[发明专利]波长方程参数粒子群和最值寻优的光谱仪波长校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱仪扫描机械位置误差引起扫描波长误差的软硬件相结合校正方法，尤其是涉及光栅正弦扫描型的单色仪或光谱仪波长误差的校正方法。

背景技术

光栅扫描型光谱仪的波长扫描采用正弦传动机构，以步进电机驱动丝杠旋转、螺母移动，螺母导向推动滚子、带动摆杆摆动，使平面光栅转动，输出波长随电机转角呈线性关系的单色光。

这种光栅扫描机构在装配过程中存在光零位置误差和摆杆滚子导向误差。

光零位置是指光谱仪输出零级光的位置。此时平面光栅法线与分光系统入射光线和衍射光线的夹角平分线(以下简称分光平分线)重合，与光栅连动的摆杆中心线垂直于丝杠轴线；同时，摆杆滚子的导向(即移动方向)应垂直于丝杠轴线或平行于光零时的摆杆中心线，从而保证光谱仪扫描的波长与步进电机的转角成线性关系。当光谱仪存在光零位置误差或(和)摆杆滚子导向误差时，即光零位置的光栅法线与分光平分线不重合(二者夹角称为光零位置误差角)，或(和)摆杆滚子的移动方向不垂直与丝杠轴线(摆杆滚子的导向与丝杠轴线垂直方向的夹角称为滚子导向误差角)，光谱仪输出的波长与步进电机转角的成线性关系无法保证，光谱仪输出波长偏离设计值(波长设计值与步进电机的转角成线性关系)，影响光谱仪波长的准确性。

对于光栅扫描型单色仪光零位置误差和滚子导向误差的校正方法目前尚未见相关的报道。光谱仪输出波长的校准通常采用与标准波长多项式拟合的方法，校准的精度取决于标准波长的数量，而且这种方法需要对每次仪器的光谱数据进行波长校正计算，并没有从产生波长误差的根源分析并着手解决问题。《光学仪器》1980(1):29-32+46中《光栅单色仪光谱扫描机构的误差分析》一文中对光栅单色仪光谱扫描正弦机构的误差进行了理论分析，但是没有提出误差的校正方法。

CN106500839A基于建立的光栅正弦扫描型单色仪的机械位置误差方程，提出一种利用标准光源的特征波长及对应的光谱仪扫描波长进行方程变参数联立求解、仿真寻优确定最佳调节量和补偿量，通过硬件调节、软件修正实施校正的方法。但这种方法在方程式联立参数求解时，由于光谱仪波长扫描精度的局限性，存在无解的情况，从而导致该波长校正方法无法实施。针对此问题本发明以光谱仪对标准光源特征波长对应的输出波长为条件，基于光栅正弦扫描机构机械位置误差的波长校正方程，提出采用粒子群和最值两种寻优算法确定波长校正方程参数和调节及补偿参数，以减小波长误差，满足光谱仪波长精度的要求。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于机械位置误差波长校正方程参数求解寻优、硬调软修的波长校正方法，从而解决单色仪的光栅扫描机构由于光零位置误差和滚子导向误差引起的波长扫描误差大、无法满足仪器波长精度的问题，提高仪器波长的准确性。

本发明是采用如下的技术方案实现的：

本发明基于当光栅扫描型光谱仪扫描机构存在光零位置误差和滚子导向误差时，根据光栅方程、扫描机构的机械传动关系，建立光谱仪扫描波长λ₀与仪器参数(见图1)、实际波长λ之间的关系式：

此式为光栅正弦扫描机构机械位置误差的波长校正方程(以下简称波长方程)。式中：λ为实际波长，即标准波长；λ₀为标准波长对应的光谱仪扫描波长，即光谱仪的理论波长或设计波长。波长方程中含有6个参数：

α为光栅角度参数：

a＝2d cosα(2)

其中：α为光栅入射角和出射光线的夹角实际值，d为光栅栅距。

γ＝β-θ，其中：β为光零位置误差角，θ为滚子导向误差角；

k为分光系统机械位置误差系数：

其中：α₀为光栅入射角和出射光线的夹角理论值，L₀为摆杆理论长度，θ为滚子导向误差角，即摆杆滚子导向面相对丝杠轴线垂直方向的夹角；

L为系统调试初始状态时摆杆的实际长度；

n为杆长调节比，其中：Δ_L为摆杆调节长度，L为系统初始状态下的摆杆长度；

c为光零波长补偿值。

本发明提出的方法是采用粒子群寻优确定机械位置误差波长方程参数，最值寻优确定调整参数，并以硬件调整、软件修正实现光谱仪波长校正,步骤如下：

标准光谱采集、方程参数寻优，硬件调整和软件修正的方法包括以下步骤：