光谱分析仪光学系统的优化设计方法

　　引 言

　　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[1]。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[2]。

　　本文提出了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。图1 就是一种原子吸收分光光度计光学系统。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θi为入射角，θd为衍射角， N 为衍射级，λ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

 　　本文作者将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。