y平面的夹角，单位是。仰表示衍射级数，λ表示闪耀波长，单位是mm;在式中正负号表示入射光线与出射光线与法线之间的相对关系，如果在同一侧那么符号为正，在异侧符号为负。在本实施例中中阶梯反射衍射光栅的参数是31.61ines/mm, 63度闪耀角，所用的光栅衍射级数为70?105级，具体使用时它的光栅面与yoz平面的夹角为63度，与xoy平面的夹角为5度；
[0031]所述透射衍射光栅5用于将从中阶梯反射衍射光栅4衍射后的光再次衍射分光，透射衍射光栅5的光栅刻线方向与中阶梯反射衍射光栅4的刻线方向之间的夹角75° <θ〈90°，它的参数满足一般的光栅方程。在本实施例中采用的光栅的参数是2001ineS/mm，所用的光栅的基底材料为B270玻璃，衍射级数为I级；
[0032]所述轮胎面反射镜6主要用于将衍射后的光进行聚焦，并反射到面阵光电探测器7上，其中轮胎面反射镜在子午和弧氏方向的焦距不同，能够消除像散的影响。在本实施例中它在子午面的焦距是150mm，在弧氏面的焦距是147.27mm ；
[0033]所述面阵光电探测器7可以是CXD (电荷耦合器件)、CMOS (互补金属氧化物半导体)，也可以是PDA (光电二极管阵列)，用于对分光后的光进行探测，并将光信号转化为电信号。在本实施例中探测器为CCD型，探测的波长范围是540nm?800nm，具体的探测面元大小为8 μ mX 8 μ m，像元个数为1396X1024个；
[0034]所述信号处理单元除面阵光电探测器7其余部分的功能主要是从光电探测器7读出电信号，然后经过A/D转换电路8将模拟电信号转换为数字信号，之后通过光谱信号处理子单元9进行进一步的优化计算，除去杂散光的光谱信号，提出探测对象的光谱信息，光谱信息包括光谱的波长、强度等多个方面；
[0035]所述显示单元10可以是光电二极管阵列，也可以是液晶显示屏，主要用来显示光谱特征信息。在本实施例中是液晶显示屏，主要用来显示光谱特征信息。
[0036]上述各组成部分的连接关系为:
[0037]集光单元I位于系统的起始端，在集光单元I之后是入射孔2及准直反射镜3，其中入射孔位于集光单元的焦点上，集光单元I的出射光轴、入射孔2及准直反射镜3同轴(其中准直反射镜倾斜放置)；中阶梯反射衍射光栅4反射面与准直反射镜3的反射面相对，透射衍射光栅5位于中阶梯反射衍射光栅4之后，且位于轮胎面反射镜6之前，其中透射衍射光栅5的光栅刻线方向与中阶梯反射衍射光栅4的刻线方向之间的夹角75° <θ<90° ;轮胎面反射镜6的反射面之后是信号处理单元，信号处理单元将处理后的数据交由显示单元10显示。
[0038]所述消像散中阶梯反射衍射光栅光谱仪对目标物进行光谱分析的过程为:
[0039]第I步:集光单元I收集目标散发出的信号光，并将信号光聚焦到入射孔2的位置，经过入射孔的限制，以一定的入射角度到达准直反射镜3 ;
[0040]第2步:从入射孔通过的光信号经过准直反射镜3反射后变成平行光，改变入射光的方向，到达中阶梯反射衍射光栅4 ；
[0041]第3步:经过中阶梯反射衍射光栅4的反射衍射分光后信号光按照不同的波长分成不同的角度，到达透射衍射光栅5 ;
[0042]第4步:经中阶梯反射衍射光栅4衍射的光在经过透射衍射光栅5后再次发生衍射(衍射方向与初次的衍射方向夹角75°〈 Θ〈90° )，到达轮胎面反射镜6 ；
[0043]第5步:经过两次光栅衍射后的信号光经轮胎面反射镜6的聚焦后变成会聚光，到达处于焦点位置的面阵光电探测器7 ;
[0044]第6步:面阵光电探测器7将接收到的光信号转换成电信号，并交由A/D转换电路8进行处理；
[0045]第7步:A/D转换电路8将模拟电信号转换成数字信号，再经过后续光谱信号处理子单元的处理，得到目标的光谱特征信息，并交由显示单元10进行显示。
[0046]以上结合具体实施例对本发明的技术方案作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种消像散中阶梯光栅光谱仪，其特征在于:包括集光单元(I)、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元(10);其中光栅分光单元主要包括入射孔(2)、准直反射镜(3)、中阶梯反射衍射光栅(4)、透射衍射光栅(5)、轮胎面反射镜￠);信号处理单元主要包括面阵光电探测器(7)、A/D转换电路(8)、光谱信号处理子单元(9); 集光单元(I)位于光栅分光单元之前，在集光单元(I)之后随光路走向依次是入射孔(2)、准直反射镜(3)、中阶梯反射衍射光栅(4)、透射衍射光栅(5)、轮胎面反射镜6)及面阵光电探测器(7);入射孔(2)位于集光单元(I)的光路焦点处，集光单元(I)出射光轴、入射孔(2)与准直反射镜(3)同轴，其中准直反射镜(3)反射面面向入射孔(2)且倾斜放置；中阶梯反射衍射光栅(4)反射面与准直反射镜(3)的反射面相对，透射衍射光栅(5)位于中阶梯反射衍射光栅(4)之后，且位于轮胎面反射镜(6)之前，其中透射衍射光栅(5)的光栅刻线方向与中阶梯反射衍射光栅(4)的刻线方向之间的夹角75° <θ〈90° ;轮胎面反射镜(6)之后是面阵光电探测器(7)，轮胎面反射镜(6)的反射面与面阵光电探测器(7)的接收面相对； 集光单元(I)接收目标物体发出的光信号，该光信号经入射孔(2)后入射到准直反射镜(3)上进行准直，准直后的光反射到中阶梯反射衍射光栅(4)上；中阶梯反射衍射光栅(4)将准直后的光进行多级次衍射分光后送至透射衍射光栅(5);透射衍射光栅(5)将从中阶梯反射衍射光栅(4)衍射后的光再次进行单级次衍射分光后送至轮胎面反射镜￠);轮胎面反射镜(6)将衍射后的光进行聚焦，并反射到面阵光电探测器(7)上；面阵光电探测器(7)对聚焦后的光进行探测，并将光信号转化为电信号；A/D转换电路⑶将面阵光电探测器(7)得到的模拟电信号转化为数字电信号，并交由光谱信号处理子单元(9)进行处理；所述光谱信号处理子单元(9)对数字电路信号进行处理和优化计算，除去杂散光的光谱信号，得到目标光谱特征信息；显示单元(10)显示出光谱特征信息。
2.根据权利要求1所述的一种消像散中阶梯光栅光谱仪，其特征在于:所述的集光单元(I)可以是反射式/透射式望远镜，也可以是带有集光镜的光纤。
3.根据权利要求1所述的一种消像散中阶梯光栅光谱仪，其特征在于:所述准直反射镜(3)的光轴与准直反射镜(3)接收光方向之间的夹角为0° -25°。
4.根据权利要求1所述的一种消像散中阶梯光栅光谱仪，其特征在于:所述透射衍射光栅(5)的衍射级数可以取_2，-1，+1，+2级数中的任意一个。
5.根据权利要求1所述的一种消像散中阶梯光栅光谱仪，其特征在于:所述中阶梯反射衍射光栅(4)的衍射级数大于15。
【专利摘要】一种消像散中阶梯光栅光谱仪，包括集光单元、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元；其中光栅分光单元主要包括入射孔、准直反射镜、中阶梯反射衍射光栅、透射衍射光栅、轮胎面反射镜；信号处理单元主要包括面阵光电探测器、A/D转换电路、光谱信号处理子单元。集光单元位于光栅分光单元之前，在集光单元之后随光路走向依次是入射孔、准直反射镜、中阶梯反射衍射光栅、透射衍射光栅、轮胎面反射镜及面阵光电探测器，入射孔位于集光单元的光路焦点处，集光单元出射光轴、入射孔与准直反射镜同轴；其中准直反射镜反射面面向入射孔且倾斜放置；透射衍射光栅位于中阶梯反射衍射光栅之后，且位于轮胎面反射镜之前，之后是信号处理单元。
【IPC分类】G01J3-28
【公开号】CN104729707
【申请号】CN201510106640
【发明人】葛宪莹, 朱军, 曹启鹏, 尹欢, 董小静
【申请人】航天东方红卫星有限公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月11日