[發明專利]一種光譜儀的設計方法以及光譜儀

有效

• 申請號: 201410545740.3
• 申請日: 2014-10-15
• 公開（公告）號: CN104296868A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 倪凱;周倩;逄錦超;張錦超;田瑞;許明飛;董昊
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/28
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 余敏

1.一種光譜儀的設計方法，其特征在于：通過設計，使用凹面光柵、三個入射狹縫和三個光探測器搭建光譜儀，且所述光譜儀的光譜檢測范圍為λ₁～λ₅；所述設計方法包括以下步驟：

1)根據所述光譜儀的固定結構參數，基于光程函數級數展開法計算得到在單一入射狹縫時的入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光柵的槽型周期，將得到的入射角度值作為第二入射狹縫的入射角θ_A2的值；

2)估算所述凹面光柵的閃耀角，確定所述凹面光柵的表面材料和槽型結構；

3)根據步驟2)中凹面光柵的參數獲取入射角度為θ_A2時所述凹面光柵的波長-衍射效率曲線，以及入射角度分布在-10°～20°范圍內多個角度下所述凹面光柵的波長-衍射效率曲線；

4)根據步驟3)得到的多個角度下的衍射效率相對于角度θ_A2時的衍射效率的變化，確定第一入射狹縫的入射角θ_A1的值、第三入射狹縫的入射角θ_A3的值以及波長λ₂和λ₃的值，并取λ₄等于λ₂；

5)根據得到的三個入射角θ_A1、θ_A2、θ_A3的值，五個波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅的值以及所述光譜儀的固定結構參數，基于光程函數級數展開法，使用光學設計軟件ZEMAX軟件進行參數優化，得到記錄結構參數以及使用結構參數；

6)根據步驟1)中的凹面光柵的槽型周期，步驟2)的凹面光柵的閃耀角、表面材料和槽型結構以及步驟5)得到的記錄結構參數確定所述凹面光柵的制作參數，得到滿足應用的凹面光柵；

7)根據步驟5)得到的使用結構參數，確定三個入射狹縫和三個光探測器相對于所述凹面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。

2.根據權利要求1所述的光譜儀的設計方法，其特征在于：所述步驟4)中，根據如下條件確定四個值：確定的四個值使得滿足條件：η₁≥1.9η₂，η₃≥1.9η₄；其中，η₁表示波長λ₁～λ₃范圍內的各波長處，角度θ_A1對應的衍射效率值相對于角度θ_A2對應的衍射效率值的相對變化絕對值；η₂表示波長2λ₁～2λ₃范圍內的各波長處，θ_A1對應的衍射效率值相對于角度θ_A2對應的衍射效率值的相對變化絕對值；η₃表示波長λ₃～λ₂范圍內的各波長處，角度θ_A3對應的衍射效率值相對于角度θ_A2對應的衍射效率值的相對變化絕對值；η₄表示波長2λ₃～2λ₂范圍內的各波長處，θ_A3對應的衍射效率值相對于角度θ_A2對應的衍射效率值的相對變化絕對值。

3.根據權利要求1所述的光譜儀的設計方法，其特征在于：所述步驟1)中，所述光譜儀的固定結構參數包括光譜檢測范圍值，所述凹面光柵的曝光波長、工作級次、邊長、基底曲率半徑、光柵常數，所述三個入射狹縫的寬度。

4.根據權利要求1所述的光譜儀的設計方法，其特征在于：所述步驟2)中，估算閃耀角時，使用PCGrate軟件得到入射角度θ_A2下，光譜檢測范圍內的短波波段范圍內多個波長分別作為閃耀波長時對應的凹面光柵的波長-衍射效率曲線，由設計者根據經驗選取使得衍射效率在長波段+1級和短波段+2級都相對較高的一個波長作為最終的閃耀波長，進而由該閃耀波長計算得到閃耀角。

5.根據權利要求1所述的光譜儀的設計方法，其特征在于：所述步驟2)中，由設計者根據經驗確定凹面光柵的表面材料和槽型結構。