該型號紫外分光光度計系統的特點是基于雙光柵單色儀的全自動單光束測量儀器。在出射光路中引入了積分球，用來消除光束的偏振性和不均勻性，而且在信號接收部分提出了將濾光片和探測器作為整體考慮，優點是接近濾光片的實際使用環境，減少了其實際測量誤差。著重敘述了該儀器的設計過程和不確定度分析。測量的不確定度源包括光源的穩定性，雙單色儀重復性、再現性，光束的均勻性，內反射，探測器線性、穩定性、偏振性、均勻性，系統雜散光。經本儀器測量的濾光片透過率合成不確定度為 5.859×10-3，完全滿足測量精度要求。雙光束紫外分光光度計UV-1800。
引 言
目前，在光學遙感傳感器定標領域，基于硅陷阱探測器的濾光片輻射計是解決波段式儀器高精度輻射定標的有效途徑，因其體積小、重量輕、功耗低，在野外、機載和星載高精度輻射定標中具有廣闊的應用前景。因此，濾光片透過率和探測器絕對響應率的測量對提高濾光片輻射計的測量精度至關重要。雙光束紫外分光光度計UV-1800。
通過實驗證明，硅陷阱探測器的絕對光譜響應率不確定度小于 0.035%，其可以作為高精度的絕對光譜響應率標準探測器，濾光片透過率的不確定度則成為濾光片輻射計測量不確定度的主要來源。雖然，很多商業儀器測量透過率相對比較精確，但很難估算由于各種儀器參數引入的系統不確定度。高精度分光光度計是在 dk242 雙單色儀基礎上，設計了入射光路和出射光路。入射光路是由兩塊離軸拋物鏡和光源冷卻系統組成，出射光路主要包括離軸拋物鏡和積分球。因為單色儀出射的光束具有明顯的燈絲像，所以積分球主要起到均勻雙單色儀出射光和消除單色光的偏振性。接收部分直接采用濾光片輻射計整體作為探測單元，因為在實際測量時很難保證入射到濾光片表面的光束是平行光，而且光譜透過率曲線和入射光的角度也有很大關系，將濾光片和探測器作為整體考慮有利于測得的光譜透過率更接近實際測量條件。整個儀器光路采用單光路而不采用雙光路主要是因為：首先，單光路比雙光路有更大的光通量，而且光路調整簡單;其次，減少系統引入的誤差，有利于儀器的不確定度分析。雙單色儀出射光最大特點是光強很弱，而且通過積分球均勻化后出射光強大約削弱100 倍，使得探測器的信噪比很低，接近了探測器的本底噪聲。雙光束紫外分光光度計UV-1800。
為了解決信噪比低的矛盾，在雙單色儀的出射狹縫處加入了鎖相放大器，從而改善了探測器信噪比，為提高測量精度提供了保障。基于雙單色儀的高精度分光光度計對濾光片光譜透過率測量的合成不確定度優于5.859×10-3。因此，通過該儀器測量的光譜透過率可以直接運用到濾光片輻射計實際測量中，在傳遞標準(陷阱探測器) 和工作標準(積分球定標源和標準燈等) 之間建立高精度輻射標準傳遞關系，實現光譜輻亮度和光譜輻照度等輻射量的高精度測量。雙光束紫外分光光度計UV-1800。
1 高精度分光光度計系統組成
1.1 入射光路
照明部分采用什么形式的光學結構，對系統的入射效率以及后面的出射效率影響都很大。在光學結構選型時，主要考慮以下幾種方式：
1.1.1 雙透鏡式
第一個透鏡為準直作用，燈絲置于焦點處，經第一個透鏡后，變成平行光;第二個透鏡按照系統的 f#進行設計，并將平行光聚焦到入射狹縫處。該結構的優點是：結構簡單，光能量利用率較高。它的缺點是：由于使用了透鏡，必不可少地會給系統引入色差、球差等像差，這對于波譜測試系統是嚴重問題。
1.1.2 光纖導入方式
這里通常都使用多根光纖組成的光纖束。一端通過耦合裝置將光源發出的光線耦合進光纖，另一端將光纖排列成入射狹縫的形狀。光纖選擇時考慮到了與單色儀的 f# 匹配。該方式顯著的優點：結構簡單、使用方便。同時也存在不足：光纖存在傳輸損耗，出射效率不高，輸出不穩定，光纖與狹縫的配合對機械調整的要求很高，難以保證高精度的耦合重復性。顯然，它的缺點對于定標測試系統來說是難以容忍的。
1.1.3 雙拋物反射鏡方式
拋物面反射鏡具有如下特性：對于從焦點射來的光線，經拋物反射鏡后平行出射;對于平行入射的光線，經拋物面反射鏡后會聚到焦點處。本照明方式選用的是一對完全相同的離軸拋物面反射鏡，光源位于第一個反射鏡的焦點處，經過第一個鏡面反射形成平行光并傳遞給第二個反射鏡，平行光的出射方向和拋物鏡的光軸平行，第二個拋物反射鏡將光線會聚到焦點處，也就是單色儀的入射狹縫處。該方式的優點在于光路中均采用了反射式結構，不會引入像差，且效率較高;缺點是由于離軸拋物反射鏡屬于非球面鏡，加工難度大，成本高。
綜合比較這三種方式的優缺點，我們選擇了第三種。這主要還是根據我們的使用要求而確定的。實際使用中單色儀覆蓋的波譜范圍寬，如果使用透鏡系統，必然會在波段變化過程中，光束路徑產生較大的偏差，測試條件就發生改變了。另外，測試過程中也要求能量盡量穩定，而使用光纖系統卻很難保證這一點。第三種方式除加工較為復雜外，沒有明顯的不足，最終被應用到這套系統中。
我們選用的是dk242 雙單色儀，由于 dk-242 雙單色儀是把兩個同樣的單色儀串聯在一起的，所以它存在加、減兩種工作模式。通常雙單色儀運行在加模式下，在加模式下工作，兩個光柵轉動方向、角度完全相同，被第一個單色儀色散的出射光，經過第二個光柵作用，又一次被色散，相當于焦距擴大了二倍，系統的光譜分辨率也提高了二倍。同時在雙單色儀內部，各光學路徑均有相應的孔徑限制，隔板都采用特種工藝處理以盡量減少對光的反射，使得出射光中雜散光小于 10-10。dk-242 在設計中采用了凹面鏡聚焦和準直的 czerny-turner 結構。光柵放在一個三角形轉臺上，各邊均固定一塊光柵，通過合理選擇光柵配置，可以使單色儀的波譜覆蓋范圍充分滿足用戶要求。使用中，在步進電機驅動下，通過軟件選擇所使用的光柵，轉臺轉動到規定位置。由于雙單色儀中的三組光柵自身參數不同，波譜覆蓋范圍也不同，所以所能提供的波譜分辨率也不盡相同。
1.3 出射光路
雙單色儀出射光束特點是發散角很大，有明暗條紋 (因為出射光束成燈絲像)，而且由于雙單色儀出射狹縫非常小(例如，分辨率為 0.75nm 時，那么出射狹縫大約只有 220μm)在光束邊緣光能分布不均勻，如果直接入射到探測器，勢必造成測量的很大誤差。因此，在探測器接收之前必須經過積分球的均勻化，使得探測器接收到均勻的光斑，這同時和實際測量條件也相似。由于在貼近出射狹縫處的光束像最小，如果在雙單色儀出射狹縫處直接加入積分球，雖然光路很緊湊，但機械重復性很差，不能明確判斷光束完全入射積分球。作者從入射光路得到啟發，在通過兩塊離軸拋物鏡成像在積分球入射口處，這樣不僅容易調節光束進入積分球，而且更重要的是在雙單色儀出射狹縫處可以加入光斬波器，滿足調制位置在系統的越前端越好的原則(入射光路和雙單色儀是通過 f# 進行匹配的，無法插入斬波器，所以只好放在出射光路中)。雙單色儀出射光的另一個特點是出射光強很弱，如再經過積分球光能又衰減了近 100 倍，測量信號和探測器的本底噪聲非常接近，信噪比很低，于是在光路中加入了光斬波器和鎖相放大器，用來提升探測器的信噪比，使得測量精度滿足要求。
2 光路各部分參數設計
2.1 工作原理
高精度分光光度計系統由入射、出射光路、雙單色儀、斬波器、積分球、鎖相放大器等部分組成，其工作原理圖如圖3。鹵鎢燈發出的光束，經分束片一部分入射到電壓監視電路，另一部分經過入射光路的兩塊離軸拋物鏡無像差的成像到雙單色儀的入射狹縫，通過雙單色儀分光，經斬波器斬波后進入入射光路，最終被濾光片輻射計接收，探測器將經過調制的光能轉化成交流電信號，經鎖相放大器信號處理電路對交流信號放大、整形和濾波處理變為相應的直流信號，最后通過 gpib 接口上傳到微機。
雙光束紫外分光光度計UV-1800。
從工作原理上來看，這種測量濾光片透過率是利用雙單色儀對濾光片波段進行光譜掃描的方法。通常光譜透過率通常定義為透射光和入射光之比，表示為
式中if為加載濾光片時測量值，iuf為不加載濾光片時測量值，i0為探測器背景噪聲測量值。從公式中可以看出在測試之前，先測出探測器的本底噪聲，然后依次測出加載和不加載濾光片條件下探測器值，利用透過率定義公式得出對應波長下透過率值。最后，利用軟件對測量值進行光源波動補償，從而使得高精度測量濾光片透過率成為可能。
2.2 光路參數的確定
光路設計主要圍繞雙單色儀參數來設計的，根據其出射光的特點來估算入射光路和出射光路的一些主要參數。
2.2.1 入射光路參數設計
入射光路要求從光源出射的光束最大限度的入射到雙單色儀。根據這個設計思想，光路中采用了離軸拋物鏡，尺寸上根據雙單色儀的 f# 進行設計，鏡面尺寸為 61mm×61mm，焦距為240mm。光源兩邊加了散熱裝置，使光源周圍的熱量不會聚集，從而保證光源穩定性。為了定量評估光源穩定性以及在后續測量中進行修正，在入射光路中插入高精度陷阱探測器來監視光源的穩定性，為光譜透過率數值修正提供依據。
2.2.2 雙單色儀參數設計
雙單色儀參數主要是根據需要的測量分辨率來選擇入射狹縫和出射狹縫的寬度，以及根據雙單色儀的信噪比來選擇掃描速度。入射狹縫和出射狹縫寬度是根據光柵方程和選定的波譜位置，計算出當前的線色散系數，然后通過用戶選定所需要的光譜分辨率，計算出狹縫的寬度并調節到相應位置。光柵方程如下：
式中λ 為波長，θ 為入射光與光柵法線的夾角， 為入射光與當前波譜光夾角的一半，d 為光柵常數，根據濾光片透過波長范圍，選定光柵為 1200 線/mm。已知 2φ 為 15o，即可求出此時θ 為 25.113o。根據光柵線色散系數計算公式，有：
式中d 和dθ分別為線色散本領和角色散本領。
而對光柵方程兩邊同時求導數，可得到：
當dk-242 在加模式下運行時，焦距應是兩段焦距相加，即480mm。由上述公式可計算出對應波長下線色散系數的倒數。再根據波長分辨率和出射狹縫、線色散系數倒數的關系：
由式(4)計算出對應波長下雙單色儀出射狹縫、入射狹縫的寬度。而對于掃描速度來說，直接影響到雙單色儀測量的信噪比，光譜掃描速度 r 和信噪比關系為
式中δγ 為與狹縫有關的分辨率，r 是光譜掃描速度。從式中看出如果要求雙單色儀分辨率提高，或掃描速度快，則單色儀信噪比一定降低，所以，在兼顧測量時間的同時，選擇了掃描速度為 100nm/min。
2.2.3 出射光路參數設計
雙單色儀出射的光束特點是能量很弱，光束不均勻，而且帶有偏振性。根據這一特性，在出射光路中加入了積分球和鎖相放大器，積分球起到均勻光束和消偏振的作用而鎖相放大器起到探測弱信號的作用。積分球設計是根據所采用的光源、雙單色儀出射光斑大小以及后續探測器綜合設計的。它的設計非常重要，不僅關系到出射光斑的均勻性，而且關系到光斬波器需要 設置多大調制頻率來滿足探測器的信噪比。首先，需要估計光源的輻亮度值，利用普朗克公式得出光源的輻照度，在轉換成輻亮度。其次，計算雙單色儀內部各反射鏡的反射效率，得出出射光束的輻通量。最后，利用傳遞積分球亮度公式計算積分球出射亮度：
式中a 為積分球內表面積。f 為積分球的開口比，ρ 為積分球反射率，取ρ=0.97。通過計算，最終得出積分球出射光束亮度、積分球大小、入口、出口的面積等一些參數。本實驗中積分球直徑為 30mm，材料為f4。入口根據出射光束形狀設計為 2mm×4mm 的長方形，出口形狀則根據后面探測器的視場角以及其有效接收面設計成直徑 8mm 的圓。由于從積分球出射的光能很弱(10-7量級)，幾乎被探測器以及后續電路的噪聲所湮沒，因此在雙單色儀出射光路處加入斬波器，通常斬波頻率越大，越有利于提取噪聲中的有效信號。通過實驗，斬波頻率選為1khz。
2.2.4 探測器部分設計
通常在信號接收部分采用積分球和探測器相結合的測量單元，但在本儀器設計中考慮到濾光片輻射計的實際測量條件，即在實際測量時光束可能不是垂直入射，而是以一定的入射角入射，從而使得測量的輻照度與實際的值有很大誤差(主要是濾光片透過率隨入射角度而變化)。將濾光片和探測器作為測量單元，從積分球出射的光直接照射到探測器，這種照射方式和濾光片輻射計實際測量狀態相似，因此測出的濾光片透過率更符合實際測量條件，可直接用于濾光片輻射計，而不需要在后續數據處理中對濾光片透過率加以修正。另外，由于探測器部分采用光陷阱探測器，其反射率為 0.25%，因此它和濾光片之間的內反射可以忽略不計。
3 測量實驗及儀器不確定度分析
3.1 測量過程
在測量實驗之前系統整體預熱 30~40 分鐘，包括燈、積分球和探測器預熱。在預熱的同時可以進行光路調整，光路調整主要是確保入射到雙單色儀的光斑能夠充滿光柵，使光柵效率達到最大，同時調整出射光路中積分球和濾光片輻射計，使它們在同一光軸上。為了保證測量值的精確，一方面光源監視電路記錄光源波動數據，一方面由于濾光片的中心波長會隨著溫度的變化而變化，一般溫度升高，中心波長會向長波方向漂移，溫度下降，否則反之。所以，在后續出射光路中還加入了測溫裝置。通過這兩方面監視外界干擾，給測量數據及時修正。根據測量所需的分辨率和濾光片波段設定雙單色儀的入射狹縫和出射狹縫寬度，一般縫寬設置在測量過程中不變的。雙單色儀掃描光譜時，通過自行編寫的軟件控制其運行，當到達指定波長便啟動采集器采集數據，為了保證數據可靠性，一般相同波長下測量 10 次，然后取其平均值作為該波長下測量值。當采集器采完數據后，啟動雙單色儀到下一波段。依次反復上述過程，直到測量結束。對應波長下光譜透過率公式改為
單光路測量一次光譜透過率需要 50 分鐘左右，這主要由單一波長下采集數據的時間所決定的。
3.2 儀器不確定度分析
濾光片透過率曲線的不確定度源主要來源于入射光路、雙單色儀和出射光路這三部分 (見表格 1)。測量結果中包括的不確定度由以下因素引起：
3.2.1 給光源供電的電源波動
系統光源采用大功率恒流源，通過監視電路加以監控，電源引起的光源功率波動小于 0.1‰。
3.2.2 雙單色儀系統光機部分重復性和復現性
雙單色儀系統內部參與改變光路的光學器件有 12 個反射鏡和兩個光柵，由于空氣濕度、灰塵等因素的影響，必然會使它們的反射、衍射效率降低，從而影響系統的輸出穩定性。另外，雙單色儀波譜選擇是通過步進電機驅動蝸輪蝸桿使光柵臺上的光柵轉動，它使光柵方程中所需的正弦運動變為直線運動得以實現的。步進電機和蝸輪蝸桿之間的配合必然存在間隙，它會直接導致出射波譜位置的不準確，影響系統輸出的準確性。這兩項誤差源對系統出射光的影響可以從雙單色儀出廠的標稱值中獲得具體指標：雙單色儀標稱雜散光<10-10，因此該項可忽略;另外雙單色儀標稱的波譜精密度和正確度最大偏差為 0.07nm，由此而引起的響應率變化約為 3.1‰ (根據探測器線性擬合方程)。經多次測試雙單色儀的重復性為4.9‰，復現性為3.1‰。
3.3 低溫輻射計定標陷阱探測器絕對光譜響應率
實驗中共使用了七個單波長激光器作為光源，波長分別為 488nm、514nm、594nm、633nm、676nm、786nm、830nm、944nm。每個波長均在 25～250μw 范圍內以 25μw 為間隔測量了十個功率點的光譜響應值。詳細定標過程參考文獻[1]。從參考文獻[1]得知，陷阱探測器的絕對光譜響應率不確定小于0.035%。
3.4 陷阱探測器的穩定性、偏振敏感性、線性和空間均勻性
3.4.1 陷阱探測穩定性
在經過充分預熱后，使陷阱探測器連續工作8h，每 30s 采集其輸出電壓。通過雙光路取比值消除激光功率的起伏后,得到探測器自身的均方根起伏為 0.00678%。通過定期用低溫輻射計標定可以保證陷阱探測器的長期(數月至數年)穩定性。
3.4.2 陷阱探測器偏振敏感性
使陷阱探測器相對于入射光軸作 360° 旋轉，每隔 30° 測量其輸出電壓，均方根起伏為 0.00492%。
3.4.3 陷阱探測器的線性
陷阱探測器線性測量采用了疊加法進行測試，即基本原理是由兩個光源產生的兩個光通量 ф1和 ф2，分別照射在探測器上，產生兩個相應的響應n1和n2。之后兩個光通量ф1+ф2同時照射在探測器上，產生響應 n12。如果n1+n2=n12，那么探測器是線性的。如果 n1+n2≠n12，那么可以用非線性因子描述其偏離線性的程度，其定義是： (/())11212nl = nn+n 。通過該方法測得的陷阱探測器線性不確定度為 0.073%。3.4.4 陷阱探測器空間均勻性使陷阱探測器在垂直于入射光束的 x，y 方向上以步長0.5mm 平移，同時測量其輸出電壓。當陷阱探測器相對于入射孔徑中心的平移范圍在 x，y= -2~2mm 時，其響應的均方根起伏為 0.0199%。
3.5 光束的均勻性
由于從雙單色儀出射的光具有明暗條紋，如果直接入射到探測器勢必會帶來很大誤差。因此，從雙單色儀出射的光束必須進入積分球均勻化。為了評價積分球出射光的均勻性，作者利用一套測量小口徑積分球面均勻性的檢測系統來檢測系統采用的積分球。該系統使用透鏡成像進行間接檢測，采用計算機控制掃描，對高精度標準探測器采集的數據進行分析處理，從而得到該積分球的面均勻性。經測試本系統中的積分球均勻度為 99.658%。
3.6 光束的內反射
對于自行設計的高精度分光光度計，其中內反射主要發生在雙單色儀出射處和濾光片之間，積分球和濾光片之間，以及在濾光片和探測器之間。通過理論分析，濾光片和探測器之間，由于探測器采用陷阱探測器，入射到探測器的光束幾乎全部被探測器吸收，因此能夠形成內反射的光很少，可以忽略不計。而對于雙單色儀和濾光片之間，以及積分球和濾光片之間，由于積分球內部反射特性以及積分球開口相對于積分球面積很小，因此這種內反射對測量的影響很小，可以忽略。綜上所述，在該裝置中內反射相對于其它不確定度很小(約 10-5量級)，總體內反射效應可以忽略。
根據以上不確定度源分析以及nist 的 tn1297 綜合不確定度公式，公式如下：
由于每個不確定度之間并不相關，因此式(8) 改為如下：
根據式(9) 得出濾光片透過率測量綜合不確定度為5.859×10-3。表2 是濾光片光譜透過率的不確定度源以及綜合不確定度。
4 結 論
利用高精度分光光度計測量濾光片透過率，其光譜覆蓋范圍 380~1000nm，測量不確定度達到 5.859×10-3。這種全自動單光路的分光光度計最大特點是：采用了積分球和高精度探測器，并且將濾光片和探測器作為測量單元。這種測量方式最大好處是濾光片和探測器作為整體考慮，符合實際使用狀態。同時，利用積分球出射的均勻單色光以實際入射角度入射，避免了因入射角度不同帶來的測量誤差。這種誤差主要是由于透過率中心波長隨入射角度不同而發生漂移所致。本文提出的分光光度計設計方案，不僅充分考慮到濾光片的實際使用條件，避免了其透過率值在后期數據處理中的修正，而且在測量精度上也滿足要求。另外，從本次實驗不確定度分析看出，以后主要工作是如何提高雙單色儀的系統重復性，這是提高系統測試精度的一個關鍵。
