一種可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，包括：準直器（1）、傾斜鏡（2）、波前校正器DM（3）、二向色分光鏡（4）、波前探測器（5）、波前控制器（6）、成像系統(tǒng)（7）、狹縫（8）、準直鏡（9）、光柵（10）、成像鏡（11）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（12）和數(shù)據(jù)處理及控制計算機（13）組成。本發(fā)明通過在高速傾斜反射鏡后引入波前校正器DM，在沒有明顯增加成本和復雜性的前提下，使之同時具有校正傾斜像差和其它高階像差的能力。通過對波前探測器測量數(shù)據(jù)進行分析、分離，并對影響太陽光柵光譜成像裝置光譜展寬的波前像差類型進行有選擇性的差別校正，不僅能夠有效降低太陽自適應光學的波前校正要求，還能有效抑制太陽光柵光譜成像裝置的光譜展寬。
【專利說明】一種可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽光柵光譜成像裝置，特別是針對可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置。
【背景技術】
[0002]太陽光譜包含著很多重要信息，如太陽溫度、元素豐度、視向速度場及磁場等重要信息，而對太陽進行準確的光譜探測和成像探測是研究太陽大氣活動演化和進行準確空間天氣預報的前提，因此對太陽大氣活動進行準確的太陽光譜探測和成像探測是至關重要的。太陽光柵光譜成像裝置在太陽大氣活動的觀測中得到了廣泛的應用，這是由于它在太陽光譜觀測中具有許多突出的優(yōu)點，主要有:1)能夠進行多波段同時觀測，這是太陽大氣分層特性研究的一個常規(guī)手段；2)速度場的測量不受速度的限制，能夠對快速運動目標進行觀測(黃佑然，許熬敖，秦志海，等.實測天體物理學[M].北京:北京科學出版社，1987.)。然而太陽光柵光譜裝置嚴重受大氣擾動的影響，表現(xiàn)在:1)大氣擾動會引起太陽光柵光譜成像裝置在進行光譜觀測過程中太陽像的抖動，從而無法進行長時間的穩(wěn)定的成像或光譜觀測，2)大氣擾動會導致能量的擴散；3)大氣擾動的存在會導致太陽光柵光譜成像裝置的光譜展寬、“鬼線”和譜線位移等問題，而這些問題都將嚴重影響太陽大氣活動的研究，因此消除大氣擾動的影響對提高太陽光柵光譜成像裝置光譜觀測性能和成像質量具有重要意義。
[0003]1976年Noll研究表明波前整體傾斜約占了總體波前像差的90% (Noll R.J.，1976,“Zernike polynomials and atmospheric turbulence”，J.0pt.Soc.Am.A66,207-211)，因此，為了解決大氣擾動對太陽光柵光譜成像裝置的影響，傳統(tǒng)的解決方法是使用高速傾斜鏡對整體波前傾斜進行快速實時校正，從而解決了太陽望遠鏡焦平面上太陽像抖動問題，因此太陽光柵光譜成像裝置能夠對太陽進行長時間的穩(wěn)定的成像觀測或光譜觀測。1997年G.Molodij的研究表明采用傾斜鏡消除大氣湍流引起的總體波前傾斜能得到大視場的中等成像質量的成像或光譜觀測(A&A Supplement series, Vol.128, FebruaryII1998，229-244)。然而高速傾斜鏡僅僅是校正了波前的整體傾斜像差，但是并沒有消除高階像差對太陽光柵光譜成像裝置性能的影響。
[0004]與傳統(tǒng)自適應光學技術不同，太陽光柵光譜成像裝置狹縫會對大氣擾動進行波前濾波，且對不同類型的波前像差濾波效果存在很大的差異，因此使用自適應光學技術進行波前校正時，必須考慮狹縫對不同類型像差濾波效果的差異性，對不同類型像差進行有選擇性的差別校正，以提高太陽自適應光學波前校正能力和抑制太陽光柵光譜成像裝置的光譜展寬。但目前尚未發(fā)現(xiàn)以抑制太陽光柵光譜成像裝置光譜展寬為目的的波前校正裝置。
[0005]本發(fā)明基于以上背景，提出可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，通過對傳統(tǒng)的太陽自適應光學系統(tǒng)進行改造，即通過在高速傾斜鏡后引入波前校正器DM，在沒有明顯增加成本和復雜性的前提下，使之具有對傾斜像差和其它高階像差的校正能力。通過對波前探測器測量數(shù)據(jù)進行分析、分離，并對影響太陽光柵光譜成像裝置光譜展寬的波前像差類型進行有選擇性的差別校正，不僅能夠有效降低太陽自適應光學的波前校正要求，還能有效提高太陽光柵光譜成像裝置的光譜分辨力。這對于更準確的太陽大氣活動研究和更高精度的層析成像研究具有重要意義。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是:大氣擾動會嚴重影響太陽光柵光譜成像裝置的成像質量和光譜觀測性能，它不僅會引起太陽望遠鏡焦平面上的太陽像抖動，因此無法對太陽大氣活動進行跟蹤和光譜成像觀測，還會引起太陽光柵光譜成像裝置光譜展寬，導致太陽光柵光譜成像裝置的光譜分辨力的衰減。這些對于準確研究太陽大氣活動和高精度層析成像觀測會產生嚴重的不良影響。因此，本發(fā)明提出一種相應的解決方法，試圖突破大氣擾動對太陽光柵光譜成像裝置的成像質量和光譜觀測性能的限制。
[0007]本發(fā)明解決上述技術問題采用的技術方案是:一種可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，該裝置包括準直器、傾斜鏡、波前校正器DM、二向色分光鏡、波前探測器、波前控制器、成像系統(tǒng)、狹縫、準直鏡、光柵、成像鏡、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理及控制計算機組成；其中:
[0008]太陽望遠鏡對太陽大氣活動目標進行成像后，經(jīng)準直器準直為平行光后入射至高速傾斜鏡，用于實時校正大氣湍流造成的波前整體傾斜。經(jīng)高速傾斜鏡后光束反射至波前校正器DM，用于實時校正高階大氣湍流像差引起的波前畸變。經(jīng)波前校正器DM反射后的光束被二向色分光鏡分為反射光和透射光，并分別進入波前探測器和太陽光柵光譜成像裝置狹縫中。其中，波前探測器能對不斷變化的波前畸變進行實時探測，并對波前畸變中的不同類型像差進行分離，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和控制計算機處理后，得到控制波前校正器的驅動信號，分別用于控制高速傾斜鏡和波前校正器DM。通過分光鏡和成像系統(tǒng)中繼后，校正后的光束成像在望遠鏡焦平面上，并獲得對應區(qū)域自適應光學校正后的清晰圖像。通過太陽光柵光譜成像裝置狹縫后光束被準直鏡準直入射至光柵，經(jīng)光柵色散分光后光束又被成像鏡會聚于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的焦平面處，再把數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理及控制計算機進行處理，它負責整個系統(tǒng)的協(xié)同工作。
[0009]由大氣擾動引起的波前像差會引起太陽光柵光譜成像裝置的光譜展寬，從而降低了太陽光柵光譜成像裝置的光譜分辨力。光譜展寬K表示式如下:
[0010]K = Δ L/Lfwhm (1)
[0011]其中，Lfwhm表示無波前像差時譜線的半高全寬FWHM，La表示有波前像差時引起的光譜半高全寬FWHM的寬度，Λ L=La-L_。
[0012]為了提高 太陽光柵光譜成像裝置的成像分辨力和光譜分辨力，需要引入太陽自適應光學技術校正波前像差，抑制太陽光柵光譜成像裝置的光譜展寬。與傳統(tǒng)太陽自適應光學技術不同，位于太陽望遠鏡焦平面上的狹縫寬度較小，會對大氣擾動及太陽望遠鏡自身誤差引起的波前像差進行濾波，且對不同類型的波前像差引起的濾波效果也不同。因此，應根據(jù)狹縫對不同像差濾波效果的差異，對大氣擾動引起的波前像差進行有選擇性的差別校正，以降低太陽自適應光學系統(tǒng)的波前校正要求。
[0013]設K ^為太陽光柵光譜成像裝置能夠容忍的光譜輪廓展寬臨界值，即太陽自適應光學系統(tǒng)對不同類型像差的校正需滿足如下條件:[0014]κ ≤ K0 (2)
[0015]其中，κ ^與狹縫大小、成像波長及系統(tǒng)要求有關，為系統(tǒng)相關參數(shù)。
[0016]對于一個特定太陽光柵光譜成像裝置而言，可以對不同類型像差對光譜展寬的影響進行定量分析，根據(jù)各自敏感程度確定太陽自適應光學系統(tǒng)波前校正權重。假設采用Zernike多項式表示波前像差，當波前RMS取單位大小時，第I~N階Zernike波前像差引起的太陽光柵光譜成像裝置光譜輪廓的展寬程度表示為向量β=[β1; β2，β3，……，βΝ_1;βΝ]。另一方面，狹縫對不同類型像差的濾波效果也存在很大差異，對于特定寬度狹縫而言，且對不同類型像差RMS取單位大小，其對不同類型像差濾波引起太陽光柵光譜成像裝
置光譜輪廓的展寬程度表示為向量a =[ a i，α 2，α 3，......，α , α Ν]。根據(jù)β和α可以
得出不同類型像差對太陽光柵光譜成像裝置光譜輪廓的展寬程度表示為向量Y=LY1, Y2,
Y37......，Y n-ι, Yn],其中:
[0017]Yi=^iXai (3)
[0018]其中，I ( i SN。根據(jù)狹縫對不同類型像差濾波效果存在的差異性，其引起的太陽光柵光譜成像裝置光譜輪廓的展寬程度也不同，因此在使用自適應光學進行波前校正時，對不同類型像差取不同的校正權重因子，表示為向量ξ=[ξ1; ξ2，ξ3……，ξΝ_” ξΝ]，且滿足:
[0019]ξ !2+......+ ξ Ν2=1 (4)
[0020]設此時波前探測器探測到的波前像差為Φ，其可以被分解為各階Zernike像差的組合，如下式所示:
【權利要求】
1.一種可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，其特征在于:包括準直器(I)、傾斜鏡(2)、波前校正器DM (3)、二向色分光鏡(4)、波前探測器(5)、波前控制器(6)、成像系統(tǒng)(7)、狹縫(8)、準直鏡(9)、光柵(10)、成像鏡(11)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(12)和數(shù)據(jù)處理及控制計算機(13);其中: 太陽望遠鏡(14)對太陽大氣活動目標進行成像后，經(jīng)準直器(I)準直為平行光后入射至高速傾斜鏡(2)，用于實時校正大氣湍流造成的波前整體傾斜；經(jīng)高速傾斜鏡(2)后光束反射至波前校正器DM (3)，用于實時校正高階大氣湍流像差引起的波前畸變；經(jīng)波前校正器DM (3 )反射后的光束又被二向色分光鏡(4 )分為反射光和透射光，并分別進入波前探測器(5)和太陽光柵光譜成像裝置狹縫(8)中；其中，波前探測器(5)能對不斷變化的波前畸變進行實時探測，并對波前畸變中的不同類型像差進行分離，經(jīng)數(shù)據(jù)處理及控制計算機(13)處理后，得到控制波前校正器(6)的驅動信號，分別用于控制高速傾斜鏡(2)和波前校正器DM (3);通過分光鏡(4)和成像系統(tǒng)(7)中繼后，校正后的光束成像在望遠鏡(14)焦平面上，并獲得對應區(qū)域自適應光學校正后的清晰圖像；通過太陽光柵光譜成像裝置狹縫(8)后光束被準直鏡(9)準直入射至光柵(10)，經(jīng)光柵(10)色散分光后光束又被成像鏡(11)會聚于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)( 12)的焦平面處，再把數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理及控制計算機(13)進行處理，它負責整個系統(tǒng)的協(xié)同工作； 由大氣擾動引起的波前像差會導致太陽光柵光譜成像裝置的光譜展寬，從而降低了太陽光柵光譜成像裝置的光譜分辨力；其中，光譜展寬K表示式如下:κ -八 L/Lfwhm (I) 其中，Lfwhm表示無波前像差時譜線的半高全寬FWHM，La表示有波前像差時譜線的半高全寬 FWHM，Δ L=La-Lfwhm ； 設K ^為太陽光柵光譜成像裝置能夠容忍的光譜展寬的臨界值，即太陽自適應光學系統(tǒng)對不同類型像差的校正需滿足如下條件: K ≤ K O (2) 其中，K ^與狹縫大小、成像波長及系統(tǒng)要求有關，為系統(tǒng)相關參數(shù)； 對于一個特定太陽光柵光譜成像裝置而言，能對不同類型像差對光譜展寬的影響進行定量分析，根據(jù)各自敏感程度確定太陽自適應光學系統(tǒng)波前校正權重；假設采用Zernike多項式表示波前像差，當波前RMS取單位大小時，第I~N階Zernike波前像差引起的太陽光棚光譜成像裝直光譜輪廊的展覽程度表不為向星β = [ β I? β 2? β 3?......，β N];另一方面，狹縫(8)對不同類型像差的濾波效果也存在差異，對于特定寬度狹縫(8)而言，當對不同類型像差RMS取單位大小時，其對不同類型像差濾波引起太陽光柵光譜成像裝置光譜輪廓的展寬程度表示為向量Ct=Iia1, a 2, a 3,......,a N];因此,根據(jù)β和a得出不同類型像差對太陽光柵光譜成像裝置光譜輪廓展寬程度表示為向量Y=LY1, Y2,Y 3，......? Y n-ι? Yn]: Y?=β iX Oi (3) 其中，I ≤ i ≤N;根據(jù)狹縫(8)對不同類型像差濾波效果存在的差異性，其引起的太陽光柵光譜成像裝置光譜輪廓的展寬程度也不同，因此在使用自適應光學進行波前校正時，對不同類型像差取不同的校正權重因子，表示為向量ξ=[ξ1; ξ2，ξ3……，ξΝ_” ξΝ]，且滿足:
2.根據(jù)權利要求1所述的可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，其特征在于:所述的校正權重因子采用公式(4)進行計算，或采用歸一化計算方法。
3.根據(jù)權利要求1所述的可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，其特征在于:所述的高速傾斜鏡(2)和波前校正器DM (3)既能夠用在平行光束中，也能夠用于錐光光路中。
4.根據(jù)權利要求1所述的可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，其特征在于:所述的二向色分光鏡(4)是普通分光鏡。
5.根據(jù)權利要求1所述的可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，其特征在于:所述的成像系統(tǒng)(7)是會聚透鏡，或反射鏡，其能滿足對光束進行會聚成像的功倉泛。
6.根據(jù)權利要求1所述的可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，其特征在于:所述的狹縫(8)寬度Ws的選擇，作為太陽光柵光譜成像裝置的視場光闌，需滿足對太陽望遠鏡(14)空間分辨力的采樣要求，同時也需滿足對太陽光柵光譜成像裝置光譜分辨力的采樣要求。
7.根據(jù)權利要求1所述的可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，其特征在于:所述狹縫(8)須與光柵刻線方向平行，且狹縫(8)寬度可調，調整時為手工調整或電機調整。
8.根據(jù)權利要求1所述的可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，其特征在于:所述的準直鏡(9)是透射式，或者是反射式；所述的成像鏡(11)是透射式，或是反射式。
9.根據(jù)權利要求1所述的可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，其特征在于:所述的光柵(10)是透射式光柵(10)，或是反射式光柵(10)。
10.根據(jù)權利要求1所述的可抑制光譜展寬的太陽自適應光學光柵光譜成像裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(12)是指能滿足對太陽表面局部區(qū)域進行成像的系統(tǒng)，包括成像器件和光電探測器及相應的數(shù)據(jù)采集器件。
【文檔編號】G01J3/28GK103925998SQ201410155885
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權日:2014年4月18日
【發(fā)明者】饒長輝, 鄭聯(lián)慧, 顧乃庭 申請人:中國科學院光電技術研究所