[发明专利]一种光谱仪的设计方法以及光谱仪

权利要求书

1.一种光谱仪的设计方法，其特征在于：通过设计，使用凹面光栅、三个入射狭缝和三个光探测器搭建光谱仪，且所述光谱仪的光谱检测范围为λ₁～λ₅；所述设计方法包括以下步骤：

1)根据所述光谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法计算得到在单一入射狭缝时的入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光栅的槽型周期，将得到的入射角度值作为第二入射狭缝的入射角θ_A2的值；

2)估算所述凹面光栅的闪耀角，确定所述凹面光栅的表面材料和槽型结构；

3)根据步骤2)中凹面光栅的参数获取入射角度为θ_A2时所述凹面光栅的波长-衍射效率曲线，以及入射角度分布在-10°～20°范围内多个角度下所述凹面光栅的波长-衍射效率曲线；

4)根据步骤3)得到的多个角度下的衍射效率相对于角度θ_A2时的衍射效率的变化，确定第一入射狭缝的入射角θ_A1的值、第三入射狭缝的入射角θ_A3的值以及波长λ₂和λ₃的值，并取λ₄等于λ₂；

5)根据得到的三个入射角θ_A1、θ_A2、θ_A3的值，五个波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅的值以及所述光谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法，使用光学设计软件ZEMAX软件进行参数优化，得到记录结构参数以及使用结构参数；

6)根据步骤1)中的凹面光栅的槽型周期，步骤2)的凹面光栅的闪耀角、表面材料和槽型结构以及步骤5)得到的记录结构参数确定所述凹面光栅的制作参数，得到满足应用的凹面光栅；

7)根据步骤5)得到的使用结构参数，确定三个入射狭缝和三个光探测器相对于所述凹面光栅的位置，从而搭建得到光谱仪。

2.根据权利要求1所述的光谱仪的设计方法，其特征在于：所述步骤4)中，根据如下条件确定四个值：确定的四个值使得满足条件：η₁≥1.9η₂，η₃≥1.9η₄；其中，η₁表示波长λ₁～λ₃范围内的各波长处，角度θ_A1对应的衍射效率值相对于角度θ_A2对应的衍射效率值的相对变化绝对值；η₂表示波长2λ₁～2λ₃范围内的各波长处，θ_A1对应的衍射效率值相对于角度θ_A2对应的衍射效率值的相对变化绝对值；η₃表示波长λ₃～λ₂范围内的各波长处，角度θ_A3对应的衍射效率值相对于角度θ_A2对应的衍射效率值的相对变化绝对值；η₄表示波长2λ₃～2λ₂范围内的各波长处，θ_A3对应的衍射效率值相对于角度θ_A2对应的衍射效率值的相对变化绝对值。

3.根据权利要求1所述的光谱仪的设计方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述光谱仪的固定结构参数包括光谱检测范围值，所述凹面光栅的曝光波长、工作级次、边长、基底曲率半径、光栅常数，所述三个入射狭缝的宽度。

4.根据权利要求1所述的光谱仪的设计方法，其特征在于：所述步骤2)中，估算闪耀角时，使用PCGrate软件得到入射角度θ_A2下，光谱检测范围内的短波波段范围内多个波长分别作为闪耀波长时对应的凹面光栅的波长-衍射效率曲线，由设计者根据经验选取使得衍射效率在长波段+1级和短波段+2级都相对较高的一个波长作为最终的闪耀波长，进而由该闪耀波长计算得到闪耀角。

5.根据权利要求1所述的光谱仪的设计方法，其特征在于：所述步骤2)中，由设计者根据经验确定凹面光栅的表面材料和槽型结构。