[技术文章] ZEMAX设计光谱仪

本帖最后由 syc 于 2021-11-29 17:26 编辑

ZEMAX设计光谱仪
1.简介
光谱仪（Spectrometer）是一种测量光强随波长分布的仪器，用途十分广泛。本节要仿真的是一个LGL的光谱仪，LGL光谱仪的结构如下图所示，主要包括两个透镜和一个衍射光栅。

点光源通过准直透镜变为平行光，接着在衍射光栅上按照波长不同被打散，然后再汇聚透镜上又被重新汇聚到探测器（像面）上，就可以得到光强按照位置的分布，而位置与波长是相关的，最终就可以得到光强与波长的分布关系。
光栅衍射的原理如下图所示：入射光和散射光与光栅法线的夹角分别为α和β。两个缝隙之间的光程差可以计算如下：

如果让每个Δs的值刚好为一个波长，那么我们可以计算得到

这个公式说明了散射光的角度与波长的关系，它是一个仅与λ有关的函数，d和α均已知。光栅衍射效率等可以在这篇文章中看一看。Simulating diffraction efficiency of surface-relief grating using the RCWA method.

如果选用反射光栅的话，通常使α和β相等，那么就会得到​​
探测器的宽度计算：
不同波长的光线会有不同的衍射角β，那么探测器的宽度计算可以通过下面的公式算得：



2.设置
入瞳直径:10.0
波长范围 400-700nm
第2面设置为近轴面，焦距为30mm，距离光源30mm.
如下图所示：

接着，我们设置d=0.5μm,α=33.367°，在第2面后边插入一个坐标间断面；X倾斜33.367°，下一面插入一个衍射光栅，刻线 2/μm，衍射级次-1;下一面再插入一个坐标间断面，X倾斜设置为跟随主光线。
然后，在第5面后面插入一个厚度为30的标准面；在其后插入一个焦距为30的近轴面；在其后插入一个厚度为30的标准面。可以调节3D图显示颜色为波长，同时调整第6面的属性-绘图-不显示这个面，忽略这个面的光线，消除多余的光线。



3.验证
因为设置的是近轴表面，会忽略一些像差，所以在点列图上看到像点是无穷小的。


打开单点光线追迹，可以看到波长1 （400nm）的第6面的角度为14.477，可以代入上边的公式验证一下。
探测器长度，代入上边的式子可以得到L = 24.16 。我标的可能有点误差，两者差不多。


4.光谱分辨率和衍射极限
光谱分辨率

光谱分辨率可以通过ZPL编程宏计算得到一个曲线。

衍射极限，可以由艾里斑衡量：

F#是工作F数，由焦距除以系统光圈得到，所以为了调整衍射极限，在光谱范围和光栅已经确定的情况下，可以通过调整入瞳直径和汇聚透镜的焦距实现。入瞳直径越大，F#越小，艾里斑半径也越小。焦距减小可以减小艾里斑直径，并且缩小系统的体积，但是容易引入更多像差。

楼主，麻烦您将输入公式，换成图片吧，系统的公式出来成了一堆乱码

okkkkkkkkkkk

这不是ZEMAX官方文教程么?

可以发下原文吗

ZEMAX 官方链接：https://support.zemax.com/hc/zh-cn/articles/1500005578762-%E5%A6%82%E4%BD%95%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E5%85%89%E8%B0%B1%E4%BB%AA-%E7%90%86%E8%AE%BA%E4%BE%9D%E6%8D%AE

嗯嗯，这个确实都是理论，谢谢了

你好，我想请问一下，我用zemax设置一样的，为什么衍射光栅的衍射角不能设置主光线，提示是，主光线跟随无法聚焦，不知道您有没有遇到类似的问题。

你看下我写的另一个帖子 DMD的，感觉跟你说的有点像

好的，已解决