Zemax模擬光柵光譜儀王忠杰、張蒙、岑剡ZEMAX是美國Radiant

1、Zemax模擬光柵光譜儀王忠杰、張濛、岑剡ZEMAX是美國RadiantZemax公司所發(fā)展出的光學設計軟件，可做光學組件設計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學模型，并結合優(yōu)化，公差等分析功能，是套可以運算sequential及Non-Sequential的軟件。本文介紹用Zemax模擬光柵光譜儀的方法，其中各元件的位置數(shù)據(jù)和參數(shù)參照實際實驗。打開Zemax，進入如下界面，該界面為序列模式界面。Zemax分為序列模式、非序列模式、序列-非序列混合模式，其中序列模式是研究光路嚴格的按照從一個參照面到下一個參照面的直線順序的情況，對于光柵光譜儀這種各元件三維非直線次第排列的情況，

2、我們選擇非序列模式來進行模擬。點擊左上角下拉按鈕文件-非序列模式，選擇刪除所有序列模式數(shù)據(jù)并進入純非序列模式，進入頁面：齣ZEMAX-EE(NSMode)-C:UsersAdministratorDesktopSJerzemaxSAMPLESLENS.ZMX文件(Fi間舊蕖闿:Edito呼E(System)(SQ(Analysis)(A)二具丄空匹I按吉住eport習代窣竺a竺竺外部括晟Exten血空奇口(WindowJfW)幫助(H|NEW0pe|SawSaw.|Upti|Upa|Gerjwa*,|L3n|LSn|Del|口訶Rd*|Gia|卜麗Pre廐I非序列器轉緝訴蚩EditE)ffi(

3、Solves)(S)錯誤(Erro(E)偵測器(DetertorsJCD)Db數(shù)捋庫(Database)幫馭HObjectTypeCoiElIIlJBIlt；RefObjectInsideOfXPositionPositionZPositionTiltAboutXTi1NullObject000.0000000.0000000-0000000-000000其中objectivetype為元件類型，后面有各項參數(shù)，如x、y、z坐標等。Nullobject即“無”的意思。要模擬的CCD光柵光譜儀結構如圖：從左到右依次是：矩形光源-透鏡-狹縫-平面反射鏡-球面反射鏡-光柵-球面反射鏡-探測器。上述光

4、柵的最終結果如圖爛非序列部館緝褊蛍(Edit)(E)求解尿詢錯誤EroE(E)偵測器QmtectaE)Db數(shù)搖庫Qmba詢幫助(H)ObjectTypmCcunmeiit;RjefObjectInsideOfXPositionYPositionZPositionTj1SourceEjecta.-000.0000000.000000-197.000000StandardLens000.0000000-00000013B-0000003Electangle00100.0000000-000000190.0000004S.sctangle00-100.0000000-000000190.000000

5、5S.sctanglea00.000000100-000000190-000000Sctangle000.000000-100.000000190.0000007StandardSur-000.0000000.00000022S.0000008StandardSur_-000.000000-98.000000245.0000009Diffraction-000.00000034.000000270.00000010St;andardSue-000.00000035.000000270-00000011StandardSur.-a00.000000-94.000000310-00000012De

6、tectorS.ect00.0000003.30000353.700000按下菜單欄下的L3n按鈕，即可調出如上圖的原件分布，其中向右為z方向，向上為y方向，垂直紙面向外為x方向。在該視圖中可以實現(xiàn)放大-縮小，旋轉來觀察系統(tǒng)等功能。按下L3n旁的LSn按鈕，可看到上了色的3D實際系統(tǒng)圖像。下面在非序列模式中構造上述光柵。點擊非序列部件編輯中的第一個面，按Insert鍵即可在其后再插入一個面。1.插入矩形光源：實驗中所用的汞燈實際上是矩形光源，右擊第一個面的Objectivetype,進入如下界面點開“類型”下拉按鈕，選擇SourseRectangle每個面后都有參數(shù)可以調整x、y、z坐標及繞x

7、、y、z軸旋轉的角度，我們在模擬實際實驗的情況下模擬光柵，其中光源面的參數(shù)如下（長度的單位為mm）：未提及的參數(shù)都為默認值0.1Sc-urceRecta.-197.0000000.000000XHalfWidthYHalfWidth其中LayoutRays為在L3n、LSn視圖中所追跡的光線數(shù)目，只表示在3d顯示時畫出的光線數(shù)目，對實際光路無影響。Power為所選光線的功率，X、Yhalfwidth為矩形光源的x、y方向半寬。點擊菜單欄下的Wav按鈕輸入兩波長為577nm和579nm，為汞燈雙黃線，后方權重可調整二者比例。調整好后，矩形光源發(fā)出的光波長即被確定。2.插入透鏡：將第二個面的面類型

8、選為StandardLens，輸入透鏡數(shù)據(jù)。Material欄輸入BK7為所采用的玻璃材料類型，RadiuslRadius2為透鏡前后兩面的曲率半徑，往往Radius2為負數(shù)。Clear1、2，edge1、2為前后兩面的半徑，一般選取這四個數(shù)據(jù)相等都為透鏡的半徑，thickness為透鏡的厚度。我們的透鏡參數(shù)如下：Positi口nPoaiti口nZPcaiti口n0.0000000.00000013S.000000IhickneasRadius2C口nic2Clear2Zdge213.000000-52.0000000.00000025.00000025.000003.入射狹縫：入射狹縫的構造

9、思路是，在某一XY平面上放置四個矩形擋光面，構造四個矩形來在中間形成一個透光狹縫，通過改變兩個矩形的半寬來改變狹縫寬度。插入四個面。面類型選擇Rectangle，material欄輸入MIRROR構成反射擋光鏡，我們的參數(shù)如下：上面3、4面的YHalfWidth為99.95mm,入射縫寬即為2*(100-99.95)=O.lmm。4.插入平面反射鏡：面類型選擇Standardface,材料欄填寫MIRROR,MaxAper為鏡子通光的最大光闌，這里就是鏡子的半徑，MinAper輸入零。其他位置和旋轉角度自行調解。其中Radius為零即可，無需調解。這里Radius=0等同于INFINITY，即

10、曲率半徑為無窮的平面鏡。YPositionZPositi口nTiltAboutXTiltAhcutY0.000000223.000000-SO.0000000.000000MaterialRadiusConicMaxAperMinApsrMIRROR0.0000000.00000012.7000000.0000005.插入球面反射鏡：面類型等操作同上，只是Radius輸入300,實驗所用的球面反射鏡焦距為150mm，曲率半徑為300mm。MaterialRadiusConicMaxAperMinAperMIBBOR-300.0000000.0000002S.0000000.0000(6.插入光

11、柵：面類型選擇diffractiongrating，材料輸入BK7，采用玻璃，ClearEdge等參數(shù)意義同透鏡，參數(shù)“Lines/玠實際上是“Lines/um，每微米的刻線數(shù)。CCD光柵的刻線數(shù)為300/mm，所以該參數(shù)輸入0.3,“difforder”為衍射級數(shù),輸入“1。ObjectTrpeMaterialRadius1C口nic11|Diffracti口n-BK?|o.oooooo|o.oooooo|由于插入的光柵是透射光柵，為了模擬反射光柵，可在其后加入一個反射鏡，同平面反射鏡。注意這個反射鏡的插入位置要遠離光柵，并保持與光柵平行，以保證光透過光柵，然后經(jīng)過反射鏡反射后，反射光不再經(jīng)

12、過光柵，否則反射光會再發(fā)生一次一級衍射，導致一級衍射光的出射方向與實際不符。然后讀取光路的坐標，實際實驗中，注意消除該操作造成的位移偏差。ObjectTipeYg口siti口nZPcsiti口nTiltAbcutX1StandardSue-35.000000270.00000095.000000MaterialRadiusC口nicMaxAperMIEiaOR0.0000000.00000013.000000插入后一個球面反射鏡同上，不做贅述。插入探測器（相當于實驗中的CCD）Tilt盤B口X面類型選為“DectRect”，矩形探測器除了位置和轉動外，還有X、Y方向半寬調解，以及“Xpixel

13、s”“Ypixels”，XY方向的像素，像素越高，成像越清晰，材料欄空著。ObjectTypmXPositionYg口sitiDELZPosition1DetectorRect0.00000063.360000370.000000ObjectTypmXHalfWidthYHalfWidthJPixelsio.ooooool20.OOOOOOliooo|#YPixels2000探測成像結果點擊分析-偵測器-RayTrace/Dectorcontrol清除偵測結果，然后跟蹤，完畢后退出。點擊分析-偵測器-偵測器成像視窗，得到分光結果。；蛻1:DetectorViewer更新UpcJ自詞(U)設置Settings)打印Print)(P)奇口(Window)(W)文本(T已xt)(T)箱啟Zoom)(Z)Z035L33L5i3L623.00LH2H.5I3L22LL3L7.GQQLM.00占陽占