ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析

宇熠科技

2021年7月28日 09:27

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光譜學是一種無創傷性技術，是研究組織、等離子體和材料的最強大工具之一。本文中，我們將分析由商用光學元件組成的透鏡-光柵透鏡 (LGL) 光譜儀中的雜散光。本文概述了光譜儀系統的序列模式 - 非序列式轉換、封裝的簡單設計、機械封裝元件散射光情況的定量分析以及光譜儀探測器的雜散光污染情況。

介紹

即使光譜儀在光學概念方面已經優化過，其性能也會因雜散光而惡化。雜散光可能從光路橫向散射，導致功率損失。另一個影響是雜散光會污染光譜儀的直線照相機的像素，探測器將不只接收指定波長的理想光線。

LGL 光譜儀從序列模式到非序列模式的轉換

本文介紹了光譜儀的技術細節和規格。光譜儀如下圖所示：

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖1

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

在 OpticStudio 中，雜散光分析是在非序列模式下進行的，與序列模式相反的是，OpticStudio 將發射大量光線，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換為非序列模式。

自動轉換

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

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖2

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

手動完成 NSC 模型

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

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖3

然后如下圖改動 2、7 和 15 行：

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖4

物體 2 對應的是一個點光源，模仿單模光纖發射的高斯形式發散光束。

1. 不要忘記將 X-發散 (X-Divergence) 和 Y-發散 (Y-Divergence) 設為 6.892 度，將 X-超高斯 (X- SuperGauss) 和 Y-超高斯 (Y-SuperGauss) 設為1，這是與光纖特性相關的參數。這些參數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，以確保快速計算和渲染光線。
3. 100 W 源功率的選擇是因為便于分析，所有功率將顯示為相對于光源的百分比。
物體 15 與探測器有關。我們使用 2000 像素，高度 20 μm 和寬度 20 mm 的吸收板作為探測器。

建模衍射光柵

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

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

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖5

最后，我們在光柵的前后表面鍍膜。請注意，第一個光柵被旋轉 180 度，因此它的正面變成了元件的背面，且廠家提供的數據內反射率為 0.5%。在 OpticStudio 中，可以使用一個簡單的透光率為 0.995 理想涂層實現模擬。因此，將物體 7 和物體 8 的衍射特性更改如下:

初次結果

現在在非序列實體模型（在設置中，顏色顯示 (Color Rays By) 設置為波長 # (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（探測器不可見，因為它的高度只有20 μm）：

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖7

現在準備好執行第一次光線追跡。轉到 分析 (Analyze) 選項，點擊 光線追跡 (Ray Trace) ，然后系統將打開 光線追跡控制 (Ray Trace Control) 。

光線追跡的設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)，確保當光線擊中物體表面時光線和能量是分裂的。
忽略錯誤 (Ignore Errors) 是指當光線不能被計算時繼續追蹤光線，例如當它擊中一個物體的邊緣時。

一旦您按下 清除并追跡 (Clear & Trace) 按鈕，光線追跡將在幾秒鐘內結束，計算時間取決于可用的 CPU 功率。記得查看損失的能量值（由于計算的隨機性，它們可能在每次光線追跡中發生變化）。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）。在系統選項中，我們使用的默認值為 0.1%，OpticStudio 將停止追跡低于功率閾值的光線。

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖8

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

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖9

可以看到三個不同的峰代表了系統選項里的三個波長（855 nm、880 nm、905 nm）。這一結果與在序列模式下進行的光譜儀模擬很一致（參見知識庫文章“ 如何設計光譜儀 - 實際應用 ”）。

圖中的文本部分還顯示了到達探測器的總功率，光源的 100 W 中接收到了59 W，這個結果也是合理的，因為 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器上光束聚焦程度有限造成的，這一結果也與在序列模式下進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的雜散光以及在探測器上聚焦限制，為此我們在光譜儀上增加了一個簡單的封裝。

進行簡單封裝

即將添加到光譜儀上的封裝有兩個用途：

它會阻止光線橫向散射。
它將作為一個探測器來檢測哪個部分的光散射最嚴重。

封裝設計將是十分粗略的，但比較適合測量雜散光且接近現實封裝的形式。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圓柱體（模擬套筒）、套筒末端的兩個圓形表面和衍射光柵附近的兩個矩形表面：

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖10

此外，我們在探測器的所有表面開啟涂層和散射功能（物體 16 到 21）。在這些設置下，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:

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖11

修改物體 16 - 21 為探測器：

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖12

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

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖13

用評價函數來輔助計算功率

非序列3D布局圖 (NSC 3D Layout) 只是對雜散光的定性評估。如果還想得到強度分布的定量值，可以評價函數計算這些值。在優化選項卡中打開評價函數編輯器并鍵入下圖所示操作數，或打開壓縮包 Spectrometer_casing.zar 中包含的 power_measurement.MF 評價函數：

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖14

帶有 NSDD 和 NSTR 操作數的第 3 行和第 5 行是用于啟動在非序列模式下光線追跡的標準行。非相干強度數據的測量是用第 7 行針對光譜儀的探測器，第 8 行到第 13 行針對封裝的物體，以及第14行針對所有度量值的總和。我們可以看到，這個值接近于由光源輸入系統的功率 100 W。當我們仔細觀察探測器的數值時，我們可以得出結論，雜散光效應在光柵（物體 16 到 18）之前很弱，但是在光柵后的第 19 和 20 物體上雜散光效應的值較高，因為來自光柵的零級衍射的光在那里被吸收。在光譜儀探測器周圍的物體 21 上還有相當大的一部分光，這是由于探測器上的光束聚焦有限導致的。因此，在光譜儀的設置中，必須注意通過使用一個光阱而不是僅僅使用一個吸收表面來控制來自光柵零級衍的光。到此步驟的系統可在 Spectrometer_cases .zar 中找到。

探測器上的雜散光分析

在上一節中，我們已經看到大約 60% 的初始光強會被集中在探測器上，10% 分布在探測器周圍的物體 21 上。現在我們將更詳細地研究這個分布，特別是研究單個波長有多少光污染了線相機，也就是照亮了與這個波長無關的像素。為了準備這個分析，我們首先在系統設置中禁用了 855 nm 和 905 nm 的波長，這樣我們就只有中心波長 880 nm。然后在非序列元件編輯器中刪除橢圓（物體21）和矩形探測器（物體15）。我們將在下一步添加新的探測器。最后，將光源（物體 2）的分析光線數量增加到 108 條。

探測器上的功率

為了得到探測器平面內功率分布的有效圖像，我們設置了三個探測器，如下（第 20 - 22 行）：

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖15

第一個探測器對應于在 880 nm 處單個像素所測量的輻照度。
第二個檢測器對應于線相機的剩余像素的陣列（注意像素的數量被設置為 2001 而不是 2000 以滿足對稱性）。
第三個探測器覆蓋探測器周圍表面的其余部分。

在非序列元件編輯器中完成這個調整后，我們再次啟動光線追跡，這次同時啟用光線 NSC 光線散射。這次運行可能耗費一個小時以上，因為我們分析了更多的光線。探測器查看器將顯示類似如下的結果：

ZEMAX | 如何設計一個光譜儀 – 雜散光分析的圖16

直線照相機（上圖左面板）捕捉到靠近中心像素的區域有顯著輻照度，對應于880 nm 的波長，這是因為像素上聚焦有限導致的。然而，這一發現應該謹慎解釋，因為我們使用幾何光線追跡時沒有考慮到衍射。在較遠的像素上只有微弱的輻射（注意此處使用對數作為刻度）。當我們把整個探測器背面顯示在上面右圖中，雜散光主要在線相機（黑條）遠處可見。

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