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(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(shù)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(shù)的精密位置傳感器件，具有定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)性好、誤差小等優(yōu)點［4］。利用光柵尺傳感器測位移技術(shù)，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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(shè)計將光柵座與掃描機構(gòu)直接連接在一起。正弦機構(gòu)的工作原理如圖1所示。

圖1 正弦機構(gòu)工作原理Fig.1 Working principle of sine mechanism

波長掃描結(jié)構(gòu)中，光柵轉(zhuǎn)角φ、正弦臂桿長度R、滑塊位移h的關(guān)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(shè)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(fù)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(biāo)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(guān)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(guān)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(guān)系。

2 光路反饋結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1 光柵尺傳感器

當(dāng)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(yīng)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?xùn)啪嗟?／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(jié)構(gòu)的設(shè)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(yīng)光柵的轉(zhuǎn)動情況，即對應(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 光路結(jié)構(gòu)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(shè)計

增加了光路反饋系統(tǒng)的設(shè)計后，在原有的電路中應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，虛線框中結(jié)構(gòu)為加入的反饋控制電路結(jié)構(gòu)。

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(biāo)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(jié)合已知波長的精確值作出光譜儀的校準(zhǔn)曲線。得到校準(zhǔn)曲線后，在測量其他波長數(shù)值時可利用校準(zhǔn)曲線對波長顯示讀數(shù)進行修正，從而得到所測波長的準(zhǔn)確數(shù)值。實驗中常選用高壓汞燈作為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)曲線如圖6所示。

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

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

圖6 汞燈定標(biāo)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(fù)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(fù)性和準(zhǔn)確性，所得波長數(shù)值如圖7所示。

圖7 汞燈峰值處測試結(jié)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(biāo)出，傳統(tǒng)方法測量值用黑色叉標(biāo)出，并計算出其平均值用藍色實線標(biāo)出，加入光路反饋系統(tǒng)的檢測結(jié)果用圓圈標(biāo)出，并計算出其平均值用紅色實線標(biāo)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(zhǔn)確度，紅色實線與黑色實線的差值為加入反饋結(jié)構(gòu)儀器的波長掃描準(zhǔn)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(jié)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(jié)果的對比，得出傳統(tǒng)步進電機加絲桿結(jié)構(gòu)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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