CN113405657A - 一种高采样效率积分视场光谱仪光学***及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高采样效率积分视场光谱仪光学***及其设计方法，光学***沿光路传输方向，包括依次设置的狭缝模块、窄带滤光片模块、准直模块和色散模块；准直模块的法线与色散模块的法线之间角度等于色散模块在使用时的入射角，色散模块的法线与成像模块的法线之间角度等于色散模块在色散使用时的衍射角，所述成像模块和反射探测器模块呈直线排列。本发明可以明显减少观测望远镜终端光谱仪数量，或者在光谱仪数量一定的情况下，提高观测的视场大小；实现对物体进行高时间分辨率的观测。

Description

一种高采样效率积分视场光谱仪光学***及其设计方法
技术领域
本发明属于光学设备技术领域，具体地说，涉及一种高采样效率积分视 场光谱仪光学***及其设计方法。
背景技术
近几年，随着天文学技术的飞速发展，国内与国际上很多天文望远 镜目前都利用IFU代替一般光谱仪中的狭缝来链接望远镜和光谱仪*** 组成光纤成像光谱仪。传统光谱仪观测是获得光谱信息，要想获得二维 空间信息就需要狭缝进行空间扫描来获得二维信息，该方法的缺点是时 间分辨率低。而IFU由微透镜阵列端和赝狭缝端组成，微透镜阵列端对 二维空间图像进行分割，再通过光纤传输，输出端重新排列组成的赝狭 缝置于光谱仪入射端进行色散，从而实现同时获得二维空间信息和一维 光谱信息，为实现高时间分辨率的观测提供可能。但是运用积分视场单 元进行观测，要想获得大的二维视场信息，需要的光纤数量较多，因此 高采样效率积分视场光谱仪的研制是保证高时间分辨率成谱成像观测的 重要保证。例如对于未来我国大型日冕仪，单支IFU包含了十多万个空 间采样点，采用成对IFU技术因此需要二十多万根光纤，如此巨大的光 纤数量提出了对高采样效率积分视场光谱仪的迫切需求。
目前，还没有一台可以同时对几千根光纤同时进行光谱色散的高采 样效率积分视场光谱仪(或高采样效率光纤光谱仪)。
发明内容
针对于高采样效率积分视场光谱仪的需求，本发明公开了一种高采 样效率积分视场光谱仪光学***及其设计方法，本发明的一台光谱仪可 以容纳几千根光纤，该方法将应用于需要利用大量光纤IFU进行高采样 效率观测的天文望远镜或其他光谱设备。本发明公开的方法被利用于研 制一台能容纳7000根光纤进行同时色散的高采样效率积分视场光谱仪， 该方法也将被利用于未来我国大型日冕仪终端的高采样效率积分视场光 谱仪中。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高采样效率积分视场光谱 仪光学***，沿光路传输方向，包括依次设置的狭缝模块、窄带滤光片模块、 准直模块和色散模块；准直模块的法线与色散模块的法线之间角度等于色散 模块在使用时的入射角，色散模块的法线与成像模块的法线之间角度等于色 散模块在色散使用时的衍射角，所述成像模块和反射探测器模块呈直线排 列。
可选地，所述的狭缝模块包括若干个平行设置的狭缝单元，每个狭缝单 元包括第一狭缝机构和第二狭缝机构，所述第一狭缝机构和第二狭缝机构之 间设置有30mm间隔，每个第一狭缝机构和第二狭缝机构均由相同个数的光 纤组成。
可选地，每个第一狭缝机构和第二狭缝机构包括排列间隔120μm的500 根光纤，每个第一狭缝机构和第二狭缝机构的长度为60mm；第一狭缝机构、 间隔和第二狭缝机构在同一条直线上。
可选地，所述的窄带滤光片模块为窄带滤光片。
可选地，所述的准直模块包括沿光路传输方向依次设置的第一透镜、第 二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述第一透镜、第二 透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜的材料依次采用H-ZK6、 H-K9L、H-K3、H-F51、FCD100、LAF3。
可选地，所述的色散模块为刻划反射式光栅。
可选地，所述的成像模块包括沿光路衍射方向依次设置的第七透镜、第 八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜；所述第七透镜、 第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜的材料依次采用 H-LAK11、H-LAK11、ZF52、Fused silica、ZF52、ZF52。
可选地，所述的反射探测器模块包括平面反射镜和探测器，所述探测器 包括第一探测器和第二探测器，平面反射镜置于探测器与成像模块之间；所 述第一探测器与第十二透镜平行设置，狭缝单元中的第一狭缝机构的像从第 十二透镜出射后直接照射成像在第一探测器上；所述第二探测器置于平面反 射镜下方，所述平面反射镜置于第二探测器与第十二透镜之间，与第二探测 器和第十二透镜(5-6)均呈45°，狭缝单元中的第二狭缝机构的像从第十 二透镜出射后经过平面反射镜反射后照射成像在第二探测器上。
本发明还公开了一种上述的高采样效率积分视场光谱仪光学***的设 计方法，包括以下步骤：
步骤1、确定光栅参数：
光栅方程为：
d(sinα+sinβ)＝mλ (1)
式中，m为衍射阶次，λ为波长，d为光栅常数，α为反射光栅入射角， β为衍射角，α与β同号表示入射角和衍射角在光栅法线同侧，异号表示入射 角和衍射角分别在光栅法线两侧；光谱仪分辨率表达式：
Figure BDA0003060601220000031
式中Δβ为λ和λ+Δλ两个波长衍射分开的角度。则在光谱仪探测器上 λ和λ+Δλ两个波长分开距离s对应的成像***焦距fs为：
fs＝s/Δβ (3)
则光栅前的准直***的焦距fc为：
fc＝fs/M (4)
式中M为光谱仪***放大率，其由探测器靶面尺寸D和所需成像在该 探测器上的光纤数N和光纤排布间隔L决定，其表达式为：
M＝D/(N×L) (5)
光谱仪中使用的光栅尺寸与入射光焦比Fin有关，Lg是光栅刻线方向长 度，Wg是光栅色散方向长度：
Lg＝fc/Fin (6)
Wg＝Lg/cosα (7)
在光谱仪设计中，积分视场单元(Integral Field Unit,IFU)出射端光纤 阵列的空间排布方向和每根光纤的色散方向在探测器上是垂直的；光谱仪整 体的分辨本领是由多种因素共同决定的，这些因素包含：光栅的分辨本领， 狭缝的宽度，探测器的大小和弥散斑的大小；要想实现光谱仪设计的光谱分 辨率指标，在色散方向上，λ和λ+Δλ两个波长在探测器上分开距离s至少 要大于等于一根光纤在探测器上成像沿色散方向的大小；式(5)是光谱仪 在光纤空间方向上的放大倍率；光谱仪在色散方向上的放大倍率M'表达式 为：
M'＝Mcosα/cosβ (8)
则每根光纤的芯径在探测器上沿色散方向上所成像大小O’为：
O'＝M'×O (9)
式中O为光纤芯径直径；本光谱设计要满足以下关系式：
Figure BDA0003060601220000041
式中，η为探测器单个像元的尺寸；
基于探测器参数、狭缝长度和光谱仪分辨本领要求，根据公式(1)-(10) 对光谱仪设计参数进行计算和分析，选择和确定光谱仪中光栅参数尺寸、刻 线密度和闪耀波长；
步骤2、确定狭缝模块1中狭缝的数量
多狭缝积分视场光谱仪的狭缝数量是和很多参数有关系的，例如与探测 器靶面大小、光谱分辨本领、观测波段等等因素相关；每个子狭缝经过光谱 仪***色散后成像在探测器靶面上，沿色散方向所占的尺寸Nsi：
Nsi＝s·(τ0+τ1+τ2)/Δλ (11)
式中τ0、τ1、τ2分别表示窄带滤光片中心观测波段宽度和窄带滤光片 上升沿和下降沿对应的波段宽度；探测器上，多个狭缝色散后的光谱不能发 生重叠，则探测器上能容纳的入射端狭缝数Ns：
Ns≤取整数(D/(Nsi+Δd)) (12)
式中Δd为相邻两个狭缝色散后在探测器上沿色散方向成像之间暗区尺 寸；
通过公式(11)和(12)知，对于窄带滤光片而言，τ0、τ1、τ2越小， 则一次观测的狭缝数量越多，所以在定制滤光片时，需要尽量保证τ1、τ2小，即窄带滤光片的透过率随波长变化的上升沿和下降沿陡峭；
步骤3、采用折射式光学设计：由于是多狭缝积分视场光谱仪设计，其 组成的光谱仪物面尺寸太大，在无遮挡的情况下，反射式结构很难实现二维 大视场设计；对于一个7狭缝的积分视场光谱仪设计，其物面尺寸达到 60mm×150mm，对光学设计的玻璃材料提出了要求，因为一般光学材料的镜 胚尺寸在160mm口径；但考虑到观测波段范围不大，光学设计所使用的玻 璃材料都在成都光明大玻璃库中选择；
步骤4、考虑到积分视场单元的使用要实现观测对象的成谱成像，需要 重构图像，这就要求每根光纤的光能损失要一致，设计中光谱仪***采用物 方远心光路设计，光栅置于准直***出瞳处。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明提出的高采样效率积分视场光谱仪可以明显减少使用IFU 设备的观测望远镜终端光谱仪数量，或者在光谱仪数量一定的情况下， 提高观测的视场大小(即光纤数量)。
2)本发明采用了多狭缝单元和两段狭缝相结合的核心技术方案，匹配 带通滤光片和探测器前反射镜实现高采样效率光谱观测，实现积分视场光谱 仪可以同时获得较大视场二维空间信息和和一维光谱信息，从而实现对物体 (例如：太阳)高时间分辨率的观测。
3)对于同时需要大量光纤进行观测的望远镜设备，例如对于未来我国 大型日冕仪，该高采样效率积分视场光谱仪可以明显减少观测望远镜终端光 谱仪数量和终端设备体积。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技 术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部 分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的 不当限定。在附图中：
图1是本发明高采样效率积分视场光谱仪光学***的结构示意图；
图2是本发明图1中A的放大图；
图3是本发明狭缝模块的结构示意图；
图4是本发明图1中B的放大图；
图5是本发明提供的波长519.85nm在高采样效率积分视场光谱仪光学 ***探测器上像质点列图；其中，黑色圈表示Airy斑大小；
图6是本发明提供的波长525.15nm在高采样效率积分视场光谱仪光学 ***探测器上像质点列图；其中，黑色圈表示Airy斑大小；
图7是本发明提供的波长530.45nm在高采样效率积分视场光谱仪光学 ***探测器上像质点列图；其中，黑色圈表示Airy斑大小；
图8是本发明提供的高采样效率积分视场光谱仪光学***光谱分辨本 领示意图(满足R＝5800@530nm)。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应 用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以 实施。
本发明提供一种高采样效率积分视场光谱仪光学***，是多狭缝和两段 狭缝相结合的技术方案，且同时匹配带通滤光片和探测器前反射镜，来实现 从光谱仪色散方向和空间方向两个维度来提高光谱仪的采样效率，如图1所 示，沿光路传输方向，包括依次设置的狭缝模块1、窄带滤光片模块2、准 直模块3、色散模块4；准直模块3的法线与色散模块4的法线之间角度等 于色散模块4中光栅在使用时对应的入射角(公式(1)中的α)；所述色散模块4的法线与成像模块5的法线之间角度等于色散模块4中光栅在使用时 对应的衍射角(公式(1)中的β)，所述成像模块5和反射探测器模块6 呈直线排列。
其中，所述的狭缝模块1包括若干个平行设置的狭缝单元1-1，每个狭 缝单元1-1包括第一狭缝机构1-2和第二狭缝机构1-3，所述第一狭缝机构 1-2和第二狭缝机构1-3之间设置有30mm间隔1-4，每个第一狭缝机构1-2 和第二狭缝机构1-3均由相同个数的光纤1-5组成。
狭缝模块1采用多狭缝和两段狭缝结合的技术方案，多个狭缝单元间隔 并列排布且每单个狭缝再分成间隔30mm的两段子狭缝(第一狭缝机构1-2 和第二狭缝机构1-3)来实现从光谱仪色散方向和空间方向两个维度来提高 光谱仪采样效率。
所述的窄带滤光片模块2为窄带滤光片，窄带滤光片的透过率随波长变 化的上升沿和下降沿要尽可能陡峭，该窄带滤光片放置在狭缝模块1和准直 模块3之间。
所有狭缝经过同一个窄带滤光片，保证多个狭缝色散后的光谱在探测器 上不发生光谱重叠，保证光谱数据的有效性。
所述的准直模块3包括包括沿光谱传输方向依次设置的第一透镜3-1、 第二透镜3-2、第三透镜3-3、第四透镜3-4、第五透镜3-5和第六透镜3-6； 所述第一透镜3-1、第二透镜3-2、第三透镜3-3、第四透镜3-4、第五透镜 3-5、第六透镜3-6的材料依次采用H-ZK6、H-K9L、H-K3、H-F51、FCD100、 LAF3；准直模块3置于窄带滤光片模块2之后。
准直模块：所有狭缝段出射的光经过同一准直***准直成平行光后，照 射在同一块反射光栅上。
所述的色散模块4为反射式光栅，狭缝模块1入射的光束经过准直模块 3准直后照射在色散模块4中的反射式光栅上进行色散，光栅衍射后的光束 进入成像模块5中。
所述的成像模块5包括沿光路衍射方向依次设置的第七透镜5-1、第八 透镜5-2、第九透镜5-3、第十透镜5-4、第十一透镜5-5和第十二透镜5-6； 所述第七透镜5-1、第八透镜5-2、第九透镜5-3、第十透镜5-4、第十一透镜 5-5和第十二透镜5-6的材料依次采用H-LAK11、H-LAK11、ZF52、Fused silica、ZF52、ZF52；成像***模块5位于色散模块4衍射光出射方向的光 路中，将衍射光汇聚成像在反射探测器模块6中的探测器上。
所述的反射探测器模块6包括平面反射镜6-1和探测器，所述探测器包 括第一探测器6-2和第二探测器6-3，平面反射镜6-1置于探测器与成像模块 5之间；所述第一探测器6-2与第十二透镜5-6平行设置，狭缝单元1-1中的 第一狭缝机构1-2的像从第十二透镜5-6出射后直接照射成像在第一探测器 6-2上；所述第二探测器6-3置于平面反射镜6-1下方，所述平面反射镜6-1 置于第二探测器6-3与第十二透镜5-6之间，与第二探测器6-3和第十二透 镜5-6呈45°，狭缝单元1-1中的第二狭缝机构1-3的像从第十二透镜5-6 出射后经过平面反射镜6-1反射后照射成像在第二探测器6-3上。
其中，反射探测器模块：运用一块平面反射镜6-1将分成两段的子狭缝 (第一狭缝机构1-2和第二狭缝机构1-3)分开成像在第一探测器6-2和第二 探测器6-3上。
本发明的光学***的狭缝模块1采用并排排列的多个狭缝单元1-1与窄 带滤光片2结合使用，保证每个狭缝色散后的光谱在探测器上不发生重叠， 而最终端探测器前放置的平面反射镜6-1将两段狭缝(第一狭缝机构1-2和 第二狭缝机构1-3)的衍射成像光分开成像在第一探测器6-2和第二探测器 6-3上，从光谱仪色散方向和空间方向两个维度来提高光谱仪的采样效率。 光谱仪中所有入射端的狭缝都经过同一套准直***3进行准直，然后照射在 反射光栅4上进行衍射，衍射后的光束再经过同一套成像***5成像，因为 所有光学***全部共用，实现真正意义上一台光谱仪相当于两台光谱仪的工 作。需要注意的是，由于前端的狭缝采用的是多狭缝和两段狭缝相结合的方 案，因此该方案光栅不能工作在Littrow条件下，即光栅入射光和衍射光不 能共用一套光学***，不能采用double-pass的结构。
本发明还公开了一种高采样效率积分视场光谱仪光学***的设计方法， 包括以下步骤：
步骤1、光谱仪入射端(狭缝模块1)采用多个狭缝单元1-1和两段狭缝 第一狭缝机构1-2和第二狭缝机构1-3相结合的技术方案，沿着光谱仪色散 方向采用多个狭缝单元1-1相隔一定间距并列排布来提高采样效率，而沿着 狭缝的空间方向，每个狭缝单元1-1再分成间隔30mm的第一狭缝机构1-2 和第二狭缝机构1-3来提高采样效率；如图3所示光谱仪入射端狭缝排布情 况示意图。
步骤2、将狭缝模块1与窄带滤光片模块2结合使用，光谱仪前端采用 的是多狭缝设计，要配对合适的窄带带通滤光片，保证各个狭缝色散后的光 谱在探测器上不发生重叠，保证光谱数据的有效性，从光谱仪色散方向提高 光谱仪的采样效率。光谱仪的狭缝数量与探测器靶面大小、仪器分辨本领、 观测带宽有关，具体关系见公式(11)-(12)。
步骤3、每个狭缝分成两段(图3中的第一狭缝机构1-2和第二狭缝机 构1-3)结合探测器前平面反射镜6-1使用，保证两个分段狭缝色散后的光谱 分别进入到不同的两个探测器(第一探测器6-2和第二探测器6-3)上。整个 光谱仪入射端所有狭缝的入射光都经过同一套窄带滤光片模块2、准直模块 3、色散模块4和成像***5，实现真正意义上的一台光谱仪实现两台光谱仪 的功能，大大减少光谱仪数量和尺寸；实现沿着光谱仪空间方向提高光谱仪 采样效率。
步骤4、该方案适合采用折射式结构，不适合利用反射结构，即准直系 统和成像***光学元件都采用透镜折射结构光学设计。这是因为本光谱仪采 用的核心技术多狭缝和两段狭缝相结合的技术决定的，因为采用该结构，该 光谱仪入射端就不在是传统的单个狭缝，或者多个狭缝排成一列，而是一个 二维的物面。如果采用反射式结构，要避免光线在光谱仪***中发生遮挡， 一定采用的是离轴反射结构，而离轴反射结构对于大尺寸二维物面成像不 利，因此设计方面准直***和成像***采用折射式结构。
实施例1
本发明的实施例采用上述的高采样效率积分视场光谱仪光学***，该实 施例主要针对太阳日冕观测波段519.85nm-530.45nm，此外，在该波段范围 内也有很丰富的太阳色球、光球谱线，也可实现对太阳光球和色球的观测， 研制成功后将安装在中国科学院云南天文台丽江天文观测站FASOT-1B望远 镜后端，可以将现在的望远镜观测视场提高接近30倍，用于深入研究和理 解太阳活动，解开太阳大气剧烈活动机制、太阳风加速和日冕加热等太阳物 理核心问题。此外该高采样效率积分视场光谱仪光学***也是未来我国1.2米全球最大折射式日冕仪研制满足要求的首台高采样效率积分视场光谱仪 样机。该高采样效率积分视场光谱仪由于主要针对日冕谱线进行观测，考虑 到日冕能量较弱，为避免曝光时间太长，光谱分辨本领满足5800@530nm； 观测波段为：519.85nm-530.45nm。
本发明采用多狭缝和两段狭缝结合的方法，要完成高采样效率积分视场 光谱仪光学***的设计，光栅作为光谱仪(即高采样效率积分视场光谱仪光 学***，下同)核心元件，首先要选出合适的光栅。光栅方程为：
d(sinα+sinβ)＝mλ (1)
式中，m为衍射阶次，λ为波长，d为光栅常数，α为反射光栅入射角， β为衍射角，α与β同号表示入射角和衍射角在光栅法线同侧，异号表示入射 角和衍射角分别在光栅法线两侧。光谱仪分辨率表达式：
Figure BDA0003060601220000111
式中Δβ为λ和λ+Δλ两个波长衍射分开的角度。则在光谱仪探测器上 λ和λ+Δλ两个波长分开距离s对应的成像***焦距fs为：
fs＝s/Δβ (3)
则光栅前的准直***的焦距fc为：
fc＝fs/M (4)
式中M为光谱仪***放大率，其由探测器靶面尺寸D和所需成像在该 探测器上的光纤数N和光纤排布间隔L决定，其表达式为：
M＝D/(N×L) (5)
光谱仪中使用的光栅尺寸与入射光焦比Fin有关，Lg是光栅刻线方向长度， Wg是光栅色散方向长度：
Lg＝fc/Fin (6)
Wg＝Lg/cosα (7)
在光谱仪设计中，IFU出射端光纤阵列的空间排布方向和每根光纤的色 散方向在探测器上是垂直的。光谱仪整体的分辨本领是由多种因素共同决定 的，这些因素包含：光栅的分辨本领，狭缝的宽度，探测器的大小和弥散斑 的大小。要想实现光谱仪设计的光谱分辨率指标，在色散方向上，λ和λ+Δ λ两个波长在探测器上分开距离s至少要大于等于一根光纤在探测器上成像 沿色散方向的大小。式(5)是光谱仪在光纤空间方向上的放大倍率。由于 光栅本身的特殊性，致使光谱仪在光纤色散方向的放大倍率与其空间方向不 一样，光谱仪在色散方向上的放大倍率M'表达式为：
M'＝Mcosα/cosβ (8)
则每根光纤的芯径在探测器上沿色散方向上所成像大小O’为：
O'＝M'×O (9)
式中O为光纤芯径直径。以上提到的影响光谱仪分辨本领的四个因素， 分辨率最低的那个因素起决定作用，一般都差不多时，分辨率是其平方和的 平方根。因为光栅本身分辨本领很高，不会限制光谱仪的分辨本领，因此， 本光谱设计要满足以下关系式：
Figure BDA0003060601220000121
式中，η为探测器单个像元的尺寸。最合理的设计，是这些因素相互匹 配，特别不要因为探测器影响原本的分辨本领。
对于高采样效率积分视场光谱仪光学***，探测器选择目前国内靶面最 大的SCOMS相机，芯片为6144pixels×6144pixels，单个像元尺寸为10μm/ pixel，探测器靶面大小61.44mm。入射端狭缝总高度1-2、1-3和1-4之和的长 度为150mm，其中1-2和1-3的长度分别都为60mm(对应500根排列间隔120μm 的光纤)，分别成像在两个探测器上，光纤排列空间方向上，***放大倍率 M＝61.44/60＝1.024，考虑到谱线弯曲，探测器靶面周围要留一部分暗区，放 大率取值M＝0.95。满足光谱分辨率R＝5800@530nm的λ和λ+Δλ两个波长在探测器上分开距离s为37μm大小，光谱仪***入射角比Fin/5。基于以上探测器 参数、狭缝长度和光谱仪分辨本领的等参数，根据光谱仪设计计算和分析公 式(1)-(10)，光栅选择商用Richardson grating，型号53-260的商用刻划光 栅。其他光学***具体参数如下：1)准直***焦距fc＝720mm，成像***焦 距fs＝685mm，2)光栅入射角：α＝22°，衍射角：β＝-3.245(530nm)。3) 光栅尺寸：Lg＝144mm，Wg＝155mm。4)色散方向上的放大倍率M’＝0.88。
其次计算该光谱仪能容纳的狭缝数量，每个子狭缝经过光谱仪***色散 后成像在探测器靶面上，沿色散方向所占的尺寸Nsi：
Nsi＝s·(τ0+τ1+τ2)/Δλ (11)
式中τ0、τ1、τ2分别表示窄带滤光片中心观测波段宽度和窄带滤光片 上升沿和下降沿对应的波段宽度。探测器上，多个狭缝色散后的光谱不能发 生重叠，则探测器上能容纳的入射端狭缝数Ns：
Ns≤取整数((D+(τ1+τ1)/Δλ)/(Nsi+Δd)) (12)
式中Δd为相邻两个狭缝色散后在探测器上沿色散方向成像之间暗区尺 寸。
通过公式(11)和(12)可知，对于窄带滤光片而言，τ0、τ1、τ2越 小，则一次可观测的狭缝数量越多，所以在定制滤光片时，需要尽可能保证 τ1、τ2小，即窄带滤光片的透过率随波长变化的上升沿和下降沿陡峭。目 前国内滤光片上升沿和下降沿透过率达到10－5Tmax，对应的τ1和τ2为5nm。 观测波段τ0为10.6nm，Δd取探测器上20pixels，通过公式(11)－(12)可 得Ns≤7.3，取整数Ns＝7。因此高采样效率积分视场光谱仪光学***一共有7 狭缝，每个狭缝再分成两段，能容纳光纤数量7×500×2＝7000根光纤。
考虑该高采样效率积分视场光谱仪光学***后期的观测需求，可以与不 同望远镜进行匹配观测，光谱仪要求方便移动，结构紧凑，尺寸不易太大。 此外，7狭缝组成的光谱仪物面尺寸太大，在无遮挡的情况下，反射式结构 很难实现4.8°×11.8°大视场设计。基于以上两点，本项目光学设计采折射 式光学设计。由于物面尺寸60mm×150mm，对光学设计的玻璃材料提出了要 求，因为一般光学材料的镜胚尺寸在160mm口径。但考虑到观测波段范围 都不大，也为使用折射式光学设计提供了可能，光学设计所使用的玻璃材料 都在成都光明大玻璃库中选择。此外，考虑到积分视场单元的使用要实现观 测对象的成谱成像，需要重构图像，这就要求每根光纤的光能损失要一致， 设计中光谱仪***采用物方远心光路设计，光栅置于准直***出瞳处。
本发明实施例的高采样效率积分视场光谱仪光学***设计如图1所示。 图1中狭缝1是由7000根排列间隔120μm的光纤组成的赝狭缝(如图3所 示)，该狭缝采用的是7个狭缝单元，每个狭缝单元又分成两段，两个子狭 缝(第一狭缝机构1-2和第二狭缝机构1-3)之间间隔30mm，一共可以容纳7000根光纤。狭缝模块1中的7个狭缝入射的光先经过带通滤光片2后，再 通过6块大透镜组成的准直模块3准直后照射在色散模块4上进行色散，色 散后的光谱再经过由6块大透镜组成的成像模块5成像在反射探测器模块6 中的探测器上。在反射探测器模块6前端150mm距离处，放置反射镜6-1， 将入射端分成两段的子狭缝的衍射成像光分开成像在不同的两个探测器6-2 和6-3上。实现一台光谱仪相当于两台光谱仪工作的效果。
图5-图7是高采样效率积分视场光谱仪光学***探测器上像质点列图， 给出了狭缝1中第1个狭缝、第4个狭缝和第7个狭缝在519.85nm、525.15nm 和530.45nm波长的点列图，此处只显示了一个探测器上的像质图，另一个 与其一致。图中黑色圈表示衍射极限条件下的Airy斑大小，该光谱仪光学系 统设计的点列图基本都在艾里斑以内，接近衍射极限成像，光学******像 质很好。
关于***分辨率为5800@530nm，即狭缝上任意一处光纤发出的光束经 过光栅色散后，在探测器上，530nm(λ)波长的光纤像要和 530+530/5800＝530.091379nm(λ+dλ)波长的光纤像能够分辨开来。图8 是光谱仪分辨本领示意图，图中每一小格对应10μm，狭缝上一点发出的 530nm(λ)、530.091379nm(λ+dλ)和529.908621nm(λ-dλ)三个 波长在探测器上分开的间隔为36μm。成像点弥散斑直径(RMS值)大小最 大为4.5μm，35μm的光纤芯径在探测器沿色散方向上理想成像(点物成点 像)大小为30μm，因此35μm的光纤芯径对应的λ波长(530nm)在探测器 上成像大小(沿色散方向)为
Figure RE-GDA0003203264270000141
(λ与λ+d λ在探测器上分开的距离)。因此同一个光纤发出的530nm、530.091379nm 和529.908621nm三个波长能在探测器上分开，满足R＝5800@530nm分辨本 领的设计要求。
本实施例能容纳排列间隔120μm的7000根光纤同时采样的高采样效率 积分视场光谱仪光学***，该高采样效率积分视场光谱仪光学***已经投入 工程化加工，同时，研制的该高采样效率积分视场光谱仪将解决未来1.2米 全球最大折射式日冕仪的核心技术，为其终端所需高采样效率光谱仪提供技 术支持。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解 发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可 用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过 上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和 变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高采样效率积分视场光谱仪光学***，其特征在于，沿光路传输方向，包括依次设置的狭缝模块(1)、窄带滤光片模块(2)、准直模块(3)和色散模块(4)；准直模块(3)的法线与色散模块(4)的法线之间角度等于色散模块(4)在使用时的入射角，色散模块(4)的法线与成像模块(5)的法线之间角度等于色散模块(4)在色散使用时的衍射角，所述成像模块(5)和反射探测器模块(6)呈直线排列。
2.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪光学***，其特征在于，所述的狭缝模块(1)包括若干个平行设置的狭缝单元(1-1)，每个狭缝单元(1-1)包括第一狭缝机构(1-2)和第二狭缝机构(1-3)，所述第一狭缝机构(1-2)和第二狭缝机构(1-3)之间设置有30mm间隔(1-4)，每个第一狭缝机构(1-2)和第二狭缝机构(1-3)均由相同个数的光纤(1-5)组成。
3.根据权利要求2所述的高采样效率积分视场光谱仪光学***，其特征在于，每个第一狭缝机构(1-2)和第二狭缝机构(1-3)包括排列间隔120μm的500根光纤(1-5)，每个第一狭缝机构(1-2)和第二狭缝机构(1-3)的长度为60mm；第一狭缝机构(1-2)、间隔(1-4)和第二狭缝机构(1-3)在同一条直线上。
4.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪光学***，其特征在于，所述的窄带滤光片模块(2)为窄带滤光片。
5.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪光学***，其特征在于，所述的准直模块(3)包括沿光路传输方向依次设置的第一透镜(3-1)、第二透镜(3-2)、第三透镜(3-3)、第四透镜(3-4)、第五透镜(3-5)和第六透镜(3-6)；所述第一透镜(3-1)、第二透镜(3-2)、第三透镜(3-3)、第四透镜(3-4)、第五透镜(3-5)、第六透镜(3-6)的材料依次采用H-ZK6、H-K9L、H-K3、H-F51、FCD100、LAF3。
6.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪光学***，其特征在于，所述的色散模块(4)为刻划反射式光栅。
7.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪光学***，其特征在于，所述的成像模块(5)包括沿光路衍射方向依次设置的第七透镜(5-1)、第八透镜(5-2)、第九透镜(5-3)、第十透镜(5-4)、第十一透镜(5-5)和第十二透镜(5-6)；所述第七透镜(5-1)、第八透镜(5-2)、第九透镜(5-3)、第十透镜(5-4)、第十一透镜(5-5)和第十二透镜(5-6)的材料依次采用H-LAK11、H-LAK11、ZF52、Fused silica、ZF52、ZF52。
8.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪光学***，其特征在于，所述的反射探测器模块(6)包括平面反射镜(6-1)和探测器，所述探测器包括第一探测器(6-2)和第二探测器(6-3)，平面反射镜(6-1)置于探测器与成像模块(5)之间；所述第一探测器(6-2)与第十二透镜(5-6)平行设置，狭缝单元(1-1)中的第一狭缝机构(1-2)的像从第十二透镜(5-6)出射后直接照射成像在第一探测器(6-2)上；所述第二探测器(6-3)置于平面反射镜(6-1)下方，所述平面反射镜(6-1)置于第二探测器(6-3)与第十二透镜(5-6)之间，与第二探测器(6-3)和第十二透镜(5-6)均呈45°，狭缝单元(1-1)中的第二狭缝机构(1-3)的像从第十二透镜(5-6)出射后经过平面反射镜(6-1)反射后照射成像在第二探测器(6-3)上。
9.一种权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪光学***的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、确定光栅参数：
光栅方程为：
d(sinα+sinβ)＝mλ (1)
式中，m为衍射阶次，λ为波长，d为光栅常数，α为反射光栅入射角，β为衍射角，α与β同号表示入射角和衍射角在光栅法线同侧，异号表示入射角和衍射角分别在光栅法线两侧；光谱仪分辨率表达式：
Figure FDA0003060601210000021
式中Δβ为λ和λ+Δλ两个波长衍射分开的角度。则在光谱仪探测器上λ和λ+Δλ两个波长分开距离s对应的成像***焦距fs为：
fs＝s/Δβ (3)
则光栅前的准直***的焦距fc为：
fc＝fs/M (4)
式中M为光谱仪***放大率，其由探测器靶面尺寸D和所需成像在该探测器上的光纤数N和光纤排布间隔L决定，其表达式为：
M＝D/(N×L) (5)
光谱仪中使用的光栅尺寸与入射光焦比Fin有关，Lg是光栅刻线方向长度，Wg是光栅色散方向长度：
Lg＝fc/Fin (6)
Wg＝Lg/cosα (7)
在光谱仪设计中，积分视场单元(Integral Field Unit,IFU)出射端光纤阵列的空间排布方向和每根光纤的色散方向在探测器上是垂直的；光谱仪整体的分辨本领是由多种因素共同决定的，这些因素包含：光栅的分辨本领，狭缝的宽度，探测器的大小和弥散斑的大小；要想实现光谱仪设计的光谱分辨率指标，在色散方向上，λ和λ+Δλ两个波长在探测器上分开距离s至少要大于等于一根光纤在探测器上成像沿色散方向的大小；式(5)是光谱仪在光纤空间方向上的放大倍率；光谱仪在色散方向上的放大倍率M'表达式为：
M'＝M cosα/cosβ (8)
则每根光纤的芯径在探测器上沿色散方向上所成像大小O’为：
O'＝M'×O (9)
式中O为光纤芯径直径；本光谱设计要满足以下关系式：
Figure FDA0003060601210000031
式中，η为探测器单个像元的尺寸；
基于探测器参数、狭缝长度和光谱仪分辨本领要求，根据公式(1)-(10)对光谱仪设计参数进行计算和分析，选择和确定光谱仪中光栅参数尺寸、刻线密度和闪耀波长；
步骤2、确定狭缝模块(1)中狭缝的数量
多狭缝积分视场光谱仪的狭缝数量是和很多参数有关系的，例如与探测器靶面大小、光谱分辨本领、观测波段带宽等等因素相关；每个子狭缝经过光谱仪***色散后成像在探测器靶面上，沿色散方向所占的尺寸Nsi：
Nsi＝s·(τ0+τ1+τ2)/Δλ (11)
式中τ0、τ1、τ2分别表示窄带滤光片中心观测波段宽度和窄带滤光片上升沿和下降沿对应的波段宽度；探测器上，多个狭缝色散后的光谱不能发生重叠，则探测器上能容纳的入射端狭缝数Ns：
Ns≤取整数(D/(Nsi+Δd)) (12)
式中Δd为相邻两个狭缝色散后在探测器上沿色散方向成像之间暗区尺寸；
通过公式(11)和(12)知，对于窄带滤光片而言，τ0、τ1、τ2越小，则一次观测的狭缝数量越多，所以在定制滤光片时，需要尽量保证τ1、τ2小，即窄带滤光片的透过率随波长变化的上升沿和下降沿陡峭；
步骤3、采用折射式光学设计：由于是多狭缝积分视场光谱仪设计，其组成的光谱仪物面尺寸太大，在无遮挡的情况下，反射式结构很难实现二维大视场设计；对于一个7狭缝的积分视场光谱仪设计，其物面尺寸达到60mm×150mm，对光学设计的玻璃材料提出了要求，因为一般光学材料的镜胚尺寸在160mm口径；但考虑到观测波段范围不大，光学设计所使用的玻璃材料都在成都光明大玻璃库中选择；
步骤4、考虑到积分视场单元的使用要实现观测对象的成谱成像，需要重构图像，这就要求每根光纤的光能损失要一致，设计中光谱仪***采用物方远心光路设计，光栅置于准直***出瞳处。
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