单色器杂散光模拟分析与验证.pdf

砸光谱仪器与分析第l 期～第3 期单色器杂散光模拟分析与验证牟永鹏黄梅珍·．金玉希( 上海交通大学物理系光学工程研究所，上海2 0 0 2 4 0 )摘要杂散光是衡量光谱仪器性能的重要指标．本文以荧光检测器中的单色器设计为例，分析了单色器杂散光的主要来源，通过建模及A S A P 软件对单色器中杂散光的形成和分布进行了模拟，并通过实验验证了模型的正确性在此基础上，本文初步讨论了单色器外罩内壁各表面对杂散光的影响及贡献，增加不同的光陷阱结构，并模拟了其对改善系统杂散光性能的效果1 ．引言在光谱仪器中杂散光的危害非常严重，因为它不仅会造成一定的背景，较强的杂散光还会对单色光学仪器的单色性造成较大的影响，大大降低仪器的测量精度，是仪器性能提升的技术瓶颈Ⅲ单色器中的杂散光定义为I l l ：当用复合辐射源照射单色器的入射狭缝时，辐射经棱镜、光栅等色散元件分光，通过出射狭缝射出某一标称波长除规定的标称波长的辐射之外，还存在着其它波长的辐射，即为单色器的杂散光杂散光是影响光谱辐射测量精确度的一个重要因素，单色器产生杂散光的原因是复杂的，主要有下列几方面的因素幢叫：镜头，反射镜、棱镜或光栅等光学元件表面灰尘及缺陷引起的散射光；光谱仪器内壁、镜架、光阑等的反射；衍射光栅次级光谱的叠加，罗兰鬼线，赖曼鬼线等；遮光不严引起的环境漏光等。

本文主要针对单色仪的结构、内壁、镜架、光阑对系统杂散光的影响进行分析2 ．单色器的A & 心模型研究杂散光的来源是解决杂散光问题最有针对性的手段从上世纪7 0 年代开始，计算机软件被应用于光线追迹，通过计算机仿真模拟对实际的光学系统建模，进行几何光学的分析已经成为杂散光来源分析的最根本方法．考虑一个荧光检测器中激发单色器的设计本文利用A s A P 进行单色器的光学建模和杂散光分析A S A P 是一套基于蒙特一卡洛方{ 去光线追迹的光学分析软件，它是在杂散光研究领域的著名学者B r e a u l t 的领导下开发的，一般认为其具有最好的光线追迹效率‘2 ’4 1 ．首先，在A S A P 软件中建立本文所分析系统的模型，如图l ( a ) 所示光源经过会聚透镜聚焦到入射狭缝位置，经过一个平面反光镜反射后再通过凹面光栅分光调整凹面光栅的转动角度就可以在出第1 期～第3 期光谱仪器与分析0射狭缝位置获得不同波长的单色光由于A S A P 没有复色光模型，模拟复色光可以通过在扩展光源处重叠放置多个渡长的单色光来实现“’图l ( a ) 所示为波长为4 0 0 n m 的单色光源^ 射系统后光线追迹的结果，为了能清楚显示各个部件及主要光线的路径，图1 ( a ) 所示的模拟中单色器内壁的表面镀层设定为完全吸收。

扩a ) 单色器的A S A P 模型( 假设内壁金吸收．1 壤衍I 惜( b ) 单色器中的光线迫迹图1 单色器系统的A S A P 模型模型各部分主要参数设定如表1 所示模型元素属性设定光源透镜平面反射镜扩展光源，模拟氤灯复色光使用单色光的叠加理想凸透镜反射率9 0 ％光谱仪器与分析第1 期～第3 期凹面光栅内壁与支架表面辐射强度光线条数1 2 0 0 线／m m ，3 2 r a mX3 2 m m ，．曲率半径9 4 m m ，考虑3 级衍射朗伯散射模型单色光源统一使用F l u xT o t a l = 1 0 0 0 ( 无单位，归一化)复色光源按照实际使用氙灯的光谱功率分布按比例设定根据所选波长数目，选择1 0 万5 0 0 万条表l ：模型各部分主要设定本文针对仪器的结构、内壁，镜架等的表面性质对杂散光的影响进行分析，但是单色器内壁B R D F( 双向反射率分布函数) 的测量非常困难怕’，因此本文简化的将单色器内壁以及内部支架表面均使用朗伯散射模型．其余参数，如器件结构、凹面光栅模型，则基本与实际情况相同在图l ( a ) 模型的基础上光线追迹得图l ( b ) ，由图中光线分布情况分析可知，系统杂散光主要来源于：1 ．光栅多级谱在单色器内壁多次反射形成的杂散光。

图中可以看出，这些杂散光主要集中在单色器的右侧面和左侧面2 ．光栅多级谱在某些位置照射在平面反射镜会产生特定位置的杂散光由图l ( b ) 寻找杂散光的来源，则应先确定系统的关键表面”关键表面”，在杂散光分析中定义为从像面出发来查找在像面或中间像面处看到的表面拉1 本文所述单色器的关键表面是由出射狭缝和出射光阑所限定的视场角内所有的平面，包括光栅的衍射面以及当光栅转动后暴露在视场角中的右侧壁的一部分，此部分的模拟将会在本文第4 节中阐述3 ．试验测量与验证在建立了上述模型后，本文设计了相应的实验对上述模型进行检验实验采用双单色器结构测量杂散光，装置如图2 所示，在待测单色器的出射狭缝位置放置一个平面反射镜同时将此位置作为检测单色器的入射狭缝位置，通过检测单色器来获得待测单色器出射光的光谱分布实验光源采用1 5 0 W 连续氙灯( 滨松L 2 2 7 4 ) ，探测器采用滨松R 9 2 8 型号的光电倍增管 设氙灯出射光谱为三，经过待测单色器后的光谱为丁，定义待测单色器的光谱传递函数7 ’ T r t ( 2 ，R ，P ) = ÷，其中A 为波长，R 为单色器内壁、镜架、光阑等的散射系数，e 为其他杂散光因素L 的函数。

因为R 与e 没有相关性，T r t ( A , ，R ，e ) 可以写为T r t ( 2 ，R ，P ) = m ( 五，R ，c ) ·T r e ( 2 ，日) 设检测单色器光谱响应函数为T r s ( 2 ，R ’，e 9 ，光电倍增管的光谱响应函数为S ( 力) 那么，最终由光电倍增管测得的数据为：．．D ( 五) = 三( 五) ·乃吁( 元，R ，e ) ·T r s ( 2 ，R ’，e ’) ·S ( g )( 1 ) 若不加待测单色器的外壳m ( 五，尺) = l ，测得的输出光谱D o ( 元) = 上( A ) ·T r e ( 2 ，P ) ·乃百( 力，R ’，P ’) ·S ( 元)第l 期～第3 勰光谱仪器与分析1 0 3图2 ：实验装置示意图然后加上待测单色器外壳，“( 旯) = L ( 旯) ·“ l ' r t ( 2 ，R ，e ) ·T r s ( 2 ，R ’，e ’) ·s ( g ) 螋：墨! 墨! ：翌二! 墨：墨! ：翌! ! 墨：生：墅! ! 墨：墨：! ! ：2 ：兰! 垒2 D o ( 五) L ( 2 ) ·T r e ( 2 ，，e ) ·T r s ( 2 ，R ’，e ’) ·s ( A )= T r r ( 2 ，尺)( 2 )m ( 五，R ) 为评价单色器的结构、内壁、镜架、光阑对系统杂散光的影响的函数，m ( 名，R ) 数据值越高，说明单色器的结构、内壁、光阑产生的杂散光越多，其仅与这些单元表面特性和扫描波长有关。

将待测单色器的输出波长设定为4 0 0 h m ，在有单色器外罩和无单色器外罩的情况下分别测得其输出光光谱分布如图3 所示，其中虚线为未加外罩时的光谱，实线为加有外罩时的光谱j一育●色嚣井一一一·无簟色嚣，卜I!<．力J．t 多’图3 ：系统在有无外罩时的实测光谱如图所示，中间信号溢出部分为4 0 0 n m 的标称波长光，未加外罩时光谱带宽约为2 0 h m ，与系统设计 吻合，加上外罩后光谱被拉宽，杂散光增大由公式( 2 ) 、( 3 ) 可得在标称波长为4 0 0 n m 的T r r ( A ，尺) ，如图4 实线部分所示，光谱仪器与分析第1 期～第3 期图4 ：实验与模拟的m ( R ，五) 曲线可见，T r r ( R ，五) 在3 2 7 n m ，3 7 3 n m 及4 2 5 n m 处有较明显的峰，并且从4 8 0 n m 开始缓匣上升，最大位置在4 2 5 n m 处，研( R ，A ) 为1 ．1 5 ．根据获得的T r r ( R ，Z ) 瞳线，在曲线变化明显的位置取多个波长值，分别代人上节所述模型模拟结果如图4 中的虚线所示，在3 0 0 n m 5 0 0 n t o 波长区间内与实验较好的吻合。

在5 0 0 n t o 之后，模拟与实验数据差别较大，模型的准确度有所下降综上可知，模型在4 0 0 n t o入射光的情况下，在3 0 0 n t o 5 0 0 n t o 的范围内能保证与实验数据较好的匹配，通过模型了解此波长区间系统的性能是可信的为了更进一步了解内部各表面对杂散光的影响，对内部5 个表面( 下表面不易测量) 分别进行测定由于单色器外壳为一个整体，无法取出单独的面，因此改用间接测量每次改变一个面的反射率即将被测面贴上黑纸，用改变之后的光谱强度分布除以改变之前的，间接获得每个面对杂散光的影响实验数据如图5 所示，改用对数坐标放大细节部分上方黑色实线为右侧壁的响应函数，依次向下为左侧壁、后壁、前壁、上壁由图可知，系统主要的杂散光来自右侧壁，其次是左侧壁，其余几个面基本对系统的杂散光没有影响这与第一节中模拟分析的结论吻合，同时也给系统杂散光改进的设计提供了依据皱长( m )图5 ：实验与模拟的m ( R ，五) 曲线4 ．减小系统杂散光的措施综合前几节所述，本文所建立的模型在较宽的波段范围内能够较好的近似所研究单色器的光学性第l 期～第3 期光谱仪器与分析能，因此．本文所建立的模型可以用于单色器的杂散光的分析和优化设计图5 ：宴验与模拟的7 h ( 月，^ ) 曲线由第3 节分析可知，系统主要的杂散光来源是复色光经过光栅产生的多缎光在单色器右侧壁上的反射。

因此，杂散光的改进应该主要针对单色器的右侧面在右侧壁上添加如图6 所示的光陷阱结构，与图l ( b ) 对比．右佣的杂散光被光陷阱捕获，原本右侧壁密集的光线变得疏松，杂散光在光陷阱中多次发射消耗能量在设定标称波长为4 0 0 n m 时杂散光主要集中在光栅背面以及右侧壁与前壁夹角位置r 二二五磊■—]，㈣㈣f—t ㈣t ％㈨m 一^ ≈# ：¨m o ’一d 、 舻弋拶Ao 仁羝毽：! j 吣，r ———一 l ／⋯Ⅲ)图7 ：模拟不同光陷阱结构的7 h ( 月，^ ) 曲线通过实验模拟，可队方便的更改设计井察看效果调整光陷阱的深度和角度分别在模型中模拟其效果，结果如图7 所示图中紫色曲线为投有使用光陷阱时系统的T r r 函数：红色为光陷阱深度为6 r a m ，与初始位置( 如图5 所示角度记为初始位置0 度) 夹角2 0 度时系统的T r r 函数可见，加入光陷阱结构后，光谱中4 0 0 n m 之前的杂散光略微碱小．4 0 0 r i m 一4 5 0 n m 之间的杂散光则大大抑制增加光陷阱的槔度．得到图7 中蓝色曲线，发现杂散光进一步减小而若将光陷阱如图6 所示放置( 初始位置，无夹角) 则对4 6 0 h m 之前的杂散光没有影响，在4 7 0 n m 附近杂散光会有增强。

计算三种改进方{ 击的效果．当光陷阱深度为4 r a m ，夹角2 0 度时杂散光碱小2 76 2 ％；光陷阱深度为6 r a m ，夹角0 度时杂散光减小2 79 9 ％：光陷阱深度为6 r a m ，夹角2 0 度时杂散光藏小2 81 2 ％，如上述方{ 盍，可队模拟其他的结构对单色器杂散光的影响与改进效果，井进一步通过光线追遗的方法寻1 0 6光谱仪器与分析第l 期～第3 期找主要的杂散光来源，对重点区域进行特殊的结构设计进一步改进系统的杂散光性能5 ．结论综上所述，经过试验验证，本文建立的A S A P 模型当标称波长设定为4 0 0 n m 时在3 0 0 n m 5 0 0 n m的范围内能保证与实验数据较好的匹配，模型可以用于模拟单色器系统内的杂散光的来源和分布，能够给系统的杂散光消除提供可靠的模拟结果同时，本文也初步讨论了单色器外罩内壁各表面。