一种光栅光谱仪的光学设计方法

本发明涉及光学设计，尤其涉及一种栅光谱仪的光学设计方法，能够执行该方法的计算机设备以及计算机可读存储介质。

背景技术：

1、光谱仪能够实现对复色光束的波长-能量占比的精确分析，在金属冶炼、生化分析、环境监测以及组分鉴定等领域应用广泛。其中，光栅光谱仪具有色散线性、衍射效率高等优点，因此广泛应用在各类光谱仪中作为核心的分光原件。以光栅作为核心分光原件的光谱仪类型主要由使用平面光栅的ct和交叉ct结构光谱仪，使用凹面光栅的罗兰圆结构和ⅲ型ⅳ型光栅光谱仪结构，使用凸面光栅的offner结构成像光谱仪以及一些用于特殊领域的自由曲面光栅光谱仪；几种典型的光谱仪系统结构示意图分别如图1～图3所示。

2、针对光谱仪的设计，传统的方法是构建针对目标系统的像差模型，一般会使用矢量像差理论、光程函数像差理论等方法，在针对构建像差模型中的像差系数配合优化算法进行优化设计。由于这些像差模型在构建过程中需要进行一定的展开项忽略，因此模型与真实光线路径存在固有的展开残余误差，最终设计结果与真是结果存在差异，需要进一步的分析验证；同时，这种设计方法也对设计人员的设计经验提出了要求，设计人员累积的设计经验能够帮助设计过程更为快速高效地得到满足设计指标的设计结果。但是随着现代光谱分析提出的更高光谱分辨力的指标需求以及具有不同用途的新型光谱仪结构，传统的设计方法在解决这些全新问题时不可避免地存在设计周期长，设计难度大等问题。因此，针对光栅光谱仪的高效快速设计方法对于更高性能光谱仪的研制是十分必要的。

3、针对光栅光谱仪的设计，国内外已开展诸多研究，并提出了多种解决方案：

4、论文《analytical representation of spot diagrams and its applicationto the design of monochromators》给出了一种典型的光程函数像差理论用于设计凹面光栅光谱仪的方法，通过构建系统的像差模型并对系统参数进行优化设计实现光谱仪设计。这种方法在构建像差展开模型时有选择的忽略了其中的高阶项，因此最终设计结果与实际追迹结果存在差异，设计精度较低。

5、论文《光谱仪用平场凹面光栅的凸面母光栅的消像差设计思路》给出了一中通过设计记录结构实现凹面光栅光谱仪的方法，同样使用像差模型进行优化。

6、论文《变间距凸面光栅成像光谱仪的消像散设计》中提出了一种基于集合光线追迹分析点列图配合梯度下降法的设计方法用于计算凸面变栅距光栅的刻线分布，这追踪方法不存在展开残余误差；但是需要选择若干个采样波长并赋予对应的权重因子，并在整个设计过程中根据设计结果重复调整权重，无法实现全视场、全波段的优化。

7、论文《imaging spectrometer with single component of freeformconcavegrating》给出了一种自由曲面光栅光谱仪的设计方法，采用光线追迹手段重建光栅面型和刻线分布，但是并未对光谱仪系统参数进行寻优设计，并且缺乏对完整工作视场和波段内性能的均衡化优化设计策略。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供一种使用光线追迹手段为核心的光栅光谱仪的光学设计方法，通过从光谱仪结构出发逆向推导重建光栅特征，实现快速高效的光栅光谱仪设计。

2、本发明提供一种光栅光谱仪的光学设计方法，所述光学设计方法包括步骤：

3、s1、通过设定系统参数寻优中心以及设定系统参数寻优范围，产生初始亲本种群；

4、s2、基于所述初始亲本种群交叉变异，产生子代种群；所述交叉变异包括采样特征光线，并对每条所述采样光线赋值一个随机的波长和随机的视场；

5、s3、基于所述子代种群，进行系统重建；所述系统重建包括刻线分布重建、记录结构重建以及光栅面型重建中的至少一种；

6、s4、使用遗传算法进行优化迭代设计，基于所述系统重建，判定和挑选新一轮的亲本种群；

7、若所述亲本种群不满足设计目标，则用所述亲本种群替换所述初始亲本种群，循环执行s2～s4进行迭代，直至所述亲本种群满足设计目标，则输出设计结果；

8、若所述亲本种群满足设计目标，则结束迭代，输出设计结果。

9、一些实施方式中，所述系统参数包括工作波段、工作视场以及口径参数；所述赋值包括赋值随机的视场、赋值的波长、赋值口径以及赋值权重因子。

10、一些实施方式中，所述产生初始亲本种群包括设置种群数量、设置优化策略以及设置迭代控制。

11、一些实施方式中，所述系统重建为刻线分布重建，所述系统重建包括步骤：

12、s311、在所述光栅光谱仪的入射狭缝上，随机取样若干个特征点，赋值随机的波长和光栅面上的特征点位置；根据理想物象关系，确定采样特征点在像面上对应的像点坐标；

13、s312、针对s311中获得的采样光线在光源面、光栅面和像面的坐标点，求解所述采样光线在光栅面采样特征点上的入射方向、衍射方向以及光程；同时，求解具有相同视场、相同波长，并经过系统口径光阑中心光线的光程；按照衍射方程计算对应光栅面采样特征点的刻线函数和刻线密度分布；

14、s313、使用最小二乘法对s312中获得的所述刻线函数和所述刻线密度分布的数据进行拟合，通过所述拟合获得目标光栅的刻线分布表述；

15、所述s4中，使用遗传算法进行优化迭代设计包括：通过遗传算法，使刻线数据的拟合残余误差的峰谷值或均方根值最小；同时，在遗传算法的迭代过程中随即更改特征光线的采样，每一轮迭代过程均使用不同的光源面坐标、光栅面坐标和对应波长。

16、一些实施方式中，所述系统重建为记录结构重建，所述系统重建包括步骤：

17、s321、获得的采样光线在光源面、光栅面和像面的坐标点，求解所述采样光线在光栅面采样点上的入射方向、衍射方向以及光程；同时，求解具有相同视场、相同波长，并经过系统口径光阑中心光线的光程；按照衍射方程计算对应光栅面采样点的刻线函数和刻线密度分布；

18、s322、在已知单个记录光源点位置的前提下，计算从已知曝光臂到光栅面采样特征点的光线光程和方向信息；

19、s323、求解光栅面上每个采样特征点在未知记录臂中对应的相对光程差和光线入射方向，统计分析对应的记录臂长，并由中心处等效光栅密度联立已知记录臂的角度和记录波长，确定角度参量；

20、所述s4中，使用遗传算法进行优化迭代设计包括：通过遗传算法，使光栅面上每个采样特征点在s323中求解得的对应位置的记录光源点分布误差的峰谷值或均方根值最小；同时，在遗传算法的迭代过程中随即更改特征光线的采样，每一轮迭代过程均使用不同的光源面坐标、光栅面坐标和对应波长。

21、一些实施方式中，所述系统重建为光栅面型重建，所述系统重建包括步骤：

22、s331、按照随机采样的方法，确定一系列的狭缝上的特征点、对应的口径采样点以及波长；根据理想物象关系，确定每个狭缝采样特征点在像面上对应的像点坐标；

23、s332、求解与s331中具有相同视场、相同波长，并经过未知光栅中心点的参考光线的光程信息；求解s331中采样光线与未知光栅面的交点，使所述采样光线的光程与对应的参考光线的光程一致；

24、s333、按照衍射方程针对s331中获得的采样特征点，求解对应的法线方向，并使用最小二乘法拟合获得面型；

25、所述s4中，使用遗传算法进行优化迭代设计包括：通过遗传算法，使面型拟合残余误差的峰谷值或均方根值最小；同时，在遗传算法的迭代过程中随即更改特征光线的采样，每一轮迭代过程均使用不同的光源面坐标、光栅面坐标和对应波长。

26、一些实施方式中，任意一轮的拟合残余误差被额外拟合为如下的多项式：

27、

28、其中，fweight表示用于后续最小二乘法拟合的权重函数，aijmn表示拟合系数结果，λ为波长，field为视场，xaperture和zaperture表示口径坐标；i、j、m、n均为取值非负整数的拟合幂数，且0<i+j+m+n≤3。

29、一些实施方式中，所述多项式作为下一轮拟合过程的权重系数，参与所述最小二乘法拟合。

30、本发明还提供一种计算机设备，包括：

31、至少一个处理器；以及

32、与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

33、所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明所述的一种光栅光谱仪的光学设计方法。

34、本发明还提供一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明所述的一种光栅光谱仪的光学设计方法。

35、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

36、本发明所提供的光栅光谱仪的光学设计方法，不需要构建复杂的像差展开模型，减少设计人员的人力工作；整个设计过程不存在高阶展开忽略的问题，设计结果更为精确；可针对任意类型的光谱仪均能够展开设计，设计更为普适；采用遗传算法进行全局寻优，能够搜寻到更为合适的设计结果；而且，多种不同的设计策略可被自由选择，根据设计需求的不同选择不同的设计策略能够进一步降低设计难度并减少设计时间。