高東洋，趙 飛，邱 鵬，姜曉軍

(1.山東大學(xué)威海分?？臻g科學(xué)與物理學(xué)院，山東 威海 264209;2.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012;3.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049;4.中國科學(xué)院光學(xué)天文重點實驗室(國家天文臺)，北京 100012)

積分視場光譜儀(Integral Field Spectrograph，IFS)是在光譜儀上裝備積分視場單元(Integral Field Unit，IFU)，具有同時攝譜和成像功能的一種光學(xué)儀器。積分視場光譜儀在天體物理學(xué)中有著重要的應(yīng)用，比如中等紅移星系的動力學(xué)特征、活動星系核的核區(qū)結(jié)構(gòu)、行星狀星云和超新星遺跡等展源的觀測研究。

如圖1，積分視場單元的功能是將二維視場中的展源目標(biāo)進行采樣，然后把每一個采樣單元的能量送入光譜儀，通過單次曝光同時獲得展源的三維信息(空間域x，y和光譜域λ)。隨著望遠鏡口徑的增加和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，積分視場光譜儀在光譜域和空間域都可以獲得高信噪比的信號，促進了積分視場單元技術(shù)的快速發(fā)展。

圖1 光譜儀配備積分視場單元后獲取光譜的示意圖Fig.1 An illustration of spectral acquisition by an spectrograph attached to an IFU

在進行展源目標(biāo)觀測時，積分視場光譜儀與傳統(tǒng)的狹縫光譜儀相比優(yōu)勢明顯:(1)積分視場光譜儀不需要對展源目標(biāo)進行多次掃描，避免了觀測中因為大氣狀況(透明度和視寧度等)隨時間變化造成的影響;(2)節(jié)省了望遠鏡的時間;(3)積分視場光譜儀沒有狹縫切割帶來的光損失，具有高光效率［1］。在現(xiàn)有光譜儀上配備積分視場單元系統(tǒng)可以擴展光譜儀的功能，提高觀測效率。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)末國際上相繼研制出了不同的積分視場單元系統(tǒng)，在10 m級地面光學(xué)和紅外望遠鏡中均配置或者計劃配置積分視場單元?，F(xiàn)有的2 m以上中小型望遠鏡在升級計劃中大部分增加了積分視場單元的新建或改造［1］。

積分視場單元主要有3種技術(shù)［2－3］:微透鏡陣列、“微透鏡陣列+光纖束”和像切分器。目前“微透鏡陣列+光纖束”和像切分器這兩種技術(shù)在積分視場單元中應(yīng)用最為廣泛，其中“微透鏡陣列+光纖束”是實現(xiàn)積分視場單元最行之有效的技術(shù)［4］。

現(xiàn)階段我國還沒有成型的積分視場單元系統(tǒng)，國家天文臺興隆觀測站的2.16 m望遠鏡和云南天文臺高美古觀測站的2.4 m望遠鏡都可以裝備積分視場單元和與之輔助的系統(tǒng)擴展望遠鏡的功能，即符合天文學(xué)家的需求，又可以促進我國積分視場單元技術(shù)的發(fā)展。2.4 m望遠鏡的積分視場單元系統(tǒng)正在設(shè)計建造之中［5－6］。2.16 m望遠鏡是我國開展天體物理觀測的主要設(shè)備之一，其中超過85%的時間用于光譜觀測，為其設(shè)計建造積分視場單元具有重要意義。

2 2.16 m望遠鏡積分視場單元的方案設(shè)計

本文的方案設(shè)計思想是基于2.16 m天文望遠鏡已有的光譜設(shè)備，不影響儀器現(xiàn)有的功能，不改變儀器的結(jié)構(gòu)，通過對其升級積分視場單元后實現(xiàn)積分視場光譜儀，擴展儀器的功能，提高觀測效率。

OMR是1995年為2.16 m望遠鏡從美國引進的低色散卡焦光譜儀器，采用平面光柵低色散的分光方式，只有縫高固定的單一狹縫，結(jié)構(gòu)相對簡單，易于積分視場單元的升級。

2.1 2.16 m望遠鏡卡焦參數(shù)和OMR參數(shù)

2.16 m望遠鏡卡焦參數(shù)(表1)和OMR的主要性能指標(biāo)(表2)都是積分視場單元方案設(shè)計的限制條件。

2.2 2.16 m望遠鏡積分視場單元方式的選擇

綜合積分視場單元不同技術(shù)的優(yōu)缺點和OMR的結(jié)構(gòu)特點，選擇“微透鏡陣列+光纖束”的形式為OMR升級積分視場單元。積分視場單元共分為4部分:陣列前裝置(Fore-optics)、輸入微透鏡陣列、光纖和輸出微透鏡。示意圖見圖2。

表1 2.16 m望遠鏡卡焦參數(shù)Table 1 The parameters of the Cassegrain focal plane of the2.16m telescope

表2 OMR的性能指標(biāo)Table2 The characteristics of the OMR

圖2 2.16 m望遠鏡積分視場單元的“微透鏡陣列+光纖束”實現(xiàn)方式Fig.2 The realization of IFU with an array of lenticules+fibers

(1)陣列前裝置(Fore-optics)

陣列前裝置有兩個功能:①調(diào)整像的大小，使得積分視場單元的空間分辨率和微透鏡陣列的子孔徑相匹配;②形成遠心光路。

陣列前裝置中第1組透鏡La為消色差透鏡組，并且可以前后移動，而Lb固定不動，從而可以獲得不同的放大率和不同的空間分辨率。此類型的陣列前裝置也可以使積分視場單元與不同的望遠鏡耦合［4］。

(2)輸入微透鏡陣列

光纖端面拋光之后需要粘合微透鏡把來自陣列前裝置的光束轉(zhuǎn)化為適合光纖輸入的光束(例如快于F/4的光束)，主要是因為光纖的特性焦比退化——光纖輸出的光束會比輸入的光束快。

(3)光纖

考慮到Nyquist采樣定理，光纖芯徑在OMR的CCD上成像應(yīng)多于2.2 pixel，所選光纖芯徑不能太細。同時考慮到光纖涂覆層的直徑不可以大于微透鏡的子孔徑，并且讓OMR狹縫處排列盡可能多的采樣單元，所選光纖又不可以太粗。

(4)輸出微透鏡陣列

為了使光纖輸出光束轉(zhuǎn)化為適合OMR準(zhǔn)直鏡輸入的光束，需要在光纖的輸出端粘合微透鏡?？紤]到在OMR主CCD上相應(yīng)的光譜間隔要多于2.2 pixel，因此輸出微透鏡排列需要每兩個單元間有一定的間隔。根據(jù)光纖芯徑在狹縫處的成像直徑和單元間隔計算出OMR狹縫可以排列的單元數(shù)，即采樣數(shù)。

2.3 兩種具體的方案

由于OMR光譜儀的限制，積分視場單元采樣單元的數(shù)量有限，設(shè)計時需要在視場和空間分辨率兩個之間做一些協(xié)調(diào)。

2.16 m望遠鏡卡焦高色散光纖光譜儀項目中將在卡焦接口安裝傾斜鏡，可以有效地改善卡焦星像，在拍攝展源目標(biāo)時可以獲得較高空間分辨率的圖像;星系中心區(qū)域性質(zhì)研究(比如元素豐度、恒星動力學(xué)、星族分布等)、視場比較小的近鄰星系或星云、活動星系核的核區(qū)結(jié)構(gòu)(Seyfert星系等)、球狀星團核心的激波過程和X射線源的研究等，高的空間分辨率、較小視場的積分視場單元也可以提供有效的觀測數(shù)據(jù)?；谝陨蟽煞N原因，設(shè)計中考慮到了高空間分辨率、小視場的積分視場單元方案(方案一)。雖然視場較小，但是比狹縫掃描的觀測方式有很多優(yōu)點，比如，傳統(tǒng)的狹縫光譜儀獲得高空間分辨率光譜時需要把狹縫開的很窄，并且需要在空間方向上進行掃描，尤其是在大氣視寧度狀況不是很好時，浪費了大量的光能。一些星系等展源的二維結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，比如差動消光效應(yīng)、星系的合并和相互作用造成的復(fù)雜速度場，傳統(tǒng)的狹縫光譜儀掃描觀測這些目標(biāo)時，不同的狹縫位置及方向會對測量結(jié)果帶來影響［7－8］。

同時針對近鄰星系、河內(nèi)星云、密集星場等視面積比較大的展源目標(biāo)，也設(shè)計了低空間分辨率、稍大視場的積分視場單元方案(方案二)。

2.3.1 方案一

2.16 m望遠鏡卡焦焦面的星像平均為2″，方案一確定空間分辨率為1.0″。方案一積分視場單元系統(tǒng)的總體參數(shù)見表3，整體效果示意圖如圖3。

表3 方案一積分視場單元的參數(shù)Table 3 The parameters of IFU in the first scheme

圖3 方案一的積分視場單元參數(shù)及示意圖Fig.3 The parameters and light-ray diagram of IFU in the first scheme

陣列前裝置的設(shè)計和制造較為簡單。美國Adaptive Optics Associates Incorporation(AOA)公司的微透鏡陣列產(chǎn)品中有一款型號為0250-1.0-S，子孔徑為250μm，焦距為1000μm，焦比為F/4，陣列100×100。該產(chǎn)品符合需求，但在使用時只會用到陣列的一部分，未使用的微透鏡用光闌擋住，以減少雜散光。Polymicro公司寬波段光纖FBP100140170可供選擇，芯徑為100μm，它包含涂覆層后的直徑為170μm，在F/4的光束入射時焦比退化已經(jīng)很小。目前正在聯(lián)系廠家訂做輸出微透鏡。

簡單估算一下，陣列前裝置中兩個透鏡均采用高透過率鏡片，則陣列前裝置的效率為0.98×0.98≈0.96，微透鏡和光纖的效率為0.98×0.98×0.92≈0.88，則積分視場單元的總效率為0.96×0.88≈0.85。在實際安裝調(diào)試過程中，微透鏡和光纖端面很難精確對準(zhǔn)，那么由于位置偏差造成的光損會很大。假設(shè)積分視場單元的峰值效率為75%。

假設(shè)OMR在對展源目標(biāo)進行掃描觀測時，每次曝光使用的時間相同，設(shè)為T，同時假設(shè)展源目標(biāo)為方形。計算方案一積分視場單元升級前與升級后，對不同大小的展源觀測時需要的時間見表4。

在此情況下，觀測0.75'×0.75'以下的展源時可以節(jié)省望遠鏡的時間。

2.3.2 方案二

陣列前裝置在此方案中起到像的放大作用，如果是像的縮小作用時，可以在降低空間分辨率的情況下得到較大的視場。方案二中陣列前裝置放大率定為0.6左右，一個子孔徑對應(yīng)的天空張角為 4.5″×4.5″，此時的視場為27″×31.5″。

方案二總體參數(shù)見表5。效果示意圖如圖4。

表4 OMR按照方案一的積分視場單元升級前后的觀測時間對比Table 4 The exposure times of OMR to observe extended objects of different sizes with and without the IFU in the first scheme

輸入微透鏡陣列還是采用AOA0250-1.0-S。選用Polymicro公司FBP200220240光纖，芯徑為200μm，含涂覆層的直徑為240μm。輸出微透鏡的訂做正在進行當(dāng)中。

同樣基于方案一的假設(shè)，方案二觀測不同大小的展源目標(biāo)所需的時間見表6。

表5 方案二積分視場單元的參數(shù)Table 5 The parameters of IFU in the second scheme

在此情況下，觀測2.5'×2.5'以下的展源時可以節(jié)省望遠鏡時間。積分視場單元的視場越大在掃描展源目標(biāo)時就更有優(yōu)勢。

表6 OMR按照方案二的積分視場單元升級前后的觀測時間對比Table 6 The exposure times of OMR to observe extended objects of different sizes with and without the IFU in the second scheme

3 總結(jié)與展望

2.16m望遠鏡現(xiàn)有BFOSC、OMR等多個光譜儀終端，對其進行集成積分視場單元的探討具有重要意義。在OMR光譜儀現(xiàn)有的條件下設(shè)計出兩種積分視場單元方案(見表7)。

表7 OMR-積分視場單元不同方案的參數(shù)Table7 The parameters of the OMR-IFU in the two schemes

圖4 方案二的積分視場單元參數(shù)及示意圖Fig.4 The parameters and light-ray diagram of the IFU in the second scheme

該積分視場單元的研制具有一定的試驗性質(zhì)，預(yù)計完成后可滿足部分天文研究的需求。由于采用的方案中未改變OMR光譜儀的結(jié)構(gòu)，不影響OMR光譜儀的原功能，希望積分視場單元和OMR耦合之后能夠做為2.16 m望遠鏡的常規(guī)設(shè)備供天文學(xué)家選用。

致謝:感謝Polymicro公司和Adaptive Optics Associates公司提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù);感謝國家天文臺趙剛研究員和吳宏研究員提出的寶貴意見。

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