一种大视场高分辨率光谱仪光学系统技术方案

本实用新型专利技术属于光学设备技术领域，公开了一种大视场高分辨率光谱仪光学系统，所述大视场高分辨率光谱仪光学系统装置有多个狭缝及其对应的场镜；狭缝空间下方有多个对应的场镜，准直系统、成像系统与场镜连接。本实用新型专利技术采用多个分段狭缝和对应的场镜，不同的场镜将不同狭缝段的像分别反射成像到不同的CCD上，相对传统光谱仪通常包含一个光栅、一个探测器的结构，利用一块光栅实现了多台光谱仪色散的功能，实现了一台光谱仪中多台探测器同时采集数据，增大了视场；降低了研制成本和多个光谱仪空间布局成本；如果是积分视场光谱仪，则可有效增加光谱仪入射端的光纤数量，同时节约光栅等光学元件。

A wide field of view and high resolution spectrometer optical system

The utility model belongs to the technical field of optical devices, a wide field of view and high resolution spectrometer optical system is disclosed that the large visual field and high resolution spectrometer optical system device has a plurality of slits and the corresponding field lens; a lens slit space below a plurality of corresponding quasi direct, system, imaging system and field lens connection. The utility model adopts a plurality of segmented slit and the corresponding field lens, field lens in different different segments and different slit like reflection imaging to CCD respectively, compared with the traditional spectrometer usually contains a grating structure, a detector, using a grating spectrometers to realize multi dispersion function, at the same time the data acquisition of multiple detectors of a spectrometer, increases the field of view; the developing cost is reduced and a plurality of spectrometer space layout cost; if it is integral field spectrometer, it can effectively increase the number of fiber spectrometer incident end at the same time, saving the grating and other optical components.

【技术实现步骤摘要】
一种大视场高分辨率光谱仪光学系统
本技术属于光学设备
，尤其涉及一种大视场高分辨率光谱仪光学系统。
技术介绍
光谱仪是能将混合光按照不同的波长分成光谱的光学仪器，它能够获得目标的光谱信息，这为分析判断目标的属性提供了更好的依据。从早期的利用棱镜的色散作用来实现分光的光谱仪发展到近些年常用的光栅光谱仪。随着光谱仪的发展，增大视场可以提高成像光谱仪的工作效率，大视场宽覆盖是下一代成像光谱仪的发展趋势。尤其随着天文学近几年的飞速发展，积分视场单元(IntegralFieldUnit,IFU)在国内外天文领域的广泛运用，使用IFU代替一般高色散型成像光谱仪中的狭缝来链接望远镜和光谱仪组成光纤成像光谱仪。基于IFU的光谱仪特别是高空间分辨率和高光谱分辨率的积分视场单元光谱仪成为天文领域的迫切需要。为了满足天文观测的空间分辨率的需求，几百根、甚至上千根光纤排列组成的光纤阵列作为光谱仪的狭缝端，这对大视场、高分辨率光谱仪提出了更高的要求，增大视场通常会导致光谱仪质量、体积和成本的增加。传统的光谱仪，由于透射式、反射式全息光栅很难做到大尺寸的，这导致了透射式全息光栅设计的光谱仪很难实现大视场、高分辨率的功能。目前，工艺上只有阶梯光栅能做的比较大。综上所述，现有技术存在的问题是：现有的成像光谱仪依靠增大视场提高工作效率的方法存在导致光谱仪质量、体积和成本的增加。
技术实现思路
为解决现有技术的问题，本技术的目的在于提供一种大视场高分辨率光谱仪光学系统。本技术是这样实现的，一种大视场高分辨率光谱仪光学系统，所述大视场高分辨率光谱仪光学系统设置有：多个狭缝；狭缝与场镜有空间错位，在场镜上方；准直系统、成像系统均通过光束与场镜连接；准直系统的末端通过光束连接有色散元件，成像系统的末端通过光束连接有CCD。进一步，所述大视场高分辨率光谱仪光学系统设置有多个狭缝及其对应的场镜，不同的场镜将分段狭缝分别反射成像到不同的CCD中。进一步，所述准直系统的末端通过光束连接有色散元件，所有不同段狭缝出射的光共用一个准直系统和一块光栅色散。进一步，所述成像系统的末端通过光束连接有CCD，每个CCD对应一个狭缝的光谱像。本技术提供的大视场高分辨率光谱仪光学系统，有多个狭缝及其对应的场镜，不同的场镜将分段狭缝分别反射成像到不同的CCD中，通过增加狭缝段数经过优化设计实现大视场的设计；准直系统的末端设置有色散元件，所有不同段狭缝出射的光共用一个准直系统和一块光栅色散，使用一个光栅实现多台光谱仪的功能，实现一台光谱仪中多台探测器可同时采集数据；设计中色散元件采用阶梯型光栅，工作在准Littrow条件下，使经光栅色散后的衍射光再次通过准直系统进行成像，成像后的像面与光谱仪狭缝存在空间错位，从而能在像面处加入场镜；这种采用多狭缝和doublepass光路相结合的方式实现压缩空间、减少透镜数量的作用；成像系统的末端设置有CCD，每个CCD对应一个狭缝的光谱像。本技术提供的大视场高分辨率光谱仪光学系统，采用多个分段狭缝和对应场镜，不同的场镜将不同狭缝段分别反射成像到不同的CCD中，实现一台光谱仪中多台探测器同时采集数据，增大了视场，如果是积分视场光谱仪，则可有效增加光谱仪入射端的光纤数量；设计中不同狭缝段的视场共用一块光栅和准直系统，相比包含1个狭缝、1个光栅、1个CCD传统的光谱仪，本设计利用一块光栅实现了多台光谱仪的功能，降低了研制成本和多个光谱仪空间布局成本，同时节约了光栅等光学元件。附图说明图1是本技术实施例提供的大视场高分辨率光谱仪光学系统装置结构示意图；图中：1、狭缝；2、准直系统；3、色散元件；4、场镜；5、成像系统；6、CCD。图2是本技术实施例扩展到多波段光谱观测中的光学系统设计示意图。图3是本技术实施例提供的为FASOT望远镜项目设计的大视场高分辨率光谱仪光学系统设计示意图。具体实施方式为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。下面结合附图对本技术的应用原理作详细的描述。如图1所示，本技术实施例提供的大视场高分辨率光谱仪光学控制系统包括：狭缝1、准直系统2、色散元件3、场镜4、成像系统5、CCD6。狭缝1与场镜4有空间错位，在场镜4上方，准直系统2、成像系统5与场镜4连接，准直系统2的末端通过光束连接有色散元件3，成像系统5的末端通过光束连接有CCD6。本技术实施例提供的大视场高分辨率光谱仪光学系统的设计方法包括以下步骤：根据光谱仪科学目标计算得到狭缝宽度及其在CCD上所占的像元数数量，再通过其与光谱仪分辨率要求得到光栅参数。根据光谱仪设计理论的计算得到满足科学要求的光谱仪成像系统焦比、准直系统焦比等光学参数。根据提出的光谱仪设计方案，对光谱仪准直系统及成像系统进行设计，同时优化光谱仪结构，最终得到满足要求的光谱仪设计，实现压缩体积、节约成本的目的。下面结合附图对本技术的应用原理作进一步的描述。如图1所示，4为两个摆放角度不一样的场镜，图中有两个分段狭缝，分别通过不同摆放角度的场镜反射到不同的两个CCD中。如果设计中狭缝分为三段，则需要三个不同方向的场镜和与之对应的三个成像系统和CCD，依次类推，可以根据实际CCD像元数及狭缝总高度选择合适数量的狭缝分段。上述设计是采用分狭缝的方式，换言之，即是分视场的方式达到一台光谱仪实现多台光谱仪的功能。该设计可以扩展到多波段光谱观测中，设计如图2所示。图2中狭缝不再是多段狭缝，而是一段狭缝，将场镜换成镀膜的分束镜4，该分束镜可以让某一波段全反射，另一波段全透射，不同波段的光通过分束镜作用后，分别进入不同的成像系统5，成像在不同的CCD6中，即是通过分波段的形式达到一台光谱仪实现多台光谱仪的功能。下面结合具体实施例对本技术的应用原理作进一步的描述。本技术的实施例采用双IFU高色散的光纤阵列太阳光学望远镜(FiberArrayedSolarOpticTelescope,FASOT)是我国未来大型地面太阳光学望远镜的重要项目之一，其研制得到基金委国家重大科研仪器研制项目的支持。该项目由于其科学目标的需要，要求满足长赝狭缝、高分辨率、快入射焦比的积分视场光谱仪。此外，FASOT项目最终要实现图像重构，该光谱仪所用到的光栅和CCD都不能采用拼接技术，否则会出现边缘效应，这些因素都加大了光谱仪光学设计的难度。目前，国内还没有一种积分视场光谱仪可以满足其要求，本专利提出的光学设计方案可以设计出满足FASOT望远镜要求的光谱仪。本技术实施例在准Littrow条件下，根据Littrow条件下，反射式阶梯光栅的光栅方程：mλ＝2dsinγ(1)式中，m为衍射阶次，λ为波长，d为光栅常数，γ为阶梯光栅闪耀角。可得分辨率的表达式：R＝λ/dλ＝2tanγ/△γ＝2fstanγ/s(2)式中fs是光栅衍射后聚焦系统焦距，s是λ与λ+dλ在CCD上成像的间距。根据系统的放大率M和光谱仪入射焦比Fin可以得到准直系统的焦距fc及光栅尺寸(Lg是光栅刻线方向长度，Wg是光栅色散方向长度)：fc＝fs/M(3)Lg＝fc本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大视场高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于，所述大视场高分辨率光谱仪光学系统设置有：多个狭缝；狭缝与场镜有空间错位，在场镜上方；准直系统、成像系统均通过光束与场镜连接；准直系统的末端通过光束连接有色散元件，成像系统的末端通过光束连接有CCD。

【技术特征摘要】
1.一种大视场高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于，所述大视场高分辨率光谱仪光学系统设置有：多个狭缝；狭缝与场镜有空间错位，在场镜上方；准直系统、成像系统均通过光束与场镜连接；准直系统的末端通过光束连接有色散元件，成像系统的末端通过光束连接有CCD。2.如权利要求1所述的大视场高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于，所述大视场高分辨率光谱仪光学系统设置有多个狭缝及...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟悦，常亮，屈中权，
申请(专利权)人：中国科学院云南天文台，
类型：新型
国别省市：云南,53