本发明属于光谱仪，尤其涉及一种棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组及谱线弯曲光谱仪光学系统。
背景技术：
1、在传统的在准直光路中使用色散元件的光谱仪系统中，引入的畸变包括两个方面：谱线弯曲和色畸变。谱线弯曲是狭缝的各单色光的弯曲像偏离直线的距离以狭缝像在光谱维方向的最大矢高来衡量。光谱畸变会直接影响系统成像的清晰度和分辨率，通常谱线弯曲会影响光谱仪的光谱分辨率，同时引起图像失配准而给后续数据处理如光谱辐射定标带来困难。目前，针对谱线弯曲校正的研究主要在定标和光学设计两个方向。电子标定的方法对谱线弯曲的校正有不错的效果，但是仍有其局限性，无法解决谱线弯曲造成探测器使用效率下降问题，与探测器像元难以配准，并加大了图像处理复杂性。光学设计方面的校正方法大多存在光学结构装调加工困难、无法实现大视场或瞬时视场等问题。由于谱线弯曲的特性，大视场光谱仪系统往往伴随着更严重的谱线弯曲，因此需要提出一种适合大视场光谱仪系统的谱线弯曲校正方案。
2、现有技术的技术方案，在光学设计阶段具有较为复杂的计算，往往需要设计者具有丰富的设计经验，不易在大视场条件下实现较小谱线弯曲量，在加工与装调工艺方面具有很高的精度要求。
3、以第一种方案为例，采用棱镜-光栅(pg)结构或光栅-棱镜(gp)结构组合形式分光，该方案将棱镜与光栅胶合后限制了入射到光栅表面光线的入射角，从而限制分光系统光栅表面入射角与衍射角之差值，即系统的色散能力，同时限制了系统的视场角，难以实现大视场。该结构将光栅刻划于棱镜表面或在棱镜表面镀一层树脂，在树脂上进行光栅复制，使得此种结构的加工工艺要求较高，为分光元件的制造带来不便。
4、以第二种方案为例，采用棱镜-光栅-棱镜胶合(pgp)的结构进行分光，该结构多采用体全息光栅作为分光光栅，体全息光栅制备难度大，研制周期长，因此实际光学系统的加工工艺较为复杂。由于棱镜-光栅-棱镜为胶合的元件，同时受到系统分辨率和成像质量的限制，pgp型透射式光谱成像系统能够达到的视场较小。目前，大视场pgp型成像光谱仪狭缝长度仅达到24mm，该种结构难以更大视场。
5、以第三种方案为例，采用pg+p结构即棱栅+棱镜形式分光，与前两种方案类似，由于该结构中同样使用棱镜-光栅胶合元件，无论选用透射式刻划光栅或是体相位全息光栅，此种结构都存在加工或制备困难的局限性。
技术实现思路
1、针对上述方案所存在的各种缺点，本发明创造性地提出棱镜与光栅均相对独立存在的棱镜-光栅-棱镜（p+g+p）型光谱仪光学系统，并给出了其中棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的构建方法。
2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
3、本发明提供一种棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组，所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组包括相互独立并依次设置的第一棱镜、光栅以及第二棱镜；
4、所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组通过建立棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模型获得；
5、所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模型通过棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的谱线弯曲特性和色散特性构建；
6、所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的色散特性包括所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的角色散率和角放大率。
7、进一步的，所述第一棱镜的中心波长产生的谱线弯曲为：
8、；
9、所述第二棱镜的中心波长产生的谱线弯曲为：
10、；
11、其中，为空气的折射率，为所述第一棱镜的中心波长对应的折射率，为所述第二棱镜的中心波长对应的折射率，为入射狭缝长度，为所述第一棱镜的顶角，所述第二棱镜的顶角，为准直镜组焦距，为聚焦镜组焦距；
12、为主光线经过所述第一棱镜的前表面第一次折射后的折射角，为主光线经过所述第一棱镜的后表面第二次折射后的折射角，为主光线经过所述第二棱镜的前表面第三次折射后的折射角，为主光线经过所述第二棱镜的后表面第四次折射后的折射角；
13、所述光栅产生的谱线弯曲为：
14、；
15、其中，为所述入射狭缝的上光线入射角，为所述入射狭缝的上光线入射方位角，为衍射级次，λ为入射波长，d为光栅常数，表示光栅基底的中心波长折射率。
16、进一步的，所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的谱线弯曲特性为：
17、；
18、其中，为所述光栅相对于所述第一棱镜的倾斜角。
19、进一步的，所述第一棱镜、所述光栅以及所述第二棱镜三者之间的位置关系通过所述光栅相对于所述第一棱镜的倾斜角和所述光栅相对于所述第二棱镜的倾斜角确定；
20、所述光栅相对于所述第一棱镜的倾斜角和所述光栅相对于所述第二棱镜的倾斜角，通过所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的角色散率和角放大率进行约束。
21、进一步的，所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的角色散率为：
22、。
23、进一步的，所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的角放大率为：
24、；
25、其中，为所述第一棱镜的角放大率，为所述光栅的角放大率，为所述第二棱镜的角放大率；
26、为主光线入射至所述第一棱镜的前表面的入射角，为主光线入射至所述第一棱镜的后表面的入射角，为主光线入射至所述第二棱镜的前表面的入射角，为主光线入射至所述第二棱镜的后表面的入射角，表示经过光栅基底衍射后的衍射角。
27、进一步的，各个角度的关系为：
28、
29、
30、
31、
32、
33、
34、
35、其中，为所述光栅相对于所述第二棱镜的倾斜角。
36、本发明还提供一种校谱线弯曲光谱仪光学系统，所述校谱线弯曲光谱仪光学系统包括棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组，所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组为本发明所述的棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组。
37、进一步的，所述校谱线弯曲光谱仪光学系统还包括入射狭缝、离轴三反中继准直镜组、透射式聚焦镜组、探测器窗口以及探测器；
38、所述离轴三反中继准直镜组依次包括第一偶次非球面镜、第二偶次非球面镜以及第三偶次非球面镜；
39、所述透射式聚焦镜组依次包括第一非球面透镜、第二非球面透镜、第一球面透镜、第三非球面透镜、第四非球面透镜。
40、进一步的，主光线经入射狭缝进入所述校谱线弯曲光谱仪光学系统，进而入射至所述离轴三反中继准直镜组，依次经过所述第一偶次非球面镜、所述第二偶次非球面镜以及所述第三偶次非球面镜准直，经准直后由所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组分光，分光后进入所述透射式聚焦镜组，依次通过所述第一非球面透镜、所述第二非球面透镜、所述第一球面透镜、所述第三非球面透镜以及第四非球面透镜，并通过所述探测器窗口后，会聚成像于所述探测器。
41、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：
42、1、使光谱仪实现大视场的同时，对大视场系统严重的谱线弯曲效应进行校正，同时不增加系统的复杂性，相比于传统大视场pgp光谱仪，视场增大了250%。
43、2、设计了一套用于p+g+p结构既能校正谱线弯曲又能满足角放大率与角色散率等色散特性的结构参数组合自动解算方法。
44、3、给出一套完整且通用的大视场p+g+p校谱线弯曲光谱仪设计方法，使得后续设计该种结构光谱仪时，可根据要求的规格指标仅修改算法输入参数，从而快速得到具有最佳成像质量的结构参数组合。
45、4、可以根据技术方案设计一套具有低畸变以及大视场的校谱线弯曲p+g+p光谱仪系统，验证技术方案所提出的设计方法与流程的可行性。
46、本发明创造提出的校谱线弯曲光谱仪光学系统，分光元件由棱镜+光栅+棱镜组成，第一块棱镜与光栅入射面之间具有一定倾斜角，光栅刻划于基底表面，光栅面与第二块棱镜同样存在一定夹角；由于三个分光元件独立安装，与现有的胶合型分光元件相比，可以灵活调整棱镜的倾斜角度，同时可以通过调整第二个棱镜的大小以实现更小的谱线弯曲，大大降低了分光元件的加工制备难度，提高了光谱仪光学系统的设计效率，能够在实现大视场的同时具有较小谱线弯曲。
1.一种棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组，其特征在于：所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组包括相互独立并依次设置的第一棱镜、光栅以及第二棱镜；
2.根据权利要求1所述的棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组，其特征在于：所述第一棱镜的中心波长产生的谱线弯曲为：
3.根据权利要求2所述的棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组，其特征在于：所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的谱线弯曲特性为：
4.根据权利要求3所述的棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组，其特征在于：所述第一棱镜、所述光栅以及所述第二棱镜三者之间的位置关系通过所述光栅相对于所述第一棱镜的倾斜角和所述光栅相对于所述第二棱镜的倾斜角确定；
5.根据权利要求4所述的棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组，其特征在于：所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的角色散率为：
6.根据权利要求4所述的棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组，其特征在于：所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组的角放大率为：
7.根据权利要求4所述的棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组，其特征在于：各个角度的关系为：
8.一种校谱线弯曲光谱仪光学系统，其特征在于：所述校谱线弯曲光谱仪光学系统包括棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组，所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组为权利要求1～7任意一项所述的棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组。
9.根据权利要求8所述的校谱线弯曲光谱仪光学系统，其特征在于：所述校谱线弯曲光谱仪光学系统还包括入射狭缝、离轴三反中继准直镜组、透射式聚焦镜组、探测器窗口以及探测器；
10.根据权利要求9所述的校谱线弯曲光谱仪光学系统，其特征在于：主光线经入射狭缝进入所述校谱线弯曲光谱仪光学系统，进而入射至所述离轴三反中继准直镜组，依次经过所述第一偶次非球面镜、所述第二偶次非球面镜以及所述第三偶次非球面镜准直，经准直后由所述棱镜-光栅-棱镜分光结构色散模组分光，分光后进入所述透射式聚焦镜组，依次通过所述第一非球面透镜、所述第二非球面透镜、所述第一球面透镜、所述第三非球面透镜以及第四非球面透镜，并通过所述探测器窗口后，会聚成像于所述探测器。
