如何设计一个光谱仪–杂散光分析

光谱学是一种无创伤性技术,是研究组织、等离子体和材料的最强大工具之一。本文中,我们将分析由商用光学元件组成的透镜-光栅透镜 (LGL) 光谱仪中的杂散光。本文概述了光谱仪系统的序列模式 - 非序列式转换、封装的简单设计、机械封装元件散射光情况的定量分析以及光谱仪探测器的杂散光污染情况。

作者 Lorenz Martin

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简介

即使光谱仪在光学概念方面已经优化过,其性能也会因杂散光而恶化。杂散光可能从光路横向散射,导致功率损失。另一个影响是杂散光会污染光谱仪的直线照相机的像素,探测器将不只接收指定波长的理想光线。

LGL光谱仪从序列模式到非序列模式的转换

即将进行杂散光效应分析的光谱仪系统是按照知识库文章“ 如何设计光谱仪 - 实际应用 ”的描述设计和优化的。本文还介绍了光谱仪的技术细节和规格。光谱仪如下图所示:

Spectro set-up

本光谱仪是透镜-光栅-透镜 (LGL) 类型,由市售的光学元件制成。带宽范围为 855 nm 到 905 nm ,常用于光学相干层析成像 (OCT)。

在OpticStudio中,杂散光分析是在非序列模式下进行的,与序列模式相反的是,OpticStudio 将发射大量光线,并通过光谱仪追迹光线的路径和能量分配。因此,第一步,我们需要将光谱仪从序列模式转换为非序列模式。这个转换过程很大程度上遵循知识库文章“ 杂散光分析入门 - 第一部分 ”。

自动转换

打开文件 Spectrometer.ZAR(可在附件下载部分获得),并转到文件 (File) …转换为NSC组 (Convert to NSC Group)。单击弹出窗口中的确认按键(不需要使用 锁定设计 (Design Lockdown)特定光线生成器 (Critical Rayset Generator)):

Convert

将OpticStudio转换到非序列模式后,在非序列元件编辑器中显示光谱仪组成元件。

手动完成NSC模型

OpticStudio转换算法是非常强大的,但仍需手动删除在非序列元件编辑器中标有红框的行(它们与光源和接收器有关,将在下一步手动添加):

Manual correction

然后如下图改动2、7和15行:

Manual correction

  • 物体 2 对应的是一个点光源,模仿单模光纤发射的高斯形式发散光束。
    • 我们使用 100 布局光线和 100,000 分析光线,以确保快速计算和渲染光线。
    • 100 W 源功率的选择是因为便于分析,所有功率将显示为相对于光源的百分比。
      • 不要忘记将 X-发散 (X-Divergence) 和 Y-发散 (Y-Divergence) 设为 6.892 度,将 X-超高斯 (X- SuperGauss) Y-超高斯 (Y-SuperGauss) 设为1,这是与光纤特性相关的参数。这些参数在非序列元件编辑器中更靠右的部分,在上面的截图中不可见。
  • 物体 15 与探测器有关。我们使用 2000 像素,高度 20 µm 和宽度 20 mm 的吸收板作为探测器。

建模衍射光栅

最后也是最大的调整涉及到衍射光栅(物体 7和 8)。这些设置与制造商给出的规格有关。实际上,该光栅由两个连续的光栅组成,每个光栅每微米有 0.9 条刻线(相当于一个光栅每微米有 1.8 条刻线)。在上面的截图中不可见的两个光栅的参数是:厚度 1.49 mm、0.9 Lines/µm 和 -1 次衍射级。物体 7 的 Z 位置需要设置为 1.49 mm,物体 8 的 Z 位置需要设置为 1.51 mm。Spectrometer-NONSEQ.zar 文件包含到此步骤为止的系统。

一个单光栅将 87% 的光衍射到 -1 次衍射级,13%衍射到0衍射级次,所以两个光栅合起来的效率为 75%。这个参数可在物体 7 和物体 8 的 膜层/散射 (Coat/Scatter) 属性中设置:

Grating

最后,我们在光栅的前后表面镀膜。请注意,第一个光栅被旋转 180 度,因此它的正面变成了元件的背面,且厂家提供的数据内反射率为 0.5%。在OpticStudio中,可以使用一个简单的透光率为 0.995 理想涂层实现模拟。因此,将物体 7 和物体 8 的衍射特性更改如下:

Coating

初次结果

现在在非序列实体模型(在设置中,颜色显示 (Color Rays By) 设置为波长 # (Wave #))中来检查我们的光谱仪。如图示,光谱仪看起来与文章顶部第一张图片所示相同(探测器不可见,因为它的高度只有20 µm):

Viewer

现在准备好执行第一次光线追迹。转到分析 (Analyze) 选项,点击光线追迹 (Ray Trace) ,然后系统将打开光线追迹控制 (Ray Trace Control)

光线追迹的设置在本文中将保持不变:

  • 使用偏振 (Use Polarization) 和 NSC光线分裂 (Split NSC Rays),确保当光线击中物体表面时光线和能量是分裂的。
  • 忽略错误 (Ignore Errors) 是指当光线不能被计算时继续追踪光线,例如当它击中一个物体的边缘时。

一旦您按下清除并追迹 (Clear & Trace) 按钮,光线追迹将在几秒钟内结束,计算时间取决于可用的 CPU 功率。记得查看损失的能量值(由于计算的随机性,它们可能在每次光线追迹中发生变化)。在该案例中,由于误差造成的能量损失是可以忽略不计的,大约由于光线能量阈值丢失了0.5 W(光源的初始值为100 W)。在系统选项中,我们使用的默认值为 0.1%,OpticStudio 将停止追迹低于功率阈值的光线。

RayTrace

确保所有值输入正确后,我们可以打开探测器查看器 (Detector Viewer) (按钮也在分析标签内):

Detector

可以看到三个不同的峰代表了系统选项里的三个波长(855 nm、880 nm、905 nm)。这一结果与在序列模式下进行的光谱仪模拟很一致(参见知识库文章“ 如何设计光谱仪 - 实际应用 ”)。

图中的文本部分还显示了到达探测器的总功率,光源的 100 W 中接收到了59 W,这个结果也是合理的,因为 25% 的功率在衍射光栅上损失了。因此大约 20% 的损耗是由于透镜和探测器上光束聚焦程度有限造成的,这一结果也与在序列模式下进行的光谱仪模拟相一致。

本文接下来的两部分将讨论如何检查与透镜反射有关的杂散光以及在探测器上聚焦限制,为此我们在光谱仪上增加了一个简单的封装。

进行简单封装

即将添加到光谱仪上的封装有两个用途:

  1. 它会阻止光线横向散射。
  2. 它将作为一个探测器来检测哪个部分的光散射最严重。

封装设计将是十分粗略的,但比较适合测量杂散光且接近现实封装的形式。在非序列元件编辑器的末端添加如下六行,分别为透镜周围的两个圆柱体(模拟套筒)、套筒末端的两个圆形表面和衍射光栅附近的两个矩形表面:

Housing

此外,我们在探测器的所有表面开启涂层和散射功能(物体 16 到 21)。在这些设置下,95% 的入射光被吸收,1% 是镜面反射,4% 是郎伯分布 (Lambertian distribution) 形式的背向散射。这些是吸光的灭光材料的典型参数:

Scattering

修改物体 16 - 21 为探测器:

Object As Detector

非序列3D布局图 (NSC 3D Layout) 展示了大部分被封装吸收的光线:

3D Layout

用评价函数来辅助计算功率

非序列3D布局图(NSC 3D Layout) 只是对杂散光的定性评估。如果还想得到强度分布的定量值,可以评价函数计算这些值。在优化选项卡中打开评价函数编辑器并键入下图所示操作数,或打开压缩包Spectrometer_casing.zar中包含的power_measurement.MF评价函数:

MF

带有NSDD和NSTR操作数的第3行和第5行是用于启动在非序列模式下光线追迹的标准行。非相干强度数据的测量是用第7行针对光谱仪的探测器,第8行到第13行针对封装的物体,以及第14行针对所有度量值的总和。我们可以看到,这个值接近于由光源输入系统的功率100 W。当我们仔细观察探测器的数值时,我们可以得出结论,杂散光效应在光栅(物体16到18)之前很弱,但是在光栅后的第19和20物体上杂散光效应的值较高,因为来自光栅的零级衍射的光在那里被吸收。在光谱仪探测器周围的物体21上还有相当大的一部分光,这是由于探测器上的光束聚焦有限导致的。因此,在光谱仪的设置中,必须注意通过使用一个光阱而不是仅仅使用一个吸收表面来控制来自光栅零级衍的光。到此步骤的系统可在Spectrometer_cases .zar 中找到。

探测器上的杂散光分析

在上一节中,我们已经看到大约 60% 的初始光强会被集中在探测器上,10% 分布在探测器周围的物体 21 上。现在我们将更详细地研究这个分布,特别是研究单个波长有多少光污染了线相机,也就是照亮了与这个波长无关的像素。为了准备这个分析,我们首先在系统设置中禁用了855 nm和905 nm的波长,这样我们就只有中心波长880 nm。然后在非序列元件编辑器中删除椭圆(物体21)和矩形探测器(物体15)。我们将在下一步添加新的探测器。最后,将光源(物体 2)的分析光线数量增加到108条。

探测器上的功率

为了得到探测器平面内功率分布的有效图像,我们设置了三个探测器,如下(第20-22行):

3 detectors

  1. 第一个探测器对应于在880 nm处单个像素所测量的辐照度。
  2. 第二个检测器对应于线相机的剩余像素的阵列(注意像素的数量被设置为2001而不是2000以满足对称性)。
  3. 第三个探测器覆盖探测器周围表面的其余部分。

在非序列元件编辑器中完成这个调整后,我们再次启动光线追迹,这次同时启用光线 NSC 光线散射。这次运行可能耗费一个小时以上,因为我们分析了更多的光线。探测器查看器将显示类似如下的结果:

Result

直线照相机(上图左面板)捕捉到靠近中心像素的区域有显著辐照度,对应于880 nm的波长,这是因为像素上聚焦有限导致的。然而,这一发现应该谨慎解释,因为我们使用几何光线追迹时没有考虑到衍射。在较远的像素上只有微弱的辐射(注意此处使用对数作为刻度)。当我们把整个探测器背面显示在上面右图中,杂散光主要在线相机(黑条)远处可见。

参考资料

光谱仪: https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_spectrometer

KA-01964

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