王亮喆，王咸奇，鐘 悅，常 亮,4*

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明 650216；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 艾伯哈特-卡爾斯-圖賓根大學(xué)，圖賓根 72076；4. 云南省應(yīng)用天文技術(shù)工程實驗室，云南 昆明 650216)

積分視場光譜儀(Integral Field Spectroscopy, IFS)可以同時獲取面源天體的空間和光譜信息，因而廣泛應(yīng)用于天文觀測，并且已經(jīng)成為國際上大中型光學(xué)望遠鏡配備的常規(guī)觀測設(shè)備[1]。積分視場單元是積分視場光譜儀的核心部件，主要功能是對面源進行視場切割。光纖陣列切割是積分視場單元中最主要且應(yīng)用最廣泛的視場切割方式。根據(jù)科學(xué)目標(biāo)的不同，積分視場光譜儀所要求的空間分辨率和光譜分辨率也不同，因此對于積分視場單元的工藝及性能要求也不同。對于光纖式積分視場單元，光纖陣列排布精度影響面源天體的視場切割精度；微透鏡陣列與光纖陣列的共軸精度影響光纖出射光斑質(zhì)量和光纖透過率；贗狹縫端光纖排布精度影響積分視場單元譜線位置及光譜覆蓋范圍；贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度影響譜線寬度；每根光纖的透過率直接影響面源天體各空間位置的光度，測量每根光纖透過率有利于獲得準(zhǔn)確的光度信息；焦比退化影響光譜分辨率和譜線寬度。因此通過實驗手段客觀評價光纖陣列排布精度以及陣列中每根光纖的性能是積分視場光譜儀研制過程的重要環(huán)節(jié)。

目前光纖式積分視場單元的檢測方法主要有兩種：(1)對積分視場單元進行逐根光纖檢測，缺點是花費時間長；(2)對積分視場單元進行光纖抽樣檢測，這種方法雖然可以減少檢測時間，但是不能檢測所有光纖的性能指標(biāo)，對后續(xù)光譜數(shù)據(jù)處理帶來一定影響。文[2]對波茲坦多孔光譜光度測量儀(Potsdam Multi-Aperture Spectrophotometer, PMAS)的32 × 32光纖式積分視場單元進行了光纖焦比退化檢測，利用激光器作為光源，在測試光路中利用CCD通過離焦方式進行光纖逐根檢測，不具備排布精度和透過率等相關(guān)參數(shù)的檢測功能。文[3]研究了基于光學(xué)可復(fù)制積分視場光譜儀(Visible Integral Field Replicable Unit Spectrographs, VIRUS)/霍比埃伯利望遠鏡暗能量實驗(Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment, HETEDEX)項目的自動化/半自動化積分視場單元試驗平臺，并對光纖焦比退化和光纖透過率進行檢測，利用4 × 4的光纖陣列進行了實驗原理驗證。自動化/半自動化方法采用高精度位移平臺及檢測光路逐根檢測所有光纖的焦比退化及透過率，檢測過程中需要手動對準(zhǔn)光纖。文[4]對VIRUS-P光纖式積分視場單元的透過率和焦比退化進行了檢測，利用白光光源通過檢測系統(tǒng)檢測光纖透過率，分別利用600 nm，400 nm和365 nm的單色光源對光纖焦比退化進行逐根檢測，不同單色光焦比退化測量結(jié)果差異僅為F/0.02，證明可以用白光進行焦比退化檢測。文[5]研究檢測了威廉赫歇爾望遠鏡(William Herschel Telescope, WHT)大視場速度探測器(WHT Enhanced Area Velocity Explorer, WEAVE)的光纖式積分視場單元以及多目標(biāo)光譜儀(Multi-Object Spectrograph, MOS)中光纖的焦比退化，利用自動化軟件控制光源以及小型相機移動來逐根檢測光纖出射焦比退化，并利用白光和贗狹縫端光纖出射焦比計算贗狹縫端光纖沿光軸方向的位置精度，位置精度取決于光纖焦比退化的檢測精度。云南天文臺麗江天文觀測站2.4 m望遠鏡的中國麗江積分視場光譜儀(China Lijiang IFU, CHiLI)由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研制，出廠時并未提供積分視場單元的檢測報告，而是利用實際觀測數(shù)據(jù)驗證了積分視場光譜儀的性能[6-7]。云南天文臺光纖陣列太陽望遠鏡(Fiber Array Solar Telescope, FASOT)項目第1臺原理樣機由云南天文臺與英國杜倫大學(xué)共同研制，其中英國杜倫大學(xué)Jeremy Allington-Smith等人為該系統(tǒng)研制了積分視場單元，樣機于2013年11月在非洲加蓬共和國觀測日全食，獲得了日冕綠線的閃耀偏振光譜[8]。2012年樣機在實驗室調(diào)試時，為了實現(xiàn)兩個光纖陣列偏振態(tài)的共空間調(diào)節(jié)，云南天文臺設(shè)計了一臺裝調(diào)監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)是云南天文臺光纖陣列檢測系統(tǒng)的雛形。為了實現(xiàn)積分視場光譜儀的國產(chǎn)化，云南天文臺先后聯(lián)系了哈爾濱工程大學(xué)、北京星源奧特科技有限公司和上海昊量光電設(shè)備有限公司加工光纖式積分視場單元，這3家單位在研制積分視場單元的過程中沒有檢測手段，不能在加工過程中和研制完成后檢驗積分視場單元的相關(guān)性能。為此，從2013開始，云南天文臺設(shè)計研制用于光纖陣列積分視場單元性能檢測的實驗系統(tǒng)，對積分視場單元進行性能檢測。通過檢測提高加工工藝，三家單位制作了幾套滿足觀測要求的光纖式積分視場單元，用于多臺FASOT原理樣機的科學(xué)觀測。到2016年，云南天文臺的檢測系統(tǒng)可以檢測光纖陣列排布精度、贗狹縫端光纖排布精度、微透鏡陣列與光纖陣列共軸精度、光纖焦比退化和光纖透過率等參數(shù)，但是并沒有考慮贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度的檢測，且光路比較復(fù)雜，成像檢測和激光檢測采用兩套不同的光學(xué)系統(tǒng)[9]。基于云南天文臺的檢測方法，2019年哈爾濱工程大學(xué)重新設(shè)計了檢測系統(tǒng)[10]。同年，云南天文臺改進了檢測裝置光路，把成像檢測和激光檢測進行集成設(shè)計，但是檢測過程與數(shù)據(jù)處理過程完全分離，沒有實現(xiàn)自動化[1,11]。

本文對文[12]設(shè)計的云南天文臺光纖式積分視場單元集成化檢測系統(tǒng)進一步優(yōu)化，實現(xiàn)了系統(tǒng)的可視化和自動化檢測功能，并改進了光纖透過率檢測方法，增加了贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度的檢測功能，將原來需要數(shù)周的檢測時間縮短至一天內(nèi)。

1 檢測系統(tǒng)自動化設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 光纖式積分視場單元集成化檢測系統(tǒng)簡介

光纖式積分視場單元集成化檢測系統(tǒng)主要由光源、平行光管、分束器、成像系統(tǒng)和CCD等5部分組成，實物如圖1。圖中M1和M2為平面反射鏡，B1和B2為遮光板，BS為分束器，M2，B1，B2和待測光纖陣列端及待測光纖贗狹縫端安裝在高精度電動位移平臺上。系統(tǒng)光源采用鹵素?zé)艏臃e分球的形式，并用穩(wěn)壓電源保證光源輻射強度的穩(wěn)定性。根據(jù)設(shè)計要求，針對無微透鏡陣列耦合的50 μm芯徑光纖(光纖中心間距125 μm)，在CCD上成像大于等于5個像素。根據(jù)探測器參數(shù)(采用Pike F-505B CCD作為探測器，像素尺寸為3.45 μm × 3.45 μm，靶面大小為2 452 × 2 054)進行設(shè)計，成像系統(tǒng)主要參數(shù)如表1。該系統(tǒng)可一次性檢測160 × 160光纖陣列端排布精度，160根光纖贗狹縫端排布精度以及光纖性能的基本參數(shù)。

圖1 光纖式積分視場單元集成化檢測系統(tǒng)實物圖

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

1.2 自動化系統(tǒng)設(shè)計

自動化控制需要根據(jù)檢測流程及檢測方法進行設(shè)計。檢測步驟：(1)將B1和B2移進光路拍攝系統(tǒng)背景光場，移出B1拍攝贗狹縫端背景光場，移入B1移出B2拍攝陣列端背景光場；(2)移出B1和B2，在CCD上同時獲得光纖陣列端和贗狹縫端圖像，這時需要扣除背景，保存扣除背景后的圖像；(3)將M2移入光路，拍攝含有贗狹縫端背景光場的入射光場，并扣除贗狹縫端背景光場，得到入射光纖陣列之前的光強分布；(4)移出M2，控制贗狹縫端使其沿光軸方向移動，拍攝多幅不同離焦位置圖像(焦面前后離焦)，由于贗狹縫端的移動造成背景光場變化，因此每拍攝一幅離焦像后需要再次移入B2，拍攝此時的贗狹縫端背景光場并扣除，多次重復(fù)B2的移入移出操作。通過前4步，可以獲得所需要的全部圖像，從下一步開始進行數(shù)據(jù)處理。檢測步驟光路圖如圖2。

圖2 檢測步驟光路圖

數(shù)據(jù)處理過程分為兩部分。第1部分是排布精度和透過率的檢測，排布精度包括贗狹縫端光纖位置精度和陣列端光纖位置精度。陣列端如有微透鏡陣列耦合，通過調(diào)焦拍攝微透鏡陣列圖像，計算每個微透鏡的中心位置，并與光纖陣列中每根光纖的中心位置進行比較，計算微透鏡陣列與光纖陣列耦合的共軸精度。光纖或微透鏡中心位置計算采用傳統(tǒng)的二值化圖像處理方式，對中心位置進行直線擬合得到排布精度。每根光纖的透過率可以用

(1)

計算得到。其中，T為每根光纖透過率；Iin為光纖陣列端入射光強，可以通過上述檢測步驟第2步和第3步獲得，這里需要確定每根光纖在CCD上對應(yīng)的像素范圍，并扣除入射光強分布對應(yīng)于光纖的像素范圍，得到每根光纖對應(yīng)的入射光強；Iout為贗狹縫端光纖出射光強，可以通過上述檢測步驟第2步獲得。

第2部分是贗狹縫端光纖出射焦比和光纖沿光軸方向排布精度的檢測。光纖具有焦比退化的特性，光纖的出射焦比小于入射焦比，圖3為贗狹縫端光纖像(上圖)及離焦像(下圖)。

圖3 光纖贗狹縫端圖像

贗狹縫端光纖出射焦比可以通過

(2)

得到[5]，其中，F(xiàn)/#為出射焦比；Δl′為像端位移變化量；ΔD′為光纖像斑直徑變化量。我們檢測出射焦比的方法是采用固定CCD位置，移動贗狹縫端位置(成像系統(tǒng)物端)獲得，通過軸向放大率公式推導(dǎo)物端位移變化量Δl與Δl′之間的關(guān)系[6]并代入(2)式，得到F/#與Δl的關(guān)系式

(3)

其中，β1為物端位移Δl時的垂軸放大率；β2為在物面時的垂軸放大率，即成像系統(tǒng)放大率。根據(jù)高斯公式和放大率公式[6]可以獲得β1與β2的關(guān)系式

(4)

其中，f′為成像系統(tǒng)焦距。將(4)式代入(3)式可以得到出射焦比公式

(5)

贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度的檢測放到第2部分的原因是可以利用(5)式的擬合結(jié)果得到每根光纖光斑的半峰全寬輪廓，計算最小半寬對應(yīng)的位置信息，從而得到贗狹縫端光纖沿光軸方向的排布精度。

根據(jù)上述的操作步驟和檢測方法，本文設(shè)計了系統(tǒng)的自動化控制軟件。控制系統(tǒng)流程如圖4。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

1.3 程序可視化實現(xiàn)

為了操作方便，我們設(shè)計了程序可視化界面，分為自動操作和手動操作界面。手動操作界面可以根據(jù)實際情況設(shè)定位移平臺位置、位移步數(shù)、相機控制和數(shù)據(jù)保存路徑等參數(shù)。設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，通過自動操作界面可實現(xiàn)一鍵式全自動化檢測功能。圖5為軟件控制界面，點擊 “輸出參數(shù)” 按鈕可以列出檢測的主要參數(shù)，點擊相應(yīng)的參數(shù)可以在軟件界面右側(cè)顯示最終檢測結(jié)果。

圖5 軟件控制界面

2 自動化系統(tǒng)性能評估

為了確保檢測結(jié)果的可靠性，在檢測之前需要做相應(yīng)的系統(tǒng)定標(biāo)工作，主要包括系統(tǒng)放大率檢測、位移平臺移動精度定標(biāo)和光源強度穩(wěn)定性定標(biāo)。其中，系統(tǒng)放大率檢測結(jié)果和位移平臺移動精度影響焦比退化的計算精度，光源強度穩(wěn)定性影響光纖透過率的計算精度。

我們利用實驗室現(xiàn)有的某單位最早加工的一個不合格產(chǎn)品進行自動化系統(tǒng)的性能評估(其他合格產(chǎn)品已經(jīng)安裝到望遠鏡上進行科學(xué)觀測)。該產(chǎn)品為20 × 20微透鏡耦合的光纖陣列，每根光纖芯徑為50 μm，數(shù)值孔徑為0.22，每個微透鏡邊長為300 μm，光纖入射焦比為5.473。微透鏡在膠合時受損，部分光纖損壞，光纖排布精度和透過率均不滿足觀測要求，但是不影響自動化系統(tǒng)的性能評估，圖6為該產(chǎn)品陣列端成像，(a)為積分視場單元示意圖，是一個光纖陣列兩個贗狹縫系統(tǒng)，(b)為微透鏡陣列像，(c)為光纖陣列像。

圖6 陣列端成像

2.1 系統(tǒng)定標(biāo)

在安裝調(diào)試控制系統(tǒng)后需要重新對成像系統(tǒng)放大率定標(biāo)。系統(tǒng)放大率的檢測方法是通過沿垂軸方向移動贗狹縫端光纖，分別獲得物像的位置信息用于計算成像系統(tǒng)放大率。圖7展示了贗狹縫端單根光纖以不同步長移動不同步數(shù)時的系統(tǒng)放大率。在放大率檢測過程中統(tǒng)計贗狹縫端所有光纖移動不同步數(shù)和不同位置的信息，計算系統(tǒng)放大率的均方根為0.326，與文[1]中利用分辨率板計算的放大率結(jié)果一致。

圖7 單根光纖移動不同位置時的系統(tǒng)放大率

電動位移平臺位移精度的定標(biāo)方法與檢測放大率方法類似，利用光纖中心位置在移動相同步數(shù)時的距離變化計算得到。圖8為贗狹縫端單根光纖以不同步長移動不同步數(shù)時的位移精度。在位移精度定標(biāo)過程中，我們統(tǒng)計了贗狹縫端視場內(nèi)的所有光纖移動不同步數(shù)和不同位置的信息，計算位移精度的均方根為1.35 μm，與廠家提供的2 μm最小分辨率吻合。

圖8 單根光纖移動不同位置時的位移精度

光源強度穩(wěn)定性的定標(biāo)方法是先將光源打開穩(wěn)定2 h后，再持續(xù)1.6 h做光強穩(wěn)定性分析，光纖透過率計算可以在3 min內(nèi)完成，1.6 h光強監(jiān)測滿足光纖透過率要求。圖9為光強度穩(wěn)定性測試結(jié)果，均方根為0.4%。

圖9 光源光強穩(wěn)定性

2.2 算法應(yīng)用

本文只介紹微透鏡陣列與光纖陣列耦合的共軸精度和贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度的檢測結(jié)果，該產(chǎn)品的這兩個參數(shù)之前沒有做過檢測。圖10為陣列端微透鏡和光纖在CCD中心位置的坐標(biāo)，其中紅色圓點為光纖位置，黑色圓點為微透鏡位置。圖11為微透鏡陣列與光纖陣列每根光纖對應(yīng)耦合的共軸精度偏差。按照共軸精度±10 μm光纖數(shù)量合格率為90%的工藝要求，加上損壞的光纖，檢測的共軸精度合格率為75%。

圖10 微透鏡陣列與光纖陣列坐標(biāo)

圖11 微透鏡陣列與光纖陣列耦合的共軸精度。(a)x方向的偏差；(b)y方向的偏差

贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度檢測是本次改進新增的功能，位置結(jié)果對于光纖焦比退化產(chǎn)生的原因起到輔助分析作用。贗狹縫的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖12，(a)為每根光纖成清晰像時的實際位置，藍色直線為數(shù)據(jù)擬合直線；(b)為贗狹縫端光纖沿光軸方向的排布精度。

圖12 贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度

3 總結(jié)與展望

本文設(shè)計實現(xiàn)了云南天文臺光纖式積分視場單元集成化檢測裝置自動化控制系統(tǒng)，這里只討論算法與控制方面的不足，主要有(1)位移平臺的離焦控制及圖像拍攝過程所花費的時間最多，需要進一步優(yōu)化。目前拍攝不同位置離焦像次數(shù)進行焦比退化計算過程中，離焦像位置圖像拍攝數(shù)量較多，不是最優(yōu)化圖像數(shù)量，需要進一步優(yōu)化提高工作效率。(2)程序中只考慮常見的圓形、正方形和六邊形微透鏡陣列在計算光纖效率時的算法(與清晰度有關(guān))，其他形狀的微透鏡在計算光纖效率時并未考慮。目前對于透過率的檢測僅適用于陣列端有微透鏡且為六邊形密堆積排布或者正方形的光纖陣列，主要原因在于非密堆積排列陣列之間會出現(xiàn)縫隙，這對于模板的制作存在困難，難以準(zhǔn)確確定入射光范圍，且此部分誤差難以衡量，因此透過率檢測結(jié)果與之前利用激光的檢測結(jié)果相差較大，還需要在算法與操作流程方面進一步分析原因。(3)在確定焦面位置時需要人工干預(yù)，目前該系統(tǒng)不具備自動調(diào)焦功能。 (4)光纖陣列與微透鏡陣列耦合后的涂膠均勻性并沒有利用算法進行評價，涂膠均勻性會影響光纖透過率。目前國際上沒有標(biāo)準(zhǔn)評價方法，但是可以利用成像的方法計算像斑的真實輪廓，對于評估引起光纖透過率的變化起到輔助分析的作用。(5)算法只適用于視場范圍內(nèi)的光纖陣列，對于更大光纖陣列的檢測需要自動控制位移平臺進行掃描并定位，軟件中沒有掃描定位功能，對于較大光纖陣列的檢測需要手動干預(yù)。

未來工作重點應(yīng)放在檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、檢測設(shè)備的通用性，并進一步增加檢測功能，為研制精度更高的積分視場光譜儀提供技術(shù)支持。