CN106932098A - 一种大视场高分辨率光谱仪光学系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学设备技术领域，公开了一种大视场高分辨率光谱仪光学系统的设计方法，包括：采用多段狭缝和对应的场镜，不同的场镜将分段狭缝分别反射成像到不同的CCD中；狭缝出射的光经过准直系统准直后，照在色散元件上，通过色散元件进行光谱色散；色散后的光栅衍射光再通过准直系统进行成像，成像后的像面与光谱仪狭缝存在空间错位，在像面处加入场镜，通过成像系统将焦面上的像成像到CCD上。本发明实现了多台光谱仪色散的功能，实现了一台光谱仪中多台探测器同时采集数据，增大了视场；降低了研制成本和多个光谱仪空间布局成本。

Description

一种大视场高分辨率光谱仪光学系统的设计方法

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，尤其涉及一种大视场高分辨率光谱仪光学系统的设计方法。

背景技术

光谱仪是能将混合光按照不同的波长分成光谱的光学仪器，它能够获得目标的光谱信息，这为分析判断目标的属性提供了更好的依据。从早期的利用棱镜的色散作用来实现分光的光谱仪发展到近些年常用的光栅光谱仪。随着光谱仪的发展，增大视场可以提高成像光谱仪的工作效率，大视场宽覆盖是下一代成像光谱仪的发展趋势。尤其随着天文学近几年的飞速发展，积分视场单元(Integral Field Unit,IFU)在国内外天文领域的广泛运用，使用IFU代替一般高色散型成像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。基于IFU的光谱仪特别是高空间分辨率和高光谱分辨率的积分视场单元光谱仪成为天文领域的迫切需要。为了满足天文观测的空间分辨率的需求，几百根、甚至上千根光纤排列组成的光纤阵列作为光谱仪的狭缝端，这对大视场、高分辨率光谱仪提出了更高的要求，增大视场通常会导致光谱仪质量、体积和成本的增加。传统的光谱仪，由于透射式、反射式全息光栅很难做到大尺寸的，这导致了透射式全息光栅设计的光谱仪很难实现大视场、高分辨率的功能。目前，工艺上只有阶梯光栅能做的比较大。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的成像光谱仪依靠增大视场提高工作效率的方法存在导致光谱仪质量、体积和成本的增加。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大视场高分辨率光谱仪光学系统的设计方法，

本发明是这样实现的，一种大视场高分辨率光谱仪光学设计方法，采用多段狭缝分段和对应场镜，通过同一块光栅色散，不同的场镜将不同狭缝段分别反射成像到不同的CCD中；采用阶梯型光栅，工作在准Littrow条件下，采用透射式double pass光学设计，准直系统既可作为光纤出射光的准直，也可作为光栅衍射后光束的成像系统；而成像后的像面与光谱仪狭缝存在空间错位，在像面处加入多个场镜，再分别通过不同成像系统将像面上的不同狭缝的像成像到不同的CCD上。

进一步，所述大视场高分辨率光谱仪光学设计方法具体包括：

一，采用多段狭缝和对应的场镜，不同的场镜将分段狭缝色散后的像分别反射成像到不同的CCD中，通过增加狭缝段数经过优化设计实现大视场的设计；一台光谱仪中多台探测器可同时数据采集，使用一个光栅用于多台光谱仪的数据采集；如果是积分视场光谱仪，则增加光谱仪入射端的光纤数量；

二，采用阶梯型光栅，工作在准Littrow条件下，使经光栅色散后的衍射光再次通过准直系统进行成像，成像后的像面与光谱仪狭缝存在空间错位，能在像面处加入场镜，再将像面上的狭缝的像成像到CCD上；

三，光学系统设计采用多狭缝和double pass光路相结合的方式，准直系统既可用于光路准直，也可作为光栅衍射后光束的成像系统。

本发明的另一目的在于提供一种所述大视场高分辨率光谱仪光学设计方法的大视场高分辨率光谱仪光学系统，所述大视场高分辨率光谱仪光学系统包括：

反射成像模块，采用多段狭缝和对应的场镜，不同的场镜将分段狭缝分别反射成像到不同的CCD中；

光谱色散模块，所有狭缝段出射的光经过同一准直系统准直后，照在同一块光栅上，不同狭缝段出射的光共用一个光栅和一套准直系统；

成像模块，采用double pass光路，色散后的光栅衍射光再通过准直系统进行成像，成像后的像面与光谱仪狭缝存在空间错位，通过成像系统将像面上的像成像到CCD上。

本发明提供的大视场高分辨率光谱仪光学系统的设计方法，采用多个分段狭缝和对应的场镜，不同的场镜将不同狭缝段分别反射成像到不同的CCD中，实现一台光谱仪中多台探测器同时采集数据，增大了视场，如果是积分视场光谱仪，则可有效增加光谱仪入射端的光纤数量；设计中不同狭缝段的视场共用一块光栅和准直系统，相比包含1个狭缝、1个光栅、1个CCD传统的光谱仪，本设计利用一块光栅实现了多台光谱仪的功能，降低了研制成本和多个光谱仪空间布局成本，同时节约了光栅等光学元件。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大视场高分辨率光谱仪光学系统设计方法流程图。

图2是本发明实施例提供的大视场高分辨率光谱仪光学系统结构示意图；

图中：1、狭缝；2、准直系统；3、色散元件；4、场镜；5、成像系统；6、CCD。

图3是本发明实施例扩展到多波段光谱观测中的光学系统设计示意图。

图4是本发明实施例提供的为FASOT望远镜项目设计的大视场高分辨率光谱仪光学系统设计示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的大视场高分辨率光谱仪光学系统的设计方法包括以下步骤：

S101：根据光谱仪科学目标计算得到狭缝宽度及其在CCD上所占的像元数数量，再通过其与光谱仪分辨率要求得到光栅参数。

S102：根据光谱仪设计理论的计算得到满足科学要求的光谱仪成像系统焦比、准直系统焦比等光学参数。

S103：根据提出的光谱仪设计方法，对光谱仪准直系统及成像系统进行设计，同时优化光谱仪结构，最终得到满足要求的光谱仪设计，实现压缩体积、节约成本的目的。

如图2所示，本发明实施例提供的大视场高分辨率光谱仪光学系统包括：狭缝1、准直系统2、色散元件3、场镜4、成像系统5、CCD6。

狭缝1与场镜4有空间错位，在场镜4上方，准直系统2、成像系统5与场镜4连接，准直系统2的末端设置有色散元件3，成像系统5的末端设置有CCD6。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，4为两个摆放角度不一样的场镜，图中有两个分段狭缝，分别通过不同摆放角度的场镜反射到不同的两个CCD中。如果设计中狭缝分为三段，则需要三个不同方向的场镜和与之对应的三个成像系统和CCD，依次类推，可以根据实际CCD像元数及狭缝总高度选择合适数量的狭缝分段。上述设计是采用分狭缝的方式，换言之，即是分视场的方式达到一台光谱仪实现多台光谱仪的功能。该设计可以扩展到多波段光谱观测中，设计如图3所示。图3中狭缝1不再是多段狭缝，而是一段狭缝，将场镜换成镀膜的分束镜4，该分束镜可以让某一波段全反射，另一波段全透射，不同波段的光通过分束镜作用后，分别进入不同的成像系统5，成像在不同的CCD6中，即是通过分波段的形式达到一台光谱仪实现多台光谱仪的功能。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明的实施例采用双IFU高色散的光纤阵列太阳光学望远镜(Fiber ArrayedSolar Optic Telescope,FASOT)是我国未来大型地面太阳光学望远镜的重要项目之一，其研制得到基金委国家重大科研仪器研制项目的支持。该项目由于其科学目标的需要，要求满足长赝狭缝、高分辨率、快入射焦比的积分视场光谱仪。此外，FASOT项目最终要实现图像重构，该光谱仪所用到的光栅和CCD都不能采用拼接技术，否则会出现边缘效应，这些因素都加大了光谱仪光学设计的难度。目前，国内还没有一种积分视场光谱仪可以满足其要求，本发明提出的光学设计方法可以设计出满足FASOT望远镜要求的光谱仪。

本发明实施例在准Littrow条件下，根据Littrow条件下，反射式阶梯光栅的光栅方程：

mλ＝2dsinγ (1)

式中，m为衍射阶次，λ为波长，d为光栅常数，γ为阶梯光栅闪耀角。可得分辨率的表达式：

R＝λ/dλ＝2tanγ/△γ＝2fs tanγ/s (2)

式中fs是光栅衍射后聚焦系统焦距，s是λ与λ+dλ在CCD上成像的间距。根据系统的放大率M和光谱仪入射焦比Fin可以得到准直系统的焦距fc及光栅尺寸(Lg是光栅刻线方向长度，Wg是光栅色散方向长度)：

fc＝fs/M (3)

Lg＝fc/Fin (4)

Wg＝Lg/cosγ (5)

FASOT积分视场光谱仪为了尽可能的减少光谱仪的数量，降低研制成本和空间成本，IFU赝狭缝端光纤采用双排交错排列形式，此双排结构主要是为了提高空间采样效率。FASOT望远镜选用的光纤为芯径35μm，包含包层外径为127μm，根据IFU赝狭缝端光纤采用的错排形式，沿着空间采样方向，理想情况下2根光纤之间包层厚度为27.5μm，其在CCD上所占像元数大于2以防止混光现象，对应光纤芯径35μm对应CCD上的像元数大于2.54pixels，设计中按3pixels设计。同时将光谱仪赝狭缝分成两段，用2个场镜来实现同一台光谱仪中2台探测器同时采数的问题，等同于两台光谱仪同时工作。

本发明实施例中按照分辨率110000@520nm进行设计，高于FASOT的要求。要想实现观测波段从516.5nm至525.5nm，则沿着色散方向，CCD至少需要5712个像元。CCD选定FingerLakes Instrumentation公司ML29050型号的CCD。FASOT高分辨率积分视场光谱仪中所用到的阶梯光栅决定由中科院长春光机所国家光栅制造与应用工程技术研究中心进行制造，该中心所能提供的最大光栅尺寸为400mm×500mm，刻线密度为79lines/mm，光栅闪耀角为63°。

根据以上理论，目前FASOT的光栅光谱仪系统选定及计算得到的各个基本参数，如下：

CCD参数：Finger Lakes Instrumentation公司ML29050型号，6576×4384，5.5μm/pixel；

阶梯光栅参数：刻线密度79lines/mm，尺寸250mm×500mm，闪耀角：63°,由中国科学院长春光机所研制；

光纤参数：35μm/125μm，NA＝0.12；

分辨率：110000@520nm；

准直光路焦距：992.87mm；

放大率：0.4657；

入射焦比：4.5；

出射焦比：2.096；

刻线方向光栅使用尺寸：220.64mm；

色散方向光栅使用尺寸：486mm。

阶梯光栅在Littrow条件下工作时，使用高级次光谱存在严重的级次重叠，但是每一个级次都存在一个不受其他级次光谱干扰的区域，即自由光谱范围Fm＝λ/m。光谱仪光谱范围为516.5-525.5nm，对应自由光谱范围为11.82nm，大于9nm，不用考虑级次重叠的问题。FASOT望远镜需要进行图像重构，这就要求每根光纤的光损失要一致，本发明实施例采用物方远心光路设计，光栅置于准直系统出瞳处，同时该设计增大了前端IFU研制精度的容忍度。

根据FASOT望远镜的技术指标，本发明实施例的高分辨率光谱仪设计如图4所示，图4中狭缝1即是由1366根光纤组成的赝狭缝，该狭缝采用的是双排错排结构并且分成两段，两段之间间隔10mm，狭缝的不同两段出射的光经过准直系统2、光栅3色散后成像在两个不同的场镜4上，两个场镜反射后的光分别进入各自的成像系统5，最后成像在CCD6上。在516.5至525.5nm波段，该光谱仪光学系统设计的点列图都在艾里斑以内，满足衍射极限成像。同一根光纤出射的519.9952727nm、520nm两种波长在CCD上沿色散方向所成的像之间相差18μm，大于一根光纤在CCD上成像的大小(16.3μm)，可见设计满足110000@520分辨率的要求。

本发明实施例的大视场高分辨率光谱仪光学系统正是利用赝狭缝分段及对应的场镜来实现一台光谱仪完成2台光谱仪的工作，有效增加了光谱仪入射端的光纤数量，同时节约了光栅等光学元件，有效降低了研制成本及空间成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大视场高分辨率光谱仪光学设计方法，其特征在于，所述大视场高分辨率光谱仪光学设计方法采用多段狭缝分段和对应场镜，通过同一块光栅色散，不同的场镜将不同狭缝段分别反射成像到不同的CCD中；采用阶梯型光栅，工作在准Littrow条件下，采用透射式double pass光学设计，准直系统既作为光纤出射光的准直，也作为光栅衍射后光束的成像系统；而成像后的像面与光谱仪狭缝存在空间错位，在像面处加入多个场镜，再分别通过不同成像系统将像面上的不同狭缝的像成像到不同的CCD上。

2.如权利要求1所述的大视场高分辨率光谱仪光学设计方法，其特征在于，所述大视场高分辨率光谱仪光学设计方法具体包括：

一，采用多段狭缝和对应的场镜，不同的场镜将分段狭缝色散后的像分别反射成像到不同的CCD中，通过增加狭缝段数经过优化设计实现大视场的设计；一台光谱仪中多台探测器同时数据采集；使用一个光栅用于多台光谱仪的数据采集；

二，采用阶梯型光栅，工作在准Littrow条件下，使经光栅色散后的衍射光再次通过准直系统进行成像，成像后的像面与光谱仪狭缝存在空间错位，能在像面处加入场镜，再将像面上的狭缝的像成像到CCD上；

三，光学系统设计采用多狭缝和double pass光路相结合的方式，准直系统既用于光路准直，也作为光栅衍射后光束的成像系统。

3.一种如权利要求1所述大视场高分辨率光谱仪光学设计方法的大视场高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于，所述大视场高分辨率光谱仪光学系统包括：

反射成像模块，采用多段狭缝和对应的场镜，不同的场镜将分段狭缝分别反射成像到不同的CCD中；

光谱色散模块，所有狭缝段出射的光经过同一准直系统准直后，照在同一块光栅上，不同狭缝段出射的光共用一个光栅和一套准直系统；

成像模块，采用double pass光路，色散后的光栅衍射光再通过准直系统进行成像，成像后的像面与光谱仪狭缝存在空间错位，通过成像系统将像面上的像成像到CCD上。