CN104568149A - 一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，在不明显增加成和系统复杂性的前提下，通过在光谱仪系统焦面的共轭位置引入波前探测器，与集成在望远镜系统中的自适应光学系统构成了一个双波前探测器的自适应光学系统。使太阳光栅光谱成像装置不仅具有校正动态波前像差的能力，同时具有校正整个光学系统静态像差的能力。这对于提高光谱成像装置的光谱成像质量具有重要意。

Description

一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置

技术领域

本发明涉及一种太阳光栅光谱成像装置，特别是针对可校正大气波前像差和光谱仪系统像差的太阳自适应光学光栅光谱成像装置。

背景技术

太阳成像光栅光谱仪是研究太阳大气分层特性的一个重要仪器，它即可以对太阳大气进行多波段同时观测，同时也可以对太阳大气中的快速运动目标进行观测(黄佑然，许熬敖，秦志海,等.实测天体物理学[M].北京：北京科学出版社，1987.)。此外通过对太阳大气进行光谱观测，可以获得所爆发的太阳大气对应的热力学参数，如太阳温度、元素丰度、视向速度场及磁场等重要信息。然而太阳光栅光谱仪的性能严重受到波前像差的影响，如大气湍流引起的动态波前像差，系统的装调误差及系统中的光学元件的加工误差等(Qingsheng Xue,"Astigmatism-corrected Czerny–Turner imaging spectrometer for broadband spectralsimultaneity,"Appl.Opt.50,1338-1344(2011))。表现在所观测到的谱线会受到像差的调制作用，如大气湍流扰动会导致太阳光栅光谱仪焦面上太阳像成像质量的衰减，从而无法进行长时间的稳定的成像观测或光谱观测。因此消除大气扰动和系统的装调像差对提高太阳光栅光谱仪的光谱成像性能具有重要意义。

由于波前整体倾斜像差约占了总体波前像差的90％，因此传统的消除大气湍流像差方法是采用具有倾斜像差校正能力的自适应光学技术(A&A Supplement series,Vol.128,FebruaryII 1998,229-244)，如图1所示。由于这种方案并没有消除高阶像差对太阳光栅光谱成像装置性能的影响，所以该方案只是适用于大气视宁度良好的情况。然而实际上大气视宁度一般较不稳定，尤其是对工作于白天的太阳望远镜而言。此时，波前的高阶像差对光谱仪的性能会产生严重不良的影响，如导致光谱展宽和能量的扩散。此时较好的解决方案是倾斜镜和变型镜结合，用倾斜镜校正波前的倾斜像差，而用变型镜校正波前的高阶像差，如图2所示。前面所提到的这两种方法解决的对象都是只针对由大气湍流像差引起的波前像差，而望远镜系统和光谱仪系统的装调误差及光学元件的加工误差等引起的静态波前像差并无法通过自适应光学技术进行校正。这些静态像差都会对太阳光栅光谱仪的光谱成像质量产生严重的衰减，它不仅会导致太阳光栅光谱仪的光谱分辨率的衰减，还会导致太阳光栅光谱仪能量利用率的衰减因而无法对太阳大气活动进行准确的观测和高精度的层析成像研究。

基于这个背景，本发明提出一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置。在没有明显增加系统复杂性和成本的前提下，通过在光谱仪焦面的共轭位置引入一个波前传感器，与望远镜系统中的第一波前探测器一起构成了一个双波前探测器的自适应光学系统。使之不仅具有校正望远镜系统中倾斜像差和大气湍流高阶像差的能力，同时具有校正系统中静态像差(如装调误差和光学元件加工误差)的能力。这对于更准确的太阳大气活动研究和更高精度的层析成像研究具有重要意义，创新性和实用性明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：波前像差如大气湍流或光学系统的静态像差如装调误差或光学元件的加工误差等都会严重影响到太阳光栅光谱成像装置的光谱成像观测性能。它不仅会引起太阳望远镜焦平面上的太阳像抖动，因此无法对太阳爆发的大气活动进行跟踪和光谱成像观测，还会导致太阳光栅光谱仪的光谱分辨率和能量利用率的衰减。这些对于准确研究太阳大气活动和高精度层析成像观测会产生严重的不良影响。因此，本发明提出一种相应的解决方法，试图突破大气扰动和光学系统的静态像差对太阳光栅光谱成像装置的成像质量和光谱观测性能的限制。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，包括：望远镜、准直器、倾斜镜、波前校正器DM、二向色分光镜、第一波前探测器、波前控制器、成像系统、狭缝、准直镜、光栅、二向色分光镜、准直器、第二波前探测器、数据采集系统和数据处理及控制计算机组成。其中：

太阳望远镜对太阳大气活动目标进行成像后，经准直器准直为平行光后入射至高速倾斜镜，用于实时校正大气湍流造成的波前整体倾斜；经高速倾斜镜后光束反射至波前校正器DM，用于实时校正高阶大气湍流像差引起的波前畸变；经波前校正器反射后的光束又被二向色分光镜分为反射光和透射光，并分别进入第一波前探测器和太阳光栅光谱成像装置狭缝中；经过狭缝后，光束被准直镜准直为平行光并入射至光栅；经光栅色散分光后，目标波长又重新入射至准直镜。被准直镜会聚的光束被分光镜分为两束光。其中其中一束光入射到数据采集系统用于光谱成像数据的采集，另一束光被准直器准直为平行光并入射至第二波前探测器，从而实现对整个光学系统的波前像差进行探测。

其中，望远镜系统中的第一波前探测器和光谱仪系统中的第二波前探测器分别对望远镜中不断变化的波前畸变和整个光学系统中的校正残余波前像差进行实时探测，并经数据处理及控制计算机处理后得到控制波前控制器的驱动信号，分别用于控制高速倾斜镜和波前校正器DM进行像差校正；校正后的光束又重新被望远镜系统中的波前第一探测器和光谱仪系统中的第二波前探测器探测，探测到的波前数据又被传送至数据处理及控制计算机进行处理，从而实现了实时对波前像差进行不断探测和校正。其中，数据处理及控制计算机负责整个系统的协同工作。

任意的一个随机波前像差均可用Zernike多项式表示，如下式所示：

其中，0≤r≤1,θ为r与x轴形成的夹角，为孔径内波前，a_j为各阶模式系数，j为Zernike阶数。其中a_j表示如下：

其中W(r,θ)为窗函数，如下式所示：

$W(r,\mathrm{\θ})=\left\{\begin{array}{c}1/\mathrm{\π},\left|r\right|\≤1\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(3\right)$

设此时第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)探测到的波前像差分别为Φ1和Φ2，其被分解为各阶Zernike像差的组合，如下式所示：

$\mathrm{\Φ}1=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{j1}\×Z_j---\left(4\right)$

$\mathrm{\Φ}2=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{j2}\×Z_j---\left(5\right)$

其中，Z_j表示第j阶Zernike多项式，a_j1和a_j2分别为Φ1和Φ2的各阶Zernike系数；

设太阳光栅光谱成像装置的初始像差为Φ，则经过自适应光学校正后系统的残余波前像差如下式所示：

Φ_res＝Φ-Φ1-Φ2 (6)

校正后的波前像差又重新分别被望远镜系统中的波前第一探测器和光谱仪系统中的第二波前探测器探测，探测数据又传送至数据处理及控制计算机(16)计算并产生相关的控制驱动信号并进行下一轮校正。如此反复，Φ_res将逐渐趋于零。通过这种基于双波前传感器的自适应光学系统对波前动态像差及系统中的静态像差进行实时探测和校正后，能够有效的提高太阳光栅光谱成像装置的光谱成像质量。这对于更准确的太阳大气活动研究和更高精度的层析成像研究具有重要意义。

本发明的原理：提出一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置。在不明显增加成本和系统复杂性的前提下，通过对传统的自适应光学系统进行改造，即通过在光谱仪焦面的共轭位置引入一个波前探测器，使之不仅具有校正望远镜倾斜像差和高阶像差的能力，同时具有校正光学系统静态像差的能力，如光谱仪系统装调误差和光学元件加工误差。这对于更准确的太阳大气活动研究和更高精度的层析成像研究具有重要意义，创新性和实用性明显。

本发明提出技术具有如下优点：

(1).本发明提出的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，通过对传统自适应光学系统进行适当改造，即通过在光谱仪焦面的共轭位置引入波前探测器，使之具有了对自适应光学校正残余像差、光谱仪系统装调误差和光学元件加工误差探测并校正的能力，从而降低了光谱仪系统装调难度和光学元件加工要求。

(2).本发明提出的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，通过自适应光学技术对整个系统的像差进行校正，能够有效的降低系统像差对光谱仪光谱分辨率的调制作用，从而有效的提高了太阳光栅光谱仪成像装置的光谱分辨力，从而有利于更准确的太阳大气活动研究和更高精度的层析成像研究。

(3).本发明提出的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，通过在传统的太阳光栅光谱成像装置的基础上，引入太阳自适应光学技术，能够有效解决太阳光栅光谱成像装置的能量扩散和能量集中度下降的问题，从而提高了太阳光栅光谱成像装置的工作效率、时间分辨力和数据信噪比。

总之，本发明提出的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，通过在望远镜系统中引入自适应光学系统和在光谱仪焦面的共轭位置引入一个波前传感器，使之不仅具有校正望远镜系统倾斜像差和高阶像差的能力，同时具有校正整个光学系统静态像差的能力。这对于更准确的太阳大气活动研究和更高精度的层析成像研究具有重要意义，创新性和实用性明显。

附图说明

图1为基于倾斜镜校正的太阳望远镜太阳光栅光谱成像装置原理示意图。

图2为基于倾斜镜与校正器DM自适应光学技术的太阳光栅光谱成像装置原理示意图。

图3为一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置示意图。

图4为系统静态像差校正前后对比示意图,其中，(a)系统校正前的波前；(b)系统校正后的远场；(c)校正后的波前；(d)校正后的远场；(e)校正前后光谱展宽对比。

图5为动态波前像差校正前后结果对比示意图,(a)波前像差,(b)远场,(c)光谱展宽。从上到下分别为大气湍流相位屏D/r₀＝10，D/r₀＝7，D/r₀＝5三种情况

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，如图3所示，该装置包括：望远镜(1)、准直器(2)、倾斜镜(3)、波前校正器DM(4)、二向色分光镜(5)、第一波前探测器(6)、波前控制器(7)、成像系统(8)、狭缝(9)、准直镜(10)、光栅(11)、二向色分光镜(12)、准直器(13)、第二波前探测器(14)、数据采集系统(15)和数据处理及控制计算机(16)。其中：

太阳望远镜(1)对太阳大气活动目标进行成像后，经准直器(2)准直为平行光后入射至高速倾斜镜(3)，用于实时校正大气湍流造成的波前整体倾斜；经高速倾斜镜(3)后光束反射至波前校正器DM(4)，用于实时校正高阶大气湍流像差引起的波前畸变；经波前校正器(4)反射后的光束又被二向色分光镜(5)分为反射光和透射光，并分别进入第一波前探测器(6)和太阳光栅光谱成像装置狭缝(9)中；经过狭缝(9)后，光束被准直镜(10)准直为平行光并入射至光栅(11)；经光栅(11)色散分光后，目标波长又重新入射至准直镜(10)。被准直镜(10)会聚的光束被分光镜(12)分为两束光。其中其中一束光入射到数据采集系统(15)用于光谱成像数据的采集，另一束光被准直器(13)准直为平行光并入射至第二波前探测器(14)，从而实现对整个光学系统的波前像差进行探测。

其中，第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)分别对望远镜(1)中不断变化的波前畸变和整个光学系统中的校正残余的波前像差进行实时探测，并经数据处理及控制计算机(15)处理后，得到控制波前控制器(7)的驱动信号，分别用于控制高速倾斜镜(3)和波前校正器DM(4)进行像差校正；校正后的光束又重新被第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)探测，探测到的波前数据又被传送至数据处理及控制计算机(16)进行处理，从而实现了实时对波前像差进行不断探测和校正。其中，数据处理及控制计算机(16)负责整个系统的协同工作。

任意的一个随机波前像差均可用Zernike多项式表示，如下式所示：

其中，0≤r≤1,θ为r与x轴形成的夹角，为孔径内波前，a_j为各阶模式系数，j为Zernike阶数，N为总的Zernike像差的阶数。其中a_j表示如下：

其中W(r,θ)为窗函数，如下式所示：

$W(r,\mathrm{\θ})=\left\{\begin{array}{c}1/\mathrm{\π},\left|r\right|\≤1\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(3\right)$

设此时第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)探测到的波前像差分别为Φ1和Φ2，其被分解为各阶Zernike像差的组合，如下式所示：

$\mathrm{\Φ}1=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{j1}\×Z_j---\left(4\right)$

$\mathrm{\Φ}2=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{j2}\×Z_j---\left(5\right)$

其中，Z_j表示第j阶Zernike多项式，a_j1和a_j2分别为Φ1和Φ2的各阶Zernike系数；

设太阳光栅光谱成像装置的初始像差为Φ，则经过自适应光学校正后系统的残余波前像差如下式所示：

Φ_res＝Φ-Φ1-Φ2 (6)

校正后的波前像差又重新分别被第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)探测，探测数据又传送至数据处理及控制计算机(16)计算并产生相关的控制驱动信号并进行下一轮校正。如此反复，Φ_res将逐渐趋于零。其系统静态像差的校正效果如图4所示，动态像差的校正效果如图5所示。通过这种基于双波前传感器的自适应光学系统对波前像差进行实时探测和校正后，能够有效的提高太阳光栅光谱成像装置的光谱成像质量。这对于更准确的太阳大气活动研究和更高精度的层析成像研究具有重要意义。

所述的波前传感器(6)和波前传感器(14)既可以是哈特曼波前传感器，也可以是干涉仪，只要能满足对波前像差进行探测的功能即可。

所述的波前传感器(6)用于探测望远镜系统的倾斜像差和高阶像差，而波前传感器(14)则用于探测整个光学系统校正后的残余波前像差，并将探测数据传送至数据处理及控制计算机(16)进行计算并进行像差校正。

所述的高速倾斜镜(3)和波前校正器(4)既能够用在平行光束中，也能够用于锥光光路中。

所述的成像系统(8)是会聚透镜，或反射镜，只要能满足对光束进行会聚成像的功能即可。

所述的狭缝(9)宽度w_s的选择，作为太阳光栅光谱成像装置的视场光阑，需满足对太阳望远镜(1)空间分辨力的采样要求，同时也需满足对太阳光栅光谱成像装置光谱分辨力的采样要求。

所述狭缝(9)须与光栅刻线方向平行，且狭缝(9)宽度可调，调整时为手工调整或电机调整。

所述的准直镜(10)即可以是透射式，也可以是反射式，只要能满足会聚或准直的功能即可；

所述的光栅(11)既可以是透射式光栅，也可以是反射式光栅，只要能满足对不同波长的光进行色散的功能即可。

所述的数据采集系统(12)是指能满足对太阳表面局部区域进行成像的系统，包括成像器件和光电探测器及相应的数据采集器件。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于，包括：望远镜(1)、准直器(2)、倾斜镜(3)、波前校正器DM(4)、二向色分光镜(5)、第一波前探测器(6)、波前控制器(7)、成像系统(8)、狭缝(9)、准直镜(10)、光栅(11)、二向色分光镜(12)、准直器(13)、第一波前探测器(14)、数据采集系统(15)和数据处理及控制计算机(16)；其中：太阳望远镜(1)对太阳大气活动目标进行成像后，经准直器(2)准直为平行光后入射至高速倾斜镜(3)，用于实时校正大气湍流造成的波前整体倾斜；经高速倾斜镜(3)后光束反射至波前校正器DM(4)，用于实时校正高阶大气湍流像差引起的波前畸变；经波前校正器(4)反射后的光束又被二向色分光镜(5)分为反射光和透射光，并分别进入第一波前探测器(6)和太阳光栅光谱成像装置狭缝(9)中；经过狭缝(9)后，光束被准直镜(10)准直为平行光并入射至光栅(11)；经光栅(11)色散分光后，目标波长又重新入射至准直镜(10)；被准直镜(10)会聚的光束被分光镜(12)分为两束光；其中其中一束光入射到数据采集系统(15)用于光谱成像数据的采集，另一束光被准直器(13)准直为平行光并入射至波前第二探测器(14)，从而实现对波前像差进行探测；

其中，第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)分别对望远镜(1)中不断变化的波前畸变和整个光学系统中的校正残余的波前像差进行实时探测，探测数据经数据处理及控制计算机(15)处理后，得到控制波前控制器(7)的驱动信号，分别用于控制高速倾斜镜(3)和波前校正器DM(4)对像差校正；校正后的光束又重新被第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)探测，探测到的波前数据又被传送至数据处理及控制计算机(16)进行处理，从而实现了实时对波前像差进行不断探测和校正；其中，数据处理及控制计算机(16)负责整个装置的协同工作；

任意的一个随机波前像差均可用Zernike多项式表示，如下式所示：

其中，0≤r≤1,θ为r与x轴形成的夹角，为孔径内波前，a_j为各阶模式系数，j为Zernike阶数，N为总的Zernike阶数；其中a_j表示如下：

其中W(r,θ)为窗函数，如下式所示：

$W(r,\mathrm{\θ})=\left\{\begin{array}{c}1/\mathrm{\π},\left|r\right|\≤1\\ 0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(3\right)$

设此时第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)探测到的波前像差分别为Φ1和Φ2，其被分解为各阶Zernike像差的组合，如下式所示：

$\mathrm{\Φ}1=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{j1}\×Z_j---\left(4\right)$

$\mathrm{\Φ}2=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{j2}\×Z_j---\left(5\right)$

其中，Z_j表示第j阶Zernike多项式，a_j1和a_j2分别为Φ1和Φ2的各阶Zernike系数；

设太阳光栅光谱成像装置的初始像差为Φ，则经过自适应光学校正后系统的残余波前像差如下式所示：

Φ_res＝Φ-Φ1-Φ2 (6)

校正后的波前像差又重新分别被第一波前探测器(6)和第一波前探测器(14)探测，探测数据又传送至数据处理及控制计算机(16)计算并产生相关的控制驱动信号并进行下一轮校正，如此反复，Φ_res将逐渐趋于零。

2.根据权利要求1所述的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于：所述的第一波前传感器(6)和第二波前传感器(14)是哈特曼波前传感器，或是干涉仪。

3.根据权利要求1所述的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于：所述的第一波前传感器(6)用于探测望远镜系统的倾斜像差和高阶像差，而第二波前传感器(14)则用于探测整个光学系统校正后的残余波前像差。

4.根据权利要求1所述的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于：所述的高速倾斜镜(3)和波前校正器DM(4)既能够用在平行光束中，也能够用于锥光光路中。

5.根据权利要求1所述的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于：所述的成像系统(8)是会聚透镜，或反射镜。

6.根据权利要求1所述的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于：所述的狭缝(9)宽度w_s的选择，作为太阳光栅光谱成像装置的视场光阑，需满足对太阳望远镜(1)空间分辨力的采样要求，同时也需满足对太阳光栅光谱成像装置光谱分辨力的采样要求。

7.根据权利要求1所述的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于：所述狭缝(9)须与光栅刻线方向平行，且狭缝(9)宽度可调，调整时为手工调整或电机调整。

8.根据权利要求1所述的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于：所述的准直镜(10)是透射式，或是反射式。

9.根据权利要求1所述的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于：所述的光栅是透射式光栅，或是反射式光栅，能满足对不同波长的光进行色散的功能。

10.根据权利要求1所述的一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于：所述的数据采集系统(12)是指能满足对太阳表面局部区域进行成像的系统，包括成像器件和光电探测器及相应的数据采集器件。