一种高采样效率积分视场光谱仪光学系统及其设计方法

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	一种高采样效率积分视场光谱仪光学系统及其设计方法
	钟悦; 梁昱; 屈中权; 徐稚; 李少英; 万凡
申请（专利权）人	中国科学院云南天文台
专利号	ZL202110514274.2
申请号	CN202110514274.2
	2025-02-14
申请日期	2021-05-11
公开（公告）号	CN113405657A ; CN113405657B
公开日期	2025-02-14
IPC 分类号	G01J3/04 ; G01J3/02
授权国家	中国
专利类型	发明
专利状态	授权
授权日期	2025-02-14
学科领域	物理学 ; 光学 ; 机械工程 ; 仪器仪表技术 ; 光学技术与仪器 ; 天文仪器
产权排序	1
摘要	本发明公开了一种高采样效率积分视场光谱仪光学系统及其设计方法，光学系统沿光路传输方向，包括依次设置的狭缝模块、窄带滤光片模块、准直模块和色散模块；准直模块的法线与色散模块的法线之间角度等于色散模块在使用时的入射角，色散模块的法线与成像模块的法线之间角度等于色散模块在色散使用时的衍射角，所述成像模块和反射探测器模块呈直线排列。本发明可以明显减少观测望远镜终端光谱仪数量，或者在光谱仪数量一定的情况下，提高观测的视场大小；实现对物体进行高时间分辨率的观测。
主权项	1.一种高采样效率积分视场光谱仪，其特征在于，沿光路传输方向，包括依次设置的狭缝模块(1)、窄带滤光片模块(2)、准直模块(3)和色散模块(4)、成像模块(5)、反射探测器模块(6)；准直模块(3)的法线与色散模块(4)的法线之间角度等于色散模块(4)在使用时的入射角，色散模块(4)的法线与成像模块(5)的法线之间角度等于色散模块(4)在色散使用时的衍射角，所述成像模块(5)和反射探测器模块(6)呈直线排列；所述的狭缝模块(1)包括若干个平行设置的狭缝单元(1-1)，每个狭缝单元(1-1)包括第一狭缝机构(1-2)和第二狭缝机构(1-3)，所述第一狭缝机构(1-2)和第二狭缝机构(1-3)之间设置有间隔(1-4)，每个第一狭缝机构(1-2)和第二狭缝机构(1-3)均由相同个数的光纤(1-5)组成；第一狭缝机构(1-2)、间隔(1-4)和第二狭缝机构(1-3)在同一条直线上；所述的反射探测器模块(6)包括平面反射镜(6-1)和探测器，所述探测器包括第一探测器(6-2)和第二探测器(6-3)，平面反射镜(6-1)置于探测器与成像模块(5)之间；第十二透镜(5-6)为成像模块(5)的最后一块透镜；所述第一探测器(6-2)与第十二透镜(5-6)平行设置，狭缝单元(1-1)中的第一狭缝机构(1-2)的像从第十二透镜(5-6)出射后直接照射成像在第一探测器(6-2)上；所述第二探测器(6-3)置于平面反射镜(6-1)下方，所述平面反射镜(6-1)置于第二探测器(6-3)与第十二透镜(5-6)之间，与第二探测器(6-3)和第十二透镜(5-6)均呈45°，狭缝单元(1-1)中的第二狭缝机构(1-3)的像从第十二透镜(5-6)出射后经过平面反射镜(6-1)反射后照射成像在第二探测器(6-3)上；成像模块(5)位于色散模块(4)衍射光出射方向的光路中，将衍射光汇聚成像在反射探测器模块(6)中的探测器上。2.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪，其特征在于，每个第一狭缝机构(1-2)和第二狭缝机构(1-3)包括排列间隔120μm的500根光纤(1-5)，每个第一狭缝机构(1-2)和第二狭缝机构(1-3)的长度为60mm。3.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪，其特征在于，所述的窄带滤光片模块(2)为窄带滤光片。4.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪，其特征在于，所述的准直模块(3)包括沿光路传输方向依次设置的第一透镜(3-1)、第二透镜(3-2)、第三透镜(3-3)、第四透镜(3-4)、第五透镜(3-5)和第六透镜(3-6)；所述第一透镜(3-1)、第二透镜(3-2)、第三透镜(3-3)、第四透镜(3-4)、第五透镜(3-5)、第六透镜(3-6)的材料依次采用H-ZK6、H-K9L、H-K3、H-F51、FCD100、LAF3。5.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪，其特征在于，所述的色散模块(4)为刻划反射式光栅。6.根据权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪，其特征在于，所述的成像模块(5)包括沿光路衍射方向依次设置的第七透镜(5-1)、第八透镜(5-2)、第九透镜(5-3)、第十透镜(5-4)、第十一透镜(5-5)和第十二透镜(5-6)；所述第七透镜(5-1)、第八透镜(5-2)、第九透镜(5-3)、第十透镜(5-4)、第十一透镜(5-5)和第十二透镜(5-6)的材料依次采用H-LAK11、H-LAK11、ZF52、Fused silica、ZF52、ZF52。7.一种权利要求1所述的高采样效率积分视场光谱仪的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定光栅参数：光栅方程为：d(sinα+sinβ)＝mλ (1)式中，m为衍射阶次，λ为波长，d为光栅常数，α为反射光栅入射角，β为衍射角，α与β同号表示入射角和衍射角在光栅法线同侧，异号表示入射角和衍射角分别在光栅法线两侧；光谱仪分辨率表达式：式中Δβ为λ和λ+Δλ两个波长衍射分开的角度；则在光谱仪探测器上λ和λ+Δλ两个波长分开距离s对应的成像系统焦距fs为：fs＝s/Δβ (3)则光栅前的准直系统的焦距fc为：fc＝fs/M (4)式中M为光谱仪系统放大率，其由探测器靶面尺寸D和所需成像在该探测器上的光纤数N和光纤排布间隔L决定，其表达式为：M＝D/(N×L) (5)光谱仪中使用的光栅尺寸与入射光焦比Fin有关，Lg是光栅刻线方向长度，Wg是光栅色散方向长度：Lg＝fc/Fin (6)Wg＝Lg/cosα (7)在光谱仪设计中，积分视场单元出射端光纤阵列的空间排布方向和每根光纤的色散方向在探测器上垂直；光谱仪整体的分辨本领由以下因素共同决定：光栅的分辨本领，狭缝的宽度，探测器的大小和弥散斑的大小；在色散方向上，λ和λ+Δλ两个波长在探测器上分开距离s至少大于等于一根光纤在探测器上成像沿色散方向的大小；式(5)是光谱仪在光纤空间方向上的放大倍率；光谱仪在色散方向上的放大倍率M'表达式为：M′＝M cosα/cosβ (8)则每根光纤的芯径在探测器上沿色散方向上所成像大小O’为：O'＝M'×O (9)式中O为光纤芯径直径；本光谱设计要满足以下关系式：式中，η为探测器单个像元的尺寸；基于探测器参数、狭缝长度和光谱仪分辨本领要求，根据公式(1)-(10)对光谱仪设计参数进行计算和分析，选择和确定光谱仪中光栅参数尺寸、刻线密度和闪耀波长；步骤2、确定狭缝模块(1)中狭缝的数量多狭缝积分视场光谱仪的狭缝数量和以下参数相关：探测器靶面大小、光谱分辨本领、观测波段带宽；每个子狭缝经过光谱仪系统色散后成像在探测器靶面上，沿色散方向所占的尺寸Nsi：Nsi＝s·(τ0+τ1+τ2)/Δλ (11)式中τ0、τ1、τ2分别表示窄带滤光片中心观测波段宽度和窄带滤光片上升沿和下降沿对应的波段宽度；探测器上，多个狭缝色散后的光谱不能发生重叠，则探测器上能容纳的入射端狭缝数Ns：Ns≤取整数(D/(Nsi+Δd)) (12)式中Δd为相邻两个狭缝色散后在探测器上沿色散方向成像之间暗区尺寸；通过公式(11)和(12)知，对于窄带滤光片而言，τ0、τ1、τ2越小，则一次观测的狭缝数量越多，所以在定制滤光片时，需要尽量保证τ1、τ2小，即窄带滤光片的透过率随波长变化的上升沿和下降沿陡峭；步骤3、采用折射式光学设计：由于是多狭缝积分视场光谱仪设计，其组成的光谱仪物面尺寸太大，在无遮挡的情况下，反射式结构很难实现二维大视场设计；对于一个7狭缝的积分视场光谱仪设计，其物面尺寸达到60mm×150mm，对光学设计的玻璃材料提出了要求，因为一般光学材料的镜胚尺寸在160mm口径；但考虑到观测波段范围不大，光学设计所使用的玻璃材料都在成都光明大玻璃库中选择；步骤4、考虑到积分视场单元的使用要实现观测对象的成谱成像，需要重构图像，这就要求每根光纤的光能损失要一致，设计中光谱仪系统采用物方远心光路设计，光栅置于准直系统出瞳处。
语种	中文
专利代理人	王新爱
代理机构	北京权智天下知识产权代理事务所（普通合伙）
文献类型	专利
条目标识符	http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/28128
专题	无名山观测站光纤阵列太阳光学望远镜研究组抚仙湖太阳观测和研究基地
作者单位	中国科学院云南天文台, 650000云南省昆明市官渡区羊方旺396号
第一作者单位	中国科学院云南天文台
推荐引用方式 GB/T 7714	钟悦,梁昱,屈中权,等. 一种高采样效率积分视场光谱仪光学系统及其设计方法. ZL202110514274.2[P]. 2025-02-14.

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CN113405657A-一种高采样效率（1168KB）	专利		开放获取	CC BY-NC-SA	浏览请求全文