以光線光學為依據(jù)，在光源和光瞳上以高密度取樣，將追跡實際取樣光線得到的點列圖作為評價依據(jù)， 根據(jù)光譜分析系統(tǒng)的評價指標，將整個系統(tǒng)以單色器入口為分界點分為兩個子系統(tǒng)，分別對其進行優(yōu)化設計，研制了對結果的后處理模塊，并將其集成到光學設計軟件中去。給出了一個原子吸收分光光度計光學系統(tǒng)實例，使用波段為 190~860nm。設計結果和樣品實驗表明，該系統(tǒng)達到 0.3nm 的光譜分辨力要求。

光譜分析儀器通過檢測樣品的吸收或發(fā)射光譜，達到分析樣品組分，監(jiān)測樣品質量的目的，在生化，醫(yī)學，藥物臨床，化學化工，儀器衛(wèi)生，環(huán)境監(jiān)測等方面具有廣泛用途，是分析復雜混合物不可缺少的手段。憑物質的紅外光譜圖可以推斷出分子中存在的基團或鍵，確定分子化學結構，而紫外光譜可作為定量分析有用的工具之一，在測量微量，超微量組分中具有很高的靈敏度。光譜分析儀器中，光學系統(tǒng)具有重要的作用。要求光源發(fā)出的具有一定光譜范圍的光經過光學系統(tǒng)后，能夠被分離出樣品的吸收或發(fā)射光譜。這種以分光為目的的光學系統(tǒng)與常規(guī)成像光學系統(tǒng)相比，在評價指標與設計方法上有很大的不同。

　　基于實際光線光路計算的光譜分析儀器光學系統(tǒng)的優(yōu)化設計方法，依照光譜分析儀器質量評價指標，給出了相應的算法，研制了對光路計算結果的后處理模塊，給出了計算實例。

　　1 光譜分析儀器光學系統(tǒng)的特點

　　光譜分析儀器光學系統(tǒng)一般包括前置光學系統(tǒng)與光譜分離部分兩個子系統(tǒng)，通常含有常規(guī)反射元件與衍射光學元件，有的還包括透射光學元件。

　　光源(通常是面光源)發(fā)出的光經過前置光學系統(tǒng)在單色儀入口處會聚成高能量密度的均勻光柱，該光柱作為單色器的二次光源，發(fā)出的光經單色器中的衍射光學元件分光，再會聚到接收面上形成光譜。目前分辨力較高的單色器大多采用衍射光柵分光，其衍射公式為

　　θi為入射角，θd為衍射角， N 為衍射級，λ為光的波長，1/d 為光柵常數(shù)。不同波長的零級衍射光出射方向都相同，其他各級主極大衍射光對不同的波長將有不同的方向。為了有足夠的能量供檢測，同時又將各波長的光譜區(qū)分開，通常采用+1 級或-1 級衍射光。常規(guī)成像光學系統(tǒng)以成像為目的，而光譜分析光學系統(tǒng)以光譜分離為目的，因此具有不同的質量評價要求，其中包括單色器入射光柱光強均勻性、在較寬的入射波段內具有較高的光譜分辨力等。因此，常規(guī)的成像光學系統(tǒng)的質量評價方法如幾何像差、波像差、傳遞函數(shù)等在此將不再適用，有必要根據(jù)以上要求對從光源到接收面的光路作分析，對每一條可能的光路進行計算，從而在單色器入口處得到能量集中且光強均勻的入射光柱，在接收面上得到較高的光譜分辨力和信噪比。

　　2 系統(tǒng)優(yōu)化設計方法與評價軟件

　　整個光譜分析光學系統(tǒng)分為兩個部分，進行分段優(yōu)化設計。為了保證系統(tǒng)評價的準確性，在光源和光瞳上以高密度取樣作實際光線追跡，以此產生的一系列點列圖作為一個評價依據(jù)。這部分工作可以由常用的光學系統(tǒng)設計軟件來完成。對于光學系統(tǒng)的一個部分，即從光源到單色器入口，為了節(jié)省儀器空間，這部分光路往往須有以上的轉折，終要求光源發(fā)出的光在單色器入口處形成能量集中且光強均勻的入射光柱。也就是說，該處應形成滿足一定要求的像散光束，故此處光路中通常含有復曲面。計算時應根據(jù)單色器入射光柱的大小對該前置光學系統(tǒng)進行優(yōu)化。在光瞳上取樣可以由光學系統(tǒng)設計軟件自動完成，而在光源上取樣是對視場取樣，一般光學設計軟件對視場的設置極其有限，所以必須做多次計算與優(yōu)化。圖2 是對圖1 所示的光學系統(tǒng)在波長為 210nm、436nm 和 860nm 處分別作高密度取樣光線計算所得到的單色器入口處的迭加點列圖。

　　對于光學系統(tǒng)的第二個部分，即單色器入口到接收面，應在前置光學系統(tǒng)確定后，考慮由光源到接收面的整個光路，對單色器各面面形與位置進行優(yōu)化。這里對視場取樣時存在與一部分相同的問題，即只能計算少數(shù)視場，所以也必須做多次計算，其結果由作者自行研制的軟件作進一步處理，以得到整個面光源發(fā)出的光經系統(tǒng)后在接收面上產生的綜合效果。