CN114089451A - 一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器，包括像切分器,所述像切分器由七个大小相同的六边形微透镜组成。像切分器将目标光斑切分为七个部分，并在像切分器后表面将光耦合进入七根光纤中。七根光纤的另外一端排列成一排，对应光谱仪的入射狭缝。本发明可以切分目标光斑、减小输送至光谱仪中的光纤直径，提高光谱分辨率；同时成像***像面上的光纤能够实时、准确跟踪目标光斑，使得接收到的目标光斑能量最大化。

Description

一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器
技术领域
本发明涉及光学技术领域领域，具体为一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器。
背景技术
光谱技术是根据目标对光的反射、吸收、透射和辐射等所反映出的光谱特征从而识别特定目标。光谱测量技术，利用大量窄光谱通道进行信息的提取分类。由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以通过被测目标的光谱特性判断目标物质的成分、含量、状态等信息，广泛应用于遥感、医学、环境监测、军事侦查等领域中。
随着以光能作为信息载体的多种领域迅速发展，实现接收端精准接收、实时追踪光信号以及提高光谱分辨率等技术显得尤为重要。自从1977年光纤第一次被引入望远镜中，光纤技术在天文领域中便扮演着重要的角色。在过去几十年，大范围天文光谱调查项目通过使用多目标望远镜使我们对于宇宙的本质及进化都有了更深刻的认识。多目标望远镜利用光纤定位***将光纤固定在望远镜焦平面上，收集目标星体的光谱信息。由我国科学家自主创新设计研制的郭守敬望远镜(The Large Sky Area Multi-Object FiberSpectroscopic Telescope,LAMOST)采用了独创的双转轴式光纤定位技术，在望远镜焦平面上部署了4000根光纤，是目前世界上光谱获取率最高的望远镜。
进行天文光谱观测时，目标星体的光谱通过焦平面上的光纤被输送至光谱仪中。为了提高光谱分辨率，光谱仪的狭缝宽度往往比星体光斑的直径更窄，导致只有少部分光能够进入光谱仪中，而大部分光被挡在狭缝之外得不到利用。LAMOST中使用的科学光纤纤芯直径为320μm，当减小狭缝宽度时，将损失大量光能，使得光谱背景噪声大、信噪比低，光谱分辨率下降，对暗弱目标的观测效果下降。
光纤与目标光斑的对准精度也影响着观测的效率和质量。光纤***其自身的机械误差、光纤位置检测***的测量误差会造成光纤与目标光斑之间的相对偏移；由于大气湍流和望远镜机械定位精度等因素，目标星体光斑也会发生微小偏差，降低光斑能量传输效率。因此，保证科学光纤实时跟踪目标光斑，使光斑全部耦合进入科学光纤纤芯，对提升观测效率和光谱分辨率意义重大。目前光纤***检测***大多使用背向光照光纤的方法来校准光纤。由于这种方法需要从光谱仪端的光纤打光，检测过程中望远镜无法正常观测。中国科学技术大学和中国科学院国家天文台的研究人员又提出了一种前向照明方法，这种检测方法不需要从光谱仪端进行光照，一定程度上提高了检测效率，但是在长时间曝光观测中也不能实现实时监测光斑与光纤纤芯的相对位置。中国专利CN104898214A所述的嵌入式多芯光纤瞄准器及定位装置，利用多芯光纤中不同探测光纤的光信号大小，反映出光源光场位置信息。该装置直接用光纤接收光信号，光纤耦合效率不高；同时当偏离的光斑落在科学光纤和探测光纤之间时，无法探测出信号响应，有探测盲区。
发明内容
本发明的目的是为了针对成像***中光纤纤芯直径较大导致目标光谱分辨率低以及光纤***不能实时跟踪目标光斑的问题，提供一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器。
本发明的目的是这样实现的：
一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器，包括像切分器,所述像切分器由七个大小相同的六边形微透镜组成。像切分器将目标光斑切分为七个部分，并在像切分器后表面将光耦合进入七根光纤中。七根光纤的另外一端排列成一排，对应光谱仪的入射狭缝。
进一步地,所述七根光纤尺寸、材料相同。
进一步地，所述六边形微透镜的边长与大气湍流等因素形成的目标光斑直径相关，应保证六边形微透镜的外接圆直径小于目标光斑直径，即实现切分目标光斑的功能；保证整个像切分器的内切圆直径大于目标光斑直径，即目标光斑可以完整地进入像切分器中。
进一步地，所述六边形微透镜对前端***的孔径光阑成像，出瞳的位置位于像切分器的后表面，应保证成像于后表面的七个出瞳光斑足够小且每个光斑之间有足够的间距，可以使目标光斑的所有能量耦合进入后端的七根光纤纤芯中。
进一步地，所述七根光纤采用堆积的方式固定于毛细玻璃管中，粘接于像切分器后端，毛细玻璃管的内径应保证七根光纤正好填充于毛细玻璃管中。
进一步地，所述七根光纤参数相同，光纤纤芯直径应大于切分器后表面会聚的出瞳光斑直径，光纤涂覆层直径与后表面会聚的七个出瞳光斑间距相匹配，光纤数值孔径大于六边形微透镜对前端***孔径光阑成像的像方数值孔径，保证七个出瞳光斑能够全部耦合进入光纤纤芯中。
进一步地，像切分器前表面镀有工作波段增透膜，减小原件表面反射引入的光能损耗。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用七个六边形微透镜将一个目标光斑切分为七个，所需的光纤芯径小于目标光斑直径，减小了光谱仪端接收的光斑直径，提高了光谱分辨率；
(2)无需中断观测，利用七个光谱仪的反馈，便可以确定目标光斑与像切分器中心的相对位置，使七根光纤实时、准确地瞄准目标；
(3)无探测盲区；
(4)像切分器表面镀有工作波段增透膜，最大程度减小元件表面反射的光损耗。
附图说明
图1为本发明像切分器的整体结构示意图；
图2为本发明像切分器的前表面结构图；
图3为本发明毛细玻璃管中堆积光纤的横截面示意图；
图4为本发明前端光学***孔径光阑的边缘光束在像切分器剖面中传播的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见图1，本发明的像切分器由七个六边形微透镜1组成。七根光纤2采用堆积的方式固定于毛细玻璃管3中，与像切分器相连接。七根光纤分别与七个六边形微透镜的中心对准，七根光纤的另一端排列在一个狭缝内，将光送入光谱仪中。
参见图2，七个六边形微透镜1的边长大小相同。六边形微透镜的边长m与大气湍流等因素形成的目标光斑直径d1相关，应保证六边形微透镜的外接圆直径d3小于目标光斑直径d1，且整个像切分器的内切圆直径d2大于目标光斑直径d1。数学关系如下所示：
d3＜d1＜d2 (1)
d3＝2m (2)
d2＝4m (3)
在实际应用中，像切分器的内切圆直径应大于目标光斑的直径，保证目标光斑有微小偏移时，像切分器依然能够接收完整的目标光斑。
参见图2、图3，七根光纤2采用堆积的方法固定于毛细玻璃管3中，毛细玻璃管的内径D3应保证七根光纤正好填充于毛细玻璃管中，每根光纤的涂覆层直径D2应小于等于六边形微透镜的内切圆直径，光纤纤芯直径D1应小于光纤涂覆层直径D2，且光纤数值孔径大于六边形微透镜对望远镜孔径光阑成像的像方数值孔径。光纤涂覆层直径D2、毛细玻璃管的内径D3存在数学关系：
D3＝3D2 (4)
七根光纤的另一端排列在一块狭缝内，将光送入光谱仪中。通过光谱仪检测每根光纤的光信号，判断目标光斑是否发生偏移，以及目标光斑偏移的位置。
参见图4，六边形微透镜1对前端***的孔径光阑5成像，出瞳的位置位于像切分器的后表面。当前端***孔径光阑5与六边形微透镜1同轴心时，微透镜前表面的曲率半径r与物方截距-l、像切分器的厚度h、物方折射率n、切分器折射率n′存在数学关系：
Figure BDA0003359850220000041
再结合光学设计软件，优化六边形微透镜前表面的曲率半径r与其厚度h，保证像切分器后表面出瞳光斑的所有能量都能够耦合进入七根光纤中。
参见图4，在加工完成后的像切分器前表面镀工作波段增透膜4，减小元件表面反射造成的光能损耗。
综上所述，本发明提出了一种可以进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器，可以减小进入光谱仪的光斑直径，提高目标观测光谱分辨率；同时还可以使光纤实时、准确地跟踪目标，无探测盲区。相比于现有技术，本发明提高了观测的效率、光谱利用率以及光谱分辨率。
上述说明详细描述了本发明，但应该理解本发明不局限于此，无论是采用任何材料制作的任何结构参数的像切分器与任何结构参数的堆积光纤束的组合形式，都属于本发明的一种变形，在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器，其特征是:包括像切分器,所述像切分器由七个大小相同的六边形微透镜(1)组成。像切分器将目标光斑切分为七个部分，并在像切分器后表面将光耦合进入七根光纤(2)中。七根光纤(2)的另外一端排列成一排，对应光谱仪的入射狭缝。
2.根据权利要求1所述的一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器，其特征是：所述七根光纤尺寸、材料相同。
3.根据权利要求1所述的一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器，其特征是：所述六边形微透镜(1)的边长与大气湍流等因素形成的目标光斑直径相关，应保证六边形微透镜的外接圆直径小于目标光斑直径，即实现切分目标光斑的功能；保证整个像切分器的内切圆直径大于目标光斑直径，即目标光斑可以完整地进入像切分器中。
4.根据权利要求1所述的一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器，其特征是：所述六边形微透镜对前端***的孔径光阑成像，出瞳的位置位于像切分器的后表面，应保证成像于后表面的七个出瞳光斑足够小且每个光斑之间有足够的间距，可以使目标光斑的所有能量耦合进入后端的七根光纤纤芯中。
5.根据权利要求1所述的一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器，其特征是：所述七根光纤(2)采用堆积的方式固定于毛细玻璃管(3)中，粘接于像切分器后端，毛细玻璃管(3)的内径应保证七根光纤(2)正好填充于毛细玻璃管(3)中。
6.根据权利要求1所述的一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器，其特征是：所述七根光纤(2)参数相同，光纤(2)纤芯直径应大于切分器后表面会聚的出瞳光斑直径，光纤(1)涂覆层直径与后表面会聚的七个出瞳光斑间距相匹配，光纤(2)数值孔径大于六边形微透镜(1)对前端***孔径光阑(5)成像的像方数值孔径，保证七个出瞳光斑能够全部耦合进入光纤(2)纤芯中。
7.根据权利要求1所述的一种进行实时位置反馈并提高光谱分辨率的像切分器，其特征是：像切分器前表面镀有工作波段增透膜(4)，减小原件表面反射引入的光能损耗。
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