基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置

摘要

本发明提供一种基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置，包括太阳望远镜(1)、K1平面反射镜(2)、K2平面反射镜(3)、K3平面反射镜(4)、电控平移台(5)、电控旋转台(6)、光栅光谱仪狭缝(7)、光栅光谱仪(8)、光电探测器(9)、控制器(10)和数据处理及控制计算机(11)。目前大部分太阳望远镜采用地平式机架结构，但这种结构在跟踪目标过程中引起像场旋转问题，需要配备专门的像场消旋装置。另一方面，其需要配备专门的狭缝扫描装置，获得太阳活动区的三维信息。本发明能够同时完成对光栅光谱仪的光学消旋和狭缝扫描功能。本发明结构简单，占用空间小，光学镜面少，创新性和实用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及针对太阳望远镜光栅光谱仪光学消旋与狭缝扫描的装置的技术领域，特别是 一种基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置。

背景技术

地平式机架结构具有明显的力学优越性，且采用这种结构的太阳望远镜安装地点与地理 纬度无关。目前世界上大多数太阳望远镜均采用这种结构，尤其是大口径太阳望远镜。地平 式太阳望远镜在对太阳表面局部区域进行跟踪观测时会产生像旋，即视场中的观测目标会围 绕视轴中心旋转，给太阳望远镜图像一致性和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不 便。为此，需要对太阳望远镜像面旋转进行消旋。光学消旋是消除像面旋转的途径之一，是 指在系统光路成像器件前放置一消旋器件且按要求的消旋角转动，从而产生出射光线的转 动，以抵消图像的旋转。光学消旋具有非接触、实时、全视场的特点。而采用三个平面反射 镜组成“K”镜组合装置，是目前较常用的光学装置之一，如美国威尔逊山天文台100英寸口 径望远镜就在Coude焦点前安装了K镜消旋装置(SCOTT W.T.,UnISIS field de-rotator， EB/OL,2000)；Ｋ镜消旋机构在我国卫星领域得到成功应用，海洋一号卫星上搭载的水色扫 描仪和风云三号(FY-3)气象卫星上搭载的光谱成像仪均采用Ｋ镜机构消除像旋(关敏,郭强, 光学像消旋系统在FY-3 MERSI图像定位中的应用,应用气象学报,2008,9(4):420-427)。

另一方面，引起各种太阳活动的根本原因在于太阳表面的磁场分布，而对活动区单色光 的不同偏振状态的测量，是获取对应活动区磁场分布的关键。为此，光栅光谱仪是太阳望远 镜常配备仪器之一，用于获取太阳活动区单色光成像数据。为了获得更高的光谱分辨力，狭 缝是太阳望远镜光栅光谱仪不可缺少的手段，用以限制某一维度的成像视场，以防不同成像 视场光谱之间重叠。为了获得太阳活动区连续光谱三维成像数据，需要采用特殊的全视场扫 描机构对活动区进行扫描。单狭缝无扫描光谱成像示意图如图1所示，图2为采用狭缝扫描 机构对狭缝进行全视场扫描后获得连续光谱三维成像数据示意图。太阳望远镜中通常采用的 方法是在太阳望远镜Coude焦点前增加4个反射镜，并将其中两个反射镜做整体调整，使得 像面位置沿垂直于狭缝方向平动，从而使得进入狭缝的视场发生改变，实现全视场扫描的目 的。

根据以上背景描述可知，为了实现太阳望远镜光栅光谱仪光学消旋和狭缝扫描，至少需 要两套独立的光学机构和控制机构，而光学结构的复杂性一定程度上降低了系统性能，并增 加了具体实施难度。基于以上背景，本专利提出一种基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋 与狭缝扫描一体化装置，通过对K镜中某一个反射镜位置进行平动，即可将狭缝扫描的功能 融入到K镜消旋器中，而作为K镜整体，其光学消旋的功能并没有受到影响。

本发明采用较简单的方法实现了太阳望远镜光栅光谱仪光学消旋和狭缝扫描功能的一 体化，光学器件使用量达到最小，结构紧凑，占用空间小，控制关系简单，能够最大程度上 保证系统光学性能，释放仪器空间，创新性和实用性明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对传统地平式机架结构太阳望远镜光栅光谱仪光学消旋 与狭缝扫描机构相互独立，使用光学元器件较多，对光学系统成像质量影响较大，且占用空 间大，控制系统复杂等问题，提出一种基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一 体化装置，试图以最少光学元器件、最紧凑光学结构、最简单控制方案等同时实现光学消旋 和狭缝扫描的功能。

本发明解决上述的技术问题采用的技术方案是：一种基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学 消旋与狭缝扫描一体化装置，该装置包括：太阳望远镜、K1平面反射镜、K2平面反射镜、 K3平面反射镜、电控平移台、电控旋转台、光栅光谱仪狭缝、光栅光谱仪、光电探测器、 控制器和数据处理及控制计算机；K1平面反射镜、K2平面反射镜和K3平面反射镜组成K 镜，并由电控旋转台控制K镜整体旋转，实现光学消旋的目的；电控平移台安装于K1平面 反射镜后，用于控制K1平面反射镜沿某一方向平移；安装电控平移台的K1平面反射镜移 动后将改变太阳望远镜系统焦平面上光斑与光栅光谱仪狭缝的相对位置，从而实现光栅光谱 仪对太阳望远镜全视场范围太阳活动区进行高光谱分辨力扫描成像，并利用光电探测器记录 对应波长的扫描成像结果。在整个扫描过程中，数据处理及控制计算机主要完成对光电探测 器采集的扫描成像数据的数据处理，以及根据相应光学消旋及狭缝扫描的速度和大小控制控 制器，并最终实现对电控旋转台和电控平移台的控制；

该光栅光谱仪狭缝位于太阳望远镜系统焦平面上，由于太阳望远镜在跟踪太阳活动区过 程中，太阳望远镜系统焦点上的像不断旋转变化，因此，在对太阳上的某一活动区进行光谱 扫描观测或在光谱观测需要进行较长时间的曝光时，需要采用光学消旋的办法将像面旋转消 除，像旋大小通常以星位角p表示，星位角的位置和变化速度如公式(1)和公式(2)所示：

$\tan p=\frac{\sin t}{\tan \phi \cos \delta -\sin \delta \cos t}---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}=-\frac{\cos \phi \cos A}{\sin Z}---\left(2\right)$

其中，A和Z分别表示太阳活动区的方位角和天顶距，Φ为太阳望远镜所在的地理纬度， δ和t分别为被观测活动区的赤纬和时角；

K镜在坐标变换和像面旋转中的作用为：

A'=S^-1R_kSA                            (3)

其中，S为K镜的坐标变换矩阵，R_k为K镜的作用矩阵，A为入射光束矢量，A’为经过 K镜后出射光束矢量；

如果入射光束矢量A具有旋转角θ，那么为了使得像面不发生旋转，即A’=[0,0,1]^T，代 入公式(3)后，可以得到K镜整体旋转的角度为θ/2，也就是说，当K镜以入射光旋转角的 1/2的转速进行转动后，即可实现对像面的消旋；

在公式(1)~(3)所示的K镜光学消旋基础上，在K镜的K1平面反射镜后增加电动平移台， 能够沿仰角轴方向直线平移K1平面反射镜，即可实现不同视场扫描，具体地：

设太阳望远镜口径为D，太阳望远镜系统焦点处等效F数为F，太阳望远镜观测全视场 (FOV)为Ψ，太阳望远镜系统焦点处像面大小为d，则像面大小d满足如下关系：

d＝F×D×tan(Ψ)×F×D×Ψ                (4)

设中心视场入射到K镜中K1、K2、K3上的入射角分别为θ₁、θ₂和θ₃，该入射角指反 射镜与入射光之间的夹角，且它们之间一定满足能够使经过K镜之后的出射光沿仰角轴方 向，根据以上分析，由于K1平面反射镜沿仰角轴方向平移并未改变光束指向，即经过K镜 中任意一个反射镜反射后，平移前后的光束平行；由于入射光进入K3平面反射镜的入射角 为θ₃，根据简单的几何光学原理，其出射角也相应为θ₃，该出射角指反射镜与出射光之间的 夹角，根据直线与两条平行线相交其等位角相等的平面几何原理，平面反射镜K1平移前平 面反射镜K3的出射光线、平面反射镜K1平移后平面反射镜K3的入射光线、以及平面反射 镜K3的反射面共同组成的三角形为等腰三角形，与平面反射镜K3对应的两个腰长度均为 d_k1，对应的内角均为θ₃，据此，能够推算出普适条件下像面位置沿狭缝垂直方向的平移量△d 与K1平面反射镜沿仰角轴方向平移量d_k1之间的定量关系，如下式所示：

Δd=d_k1×cos(180°-2θ₃-90°)=d_k1×sin(2θ₃)                    (5)

结合公式(4)所示的太阳望远镜像面大小，可以得到K1平面反射镜上下活动范围的大小， 如下式所示：

$-\frac{d}{2}\le \mathrm{\Delta d}\le \frac{d}{2}\Rightarrow -\frac{\mathrm{FD\psi }}{2\sin \left({2\theta }_3\right)}\le d_{k1}\le \frac{\mathrm{FD\psi }}{2\sin \left({2\theta }_3\right)}---\left(6\right)$

设需要的像面扫描速度为v，则对应K1平面反射镜的升降速度v_k1为：

$v=\frac{d\left\{\mathrm{\Delta d}\right\}}{\mathrm{dt}}=\frac{d\left\{d_{k1}\right\}}{\mathrm{dt}}\times \sin \left({2\theta }_3\right)=v_{k1}\times \sin \left({2\theta }_3\right)\Rightarrow v_{k1}=\frac{v}{\sin \left({2\theta }_3\right)}---\left(7\right)$

需要指出的是，K1平面反射镜沿仰角轴向上平移的等效距离d_k1是指K1平动之后轴上 视场与K1平面反射镜接触点相对平动前的距离，若电控平移台控制K1平面反射镜沿某个 不规则方向平动，这里需要首先计算出其沿仰角轴方向的平动距离，然后按照公式(5)~(7)计 算像面扫描距离、扫描范围以及扫描素的等参数。

其中，设K镜三个子镜间距均为L，且组成三角形内角设为60°，即组成等边三角形； 当K镜K1平面反射镜沿仰角轴向上平移距离为d_k1，此时位置记为K1’，对应同一视场光线 平移的距离也相应为d_k1，且指向不发生改变；K1平面反射镜平移前后K3平面反射镜出射、 入射光线以及K3平面反射镜反射面共同组成一个等腰三角形，且对应腰长为d_k1；而K1~K3 平面反射镜的反射面切线组成一等腰三角形，根据几何原理可知K1平面反射镜平移前后K3 平面反射镜入射和出射光线夹角均为120°，据此，可以推算K1平面反射镜在平移前后， 像面位置平移量△d，如下式所示：

其中，所述的光栅光谱仪是指经过狭缝后能够形成一定光谱分辨率的仪器，并不特指某 一种光谱仪的结构，只要其满足光栅光谱仪的基本要素即可。

其中，所述的电控平移台可以控制K镜中K1平面反射镜沿仰角轴方向平动，也可以控 制K镜中K3平面反射镜沿仰角轴方向平动，只要通过平动K镜中某一个反射镜位置来实现 对狭缝的全视场扫描功能即可。

其中，所述的通过电控平移台平移K镜中某一反射镜位置实现对光栅光谱仪狭缝扫描的 功能，所述的K镜中某一反射镜的平动，并不特指该反射镜平动方向真实地沿着仰角轴方向 平动，而是指其沿仰角轴方向的等效平动距离，只要通过平移K镜中某一反射镜来实现对狭 缝的全视场扫描功能即可。

其中，所述的光学消旋与狭缝扫描一体化装置，不仅适用于太阳望远镜，只要是应用于 地平式望远镜及其光栅光谱仪，且采用的光学消旋和狭缝扫描结构与一体化装置结构相同或 类似即可。

其中，所述的控制器，其基本功能是完成电控平移台和电控旋转台的控制执行，其可以 是一个独立器件，也可以是与数据处理与控制计算机融为一体。

其中，所述的一体化装置，是指结构上将光学消旋和狭缝扫描融为一体，实际操作时能 够同时进行，或者能够分时进行，只要在结构上将二者融为一体即可。

本发明的原理在于：目前大部分太阳望远镜采用地平式机架结构，这是因为其独特的力 学优越性。但这种结构在跟踪目标过程中引起像场旋转问题，需要配备专门的像场消旋装置。 另一方面，光栅光谱仪是太阳望远镜必不可少的重要仪器，其能提供较高光谱分辨力的太阳 活动区成像结果。但其需要配备专门的狭缝扫描装置，获得太阳活动区的三维信息。本发明 基于以上背景，提出一种基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置，能 够同时完成对光栅光谱仪的光学消旋和狭缝扫描功能。本发明结构简单，占用空间小，光学 镜面少，创新性和实用性强，对太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋和狭缝扫描控制具有重要 意义。

本发明提出技术具有如下优点：

(1)本专利提出的基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置，在传 统K镜光学消旋结构的基础上，没有增加任何光学元件，实现了对光栅光谱仪狭缝扫描，最 大限度的降低光学面的使用给系统成像质量带来的不利影响。

(2).本专利提出的基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置，将光 学消旋和狭缝扫描融为一体，使得结构更紧凑。

(3).本专利提出的基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置，在没 有增加光学消旋控制难度的前提下，仅通过改变一个反射镜的平移就可以实现对光栅光谱仪 的狭缝扫描，且控制关系呈线性对应关系，控制算法简单，易于实现。

(4).本本专利提出的基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置，将 光学消旋功能和狭缝扫描功能结合于一体，既可以同时操作，也可以分时操作，便于一体化 控制和实施。

总之，本发明提出的基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置，在 没有增加传统K镜光学消旋的复杂性的同时，仅通过增加一个电控平移台就可以实现光学消 旋与狭缝扫描的一体化，其结构简单，光学镜面使用少，易于控制，便于一体化操作，创新 性和实用性明显。

附图说明

图1为单狭缝无扫描光谱成像示意图；

图2为对狭缝进行全视场扫描后获得连续光谱三维成像数据示意图；

图3为基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置；

图4为狭缝扫描原理示意图(K1、K2和K3组成等边三角形)；

图5为狭缝扫描原理示意图(K1、K2和K3为任意三角形)。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

基于太阳望远镜光栅光谱仪的光学消旋与狭缝扫描一体化装置，包括太阳望远镜1、K1 平面反射镜2、K2平面反射镜3、K3平面反射镜4、电控平移台5、电控旋转台6、光栅光 谱仪狭缝7、光栅光谱仪8、光电探测器9、控制器10和数据处理及控制计算机11。光栅光 谱仪狭缝7位于太阳望远镜Coude焦平面上，由于望远镜在跟踪太阳活动区过程中，Coude 焦点上的像不断旋转变化，因此，在对太阳上的某一活动区进行光谱扫描观测或在光谱观测 需要进行较长时间的曝光时，需要采用光学消旋的办法将像面旋转消除。像旋大小通常以星 位角p表示，星位角的位置和变化速度如公式(1)和公式(2)所示：

$\tan p=\frac{\sin t}{\tan \phi \cos \delta -\sin \delta \cos t}---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}=-\frac{\cos \phi \cos A}{\sin Z}---\left(2\right)$

其中，A和Z分别表示太阳活动区的方位角和天顶距，Φ为太阳望远镜所在的地理纬度， δ和t分别为被观测活动区的赤纬和时角。

根据前人研究成果(程景全，天文望远镜原理和设计，中国科学技术出版社，北京)，K 镜（包括K1平面反射镜2、K2平面反射镜3、K3平面反射镜4）在坐标变换和像面旋转 中的作用可以写为：

A'=S^-1R_kSA                        (3)

其中，S为K镜的坐标变换矩阵，R_k为K镜的作用矩阵，A为入射光束矢量，A’为经过 K镜后出射光束矢量。

根据前人研究成果(程景全，天文望远镜原理和设计，中国科学技术出版社，北京)，如 果入射光束矢量A具有旋转角θ，那么为了使得像面不发生旋转，即A’=[0,0,1]^T，代入公式 (3)后，可以得到K镜整体旋转的角度为θ/2。也就是说，当K镜以入射光旋转角的1/2的转 速进行转动后，即可实现对像面的消旋。

本发明在公式(1)~(3)所示的K镜光学消旋基础上，在K镜的K1平面反射镜后增加电动 平移台，能够沿仰角轴方向直线平移K1平面反射镜，即可实现不同视场扫描。

如图3所示的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，设太阳望远镜口径为D， Coude(太阳望远镜系统)焦点处等效F数为F，太阳望远镜观测全视场(FOV)为Ψ，Coude焦 点处像面大小为d，则像面大小d满足如下关系：

d＝F×D×tan(Ψ)×F×D×Ψ                    (4)

对于一般的情况，设中心视场入射到K镜中K1、K2、K3上的入射角分别为θ₁、θ₂和θ₃(这 里指反射镜与入射光之间的夹角)，且它们之间一定满足能够使经过K镜之后的出射光沿仰 角轴方向。根据以上分析，由于K1平面反射镜沿仰角轴方向平移并未改变光束指向，即结 果K镜中任意一个反射镜反射后，平移前后的光束平行。如图5所示，由于入射光进入K3 平面反射镜的入射角为θ₃，根据简单的几何光学原理，其出射角(这里指反射镜与出射光之 间的夹角)也相应为θ₃。根据直线与两条平行线相交其等位角相等的平面几何原理，△ABC 为一个等腰三角形，两条腰AC和BC的长度均为d_k1，对应的内角均为θ₃，据此，可以推算 出普适条件下像面位置沿狭缝垂直方向的平移量△d与K1平面反射镜沿仰角轴方向平移量 d_k1之间的定量关系，如下式所示：

Δd=d_k1×cos(180°-2θ₃-90°)=d_k1×sin(2θ₃)                (5)

结合公式(4)所示的太阳望远镜像面大小，可以得到K1平面反射镜上下活动范围的大小， 如下式所示：

$-\frac{d}{2}\le \mathrm{\Delta d}\le \frac{d}{2}\Rightarrow -\frac{\mathrm{FD\psi }}{2\sin \left({2\theta }_3\right)}\le d_{k1}\le \frac{\mathrm{FD\psi }}{2\sin \left({2\theta }_3\right)}---\left(6\right)$

设需要的像面扫描速度为v，则对应K1平面反射镜的升降速度v_k1为：

$v=\frac{d\left\{\mathrm{\Delta d}\right\}}{\mathrm{dt}}=\frac{d\left\{d_{k1}\right\}}{\mathrm{dt}}\times \sin \left({2\theta }_3\right)=v_{k1}\times \sin \left({2\theta }_3\right)\Rightarrow v_{k1}=\frac{v}{\sin \left({2\theta }_3\right)}---\left(7\right)$

需要指出的是，K1平面反射镜沿仰角轴向上平移的等效距离d_k1是指K1平面反射镜平 动之后轴上视场与K1平面反射镜接触点相对平动前的距离，若电控平移台控制K1平面反 射镜沿某个不规则方向平动，这里需要首先计算出其沿仰角轴方向的平动距离，然后按照公 式(6)~(8)计算像面扫描距离、扫描范围以及扫描素的等参数。

特殊的，如图4所示，设K镜三个子镜（K1平面反射镜2、K2平面反射镜3、K3平 面反射镜4）间距为L，且组成三角形内角设为60°，即组成等边三角形。当K镜K1平面 反射镜沿仰角轴向上平移等效距离为d_k1，平动至图4中K1’所示位置，对应同一视场光线(图 中实线和虚线所示)平移的距离也相应为d_k1，且指向不发生改变。同理，在从K2平面反射 镜至K3平面反射镜的传输过程中，由于电控平移台控制K1平面反射镜沿竖直方向上发生 平移前后，其光束指向并未发生改变，因此相同视场光束之间沿竖直方向上的距离并未发生 改变，即AC=d_k1。由于K1~K3组成一个等边三角形，根据简单的平面几何原理，可以得到 △ABC为一个以C为顶点的等腰三角形，且与顶点C对应的两个外角均为120°，据此，可 以推算K1平面反射镜在平移前后，像面位置平移量△d，如下式所示：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉 该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包 含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。