一種大視場高解析度光譜儀光學系統的設計方法與流程

2023-05-05 21:04:06 1

本發明屬於光學設備技術領域，尤其涉及一種大視場高解析度光譜儀光學系統的設計方法。

背景技術：

光譜儀是能將混合光按照不同的波長分成光譜的光學儀器，它能夠獲得目標的光譜信息，這為分析判斷目標的屬性提供了更好的依據。從早期的利用稜鏡的色散作用來實現分光的光譜儀發展到近些年常用的光柵光譜儀。隨著光譜儀的發展，增大視場可以提高成像光譜儀的工作效率，大視場寬覆蓋是下一代成像光譜儀的發展趨勢。尤其隨著天文學近幾年的飛速發展，積分視場單元(integralfieldunit,ifu)在國內外天文領域的廣泛運用，使用ifu代替一般高色散型成像光譜儀中的狹縫來連結望遠鏡和光譜儀組成光纖成像光譜儀。基於ifu的光譜儀特別是高空間解析度和高光譜解析度的積分視場單元光譜儀成為天文領域的迫切需要。為了滿足天文觀測的空間解析度的需求，幾百根、甚至上千根光纖排列組成的光纖陣列作為光譜儀的狹縫端，這對大視場、高解析度光譜儀提出了更高的要求，增大視場通常會導致光譜儀質量、體積和成本的增加。傳統的光譜儀，由於透射式、反射式全息光柵很難做到大尺寸的，這導致了透射式全息光柵設計的光譜儀很難實現大視場、高解析度的功能。目前，工藝上只有階梯光柵能做的比較大。

綜上所述，現有技術存在的問題是：現有的成像光譜儀依靠增大視場提高工作效率的方法存在導致光譜儀質量、體積和成本的增加。

技術實現要素：

為解決現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種大視場高解析度光譜儀光學系統的設計方法，

本發明是這樣實現的，一種大視場高解析度光譜儀光學設計方法，採用多段狹縫分段和對應場鏡，通過同一塊光柵色散，不同的場鏡將不同狹縫段分別反射成像到不同的ccd中；採用階梯型光柵，工作在準littrow條件下，採用透射式doublepass光學設計，準直系統既可作為光纖出射光的準直，也可作為光柵衍射後光束的成像系統；而成像後的像面與光譜儀狹縫存在空間錯位，在像面處加入多個場鏡，再分別通過不同成像系統將像面上的不同狹縫的像成像到不同的ccd上。

進一步，所述大視場高解析度光譜儀光學設計方法具體包括：

一，採用多段狹縫和對應的場鏡，不同的場鏡將分段狹縫色散後的像分別反射成像到不同的ccd中，通過增加狹縫段數經過優化設計實現大視場的設計；一臺光譜儀中多臺探測器可同時數據採集，使用一個光柵用於多臺光譜儀的數據採集；如果是積分視場光譜儀，則增加光譜儀入射端的光纖數量；

二，採用階梯型光柵，工作在準littrow條件下，使經光柵色散後的衍射光再次通過準直系統進行成像，成像後的像面與光譜儀狹縫存在空間錯位，能在像面處加入場鏡，再將像面上的狹縫的像成像到ccd上；

三，光學系統設計採用多狹縫和doublepass光路相結合的方式，準直系統既可用於光路準直，也可作為光柵衍射後光束的成像系統。

本發明的另一目的在於提供一種所述大視場高解析度光譜儀光學設計方法的大視場高解析度光譜儀光學系統，所述大視場高解析度光譜儀光學系統包括：

反射成像模塊，採用多段狹縫和對應的場鏡，不同的場鏡將分段狹縫分別反射成像到不同的ccd中；

光譜色散模塊，所有狹縫段出射的光經過同一準直系統準直後，照在同一塊光柵上，不同狹縫段出射的光共用一個光柵和一套準直系統；

成像模塊，採用doublepass光路，色散後的光柵衍射光再通過準直系統進行成像，成像後的像面與光譜儀狹縫存在空間錯位，通過成像系統將像面上的像成像到ccd上。

本發明提供的大視場高解析度光譜儀光學系統的設計方法，採用多個分段狹縫和對應的場鏡，不同的場鏡將不同狹縫段分別反射成像到不同的ccd中，實現一臺光譜儀中多臺探測器同時採集數據，增大了視場，如果是積分視場光譜儀，則可有效增加光譜儀入射端的光纖數量；設計中不同狹縫段的視場共用一塊光柵和準直系統，相比包含1個狹縫、1個光柵、1個ccd傳統的光譜儀，本設計利用一塊光柵實現了多臺光譜儀的功能，降低了研製成本和多個光譜儀空間布局成本，同時節約了光柵等光學元件。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的大視場高解析度光譜儀光學系統設計方法流程圖。

圖2是本發明實施例提供的大視場高解析度光譜儀光學系統結構示意圖；

圖中：1、狹縫；2、準直系統；3、色散元件；4、場鏡；5、成像系統；6、ccd。

圖3是本發明實施例擴展到多波段光譜觀測中的光學系統設計示意圖。

圖4是本發明實施例提供的為fasot望遠鏡項目設計的大視場高解析度光譜儀光學系統設計示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實施例提供的大視場高解析度光譜儀光學系統的設計方法包括以下步驟：

s101：根據光譜儀科學目標計算得到狹縫寬度及其在ccd上所佔的像元數數量，再通過其與光譜儀解析度要求得到光柵參數。

s102：根據光譜儀設計理論的計算得到滿足科學要求的光譜儀成像系統焦比、準直系統焦比等光學參數。

s103：根據提出的光譜儀設計方法，對光譜儀準直系統及成像系統進行設計，同時優化光譜儀結構，最終得到滿足要求的光譜儀設計，實現壓縮體積、節約成本的目的。

如圖2所示，本發明實施例提供的大視場高解析度光譜儀光學系統包括：狹縫1、準直系統2、色散元件3、場鏡4、成像系統5、ccd6。

狹縫1與場鏡4有空間錯位，在場鏡4上方，準直系統2、成像系統5與場鏡4連接，準直系統2的末端設置有色散元件3，成像系統5的末端設置有ccd6。

下面結合附圖對本發明的應用原理作進一步的描述。

如圖2所示，4為兩個擺放角度不一樣的場鏡，圖中有兩個分段狹縫，分別通過不同擺放角度的場鏡反射到不同的兩個ccd中。如果設計中狹縫分為三段，則需要三個不同方向的場鏡和與之對應的三個成像系統和ccd，依次類推，可以根據實際ccd像元數及狹縫總高度選擇合適數量的狹縫分段。上述設計是採用分狹縫的方式，換言之，即是分視場的方式達到一臺光譜儀實現多臺光譜儀的功能。該設計可以擴展到多波段光譜觀測中，設計如圖3所示。圖3中狹縫1不再是多段狹縫，而是一段狹縫，將場鏡換成鍍膜的分束鏡4，該分束鏡可以讓某一波段全反射，另一波段全透射，不同波段的光通過分束鏡作用後，分別進入不同的成像系統5，成像在不同的ccd6中，即是通過分波段的形式達到一臺光譜儀實現多臺光譜儀的功能。

下面結合具體實施例對本發明的應用原理作進一步的描述。

本發明的實施例採用雙ifu高色散的光纖陣列太陽光學望遠鏡(fiberarrayedsolaroptictelescope,fasot)是我國未來大型地面太陽光學望遠鏡的重要項目之一，其研製得到基金委國家重大科研儀器研製項目的支持。該項目由於其科學目標的需要，要求滿足長贗狹縫、高解析度、快入射焦比的積分視場光譜儀。此外，fasot項目最終要實現圖像重構，該光譜儀所用到的光柵和ccd都不能採用拼接技術，否則會出現邊緣效應，這些因素都加大了光譜儀光學設計的難度。目前，國內還沒有一種積分視場光譜儀可以滿足其要求，本發明提出的光學設計方法可以設計出滿足fasot望遠鏡要求的光譜儀。

本發明實施例在準littrow條件下，根據littrow條件下，反射式階梯光柵的光柵方程：

mλ＝2dsinγ(1)

式中，m為衍射階次，λ為波長，d為光柵常數，γ為階梯光柵閃耀角。可得解析度的表達式：

r＝λ/dλ＝2tanγ/△γ＝2fstanγ/s(2)

式中fs是光柵衍射後聚焦系統焦距，s是λ與λ+dλ在ccd上成像的間距。根據系統的放大率m和光譜儀入射焦比fin可以得到準直系統的焦距fc及光柵尺寸(lg是光柵刻線方向長度，wg是光柵色散方向長度)：

fc＝fs/m(3)

lg＝fc/fin(4)

wg＝lg/cosγ(5)

fasot積分視場光譜儀為了儘可能的減少光譜儀的數量，降低研製成本和空間成本，ifu贗狹縫端光纖採用雙排交錯排列形式，此雙排結構主要是為了提高空間採樣效率。fasot望遠鏡選用的光纖為芯徑35μm，包含包層外徑為127μm，根據ifu贗狹縫端光纖採用的錯排形式，沿著空間採樣方向，理想情況下2根光纖之間包層厚度為27.5μm，其在ccd上所佔像元數大於2以防止混光現象，對應光纖芯徑35μm對應ccd上的像元數大於2.54pixels，設計中按3pixels設計。同時將光譜儀贗狹縫分成兩段，用2個場鏡來實現同一臺光譜儀中2臺探測器同時採數的問題，等同於兩臺光譜儀同時工作。

本發明實施例中按照解析度110000@520nm進行設計，高於fasot的要求。要想實現觀測波段從516.5nm至525.5nm，則沿著色散方向，ccd至少需要5712個像元。ccd選定fingerlakesinstrumentation公司ml29050型號的ccd。fasot高解析度積分視場光譜儀中所用到的階梯光柵決定由中科院長春光機所國家光柵製造與應用工程技術研究中心進行製造，該中心所能提供的最大光柵尺寸為400mm×500mm，刻線密度為79lines/mm，光柵閃耀角為63°。

根據以上理論，目前fasot的光柵光譜儀系統選定及計算得到的各個基本參數，如下：

ccd參數：fingerlakesinstrumentation公司ml29050型號，6576×4384，5.5μm/pixel；

階梯光柵參數：刻線密度79lines/mm，尺寸250mm×500mm，閃耀角：63°,由中國科學院長春光機所研製；

光纖參數：35μm/125μm，na＝0.12；

解析度：110000@520nm；

準直光路焦距：992.87mm；

放大率：0.4657；

入射焦比：4.5；

出射焦比：2.096；

刻線方向光柵使用尺寸：220.64mm；

色散方向光柵使用尺寸：486mm。

階梯光柵在littrow條件下工作時，使用高級次光譜存在嚴重的級次重疊，但是每一個級次都存在一個不受其他級次光譜幹擾的區域，即自由光譜範圍fm＝λ/m。光譜儀光譜範圍為516.5-525.5nm，對應自由光譜範圍為11.82nm，大於9nm，不用考慮級次重疊的問題。fasot望遠鏡需要進行圖像重構，這就要求每根光纖的光損失要一致，本發明實施例採用物方遠心光路設計，光柵置於準直系統出瞳處，同時該設計增大了前端ifu研製精度的容忍度。

根據fasot望遠鏡的技術指標，本發明實施例的高解析度光譜儀設計如圖4所示，圖4中狹縫1即是由1366根光纖組成的贗狹縫，該狹縫採用的是雙排錯排結構並且分成兩段，兩段之間間隔10mm，狹縫的不同兩段出射的光經過準直系統2、光柵3色散後成像在兩個不同的場鏡4上，兩個場鏡反射後的光分別進入各自的成像系統5，最後成像在ccd6上。在516.5至525.5nm波段，該光譜儀光學系統設計的點列圖都在艾裡斑以內，滿足衍射極限成像。同一根光纖出射的519.9952727nm、520nm兩種波長在ccd上沿色散方向所成的像之間相差18μm，大於一根光纖在ccd上成像的大小(16.3μm)，可見設計滿足110000@520解析度的要求。

本發明實施例的大視場高解析度光譜儀光學系統正是利用贗狹縫分段及對應的場鏡來實現一臺光譜儀完成2臺光譜儀的工作，有效增加了光譜儀入射端的光纖數量，同時節約了光柵等光學元件，有效降低了研製成本及空間成本。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。