Zemax模擬光柵光譜儀王忠杰、張蒙、岑剡ZEMAX是美國(guó)Radiant

1、Zemax模擬光柵光譜儀王忠杰、張濛、岑剡ZEMAX是美國(guó)RadiantZemax公司所發(fā)展出的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計(jì)與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化，公差等分析功能，是套可以運(yùn)算sequential及Non-Sequential的軟件。本文介紹用Zemax模擬光柵光譜儀的方法，其中各元件的位置數(shù)據(jù)和參數(shù)參照實(shí)際實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)Zemax，進(jìn)入如下界面，該界面為序列模式界面。Zemax分為序列模式、非序列模式、序列-非序列混合模式，其中序列模式是研究光路嚴(yán)格的按照從一個(gè)參照面到下一個(gè)參照面的直線(xiàn)順序的情況，對(duì)于光柵光譜儀這種各元件三維非直線(xiàn)次第排列的情況，

2、我們選擇非序列模式來(lái)進(jìn)行模擬。點(diǎn)擊左上角下拉按鈕文件-非序列模式，選擇刪除所有序列模式數(shù)據(jù)并進(jìn)入純非序列模式，進(jìn)入頁(yè)面：齣ZEMAX-EE(NSMode)-C:UsersAdministratorDesktopSJerzemaxSAMPLESLENS.ZMX文件(Fi間舊蕖闿:Edito呼E(System)(SQ(Analysis)(A)二具丄空匹I按吉住eport習(xí)代窣竺a竺竺外部括晟Exten血空奇口(WindowJfW)幫助(H|NEW0pe|SawSaw.|Upti|Upa|Gerjwa*,|L3n|LSn|Del|口訶Rd*|Gia|卜麗Pre廐I非序列器轉(zhuǎn)緝?cè)V蚩EditE)ffi(

3、Solves)(S)錯(cuò)誤(Erro(E)偵測(cè)器(DetertorsJCD)Db數(shù)捋庫(kù)(Database)幫馭HObjectTypeCoiElIIlJBIlt；RefObjectInsideOfXPositionPositionZPositionTiltAboutXTi1NullObject000.0000000.0000000-0000000-000000其中objectivetype為元件類(lèi)型，后面有各項(xiàng)參數(shù)，如x、y、z坐標(biāo)等。Nullobject即“無(wú)”的意思。要模擬的CCD光柵光譜儀結(jié)構(gòu)如圖：從左到右依次是：矩形光源-透鏡-狹縫-平面反射鏡-球面反射鏡-光柵-球面反射鏡-探測(cè)器。上述光

4、柵的最終結(jié)果如圖爛非序列部館緝褊蛍(Edit)(E)求解尿詢(xún)錯(cuò)誤EroE(E)偵測(cè)器QmtectaE)Db數(shù)搖庫(kù)Qmba詢(xún)幫助(H)ObjectTypmCcunmeiit;RjefObjectInsideOfXPositionYPositionZPositionTj1SourceEjecta.-000.0000000.000000-197.000000StandardLens000.0000000-00000013B-0000003Electangle00100.0000000-000000190.0000004S.sctangle00-100.0000000-000000190.000000

5、5S.sctanglea00.000000100-000000190-000000Sctangle000.000000-100.000000190.0000007StandardSur-000.0000000.00000022S.0000008StandardSur_-000.000000-98.000000245.0000009Diffraction-000.00000034.000000270.00000010St;andardSue-000.00000035.000000270-00000011StandardSur.-a00.000000-94.000000310-00000012De

6、tectorS.ect00.0000003.30000353.700000按下菜單欄下的L3n按鈕，即可調(diào)出如上圖的原件分布，其中向右為z方向，向上為y方向，垂直紙面向外為x方向。在該視圖中可以實(shí)現(xiàn)放大-縮小，旋轉(zhuǎn)來(lái)觀察系統(tǒng)等功能。按下L3n旁的LSn按鈕，可看到上了色的3D實(shí)際系統(tǒng)圖像。下面在非序列模式中構(gòu)造上述光柵。點(diǎn)擊非序列部件編輯中的第一個(gè)面，按Insert鍵即可在其后再插入一個(gè)面。1.插入矩形光源：實(shí)驗(yàn)中所用的汞燈實(shí)際上是矩形光源，右擊第一個(gè)面的Objectivetype,進(jìn)入如下界面點(diǎn)開(kāi)“類(lèi)型”下拉按鈕，選擇SourseRectangle每個(gè)面后都有參數(shù)可以調(diào)整x、y、z坐標(biāo)及繞x

7、、y、z軸旋轉(zhuǎn)的角度，我們?cè)谀M實(shí)際實(shí)驗(yàn)的情況下模擬光柵，其中光源面的參數(shù)如下（長(zhǎng)度的單位為mm）：未提及的參數(shù)都為默認(rèn)值0.1Sc-urceRecta.-197.0000000.000000XHalfWidthYHalfWidth其中LayoutRays為在L3n、LSn視圖中所追跡的光線(xiàn)數(shù)目，只表示在3d顯示時(shí)畫(huà)出的光線(xiàn)數(shù)目，對(duì)實(shí)際光路無(wú)影響。Power為所選光線(xiàn)的功率，X、Yhalfwidth為矩形光源的x、y方向半寬。點(diǎn)擊菜單欄下的Wav按鈕輸入兩波長(zhǎng)為577nm和579nm，為汞燈雙黃線(xiàn)，后方權(quán)重可調(diào)整二者比例。調(diào)整好后，矩形光源發(fā)出的光波長(zhǎng)即被確定。2.插入透鏡：將第二個(gè)面的面類(lèi)型

8、選為StandardLens，輸入透鏡數(shù)據(jù)。Material欄輸入BK7為所采用的玻璃材料類(lèi)型，RadiuslRadius2為透鏡前后兩面的曲率半徑，往往Radius2為負(fù)數(shù)。Clear1、2，edge1、2為前后兩面的半徑，一般選取這四個(gè)數(shù)據(jù)相等都為透鏡的半徑，thickness為透鏡的厚度。我們的透鏡參數(shù)如下：Positi口nPoaiti口nZPcaiti口n0.0000000.00000013S.000000IhickneasRadius2C口nic2Clear2Zdge213.000000-52.0000000.00000025.00000025.000003.入射狹縫：入射狹縫的構(gòu)造

9、思路是，在某一XY平面上放置四個(gè)矩形擋光面，構(gòu)造四個(gè)矩形來(lái)在中間形成一個(gè)透光狹縫，通過(guò)改變兩個(gè)矩形的半寬來(lái)改變狹縫寬度。插入四個(gè)面。面類(lèi)型選擇Rectangle，material欄輸入MIRROR構(gòu)成反射擋光鏡，我們的參數(shù)如下：上面3、4面的YHalfWidth為99.95mm,入射縫寬即為2*(100-99.95)=O.lmm。4.插入平面反射鏡：面類(lèi)型選擇Standardface,材料欄填寫(xiě)MIRROR,MaxAper為鏡子通光的最大光闌，這里就是鏡子的半徑，MinAper輸入零。其他位置和旋轉(zhuǎn)角度自行調(diào)解。其中Radius為零即可，無(wú)需調(diào)解。這里Radius=0等同于INFINITY，即

10、曲率半徑為無(wú)窮的平面鏡。YPositionZPositi口nTiltAboutXTiltAhcutY0.000000223.000000-SO.0000000.000000MaterialRadiusConicMaxAperMinApsrMIRROR0.0000000.00000012.7000000.0000005.插入球面反射鏡：面類(lèi)型等操作同上，只是Radius輸入300,實(shí)驗(yàn)所用的球面反射鏡焦距為150mm，曲率半徑為300mm。MaterialRadiusConicMaxAperMinAperMIBBOR-300.0000000.0000002S.0000000.0000(6.插入光

11、柵：面類(lèi)型選擇diffractiongrating，材料輸入BK7，采用玻璃，ClearEdge等參數(shù)意義同透鏡，參數(shù)“Lines/玠實(shí)際上是“Lines/um，每微米的刻線(xiàn)數(shù)。CCD光柵的刻線(xiàn)數(shù)為300/mm，所以該參數(shù)輸入0.3,“difforder”為衍射級(jí)數(shù),輸入“1。ObjectTrpeMaterialRadius1C口nic11|Diffracti口n-BK?|o.oooooo|o.oooooo|由于插入的光柵是透射光柵，為了模擬反射光柵，可在其后加入一個(gè)反射鏡，同平面反射鏡。注意這個(gè)反射鏡的插入位置要遠(yuǎn)離光柵，并保持與光柵平行，以保證光透過(guò)光柵，然后經(jīng)過(guò)反射鏡反射后，反射光不再經(jīng)

12、過(guò)光柵，否則反射光會(huì)再發(fā)生一次一級(jí)衍射，導(dǎo)致一級(jí)衍射光的出射方向與實(shí)際不符。然后讀取光路的坐標(biāo)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，注意消除該操作造成的位移偏差。ObjectTipeYg口siti口nZPcsiti口nTiltAbcutX1StandardSue-35.000000270.00000095.000000MaterialRadiusC口nicMaxAperMIEiaOR0.0000000.00000013.000000插入后一個(gè)球面反射鏡同上，不做贅述。插入探測(cè)器（相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)中的CCD）Tilt盤(pán)B口X面類(lèi)型選為“DectRect”，矩形探測(cè)器除了位置和轉(zhuǎn)動(dòng)外，還有X、Y方向半寬調(diào)解，以及“Xpixel

13、s”“Ypixels”，XY方向的像素，像素越高，成像越清晰，材料欄空著。ObjectTypmXPositionYg口sitiDELZPosition1DetectorRect0.00000063.360000370.000000ObjectTypmXHalfWidthYHalfWidthJPixelsio.ooooool20.OOOOOOliooo|#YPixels2000探測(cè)成像結(jié)果點(diǎn)擊分析-偵測(cè)器-RayTrace/Dectorcontrol清除偵測(cè)結(jié)果，然后跟蹤，完畢后退出。點(diǎn)擊分析-偵測(cè)器-偵測(cè)器成像視窗，得到分光結(jié)果。；蛻1:DetectorViewer更新UpcJ自詞(U)設(shè)置Settings)打印Print)(P)奇口(Window)(W)文本(T已xt)(T)箱啟Zoom)(Z)Z035L33L5i3L623.00LH2H.5I3L22LL3L7.GQQLM.00占陽(yáng)占