双模式紫外光谱辐射计的波长机构精度分析

　　1　引　言

　　紫外光谱辐射计是测定大气光谱辐射亮度值和太阳光谱辐射照度值的光学仪器。紫外光谱辐射计包括两种工作模式:在160～400nm波段完成太阳连续光谱的辐射照度测量;在250～340 nm波段完成12条指定光谱的大气辐射照度测量。根据光谱辐射照度ES(λ)和辐射亮度LA(λ)公式[1]:

　　其中:EW(λ)为定标光源光谱辐照度值,VW(λ)为紫外光谱辐射计对定标光源读出值,VS(λ)为紫外光谱辐射计太阳连续光谱工作模式读出值,BRDF(λ,α,β)为紫外光谱辐射计漫反射器双向反射率分布函数角度修正值,VA(λ)为紫外光谱辐射计12条指定波长工作模式读出值,BRDF(λ)为BaSO4漫射板双向反射率分布函数值。式(1)各个参量都是波长的函数,紫外光谱辐射计在工作时需要知道输出光束的波长,因此波长读数精度是重要性能指标之一。波长读数精度主要取决于整个波长扫描机构的精度、光学系统的最后调整和机构系统的空回。因此对紫外光谱辐射计在不同工作模式下的波长精度分析是十分必要的。

　　2　波长扫描机构

　　紫外光谱辐射计的波长扫描是通过转动光栅实现,对波长扫描机构的基本要求是:使输出光束的波长读数按线性变化。由于波长读数的变化和光栅的转角不成正比,因此需要采用一定的机构来实现波长扫描,常用的有正弦丝杆机构和凸轮机构。从仪器工作环境考虑,紫外光谱辐射计采用的是凸轮扫描机构。

　　2.1　凸轮波长扫描机构原理

　　根据平面光栅色散方程[2]:

式(2)中d为光栅常数,i为入射角,γ为衍射角,m为光谱级次,λ为波长值。2δ为入射角与衍射角的夹角,对于已确定的光谱仪2δ是一个常量,因此可以2δ的角分线为基线,用光栅法线与基线的夹角θ表示光栅的转角,则:

式(3)表明光栅转角和波长值是非线性关系,也就是光栅匀速转动,在仪器出射狭缝谱线的波长变化不是线性的。为了按波长均匀分配每一谱线的波长值,需要采用凸轮摆杆机构实现光栅的转动,凸轮机构可以实现从远紫外到红外的光谱扫描。凸轮扫描机构特点:可以在同一凸轮机构上实现不同模式的扫描;可以在真空环境下实现波长扫描(凸轮表面镀固体润滑膜层)[3]。

　　2.2　凸轮廓线方程

　　波长扫描机构的凸轮廓线设计是十分关键的,可以采用极坐标法求出凸轮廓线方程,如图1所示,O′为平面衍射光栅的转动中心,O′N为光栅确定的基本方向,也就是相对此方向计算光栅的真实转角θ。θ0是光栅转动起始转角,L是凸轮轴心到光栅转动中心O′的距离,它与摆杆长度O′A相等。α为摆杆转动的角度,α0为摆杆起始角。Δβ是凸轮真实转角的修正值,。则凸轮廓线方程为[4]: