以光線(xiàn)光學(xué)為依據(jù)，在光源和光瞳上以高密度取樣，將追跡實(shí)際取樣光線(xiàn)得到的點(diǎn)列圖作為評(píng)價(jià)依據(jù)， 根據(jù)光譜分析系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將整個(gè)系統(tǒng)以單色器入口為分界點(diǎn)分為兩個(gè)子系統(tǒng)，分別對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了對(duì)結(jié)果的后處理模塊，并將其集成到光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中去。給出了一個(gè)原子吸收分光光度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)例，使用波段為 190~860nm。設(shè)計(jì)結(jié)果和樣品實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)達(dá)到 0.3nm 的光譜分辨力要求。
光譜分析儀器通過(guò)檢測(cè)樣品的吸收或發(fā)射光譜，達(dá)到分析樣品組分，監(jiān)測(cè)樣品質(zhì)量的目的，在生化，醫(yī)學(xué)，藥物臨床，化學(xué)化工，儀器衛(wèi)生，環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有廣泛用途，是分析復(fù)雜混合物*的手段。憑物質(zhì)的紅外光譜圖可以推斷出分子中存在的基團(tuán)或鍵，確定分子化學(xué)結(jié)構(gòu)，而紫外光譜可作為定量分析zui有用的工具之一，在測(cè)量微量，超微量組分中具有很高的靈敏度。光譜分析儀器中，光學(xué)系統(tǒng)具有重要的作用。要求光源發(fā)出的具有一定光譜范圍的光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，能夠被分離出樣品的吸收或發(fā)射光譜。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(píng)價(jià)指標(biāo)與設(shè)計(jì)方法上有很大的不同。
基于實(shí)際光線(xiàn)光路計(jì)算的光譜分析儀器光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，依照光譜分析儀器質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，給出了相應(yīng)的算法，研制了對(duì)光路計(jì)算結(jié)果的后處理模塊，給出了計(jì)算實(shí)例。
1 光譜分析儀器光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)
光譜分析儀器光學(xué)系統(tǒng)一般包括前置光學(xué)系統(tǒng)與光譜分離部分兩個(gè)子系統(tǒng)，通常含有常規(guī)反射元件與衍射光學(xué)元件，有的還包括透射光學(xué)元件。
光源(通常是面光源)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)前置光學(xué)系統(tǒng)在單色儀入口處會(huì)聚成高能量密度的均勻光柱，該光柱作為單色器的二次光源，發(fā)出的光經(jīng)單色器中的衍射光學(xué)元件分光，再會(huì)聚到接收面上形成光譜。目前分辨力較高的單色器大多采用衍射光柵分光，其衍射公式為
θi為入射角，θd為衍射角， N 為衍射級(jí)，λ為光的波長(zhǎng)，1/d 為光柵常數(shù)。不同波長(zhǎng)的零級(jí)衍射光出射方向都相同，其他各級(jí)主*衍射光對(duì)不同的波長(zhǎng)將有不同的方向。為了有足夠的能量供檢測(cè)，同時(shí)又將各波長(zhǎng)的光譜區(qū)分開(kāi)，通常采用+1 級(jí)或-1 級(jí)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)以光譜分離為目的，因此具有不同的質(zhì)量評(píng)價(jià)要求，其中包括單色器入射光柱光強(qiáng)均勻性、在較寬的入射波段內(nèi)具有較高的光譜分辨力等。因此，常規(guī)的成像光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法如幾何像差、波像差、傳遞函數(shù)等在此將不再適用，有必要根據(jù)以上要求對(duì)從光源到接收面的光路作分析，對(duì)每一條可能的光路進(jìn)行計(jì)算，從而在單色器入口處得到能量集中且光強(qiáng)均勻的入射光柱，在接收面上得到較高的光譜分辨力和信噪比。
2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與評(píng)價(jià)軟件
整個(gè)光譜分析光學(xué)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，進(jìn)行分段優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了保證系統(tǒng)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，在光源和光瞳上以高密度取樣作實(shí)際光線(xiàn)追跡，以此產(chǎn)生的一系列點(diǎn)列圖作為一個(gè)評(píng)價(jià)依據(jù)。這部分工作可以由常用的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)部分，即從光源到單色器入口，為了節(jié)省儀器空間，這部分光路往往須有一次以上的轉(zhuǎn)折，zui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(qiáng)均勻的入射光柱。也就是說(shuō)，該處應(yīng)形成滿(mǎn)足一定要求的像散光束，故此處光路中通常含有復(fù)曲面。計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)單色器入射光柱的大小對(duì)該前置光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在光瞳上取樣可以由光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)完成，而在光源上取樣是對(duì)視場(chǎng)取樣，一般光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)視場(chǎng)的設(shè)置極其有限，所以必須做多次計(jì)算與優(yōu)化。圖2 是對(duì)圖1 所示的光學(xué)系統(tǒng)在波長(zhǎng)為 210nm、436nm 和 860nm 處分別作高密度取樣光線(xiàn)計(jì)算所得到的單色器入口處的迭加點(diǎn)列圖。
對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的第二個(gè)部分，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(gè)光路，對(duì)單色器各面面形與位置進(jìn)行優(yōu)化。這里對(duì)視場(chǎng)取樣時(shí)存在與一部分相同的問(wèn)題，即一次只能計(jì)算少數(shù)視場(chǎng)，所以也必須做多次計(jì)算，其結(jié)果由作者自行研制的軟件作進(jìn)一步處理，以得到整個(gè)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。
