CN109856807B - 一种基于透镜阵列的二次分像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大视场天文成像的二次像切分领域，具体涉及一种基于透镜阵列的二次分像方法。首先在前端成像系统的成像面上放置分区凸透镜阵列，对其进行第一次分像，再经过反射镜实现光路的转折，在第一次分像后所成的像面上再次放置微透镜阵列，进行二次分像，微透镜阵列后加光纤阵列，最后实现三维成像。本发明基于透镜阵列的二次分像方法，可以实现对大天区的分区，在分辨率不变的情况下减小每个分区的成像尺寸，因为每一个分区有相对应的积分视场单元，从而减小了单个积分视场单元的尺寸大小，避免了微透镜阵列过大、积分视场单元尺寸过大带来的加工问题和操作问题。
Description
技术领域
本发明属于大视场天文成像的二次像切分领域，具体涉及一种基于透镜阵列的二次分像方法。
背景技术
随着天文成像的发展，三维光谱成像技术得到了很完善的发展，对望远镜等前端成像系统的目标像面的分割和耦合技术也发展的愈加完善，目前应用最多也是最理想的技术是微透镜阵列加光纤阵列的结构模式，可以实现对前端光学系统像的切分以及信息完整的传输。
但对于目前出现的由数千至数万根光纤构成用于获取三维光谱的高空间分辨率的光纤IFU的需求，如果仍采取单一的微透镜阵列加光纤阵列的分像方法，会面临微透镜阵列和光纤阵列单元数量过多，整体尺寸过大的问题，而这些问题都会对微透镜阵列的成像误差、光纤阵列的传输能量损失或焦比退化产生很大的影响，也使加工制作变得非常困难。
公开号为CN104570255的专利“一种基于自适应光学的光谱成像装置”，所用到的图像切分器的输入端位于经自适应像差校正后望远镜的二次像面上，以实现对目标的分割、耦合与采样。专利中共描述了三种图像切分器的具体实施方式，分别为由单根光纤组合而成，或者由微透镜-光纤单元组合而成，也可以是微透镜-光纤-微透镜的组合形式，所需具体形式取决于应用需求。这几种图像切分的方法目前比较成熟，应用较为广泛，但并不能解决上述大视场下的分像问题。
本发明提出的基于透镜阵列的二次分像方法，在微透镜-光纤结构形式的积分视场单元IFU之前增加凸透镜阵列，对成像系统后的像面进行一次成像，实现分区后再对每一个分区利用微透镜阵列进行二次分像，并使用反射镜使各个分区的微透镜在空间上分离，降低安装调试困难。
发明内容
为了解决上述面临的微透镜阵列和光纤阵列单元数量过多、整体尺寸过大等问题，本专利的目的在于提供一种基于透镜阵列的二次分像的方法，利用此方法可以将前端的像面先分成更小的区域，再对每一个小区域进行二次分像，既保证了在每一个小区域上的成像质量与光纤传输性能，同时也解决了数量和尺寸过大的问题。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于透镜阵列的二次分像方法，首先在前端成像系统的成像面上放置凸透镜阵列，利用凸透镜阵列对目标像面进行分割，形成分区，并通过反射镜实现光路转折，在凸透镜阵列和反射镜后形成的二次像面上放置微透镜阵列，进行二次分像，将二次像面分割成若干单元，其后依次对应一根光纤，即通过微透镜将光耦合进光纤，实现二次分像和传光。
所述前端成像系统，将天体成像到其像面，即一次像面。
所述凸透镜阵列，选用双凸厚透镜，前表面放置在天文观测的前端成像系统的成像面上用于分像；后表面对前端的像再次成像；凸透镜阵列由透镜单元组成，每个透镜单元通过分别在其后成像，实现对目标像面的分像，形成分区。
所述的反射镜，放置在凸透镜阵列之后，法线与凸透镜阵列成45度角放置，凸透镜阵列发出的光线经过此反射镜后发生反射，光路方向相对原来的传播方向产生90度的转折，从而实现光路的转折。
所述的反射镜为凹面镜，与前端双凸厚透镜的后表面构成减像差系统。
所述微透镜阵列，选用平凸透镜，放置在凸透镜阵列和反射镜后的二次像面上；微透镜阵列由微透镜单元组成，每个微透镜单元分别在其后成像，再次将二次像面分割成若干单元，从而实现对每个分区的二次分像。
所述光纤阵列与微透镜阵列对准，每根光纤与相应的微透镜单元相对应，微透镜阵列后的像相应的耦合进光纤，实现图像信息的传输。
所述的凸透镜阵列、反射镜、微透镜阵列和光纤阵列，四者之间有以下的对应关系：凸透镜阵列的每一个透镜单元对应一个反射镜，每个反射镜后对应一个微透镜阵列，透镜阵列后对应光纤阵列，且每一个微透镜单元与一根光纤相对应。
本发明的有益效果在于：本发明基于透镜阵列的二次分像方法，可以实现对大天区的分区，在分辨率不变的情况下减小每个分区的成像尺寸，因为每一个分区有相对应的积分视场单元，从而减小了单个积分视场单元的尺寸大小，避免了微透镜阵列过大、积分视场单元尺寸过大带来的加工问题和操作问题。
附图说明
图1为基于透镜阵列的二次分像的方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明进行更详细的描述：
一种基于透镜阵列的二次分像方法，在前端成像系统的成像面上放置凸透镜阵列，利用凸透镜阵列对目标像面进行分割，形成分区，并通过反射镜实现光路转折，在凸透镜阵列和反射镜后形成的二次像面上放置微透镜阵列，进行二次分像，将二次像面分割成若干单元，其后依次对应一根光纤，即通过微透镜将光耦合进光纤，实现二次分像和传光。
所述前端成像系统，将天体成像到其像面，即一次像面。
所述凸透镜阵列，选用双凸厚透镜，前表面放置在天文观测的前端成像系统的成像面上用于分像；后表面对前端的像再次成像。凸透镜阵列由透镜单元组成，每个透镜单元通过分别在其后成像，实现对目标像面的分像，形成分区。
所述的反射镜，放置在凸透镜阵列之后，法线与凸透镜阵列成45度角放置，凸透镜阵列发出的光线经过此反射镜后发生反射，光路方向相对原来的传播方向产生90度的转折，从而实现光路的转折，目的是将每个分区的像面分布在不同方向的区域上，从而解决多个积分视场单元IFU的空间占用问题。
所述的反射镜为凹面镜，与前端双凸厚透镜的后表面构成减像差系统，优化二次成像质量。
所述微透镜阵列，选用平凸透镜，放置在凸透镜阵列和反射镜后的二次像面上。微透镜阵列由微透镜单元组成，每个微透镜单元分别在其后成像，再次将二次像面分割成若干单元，从而实现对每个分区的二次分像。
所述光纤阵列与微透镜阵列对准，每根光纤与相应的微透镜单元相对应，微透镜阵列后的像相应的耦合进光纤，实现图像信息的传输。
所述的凸透镜阵列、反射镜、微透镜阵列和光纤阵列，四者之间有如下的对应关系：凸透镜阵列的每一个透镜单元对应一个反射镜，每个反射镜后对应一个微透镜阵列，透镜阵列后对应光纤阵列，且每一个微透镜单元与一根光纤相对应。
参见图1，在前端成像系统1的一次像面2上放置凸透镜阵列3，像面通过凸透镜阵列3的一次分像后形成分区，经反射镜4进行光路转折之后，形成二次像面5。在二次像面5上放置微透镜阵列6以及光纤阵列7，实现对目标像面的二次分像和图像信息的传输。
在前端成像系统1的一次像面2上放置凸透镜阵列3，目的是利用凸透镜阵列3对前端的一次像面2再次成像，凸透镜阵列3由若干个相同的透镜单元组成，根据其成像原理，可以通过分别在其后成像形成分区。
在成像光路中放置一个反射镜4，与凸透镜阵列3成45度角放置，凸透镜阵列3中的一个单元透过的光线经过此反射镜4后发生反射，光路方向相对原来的传播方向产生90度的转折，目的是实现光路的转折，因为每一个凸透镜单元对应不同位置、不同角度的反射镜4，所以可以实现分区排布在不同的区域，从而解决多个积分视场单元IFU的空间占用问题。
经凸透镜阵列3分区后，在每个分区的二次像面5上分别放置微透镜阵列6。微透镜阵列6在结构上是平凸透镜，分别对每个分区进行二次分像；光纤阵列7与每一个微透镜阵列6相对应，每根光纤与相应的微透镜单元相对应，实现图像信息的传播。从而实现三维成像。
图1中左侧结构与右侧虚线框内的结构相同，且此结构数量与凸透镜阵列3的单元数量相同，并与每一个透镜单元一一对应，在图1中仅列出两个这样的结构，来说明反射镜4的转折作用，其他相同的结构已省略。
本发明提出一种基于透镜阵列的二次分像方法，在天文观测的前端成像系统的成像面上放置凸透镜阵列，通过凸透镜阵列成像，从而将像面形成分区实现第一次分像；在凸透镜阵列之后放置与之方向成45度角的反射镜，凸透镜阵列发出的光线经过此反射镜后发生反射，光路方向相对原来的传播方向产生90度的转折，因为每一个凸透镜单元对应不同位置、不同角度的反射镜，所以实现把分区排布在不同的区域。并在凸透镜阵列后所成的二次像面上放置微透镜阵列，进行二次分像，将目标像面分割成若干单元，在微透镜阵列后放置与每一个微透镜单元一一对应的光纤阵列，光通过微透镜耦合进光纤，从而实现二次分像和信息的传输。
Claims (8)
1.一种基于透镜阵列的二次分像方法，其特征在于：在前端成像系统的成像面上放置凸透镜阵列，利用凸透镜阵列对目标像面进行分割，形成分区，并通过反射镜实现光路转折，在凸透镜阵列和反射镜后形成的二次像面上放置微透镜阵列以及光纤阵列，进行二次分像，将二次像面分割成若干单元，每根光纤与相应的微透镜单元相对应，即通过微透镜将光耦合进光纤，实现二次分像和传光。
2.根据权利要求1所述的一种基于透镜阵列的二次分像方法，其特征在于：所述前端成像系统，将天体成像到其像面，即一次像面。
3.根据权利要求1所述的一种基于透镜阵列的二次分像方法，其特征在于：所述凸透镜阵列，选用双凸厚透镜，前表面放置在天文观测的前端成像系统的成像面上用于分像；后表面对前端的像再次成像；凸透镜阵列由透镜单元组成，每个透镜单元通过分别在其后成像，实现对目标像面的分像，形成分区。
4.根据权利要求1所述的一种基于透镜阵列的二次分像方法，其特征在于：所述的反射镜，放置在凸透镜阵列之后，法线与凸透镜阵列成45度角放置，凸透镜阵列发出的光线经过此反射镜后发生反射，光路方向相对原来的传播方向产生90度的转折，从而实现光路的转折。
5.根据权利要求3所述的一种基于透镜阵列的二次分像方法，其特征在于：所述的反射镜为凹面镜，与前端双凸厚透镜的后表面构成减像差系统。
6.根据权利要求1所述的一种基于透镜阵列的二次分像方法，其特征在于：所述微透镜阵列，选用平凸透镜，放置在凸透镜阵列和反射镜后的二次像面上；微透镜阵列由微透镜单元组成，每个微透镜单元分别在其后成像，再次将二次像面分割成若干单元，从而实现对每个分区的二次分像。
7.根据权利要求1所述的一种基于透镜阵列的二次分像方法，其特征在于：所述光纤阵列与微透镜阵列对准，每根光纤与相应的微透镜单元相对应，微透镜阵列后的像相应的耦合进光纤，实现图像信息的传输。
8.根据权利要求1所述的一种基于透镜阵列的二次分像方法，其特征在于：所述的凸透镜阵列、反射镜、微透镜阵列和光纤阵列，四者之间有以下的对应关系：凸透镜阵列的每一个透镜单元对应一个反射镜，每个反射镜后对应一个微透镜阵列，透镜阵列后对应光纤阵列，且每一个微透镜单元与一根光纤相对应。
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