以光線光學為依據，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， 根據光譜分析系統的評價指標，將整個系統以單色器入口為分界點分為兩個子系統，分別對其進行優化設計，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實例，使用波段為 190~860nm。設計結果和樣品實驗表明，該系統達到 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射光譜，達到分析樣品組分，監測樣品質量的目的，在生化，醫學，藥物臨床，化學化工，儀器衛生，環境監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，光學系統具有重要的作用。要求光源發出的具有一定光譜范圍的光經過光學系統后，能夠被分離出樣品的吸收或發射光譜。這種以分光為目的的光學系統與常規成像光學系統相比，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的優化設計方法，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的特點

　　光譜分析儀器光學系統一般包括前置光學系統與光譜分離部分兩個子系統，通常含有常規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)發出的光經過前置光學系統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。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分開，通常采用+1 級或-1 級衍射光。常規成像光學系統以成像為目的，而光譜分析光學系統以光譜分離為目的，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，常規的成像光學系統的質量評價方法如幾何像差、波像差、傳遞函數等在此將不再適用，有必要根據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 系統優化設計方法與評價軟件

　　整個光譜分析光學系統分為兩個部分，進行分段優化設計。為了保證系統評價的準確性，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。這部分工作可以由常用的光學系統設計軟件來完成。對于光學系統的一個部分，即從光源到單色器入口，為了節省儀器空間，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。計算時應根據單色器入射光柱的大小對該前置光學系統進行優化。在光瞳上取樣可以由光學系統設計軟件自動完成，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化。圖2 是對圖1 所示的光學系統在波長為 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。

　　對于光學系統的第二個部分，即單色器入口到接收面，應在前置光學系統確定后，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出的光經系統后在接收面上產生的綜合效果。