CN108761645A - 一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统，涉及天文应用领域。在变径芯光纤的高光谱分辨率积分视场单元系统装置中，使用变径芯光纤可以在传输过程中，大芯径端接收更多的星光，能量损失较少，避免信号的丢失；在小芯径端形成的赝狭缝窄，最终CCD上形成的像斑小，光谱分辩率高。这种方法可以避免另外采用狭缝来提升分辨率而造成的衍射。在光纤固定方面，采用微孔定位法，加工效率高、结构简单。狭缝端采用V型槽排列，公差小，光谱效率高，一致性好。

Description

一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统

技术领域

本发明涉及一种积分视场单元系统,特别是一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统,属于天文应用领域。

背景技术

高光谱分辨率成像技术在天文观测、太空探测等领域具有广泛的应用，目标图像的高光谱分辨率是人们一直追求的指标之一。目前，在天文领域，人们通常通过光谱检测来获取宇宙中丰富的信息，三维成像光谱技术就是天文观测的一种重要技术，它可以同时采集到扩展目标的二维空间像质和一维光谱信息。积分视场单元(Integral Field Unit，简称IFU)的功能是将二维视场中的展源目标进行采样，再把每一个采样单元的能量依次送入光谱仪，通过单次曝光同时获得展源的三维信息(空间域x，y和光谱域λ)。随着望远镜口径的增加和自适应光学技术的应用，积分视场光谱仪在光谱域和空间域都可以获得高信噪比的信号，促进了积分视场单元技术的快速发展。根据不同的科学目标，有着不同工艺的IFU设计，相比较国内，国外光纤IFU研究、使用的更为广泛。对现有文献进行检索发现，目前积分视场单元的三维光谱技术日趋成熟，很多文献是对光谱仪本身进行改变，来考虑对其进行积分视场单元的升级优化(高东洋、赵飞、邱鹏等，基于OMR的2.16米望远镜积分视场单元方案，天文研究与技术，2012,9(2):143-149)，在该文献中提供一种平面光栅分光的低色散卡焦光谱仪器，来提高光谱分辨率。

目前，在光纤IFU制作过程中，为了获得更高的光谱分辨率和大视场，可以增加相当数量的光纤来提高光谱分辨率，这就要求系统增加光学系统口径，来获取更多的星光信息，但是口径的增大必然会导致仪器体积、重量增大，研制工艺也相应变得艰难。

在光纤IFU中，光纤端面收到的是前端光学系统视场光阑的像，一般的光学望远镜中，望远镜主镜是这个视场光阑。为了保证较大的入射焦比，这个像会比较大。加上由于微透镜口径(一般在数百微米尺度)的衍射效应，进入光纤的像斑尺度相对较大。加上定位精度的影响，需要较大芯径的光纤来收集足够的光信号。

而对于光谱仪端，如果不加狭缝，光纤的芯径将决定最后的光谱分辨率。光纤芯径越细，分辨率越高。如果采用狭缝来获得高光谱分辨率，则会造成损光，还可能由于狭缝衍射，影响光谱质量。

因此IFU的入射端光纤希望芯径大一些，而出射端希望芯径小一些，这是一对矛盾。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统。

为解决上述技术问题，本发明一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统，包括前端光学透镜组、微透镜阵列、光纤阵列和赝狭缝端,光纤阵列由变径芯光纤构成，变径芯光纤的大芯径端与构成微透镜阵列的微透镜连接，每根光纤对应一个微透镜，变径芯光纤的小芯径端与光谱仪相接，被测目标经前端光学透镜组被成像于微透镜的前表面，经过微透镜汇聚后进入光线大芯径端，入射到微透镜阵列的光束调整为远心近平行光束，前端光学透镜组的出射光瞳成像在微透镜阵列的焦面上，入射端光纤芯径大于微透镜后面的光斑尺寸，且变径芯光纤数值孔径可以收集到入射到光纤大芯径端全部的光线。

作为本发明的一种优选方案，利用熔融拉锥技术获得变径芯光纤。

作为本发明的另一种优选方案，通过控制光纤拉丝塔拉制速度获得变径芯光纤。

作为本发明的一种改进，赝狭缝端由小芯径端构成、且采用双排错位固定方法，每根光纤由石英V型槽定位。

作为本发明的另一种改进，变径芯光纤的大芯径端构成光纤入射端，光纤入射端的固定采用微孔定位法。

本发明有益效果：本专利针对微透镜阵列加光纤阵列的IFU制作方法，设计一种高光谱分辨率的IFU。对于IFU而言，光纤前端设备希望光纤越粗越好，光纤后端设备希望光纤越细越好，本发明通过使用变径芯来满足这些要求，在后端能够与高分辨率光谱仪匹配的同时，也能在前端接收足够多的星光。使用一组微透镜阵把原视场分割成若干单元，在每一个微透镜后面接一根变径芯光纤，大芯径端与微透镜连接，提高通光效率，小芯径端与光谱仪相接提高光谱分辨率。为解决我国在制作大型星系、太阳观测装置，或升级现有多目标天文光谱望远镜过程中，提高光谱分辨率的技术问题。

附图说明

图1是本发明系统光路示意图；

图2是变径芯光纤IFU微透镜端工作示意图；

图3是变径芯光纤出射端双排错位示意图。

具体实施方式

结合图1系统光路示意图，对基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统进一步说明：

变径芯光纤IFU整体设计过程中，需要在光纤选择、微透镜选择、光纤排列及固定方式选择、系统集成方式选择等方面做出研究。

图1中，1为望远镜焦面，2为前端光学透镜组，3为微透镜阵列，4为变径芯光纤阵列(入射端为大芯径，出射端为小芯径)，5为狭缝端(即为赝狭缝)。

图1中，我们将望远镜焦面1看成被测目标，经前端光学透镜组2，它的像被成像于微透镜阵列3的前表面，并经过微透镜阵列3汇聚后进入径芯光纤阵列4的光纤大芯径端，经狭缝端出射至光谱仪。

我们将系统光路图1简化成图2的结构，如图2所示，对望远镜成像过程进行简单说明，6为望远镜主镜，7相当于图1中的微透镜阵列，即为星像面，8为孔径光阑像面，即大芯径光纤阵列端，光纤入射端面上收到的是望远镜主镜6的像。在制作变径芯光纤IFU时，首先需要将入射到微透镜阵列7的光束调整为远心近平行光束，并且成像于微透镜阵列7的前表面上，再由微透镜阵列7将前端光学系统的出射光瞳(一般为望远镜主镜)成像在它的焦面上。在选择光纤时，既要保证入射端光纤芯径大于微透镜后面的光斑尺寸，又要保证变径芯光纤数值孔径合适(可以收集到入射到大芯径端光纤上所有的光线)。

为了制备变径芯光纤，可以采用光纤拉锥或者变速拉丝技术。光纤拉锥是一种重要的光纤后处理技术，通过拉锥改变光纤的形状、光学性能来制作各种光纤器件，对拓展光纤的应用具有重要作用。而在光纤制备过程中，控制光纤拉丝塔的速度，通过利用光纤拉丝塔拉制速度控制技术也可以控制纤芯直径。

基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元，如图1所示，变径芯光纤阵列4由变径芯光纤构成，每根光纤的入射端和出射端分别对应微透镜，变径芯光纤入射端一般为方阵，由光纤大芯径端构成。狭缝端5由光纤小芯径端构成，通常我们把它称为赝狭缝，排列方式为狭缝形式，赝狭缝越窄，光谱分辨率越高，而且相比于另外单独采用狭缝来提升分辨率而言，小芯径光纤能有效避免额外的狭缝光损失，与此同时，没有额外的狭缝，也就没有额外由于狭缝引起的衍射，同时避免了V型槽的排列误差造成光纤出射光利用率不均匀这种现象。

狭缝端可以采用双排错位的固定方法，如图3所示，上下两排光纤，其上下两排光纤不是一一对应，而是上下错位排列，在制作时，每一排中的光纤10由石英V型槽9定位，这种方法可以减少狭缝的长度，而且狭缝V型槽排列公差小，光谱效率高，一致性好，同时可以增加光谱仪的空间利用率。细光纤出射成像小，CCD可以获得较高的采样率。

针对变径芯光纤而言，小芯径可能伴随一定的光能损失，我们可以在变径芯光纤制作过程中，增大变径区长度、减缓变径区变化角度等来提升模式耦合效率，减小由于芯径变小而造成的光能损失。

光纤入射端固定方法可以选用微孔排列法，这种方法制作效率最高、位置累计误差可控、光纤受应力很小的一种方法。微孔排列法即采用带微孔的石英片(或片状其它基材)进行定位，可以选用正方形或其它形状排列的微透镜阵列和光纤束。对大型光纤IFU而言，这种方法应该制作效率高，定位精度好，固化方法对焦比影响小，与光纤抛磨技术结合起来可以得到很好的表面特性。

本发明具体实施方式还包括：

一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率积分视场单元系统，由前端光学透镜组、微透镜阵列、光纤阵列和赝狭缝端构成。

前端光学透镜组的作用：(1)调整像的大小，使得积分视场单元的空间分辨率和微透镜阵列的子孔径相匹配；(2)用来调整入射焦比；(3)用来形成远心光路。

微透镜阵列的作用，抛光之后的光纤端面与微透镜粘合使阵列前装置的光束变为适合光纤输入的光束，并保证图像的填充因子。用二维微透镜阵列就可以达到该目的，同时微透镜选择也需要满足目标图像的尺寸和分辨率的要求。

光纤，我们使用变径芯光纤，因为从光谱仪端考虑，为了提高光谱分辨率，应该选择细光纤，这样相当于减小了光谱仪入射狭缝的宽度。如果在光纤出射端后面另外加狭缝，则会明显损失光强，还可能带来附加衍射。但从微透镜入射端看，光纤的芯径不能过细，否则难以将整个光斑收入光纤纤芯，造成能量损失。

赝狭缝端指小芯径端光纤阵列，因为小芯径端光纤出射的光会进入光谱仪的入射狭缝，所以将小芯径端光纤阵列称为赝狭缝端。

本发明提供一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统，涉及天文应用领域。在变径芯光纤的高光谱分辨率积分视场单元系统装置中，使用变径芯光纤可以在传输过程中，大芯径端接收更多的星光，能量损失较少，避免信号的丢失；在小芯径端形成的赝狭缝窄，最终CCD上形成的像斑小，光谱分辩率高。这种方法可以避免另外采用狭缝来提升分辨率而造成的衍射。在光纤固定方面，采用微孔定位法，加工效率高、结构简单。狭缝端采用V型槽排列，公差小，光谱效率高，一致性好。

Claims (5)

1.一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统,包括前端光学透镜组、微透镜阵列、光纤阵列和赝狭缝端,其特征在于：光纤阵列由变径芯光纤构成，变径芯光纤的大芯径端与构成微透镜阵列的微透镜连接，每根光纤对应一个微透镜，变径芯光纤的小芯径端与光谱仪相接，被测目标经前端光学透镜组被成像于微透镜的前表面，经过微透镜汇聚后进入光线大芯径端，入射到微透镜阵列的光束调整为远心近平行光束，前端光学透镜组的出射光瞳成像在微透镜阵列的焦面上，入射端光纤芯径大于微透镜后面的光斑尺寸，且变径芯光纤数值孔径可以收集到入射到光纤大芯径端全部的光线。

2.根据权利要求1所述的一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统,其特征在于：利用熔融拉锥技术获得所述变径芯光纤。

3.根据权利要求1所述的一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统,其特征在于：通过控制光纤拉丝塔拉制速度获得所述变径芯光纤。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统,其特征在于：赝狭缝端由小芯径端构成、且采用双排错位固定方法，每根光纤由石英V型槽定位。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于变径芯光纤的高光谱分辨率的积分视场单元系统,其特征在于：变径芯光纤的大芯径端构成光纤入射端，光纤入射端的固定采用微孔定位法。