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《一种反射式光栅光谱仪光学系统的复合形法最优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、文章编号:042727104(2006)0620767207一种反射式光栅光谱仪光学系统的复合形法最优化设计韩磊,刘木清(复旦大学光源与照明工程系,上海200433)摘要:探讨了复合形优化方法在光谱仪光学系统设计中的可行性和应用方法.以反射式光栅光谱仪光学系统为例,建立了优化数学模型,以焦平面像差极大值为目标函数,光学器件的参数、物理尺寸和相对几何位置等为约束条件,编写了优化程序,得出了最大像差为0.043mm的一组最优化方案.与专业设计软件作了对比,在某些光学设计应用方面,复合形法的优化效果具有较高的实用性和优化效率.关键词:光学系统;光谱仪;像差;最优化;复合形法中图分类号
2、:TP202+.7文献标识码:A光谱仪器光学系统的最优化设计指的是选取光学系统的各个光学元器件的适当的几何参数作为最优化的搜索变量,在一系列的几何尺寸和光学设计要求的约束下,寻求系统的目标函数(设计要求的光学系统性能参量,如像差[1～3],光学分辨率[4,5],光谱带宽,象元分辨率,焦平面上的弥散斑的分布和大小等[6])的极小值,由此作为系统设计的重要依据.最优化的实际过程就是由给定的光学系统性能指标确定光学系统最佳结构方案的过程.传统的设计方法主要依靠设计师的工作经验[7].设计者运用一系列像差理论公式借助数值计算的方法评估系统各项关键指标[8].由于光学系统特有的复杂性,比
3、如主光路的非同轴性,光学器件的非线性等原因,传统设计方法不够直观,参量之间的相关性不够明确,效率较低.专业光线追迹软件的成熟为设计者提供了前期计算机模拟和验证的可能,优化工具软件的出现也有助于提高设计者的工作效率.遗憾的是,未见有成熟的国内自主研发的专业光学设计和优化软件问世.光学系统设计面临的问题之一是:虽然计算机模拟光线追迹的方法能够帮助设计者了解方案的预期效果,但是系统的初期最优化方案不易得到,仍然依赖于设计者的经验.此外,国外专业软件的优化效率难以保证,而且价格非常昂贵.下文将要探讨一种可视化光学设计和最优化工具软件的初步方案,采用了复合形法作为最优化方案的搜索方法,在
4、提供初期最优化的系统级方案方面以及优化效率方面具有明显的优势.1原理与模型光学设计的目的是正确地选择光学系统的结构以满足特定的设计要求,最主要的是像差要求.光学系统的成像像差总是存在的,问题是如何调整系统结构中的色散元件的形式,组成,尺寸大小和材料,以及物镜的形式,焦距,视场角和它们的相互间距等[7],使得像差符合设计指标.下文以一个采用平面光栅的二次反射光谱仪为例,详细介绍光学系统的最优化模型和复合形法的实现方法.图1为此光学系统的光路图.光源通过狭缝S以近似点光源的方式发出一定孔径角的光线.入射光线经过凹面反射镜O1(球面镜)反射后变成近似平行光出射.此平行光斜向入射到平面
5、反射光栅g发生收稿日期:2006209229基金项目:2002年上海市科委重大攻关资助项目作者简介:韩磊(1981—),男,硕士研究生;通讯联系人刘木清教授,硕士生导师.768复旦学报(自然科学版)第45卷色散.系统利用了光栅g的21级反射光线集.不同波长的光线以不同角度出射,同一波长的单色光仍然以近似平行光的形式射向凹面反射镜O2(球面镜).同一波长的单色光经由O2凹面镜的反射后汇聚在焦平面p上某一点附近.理论上这些同一波长的光线将汇聚成一点,但由于像差的存在它将扩散成一个弥散斑,如图3所示.入射光的波长范围是370到790nm,这是可见光光栅光谱仪的设计指标要求.在这个波长
6、范围内,笔者等间距取了10个不同波长的入射光作为代表,每一种波长又采用了10条光线总共100条光线严格按照几何光学定律计算出他们的追迹路径.实际上在焦平面上的成像是连续分布的,红光波段在最上面,紫光波段在最下面.将焦平面上的成像情况放大研究可得图2.图3所示的是波长为460nm的单色光的弥散斑的分布图.如果我们以460nm的10条光线在焦平面上交点的等效重心为参考中心,考图1光学系统光路图Fig.1Opticalpathofapanelgratingsystem察这10条光线相对参考中心的位置偏移便可得如图4所示的图表.焦平面弥散斑的分布对光电信号的良好接收有着重要的直接影响.
7、因为系统采用的一维自扫描光电二极管阵列的几何尺寸是矩形紧挨排列的,几何形状过分变形的弥散斑分布不仅会带来相应的光信号的不一致性,而且会干扰相邻的通道,根据瑞利准则,这将会降低系统的光谱线分辨率,从而影响光谱仪器的总体性能[9].所以在最优化搜索过程中弥散斑的最大尺寸是设计师最关心的指标之一.图2焦平面成像情况图Fig.2Focalplanediagram图3波长为460nm的单色光的弥散斑分布图Fig.3Dispersionspotofthe460nmmonochromaticlight将不
