摘要：设计了一种单光束紫外-真空紫外分光光度计，主要由150 W氘灯辐射源、前置超环面聚光镜、Seya-Namioka全息凹面光栅单色仪、后置反射光学系统、光学调制器、样品/探测器转台、光电倍增管探测器及计算机控制系统组成。利用ZEMAX 光学设计软件，对该单光束紫外-真空紫外分光光度计光学系统进行了优化设计，并设计了正弦波长扫描机构。对设计结果进行了分析，从设计结果的分析表明，所设计的单光束紫外-真空紫外分光光度计满足设计指标要求，扫描光谱范围115~400 nm，光谱分辨力小于0.5 nm，波长精度小于0.1 nm。
1 引 言
近二十年来，空间紫外-真空紫外遥感技术发展十分迅速，在大气物理、太阳物理、气象学、环境科学等领域得到了重要应用[1-3]。在紫外-真空紫外空间光学遥感仪器[4-6]的研制中，需要研究紫外-真空紫外光学元件本体的光谱传输特性，如光学透射元件的光谱透射率、光学反射元件的光谱反射率、光谱偏振特性、光谱漫反射特性及光栅效率等。研究紫外-真空紫外光谱传输特性的主要工具是分光光度计，国内外已有商业用的紫外-真空紫外分光光度计产品，例如，国产WFZ800-D2型紫外分光光度计[7]、美国 P-E公司 Lambda17[8]紫外分光光度计，但目前现有的商业用的紫外-真空紫外分光光度计产品，只能用于小块试样光谱反射率的测量，不能测量光学元件本体的偏振特性、光谱漫反射特性等，因此，不能满足全面研究光学元件本体光谱传输特性的需要。
分光光度计按仪器工作原理的不同，有单光束分光光度计和双光束分光光度计之分。为满足紫外-真空紫外光学元件本体光谱传输特性测试的需要，并考虑到光学元件工作于紫外-真空紫外波段，为保证系统具有较高的信噪比，设计了一种单光束紫外-真空紫外分光光度计，可以对直径小于200 mm 的紫外-真空紫外光学元件本体进行光谱传输特性测试，工作波段115~400 nm，光谱分辨力0.5 nm。
2 分光光度计系统组成原理
单光束紫外-真空紫外分光光度计由150 W氘灯辐射源、前置超环面聚光镜、紫外-真空紫外单色仪、后置反射光学系统、光学调制器、样品/探测器转台、光电倍增管探测器、高压电源、锁相放大器、样品/探测器转台扫描控制器、波长扫描控制器、数据采集器及计算机控制系统组成，结构如图1 所示。前置高效超环面聚光镜将氘灯光源成像于紫外-真空紫外单色仪的入射狭缝，从单色仪出射狭缝出射的光经后置反射光学系统准直，照射到样品。探测器围绕样品旋转并测量，测量入射光直接照射探测器及经样品透射或反射后照射探测器的输出信号，可给出样品的光谱透射率、光谱反射率、光谱漫反射率及光栅效率等。单色仪波长扫描、样品/探测器扫描和数据采集处理在计算机控制下进行。在光路中加入起偏器，可进行光学元件光谱偏振特性测试。引入光学调制器进行光学斩波-锁相放大，有利于提高电子学系统信噪比。锁相放大器通过 IEEE-488 接口与机算机相接，便于数据采集处理。
3 单色仪系统的设计
单色仪系统是紫外-真空紫外分光光度计的核心部分。仪器的主要光学特性和工作特性基本上由单色仪决定。根据紫外-真空紫外光学元件本体光谱传输特性测试的需要确定单色仪系统的主要设计指标如表1 所示。
3.1 单色仪设计方案
在真空紫外波段，目前可采用的反射膜层的反射率都较低，因此减少光学元件数目从而减少光能量的损失对于构造这一光谱范围的仪器特别重要。凹面光栅与平面光栅相比，具有独特的特点，即将衍射光栅的色散作用和凹面反射镜的聚焦作用结合起来。用凹面反射光栅构造单色仪时可以不用准直系统和聚焦成像系统，这样不仅使单色仪系统大为简化，而且有利于真空紫外波段光谱探测。
考虑到凹面光栅的特点，在单色仪的设计时采用凹面光栅作为色散元件。凹面光栅单色仪按凹面光栅聚焦条件的不同，可分为罗兰圆装置、瓦茨沃斯(Wadsworth)装置和濑谷-波冈(Seya-Namioka)装置[9]。罗兰圆装置、瓦茨沃斯(Wadsworth)装置有一个共同的缺点，即光谱扫描时，需要移动入射和出射狭缝，这在实际工作中带来了巨大的困难。因为移动入射狭缝必定要使它的照明系统和光源作相应的移动，移动出射狭缝必定要使接收器件等作相应的移动。这些相应移动不仅使仪器结构复杂化，而且必定会降低测量精度，以致测量工作无法进行。濑谷-波冈(Seya-Namioka)装置可以在一定的范围和条件下只转动光栅，保持入射和出射狭缝不动，在出射狭缝处得到所需波长的精确聚焦的狭缝像，最少光学元件和最简单的机械结构是它的突出优点。因此，在单色仪的设计时采用濑谷-波冈(Seya-Namioka)装置型式。
3.2 Seya-Namioka 单色仪光学系统的设计
濑谷-波冈(Seya-Namioka)型凹面光栅单色仪中，由于入射光线和衍射光线间的角度大，会引起较大的像散，所以选用 IV 型消像差全息凹面光栅。经过对国外现有IV 型消像差全息凹面光栅的性能对比分析，选择了 JY 公司的一款 IV 型消像差全息凹面光栅(型号 52200250)。它的主要技术特性参数为：光谱范围100~400 nm，光栅常数 σ=1 200 g/mm，刻线面积40 mm×45 mm，入射臂长度 lA=200 mm，出射臂长度 lB=187.9 mm，入射光束与出射光束夹角64°，F 数为4.2。采用光学设计软件 ZEMAX 对 Seya-Namioka 凹面光栅单色仪光学系统进行了光线追迹，并考虑了前置聚光系统的像差的影响。图2 为 Seya-Namioka 单色仪的光路图，图 3 为单色仪出缝平面上的点列图分布。
3.3 Seya-Namioka 单色仪的光谱分辨力和带宽
由式(2)～式(4)联立求得，该单色仪的线色散和狭缝宽度为0.1 mm 时对应的光谱带宽 λs如表2 所示。凹面光栅的理想衍射分辨力为
其中：m 为衍射级次，N 为总刻槽数，W 为光栅宽度，σ 为光栅刻线密度。通常取光栅实际衍射分辨力是理想衍射分辨力的 0.7 倍，这是考虑到光栅缺陷引起的分辨力的下降，这样光栅衍射分辨力对应的光谱带宽为： λ0=λ/(0.7R0)，表3 列出了单色仪固有特性对光谱分辨力影响以及狭缝宽度为 0.1 mm 时的实际光谱带宽 λ。从设计结果的分析表明，所设计的 Seya-Namioka 真空紫外单色仪满足光谱分辨力和使用带宽方面的技术指标。
3.4 Seya-Namioka 单色仪波长扫描机构的设计
Seya-Namioka 单色仪工作时，需要转动凹面光栅而改变仪器的工作波长，为了便于光谱数据的判读，采用正弦机构实现波长线性扫描。单色仪采用正弦机构实现线性波长扫描，出缝处单色光的波长：
其中：m=1 为光谱级次，σ=1 200 g/mm 为光栅常数，φ 为光栅转角，δ=32°为光束偏向角的一半，l 为光栅摆杆长度，x 为摆杆端点走过的行程。光栅扫描波长范围为115~400 nm。由(6)式求得光栅所需的转动角度为φ=4.666 93°~16.439 50°。
波长精度要求0.1 nm，波长重复性0.05 nm。取电机步距角为0.9°，丝杠螺距S=0.5 mm，电机每转一步波长变化 0.012 5 nm。电机和丝杠的速比取1/1，则丝杠的步距角亦为0.9°，电机转一圈，波长变化5 nm，丝杠转一圈，波长亦变化5 nm。由式(6)求得摆杆长度 l=141.341 35 mm，进一步求得当光栅从115 nm 扫描到400 nm 时，对应丝杠上螺母的位移为x=11.499 99~39.999 99 mm。考虑到 m=1，由式(6)整理可得：
?
4 前置聚光系统的设计
前置聚光系统采用反射聚光镜将氘灯光源成像于 Seya-Namioka 紫外-真空紫外单色仪的入射狭缝上。如果采用普通球面聚光镜，由于入射角度大，会产生较大的像散，所以这里采用超环面聚光镜以减小像散。为充分利用凹面光栅的色散，保证 Seya-Namioka 单色仪的光谱分辨力，要求入射光束充满光栅的通光口径。氘灯光源直径1 mm，凹面光栅面积 40 mm×45 mm，根据几何关系计算求得物方数值孔径 NA 为 0.06，利用光学设计软件ZEMAX 对前置聚光系统进行了设计并优化，图4 为前置聚光系统光路图，图5 为单色仪入射缝平面上的点列图分布。
5 后置反射光学系统设计
后置反射光学系统用于将Seya-Namioka 紫外-真空紫外单色仪的出射光准直，照射样品，准直光束直径10 mm。用光学设计软件ZEMAX 对后置反射光学系统进行了设计并优化，优化时考虑了前置聚光系统和单色仪系统的像差的影响。图6 为后置反射光学系统光路图,图中两反射镜均采用球面，半径分别为140.517 mm、871.275 mm，两镜间距75 mm。采用光学设计软件ZEMAX 对该单光束紫外-真空紫外分光光度计总的光学系统进行了光线追迹，图7 为单光束紫外-真空紫外分光光度计光路图。
6 结 论
设计了一种单光束紫外-真空紫外分光光度计，给出了它的结构组成，叙述了它的设计过程，并对设计结果进行了分析。从设计结果的分析表明，它的性能完全满足设计指标要求，光谱扫描范围 115～400 nm，光谱分辨力小于 0.5 nm，波长精度小于 0.1 nm。这一单光束紫外-真空紫外分光光度计将用来研究紫外-真空紫外光学元件本体的光谱传输特性，它的研制成功将填补国内空白，为空间紫外-真空紫外光学遥感仪器的研制及短波光学的发展提供技术支持。
参考文献：
[1] 王淑荣，邢进，李福田. 利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计[J]. 光学 精密工程，2006，14(2)：185-190.WANG Shu-rong ， XING Jin ， LI Fu-tian. Spectral radiance responsivity calibration of ultraviolet remote sensingspectroradiometer in sPACe using integrating sphere [J]. Opt. Precision Eng，2006，14(2)：185-190.
[2] Leitch J W，Rodriguez J V，Dittman M，et al. Limb Scatter Ozone Profiling Sensor for the NPOESS Ozone Mapping andProfiler Suite (OMPS) [J]. SPIE，2003，4891：13-21.
[3] 邢进，王淑荣，李福田.一种紫外窄带宽透射型石英消偏器的研究[J]. 光电工程，2004，31(12)：56-59.XING Jin，WANG Shu-rong，LI Fu-tian. Study on an UV transmission quartz depolarizer with narrow bandwidth [J].Opto-ElectroNIc Engineering，2004，31(12)：56-59.
[4] 薛庆生，王淑荣，宋克非，等. 高精度光谱辐射计测量超低光谱透过率[J]. 光学 精密工程，2007，15(10)：1534-1539.XUE Qing-sheng，WANG Shu-rong，SONG Ke-fei，et al. Development of a high-precision spectral radiometer for measurementof ultralow spectral transmissivity [J]. Opt. Precision Eng，2007，15(10)：1534-1539.
[5] 贾辉，李福田. 阿达玛变换成像光谱仪编码模板的设计与制作[J]. 光电工程，2003，30(8)：53-58.JIA Hui，LI Fu-tian. Design and fabrication of enCODing template for Hadamard transform imaging spectrometer [J].Opto-Electronic Engineering，2003，30(8)：53-58.
[6] 李春艳，李怀峰，孙才红，等. 高精度星敏感器天文标定方法及观测分析[J]. 光学 精密工程，2006，14(4)：558-563.LI Chun-yan，LI Huai-feng，SUN Cai-hong，et al. Astronomical calibration method and observation analysis for high accuracysensor [J]. Opt. Precision Eng，2006，14(4)：558-563.
[7] 刘基盛. 紫外分光光度计的使用与维护[J]. 分析仪器，1991(3)：77-78.LIU Ji-sheng. The use and maintenance of UV spectrophotometer [J]. Analysis Instrument，1991(3)：77-78.
[8] 董发昕，王振军，贾婴奇. 紫外分光光度计反射光谱法研究[J]. 理化检验-化学分册，2003，39(6)：319-320.DONG Fa-xin，WANG Zheng-jun，JIA Ying-qi. Study on the UV-reflection spectrophotometry with powder samples [J].PTCA，2003，39(6)：319-320.
[9] 林中，范世福. 光谱仪器学[M]. 北京：机械工业出版社，1988.LIN Zhong，FAN Shi-fu. Spectrometer [M]. Beijing：Mechanics Industry Press，1988.
基金项目：国家自然科学基金项目(40675083)
作者简介：薛庆生(1979-)，男(汉族)，山东梁山人，博士生，主要从事空间紫外遥感仪器及光学系统设计方面的研究。E-mail: qshxue2006@163.com
