CN109323763A - 一种大视场远紫外光谱成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场远紫外光谱成像仪，包含格里高利望远镜、单色仪、成像光学和探测器。单色仪将望远镜汇集的入射光束沿色散方向分离为若干个波长通道，每个分离后的通道再经过一个独立的成像镜汇聚后形成一个全视场的像，不同通道的像最终成在同一块探测器的不同区域。本发明可实现直径20角分以上的大视场，优于30角秒的空间分辨率，以及500～2000的中等且可调的光谱分辨率，适合于有大视场和中等光谱分辨率要求的科学应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱成像仪，特别是一种大视场远紫外光谱成像仪。
背景技术
成像光谱仪是一种兼具光学成像和光谱测量功能的天文观测仪器，可以同时获取天文目标的二维空间分布和光谱特性，从而构建观测目标丰富的三维立体信息。在远紫外（FUV）波段，成像光谱仪是研究星系间温热气体、星系际介质以及系外行星等领域的重要观测手段之一，从而帮助回答“宇宙重子缺失”以及“星系吸积和反馈”等重要国际科学前沿问题。
在FUV波段，成像光谱仪设计的主要难点在于该波段缺少透光性能良好的透镜材料，因此在光学设计时只能考虑采用反射光学元件。例如在光学和近紫外波段，可以利用积分视场光谱仪（IFS）技术来实现二维光谱成像，但在FUV波段由于缺少相应的光纤或微透镜材料而无法实现。另一方面，即便对反射镜面镀膜工艺进行优化，在FUV波段反射镜典型反射率只能达到40~70%，远低于可见光和近紫外波段。为了获得尽可能大的观测效率，要求在设计时尽量减少反射面的数量并尽可能采用简单的光学布局方案。
国际上已经有若干FUV波段光谱成像项目的先例，例如SPEAR、ALICE以及WSO-UV。这些项目大多采用长缝光谱仪（LSS）的方式来进行光谱成像。LSS的视场是一个长条形的一维视场，通过仪器的推扫运动实现二维成像。利用该方法可以获得全谱段波长覆盖和较高的光谱分辨率，但其缺点是对弥漫展源的成像时间较长，此外该方法无法兼顾高光谱分辨率和大视场。此外，还有例如SPIDR项目所采用的层析成像算法（Tomographic ImagingTechnique），该方法利用层析重建算法来获取观测目标的二维单色图像，但该方法需要对仪器进行多次旋转，并且在信噪比计算方法上存在一些争议。ISIS项目中采用的成像光谱仪是将格里高利望远镜中的次镜改为色散元件，从而将观测目标的不同发射谱线分开成像。然而，当目标的发射谱中存在相互靠近的谱线时，不同谱线的像就会相互重叠而无法分辨。另外，对于这样一个无缝***，杂散光的抑制将是十分困难的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大视场远紫外光谱成像仪。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种大视场远紫外光谱成像仪，其特征在于：包含格里高利望远镜、单色仪、成像光学和探测器，单色仪将望远镜汇集的入射光束沿色散方向分离为若干个波长通道，每个分离后的通道再经过一个独立的成像镜汇聚后形成一个全视场的像，不同通道的像最终成在同一块探测器的不同区域。
进一步地，所述格里高利望远镜采用离轴格里高利望远镜，格里高利望远镜包含主镜和次镜，主镜采用一个矩形的离轴抛物面反射镜，矩形的长宽比为10:1，次镜采用一个离轴椭球镜，口面为长条形的矩形，尺寸远小于主镜。
进一步地，所述主镜为口径500×50mm的离轴抛物面镜，焦距为613.4mm，次镜为口径28×6mm的离轴椭球镜，放大倍率为16.9，主镜和次镜对称轴间的夹角为10.5°。
进一步地，所述单色仪包含一个入射狭缝、一个凹球面光栅和若干个出射狭缝，每个出射狭缝对应一个波长通道，入射狭缝位于由次镜所形成的主镜的像上，凹球面光栅采用非等间距全息光栅，基底为球面熔石英玻璃，采用三阶衍射，等效线密度3000～4000g/mm，若干出射狭缝并行位于光栅后一定距离处形成的光学瞳面上。
进一步地，所述凹球面光栅采用球面三阶全息光栅，等效线密度3350g/mm，口径为102×114mm，基底曲率半径为681.03mm，在R=500的光谱分辨率条件下，入射狭缝口径和出射狭缝的口径分别为23×2.3mm和25×2.5mm。
进一步地，所述成像光学包含若干个成像镜，每个成像镜对应一个波长通道的出射狭缝，成像镜为离轴椭球镜，口面为长条形的矩形，离轴角选定为避免探测器挡光的最小离轴角。
进一步地，所述成像镜的口径均为34×10.8mm，离轴角均为40°，三个成像镜在同一镜坯上加工而成。
进一步地，所述探测器为一块平面MCP探测器，每个通道形成的全视场像分开成像在同一块平面MCP探测器上的不同区域，在光谱扫描模式下，MCP探测器、各通道对应的成像光学镜以及出射狭缝保持固定的相对位置并整体沿到光栅等距的圆周运动，从而选择不同的成像波长。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1）利用一个离轴格里高利望远镜进行集光，望远镜的主、次镜的口面轮廓均为长条形的矩形；
2）利用一个大色散光栅将全视场光束沿色散方向分离为若干波长通道；
3）通过调节入射狭缝和出射狭缝的宽度来调节光谱分辨率；
4）入射狭缝和出射狭缝均于瞳面上，光栅位于靠近格里高利像面的位置上；
5）通过对格里高利望远镜主、次镜对称轴夹角的优化来改善整体像质；
6）通过波长扫描机制，获得观测目标的完整光谱轮廓；
7）光谱分辨率与视场特性无关，可同时实现大视场和中等可调光谱分辨率。
附图说明
图1是本发明的一种大视场远紫外光谱成像仪的光路图。
图2是本发明的实施例的探测器的成像分布图。
图3是本发明的实施例的各通道80%能量集中直径表格。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明的一种大视场远紫外光谱成像仪，包含格里高利望远镜、单色仪、成像光学和探测器。单色仪将望远镜汇集的入射光束沿色散方向分离为若干个波长通道（图中示意为3个），通道带宽可由单色仪的入射和出射狭缝的宽度进行调节，以适应不同的光谱分辨率需求。每个分离后的通道再经过一个独立的成像镜汇聚后形成一个全视场的像，不同通道的像最终成在同一块MCP探测器的不同区域。
1) 格里高利望远镜
望远镜在光学布局上是一个离轴格里高利***。采用格里高利***是为了在次镜后方不远处形成一个光学瞳面（主镜的像），并在该位置上放置单色仪的入射狭缝3。主镜1是一个矩形的离轴抛物面反射镜，矩形的长宽比可以设计为10:1。之所以采用长条形的矩形口径是由于为了能将不同波长的光瞳在空间位置上分开，要求光瞳在色散方向上的尺寸受到限制。次镜2是一个离轴椭球镜，口面也是长条形的矩形，但尺寸远小于主镜。通过设计格里高利望远镜的放大倍率使得望远镜视场范围和单色仪的焦比相匹配。此外，在本设计方法中还通过优化主、次镜对称轴之间的夹角来改善像质，即通过优化该夹角使得离轴格里高利***的离轴像散刚好能够补偿离轴成像椭球镜产生的像散，从而使得全视场内的像质达到最优。格里高利焦点8位于入射狭缝3和凹球面光栅4之间。
2)单色仪
单色仪***由一个入射狭缝3、一个凹球面光栅4和若干个出射狭缝5组成，每个出射狭缝对应一个波长通道。入射狭缝的宽度可以调节，从而改变通道的带宽或***光谱分辨率。如前所述，入射狭缝位于由次镜所形成的主镜的像上。这也意味着，当调节狭缝宽度以改变光谱分辨率时，实际可使用的主镜面积也在发生变化。当使用较窄狭缝以获得高光谱分辨率时，主镜的有效集光面积也随之降低。
光栅采用非等间距全息光栅，基底为球面熔石英玻璃，为了获得尽可能大的色散率，采用三阶衍射，等效线密度3000～4000g/mm。光栅全息参数也可参与整体像质优化，但利用光栅全息参数来补偿成像镜离轴像散的效果不明显，主要原因是光栅上有效光斑尺寸较小，其产生的像散远小于成像椭球镜的贡献。由于光栅离格里高利焦点比较近，导致光斑在在光栅上覆盖的线尺度较小，会对光谱分辨率产生一定的影响。因此在设计中，将光栅沿光轴向后偏离格里高利焦点一定距离，以增大光栅上有效光斑尺寸。有限光斑尺寸将导致实际光谱分辨率略低于理想值，但其对***信噪比的影响很小（能量几乎没有损失）。
由于凹面光栅的汇聚作用，在光栅后一定距离处形成另一个光学瞳面。若干出射狭缝并行位于该瞳面上，每个狭缝对应一个特定波长的通道。类似入射狭缝，出射狭缝的宽度可调，以对应不同的光谱分辨率。各个出射狭缝到光栅的距离相等，并可沿着到光栅等距的圆周做扫描运动，从而选取不同波长的通道。
3）成像光学及MCP探测器
每个通道的出射狭缝后对应有一个成像镜6，将每个通道形成的全视场像分开成在同一块平面MCP探测器7上的不同区域。成像镜6为离轴椭球镜，口面为长条形的矩形，离轴角选定为避免探测器挡光的最小离轴角。***最终焦比由探测器的有效探测面积决定。为了保证各个通道的像位于同一平面上，各通道的焦比会稍有差异。在光谱扫描模式下，MCP探测器7、各通道对应的成像光学镜6以及出射狭缝5保持固定的相对位置并整体沿到光栅等距的圆周运动，从而选择不同的成像波长。通过该机制，可以实现对观测目标的波长扫描，从而获取探测目标完整的光谱轮廓。
本发明提出一种新型的FUV成像光谱仪设计方法。该光谱成像仪本质上是一个多通道的窄带成像仪，即利用一个大色散的光栅将全视场光束在色散方向上实现分离，利用出射狭缝形成若干窄带光谱通道，再利用成像光学对分离后的每一个光谱通道分别进行成像。最后结合波长扫描可获取全波段范围内的光谱特性。在技术指标上，该方法可实现直径20角分或以上的大视场，优于30角秒的空间分辨率，以及500~2000的中等且可调的光谱分辨率。综上所述，该光谱仪适合于有大视场和中等光谱分辨率要求的科学应用。
下面通过具体的实施例来对本发明进一步说明：
采用本发明提出的设计方法为紫外空间探测项目CAFE（Census of WHIM, Accretion,Feedback Explorer）中的HI Ly-α窄带成像仪设计了一套光学方案。该成像仪覆盖波段124.9~127.7nm，分为三个波长通道，每个通道中心波长间隔1nm，通道带宽为0.25nm~0.06nm可调，对应500~2000的光谱分辨率。每个通道的成像视场为20角分直径的圆形视场，空间分辨率优于21角秒。
设计光路如图1所示。主镜为口径500×50mm的离轴抛物面镜，焦距为613.4mm。次镜为口径28×6mm的离轴椭球镜，放大倍率为16.9。经过优化得到主、次镜对称轴间的夹角为10.5°。光栅采用球面三阶全息光栅，等效线密度3350g/mm，口径为102×114mm，基底曲率半径为681.03mm。在R=500的光谱分辨率条件下，入射狭缝口径和出射狭缝的口径分别为23×2.3mm和25×2.5mm。当需要更高光谱分辨率时，可利用狭缝切换装置更换更窄的狭缝。三个出射狭缝后方是三个椭球成像镜。成像镜的尺寸均为34×10.8mm，离轴角均为40°，三个成像镜可在同一镜坯上加工而成。最终三个通道在MCP探测器上的成像分布如图2所示。三个通道的最终焦比分别为F/3.58, F/3.4和F/3.22，每个通道覆盖的成像区域约为10×10mm。MCP探测器、三通道对应的成像光学镜以及出射狭缝保持固定的相对位置并可整体沿以光栅中心为原点，半径为731mm的圆周运动，从而完成波长扫描功能。
利用ZEMAX软件对HI Ly-α窄带成像仪光学***进行了射线追迹仿真，计算得到了两种光谱分辨率条件下（R=500和R=2000），125.3nm、126.3nm和127.3nm通道内，各处视场上的80%能量集中直径，如图3所示。从表中可以看出，如果以80%能量集中直径作为衡量像质的标准，则20角分全视场内的像质均在21角秒以内。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种大视场远紫外光谱成像仪，其特征在于：包含格里高利望远镜、单色仪、成像光学和探测器，单色仪将望远镜汇集的入射光束沿色散方向分离为若干个波长通道，每个分离后的通道再经过一个独立的成像镜汇聚后形成一个全视场的像，不同通道的像最终成在同一块探测器的不同区域。
2.按照权利要求1所述的一种大视场远紫外光谱成像仪，其特征在于：所述格里高利望远镜采用离轴格里高利望远镜，格里高利望远镜包含主镜和次镜，主镜采用一个矩形的离轴抛物面反射镜，矩形的长宽比为10:1，次镜采用一个离轴椭球镜，口面为长条形的矩形，尺寸远小于主镜。
3.按照权利要求2所述的一种大视场远紫外光谱成像仪，其特征在于：所述主镜为口径500×50mm的离轴抛物面镜，焦距为613.4mm，次镜为口径28×6mm的离轴椭球镜，放大倍率为16.9，主镜和次镜对称轴间的夹角为10.5°。
4.按照权利要求1所述的一种大视场远紫外光谱成像仪，其特征在于：所述单色仪包含一个入射狭缝、一个凹球面光栅和若干个出射狭缝，每个出射狭缝对应一个波长通道，入射狭缝位于由次镜所形成的主镜的像上，凹球面光栅采用非等间距全息光栅，基底为球面熔石英玻璃，采用三阶衍射，等效线密度3000～4000g/mm，若干出射狭缝并行位于光栅后一定距离处形成的光学瞳面上。
5.按照权利要求4所述的一种大视场远紫外光谱成像仪，其特征在于：所述凹球面光栅采用球面三阶全息光栅，等效线密度3350g/mm，口径为102×114mm，基底曲率半径为681.03mm，在R=500的光谱分辨率条件下，入射狭缝口径和出射狭缝的口径分别为23×2.3mm和25×2.5mm。
6.按照权利要求1所述的一种大视场远紫外光谱成像仪，其特征在于：所述成像光学包含若干个成像镜，每个成像镜对应一个波长通道的出射狭缝，成像镜为离轴椭球镜，口面为长条形的矩形，离轴角选定为避免探测器挡光的最小离轴角。
7.按照权利要求6所述的一种大视场远紫外光谱成像仪，其特征在于：所述成像镜的口径均为34×10.8mm，离轴角均为40°，三个成像镜在同一镜坯上加工而成。
8.按照权利要求1所述的一种大视场远紫外光谱成像仪，其特征在于：所述探测器为一块平面MCP探测器，每个通道形成的全视场像分开成像在同一块平面MCP探测器上的不同区域，在光谱扫描模式下，MCP探测器、各通道对应的成像光学镜以及出射狭缝保持固定的相对位置并整体沿到光栅等距的圆周运动，从而选择不同的成像波长。
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