具体实施方式

以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应 用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以 实施。

本发明提供一种高采样效率积分视场光谱仪光学系统，是多狭缝和两段 狭缝相结合的技术方案，且同时匹配带通滤光片和探测器前反射镜，来实现 从光谱仪色散方向和空间方向两个维度来提高光谱仪的采样效率，如图1所 示，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、色散模块4；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中光栅在使用时对应的入射角(公式(1)中的α)；所述色散模块4的法线与成像模块5的法线之间角度等于色散模块4中光栅在使用时 对应的衍射角(公式(1)中的β)，所述成像模块5和反射探测器模块6 呈直线排列。

其中，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30mm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。

狭缝模块1采用多狭缝和两段狭缝结合的技术方案，多个狭缝单元间隔 并列排布且每单个狭缝再分成间隔30mm的两段子狭缝(第一狭缝机构1-2 和第二狭缝机构1-3)来实现从光谱仪色散方向和空间方向两个维度来提高 光谱仪采样效率。

所述的窄带滤光片模块2为窄带滤光片，窄带滤光片的透过率随波长变 化的上升沿和下降沿要尽可能陡峭，该窄带滤光片放置在狭缝模块1和准直 模块3之间。

所有狭缝经过同一个窄带滤光片，保证多个狭缝色散后的光谱在探测器 上不发生光谱重叠，保证光谱数据的有效性。

所述的准直模块3包括包括沿光谱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；准直模块3置于窄带滤光片模块2之后。

准直模块：所有狭缝段出射的光经过同一准直系统准直成平行光后，照 射在同一块反射光栅上。

所述的色散模块4为反射式光栅，狭缝模块1入射的光束经过准直模块 3准直后照射在色散模块4中的反射式光栅上进行色散，光栅衍射后的光束 进入成像模块5中。

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；成像系统模块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。

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；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。

其中，反射探测器模块：运用一块平面反射镜6-1将分成两段的子狭缝 (第一狭缝机构1-2和第二狭缝机构1-3)分开成像在第一探测器6-2和第二 探测器6-3上。

本发明的光学系统的狭缝模块1采用并排排列的多个狭缝单元1-1与窄 带滤光片2结合使用，保证每个狭缝色散后的光谱在探测器上不发生重叠， 而最终端探测器前放置的平面反射镜6-1将两段狭缝(第一狭缝机构1-2和 第二狭缝机构1-3)的衍射成像光分开成像在第一探测器6-2和第二探测器 6-3上，从光谱仪色散方向和空间方向两个维度来提高光谱仪的采样效率。 光谱仪中所有入射端的狭缝都经过同一套准直系统3进行准直，然后照射在 反射光栅4上进行衍射，衍射后的光束再经过同一套成像系统5成像，因为 所有光学系统全部共用，实现真正意义上一台光谱仪相当于两台光谱仪的工 作。需要注意的是，由于前端的狭缝采用的是多狭缝和两段狭缝相结合的方 案，因此该方案光栅不能工作在Littrow条件下，即光栅入射光和衍射光不 能共用一套光学系统，不能采用double-pass的结构。

本发明还公开了一种高采样效率积分视场光谱仪光学系统的设计方法， 包括以下步骤：

步骤1、光谱仪入射端(狭缝模块1)采用多个狭缝单元1-1和两段狭缝 第一狭缝机构1-2和第二狭缝机构1-3相结合的技术方案，沿着光谱仪色散 方向采用多个狭缝单元1-1相隔一定间距并列排布来提高采样效率，而沿着 狭缝的空间方向，每个狭缝单元1-1再分成间隔30mm的第一狭缝机构1-2 和第二狭缝机构1-3来提高采样效率；如图3所示光谱仪入射端狭缝排布情 况示意图。

步骤2、将狭缝模块1与窄带滤光片模块2结合使用，光谱仪前端采用 的是多狭缝设计，要配对合适的窄带带通滤光片，保证各个狭缝色散后的光 谱在探测器上不发生重叠，保证光谱数据的有效性，从光谱仪色散方向提高 光谱仪的采样效率。光谱仪的狭缝数量与探测器靶面大小、仪器分辨本领、 观测带宽有关，具体关系见公式(11)-(12)。

步骤3、每个狭缝分成两段(图3中的第一狭缝机构1-2和第二狭缝机 构1-3)结合探测器前平面反射镜6-1使用，保证两个分段狭缝色散后的光谱 分别进入到不同的两个探测器(第一探测器6-2和第二探测器6-3)上。整个 光谱仪入射端所有狭缝的入射光都经过同一套窄带滤光片模块2、准直模块 3、色散模块4和成像系统5，实现真正意义上的一台光谱仪实现两台光谱仪 的功能，大大减少光谱仪数量和尺寸；实现沿着光谱仪空间方向提高光谱仪 采样效率。

步骤4、该方案适合采用折射式结构，不适合利用反射结构，即准直系 统和成像系统光学元件都采用透镜折射结构光学设计。这是因为本光谱仪采 用的核心技术多狭缝和两段狭缝相结合的技术决定的，因为采用该结构，该 光谱仪入射端就不在是传统的单个狭缝，或者多个狭缝排成一列，而是一个 二维的物面。如果采用反射式结构，要避免光线在光谱仪系统中发生遮挡， 一定采用的是离轴反射结构，而离轴反射结构对于大尺寸二维物面成像不 利，因此设计方面准直系统和成像系统采用折射式结构。

实施例1

本发明的实施例采用上述的高采样效率积分视场光谱仪光学系统，该实 施例主要针对太阳日冕观测波段519.85nm-530.45nm，此外，在该波段范围 内也有很丰富的太阳色球、光球谱线，也可实现对太阳光球和色球的观测， 研制成功后将安装在中国科学院云南天文台丽江天文观测站FASOT-1B望远 镜后端，可以将现在的望远镜观测视场提高接近30倍，用于深入研究和理 解太阳活动，解开太阳大气剧烈活动机制、太阳风加速和日冕加热等太阳物 理核心问题。此外该高采样效率积分视场光谱仪光学系统也是未来我国1.2米全球最大折射式日冕仪研制满足要求的首台高采样效率积分视场光谱仪 样机。该高采样效率积分视场光谱仪由于主要针对日冕谱线进行观测，考虑 到日冕能量较弱，为避免曝光时间太长，光谱分辨本领满足[email protected]； 观测波段为：519.85nm-530.45nm。

本发明采用多狭缝和两段狭缝结合的方法，要完成高采样效率积分视场 光谱仪光学系统的设计，光栅作为光谱仪(即高采样效率积分视场光谱仪光 学系统，下同)核心元件，首先要选出合适的光栅。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，IFU出射端光纤阵列的空间排布方向和每根光纤的色 散方向在探测器上是垂直的。光谱仪整体的分辨本领是由多种因素共同决定 的，这些因素包含：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。要想实现光谱仪设计的光谱分辨率指标，在色散方向上，λ和λ+Δ λ两个波长在探测器上分开距离s至少要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。由于 光栅本身的特殊性，致使光谱仪在光纤色散方向的放大倍率与其空间方向不 一样，光谱仪在色散方向上的放大倍率M'表达式为：

M'＝Mcosα/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。以上提到的影响光谱仪分辨本领的四个因素， 分辨率最低的那个因素起决定作用，一般都差不多时，分辨率是其平方和的 平方根。因为光栅本身分辨本领很高，不会限制光谱仪的分辨本领，因此， 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。最合理的设计，是这些因素相互匹 配，特别不要因为探测器影响原本的分辨本领。

对于高采样效率积分视场光谱仪光学系统，探测器选择目前国内靶面最 大的SCOMS相机，芯片为6144pixels×6144pixels，单个像元尺寸为10μm/ pixel，探测器靶面大小61.44mm。入射端狭缝总高度1-2、1-3和1-4之和的长 度为150mm，其中1-2和1-3的长度分别都为60mm(对应500根排列间隔120μm 的光纤)，分别成像在两个探测器上，光纤排列空间方向上，系统放大倍率 M＝61.44/60＝1.024，考虑到谱线弯曲，探测器靶面周围要留一部分暗区，放 大率取值M＝0.95。满足光谱分辨率R＝[email protected]的λ和λ+Δλ两个波长在探测器上分开距离s为37μm大小，光谱仪系统入射角比Fin/5。基于以上探测器 参数、狭缝长度和光谱仪分辨本领的等参数，根据光谱仪设计计算和分析公 式(1)-(10)，光栅选择商用Richardson grating，型号53-260的商用刻划光 栅。其他光学系统具体参数如下：1)准直系统焦距fc＝720mm，成像系统焦 距fs＝685mm，2)光栅入射角：α＝22°，衍射角：β＝-3.245(530nm)。3) 光栅尺寸：Lg＝144mm，Wg＝155mm。4)色散方向上的放大倍率M’＝0.88。

其次计算该光谱仪能容纳的狭缝数量，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+(τ₁+τ₁)/Δλ)/(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)可知，对于窄带滤光片而言，τ₀、τ₁、τ₂越 小，则一次可观测的狭缝数量越多，所以在定制滤光片时，需要尽可能保证 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。目 前国内滤光片上升沿和下降沿透过率达到10^－5Tmax，对应的τ₁和τ₂为5nm。 观测波段τ₀为10.6nm，Δd取探测器上20pixels，通过公式(11)－(12)可 得Ns≤7.3，取整数Ns＝7。因此高采样效率积分视场光谱仪光学系统一共有7 狭缝，每个狭缝再分成两段，能容纳光纤数量7×500×2＝7000根光纤。

考虑该高采样效率积分视场光谱仪光学系统后期的观测需求，可以与不 同望远镜进行匹配观测，光谱仪要求方便移动，结构紧凑，尺寸不易太大。 此外，7狭缝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4.8°×11.8°大视场设计。基于以上两点，本项目光学设计采折射 式光学设计。由于物面尺寸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 都不大，也为使用折射式光学设计提供了可能，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。此外，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。

本发明实施例的高采样效率积分视场光谱仪光学系统设计如图1所示。 图1中狭缝1是由7000根排列间隔120μm的光纤组成的赝狭缝(如图3所 示)，该狭缝采用的是7个狭缝单元，每个狭缝单元又分成两段，两个子狭 缝(第一狭缝机构1-2和第二狭缝机构1-3)之间间隔30mm，一共可以容纳7000根光纤。狭缝模块1中的7个狭缝入射的光先经过带通滤光片2后，再 通过6块大透镜组成的准直模块3准直后照射在色散模块4上进行色散，色 散后的光谱再经过由6块大透镜组成的成像模块5成像在反射探测器模块6 中的探测器上。在反射探测器模块6前端150mm距离处，放置反射镜6-1， 将入射端分成两段的子狭缝的衍射成像光分开成像在不同的两个探测器6-2 和6-3上。实现一台光谱仪相当于两台光谱仪工作的效果。

图5-图7是高采样效率积分视场光谱仪光学系统探测器上像质点列图， 给出了狭缝1中第1个狭缝、第4个狭缝和第7个狭缝在519.85nm、525.15nm 和530.45nm波长的点列图，此处只显示了一个探测器上的像质图，另一个 与其一致。图中黑色圈表示衍射极限条件下的Airy斑大小，该光谱仪光学系 统设计的点列图基本都在艾里斑以内，接近衍射极限成像，光学系统系统像 质很好。

关于系统分辨率为[email protected]，即狭缝上任意一处光纤发出的光束经 过光栅色散后，在探测器上，530nm(λ)波长的光纤像要和 530+530/5800＝530.091379nm(λ+dλ)波长的光纤像能够分辨开来。图8 是光谱仪分辨本领示意图，图中每一小格对应10μm，狭缝上一点发出的 530nm(λ)、530.091379nm(λ+dλ)和529.908621nm(λ-dλ)三个 波长在探测器上分开的间隔为36μm。成像点弥散斑直径(RMS值)大小最 大为4.5μm，35μm的光纤芯径在探测器沿色散方向上理想成像(点物成点 像)大小为30μm，因此35μm的光纤芯径对应的λ波长(530nm)在探测器 上成像大小(沿色散方向)为(λ与λ+d λ在探测器上分开的距离)。因此同一个光纤发出的530nm、530.091379nm 和529.908621nm三个波长能在探测器上分开，满足R＝[email protected]分辨本 领的设计要求。

本实施例能容纳排列间隔120μm的7000根光纤同时采样的高采样效率 积分视场光谱仪光学系统，该高采样效率积分视场光谱仪光学系统已经投入 工程化加工，同时，研制的该高采样效率积分视场光谱仪将解决未来1.2米 全球最大折射式日冕仪的核心技术，为其终端所需高采样效率光谱仪提供技 术支持。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解 发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可 用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过 上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和 变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。