光譜學(xué)是一種無創(chuàng)傷性技術(shù)，是研究組織、等離子體和材料的最強(qiáng)大工具之一。本文中，我們將分析由商用光學(xué)元件組成的透鏡-光柵透鏡 (LGL) 光譜儀中的雜散光。本文概述了光譜儀系統(tǒng)的序列模式 - 非序列式轉(zhuǎn)換、封裝的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)、機(jī)械封裝元件散射光情況的定量分析以及光譜儀探測(cè)器的雜散光污染情況。

介紹

即使光譜儀在光學(xué)概念方面已經(jīng)優(yōu)化過，其性能也會(huì)因雜散光而惡化。雜散光可能從光路橫向散射，導(dǎo)致功率損失。另一個(gè)影響是雜散光會(huì)污染光譜儀的直線照相機(jī)的像素，探測(cè)器將不只接收指定波長(zhǎng)的理想光線。

LGL 光譜儀從序列模式到非序列模式的轉(zhuǎn)換

本文介紹了光譜儀的技術(shù)細(xì)節(jié)和規(guī)格。光譜儀如下圖所示：

本光譜儀是透鏡-光柵-透鏡 (LGL) 類型，由市售的光學(xué)元件制成。帶寬范圍為 855 nm 到 905 nm ，常用于光學(xué)相干層析成像 (OCT)。

在 OpticStudio 中，雜散光分析是在非序列模式下進(jìn)行的，與序列模式相反的是，OpticStudio 將發(fā)射大量光線，并通過光譜儀追跡光線的路徑和能量分配。因此，第一步，我們需要將光譜儀從序列模式轉(zhuǎn)換為非序列模式。

自動(dòng)轉(zhuǎn)換

打開文件 Spectrometer.ZAR（可聯(lián)系我們獲取附件），并轉(zhuǎn)到文件 (File) …轉(zhuǎn)換為 NSC 組 (Convert to NSC Group)。單擊彈出窗口中的確認(rèn)按鍵（不需要使用 鎖定設(shè)計(jì) (Design Lockdown) 和 特定光線生成器 (Critical Rayset Generator)）：

將 OpticStudio 轉(zhuǎn)換到非序列模式后，在非序列元件編輯器中顯示光譜儀組

手動(dòng)完成 NSC 模型

OpticStudio 轉(zhuǎn)換算法是非常強(qiáng)大的，但仍需手動(dòng)刪除在非序列元件編輯器中標(biāo)有紅框的行（它們與光源和接收器有關(guān)，將在下一步手動(dòng)添加）：

然后如下圖改動(dòng) 2、7 和 15 行：

物體 2 對(duì)應(yīng)的是一個(gè)點(diǎn)光源，模仿單模光纖發(fā)射的高斯形式發(fā)散光束。

1. 不要忘記將 X-發(fā)散 (X-Divergence) 和 Y-發(fā)散 (Y-Divergence) 設(shè)為 6.892 度，將 X-超高斯 (X- SuperGauss) 和 Y-超高斯 (Y-SuperGauss) 設(shè)為1，這是與光纖特性相關(guān)的參數(shù)。這些參數(shù)在非序列元件編輯器中更靠右的部分，在上面的截圖中不可見。

2. 我們使用 100 布局光線和 100,000 分析光線，以確?？焖儆?jì)算和渲染光線。

3. 100 W 源功率的選擇是因?yàn)楸阌诜治?，所有功率將顯示為相對(duì)于光源的百分比。

物體 15 與探測(cè)器有關(guān)。我們使用 2000 像素，高度 20 μm 和寬度 20 mm 的吸收板作為探測(cè)器。

建模衍射光柵

最后也是最大的調(diào)整涉及到衍射光柵（物體 7和 8）。這些設(shè)置與制造商給出的規(guī)格有關(guān)。實(shí)際上，該光柵由兩個(gè)連續(xù)的光柵組成，每個(gè)光柵每微米有 0.9 條刻線（相當(dāng)于一個(gè)光柵每微米有 1.8 條刻線）。在上面的截圖中不可見的兩個(gè)光柵的參數(shù)是：厚度 1.49 mm、0.9 Lines/μm 和 -1 次衍射級(jí)。物體 7 的 Z 位置需要設(shè)置為 1.49 mm，物體 8 的 Z 位置需要設(shè)置為 1.51 mm。Spectrometer-NONSEQ.zar 文件包含到此步驟為止的系統(tǒng)。

一個(gè)單光柵將 87% 的光衍射到 -1 次衍射級(jí)，13%衍射到 0 衍射級(jí)次，所以兩個(gè)光柵合起來的效率為 75%。這個(gè)參數(shù)可在物體 7 和物體 8 的 膜層/散射 (Coat/Scatter) 屬性中設(shè)置：

最后，我們?cè)诠鈻诺那昂蟊砻驽兡?。?qǐng)注意，第一個(gè)光柵被旋轉(zhuǎn) 180 度，因此它的正面變成了元件的背面，且廠家提供的數(shù)據(jù)內(nèi)反射率為 0.5%。在 OpticStudio 中，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的透光率為 0.995 理想涂層實(shí)現(xiàn)模擬。因此，將物體 7 和物體 8 的衍射特性更改如下:

初次結(jié)果

現(xiàn)在在非序列實(shí)體模型（在設(shè)置中，顏色顯示 (Color Rays By) 設(shè)置為波長(zhǎng) # (Wave #)）中來檢查我們的光譜儀。如圖示，光譜儀看起來與文章頂部第一張圖片所示相同（探測(cè)器不可見，因?yàn)樗母叨戎挥?0 μm）：

現(xiàn)在準(zhǔn)備好執(zhí)行第一次光線追跡。轉(zhuǎn)到 分析 (Analyze) 選項(xiàng)，點(diǎn)擊 光線追跡 (Ray Trace) ，然后系統(tǒng)將打開 光線追跡控制 (Ray Trace Control) 。

光線追跡的設(shè)置在本文中將保持不變:

使用偏振 (Use Polarization) 和 NSC光線分裂 (Split NSC Rays)，確保當(dāng)光線擊中物體表面時(shí)光線和能量是分裂的。

忽略錯(cuò)誤 (Ignore Errors) 是指當(dāng)光線不能被計(jì)算時(shí)繼續(xù)追蹤光線，例如當(dāng)它擊中一個(gè)物體的邊緣時(shí)。

一旦您按下 清除并追跡 (Clear & Trace) 按鈕，光線追跡將在幾秒鐘內(nèi)結(jié)束，計(jì)算時(shí)間取決于可用的 CPU 功率。記得查看損失的能量值（由于計(jì)算的隨機(jī)性，它們可能在每次光線追跡中發(fā)生變化）。在該案例中，由于誤差造成的能量損失是可以忽略不計(jì)的，大約由于光線能量閾值丟失了 0.5 W（光源的初始值為100 W）。在系統(tǒng)選項(xiàng)中，我們使用的默認(rèn)值為 0.1%，OpticStudio 將停止追跡低于功率閾值的光線。

確保所有值輸入正確后，我們可以打開 探測(cè)器查看器 (Detector Viewer) （按鈕也在分析標(biāo)簽內(nèi)）：

可以看到三個(gè)不同的峰代表了系統(tǒng)選項(xiàng)里的三個(gè)波長(zhǎng)（855 nm、880 nm、905 nm）。這一結(jié)果與在序列模式下進(jìn)行的光譜儀模擬很一致（參見知識(shí)庫文章“ 如何設(shè)計(jì)光譜儀 - 實(shí)際應(yīng)用 ”）。

圖中的文本部分還顯示了到達(dá)探測(cè)器的總功率，光源的 100 W 中接收到了59 W，這個(gè)結(jié)果也是合理的，因?yàn)?25% 的功率在衍射光柵上損失了。因此大約 20% 的損耗是由于透鏡和探測(cè)器上光束聚焦程度有限造成的，這一結(jié)果也與在序列模式下進(jìn)行的光譜儀模擬相一致。

本文接下來的兩部分將討論如何檢查與透鏡反射有關(guān)的雜散光以及在探測(cè)器上聚焦限制，為此我們?cè)诠庾V儀上增加了一個(gè)簡(jiǎn)單的封裝。

進(jìn)行簡(jiǎn)單封裝

即將添加到光譜儀上的封裝有兩個(gè)用途：

1、它會(huì)阻止光線橫向散射。

2、它將作為一個(gè)探測(cè)器來檢測(cè)哪個(gè)部分的光散射最嚴(yán)重。

封裝設(shè)計(jì)將是十分粗略的，但比較適合測(cè)量雜散光且接近現(xiàn)實(shí)封裝的形式。在非序列元件編輯器的末端添加如下六行，分別為透鏡周圍的兩個(gè)圓柱體（模擬套筒）、套筒末端的兩個(gè)圓形表面和衍射光柵附近的兩個(gè)矩形表面：

此外，我們?cè)谔綔y(cè)器的所有表面開啟涂層和散射功能（物體 16 到 21）。在這些設(shè)置下，95% 的入射光被吸收，1% 是鏡面反射，4% 是 郎伯分布 (Lambertian distribution) 形式的背向散射。這些是吸光的滅光材料的典型參數(shù):

修改物體 16 - 21 為探測(cè)器：

非序列3D布局圖 (NSC 3D Layout) 展示了大部分被封裝吸收的光線：

用評(píng)價(jià)函數(shù)來輔助計(jì)算功率

非序列3D布局圖 (NSC 3D Layout) 只是對(duì)雜散光的定性評(píng)估。如果還想得到強(qiáng)度分布的定量值，可以評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算這些值。在優(yōu)化選項(xiàng)卡中打開評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器并鍵入下圖所示操作數(shù)，或打開壓縮包 Spectrometer_casing.zar 中包含的 power_measurement.MF 評(píng)價(jià)函數(shù)：

帶有 NSDD 和 NSTR 操作數(shù)的第 3 行和第 5 行是用于啟動(dòng)在非序列模式下光線追跡的標(biāo)準(zhǔn)行。非相干強(qiáng)度數(shù)據(jù)的測(cè)量是用第 7 行針對(duì)光譜儀的探測(cè)器，第 8 行到第 13 行針對(duì)封裝的物體，以及第14行針對(duì)所有度量值的總和。我們可以看到，這個(gè)值接近于由光源輸入系統(tǒng)的功率 100 W。當(dāng)我們仔細(xì)觀察探測(cè)器的數(shù)值時(shí)，我們可以得出結(jié)論，雜散光效應(yīng)在光柵（物體 16 到 18）之前很弱，但是在光柵后的第 19 和 20 物體上雜散光效應(yīng)的值較高，因?yàn)閬碜怨鈻诺牧慵?jí)衍射的光在那里被吸收。在光譜儀探測(cè)器周圍的物體 21 上還有相當(dāng)大的一部分光，這是由于探測(cè)器上的光束聚焦有限導(dǎo)致的。因此，在光譜儀的設(shè)置中，必須注意通過使用一個(gè)光阱而不是僅僅使用一個(gè)吸收表面來控制來自光柵零級(jí)衍的光。到此步驟的系統(tǒng)可在 Spectrometer_cases .zar 中找到。

探測(cè)器上的雜散光分析

在上一節(jié)中，我們已經(jīng)看到大約 60% 的初始光強(qiáng)會(huì)被集中在探測(cè)器上，10% 分布在探測(cè)器周圍的物體 21 上。現(xiàn)在我們將更詳細(xì)地研究這個(gè)分布，特別是研究單個(gè)波長(zhǎng)有多少光污染了線相機(jī)，也就是照亮了與這個(gè)波長(zhǎng)無關(guān)的像素。為了準(zhǔn)備這個(gè)分析，我們首先在系統(tǒng)設(shè)置中禁用了 855 nm 和 905 nm 的波長(zhǎng)，這樣我們就只有中心波長(zhǎng) 880 nm。然后在非序列元件編輯器中刪除橢圓（物體21）和矩形探測(cè)器（物體15）。我們將在下一步添加新的探測(cè)器。最后，將光源（物體 2）的分析光線數(shù)量增加到 108 條。

探測(cè)器上的功率

為了得到探測(cè)器平面內(nèi)功率分布的有效圖像，我們?cè)O(shè)置了三個(gè)探測(cè)器，如下（第 20 - 22 行）：

1、第一個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)于在 880 nm 處單個(gè)像素所測(cè)量的輻照度。

2、第二個(gè)檢測(cè)器對(duì)應(yīng)于線相機(jī)的剩余像素的陣列（注意像素的數(shù)量被設(shè)置為 2001 而不是 2000 以滿足對(duì)稱性）。

3、第三個(gè)探測(cè)器覆蓋探測(cè)器周圍表面的其余部分。

在非序列元件編輯器中完成這個(gè)調(diào)整后，我們?cè)俅螁?dòng)光線追跡，這次同時(shí)啟用光線 NSC 光線散射。這次運(yùn)行可能耗費(fèi)一個(gè)小時(shí)以上，因?yàn)槲覀兎治隽烁嗟墓饩€。探測(cè)器查看器將顯示類似如下的結(jié)果：

直線照相機(jī)（上圖左面板）捕捉到靠近中心像素的區(qū)域有顯著輻照度，對(duì)應(yīng)于880 nm 的波長(zhǎng)，這是因?yàn)橄袼厣暇劢褂邢迣?dǎo)致的。然而，這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)該謹(jǐn)慎解釋，因?yàn)槲覀兪褂脦缀喂饩€追跡時(shí)沒有考慮到衍射。在較遠(yuǎn)的像素上只有微弱的輻射（注意此處使用對(duì)數(shù)作為刻度）。當(dāng)我們把整個(gè)探測(cè)器背面顯示在上面右圖中，雜散光主要在線相機(jī)（黑條）遠(yuǎn)處可見。

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