陳至坤，王淑香，王玉田，王福斌

引言

掃描式光柵光譜儀通常采用步進電機加絲桿的正弦掃描結構，通過控制步進電機的驅(qū)動電路細分電機的每一相電流，提高波長掃描精度，但步進電機在高細分狀態(tài)下的運行狀態(tài)不穩(wěn)定，導致光柵光譜儀波長掃描精度不高［1－3］，僅為 0.7nm，為提高對衍射波長的掃描精度，加入一套可對光柵轉(zhuǎn)動角度進行實時反饋的結構，以彌補步進電機在高細分狀態(tài)下穩(wěn)定性的不足。

莫爾條紋技術通過2條線或2個物體的干涉現(xiàn)象測出2物體之間的相對位移，光柵尺傳感器就是一種運用該技術的精密位置傳感器件，具有定位精度高、結構簡單、重復性好、誤差小等優(yōu)點［4］。利用光柵尺傳感器測位移技術，對正弦絲桿上的滑塊位移進行實時檢測，形成對光柵轉(zhuǎn)動情況的反饋結構，可將波長掃描精度提高至0.15nm。

1 波長掃描原理

光柵光譜儀中采用的正弦機構屬于機械杠桿傳動的一種，能將與光柵衍射角正弦成正比的波長輸出轉(zhuǎn)換成簡單的線性輸出，且其具有可靠性和精密度高的特點。為使光柵工作面圍繞其中心軸轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)設計將光柵座與掃描機構直接連接在一起。正弦機構的工作原理如圖1所示。

圖1 正弦機構工作原理Fig.1 Working principle of sine mechanism

波長掃描結構中，光柵轉(zhuǎn)角φ、正弦臂桿長度R、滑塊位移h的關系式為

實驗檢測中為減少儀器的移動，通常將光柵光譜儀中入射狹縫和出射狹縫設計為固定的，分光系統(tǒng)是通過光柵的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)分光。分光原理：從入射狹縫入射的復色光照射到平面反射光柵上后會發(fā)生衍射，產(chǎn)生的光譜按波長大小依次排列，從出射狹縫透射出的光線即為特定波長的單色光。

實驗選用的閃耀光柵具有衍射角等于入射角的特點，所以在光柵分光的示意圖2中，用虛線B標出入射光線和出射光線的角平分線，也是光柵的法線。光柵轉(zhuǎn)動一個φ角度后，光柵法線B轉(zhuǎn)到N的位置，入射角用α表示，衍射角用β來表示，入射光與衍射光的夾角記為δ，且α、β、i與φ有如下關系：

而平面反射光柵的光柵方程［5］為

圖2 光柵分光示意圖Fig.2 Schematic diagram of grating beam splitter

將（2）式代入（3）式可推出波長與光柵轉(zhuǎn)動角度關系為

由平面反射光柵的分光特性可知，光柵圍繞其中心點轉(zhuǎn)動時，其入射光線與衍射光線的夾角δ基本不變［6－8］，約為90°，光柵常數(shù)d 為定值，對同一光譜級次，系數(shù)k為常數(shù)，即衍射波長與絲桿滑塊位移成線性關系。

2 光路反饋結構的設計

2.1 光柵尺傳感器

當2個光柵常數(shù)相等的光柵重疊在一起時，會在垂直于柵線的方向形成明暗相間的條紋，這些條紋之間彼此等距，稱為莫爾條紋。2個光柵產(chǎn)生相對位移時這些條紋也會進行移動，光柵尺傳感器就是利用這個原理對物體進行位移測量的［9］。光閘式光柵的柵線夾角θ很小，幾乎為零，其形成的莫爾條紋放大倍數(shù)k很大，因此可將兩光柵的相對微小位移H放大為很大的kH，使得原來不容易測量的微小位移放大可以很容易測量。

光閘式光柵傳感器由主光柵和指示光柵組成，指示光柵上有4個指示窗口，如圖3所示，窗口之間彼此錯開1／4柵距，分別稱為0°、90°、180°、270°窗口，令窗口柵線與主光柵柵線重合，則此窗口最明亮，相應與之相差180°的窗口最暗，其他兩窗口為半明半暗。由于柵線很細，肉眼只能看到其平均光強，移動主光柵，4個窗口的平均光強會按周期性變化，主光柵每移動柵距的1／4，4個窗口的明暗狀態(tài)會向右移動一個窗口，通過檢測4個窗口的明暗變化即可檢測出物體的位移變化［10］。

圖3 指示光柵窗口示意圖Fig.3 Schematic diagram of indication grating window

2.2 光路結構的設計

在步進電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動帶動光柵轉(zhuǎn)動進行分光時，絲桿上滑塊的位移對應光柵的轉(zhuǎn)動情況，即對應從出射狹縫出射的單色光波長情況，因此，提高絲桿上滑塊位移的檢測精度可提高波長的檢測精度。為實現(xiàn)儀器的高精度波長掃描目的，引進了光閘式光柵傳感器對滑塊進行位移檢測，并反饋到計算機中進行數(shù)據(jù)處理。

實驗中需將主光柵或指示光柵其中之一固定在滑塊上，另一光柵位置固定，通過探測指示光柵和主光柵的相對位移獲得滑塊的直線位移，系統(tǒng)的光路結構示意圖如圖4所示。

圖4 光路結構示意圖Fig.4 Structure diagram of light path

實驗中將主光柵固定在絲桿滑塊上，步進電機運行時，絲桿帶動滑塊移動，光柵隨著正弦臂桿轉(zhuǎn)動將光譜按照一定的順序從出射狹縫射出形成單色光，主光柵的位移情況被光柵傳感器的探測頭記錄下來。

2.3 控制電路的設計

增加了光路反饋系統(tǒng)的設計后，在原有的電路中應加入對光柵尺的驅(qū)動及信號采集電路，光柵光譜儀測量系統(tǒng)應對同時收集到的光柵尺信號和光譜信號進行處理，最后得出正確的波長輸出，整個系統(tǒng)的控制結構示意圖如圖5所示，虛線框中結構為加入的反饋控制電路結構。

圖5 硬件電路Fig.5 Hardware circuit

步進電機的脈沖信號由計算機控制產(chǎn)生，電機驅(qū)動器在接收到脈沖信號后驅(qū)動光柵轉(zhuǎn)動，同時絲桿的轉(zhuǎn)動使滑塊產(chǎn)生位移，使得探測指示光柵和主光柵產(chǎn)生相對位移，數(shù)據(jù)采集卡會同時接收光柵尺傳感器和光電二極管的脈沖信號，最后由計算機對數(shù)據(jù)進行處理及分析作圖。

3 實驗測定

實驗中測量滑塊位移的光柵尺傳感器選用海德漢LC 493M型號的光柵尺和探測頭，分辨率為0.1μm。步進電機選用常州寶來電器有限公司的35BYGH317型號步進電機，步距角為1.8°。正弦絲桿選用螺距為1mm的滾珠絲桿。光柵選用1 200刻痕／mm的閃耀光柵。入射狹縫和出射狹縫的寬度和高度分別為2mm和5mm。

儀器搭好后進行移動或搬動時，所測量的波長讀數(shù)與實際所測會有偏離，需對其進行重新標定，即采用某種已知波長、譜線寬度較窄的光線透過狹縫照射光柵，并轉(zhuǎn)動光柵對其出射光波長進行測量，結合已知波長的精確值作出光譜儀的校準曲線。得到校準曲線后，在測量其他波長數(shù)值時可利用校準曲線對波長顯示讀數(shù)進行修正，從而得到所測波長的準確數(shù)值。實驗中常選用高壓汞燈作為標準已知光源，表1數(shù)據(jù)為高壓汞燈在可見光波段中主要光譜線波長數(shù)值及其強度大小。

在對其譜線進行標定時，光譜線的光強最大處被認為是譜線中心，且在實驗中步進電機需沿單方向進行測量。實驗測得汞燈定標曲線如圖6所示。

表1 高壓汞燈定標波長Table1 Calibration wavelengths of high pressure mercury lamp

實驗中波長準確度測量標準：將所測已知光源的特征波長值與其理論值相減，并重復多次后取平均值，即為儀器的波長準確度。實驗中波長重復性測量標準。取波長準確度的多次測試結果中最大值與最小值之差作為波長重復性。

圖6 汞燈定標曲線Fig.6 Calibration curve of mercury lamp

分別采用加入和未加入光柵轉(zhuǎn)角反饋系統(tǒng)的光柵光譜儀對汞燈200nm～800nm的全光譜進行多次重復測量，對照汞燈的5個峰值位置與理論值進行比較，計算波長重復性和準確性，所得波長數(shù)值如圖7所示。

圖7 汞燈峰值處測試結果Fig.7 Test results at mercury peak

汞燈峰值處的理論波長值用黑色實線標出，傳統(tǒng)方法測量值用黑色叉標出，并計算出其平均值用藍色實線標出，加入光路反饋系統(tǒng)的檢測結果用圓圈標出，并計算出其平均值用紅色實線標出。由圖可知，藍色實線與黑色實線的差值即為傳統(tǒng)光譜儀器的波長掃描準確度，紅色實線與黑色實線的差值為加入反饋結構儀器的波長掃描準確度。由圖7實驗數(shù)據(jù)的分布情況可以看出，加入光柵尺反饋的光路檢測系統(tǒng)測量精確度更高。

4 結論

通過對傳統(tǒng)方法和加入光柵尺反饋光路的實驗檢測結果的對比，得出傳統(tǒng)步進電機加絲桿結構的波長掃描精度為±0.7nm，加入光柵檢測反饋電路后系統(tǒng)波長檢測精度為±0.15nm，系統(tǒng)的波長檢測精度有了明顯的提高?？梢娫黾訉τ诠鈻呸D(zhuǎn)角的實時反饋機制，能使整個系統(tǒng)的性能有明顯的提高。

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