光谱分析仪光学系统的优化设计方法.doc

光谱分析仪光学系统的优化设计方法该方法以光线光学为依据，在光源和光瞳上以高密度取样，将追迹实际取样光线得到的点列图作为评价依据， 根据光谱分析系统的评价指标，将整个系统以单色器入口为分界点分为两个子系统，分别对其进行优化设计，研制了对结果的后处理模块，并将其集成到光学设计软件中去。给出了一个原子吸收分光光度计光学系统实例，使用波段为 190860nm。设计结果和样品实验表明，该系统达到 0.3nm 的光谱分辨力要求。光谱分析仪器通过检测样品的吸收或发射光谱，达到分析样品组分，监测样品质量的目的，在生化，医学，药物临床，化学化工，仪器卫生，环境监测等方面具有广泛用途，是分析复杂混合物不可缺少的手段。凭物质的红外光谱图可以推断出分子中存在的基团或键，确定分子化学结构，而紫外光谱可作为定量分析最有用的工具之一，在测量微量，超微量组分中具有很高的灵敏度。光谱分析仪器中，光学系统具有重要的作用。要求光源发出的具有一定光谱范围的光经过光学系统后，能够被分离出样品的吸收或发射光谱。这种以分光为目的的光学系统与常规成像光学系统相比，在评价指标与设计方法上有很大的不同。基于实际光线光路计算的光谱分析仪器光学系统的优化设计方法，依照光谱分析仪器质量评价指标，给出了相应的算法，研制了对光路计算结果的后处理模块，给出了计算实例。1 光谱分析仪器光学系统的特点光谱分析仪器光学系统一般包括前置光学系统与光谱分离部分两个子系统，通常含有常规反射元件与衍射光学元件2-3，有的还包括透射光学元件。由图中可以看出，光源(通常是面光源)发出的光经过前置光学系统在单色仪入口处会聚成高能量密度的均匀光柱，该光柱作为单色器的二次光源，发出的光经单色器中的衍射光学元件分光，再会聚到接收面上形成光谱。目前分辨力较高的单色器大多采用衍射光栅分光，其衍射公式为式(1)中i为入射角，d为衍射角， N 为衍射级，为光的波长，1/d 为光栅常数。不同波长的零级衍射光出射方向都相同，其他各级主极大衍射光对不同的波长将有不同的方向。为了有足够的能量供检测，同时又将各波长的光谱区分开，通常采用+1 级或-1 级衍射光。常规成像光学系统以成像为目的，而光谱分析光学系统以光谱分离为目的，因此具有不同的质量评价要求，其中包括单色器入射光柱光强均匀性、在较宽的入射波段内具有较高的光谱分辨力等。因此，常规的成像光学系统的质量评价方法如几何像差、波像差、传递函数等在此将不再适用，有必要根据以上要求对从光源到接收面的光路作全面分析，对每一条可能的光路进行计算，从而在单色器入口处得到能量集中且光强均匀的入射光柱，在接收面上得到较高的光谱分辨力和信噪比。2 系统优化设计方法与评价软件整个光谱分析光学系统分为两个部分，进行分段优化设计。为了保证系统评价的准确性，在光源和光瞳上以高密度取样作实际光线追迹，以此产生的一系列点列图作为一个评价依据。这部分工作可以由常用的光学系统设计软件来完成。对于光学系统的第一个部分，即从光源到单色器入口，为了节省仪器空间，这部分光路往往须有一次以上的转折，最终要求光源发出的光在单色器入口处形成能量集中且光强均匀的入射光柱。也就是说，该处应形成满足一定要求的像散光束，故此处光路中通常含有复曲面。计算时应根据单色器入射光柱的大小对该前置光学系统进行优化。在光瞳上取样可以由光学系统设计软件自动完成，而在光源上取样是对视场取样，一般光学设计软件对视场的设置极其有限，如 ZEMAX 一次最多只能计算12 个视场，所以必须做多次计算与优化。图2 是对图1 所示的光学系统在波长为 210nm、436nm 和 860nm 处分别作高密度取样光线计算所得到的单色器入口处的迭加点列图。对于光学系统的第二个部分，即单色器入口到接收面，应在前置光学系统确定后，考虑由光源到接收面的整个光路，对单色器各面面形与位置进行优化。这里对视场取样时存在与第一部分相同的问题，即一次只能计算少数视场，所以也必须做多次计算，其结果由作者自行研制的软件作进一步处理，以得到整个面光源发出的光经系统后在接收面上产生的综合效果。图3 是光谱分析仪器光学系统优化设计的流程图。3 实 例以图1 所示的光学系统为例，在光源上以1010 网格取样，在光瞳上3232 网格取样，对波长为 190nm至 860nm 的宽波段光谱完成了优化设计。本例中单色器入口狭缝宽度为0.1mm，光栅常数1800 条/mm，设计时经多次选择，发现取主波长为486nm 可以得到满意的结果。最终得到接收器上 279.2nm、279.5nm 和279.8nm 三个波长产生的光谱分布如图4 所示。样品实验表明，全波段的光谱分辨力均能满足要求。4 结 论综上所述，光谱分析系统通常可分为前置光学系统狭缝和单色器两个部分，前置光学系统的设计决定了入射光柱的质量，而分辨力主要由入射光柱处的狭缝宽度与单色器光栅常数所决定。这种系统的优化设计可分为两步：首先优化设计前置光学系统，使入射光很好地会聚于单色器入口狭缝。确定前置系统后，优化设计单色器光学系统，包括光学元件参数和确定最佳接收面位置。利用这种分段优化设计方法和相应的软件设计光谱分析仪器光学系统的优点在于：(1)可以在保证入射光柱质量的前提下，充分