光譜分析儀光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法

光譜光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法該方法以光線光學(xué)為依據(jù)，在光源和光瞳上以高密度取樣，將追跡實際取樣光線得到的點列圖作為評優(yōu)化設(shè)計，研制了對結(jié)果的后處理模塊，并將其集成到光學(xué)設(shè)計軟件中去。給出了一個原子吸取分光光度計光學(xué)系統(tǒng)實例，使用波段為190~860nm。設(shè)計結(jié)果和樣品試驗說明，該系統(tǒng)到達0.3nm的光譜區(qū)分力要求。光譜器通過檢測樣品的吸取或放射光譜，到達分析樣品組分，監(jiān)測樣品質(zhì)量的目的，在生化，譜。這種以分光為目的的光學(xué)系統(tǒng)與常規(guī)成像光學(xué)系統(tǒng)相比，在評價指標與設(shè)計方法上有很大的不同?；趯嶋H光線光路計算的光譜器光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法，依照光譜器質(zhì)量評價指標，給出了相應(yīng)的算法，研制了對光路計算結(jié)果的后處理模塊，給出了計算實例。光譜器光學(xué)系統(tǒng)的特點光譜器光學(xué)系統(tǒng)一般包括前置光學(xué)系統(tǒng)與光譜分別局部兩個子系統(tǒng)，通常含有常規(guī)反射元件與衍射光學(xué)元件[2-3]，有的還包括透射光學(xué)元件。由圖中可以看出，光源(通常是面光源)發(fā)出的光經(jīng)過前置光學(xué)系統(tǒng)在單色儀入口處會聚成高能量密度上形成光譜。目前區(qū)分力較高的單色器大多承受衍射光柵分光，其衍射公式為式(1)θi為入射角，θd為衍射角，N為衍射級，λ為光的波長，1/d為光柵常數(shù)。不同波長的零級同時又將各波長的光譜區(qū)分開，通常承受+1級或-1級衍射光。常規(guī)成像光學(xué)系統(tǒng)以成像為目的，而光譜分析光學(xué)系統(tǒng)以光譜分別為目的，因此具有不同的質(zhì)量評價要求，其中包括單色器入射光柱光強均勻性、在較寬的入射波段內(nèi)具有較高的光譜區(qū)分力等。因此，常規(guī)的成像光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量評價方法如幾何像差、波像差、傳遞函數(shù)等在此將不再適用，有必要依據(jù)以上要求對從光源到接收面的光路作全面分析，對每一條可能的光路進展計算，從而在單色器入口處得到能量集中且光強均勻的入射光柱，在接收面上得到較高的光譜區(qū)分力和信噪比。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法與評價軟件整個光譜分析光學(xué)系統(tǒng)分為兩個局部，進展分段優(yōu)化設(shè)計。為了保證系統(tǒng)評價的準確性，在光源和光瞳上以高密度取樣作實際光線追跡，以此產(chǎn)生的一系列點列圖作為一個評價依據(jù)。這局部工作可以由常用的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計軟件來完成。對于光學(xué)系統(tǒng)的第一個局部，即從光源到單色器入口，為了節(jié)約儀器空間，這局部光路往往須有一次以上的轉(zhuǎn)折，最終要求光源發(fā)出的光在單色器入口處形成能量集中且光強均勻的入射光柱。也就是說，該處應(yīng)形成滿足肯定要求的像散光束，故此處光路中通常含有復(fù)曲面。計算時應(yīng)依據(jù)單色器入射光柱的大小對該前置光學(xué)系統(tǒng)進展優(yōu)化。在光瞳上取樣可以由光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計軟件自動完成，ZEMAX一次最多只能計算122是對圖1所示的光學(xué)系統(tǒng)在波長為210nm436nm和860nm處分別作高密度取樣光線計算所得到的單色器入口處的迭加點列圖。對于光學(xué)系統(tǒng)的其次個局部，即單色器入口到接收面，應(yīng)在前置光學(xué)系統(tǒng)確定后，考慮由光源到接收面的整個光路，對單色器各面面形與位置進展優(yōu)化。這里對視場取樣時存在與第一局部一樣的問題，即一次只能計算少數(shù)視場，所以也必需做屢次計算，其結(jié)果由作者自行研制的軟件作進一步處理，以得到整個面光源發(fā)出的光經(jīng)系統(tǒng)后在接收面上產(chǎn)生的綜合效果。圖3是光譜器光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的流程圖。實例以圖110×1032×32190nm860nm0.1mm，光柵常數(shù)1800條/mm，486nm279.2nm279.5nm和279.8nm三個波長產(chǎn)生的光譜分布如圖4所示。樣品試驗說明，全波段的光譜區(qū)分力均能滿足要求。結(jié)論綜上所述，光譜分析系統(tǒng)通?？煞譃榍爸霉鈱W(xué)系統(tǒng)狹縫和單色器兩個局部，前置光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計打算的軟件設(shè)計光譜器光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點在于：可以在保證入射光柱質(zhì)量的前提下，充分地利用光能，以保證獲得足夠的信號強度。這對于光譜范圍寬并含透