OAS光学分析软件 | 光谱仪设计的理论剖析
光谱学作为一种无创性技术，在众多领域展现出了强大的实力，它已然成为研究组织、等离子体以及各类材料的最为有力的工具之一。本文着重阐述了借助近轴元件来构建透镜一光栅一透镜（LGL）光谱仪模型的具体方法。同时，还详细介绍了在这一设计过程中，如何巧妙运用实现从明确所需指标参数到完成全面性能评估的完整设计流程。
简介
光谱仪作为测量光强与波长函数关系的仪器，在光学领域发挥着重要作用。它拥有多种通用设置，以满足不同应用场景的需求。本文聚焦于透镜一光栅一透镜（LGL）光谱仪，详细阐述了在OAS软件中如何完成对其的设置，并对关键设计参数进行了精准确定与深入讨论，为相关领域的研究与应用提供了有力参考。
如何设计光谱仪
LGL光谱仪的基本构成
多色光通过入射针孔进入光谱仪，从而产生发散光束。然后，使用准直透镜生成平行光线。后面的透射式衍射光栅是光谱仪的核心元件，它可以根据光束的波长（即颜色）改变光束的方向。最后，聚焦透镜将光束会聚在探测器上。每种波长的光线会聚在探测器上不同的位置，通过将测量到的强度作为探测器上位置的函数，可以得到光线的光谱。
在OAS中建立近轴LGL光谱仪模型
准直透镜
在新建的实体模型中添加准直透镜。假设光来自点光源。使用焦距为30 mm、孔径为5mm的理想透镜，将其置于光源后30 mm处，将产生准直光束。
衍射光栅
光谱仪中的下一个元件是透射式衍射光栅。在OAS中使用光栅之前，先仔细了解一下它，因为它是光谱仪的关键元件。
光栅本质上是带有平行排列的若干等距狭缝的光阑。为了进行简化，先来看看只有两个狭缝的光栅（俯视图）：
已经对入射光束进行了准直，所以光束中的所有光线彼此平行。如果考虑穿过两个狭缝（红色箭头）的两条光线，我们可以计算这两条光线（蓝色部分）之间路径差Δs ，它是两个狭缝之间的距离 d ，入射角 α 和衍射角 β 的函数：
我们希望这个路径差的大小相当于一个波长，以便在两条光线之间产生相长干涉：
可以通过前两个方程计算出衍射角：
该公式描述了多色光在光谱仪中是如何分解为不同波长的。可以看到，衍射角只取决于波长（ 对于给定的 α 和d ）。
将双狭缝的概念推广到具有多个狭缝的栅格中，使更多特定波长的光线聚集在衍射角的方向上，从而提高衍射效率。
需要记住，衍射光栅的特性是由两个相邻狭缝之间的距离决定的，并且将准直光束转化为其波长的函数。
在光谱仪中使用折射式光栅时，一般使其入射角等于中心波长的衍射角，即：
使用公式（1）可得：
本文示例中假设d = 0.5µm ，可得：α= 33.367°。考虑到这一点，我们在OAS中设置了衍射光栅。在光学模型中打开理想光栅，栅线密度设置为2微米，衍射级次-1勾选（+/+），设置为1。孔径为5.987mm，将其位置设置为(0,0,30)，并绕X轴自转33.367°。
接下来创建一个平面用来参考，其位置旋转参考衍射光栅绕X轴自转33.367°，取消追迹和绘制。
聚焦透镜和探测器
光谱仪的最后一组元件是聚焦透镜和探测器。光栅和聚焦透镜之间的距离为30 mm，近轴聚焦透镜的焦距ff = 30 mm ，用来满足焦距的空间和探测器平面。具体设置如下：
创建一个理想透镜2，焦距为30mm，孔径为17.3657470848879mm，位置参考上面搭建的平面沿Z轴移动30mm。
然后搭建接收面，孔径为13.8903353522129mm，位置参考理想透镜2移动(0,-1,30)。
搭建完成的3D模型如下：
光源
建模完成之后开始搭建光源，创建一个点光源用来模拟多色光通过入射针孔进入光谱仪，从而产生发散光束。光线方向选择法线方向，最大半锥角设置为9°。位置设置为(0,0,-30)。为其分别设置0.4微米、0.55微米、0.7微米的三种波长。
探测器
在接收面上设置一个辐照度探测器。
结果分析
对搭建好的光学模型进行追迹，结果如下所示：
