CN104296868B - 一种光谱仪的设计方法以及光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱仪的设计方法以及光谱仪，使用凹面光栅、三个入射狭缝和三个光探测器搭建光谱仪，包括以下步骤：1)确定第二入射狭缝的入射角以及凹面光栅的槽型周期；2)估算凹面光栅的闪耀角，确定凹面光栅的表面材料和槽型结构；3)获取入射角度为θ_A2时和多个角度下凹面光栅的波长-衍射效率曲线；4)确定入射角θ_Al和θ_A3的值以及波长λ₂和λ₃的值，并取λ₄等于λ₂；5)得到记录结构参数以及使用结构参数；6)确定凹面光栅的制作参数；7)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。本发明的设计方法得到的光谱仪，在大部分光谱区域内具有较高的衍射效率，有效解决宽光谱区域内衍射效率较低的问题。

Description

一种光谱仪的设计方法以及光谱仪

【技术领域】

本发明涉及光谱仪的设计方法，特别是涉及一种使用凹面光栅的光谱仪的设计方法以及光谱仪。

【背景技术】

近年来，由于环境检测、生物医学、科技农业、军事分析以及工业流程监控等一些需要现场实时测试的应用领域的现代化发展，实验室中的大型光谱仪器已难以满足上述实际使用要求。开发便携式小型光谱仪器产品具有重要的实际意义以及广阔的市场前景。现有小型光谱仪中，有使用凹面光栅进行搭建的光谱仪，通常包括凹面光栅、一个入射狭缝和多个探测器。通过对凹面光栅的制作参数、入射狭缝的入射角度以及各器件之间的相对位置进行设计调整，从而搭建光谱仪，实现在某一波段范围内的光波检测。然而，现有的设计方法下搭建的光谱仪，虽然能实现宽光谱区域的光波检测，但在部分光谱区域内对应的衍射效率却较低，无法满足高要求的应用。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种光谱仪的设计方法及光谱仪，在大部分光谱区域内具有较高的衍射效率，有效改善宽光谱区域内衍射效率较低的问题。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种光谱仪的设计方法，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。

一种光谱仪，包括凹面光栅、三个入射狭缝和三个光探测器，所述凹面光栅的制作参数以及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根据如上所述的设计方法确定得到。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的光谱仪的设计方法，先确定单一入射角度值，然后通过各入射角度相对于单一入射角度下的波长-衍射效率曲线的比较变化确定另外两个入射角度以及光谱检测区域(λ₁～λ₅)内的波段截止点λ₂和λ₃，进而根据确定的三个入射角度和五个波长值进行光学设计，得到记录结构参数和使用结构参数，进而确定凹面光栅的结构以及凹面光栅与三个入射狭缝、三个光探测器之间的相对位置，搭建得到光谱仪。该搭建的光谱仪能实现预期目标，检测λ₁～λ₅范围内的光波。检测时，光谱仪可充分利用短波段的+2级衍射光谱和长波段的+1级衍射光谱，相对于现有的光谱仪仅利用光谱检测范围内的+1级衍射光，本发明设计的光谱仪可充分利用衍射信息，从而衍射效率较高，表现在大部分波段范围内的衍射效率均有所提高，且衍射效率高达45％的波段区域占整个光波检测范围的比例也有所提高(达93.4％以上)。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式的光谱仪的光路结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的光谱仪设计方法的流程图；

图3是本发明具体实施方式中设计时步骤P3)中在入射角度θ_A2＝﹣6°时得到的波长-衍射效率曲线图；

图4是本发明具体实施方式中光探测器端探测的光谱分布情况示意图；

图5是发明具体实施方式中新结构的光谱仪与普通光谱仪在各波长处的衍射效率对比示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本具体实施方式要设计的光谱仪的光路结构示意图。光谱仪包括三个入射狭缝、凹面光栅和三个光探测器。光探测器优选的可以采用光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器或者CCD(Charge-coupledDevice，电荷耦合器件)阵列探测器，但并非限制于这几种。图1中，A₁、A₂、A₃为入射狭缝，B₁₁B₁₂、B₂₁B₂₂、B₃₁B₃₂为光探测器。以凹面光栅G的中心O点为坐标原点建立坐标系，依光的传播方向，在光路上依次设置入射狭缝、凹面光栅G和光探测器。凹面光栅G的参数以及入射狭缝、光探测器的位置通过如下设计方法设计得到，从而搭建出能够检测波长范围在λ₁～λ₅的光波的凹面光栅光谱仪。

设计方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：

P1)确定第二入射狭缝的入射角以及凹面光栅的槽型周期。具体地，根据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。

当需要搭建光谱仪时，其固定结构参数，例如光谱检测范围值，选用的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，选用的三个入射狭缝的宽度等固有属性参数是已知的。根据固定结构参数，使用光程函数级数展开法即可计算得到光栅在单一入射狭缝时的入射角度，并可同时得到所述入射角度值下所述凹面光栅的槽型周期。将该计算的入射角度作为θ_A2的值。本具体实施例中，光谱仪的固定结构参数如下表1所示：

表1

光谱检测范围	190nm～800nm
		凹面光栅的曝光波长	441.6nm
凹面光栅的工作级次	+1
		入射狭缝宽度	5μm

凹面光栅边长	30mm
		凹面光栅基底曲率半径	83.684mm
光栅常数d/mm	1/650～1/350

从上述参数也可知，λ₁＝190nm，λ₅＝800nm。根据表1中的固定结构参数，计算得到入射角为﹣6°，槽型周期为每毫米350个，则θ_A2＝﹣6°。

P2)估算凹面光栅的闪耀角，确定凹面光栅的表面材料和槽型结构。

估算闪耀角时，可先使用PCGrate软件得到入射角度θ_A2下，整个光谱检测范围内的短波波段范围(例如，190～800nm的光谱检测范围，其范围内的短波波段可取190nm～400nm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级的和短波段+2级都相对较高的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。例如，在入射角度θ_A2下，200nm、250、300nm、350nm、400nm分别作为闪耀波长得到五个波长-衍射效率曲线，如发现在250nm下，曲线中短波段(190nm～400nm)的+2级衍射效率和长波段(300nm～800nm)的+1级衍射效率都相对于其它四个波长下相应的衍射效率要高，则将250nm确定作为最终的短波段+2级的闪耀波长。本具体实施方式中，估计的短波段+2级闪耀波长为240nm，进而估算得到的闪耀角为γ＝4.68°。

凹面光栅的表面材料和槽型结构可由设计者自由选取，本具体实施方式中选用PCGrate中自定义的一种Al类材料作为表面材料，槽型为锯齿形。其它材料，其它槽型，例如梯形结构均可选择适用，并不限于上述示例情形。

P3)根据步骤P2)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。

具体地，可使用光栅设计软件PCGrate软件得到波长-衍射效率曲线图。将步骤2)确定的所述凹面光栅的表面材料和槽型结构输入光栅设计软件PCGrate软件中，分别得到入射角度为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。

如图3所示，为本具体实施方式中，在入射角度θ_A2＝﹣6°时得到的波长-衍射效率曲线图。PCGrate软件仿真的某一入射角度下的波长-衍射效率曲线包括两条曲线，分别为各波长的+1级衍射效率和+2级衍射效率，两条衍射效率曲线均为开口向下的抛物线形状。从两条曲线也可知，+2级衍射中衍射效率较高的区域集中在相对短波段范围，+1级衍射中衍射效率较高的区域集中在相对长波段范围。选取入射角度在-10°～20°范围下的多个角度，选取的角度越多，设计精度越高，但相应地工作量也较大。相应得到各个角度下对应的波长-衍射效率曲线图，曲线的形状与图3类似，只是在水平方向，竖直方向会有移动，在此不一一列举。

P4)根据步骤P3)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。

如图4所示，为本具体实施方式中光探测器端探测的光谱分布情况示意图。本设计方法为使用多个入射狭缝，充分利用两个级次的衍射光谱，既能接收短波段的+2级衍射光谱，又能接收长波段的+1级衍射光谱，则在波段范围内设置三个点λ₂、λ₃和λ₄，经设计，使得既能接收到波长范围在λ₁～λ₂的+2级衍射光，又能接收到波长范围在2λ₁～2λ₂的+1级衍射光。通过设计，可检测λ₁～λ₂的光波，λ₄～2λ₁，2λ₁～λ₅范围内的光波，而将λ₄设置为等于λ₂即可确保检测范围覆盖整个λ₁～λ₅的范围。

确定另外两个入射狭缝的入射角以及波长λ₂和λ₃的值时，可按照变化显著的原则进行选取确定。具体地，如某一角度θ_x下，存在一个波段，设为λ₁～λ_x，其对应的衍射效率相对于入射角度θ_A2时该波段的衍射效率的变化较显著，则确定θ_A1＝θ_x，λ₃＝λ_x，然后继续比较，如某一角度θ_y下，存在一个波段，设为λ₃～λ_y，其对应的衍射效率相对于入射角度θ_A2时该波段的衍射效率的变化较显著，则确定θ_A3＝θ_y，λ₂＝λ_y。如比较的过程中，没有满足条件的θ_y和λ_y，则可能是前一步确定的λ₃需调整，则返回，重新确定θ_A1，λ₃，直至经过两步比较之后，能确定出满足变化显著的θ_A1，λ₃，θ_A3，λ₂。

变化显著的原则为：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。本具体实施方式中，设置η₁＞2.3η₂，η₁＞1％；η₃＞1.9η₄，η₃＞3％，确定得到角度为θ_A1＝3°，θ_A3＝﹣17.2°，波长分别为λ₃＝222nm，λ₂＝310nm＝λ₄。

经过上述步骤P4)的比较，即获得另外两个入射狭缝的入射角，以及三个波长λ₂，λ₃，λ₄的值。至此，经过前述步骤，已确定得到三组角度值，五个波长值，光栅闪耀角。本具体实施方式中，三组角度值为θ_A1＝3°、θ_A2＝﹣6°、θ_A3＝﹣17.2°；五个波长值λ₁＝190，λ₂＝310，λ₃＝222、λ₄＝310、λ₅＝800。且估算得到光栅闪耀角γ＝4.68°。如下即根据这些信息设计凹面光栅以及光学器件之间的相对位置设置。

P5)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。

本具体实施方式中，基于光程函数级数展开法，利用光学设计软件ZEMAX软件，带入三个角度值，五个波长值和表1中的固定结构参数值进行参数优化，得到的记录结构参数以及使用结构参数如表2所示。

表2

其中，r₁和r₂分别代表利用全息法制作凹面光栅时的两个入射点在极坐标下的极径长度；θ₁和θ₂分别代表极径r₁和极径r₂与x轴的夹角。r_A1、r_A2、r_A3代表三个入射狭缝在极坐标下的极径长度，θ_A1、θ_A2、θ_A3代表入射点的极径r_A1、r_A2、r_A3分别与x轴的夹角，也即前述确定的入射角；B₁₁、B₁₂、B₂₁、B₂₂、B₃₁、B₃₂为光探测器B₁₁B₁₂、B₂₁B₂₂、B₃₁B₃₂的两端在笛卡尔坐标系内的坐标值。

P6)根据步骤P1)中的凹面光栅的槽型周期，步骤P2)的凹面光栅的闪耀角、表面材料和槽型结构以及步骤P5)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。按照上述参数要求，使用全息法即可制作出满足应用要求的凹面光栅。

P7)根据步骤P5)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。根据使用结构参数中极径长度信息，角度信息以及坐标信息即可确定凹面光栅、狭缝、探测器的位置，搭建光路，从而得到凹面光栅光谱仪。

综上，即设计得到光谱仪。设计的光谱仪工作时，光线通过入射狭缝A₂经凹面光栅分光汇聚后出射的光线入射到光探测器B₂₁B₂₂，检测其能量值为E_2λ。通过入射狭缝A₁经凹面光栅分光汇聚后出射的光线入射到光探测器B₁₁B₁₂，检测λ₁～λ₃和2λ₁～2λ₃的能量为E_1λ并将其与E_2λ比较。通过入射狭缝A₃经凹面光栅分光汇聚后出射的光线入射到光探测器B₃₁B₃₂，检测λ₃～λ₂和2λ₃～2λ₂的能量为E_3λ并将其与E_2λ比较。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。且三个个光探测器B₂₁B₂₂、B₁₁B₁₂、B₃₁B₃₂在光谱检测时互相不干扰。检测能量值后，按照如下流程判断光波波长范围：

(1)：对于光谱重叠区λ₁～λ₂和2λ₁～2λ₂，如果对于任意属于λ₁～λ₂范围内的波长为λ的光波，如果光探测器B₂₁B₂₂没有探测到能量，则表明没有波长λ和2λ；如果光探测器B₂₁B₂₂探测到了能量，则记为E_2λ，进入第(2)步。

(2)：利用入射狭缝A₁和光探测器B₁₁B₁₂判断λ₁～λ₃和2λ₁～2λ₃，利用入射狭缝A₃和光探测器B₃₁B₃₂判断λ₃～λ₂和2λ₃～2λ₂。如果E_1λ<E_2λ，则表明光波λ属于λ₁～λ₃范围内。如果E_3λ<E_2λ，则表明光波λ属于λ₃～λ₂范围内。若E_1λ和E_3λ等于零，表明没有波长λ和2λ。

(3)：判断E_1λ是否等于(1-η₁)E_2λ或者E_3λ是否等于(1-η₃)E_2λ，如果相等则证明只存在波长为λ的光波，能量为E_2λ。如果不相等，进入第(5)步。

(4)：判断E_1λ是否等于(1-η₂)E_2λ或者E_3λ是否等于(1-η₄)E_2λ，如果相等则证明只存在波长为2λ的光波，能量为E_2λ。如果不相等，进入第(5)步。

(5)：其它情况下，λ和2λ都存在，具体能量值可根据探测器上的三次测量值得出。

(6)：λ₄～2λ₁的情况可以直接通过光探测器得到，2λ₂～λ₅的情况可根据光探测器探测到的能量减去λ₄～2λ₁的+2级光谱的能量得到。

通过上述(1)至(6)步，可实现λ₁～λ₂和2λ₁～2λ₂，λ₄～2λ₁，2λ₂～λ₅范围内的光波检测，也即λ₁～λ₅范围内的光波检测。

本具体实施方式设计的凹面光栅光谱仪，能实现λ₁～λ₅范围内的光波检测。而光波检测过程中，既能利用短波段(λ₁～λ₂)的+2级衍射光谱，又能利用长波段(2λ₁～2λ₂)的+1级衍射光谱，相对于现有的光谱仪仅利用整个光波检测范围的+1级衍射光，由于能充分利用两级衍射光谱信息，从而具有较高的衍射效率。具体地，普通的光谱仪仅利用了+1级的衍射光，而未利用其它级次。在波段的两端，即曲线的两端，衍射效率就会很小，从而整体衍射效率较低。而本发明的新光谱仪其采用了+1和+2级两个级次，所以有两个曲线峰值，存在两个闪耀波长，波段两端距闪耀波长都比较近，所以衍射效率也就比较高，从而整体衍射效率较高。

如下，设置普通设计流程设计的普通光谱仪，通过比较本具体实施方式的光谱仪和普通光谱仪的衍射效率曲线，验证本具体实施方式的光谱仪在衍射效率方面的性能提升。

普通光谱仪：包括凹面光栅，一个入射狭缝，两个光探测器。首先，根据光谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法和zemax软件优化，得到入射角度，记录结构参数以及使用结构参数。然后，代入入射角度，利用PCGrate软件求出能使整个波段衍射效率相对较好的闪耀波长，进而根据闪耀波长确定得到闪耀角。本例中，普通光谱仪的入射角度为-4.8°，闪耀波长在300nm，闪耀角为γ＝3.05。最后，根据闪耀角和记录结构参数确定凹面光栅的制作参数，得到满足应用的凹面光栅；根据入射角度和使用结构参数确定入射狭缝和两个光探测器相对于凹面光栅的位置，从而搭建得到光谱仪。

使用PCGrate软件计算本具体实施方式中光栅光谱仪和上述普通光谱仪在各波长(190nm～800nm)下的衍射效率值，具有如图5中所示衍射效率的曲线图。虚线是本具体实施方式的新结构的光谱仪在各个波长处的衍射效率，入射角度分别为3°，﹣6°，﹣17.2°；实线是普通光谱仪在各个波长处的衍射效率，入射角度为-4.8°。从图5可知，两种结构在相同情况(所述“相同情况”指：采用相同的材料、相同光谱范围，并且在衍射效率分析时除入射角度和闪耀角不同外，其它设计参数相同)下，新结构的衍射效率：190nm-230nm有12％～20％的提高，230nm～245nm和385nm～410nm有0-10％左右的提高，410nm-480nm有15％～30％的提高，480nm～800nm有30％左右的提高，在其它波段衍射效率相比原来的光谱仪结构则降低了。总体来看，本具体实施方式的新结构光谱仪的衍射效率45％以上的占93.4％，衍射效率60％以上的占73.8％；对于普通结构的光谱仪衍射效率45％以上的占55.7％，衍射效率60％以上的占38.5％，本具体实施方式的衍射效率有显著的提高。

综上，本具体实施方式中，通过采用三个衍射狭缝实现了波段+1级和+2级闪耀的复合使用，从而改善了宽光谱光谱仪大部分光谱区域衍射效率较低的问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

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；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、基底曲率半径和光栅常数，所述三个入射狭缝的宽度；

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入射角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入射角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；具体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，入射角θ_A1对应的衍射效率值相对于入射角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，入射角θ_A1对应的衍射效率值相对于入射角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，入射角θ_A3对应的衍射效率值相对于入射角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，入射角θ_A3对应的衍射效率值相对于入射角θ_A2对应的衍射效率值的相对变化绝对值；

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2)中，估算闪耀角时，使用PCGrate软件得到入射角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，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。

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3)中，使用光栅设计软件PCGrate软件，输入步骤2)确定的所述凹面光栅的表面材料和槽型结构，分别得到入射角度为入射角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。

4.一种光谱仪，其特征在于：包括凹面光栅、三个入射狭缝和三个光探测器，所述凹面光栅的制作参数以及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根据权利要求1～3任一项所述的设计方法确定得到。

5.根据权利要求4所述的光谱仪，其特征在于：所述光探测器为光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器或CCD阵列探测器。