CN111796413A - 一种用于天文光纤瞄准的像切分装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天文光纤瞄准技术领域，具体而言，涉及一种用于天文光纤瞄准的像切分装置。本发明包括异型微透镜阵列和光纤束两部分。其中，所述的异型微透镜阵列由一块中心圆形平板和周围多块扇形微透镜构成。本发明采用中心为圆形平板结构周围为多个扇形微透镜的异型微透镜阵列，在不改变科学主光纤入射光焦比的同时，实现光场能量100％覆盖，即偏离科学主光纤的光将被扇形微透镜耦合到侧光纤中，不存在探测盲区。

Description

一种用于天文光纤瞄准的像切分装置
技术领域
本发明涉及天文光纤瞄准技术领域，具体而言，涉及一种用于天文光纤瞄准的像切分装置。
背景技术
天文光谱的获取和分析，是天文学中研究天体的重要手段。利用天体的光谱，天文学家可以得到天体化学组成、天体密度、压力、温度、磁场和运动速度等特征参数，对人类探索太空，认识未知天体，寻找适宜人类居住的新家园具有重大意义。
自1981年光纤首次被应用于望远镜的光信号传输网络以来，因其可远距离传输光、灵活轻便、抗电磁干扰等特性引起天文观测技术领域的革命性发展，尤其是多目标光纤光谱技术、光纤积分视场光谱技术和恒星干涉测量技术。多目标光纤光谱技术是指通过在天文望远镜焦面上布置大量光纤，将望远镜焦面上的星像传输到后端光谱仪，即可同时获取大量天体目标的光谱信息，这极大地提高了天文光谱获取效率，使得大规模天文光谱巡天技术得到高速发展。我国大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(The Large Sky AreaMulti-Object Fiber Spectroscopic Telescope,LAMOST)是一架完全由我国科学家自主创新设计和研制的多目标光纤光谱望远镜，LAMSOT在5°视场的焦面上部署了4000根光纤，连接到16台光谱仪上，可以同时获得4000个天体的光谱，是目前世界上光谱获取率最高的望远镜。
在多目标光纤光谱望远镜观测中，焦面板处的科学主光纤需要精确的瞄准目标星体，同时由于大气湍流和望远镜机械振动等外界因素，目标星体像斑也会发生微小位移。偏离光纤纤芯的像斑会造成传输效率大大下降，进入光纤包层的光线还会造成出射环形光斑等降低光谱分辨率的负面影响。因此，保证光纤快速瞄准目标天体，并实时监测像斑与科学主光纤纤芯的相对位置，根据获取的相对位置信息反馈调整光纤位置，确保像斑精确耦合进入科学主光纤纤芯对观测效率和光谱分辨率有重大意义。
目前光纤瞄准定位技术主要有三种：星虫结构、倾斜脊柱结构和双转轴结构。我国LAMOST望远镜目前采用的是双转轴结构定位法，每根光纤定位单元包含两个非同轴电机，拥有两个自由度。每个单元可以将光纤定位在33毫米直径的圆形巡逻区域内的任何位置。该定位系统利用前向照明，对光纤端进行成像、定位的技术。定位单元的测量系统由一个CCD传感器、一个图像采集卡和一个镜头组成。光源从前向照射到光纤上，焦板上的光纤的末端通过透镜成像在区域CCD传感器上。通过对CCD传感器采集到的光纤端面图像进行处理可以得到像斑与光纤的相对位置，进而调整光纤位置完成瞄准。但这种定位方法需要多次位置迭代，在定位的同时不能进行观测，也无法实时监测像斑与光纤纤芯的相对位置，跟踪精度无法保证，观测效率较低。中国专利CN104898214A所述的嵌入式多芯光纤瞄准器及定位装置，利用多芯光纤进行光斑与科学主光纤纤芯相对位置的实时监测和光纤瞄准，该装置直接用光纤接收星体像斑，光纤耦合效率不高，同时当像斑落在科学主光纤和侧光纤之间时，无法探测出信号响应，存在探测盲区。
发明内容
为了克服现有天文光纤瞄准定位装置的上述不足，本发明的目的在于提供一种用于天文光纤瞄准的像切分装置。在无需中断天文观测的情况下，实现多目标光纤光谱望远镜中光纤的快速定位、无盲区探测和目标星像的精准跟踪。
本发明提出一种用于天文光纤瞄准的像切分装置，包括异型微透镜阵列和光纤束两部分。其中，所述的异型微透镜阵列由一块中心圆形平板和周围多块扇形微透镜构成。所述光纤束的中心为科学主光纤，科学主光纤周围排列着侧光纤。所述异型微透镜阵列与光纤束一端连接，科学主光纤一端对准异型微透镜阵列的中心圆形平板，中心圆形平板实现前端入射光线无焦比变化耦合进入科学主光纤，另一端连接光谱仪，侧光纤一端与扇形微透镜一一对准，扇形微透镜收集了全部偏离科学主光纤的光线，耦合到侧光纤中，另一端各连接一个光电探测器。通过分析各光电探测器光信号，确定科学主光纤与星体像斑的相对位置，实时调整像切分装置位置，使像斑通过中心圆形平板全部耦合进入科学主光纤纤芯，从而实现多目标光纤光谱望远镜中光纤的快速定位、无盲区探测和目标星像的精准跟踪。
进一步地，所述异型微透镜阵列表面镀有超宽带增透膜，降低表面光反射损耗。其中心圆形平板部分的直径与其厚度、折射率、入射光线锥角、光纤束科学主光纤纤芯直径成一定数学关系，保证像斑全部进入科学主光纤纤芯内时，对应光线全部进入中心圆形平板区域。其扇形微透镜部分按照其外接圆对应的圆形透镜加工，以实现最小像差，保证微透镜各个区域集光能力一致。
进一步地，所述光纤束中，科学主光纤参数的选取与科学研究目标、望远镜整体参数设计有关。侧光纤纤芯直径大于扇形微透镜对望远镜孔径光阑成像大小，侧光纤数值孔径大于扇形微透镜对望远镜孔径光阑成像的像方数值孔径，以确保侧光纤可以接收全部的偏离科学主光纤的光线。
进一步地，所述光纤束与所述异型微透镜阵列连接的一端采用微孔板定位法定位，在实现高精度定位的同时，防止因材料热膨胀系数差异导致光纤受应力作用，影响传输特性。
进一步地，可以通过在所述光纤束部署用于监控光纤状态的传感器件，确保光纤状态良好。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)采用中心为圆形平板结构周围为多个扇形微透镜的异型微透镜阵列，在不改变科学主光纤入射光焦比的同时，实现光场能量100％覆盖，即偏离科学主光纤的光将被扇形微透镜耦合到侧光纤中，不存在探测盲区。
(2)利用侧光纤出射光信号变化实时判断星体像斑与科学主光纤相对位置，并进行反馈调整，无需中断天文观测，无需多次位置迭代，实现光纤快速瞄准、实时相对位置判断和精准目标跟踪。
(3)微透镜阵列表面镀有工作波段增透膜，最大程度减小元件表面反射带来的光损耗。
(4)光纤束中可加入传感装置，实时监控光纤束中光纤的状态，确保光纤不会因受较大应力引起透过率降低和焦比退化现象影响科学观测。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于天文光纤瞄准的像切分装置的整体结构示意图；
图2为异型微透镜阵列结构示意图；
图3为科学主光纤瞄准目标星像时像切分装置剖面光线传播示意图；
图4为目标星像偏离科学主光纤芯时像切分装置剖面光线传播示意图。
其中，图中各标号含义为：1—异型微透镜阵列的中心圆形平板，2—异型微透镜阵列的多个扇形微透镜，3—光纤束的多根侧光纤，4—光纤束的科学主光纤，5—石英微孔板，6—工作波段增透膜，7—望远镜孔径光阑。
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：
参见图1，本发明的用于天文光纤瞄准的像切分装置包括由中心圆形平板1和多个扇形微透镜2构成的异型微透镜阵列，和由中心科学主光纤4和周围多根侧光纤3构成的光纤束。石英微孔板5按照科学主光纤4的轴线中心圆形平板1的轴线、多根侧光纤3按照一定半径大小圆形分布在科学主光纤4周围，每根侧光纤3的轴心均与一块扇形微透镜2的光轴对准，侧光纤3应完全被扇形微透镜2覆盖。
参见图2和图3，中心圆形平板1和多个扇形微透镜2的厚度h相等。为了保证目标星体像斑全部落入科学主光纤4的纤芯中时，对应光线全部经过中心圆形平板区域1，中心圆形平板1的直径D0与其厚度h、折射率n、科学主光纤4纤芯直径d0和望远镜出射焦比F存在数学关系：
Figure BDA0002566175010000031
参见图2，为实现最小像差，保证扇形微透镜2各个区域集光能力一致，扇形微透镜2应按照其对应外接圆形透镜设计。
参见图2、图3和图4，扇形微透镜2对应外接圆半径r1与其圆心到中心圆形平板1圆心之间的距离L、中心圆形平板1直径D0、扇形微透镜2对应圆心角θ、扇形微透镜2对望远镜孔径光阑7所成像高hep存在数学关系：
Figure BDA0002566175010000041
Figure BDA0002566175010000042
综合考虑科学需求、瞄准精度和制作难度和成本，一种实施方式为选择使用6块扇形微透镜2，则每块扇形微透镜2对应圆心角θ为60°。
综上所述，结合光学设计软件可完成异型微透镜阵列整体参数的设计。利用微加工技术完成异型微透镜阵列的制备，在加工完成的异型微透镜阵列表面镀工作波段增透膜6，降低元件表面反射引起的光能量损耗。
光纤束侧光纤3选择数值孔径大的低传输损耗光纤，其使用波段与科学主光纤2保持一致，纤芯直径大于扇形微透镜2对望远镜孔径光阑7所成像高hep。将科学主光纤4和侧光纤3嵌插入石英微孔板5后，对其表面抛光，并实现与异型微透镜阵列平面一侧的对接与固化。
光纤束中的科学主光纤4连接光谱仪，侧光纤3分别连接一个光电探测器，通过分析各光电探测器光信号，确定科学主光纤与星体像斑的相对位置，实时调整像切分装置位置，使像斑通过中心圆形平板全部耦合进入科学主光纤纤芯，从而实现多目标光纤光谱望远镜中光纤的快速定位、无盲区探测和目标星像的精准跟踪。
综上所述，本发明提供了一种用于天文光纤瞄准的像切分装置，涉及天文观测应用领域。为实现多目标天文观测中光纤对星像的快速瞄准和精确跟踪。本发明采用了一种带瞄准功能的像切分装置，该像切分装置包含两部分：异型微透镜阵列和光纤束。异型微透镜阵列中心为圆形平板，周围为扇形微透镜。星体像斑通过中心圆形平板，实现无焦比变化耦合到光纤束中心科学主光纤中，最终被传输到光谱仪。如果因外界环境造成的星像偏离中心圆形平板区域，偏离光斑将被周围扇形微透镜耦合到光纤束科学主光纤周围的侧光纤中，不存在探测盲区，实现光场能量100％覆盖。通过检测光纤束中侧光纤出射光信号实时变化情况，可以对目标星体像斑偏离科学主光纤纤芯的方位进行实时、在线和准确的判断，实现天文光纤快速瞄准和星象精准跟踪。
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异性微透镜阵列与任何结构参数的光纤束的组合形式，都属于本发明的一种变形，在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于天文光纤瞄准的像切分装置，包括异型微透镜阵列和光纤束，其特征在于：异型微透镜阵列由一块中心圆形平板和周围多块扇形微透镜构成，光纤束中心为用于接收星体像斑的科学主光纤，科学主光纤周围排列着侧光纤；所述异型微透镜阵列与光纤束一端连接，科学主光纤一端对准异型微透镜阵列的中心圆形平板，另一端连接光谱仪，侧光纤一端与扇形微透镜一一对准，另一端各连接一个光电探测器；通过分析各光电探测器光信号，确定科学主光纤与星体像斑的相对位置，作为调整像切分装置位置的反馈信号，使像斑通过中心圆形平板全部耦合进入科学主光纤纤芯。
2.根据权利要求1所述的一种用于天文光纤瞄准的像切分装置，其特征在于，所述异型微透镜阵列的中心圆形平板的直径与其厚度、折射率、入射光线锥角、光纤束科学主光纤纤芯直径成一定数学关系，保证像斑全部进入科学主光纤纤芯内时，则对应光线全部进入中心圆形平板区域。
3.根据权利要求1所述的一种用于天文光纤瞄准的像切分装置，其特征在于，所述异型微透镜阵列的扇形微透镜部分按照其外接圆对应的圆形透镜设计加工，以实现最小像差，保证微透镜各个区域集光能力一致，其厚度与中心圆形平板厚度一致。
4.根据权利要求1所述的一种用于天文光纤瞄准的像切分装置，其特征在于，所述异型微透镜阵列表面镀有工作波段增透膜，减小元件表面反射带来的光损耗。
5.根据权利要求1所述的一种用于天文光纤瞄准的像切分装置，其特征在于，所述光纤束中的侧光纤纤芯直径大于扇形微透镜对望远镜孔径光阑成像大小，侧光纤数值孔径大于扇形微透镜对望远镜孔径光阑成像的像方数值孔径，以确保侧光纤可以接收全部的偏离科学主光纤的光线。
6.根据权利要求1所述的一种用于天文光纤瞄准的像切分装置，其特征在于，所述光纤束采用石英微孔板法定位，在实现高精度定位的同时，防止因材料热膨胀系数差异导致光纤受应力作用，影响传输特性。
7.根据权利要求1所述的一种用于天文光纤瞄准的像切分装置，其特征在于，所述光纤束中可以加入用于监控光纤状态的传感器件，实时监测光纤的状态，防止光纤受到外界应力作用，影响传输性能。
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