光譜學(xué)是一種無創(chuàng)性技術(shù)，是研究組織、等離子體和材料的最強大工具之一。 本文介紹了如何使用市售的
光學(xué)元件來實現(xiàn)透鏡-光柵-透鏡（LGL）
光譜儀。進(jìn)行光譜儀的設(shè)置，并對其設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)和
優(yōu)化。（聯(lián)系我們獲取文章附件）
(CH6Q]Wi_! 簡介
BB9eQ:
xO 本文介紹如何使用市售的光學(xué)元件實現(xiàn)透鏡-光柵-透鏡（LGL）光譜儀，以及如何在像差和性能方面對其進(jìn)行優(yōu)化。本文基于文章 “如何構(gòu)建光譜儀——理論依據(jù)” 中所介紹的LGL光譜儀的基礎(chǔ)知識。
%Ie,J5g5 LGL光譜儀的基本設(shè)計
RJd*(!y 在設(shè)計和實現(xiàn)光譜儀時，必須了解一些先決條件，并且確定出初步使用的有關(guān)光學(xué)元件和平臺（文末提供了制造商網(wǎng)站的鏈接）。在本例中，我們研究了用于光學(xué)相干斷層掃描（OCT）的光譜儀：
R.l !KIq 光譜儀的帶寬為：855 nm到905 nm之間，以匹配對人眼檢查有利的OCT光源的光譜。
AZ^>osr 我們使用的衍射光柵是由Wasatch Photonics公司生產(chǎn)的1800 l/mm的WP-HD1800/840-25.4相位體全息光柵。該光柵用于OCT應(yīng)用設(shè)備，并在所需的波長范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化，使其獲得最佳的性能。光柵的直徑為 1英寸，此光柵也定義了系統(tǒng)的孔徑。
3 dj w 因此，我們將使用Thorlabs生產(chǎn)的30mm籠型元件和1英寸
鏡頭來實現(xiàn)光譜儀。
K^[m-- 我們使用的
傳感器是Teledyne生產(chǎn)的 e2V AVIIVA EV71YEM4CL2010-BA9線相機，該相機有2048個10µm寬，20µm高的像素。
8.^`~ta 設(shè)置光譜儀的聚焦
透鏡的焦距為125mm，將幾乎完全照亮傳感器，中心波長的艾里斑半徑為9.2µm，大約等于探測器的像素寬度（查看文章”如何構(gòu)建光譜儀——理論依據(jù)”，學(xué)習(xí)如何計算這些參數(shù))。
R/fE@d2~In 在OpticStudio中設(shè)計LGL光譜儀
T][c^K* 系統(tǒng)設(shè)置
E BoC,{R# 在本例中，假設(shè)進(jìn)入光譜儀的光來自單模
光纖。因此，可以將入射針孔作為點
光源進(jìn)行建模。因此，在系統(tǒng)選項(System Explorer)中，孔徑類型(Aperture Type)設(shè)置為物方空間NA(Object Space NA)，孔徑值(Aperture Value)設(shè)置為0.12。此設(shè)置對應(yīng)于光纖的接收角。此外，將高斯切趾因子設(shè)置為1.0，來達(dá)到光束的強度分布。將波長設(shè)置為0.855µm， 0.880µm （主波長）和0.905µm，以覆蓋光譜儀所需的帶寬。
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-|s% 5p| 準(zhǔn)直透鏡
U(x$&um(l OpticStudio提供了包含大量商用鏡頭的鏡頭庫，可以通過鏡頭庫(Lens Catalog)找到所需鏡頭并將其插入鏡頭文件：
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*SI,K)BP 此處選擇的鏡頭是直徑為 1’’的Thorlabs消色差膠合透鏡，有效焦距為60mm，膜層適合于所選的波長范圍。選擇焦距為60mm ，使準(zhǔn)直光束的直徑可以完全照亮衍射光柵。大孔徑有利于在探測器上得到較小的衍射極限光斑尺寸。
9!_LsQ\) 將鏡頭插入到表面 1上，將在鏡頭文件中添加新的三行。制造商優(yōu)化了鏡頭的無限共軛比，即無限遠(yuǎn)物體
成像到焦平面上。但我們想要做相反的事情，即：使點光源（光纖）準(zhǔn)直。因此，需要倒轉(zhuǎn)鏡頭。通過在OpticStudio中標(biāo)記要反轉(zhuǎn)的行并按下翻轉(zhuǎn)元件(Reverse Element)按鈕來實現(xiàn)的：
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K4E2W9h 由于鏡頭的焦距是60mm，因此我們將表面0的厚度設(shè)置為60mm，以滿足從光纖到準(zhǔn)直透鏡的距離。此外，還增加了準(zhǔn)直透鏡和衍射光柵之間的空間距離，由于光束是準(zhǔn)直的，則此空間距離值為30mm并不重要。將表面1設(shè)為光闌：
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i$}G[v<4 現(xiàn)在打開以上設(shè)置得到的三維布局圖，你會注意到光線在鏡頭后沒有準(zhǔn)直。其原因是透鏡還未處于相對于光纖的準(zhǔn)確位置。OpticStudio的快速調(diào)整 ( Quick Adjust ) 功能 （通過點擊：優(yōu)化 ( Optimize ) > 快速調(diào)整 ( Quick Adjust ) 打開）是執(zhí)行簡單優(yōu)化任務(wù)的非常方便的工具。選擇如下參數(shù)，并調(diào)整兩次：
Oml3=TV 將表面0的厚度更改為55.718 mm（對應(yīng)廠家指定的后焦距），檢查三維布局圖確認(rèn)鏡頭準(zhǔn)直后的光束：
nGK =Nf.5 
9-&@ Y 衍射光柵
LkK[,Qj 接下來，將衍射光柵插入系統(tǒng)。參考光柵規(guī)格，在鏡頭文件中輸入以下行：
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r 4gLoHD) 有關(guān)衍射光柵的詳細(xì)信息以及如何在OpticStudio中實現(xiàn)，請參閱文章”如何構(gòu)建光譜儀——理論依據(jù)”。
r3OtQ 聚焦單元
w 8cnSO 正如前一段所提到的，聚焦單元是光譜儀中最精密的元件。我們用簡單的方法開始設(shè)計，選擇有效焦距為100mm的Thorlabs AC254-100-B透鏡。這樣做能夠檢查
光學(xué)設(shè)計是否正確以及有什么像差。因此，將光柵與聚焦透鏡之間的空間距離（60mm）、透鏡和聚焦透鏡與探測器之間的空間距離（97.1 mm，對應(yīng)鏡頭的后焦距）添加到鏡頭文件中：
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J8@+)hn 在三維布局圖中，可以看到光束已經(jīng)很好地聚焦在探測器上：
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;0$qT$, 然而，查看矩陣點列圖 ( Matrix Spot Diagram ) 發(fā)現(xiàn)：在中心波長(880 nm)處的光斑大小接近衍射極限（以黑色圓圈表示艾里斑），但在其他波長處還沒有接近衍射極限。
1|G 5 W: 
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L7+ 此處的像差與場曲有關(guān)，即邊緣波長的光斑比中心波長的焦距短。有一些標(biāo)準(zhǔn)的策略可用來減少場曲。我們?yōu)楣庾V儀的聚焦單元確定了以下幾個設(shè)計原則：
jJ@@W~/)B 使用現(xiàn)成的鏡片，因為它們比定制的鏡片更便宜，出貨速度更快。
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