统的输出稳定性。另外，双单色仪波谱选择是通过步进电机驱动蜗轮蜗杆使光栅台上的光栅转动，它使光栅方程中所需的正弦运动变为直线运动得以实现的。步进电机和蜗轮蜗杆之间的配合必然存在间隙，它会直接导致出射波谱位置的不准确，影响系统输出的准确性。这两项误差源对系统出射光的影响可以从双单色仪出厂的标称值中获得具体指标：双单色仪标称杂散光<10-10，因此该项可忽略;另外双单色仪标称的波谱精密度和正确度最大偏差为 0.07nm，由此而引起的响应率变化约为 3.1‰ (根据探测器线性拟合方程)。经多次测试双单色仪的重复性为4.9‰，复现性为3.1‰。

3.3 低温辐射计定标陷阱探测器绝对光谱响应率

实验中共使用了七个单波长激光器作为光源，波长分别为 488nm、514nm、594nm、633nm、676nm、786nm、830nm、944nm。每个波长均在 25～250μw 范围内以 25μw 为间隔测量了十个功率点的光谱响应值。详细定标过程参考文献[1]。从参考文献[1]得知，陷阱探测器的绝对光谱响应率不确定小于0.035%。

3.4 陷阱探测器的稳定性、偏振敏感性、线性和空间均匀性

3.4.1 陷阱探测稳定性

在经过充分预热后，使陷阱探测器连续工作8h，每 30s 采集其输出电压。通过双光路取比值消除激光功率的起伏后,得到探测器自身的均方根起伏为 0.00678%。通过定期用低温辐射计标定可以保证陷阱探测器的长期(数月至数年)稳定性。

3.4.2 陷阱探测器偏振敏感性

使陷阱探测器相对于入射光轴作 360° 旋转，每隔 30° 测量其输出电压，均方根起伏为 0.00492%。

3.4.3 陷阱探测器的线性

陷阱探测器线性测量采用了叠加法进行测试，即基本原理是由两个光源产生的两个光通量 ф1和 ф2，分别照射在探测器上，产生两个相应的响应n1和n2。之后两个光通量ф1+ф2同时照射在探测器上，产生响应 n12。如果n1+n2=n12，那么探测器是线性的。如果 n1+n2≠n12，那么可以用非线性因子描述其偏离线性的程度，其定义是： (/())11212nl = nn+n 。通过该方法测得的陷阱探测器线性不确定度为 0.073%。3.4.4 陷阱探测器空间均匀性使陷阱探测器在垂直于入射光束的 x，y 方向上以步长0.5mm 平移，同时测量其输出电压。当陷阱探测器相对于入射孔径中心的平移范围在 x，y= -2~2mm 时，其响应的均方根起伏为 0.0199%。

3.5 光束的均匀性

由于从双单色仪出射的光具有明暗条纹，如果直接入射到探测器势必会带来很大误差。因此，从双单色仪出射的光束必须进入积分球均匀化。为了评价积分球出射光的均匀性，作者利用一套测量小口径积分球面均匀性的检测系统来检测系统采用的积分球。该系统使用透镜成像进行间接检测，采用计算机控制扫描，对高精度标准探测器采集的数据进行分析处理，从而得到该积分球的面均匀性。经测试本系统中的积分球均匀度为 99.658%。

3.6 光束的内反射

对于自行设计的高精度分光光度计，其中内反射主要发生在双单色仪出射处和滤光片之间，积分球和滤光片之间，以及在滤光片和探测器之间。通过理论分析，滤光片和探测器之间，由于探测器采用陷阱探测器，入射到探测器的光束几乎全部被探测器吸收，因此能够形成内反射的光很少，可以忽略不计。而对于双单色仪和滤光片之间，以及积分球和滤光片之间，由于积分球内部反射特性以及积分球开口相对于积分球面积很小，因此这种内反射对测量的影响很小，可以忽略。综上所述，在该装置中内反射相对于其它不确定度很小(约 10-5量级)，总体内反射效应可以忽略。

根据以上不确定度源分析以及nist 的 tn1297 综合不确定度公式，公式如下：

由于每个不确定度之间并不相关，因此式(8) 改为如下：

根据式(9) 得出滤光片透过率测量综合不确定度为5.859×10-3。表2 是滤光片光谱透过率的不确定度源以及综合不确定度。

4 结 论

利用高精度分光光度计测量滤光片透过率，其光谱覆盖范围 380~1000nm，测量不确定度达到 5.859×10-3。这种全自动单光路的分光光度计最大特点是：采用了积分球和高精度探测器，并且将滤光片和探测器作为测量单元。这种测量方式最大好处是滤光片和探测器作为整体考虑，符合实际使用状态。同时，利用积分球出射的均匀单色光以实际入射角度入射，避免了因入射角度不同带来的测量误差。这种误差主要是由于透过率中心波长随入射角度不同而发生漂移所致。本文提出的分光光度计设计方案，不仅充分考虑到滤光片的实际使用条件，避免了其透过率值在后期数据处理中的修正，而且在测量精度上也满足要求。另外，从本次实验不确定度分析看出，以后主要工作是如何提高双单色仪的系统重复性，这是提高系统测试精度的一个关键。

关键词：高精度分光光度计；透过率；美析仪器www.macylab.com；UV-1100;UV-1800