本技术涉及光谱仪，尤其涉及一种光栅光谱仪。
背景技术：
1、随着生物医学检测、半导体测试、污染物和大气痕量气体监测、天文光谱观测等领域的发展，对光谱仪的探测灵敏度、光谱分辨率的要求越来越高，逐渐由0.5nm的光谱分辨率提高到0.1nm以下的光谱分辨率；探测信号的强度也由uw量级逐渐提高到nw量级以下；并且，对光谱仪的通光效率提出了更高的要求，例如，在天文光谱探测中，需要研究宇宙中极为暗弱的星体目标，再例如，生物医学荧光检测中，需要研究暗弱的荧光，如拉曼荧光光谱激发的荧光能量很低，上述对暗弱光束的研究需要光谱仪具有高通光效率；另例如，大气痕量气体监测中也需要高的效率；此外，许多应用场景中需要现场监测，如水质的监测、大气痕量气体的监测等等需要野外现场测试，因此还要求光谱仪方便便携。
2、现有光谱仪的光路结构多为c-t结构，存在光谱分辨率和光谱覆盖范围之间的矛盾，即实现高光谱分辨率的同时其波段覆盖范围通常只有几十nm，而实现宽波段覆盖的同时又难以实现高光谱分辨率；并且，现有c-t结构的中阶梯光栅光谱仪由于光路布置的问题，中阶梯光栅无法以闪耀角入射，从而无法实现光谱仪的高效率。
3、由此，现在亟需提供一种紧凑型、高光谱分辨率、宽波段覆盖以及高通量的光谱仪。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种光栅光谱仪，以使其具有紧凑型、高光谱分辨率、宽波段覆盖以及高通量的优点。
2、为实现上述目的，本技术实施例提供了如下技术方案：
3、一种光栅光谱仪，包括沿光路传输方向设置的入射模组、准直与成像镜、中阶梯色散光栅、反射镜、交叉色散模组和成像模组；
4、所述入射模组出射的第一汇聚光束聚焦于所述准直与成像镜的第一焦点，经所述第一焦点后变成第一发散光束，所述第一发散光束离轴入射至所述准直与成像镜，经所述准直与成像镜反射为第一准直光束入射至所述中阶梯色散光栅；
5、所述中阶梯色散光栅位于所述准直与成像镜的第一焦点对应的瞳面位置，所述第一准直光束所在平面与所述中阶梯色散光栅的闪耀平面具有夹角，且所述第一准直光束在所述闪耀平面的投影光束以闪耀角入射，所述闪耀平面为过所述中阶梯色散光栅的光栅法线且与光栅垂直的平面，使得所述第一准直光束经所述中阶梯色散光栅色散后变成第一色散光束，且所述第一色散光束所在平面与所述第一准直光束所在平面具有夹角；
6、所述第一色散光束经所述准直与成像镜反射为第二汇聚光束聚焦于所述准直与成像镜的第二焦点，被位于所述第二焦点的所述反射镜反射为第二发散光束，所述第二发散光束离轴入射至所述准直与成像镜，经所述准直与成像镜反射为第二准直光束入射至所述交叉色散模组；
7、所述交叉色散模组位于所述准直与成像镜的第二焦点对应的瞳面位置，且所述交叉色散模组的色散方向与所述中阶梯色散光栅的色散方向垂直，使得所述第二准直光束经所述交叉色散模组的交叉色散分离后变成第二色散光束，所述第二色散光束经所述成像模组聚焦成像。
8、可选的，所述第一焦点或所述第二焦点位于所述准直与成像镜的光轴上。
9、可选的，所述第一色散光束所在平面与所述第一准直光束所在平面之间的夹角不超过3°。
10、可选的，所述入射模组包括多模光纤和光纤焦比变换元件组，所述光纤焦比变换元件组的光轴和所述准直与成像镜的光轴具有夹角，所述多模光纤出射的光束经所述光纤焦比变换元件组后变成所述第一汇聚光束。
11、可选的，所述光纤焦比变换元件组包括沿光路传输方向设置的光纤准直透镜、光纤孔径光阑和光纤成像透镜，所述多模光纤位于所述光纤准直透镜的前焦点，所述第一焦点为所述光纤成像透镜的后焦点；
12、所述多模光纤出射的光束经所述光纤准直透镜后变成第三准直光束，所述第三准直光束经所述光纤孔径光阑的孔径选择后入射至所述光纤成像透镜，经所述光纤成像透镜形成所述第一汇聚光束。
13、可选的，所述交叉色散模组包括透射式光栅、反射式光栅和色散棱镜三者中的至少一者。
14、可选的，所述成像模组包括成像元件组和探测器，所述第二色散光束经所述成像元件组聚焦成像于所述探测器上。
15、可选的，所述成像元件组为透射式元件组。
16、可选的，所述透射式元件组包括沿光路传输方向设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；
17、其中，所述第一透镜和所述第三透镜为正透镜，所述第二透镜为负透镜，所述探测器位于所述第三透镜的后焦点。
18、可选的，所述第二透镜为三胶合透镜。
19、与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
20、本技术实施例所提供的光栅光谱仪包括沿光路传输方向设置的入射模组、准直与成像镜、中阶梯色散光栅、反射镜、交叉色散模组以及成像模组，其中，中阶梯色散光栅位于准直与成像镜的第一焦点对应的瞳面位置，交叉色散模组位于准直与成像镜的第二焦点对应的瞳面位置，且交叉色散模组的色散方向与中阶梯色散光栅的色散方向垂直；工作时，入射模组出射的第一汇聚光束聚焦于准直与成像镜的第一焦点，而后变成第一发散光束离轴入射至准直与成像镜，经准直与成像镜反射为第一准直光束入射至中阶梯色散光栅，再经中阶梯色散光栅色散后变成第一色散光束，且第一色散光束所在平面与第一准直光束所在平面具有夹角，第一色散光束再经准直与成像镜反射为第二汇聚光束聚焦于准直与成像镜的第二焦点，被位于第二焦点的反射镜反射为第二发散光束离轴入射至准直与成像镜，经准直与成像镜反射为第二准直光束再入射至交叉色散模组，经交叉色散模组的交叉色散分离后变成第二色散光束，最后经成像模组聚焦成像。
21、总结来说，本技术实施例所提供的光栅光谱仪具有以下优点：
22、1、该光栅光谱仪采用中阶梯色散光栅，中阶梯色散光栅的入射光束（即第一准直光束）所在平面与中阶梯色散光栅的闪耀平面具有夹角，且中阶梯色散光栅的入射光束（即第一准直光束）在其闪耀平面的投影光束以闪耀角入射，使得中阶梯色散光栅工作在准利特罗（littrow）入射状态，衍射出高衍射级次的光束，从而可以在很低的光栅刻线密度下实现高光谱分辨率，进而，高衍射级次的光束被交叉色散模组交叉色散分离，从而使单次曝光可覆盖从紫外到近红外超宽的波段覆盖范围，进而使得该光栅光谱仪兼顾高分辨率和宽波段覆盖的优点。
23、2、中阶梯色散光栅工作在准利特罗（littrow）入射状态，还使中阶梯色散光栅的衍射效率最高，并且，入射模组、第一焦点、准直与成像镜、中阶梯色散光栅、反射镜、交叉色散模组以及成像模组的光路匹配设计，避免光束能量的损失，保证整个光谱仪的通光效率，进而使得光谱仪具有高通量的优点。
24、3、中阶梯色散光栅的入射光束（即第一准直光束）所在平面与其衍射光束（即第一色散光束）所在平面具有夹角，避免中阶梯色散光束的入射光束和衍射光束发生空间干涉，从而可以设置反射镜，使得中阶梯色散光栅的衍射光束经准直与成像镜反射后可以被反射镜再反射至准直与成像镜，再经准直与成像镜反射后入射至交叉色散模组，如此设计光路，使得光路大大折叠，缩小光谱仪的空间尺寸，使光谱仪具有紧凑的优点。
25、4、准直与成像镜将准直镜和成像镜合二为一，并被多次利用，具体的，入射到中阶梯色散光栅的准直光束以及入射到交叉色散模组的准直光束均是被准直与成像镜准直后射出，由中阶梯色散光栅出射的衍射光束又使被准直与成像镜聚焦成像在第二焦点，如此，准直与成像镜同时起到了多次准直与成像的作用，从而减小准直与成像镜的安装难度，且准直与成像镜可以作为整个光谱仪的装调基准，便于光路设计。
1.一种光栅光谱仪，其特征在于，包括沿光路传输方向设置的入射模组、准直与成像镜、中阶梯色散光栅、反射镜、交叉色散模组和成像模组；
2.根据权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于，所述第一焦点或所述第二焦点位于所述准直与成像镜的光轴上。
3.根据权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于，所述第一色散光束所在平面与所述第一准直光束所在平面之间的夹角不超过3°。
4.根据权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于，所述入射模组包括多模光纤和光纤焦比变换元件组，所述光纤焦比变换元件组的光轴和所述准直与成像镜的光轴具有夹角，所述多模光纤出射的光束经所述光纤焦比变换元件组后变成所述第一汇聚光束。
5.根据权利要求4所述的光栅光谱仪，其特征在于，所述光纤焦比变换元件组包括沿光路传输方向设置的光纤准直透镜、光纤孔径光阑和光纤成像透镜，所述多模光纤位于所述光纤准直透镜的前焦点，所述第一焦点为所述光纤成像透镜的后焦点；
6.根据权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于，所述交叉色散模组包括透射式光栅、反射式光栅和色散棱镜三者中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于，所述成像模组包括成像元件组和探测器，所述第二色散光束经所述成像元件组聚焦成像于所述探测器上。
8.根据权利要求7所述的光栅光谱仪，其特征在于，所述成像元件组为透射式元件组。
9.根据权利要求8所述的光栅光谱仪，其特征在于，所述透射式元件组包括沿光路传输方向设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；
10.根据权利要求9所述的光栅光谱仪，其特征在于，所述第二透镜为三胶合透镜。
