CN113588084B - 一种基于光谱标定的光学元件快速更换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱标定的光学元件快速更换方法，先将来自定标灯的光经过光纤从狭缝射入至光谱仪中，拍摄此时的定标灯谱图像；然后根据观测需求更换相对应的光学元件，打开定标灯重新拍摄定标灯谱图；再对比前后两幅定标灯谱图，根据后者的变化趋势对光谱仪进行相应调整，调节至更换前后光谱图像保持一致，即调节完成。本发明无需再对系统搭建自准直光路进行调节，大大简化了更换光学元件的步骤，可实现光学系统中光学元件的快速更换。

Description

一种基于光谱标定的光学元件快速更换方法

技术领域

本发明属于光学装调技术领域，具体涉及一种基于光谱标定的光学元件快速更换方法。

背景技术

LAMOST望远镜是一架大口径兼大视场的主动反射施密特光学望远镜，它由反射施密特改正板MA、球面主镜MB和中间的焦面构成。球面主镜及焦面固定在地基上，反射施密特改正板作为定天镜跟踪天体的运动，来自天体的光经MA反射到MB，再经MB反射后成像在焦面上。焦面上放置光纤，将天体的光分别传输到光谱仪的狭缝上，然后通过光谱仪后的CCD探测器同时获得大量天体的光谱。

天文望远镜光谱仪作为LAMOST望远镜的终端仪器设备，用于对星光进行处理获取星光光谱。LMAOST光谱仪采用施密特系统，由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统，以及准直系统和像差矫正系统组成。以色散元件将星光分离出不同的波长或波长区域，并将选定波长成像在CCD的靶面上用于后续的数据处理与分析。

光谱仪中各光学元件的参数会影响所得到的光谱图像：入射狭缝的宽度会影响光谱仪的光谱分辨率大与光通量的大小；光栅的色散能力会影响光谱仪的光谱覆盖范围；成像系统CCD的分辨率同样会影响光谱仪的光谱分辨率的大小等。在实际观测过程中，为了满足不同的观测需求，常常需要更换不同参数的光学元件。在更换不同参数的光学元件后，光学系统的焦距及色散能力也会发生变化，因此需要对光学系统做出相应调整。

以往的通常做法是：外置一个激光器作为发光源，对射入系统中的光斑的位置及质量进行人工评价，调整光学系统，使光斑位于系统正中心射入且最为清晰，完成调节。但整个过程由人为来进行调节判断，存在主观因素的误差，并且需要经过反复多次调节，无法做到光学元件的快速更换，影响观测效率。

发明内容

为了解决现有技术中存在的更换光学元件后光学系统无法快速调整精确的问题，本发明提供一种基于光谱标定的光学元件快速更换方法，通过拍摄更换光学元件前后的定标光谱，调整光谱仪使得前后光谱图像保持一致来完成光学系统的快速调节。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于光谱标定的光学元件快速更换方法，包括以下步骤：

步骤1)来自定标灯的光经过光纤从狭缝射入至光谱仪中，拍摄此时的定标灯谱图像，记为图像A；

步骤2)根据观测需求更换相对应的光学元件，打开定标灯重新拍摄定标灯谱图像，记为图像B；

步骤3)对比图像A和图像B，根据图像B的变化趋势对光谱仪进行相应调整；将光谱仪调节至更换前后光谱图像保持一致，调节完成。

优选地，步骤3)所述变化趋势包括：光学系统焦距的变化；光学系统色散能力的变化；光线射入光学系统中位置的变化；产生的光学系统像差的变化。

优选地，当出现光学系统焦距的变化时，反映到光谱图像中显示是光斑的质量发生变化：更换光学元件前，光斑能量集中且清晰；更换光学元件后，光斑变得模糊且弥散；此时需要调节系统的焦距来改变光斑的成像质量，当前后光斑清晰度及大小一致时焦距调节完成。

优选地，当出现光学系统色散能力的变化时，反映到光谱图像中显示是：更换光学元件前后光斑在色散方向的数量及距离发生变化；此时需要调整所更换的光学元件的角度及高低，当光斑位置与原始光谱图像保持一致时调节完成。

优选地，当出现光线射入光学系统中位置的变化时，反映到光谱图像中显示是：更换光学元件前后光斑的位置发生偏移；此时需要调整所更换的光学元件的角度及高低，当光斑位置与原始光谱图像保持一致时调节完成。

优选地，当出现产生的光学系统像差的变化时，反映到光谱图像中显示是：更换光学元件前后光斑的质量发生变化及位置产生偏移；此时需要调节系统的焦距来改变光斑的成像质量，当前后光斑清晰度及大小一致时焦距调节完成。

本发明的有益效果如下：

相比现有技术中利用外置激光灯作为光源，通过人为的经验判断去调节更换光学元件后系统的准直、焦距及像差，本发明基于光谱标定的光学元件快速更换方法提供了一个调整参考对象，并且可以根据前后光斑的变化趋势来快速确认调节趋势，完成元件的快速更换。本发明提高了光学元件的更换效率，可以满足更为频繁的观测需求。

附图说明

图1为LAMOST光谱仪的光学系统示意图；

图2为照相镜在光学系统中的立体结构图；

图1-2中：1、照相镜；2、场镜；3、照相镜改正镜；4、VPH光栅；5、准直镜改正镜；6、分色镜；7、准直镜；8、导轨；9、特制螺钉；

图3为标准灯定标灯谱图；

图4为光学系统焦距或产生的光学系统像差发生变化时的灯谱图；

图5为光学系统色散能力发生变化时的灯谱图；

图6为光线射入光学系统中位置发生变化时的灯谱图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本实施例以LAMOST光谱仪的光学系统为例来进行介绍，如图1所示为LAMOST光谱仪的光学系统示意图，如图2所示为照相镜在光学系统中的立体结构图，图2中照相镜1整体安装在导轨8上，由电机控制，照相镜1可在电机的驱动下沿着导轨8做前后运动，实现对整个系统焦距的调节；可通过控制特制螺钉9的松紧控制照相镜1整体俯仰或者偏摆，即通过控制特制螺钉9的上下两个螺钉控制照相镜1低头或抬头(俯仰调节)；通过控制特制螺钉9的左右两个螺钉控制照相镜1向左或向右偏转(偏摆调节)，来实现对整体系统的色散能力或者光斑位置的调节。

照相镜1俯仰与偏摆移动对应光斑的变化关系：

如图1所示，来自光学系统的光经过VPH光栅4后被分解为不同波长的光，之后平行射入照相镜1，经过照相镜1聚焦后在CCD上形成光斑，不同波长的光在不同的位置形成光斑。

如图2所示，当控制照相镜1俯仰调节时，照相镜1向上抬头会导致光斑聚焦的位置上移，即光斑向上移动，同理向下低头则导致光斑聚焦的位置下移，即光斑向下移动，因此通过控制照相镜1俯仰来调节光斑整体的倾斜，完成系统色散能力的调整。

如图2所示，当控制照相镜1偏摆调节时，照相镜1向左偏摆会导致光斑聚焦的位置向左移动，即光斑向左平移，同理向右偏摆则导致光斑聚焦的位置向右平移，即光斑向右平移，因此通过控制照相镜1偏摆来调节光斑整体的水平平移，完成系统光线射入位置的调整。

一种基于光谱标定的光学元件快速更换方法，具体步骤如下：

步骤1、更换光学元件前，拍摄一幅定标灯谱图作为参考：

来自定标灯的光经过光纤从狭缝射入至光谱仪中，拍摄此时的定标灯谱图像，记为图像A。

步骤2、更换光学元件后，再拍摄一幅定标灯谱图：

根据观测需求更换相对应的光学元件，打开定标灯重新拍摄定标灯谱图像，记为图像B。

步骤3、取两次灯谱图相同位置的光斑做对比：

对比前后两幅定标灯谱图(图像A和图像B)，根据后者(图像B)的变化趋势对光谱仪进行相应调整；将光谱仪调节至更换前后光谱图像保持一致，调节完成。

LMAOST的标准灯定标光谱图像如图3所示，其中X轴横向为光斑沿空间方向进行排列，Y轴竖向为光斑沿色散方向进行排列；对比前后拍摄的两幅定标灯谱图，通过前后光谱图中光斑的质量变化，以及位置的偏移情况做出相应调节。

步骤3中通过对比更换光学元件前后两幅光谱图像，根据后者变化趋势进行相应调整来完成快速调节：光谱图像的变化与所更换光学元件的种类与参数有关。根据不同观测需求所更换的光学元件对原光学系统一般产生如下影响：(1)光学系统焦距的变化；(2)光学系统色散能力的变化；(3)光线射入光学系统中位置的变化；(4)产生的光学系统像差的变化。根据上述光学系统产生的不同变化，光谱图像也会发生相应变化。

(1)光学系统焦距的变化：更换如CCD等类型光学元件时，光学系统的焦距发生变化，同时成像位置不变，此时成像模糊，能量不集中。反映到光谱图像中显示是光斑的质量发生变化：更换光学元件前，光斑能量集中且清晰；更换光学元件后，光斑变得模糊且弥散。

调节方式为：调节系统的焦距来改变光斑的成像质量，当前后光斑清晰度及大小一致时焦距调节完成。

当更换光学元件后图像B如图4所示(取相同部分的光斑图，下同)时，此时光斑相比图3(图像A)，明显光斑体积变大，变得弥散且模糊，此时需进行光学系统焦距的调节。

调节方式为：如图2所示，照相镜1安装在可前后调节的导轨8上，通过电机实现前后移动，当照相镜1在导轨8上前后移动时整个光学系统的焦距也发生变化；通过调节照相镜1的位移量并继续拍摄定标灯谱图，当观察到后续拍摄的定标灯谱图(图像B)光斑质量如图3所示时，则可认为完成了光学系统焦距的调节，即光学系统焦距调节完成。

(2)光学系统色散能力的变化：更换如光栅等元件时，光学系统的色散能力发生变化，光谱分辨率也发生变化。反映到光谱图像中显示是：更换光学元件前后光斑在色散方向的数量及距离发生变化。但由于这些变化是基于光栅等元件的参数的变化而产生的变化，不在误差考虑范围之内。因此当系统的色散方向发生变化时，光斑在纵向色散方向之间的数量及距离不在调整范围之内。

调节方式为：调整所更换的光学元件的角度及高低，当光斑位置与原始光谱图像保持一致时调节完成。

当更换光学元件后图像B如图5所示时，此时相同位置的光斑发生倾斜的趋势，与更换前相同位置的光斑如图3(图像A)所示，明显整体向上倾斜，即光学系统的色散需进行调节。

调节方式为：如图2所示，通过调节特制螺钉9的上下两个螺钉来调节照相镜1的俯仰，当上方螺钉向里推进下方螺钉向外松开，此时照相镜1向下低头；当下方螺钉向里推进上方螺钉向外松开，此时照相镜1向上抬头；调节上下方的螺钉来使照相镜1低头或抬头，并拍摄调节后的定标灯谱图(图像B)，当相同位置的光斑如图3所示时，即完成了光学系统色散能力的调节。

(3)光线射入光学系统中位置的变化：人为更换光学元件时，存在因误触或施力不均所导致的更换前后的光学元件水平角度或高低不一致的情况，此时光线不一定从光学系统正中心穿过。反映到光谱图像中显示是：更换光学元件前后光斑的位置发生偏移。

调节方式为：调整所更换的光学元件的角度及高低，当光斑位置与原始光谱图像保持一致时调节完成。

当更换光学元件后图像B如图6所示时，此时光斑整体相比图3(图像A)，明显光斑的位置发生横向偏移，即光学系统的光线入射位置需进行调节。

调节方式为：如图2所示，通过调节特制螺钉9的左右两个螺钉来调节照相镜1的偏摆，当左边螺钉向里推进右边螺钉向外松开，此时照相镜1偏向右边；当右边螺钉向里推进左边螺钉向外松开，此时照相镜1偏向左边；通过控制照相镜1的偏摆来调节对应的光线在CCD上所成光斑的横向位置，并拍摄调节后的定标灯谱图(图像B)，当图像B如图3所示时，则偏摆调节完成，即完成了光线射入光学系统中位置的调节。

(4)产生的光学系统像差的变化：更换如CCD等光学元件时，由于镜片参数及表面镀膜等因素的影响，同样会产生光学像差。反映到光谱图像中显示是：更换光学元件前后光斑的质量发生变化及位置产生偏移。

调节方式为：调节系统的焦距来改变光斑的成像质量，当前后光斑清晰度及大小一致时焦距调节完成。

当光学系统相差发生变化时，光斑质量变差，此时光斑变得模糊且弥散，图像B也如图4所示，即与(1)中描述情况一致，此时采用与(1)中相同的调节方式：即通过调节焦距即可完成校正。

根据上述更换光学元件后光谱图像产生的变化，对比原始的光谱图像，可以快速地对光学系统做相应调整。

Claims (1)

1.一种基于光谱标定的光学元件快速更换方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）来自定标灯的光经过光纤从狭缝射入至光谱仪中，拍摄此时的定标灯谱图像，记为图像A；

步骤2）根据观测需求更换相对应的光学元件，打开定标灯重新拍摄定标灯谱图像，记为图像B；

步骤3）对比图像A和图像B，根据图像B的变化趋势对光谱仪进行相应调整；将光谱仪调节至更换前后光谱图像保持一致，调节完成；

所述变化趋势包括：光学系统焦距的变化；光学系统色散能力的变化；光线射入光学系统中位置的变化；产生的光学系统像差的变化；

当出现光学系统焦距的变化时，反映到光谱图像中显示是光斑的质量发生变化：更换光学元件前，光斑能量集中且清晰；更换光学元件后，光斑变得模糊且弥散；此时需要调节系统的焦距来改变光斑的成像质量，当前后光斑清晰度及大小一致时焦距调节完成；

当出现光学系统色散能力的变化时，反映到光谱图像中显示是：更换光学元件前后光斑在色散方向的数量及距离发生变化；此时需要调整所更换的光学元件的角度及高低，当光斑位置与原始光谱图像保持一致时调节完成；

当出现光线射入光学系统中位置的变化时，反映到光谱图像中显示是：更换光学元件前后光斑的位置发生偏移；此时需要调整所更换的光学元件的角度及高低，当光斑位置与原始光谱图像保持一致时调节完成；

当出现产生的光学系统像差的变化时，反映到光谱图像中显示是：更换光学元件前后光斑的质量发生变化及位置产生偏移；此时需要调节系统的焦距来改变光斑的成像质量，当前后光斑清晰度及大小一致时焦距调节完成。