張?zhí)煲?，季杭馨，侯永輝，胡中文，王 磊

(1.中國科學院國家天文臺 南京天文光學技術(shù)研究所，江蘇 南京 210042；2.中國科學院天文光學技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210042；3.中國科學院研究生院，北京 100049)

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像切割器技術(shù)積分視場三維光譜儀

張?zhí)煲?,2,3，季杭馨1,2,3，侯永輝1,2，胡中文1,2，王 磊1,2

(1.中國科學院國家天文臺 南京天文光學技術(shù)研究所，江蘇 南京 210042；2.中國科學院天文光學技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210042；3.中國科學院研究生院，北京 100049)

基于國內(nèi)外積分視場技術(shù)的發(fā)展趨勢，搭建了積分視場三維光譜技術(shù)實驗平臺，進行積分視場單元——像切分器的設(shè)計、加工以及性能檢測方法與定標方法的研究。設(shè)計并制作完成了九切分單元像切割器，通過模擬望遠鏡輸入端，進行了系統(tǒng)的性能分析，并進行了三維光譜數(shù)處理和定標。系統(tǒng)雜散光控制較好，總體光學效率高于40%。

積分視場單元；像切割器；光譜;分辨率

引言

目前國內(nèi)使用的望遠鏡光譜儀，大多是通過狹縫色散原理產(chǎn)生單色像而形成光譜。而無論是TMT的3臺出光儀器中的2個光譜儀IRIS和IRMS,還是JWST的NIRSPEC和MIRI都使用了積分視場三維光譜技術(shù)，即將觀測目標在焦面上的成像連續(xù)切割成若干單元后，再依次進入光譜儀，便可以獲得二維視場內(nèi)的三維光譜信息。相對于以往的狹縫光譜儀，積分視場三維光譜技術(shù)可以將分辨率提高10倍以上，配合自適應(yīng)光學技術(shù)或者空間觀測，幾個角秒尺度上的空間分辨率單元甚至可以達到百萬個。目前 8 m～10 m級望遠鏡(如Gemini、VLT、HET、Keck、Magellan、LBT、Subaru、SALT、GTC)基本上都配置了三維光譜儀，不久的將來，積分視場三維光譜儀將成為光譜觀測的主流設(shè)備。

三維光譜成像技術(shù)可以同時具有高分辨率和高空間覆蓋率的特性。可以適用于紅外光學系統(tǒng)，在天文學上的應(yīng)用涉及很多領(lǐng)域，可觀測的天體包括從高紅移星系到太陽系的行星和月亮。

積分視場單元(IFU)光學系統(tǒng)不同于常規(guī)的光學系統(tǒng)，像切分器的引入，將像面分割引向不同的子光路組件，最后按照一定的要求又要將各不同子光路的像面重新拼接起來。像切分器切片的數(shù)量決定了子光路的數(shù)量也就是通道數(shù)量，從而決定了積分視場單元的規(guī)模和制作裝配難度。

在過去20 年中三維光譜技術(shù)在國際上得到了迅猛發(fā)展，并相繼研制出了多種不同類型的三維光譜成像技術(shù)儀器設(shè)備。部分2 m～4 m級中小望遠鏡在儀器升級改造中增加三維光譜儀器,GriF(CFHT)、TIGER(CFHT)、OASIS(CFHT)、SAURON(WHT)等，在8 m～10 m級望遠鏡甚至極大望遠鏡上配置這些設(shè)備已成為光譜成像技術(shù)發(fā)展的新趨勢[1-7]。

基于國內(nèi)外積分視場技術(shù)的發(fā)展趨勢，本課題組進行了積分視場三維光譜儀相關(guān)技術(shù)的研究工作，本文主要介紹積分視場三維光譜技術(shù)研究平臺，包括積分視場單元一套,展源星像模擬系統(tǒng)和簡易光譜儀系統(tǒng)。解決了多單元(實際安裝9個單元)微型光學系統(tǒng)的裝調(diào)問題,對系統(tǒng)進行了定標測試, 并獲得了基于像切割器積分視場單元三維光譜儀的高成像質(zhì)量光譜,對數(shù)據(jù)進行了初級處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該積分視場三維光譜儀的光學系統(tǒng)包括前端光學系統(tǒng)、積分視場單元光學系統(tǒng)和驗證用光譜儀系統(tǒng)。圖1為IFU與光譜儀集成示意圖，從圖中可以看到，IFU系統(tǒng)主要包括前端光學系統(tǒng)，像切割器，瞳鏡和狹縫等部分組成。

前端系統(tǒng)配置照明系統(tǒng)、特殊設(shè)計的分劃板和望遠鏡焦比模擬系統(tǒng)；積分視場單元采用高級像切割器方案，像切割器的每塊切割片都是一個球面，每個切片之間為3°，以鏡面中心為軸呈相鄰螺旋形漸次變化；驗證光譜儀采用棱柵光譜儀。

圖2為前端光學系統(tǒng)與積分視場單元集成示意圖。該系統(tǒng)期望后期裝配在國內(nèi)1 m～2 m級望遠鏡上進行試觀測，因此該套試驗系統(tǒng)按照入射焦比F/8設(shè)計。

表1給出像切分器IFU的基本參數(shù)(針對1 m望遠鏡規(guī)劃)。采用9片式像切分器，積分市場單元設(shè)計波長范圍為400 nm～780 nm，考慮到裝置簡化，該設(shè)計并沒有考慮焦比變換和光路折返，因此像切割器在焦平面附近，尺寸很小。

圖1 光譜儀集成光路原理圖(a)和IFU光路(b)Fig.1 Optical layout of spectrograph integration (a) and image slicer IFU(b)

表1 像切分器數(shù)量和視場

2 IFU的結(jié)構(gòu)設(shè)計

像切分器積分視場單元主要包括4個部分(像切割器、瞳鏡陣、前端光學系統(tǒng)和虛縫)，而像切割器、瞳鏡陣是其關(guān)鍵部件，由于像切割器和瞳鏡陣各子鏡位置和空間指向各不相同，并且要求精度極高，這無形中增加了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。表2給出了像切分器IFU關(guān)鍵部件的主要參數(shù)。圖3給出了IFU機械結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3 IFU結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Layout of IFU

圖4(a) 單個瞳鏡的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig. 4(a) Adjustment structure of one pupil mirror

像切割器鏡陣是一個整體，加工膠合后其調(diào)節(jié)也相對容易實現(xiàn)，而瞳鏡陣各子鏡相對獨立，需要同時進行俯仰，偏擺和離焦量的調(diào)節(jié)，而每個瞳鏡尺寸很小(φ3.8 mm×3 mm)。考慮到實際應(yīng)用，單個子鏡俯仰方向的調(diào)節(jié)只能在實驗中進行微調(diào)控制，如圖4(a)所示。瞳鏡陣的整體調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖4(b)所示，調(diào)節(jié)精度小于5 μm。圖5為像切分器鏡陣實物圖，圖6為瞳鏡陣實物圖。

圖4(b) 瞳鏡的整體調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.4(b) Photo of slicing mirror array

表2 像切分器IFU關(guān)鍵部件的主要參數(shù)

圖5 像切分器鏡陣實物圖Fig.5 Whole adjusting structure of pupil mirrors

圖6 瞳鏡陣實物圖Fig.6 Photo of pupil mirror array

3 雜散光控制

雜散光是影響光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要因素。雜散光是光學系統(tǒng)中非正常傳輸光的總稱。一般的光學系統(tǒng)雜散光的來源有2大類：1)非成像光束的在像平面產(chǎn)生的亮背景，這主要是由于機械系統(tǒng)縫隙的漏光以及視場外光線沒有進行有效的遮攔而到達探測器上形成的；2)光學系統(tǒng)因散射、衍射、寄生反射等產(chǎn)生的非定向雜散光，這部分雜散光主要包括投射光學表面的多次反射和鏡筒內(nèi)壁等非光學表面的多次反射，以及由于光學表面擦傷等光學表面質(zhì)量問題產(chǎn)生的散射光。第一類非成像光束具有一定的方向性，可以在光學系統(tǒng)中合理設(shè)置光欄來消除非成像光束；第二類雜散光雖然強度較低，但其方向無規(guī)則，只有輔以設(shè)計合理的光欄，用于衰減雜散光，才能降低雜散光的影響。

我們通過顯微鏡可以發(fā)現(xiàn)每個像切割器邊緣有一定的缺口，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)光斑邊緣產(chǎn)生了雜散光，并且在狹縫位置處線狀分布的光斑邊緣有雜散光。

在不斷的實驗中，通過有效遮擋和狹縫的使用，已經(jīng)能很好地控制雜散光，便于后續(xù)的圖譜拍攝。

同時，本課題通過TracePro軟件對像切分器進行了第二類雜散光分析。我們假設(shè)光在機械零件和光學元件表面的散射特性定義如下：

1)機械表面屬性定義為增加光管內(nèi)壁對雜散光的吸收能力，在光管內(nèi)壁和光欄面都涂有吸收率為92%的吸收涂層，未被吸收的光線使用Lambertian散射模型來描述。

2) 光學元件表面屬性定義為反射鏡為100%反射，透射表面鍍增透膜，使得各片透鏡透過率為98%，未透射的光線使用Lambertian散射模型來描述。

3)光在光學元件表面的散射特性用雙向散射分布函數(shù)BSDF(bidirectional scattering distribution function)進行描述。

通過TracePro建模，如圖7所示，假設(shè)每條光線的能量為1，共追跡29 268條光線，視場范圍108″×250″的F/8入射光線。其仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 積分市場單元雜散光仿真分析-建模Fig.7 Simulation of stray light of IFU

圖8 視場28.8″×72″下的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of field 28.8″×72″

仿真結(jié)論：

1)前端光學系統(tǒng)和膠合透鏡產(chǎn)生的雜散光尤為明顯。

2)前端光學系統(tǒng)尺寸與設(shè)計的不一致，實際尺寸只有φ3 mm,因此一部分光直接打在了前端光學系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)上，損失很嚴重。

3)其他都是由于在光路內(nèi)多次反射、衍射，散 射或者偏出視場外。

4)理論上最大視場只有28.8 ″ ×25.8 ″。其仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 視場矯正后的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results after correction

3 光學系統(tǒng)的總效率

光譜儀的光學系統(tǒng)采用棱柵作為色散元件，棱柵由Wasatch Photonics生產(chǎn)，65 mm×65 mm,650 l/mm@585 nm。CCD采用EOS 5D Mark II的圖像感應(yīng)器，其尺寸35.8 mm×23.9 mm，照相鏡采用Canon EF 85 mm 鏡頭。由于光學系統(tǒng)不存在傳統(tǒng)光譜儀的遮擋和損光，因此系統(tǒng)的總效率較高，圖10給出了光學系統(tǒng)的總效率。

圖10 光學系統(tǒng)的總效率Fig.10 Overall efficiency of optic system

4 IFU系統(tǒng)性能測試

IFU與光譜儀的集成是檢測IFU性能的實驗基礎(chǔ)，圖11為三維光譜儀系統(tǒng)的集成示意圖，包括模擬的望遠鏡輸入端(前景系統(tǒng))、IFU和光譜儀組成。通過拍攝燈譜來進行系統(tǒng)的性能分析，并進行三維光譜數(shù)據(jù)處理和定標。用毛玻璃之后加分劃板來模擬不同的觀測目標,分2種情況來模擬觀測目標進行圖像采集。

1) 無分劃板，即完整的激光光斑。

2) 有分劃板且光通過分劃板的中心或分劃板邊緣。

圖11 三維光譜儀系統(tǒng)的集成示意圖Fig.11 Integration diagram of 3-D spectrograph

圖12為無分劃板的三維光譜(三維平場燈譜)，圖13為有分劃板的三維光譜(模擬有精細結(jié)構(gòu)的觀測目標光譜)。圖9顯示第8條譜線不完整，第9條光譜沒有成像，這是由于膠合透鏡太小沒有完全通過，被透鏡支架遮擋引起。從三維光譜譜線可以看出，整套光學系統(tǒng)像質(zhì)良好，具有非常好的分辨率，同時也能清晰地看到部分切割器邊緣的毛邊或局部缺陷。切割單元雖然厚度只有0.5 mm,總體加工質(zhì)量良好，通過在狹縫處增加光闌可以適當抑制由此產(chǎn)生的雜散光。

圖12 無分劃板的平場燈譜線Fig.12 Flat lamp spectrum line without reticle

圖13 有分劃板的平場燈譜線Fig.13 Flat lamp spectrum line with reticle

積分視場三維光譜技術(shù)可以同時獲得二維像面上的三維光譜信息。該方法通過切割焦面像并重新排列輸入光譜儀，以獲得更加豐富的三維空間信息。三維光譜的數(shù)據(jù)處理和二維光譜儀的數(shù)據(jù)處理不同，一方面由于積分視場單元的引入使得觀測數(shù)據(jù)(三維立方體數(shù)據(jù))的存儲、重構(gòu)及后期的數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜。另一方面每次觀測它都會產(chǎn)生大量的觀測數(shù)據(jù)。此外，必須考慮空間和波長的聯(lián)合定標，同時需要考慮空間畸變和CCD的影響[8-12]。

5 總結(jié)

搭建了三維光譜技術(shù)研究平臺,包括積分視場單元一套,展源星像模擬系統(tǒng)和簡易光譜儀系統(tǒng)。實現(xiàn)了基于高級像切分器概念的積分視場單元,解決了多單元微型光學系統(tǒng)的裝調(diào)問題和測試方法，為在國內(nèi)建立像切割器積分視場光譜儀打下了良好的基礎(chǔ)。

目前我們正著手對該積分視場三維光譜儀有針對性的進行升級改造、封裝。將探測器更換成科學級的CCD(SBIG生產(chǎn)的 4 k×4 k、像元尺寸為9 μm的科學級CCD)，期望能在最近的時間內(nèi)將其配置在國內(nèi)1 m級的望遠鏡上進行科學試觀測。

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Integral field spectroscopy imaging technology

Zhang Tianyi1,2,3, Ji Hangxin1,2,3, Hou Yonghui1,2,Hu Zhongwen1,2, Wang Lei1,2

(1. National Astronomical Observatories / Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology, CAS, Nanjing 210042, China;2. Key Laboratory of Astronomical Optics & Technology, Nanjing Institute of Astronomica & Technology, CAS, Nanjing 210042, China; 3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Based on the development trend of integral field technique locally and internationally, the experimental platform for an integrated field 3-D spectral technique was set up. The design and manufacture for the slicing mirror of integrated field unit(IFU)was carried out. A performance testing method and a calibration method were studied. An IFU which divided the telescopic field of view into 9 sub-fields was designed, A performance analysis was conducted by simulating the input end of the telescope. Furthermore,the 3-D spectral data was processed and calibrated.Results show that the stray light can be controlled well and the overall optical efficiency is better than 40%.

integrated fileld unit; image slicer; spectrum; resolution

1002-2082(2015)04-0531-06

2014-12-10；

2015-05-12

國家自然科學基金資助項目(11473049，11103053)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK2011874)

張?zhí)煲?1989-)，男，吉林長春人，碩士研究生，主要從事天文光學技術(shù)方面的研究工作。

E-mail：tyzhang@niaot.ac.cn

TN202；TH744.1

A

10.5768/JAO201536.0401007