本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

光譜儀是能將混合光按照不同的波長分成光譜的光學(xué)儀器，它能夠獲得目標的光譜信息，這為分析判斷目標的屬性提供了更好的依據(jù)。從早期的利用棱鏡的色散作用來實現(xiàn)分光的光譜儀發(fā)展到近些年常用的光柵光譜儀。隨著光譜儀的發(fā)展，增大視場可以提高成像光譜儀的工作效率，大視場寬覆蓋是下一代成像光譜儀的發(fā)展趨勢。尤其隨著天文學(xué)近幾年的飛速發(fā)展，積分視場單元(integralfieldunit,ifu)在國內(nèi)外天文領(lǐng)域的廣泛運用，使用ifu代替一般高色散型成像光譜儀中的狹縫來鏈接望遠鏡和光譜儀組成光纖成像光譜儀。基于ifu的光譜儀特別是高空間分辨率和高光譜分辨率的積分視場單元光譜儀成為天文領(lǐng)域的迫切需要。為了滿足天文觀測的空間分辨率的需求，幾百根、甚至上千根光纖排列組成的光纖陣列作為光譜儀的狹縫端，這對大視場、高分辨率光譜儀提出了更高的要求，增大視場通常會導(dǎo)致光譜儀質(zhì)量、體積和成本的增加。傳統(tǒng)的光譜儀，由于透射式、反射式全息光柵很難做到大尺寸的，這導(dǎo)致了透射式全息光柵設(shè)計的光譜儀很難實現(xiàn)大視場、高分辨率的功能。目前，工藝上只有階梯光柵能做的比較大。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：現(xiàn)有的成像光譜儀依靠增大視場提高工作效率的方法存在導(dǎo)致光譜儀質(zhì)量、體積和成本的增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種大視場高分辨率光譜儀光學(xué)設(shè)計方法，采用多段狹縫分段和對應(yīng)場鏡，通過同一塊光柵色散，不同的場鏡將不同狹縫段分別反射成像到不同的ccd中；采用階梯型光柵，工作在準littrow條件下，采用透射式doublepass光學(xué)設(shè)計，準直系統(tǒng)既可作為光纖出射光的準直，也可作為光柵衍射后光束的成像系統(tǒng)；而成像后的像面與光譜儀狹縫存在空間錯位，在像面處加入多個場鏡，再分別通過不同成像系統(tǒng)將像面上的不同狹縫的像成像到不同的ccd上。

進一步，所述大視場高分辨率光譜儀光學(xué)設(shè)計方法具體包括：

一，采用多段狹縫和對應(yīng)的場鏡，不同的場鏡將分段狹縫色散后的像分別反射成像到不同的ccd中，通過增加狹縫段數(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)大視場的設(shè)計；一臺光譜儀中多臺探測器可同時數(shù)據(jù)采集，使用一個光柵用于多臺光譜儀的數(shù)據(jù)采集；如果是積分視場光譜儀，則增加光譜儀入射端的光纖數(shù)量；

二，采用階梯型光柵，工作在準littrow條件下，使經(jīng)光柵色散后的衍射光再次通過準直系統(tǒng)進行成像，成像后的像面與光譜儀狹縫存在空間錯位，能在像面處加入場鏡，再將像面上的狹縫的像成像到ccd上；

三，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計采用多狹縫和doublepass光路相結(jié)合的方式，準直系統(tǒng)既可用于光路準直，也可作為光柵衍射后光束的成像系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述大視場高分辨率光譜儀光學(xué)設(shè)計方法的大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，所述大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)包括：

反射成像模塊，采用多段狹縫和對應(yīng)的場鏡，不同的場鏡將分段狹縫分別反射成像到不同的ccd中；

光譜色散模塊，所有狹縫段出射的光經(jīng)過同一準直系統(tǒng)準直后，照在同一塊光柵上，不同狹縫段出射的光共用一個光柵和一套準直系統(tǒng)；

成像模塊，采用doublepass光路，色散后的光柵衍射光再通過準直系統(tǒng)進行成像，成像后的像面與光譜儀狹縫存在空間錯位，通過成像系統(tǒng)將像面上的像成像到ccd上。

本發(fā)明提供的大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，采用多個分段狹縫和對應(yīng)的場鏡，不同的場鏡將不同狹縫段分別反射成像到不同的ccd中，實現(xiàn)一臺光譜儀中多臺探測器同時采集數(shù)據(jù)，增大了視場，如果是積分視場光譜儀，則可有效增加光譜儀入射端的光纖數(shù)量；設(shè)計中不同狹縫段的視場共用一塊光柵和準直系統(tǒng)，相比包含1個狹縫、1個光柵、1個ccd傳統(tǒng)的光譜儀，本設(shè)計利用一塊光柵實現(xiàn)了多臺光譜儀的功能，降低了研制成本和多個光譜儀空間布局成本，同時節(jié)約了光柵等光學(xué)元件。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例提供的大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、狹縫；2、準直系統(tǒng)；3、色散元件；4、場鏡；5、成像系統(tǒng)；6、ccd。

圖3是本發(fā)明實施例擴展到多波段光譜觀測中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例提供的為fasot望遠鏡項目設(shè)計的大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法包括以下步驟：

s101：根據(jù)光譜儀科學(xué)目標計算得到狹縫寬度及其在ccd上所占的像元數(shù)數(shù)量，再通過其與光譜儀分辨率要求得到光柵參數(shù)。

s102：根據(jù)光譜儀設(shè)計理論的計算得到滿足科學(xué)要求的光譜儀成像系統(tǒng)焦比、準直系統(tǒng)焦比等光學(xué)參數(shù)。

s103：根據(jù)提出的光譜儀設(shè)計方法，對光譜儀準直系統(tǒng)及成像系統(tǒng)進行設(shè)計，同時優(yōu)化光譜儀結(jié)構(gòu)，最終得到滿足要求的光譜儀設(shè)計，實現(xiàn)壓縮體積、節(jié)約成本的目的。

如圖2所示，本發(fā)明實施例提供的大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)包括：狹縫1、準直系統(tǒng)2、色散元件3、場鏡4、成像系統(tǒng)5、ccd6。

狹縫1與場鏡4有空間錯位，在場鏡4上方，準直系統(tǒng)2、成像系統(tǒng)5與場鏡4連接，準直系統(tǒng)2的末端設(shè)置有色散元件3，成像系統(tǒng)5的末端設(shè)置有ccd6。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進一步的描述。

如圖2所示，4為兩個擺放角度不一樣的場鏡，圖中有兩個分段狹縫，分別通過不同擺放角度的場鏡反射到不同的兩個ccd中。如果設(shè)計中狹縫分為三段，則需要三個不同方向的場鏡和與之對應(yīng)的三個成像系統(tǒng)和ccd，依次類推，可以根據(jù)實際ccd像元數(shù)及狹縫總高度選擇合適數(shù)量的狹縫分段。上述設(shè)計是采用分狹縫的方式，換言之，即是分視場的方式達到一臺光譜儀實現(xiàn)多臺光譜儀的功能。該設(shè)計可以擴展到多波段光譜觀測中，設(shè)計如圖3所示。圖3中狹縫1不再是多段狹縫，而是一段狹縫，將場鏡換成鍍膜的分束鏡4，該分束鏡可以讓某一波段全反射，另一波段全透射，不同波段的光通過分束鏡作用后，分別進入不同的成像系統(tǒng)5，成像在不同的ccd6中，即是通過分波段的形式達到一臺光譜儀實現(xiàn)多臺光譜儀的功能。

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進一步的描述。

本發(fā)明的實施例采用雙ifu高色散的光纖陣列太陽光學(xué)望遠鏡(fiberarrayedsolaroptictelescope,fasot)是我國未來大型地面太陽光學(xué)望遠鏡的重要項目之一，其研制得到基金委國家重大科研儀器研制項目的支持。該項目由于其科學(xué)目標的需要，要求滿足長贗狹縫、高分辨率、快入射焦比的積分視場光譜儀。此外，fasot項目最終要實現(xiàn)圖像重構(gòu)，該光譜儀所用到的光柵和ccd都不能采用拼接技術(shù)，否則會出現(xiàn)邊緣效應(yīng)，這些因素都加大了光譜儀光學(xué)設(shè)計的難度。目前，國內(nèi)還沒有一種積分視場光譜儀可以滿足其要求，本發(fā)明提出的光學(xué)設(shè)計方法可以設(shè)計出滿足fasot望遠鏡要求的光譜儀。

本發(fā)明實施例在準littrow條件下，根據(jù)littrow條件下，反射式階梯光柵的光柵方程：

mλ＝2dsinγ(1)

式中，m為衍射階次，λ為波長，d為光柵常數(shù)，γ為階梯光柵閃耀角?？傻梅直媛实谋磉_式：

r＝λ/dλ＝2tanγ/△γ＝2fstanγ/s(2)

式中fs是光柵衍射后聚焦系統(tǒng)焦距，s是λ與λ+dλ在ccd上成像的間距。根據(jù)系統(tǒng)的放大率m和光譜儀入射焦比fin可以得到準直系統(tǒng)的焦距fc及光柵尺寸(lg是光柵刻線方向長度，wg是光柵色散方向長度)：

fc＝fs/m(3)

lg＝fc/fin(4)

wg＝lg/cosγ(5)

fasot積分視場光譜儀為了盡可能的減少光譜儀的數(shù)量，降低研制成本和空間成本，ifu贗狹縫端光纖采用雙排交錯排列形式，此雙排結(jié)構(gòu)主要是為了提高空間采樣效率。fasot望遠鏡選用的光纖為芯徑35μm，包含包層外徑為127μm，根據(jù)ifu贗狹縫端光纖采用的錯排形式，沿著空間采樣方向，理想情況下2根光纖之間包層厚度為27.5μm，其在ccd上所占像元數(shù)大于2以防止混光現(xiàn)象，對應(yīng)光纖芯徑35μm對應(yīng)ccd上的像元數(shù)大于2.54pixels，設(shè)計中按3pixels設(shè)計。同時將光譜儀贗狹縫分成兩段，用2個場鏡來實現(xiàn)同一臺光譜儀中2臺探測器同時采數(shù)的問題，等同于兩臺光譜儀同時工作。

本發(fā)明實施例中按照分辨率110000@520nm進行設(shè)計，高于fasot的要求。要想實現(xiàn)觀測波段從516.5nm至525.5nm，則沿著色散方向，ccd至少需要5712個像元。ccd選定fingerlakesinstrumentation公司ml29050型號的ccd。fasot高分辨率積分視場光譜儀中所用到的階梯光柵決定由中科院長春光機所國家光柵制造與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心進行制造，該中心所能提供的最大光柵尺寸為400mm×500mm，刻線密度為79lines/mm，光柵閃耀角為63°。

根據(jù)以上理論，目前fasot的光柵光譜儀系統(tǒng)選定及計算得到的各個基本參數(shù)，如下：

ccd參數(shù)：fingerlakesinstrumentation公司ml29050型號，6576×4384，5.5μm/pixel；

階梯光柵參數(shù)：刻線密度79lines/mm，尺寸250mm×500mm，閃耀角：63°,由中國科學(xué)院長春光機所研制；

光纖參數(shù)：35μm/125μm，na＝0.12；

分辨率：110000@520nm；

準直光路焦距：992.87mm；

放大率：0.4657；

入射焦比：4.5；

出射焦比：2.096；

刻線方向光柵使用尺寸：220.64mm；

色散方向光柵使用尺寸：486mm。

階梯光柵在littrow條件下工作時，使用高級次光譜存在嚴重的級次重疊，但是每一個級次都存在一個不受其他級次光譜干擾的區(qū)域，即自由光譜范圍fm＝λ/m。光譜儀光譜范圍為516.5-525.5nm，對應(yīng)自由光譜范圍為11.82nm，大于9nm，不用考慮級次重疊的問題。fasot望遠鏡需要進行圖像重構(gòu)，這就要求每根光纖的光損失要一致，本發(fā)明實施例采用物方遠心光路設(shè)計，光柵置于準直系統(tǒng)出瞳處，同時該設(shè)計增大了前端ifu研制精度的容忍度。

根據(jù)fasot望遠鏡的技術(shù)指標，本發(fā)明實施例的高分辨率光譜儀設(shè)計如圖4所示，圖4中狹縫1即是由1366根光纖組成的贗狹縫，該狹縫采用的是雙排錯排結(jié)構(gòu)并且分成兩段，兩段之間間隔10mm，狹縫的不同兩段出射的光經(jīng)過準直系統(tǒng)2、光柵3色散后成像在兩個不同的場鏡4上，兩個場鏡反射后的光分別進入各自的成像系統(tǒng)5，最后成像在ccd6上。在516.5至525.5nm波段，該光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的點列圖都在艾里斑以內(nèi)，滿足衍射極限成像。同一根光纖出射的519.9952727nm、520nm兩種波長在ccd上沿色散方向所成的像之間相差18μm，大于一根光纖在ccd上成像的大小(16.3μm)，可見設(shè)計滿足110000@520分辨率的要求。

本發(fā)明實施例的大視場高分辨率光譜儀光學(xué)系統(tǒng)正是利用贗狹縫分段及對應(yīng)的場鏡來實現(xiàn)一臺光譜儀完成2臺光譜儀的工作，有效增加了光譜儀入射端的光纖數(shù)量，同時節(jié)約了光柵等光學(xué)元件，有效降低了研制成本及空間成本。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。