一种基于FOSC型的双通道中低色散光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱仪器技术领域，具体是一种基于FOSC型的双通道中低色散光谱仪。

背景技术

暗天体分光仪和照相机FOSC(Fain Object Spectrograph and Camera)是20世纪80年代发展起来的一种天文望远镜终端仪器，它的主要优点是：多用途、高效和灵活。

单通道FOSC型仪器整个光学系统主要由准直镜光组和成像镜光组组成，准直镜光组的前焦点与望远镜的卡焦焦点重合，由望远镜成像于卡焦的星象通过准直镜光组变成平行光，然后由成像镜再一次成像并最终由光子探测器(CCD)接收。FOSC的所有光学部件都是透射光学元件，包括色散元件。所有光学元件和成像面都是同轴的，像面不偏转，并与观测波长、观测模式没有关系。

经调研可发现：单通道FOSC型仪器的工作波长以可见光(365-900纳米)为主，虽然部分仪器的工作波长标称可以小于350纳米或大于950纳米，但是仪器设计在玻璃材料、关键器件(光栅、探测器)等方面均未进行整体优化；另一方面，部分FOSC型仪器对直视棱栅进行了升级改造(采用体位相全息棱栅VPHG)用于仪器效率的提升，但是单通道设计下的直视棱栅为了减少二级光谱的影响需要配合级次滤光片使用，镀膜效率也因工作带宽较大而提升有限。

国内外多个台址为光学天文望远镜在紫外和近红外波段的观测提供了非常优良的条件，而且随着高效率光栅、宽波段镀膜工艺以及新型探测器的技术发展，各类光谱仪对全波段覆盖、高效率观测都提出了更迫切的需求。

基于此，本专利以1.9米光学望远镜为研究对象，设计了一种基于FOSC型的双通道、高效率中低色散光谱仪，仪器体量较小，不同分辨率模式单次曝光均可实现310-1000纳米的全波段覆盖。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种基于FOSC型的双通道中低色散光谱仪，本发明的光谱仪不同分辨率模式单次曝光均可实现310-1000纳米的全波段覆盖。

技术方案：一种基于FOSC型的双通道中低色散光谱仪，所述光谱仪包括狭缝切换系统、准直分色系统、蓝区色散系统、红区色散系统、B相机系统、R相机系统、蓝通道光子探测器和红通道光子探测器；

望远镜的星光进入狭缝切换系统中的狭缝后，经过准直分色系统变成准直光并分成红蓝两个通道；蓝通道经过所述蓝区色散系统进入B相机系统成像后，被蓝通道光子探测器接收；红通道经过所述红区色散系统进入R相机系统成像后，被红通道光子探测器接收；经过所述蓝区色散系统的蓝通道和经过所述红区色散系统的红通道对称分布在狭缝的两侧，且保持平行；所述B相机系统、蓝通道光子探测器像面和准直分色系统共轴无偏转；所述R相机系统、红通道光子探测器像面和准直分色系统共轴无偏转。

进一步的，所述狭缝切换系统，包括狭缝轮和狭缝板，所述狭缝板装配在狭缝轮上，所述狭缝板为六个，六个狭缝板上设有不同规格的狭缝或者测试孔；所述狭缝轮用于旋转切换不同的狭缝板。

进一步的，所述准直分色系统包括离轴球面改正镜、离轴抛物镜、分色镜、蓝通道折转平面镜和红通道折转平面镜；

望远镜的星光进入狭缝切换系统中的狭缝，经过所述准直分色系统中的离轴球面改正镜后，入射到离轴抛物镜上，经过离轴抛物镜的反射变成准直光，准直光绕光轴旋转8°后通过分色镜分成红蓝两个通道；所述分色镜入射角为20°；分色镜反射出的为蓝通道，分色镜透射出的为红通道；蓝通道和红通道分别利用蓝通道折转平面镜和红通道折转平面镜，折转后的蓝通道和红通道近似对称分布在狭缝两侧，且保持平行。

进一步的，所述蓝区色散系统，包括第一滤光轮和第一光栅轮；所述第一滤光轮上装配有不同规格的滤光片和偏振器件，所述第一光栅轮上装配有不同的低色散GRISM和VPHG；蓝通道进入所述蓝区色散系统后，先进入第一滤光轮上的滤光片或偏振器件，后进入低色散GRISM和VPHG；

所述红区色散系统，包括第二滤光轮和第二光栅轮；所述第二滤光轮上装配有不同规格的滤光片和偏振器件；所述第二光栅轮上装配有不同的高色散GRISM或VPHG；红通道进入所述红区色散系统后，先进入第二滤光轮上的滤光片或偏振器件，后进入高色散GRISM或VPHG。

进一步的，所述第一光栅轮上装配的低色散GRISM和VPHG的工作波长范围为310-560nm；所述第二光栅轮上装配的高色散GRISM或VPHG的工作波长范围为540-1000nm。

进一步的，所述B相机系统，采用7片透射式设计，7片透镜从入射端至出射端分别为：CaF

所述R相机系统，采用5片透射式设计，5片透镜从入射端至出射端分别为：H-ZF13GT透镜、CaF

进一步的，所述蓝通道光子探测器和红通道光子探测器的靶面大小为4K×4K，像元为15微米。

进一步的，蓝通道光子探测器和红通道光子探测器均选用e2v的CCD 231-84芯片，其中，蓝通道光子探测器选择NBB芯片，红通道光子探测器选用深耗尽芯片。

有益效果：

1)本发明采用的双通道设计，满足光谱仪在全波段的高效率需求；

2)准直系统采用了折反射式系统设计提高系统效率并压缩了空间；

3)红蓝通道相机系统可实现大动态温度范围(-30℃～20℃)全视场(φ16°)最大弥散斑半径均方根小于5μm的优良像质。

附图说明

图1为本发明的结构工作原理图；

图2为本发明光谱仪的光路图；

图3是两种光栅的工作原理图；其中(a)为GRISM工作原理，(b)为VPHG工作原理；

图4为狭缝切换系统切换示意图；

图5为准直分色系统的光路图；

图6为蓝通道相机系统光学设计示意图；

图7为红通道相机系统光学设计示意图；

图8为蓝通道4个光谱工作模式不同波长的弥散斑大小；

图9为红通道4个光谱工作模式不同波长的弥散斑大小；

图10为不同棱栅，光谱分辨率与波长的关系，

图11为光谱在CCD上的位置(色散方向)与波长的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于FOSC型的双通道中低色散光谱仪，其结构如图1所示，如下：

所述光谱仪安装在望远镜的赤纬轴焦点；所述光谱仪包括狭缝切换系统、准直分色系统、蓝区色散系统、红区色散系统、B相机系统、R相机系统、蓝通道光子探测器和红通道光子探测器；

所述望远镜的星光，进入狭缝切换系统中的狭缝后，经过准直分色系统变成准直光并分成红蓝两个通道；蓝通道经过所述蓝区色散系统进入B相机系统成像后，被蓝通道光子探测器接收；红通道经过所述红区色散系统进入R相机系统成像后，被红通道光子探测器接收。经过所述蓝区色散系统的蓝通道和经过所述红区色散系统的红通道对称分布在狭缝的两侧，且保持平行。所述B相机系统、蓝通道光子探测器像面和准直分色系统共轴无偏转；所述R相机系统、红通道光子探测器像面和准直分色系统共轴无偏转。

(一)狭缝切换系统的结构

所述狭缝切换系统，包括狭缝轮和狭缝板，所述狭缝板装配在狭缝轮上，所述狭缝板为六个，六个狭缝板上设有不同规格的狭缝或者测试孔；所述狭缝轮用于旋转切换不同的狭缝板。

(二)准直分色系统的结构

所述准直分色系统包括离轴球面改正镜、离轴抛物镜、分色镜、蓝通道折转平面镜、红通道折转平面镜；望远镜的星光进入狭缝切换系统中的狭缝，经过所述准直分色系统中的离轴球面改正镜(熔石英)后，入射到离轴抛物镜上，经过离轴抛物镜的反射变成准直光，准直光绕光轴旋转8°后通过分色镜分成红蓝两个通道；

所述分色镜入射角为20°；

分色镜反射出的为蓝通道，分色镜透射出的为红通道；蓝通道和红通道分别利用蓝通道折转平面镜和红通道折转平面镜，折转后的蓝通道和红通道近似对称分布在狭缝两侧，且保持平行。

(三)色散系统的结构

蓝通道经过所述蓝区色散系统后进入B相机系统；所述蓝区色散系统，包括第一滤光轮和第一光栅轮；所述第一滤光轮上装配有不同规格的滤光片、偏振器件，第一滤光轮用于切换不同的滤光片或偏振器件实现不同的观测模式；所述第一光栅轮上装配有不同的低色散GRISM和VPHG；蓝通道进入所述蓝区色散系统后，先进入第一滤光轮上的滤光片或偏振器件，后进入低色散GRISM和VPHG；

红通道经过所述红区色散系统后进入R相机系统；所述红区色散系统，包括第二滤光轮和第二光栅轮；所述第二滤光轮上装配有不同规格的滤光片、偏振器件，第二滤光轮用于切换不同的滤光片或偏振器件实现不同的观测模式；所述第二光栅轮上装配有不同的高色散GRISM或VPHG；红通道进入所述红区色散系统后，先进入第二滤光轮上的滤光片或偏振器件，后进入高色散GRISM或VPHG；

所述第一光栅轮上装配的低色散GRISM和VPHG的工作波长范围为310-560nm；所述第二光栅轮上装配的高色散GRISM或VPHG的工作波长范围为540-1000nm。

(四)相机系统的结构

所述B相机系统，采用7片透射式设计，7片透镜从入射端至出射端分别为：CaF

所述R相机系统，采用5片透射式设计，5片透镜从入射端至出射端分别为：H-ZF13GT透镜、CaF

(五)探测器的结构

蓝通道光子探测器和红通道光子探测器的参数均为靶面大小4K×4K，像元15微米；蓝通道光子探测器和红通道光子探测器均选用e2v的CCD 231-84芯片，其中，蓝通道光子探测器选择NBB芯片，红通道光子探测器选用深耗尽芯片；蓝通道光子探测器和红通道光子探测器均采用凹面封窗。

通过下面具体实施例描述本发明的双通道中低色散光谱仪的设计过程：

选择1.93米光学望远镜，1.93米光学望远镜是一架具有高分辨和高测光精度的赤道式望远镜，采用经典的R-C光学系统设计，设置卡焦、折轴卡焦和COUDE三个观测焦点，其中折轴卡焦的系统焦比为F/8，本发明设计的双通道中低色散光谱仪(WDCS)根据总体布局需求将安装在望远镜的中间块：双通道中低色散光谱仪安装在1.93米光学望远镜赤纬轴焦点(中间块)；一次曝光可实现310-1000nm全波段的低、中、高分辨率光谱观测，优先保证360-900nm波段的仪器效率；光谱仪同时应具备导星和光谱自定标功能。由于望远镜在卡焦端设置了3通道同步测光，因此本发明中设计的双通道中低色散光谱仪并不需要兼顾成像功能，其主要技术指标要求见表1。

表1双通道中低色散光谱仪的主要技术指标要求

针对表1中的技术指标要求对双通道中低色散光谱仪中的结构及各部件进行设计。

本发明设计的双通道设计方案的原理如图1所示，每个通道保证准直分色系统、相机系统和CCD像面共轴无偏转。即所述B相机系统、蓝区光子探测器像面和准直分色系统共轴无偏转；R相机系统、红通道光子探测器像面和准直分色系统共轴无偏转。

按照设计要求，双通道中低色散光谱仪需实现不同的光谱分辨率和整个波段的高效率，FOSC型的双通道设计可以满足设计需求，这种基于FOSC型的双通道设计具有以下优势：1)不同模式的切换简单高效，不需要旋转相机系统；2)相比于单通道FOSC型光谱仪，双通道方案每个通道的工作波段变窄，更有利于镀膜效率(仪器效率)的提升以及光栅、相机和CCD等关键器件效率的优化；3)单通道的光栅需考虑其它级次的影响配合滤光片使用，双通道则不需要。

按照指标要求，仪器效率应包含准直分色系统、色散系统和相机系统的效率，不含狭缝损失和探测器。准直分色系统的效率主要由镀膜工艺决定；色散系统的效率主要由棱栅供应商的加工工艺决定；相机系统的效率主要由镀膜、玻璃材料的吸收决定。

步骤一：确定狭缝切换系统的结构和参数

根据光谱仪的设计要求，狭缝需满足不同视宁度或光谱分辨率的观测需求，因此狭缝需要有不同的宽度和长度。光谱仪的狭缝设置通过狭缝轮进行切换：

1)狭缝宽度可调，满足不同视宁度的观测需求，比如：0.8角秒、1.5角秒、2角秒等；

2)在R＝500和R＝2000模式下，狭缝长度≥3角分；在R大于5000模式下，狭缝长度≥10角秒；比如，中低分辨率模式下狭缝长度采用3′，高分辨率模式下狭缝长度采用30″。

本实施例中，中低分辨率模式下采用狭缝长度为3′；高分辨率模式下采用狭缝长度为30″(高分辨率模式下狭缝长度的设计要求大于10″)。

六个所述狭缝板，分别为第一狭缝板、第二狭缝板、第三狭缝板、第四狭缝板、第五狭缝板和第六狭缝板；每个狭缝板上狭缝规格如图4所示：

所述第一狭缝板上狭缝的规格为：狭缝对天张角为0.8″，狭缝长度的物理尺寸分别为13.27mm(即狭缝长度为3′)，狭缝宽度的物理尺寸分别为0.06mm；

所述第二狭缝板的狭缝的规格为：狭缝对天张角为1.5″，狭缝长度的物理尺寸为13.27mm，狭缝宽度的物理尺寸分为0.11mm；

所述第三狭缝板上狭缝的规格为：狭缝对天张角为0.8″，狭缝长度的物理尺寸为2.21mm(狭缝长度为30″)，狭缝宽度的物理尺寸为0.06mm；

所述第四狭缝板的狭缝的规格为：狭缝对天张角为1.5″，狭缝长度的物理尺寸为2.21mm，狭缝宽度的物理尺寸为0.11mm；

所述第五狭缝板上设有第一测试孔；所述第六狭缝板上设有9个第二测试孔；第五狭缝板和第六狭缝板，用来观测成像状态与成像质量，后续可替换为其它规格的狭缝板。

步骤二：确定色散系统中的棱栅参数

为了保证安装在1.93米光学望远镜中间块的光谱仪长期高效稳定，色散器件采用棱栅，保证棱栅的入射方向和中心波长的衍射方向一致，这样不但可以快速切换不同的观测模式(不同的光谱分辨率，甚至也可以进行成像测光或偏振观测等)，而且相机系统固定减少了旋转运动机构。

直视棱栅可以实现特定波长的入射光和衍射光不发生偏折。根据不同的光栅工艺，可以为两种：1)GRISM：基于棱镜与光栅的组合，可以选择在棱镜上进行光栅刻划或者复制，GRISM工作原理如图3(a)所示，GRISM的工作原理属于现有技术，不再具体描述；GRISM能够满足高、中、低3种分辨率观测模式；2)VPHG：选择棱镜与体位相全息光栅组合的形式，即采用一对棱镜与体位相全息光栅胶合成，VPHG的工作原理如图3(b)所示，VPHG的工作原理属于现有技术，不再具体描述；VPHG可以满足中分辨率观测模式。

本实施例中，通过棱镜材料和棱镜顶角的调整对工作波段的光栅效率进行优化得到8种光栅参数，如下表所示；

表2光栅参数

步骤三、设计准直分色系统的参数；

在Littrow条件下，基于棱栅的光谱仪极限分辨率近似为：

考虑空间约束、降低研制成本，红蓝通道共用一套准直分色系统，其工作波长需覆盖310-1000nm。

准直分色系统的结构若采用传统FOSC型的透射式设计，整个仪器的长度太长而导致结构易产生变形，仪器性能下降，因此考虑选择反射式或折反射式设计作为准直分色系统的结构。同时通过折转平面镜压缩光路并让红蓝通道近似对称分布，另外由于红蓝通道折转平面镜与光瞳像面的距离较短，还需要通过球面改正镜进行权衡优化。准直分色系统的光路图如图5所示。

步骤四、设计相机系统的参数；

双通道中低色散光谱仪的相机系统是最为关键的子系统，不仅需要考虑各个光谱分辨率模式不同的视场需求，而且需要兼顾像质和高效率的设计要求。考虑到相机系统的焦比不快，红蓝通道没有采用类似LAMSOT中低分辨率光谱仪的施密特相机设计，采用传统透射式设计并保证空间布局的近似对称；同时为了提高仪器效率，相机系统在满足设计像质的前提下，适当选择非球面，减少透镜数量，并对玻璃材料进行优化；另外，整个光谱仪需在-30℃～20℃范围内正常工作，为了实现全年的环境适应性，相机系统考虑采用主动调焦补偿或者无热化相机设计方案。

光谱仪相机系统(指的B相机系统和R相机系统)的焦距与探测器(本发明中的蓝通道光子探测器和红通道光子探测器)的尺寸、采样大小和每个通道(蓝通道和红通道)的工作带宽相关，

式中，F

确定B、R相机系统的焦比为F/4.3，焦距为215mm，色散方向视场为16°；B相机系统、R相机系统均采用透射式设计，工作距离(光瞳像面到第一个透镜的距离)，蓝通道>190mm，红通道>145mm。

B相机系统：由于工作波长为310-560nm，适用于该波段的高透过率材料只有CaF

B相机系统中，CaF

R相机系统：工作波长为540-1000nm，适用于该波段的高透过率材料可选择性较大，原则上在满足相机像质要求的情况下，尽量减少透镜数量并选择性价比高的玻璃材料。基于此，所述R相机系统，红通道相机的光学设计如图7所示，采用5片透射式设计，5片透镜从入射端至出射端分别为：H-ZF13GT透镜、CaF2透镜、H-ZK3透镜、H-FK61透镜、F_SILICA透镜；靠近出射端的F_SILICA透镜为封窗透镜。

所述R相机系统，CaF

步骤五、确定探测器的参数

双通道中低色散光谱仪两个通道都需要大面阵的CCD，因此，选择靶面大小4K×4K，像元15微米，同时由于工作波段覆盖紫外-近红外，不同厂家基于不同工艺的CCD芯片量子效率差异较大。目前，天文应用4K CCD芯片以Teledyne e2v CCD 231-84和STA 4850公司的产品为主，为了尽可能的提高两个通道的效率，效率最大的组合：蓝通道可选择STA 4850芯片，红通道可选择e2v基于HiRho的芯片；工程实施可行性最高的组合：蓝通道可选择e2v最新技术NBB芯片，红通道可选择e2v的深耗尽(Deep Depletion)芯片，但是相应的在紫外和近红外两端的效率将有所下降。

通过步骤一之步骤五确定的光谱仪参数如下表所示：

表3、光谱仪参数

步骤六、像质评价和光谱分辨率：

1、红蓝通道棱栅采用的主要参数如下：

表4红蓝通道棱栅的主要参数

2、天文光谱仪的像质可通过弥散斑大小进行初步评价，也可以通过能量集中度或点扩散函数进行描述。图8为蓝通道4个光谱工作模式不同波长的弥散斑大小，每个矩形框大小为2个像素(30微米)。图9为红通道4个光谱工作模式不同波长的弥散斑大小，每个矩形框大小为2个像素(30微米)。图8和图9给出了红蓝通道在室温20℃下部分级次的弥散斑大小，其中蓝通道最大弥散斑半径均方根小于5微米，红通道最大弥散斑半径均方根小于3.5微米，远优于设计要求。

3、基于表4的8种光栅，可以计算得到不同波长下的光谱分辨率以及光谱在CCD色散方向的分布情况，如图10和图11所示，红蓝通道的光谱分辨率满足设计要求，均可实现R＝500,2000和5500三种模式；GRISM和VPHG经过棱镜角度的优化，光谱在CCD靶面上的位置基本呈对称分布。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。