專(zhuān)利名稱(chēng)：基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及針對(duì)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀光學(xué)消旋與狹縫掃描的裝置的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置。
背景技術(shù)：
地平式機(jī)架結(jié)構(gòu)具有明顯的力學(xué)優(yōu)越性，且采用這種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡安裝地點(diǎn)與地理緯度無(wú)關(guān)。目前世界上大多數(shù)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡均采用這種結(jié)構(gòu)，尤其是大口徑太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡。地平式太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡在對(duì)太陽(yáng)表面局部區(qū)域進(jìn)行跟蹤觀測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生像旋，即視場(chǎng)中的觀測(cè)目標(biāo)會(huì)圍繞視軸中心旋轉(zhuǎn)，給太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡圖像一致性和基于多幀積累的圖像處理算法帶來(lái)了諸多不便。為此，需要對(duì)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡像面旋轉(zhuǎn)進(jìn)行消旋。光學(xué)消旋是消除像面旋轉(zhuǎn)的途徑之一，是指在系統(tǒng)光路成像器件前放置一消旋器件且按要求的消旋角轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生出射光線的轉(zhuǎn)動(dòng)，以抵消圖像的旋轉(zhuǎn)。光學(xué)消旋具有非接觸、實(shí)時(shí)、全視場(chǎng)的特點(diǎn)。而采用三個(gè)平面反射鏡組成“K”鏡組合裝置，是目前較常用的光學(xué)裝置之一，如美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)100英寸口徑望遠(yuǎn)鏡就在Coude焦點(diǎn)前安裝了 K鏡消旋裝置(SCOTT ff. T.，UnISISfield de-rotator, EB/OL, 2000) ; K鏡消旋機(jī)構(gòu)在我國(guó)衛(wèi)星領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，海洋一號(hào)衛(wèi)星上搭載的水色掃描儀和風(fēng)云三號(hào)(FY-3)氣象衛(wèi)星上搭載的光譜成像儀均采用K鏡機(jī)構(gòu)消除像旋(關(guān)敏，郭強(qiáng)，光學(xué)像消旋系統(tǒng)在FY-3 MERSI圖像定位中的應(yīng)用，應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，9(4) : 420-427)。另一方面，引起各種太陽(yáng)活動(dòng)的根本原因在于太陽(yáng)表面的磁場(chǎng)分布，而對(duì)活動(dòng)區(qū)單色光的不同偏振狀態(tài)的測(cè)量，是獲取對(duì)應(yīng)活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)分布的關(guān)鍵。為此，光柵光譜儀是太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡常配備儀器之一，用于獲取太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)單色光成像數(shù)據(jù)。為了獲得更高的光譜分辨力，狹縫是太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀不可缺少的手段，用以限制某一維度的成像視場(chǎng)，以防不同成像視場(chǎng)光譜之間重疊。為了獲得太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)連續(xù)光譜三維成像數(shù)據(jù)，需要采用特殊的全視場(chǎng)掃描機(jī)構(gòu)對(duì)活動(dòng)區(qū)進(jìn)行掃描。單狹縫無(wú)掃描光譜成像示意圖如

圖1所示，圖2為采用狹縫掃描機(jī)構(gòu)對(duì)狹縫進(jìn)行全視場(chǎng)掃描后獲得連續(xù)光譜三維成像數(shù)據(jù)示意圖。太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡中通常采用的方法是在太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡Coude焦點(diǎn)前增加4個(gè)反射鏡，并將其中兩個(gè)反射鏡做整體調(diào)整，使得像面位置沿垂直于狹縫方向平動(dòng)，從而使得進(jìn)入狹縫的視場(chǎng)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)掃描的目的。根據(jù)以上背景描述可知，為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀光學(xué)消旋和狹縫掃描，至少需要兩套獨(dú)立的光學(xué)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)，而光學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性一定程度上降低了系統(tǒng)性能，并增加了具體實(shí)施難度?；谝陨媳尘?，本專(zhuān)利提出一種基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，通過(guò)對(duì)K鏡中某一個(gè)反射鏡位置進(jìn)行平動(dòng)，即可將狹縫掃描的功能融入到K鏡消旋器中，而作為K鏡整體，其光學(xué)消旋的功能并沒(méi)有受到影響。本發(fā)明采用較簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀光學(xué)消旋和狹縫掃描功能的一體化，光學(xué)器件使用量達(dá)到最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，控制關(guān)系簡(jiǎn)單，能夠最大程度上保證系統(tǒng)光學(xué)性能，釋放儀器空間，創(chuàng)新性和實(shí)用性明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)傳統(tǒng)地平式機(jī)架結(jié)構(gòu)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀光學(xué)消旋與狹縫掃描機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，使用光學(xué)元器件較多，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量影響較大，且占用空間大，控制系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題，提出一種基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，試圖以最少光學(xué)元器件、最緊湊光學(xué)結(jié)構(gòu)、最簡(jiǎn)單控制方案等同時(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)消旋和狹縫掃描的功能。 本發(fā)明解決上述的技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是一種基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，該裝置包括太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡、Kl平面反射鏡、K2平面反射鏡、K3平面反射鏡、電控平移臺(tái)、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)、光柵光譜儀狹縫、光柵光譜儀、光電探測(cè)器、控制器和數(shù)據(jù)處理及控制計(jì)算機(jī)；K1平面反射鏡、K2平面反射鏡和K3平面反射鏡組成K鏡，并由電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)控制K鏡整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)消旋的目的；電控平移臺(tái)安裝于Kl平面反射鏡后，用于控制Kl平面反射鏡沿某一方向平移；安裝電控平移臺(tái)的Kl平面反射鏡移動(dòng)后將改變太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)焦平面上光斑與光柵光譜儀狹縫的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)光柵光譜儀對(duì)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡全視場(chǎng)范圍太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)進(jìn)行高光譜分辨力掃描成像，并利用光電探測(cè)器記錄對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的掃描成像結(jié)果。在整個(gè)掃描過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理及控制計(jì)算機(jī)主要完成對(duì)光電探測(cè)器采集的掃描成像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理，以及根據(jù)相應(yīng)光學(xué)消旋及狹縫掃描的速度和大小控制控制器，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)和電控平移臺(tái)的控制；該光柵光譜儀狹縫位于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)焦平面上，由于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡在跟蹤太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)過(guò)程中，太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)焦點(diǎn)上的像不斷旋轉(zhuǎn)變化，因此，在對(duì)太陽(yáng)上的某一活動(dòng)區(qū)進(jìn)行光譜掃描觀測(cè)或在光譜觀測(cè)需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的曝光時(shí)，需要采用光學(xué)消旋的辦法將像面旋轉(zhuǎn)消除，像旋大小通常以星位角P表示，星位角的位置和變化速度如公式(I)和公式
(2)所示
權(quán)利要求
1.一種基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，其特征在于該裝置包括太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(I)、Kl平面反射鏡(2)、K2平面反射鏡(3)、K3平面反射鏡(4)、電控平移臺(tái)(5)、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)(6)、光柵光譜儀狹縫(7)、光柵光譜儀(8)、光電探測(cè)器(9)、控制器(10)和數(shù)據(jù)處理及控制計(jì)算機(jī)(11) ;K1平面反射鏡(2)、K2平面反射鏡(3)和Κ3平面反射鏡(4)組成K鏡，并由電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)(6)控制K鏡整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)消旋的目的；電控平移臺(tái)(5)安裝于Kl平面反射鏡(2)后，用于控制Kl平面反射鏡(2)沿某一方向平移；安裝電控平移臺(tái)(5)的Kl平面反射鏡(2)移動(dòng)后將改變太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)焦平面上光斑與光柵光譜儀狹縫(7)的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)光柵光譜儀(8)對(duì)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡全視場(chǎng)范圍太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)進(jìn)行高光譜分辨力掃描成像，并利用光電探測(cè)器(9)記錄對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的掃描成像結(jié)果，在整個(gè)掃描過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理及控制計(jì)算機(jī)(11)主要完成對(duì)光電探測(cè)器(9)采集的掃描成像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理，以及根據(jù)相應(yīng)光學(xué)消旋及狹縫掃描的速度和大小控制控制器(10)，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)(6)和電控平移臺(tái)(5)的控制； 該光柵光譜儀狹縫(7)位于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)焦平面上，由于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡在跟蹤太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)過(guò)程中，太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)焦點(diǎn)上的像不斷旋轉(zhuǎn)變化，因此，在對(duì)太陽(yáng)上的某一活動(dòng)區(qū)進(jìn)行光譜掃描觀測(cè)或在光譜觀測(cè)需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的曝光時(shí)，需要采用光學(xué)消旋的辦法將像面旋轉(zhuǎn)消除，像旋大小通常以星位角P表示，星位角的位置和變化速度如公式(I)和公式(2)所示
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，其特征在于設(shè)K鏡三個(gè)子鏡間距均為L(zhǎng)，且組成三角形內(nèi)角設(shè)為60°，即組成等邊三角形；當(dāng)K鏡Kl平面反射鏡沿仰角軸向上平移距離為dkl，此時(shí)位置記為Kl ’，對(duì)應(yīng)同一視場(chǎng)光線平移的距離也相應(yīng)為dkl，且指向不發(fā)生改變；根據(jù)權(quán)利要求1的描述，Kl平面反射鏡平移前后K3平面反射鏡出射、入射光線以及K3平面反射鏡反射面共同組成一個(gè)等腰三角形，且對(duì)應(yīng)腰長(zhǎng)為dkl ;而1(1飛3平面反射鏡的反射面切線組成一等腰三角形，根據(jù)幾何原理可知Kl平面反射鏡平移前后K3平面反射鏡入射和出射光線夾角均為120°，據(jù)此，能夠推算Kl平面反射鏡在平移前后，像面位置平移量Λ d，如下式所示
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，其特征在于所述的光柵光譜儀是指經(jīng)過(guò)狹縫后能夠形成一定光譜分辨率的儀器，并不特指某一種光譜儀的結(jié)構(gòu)，只要其滿足光柵光譜儀的基本要素即可。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，其特征在于所述的電控平移臺(tái)可以控制K鏡中Kl平面反射鏡沿仰角軸方向平動(dòng)，也可以控制K鏡中K3平面反射鏡沿仰角軸方向平動(dòng)，只要通過(guò)平動(dòng)K鏡中某一個(gè)反射鏡位置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)狹縫的全視場(chǎng)掃描功能即可。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求4所述的基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，其特征在于所述的通過(guò)電控平移臺(tái)平移K鏡中某一反射鏡位置實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵光譜儀狹縫掃描的功能，所述的K鏡中某一反射鏡的平動(dòng)，并不特指該反射鏡平動(dòng)方向真實(shí)地沿著仰角軸方向平動(dòng)，而是指其沿仰角軸方向的等效平動(dòng)距離，只要通過(guò)平移K鏡中某一反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)狹縫的全視場(chǎng)掃描功能即可。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，其特征在于所述的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，不僅適用于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，只要是應(yīng)用于地平式望遠(yuǎn)鏡及其光柵光譜儀，且采用的光學(xué)消旋和狹縫掃描結(jié)構(gòu)與其權(quán)利要求1的一體化裝置結(jié)構(gòu)相同或類(lèi)似即可。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，其特征在于所述的控制器，其基本功能是完成電控平移臺(tái)和電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的控制執(zhí)行，其可以是一個(gè)獨(dú)立器件，也可以是與數(shù)據(jù)處理與控制計(jì)算機(jī)融為一體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，其特征在于所述的一體化裝置，是指結(jié)構(gòu)上將光學(xué)消旋和狹縫掃描融為一體，實(shí)際操作時(shí)能夠同時(shí)進(jìn)行，或者能夠分時(shí)進(jìn)行，只要在結(jié)構(gòu)上將二者融為一體即可。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光柵光譜儀的光學(xué)消旋與狹縫掃描一體化裝置，包括太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(1)、K1平面反射鏡(2)、K2平面反射鏡(3)、K3平面反射鏡(4)、電控平移臺(tái)(5)、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)(6)、光柵光譜儀狹縫(7)、光柵光譜儀(8)、光電探測(cè)器(9)、控制器(10)和數(shù)據(jù)處理及控制計(jì)算機(jī)(11)。目前大部分太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡采用地平式機(jī)架結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)在跟蹤目標(biāo)過(guò)程中引起像場(chǎng)旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，需要配備專(zhuān)門(mén)的像場(chǎng)消旋裝置。另一方面，其需要配備專(zhuān)門(mén)的狹縫掃描裝置，獲得太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)的三維信息。本發(fā)明能夠同時(shí)完成對(duì)光柵光譜儀的光學(xué)消旋和狹縫掃描功能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，光學(xué)鏡面少，創(chuàng)新性和實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01J3/02GK103017903SQ20121052410
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月9日
發(fā)明者顧乃庭, 饒長(zhǎng)輝, 劉洋毅, 鄭聯(lián)慧, 朱磊, 張?zhí)m強(qiáng), 鐘立波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所