一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置

摘要

本发明提供一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置，包括：准直器（1）、倾斜镜（2）、波前校正器DM（3）、二向色分光镜（4）、波前探测器（5）、波前控制器（6）、成像系统（7）、狭缝（8）、准直镜（9）、光栅（10）、成像镜（11）、数据采集系统（12）和数据处理及控制计算机（13）组成。本发明在太阳光栅光谱成像装置中引入高速倾斜反射镜、波前校正器、波前探测器以及波前控制器。通过对波前探测器测量数据进行分析、分离，对影响太阳光栅光谱成像装置工作效率的波前像差类型赋予不同的校正权值，不仅能够降低太阳自适应光学的波前校正要求，还能提高太阳光栅光谱成像装置的工作效率，这对于提高太阳光栅光谱成像装置的时间分辨力和数据信噪比具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳光栅光谱成像装置，特别是针对一种基于太阳自适应光学系统的高 工作效率太阳光栅光谱成像装置。

背景技术

太阳光谱包含着很多重要信息，如太阳温度、元素丰度、速度场及磁场等重要信息，它 对研究太阳大气活动具有重要意义，而太阳光栅光谱成像装置是完成这些目标的重要手段。 由于太阳光栅光谱成像装置具有许多独特的优点，主要有：1）能够多波段同时观测用于研 究太阳大气的分层特性；2）速度场测量不受观测目标运动速度的限制，可用于研究太阳大 气活动的红移效应；3）与偏振分析器结合观测，可同时获得4个stokes偏振分量，用于研 究磁场和其它的一些热力学参数，因此太阳光栅光谱成像装置在太阳光谱观测中得到了广泛 的运用（黄佑然，许熬敖，秦志海,等.实测天体物理学［M］.北京：北京科学出版社，1987.）。

大气湍流，尤其是地表层的大气湍流会严重影响太阳光栅光谱成像装置的成像质量和光 谱观测性能。湍流的存在不仅会引起能量的扩散和望远镜焦平面上能量集中度下降的问题， 从而导致太阳光栅光谱成像装置工作效率的下降；同时还会引起太阳望远镜焦面上的太阳像 的抖动，导致太阳光栅光谱成像装置根本无法对太阳目标进行准确跟踪和扫描成像观测。而 目前消除大气湍流的有效手段是采用太阳自适应光学技术（Thomas R.Rimmele et al."First  results from the NSO/NJIT solar adaptive optics system",Proc.SPIE5171,Telescopes and  Instrumentation for Solar Astrophysics,179（February4,2004）.），配备了太阳自适应光学 系统的太阳望远镜，不仅能在良好视宁度条件下对太阳表面进行接近衍射极限的高分辨力成 像，即使在中等视宁度条件下，也能够获得较好、甚至接近衍射极限的高分辨力观测。因此 通过自适应光学技术进行波前校正，从而能够对太阳大气活动进行长时间的、稳定的、高精 度的成像观测和光谱观测。

与传统自适应光学技术不同，太阳光栅光谱成像装置狭缝会对大气扰动和望远镜系统的 误差进行滤波，且对不同类型的像差滤波效果存在很大的差异，因此使用自适应光学技术进 行波前校正时，必须考虑狭缝对不同类型像差滤波效果的差异性，对不同类型像差进行有选 择性的差别校正，以提高太阳自适应光学波前校正能力和太阳光栅光谱成像装置的工作效 率。但目前尚未发现以提高太阳光栅光谱成像装置工作效率为目的的波前校正装置。

本发明基于以上背景，提出一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置，通 过在太阳光栅光谱成像装置中引入高速倾斜反射镜、波前探测器、波前校正器DM以及波前 控制器，使之具有对倾斜像差和其他高阶像差的校正能力，从而控制太阳光栅光谱成像装置 光斑弥散，抑制能量扩散，提高望远镜焦平面上的能量集中度，从而有效提高太阳光栅光谱 成像装置的工作效率。本发明在传统太阳光栅光谱成像装置基础上，引入太阳自适应光学技 术，通过对波前探测器测量数据进行分析、分离，并根据狭缝对不同类型像差滤波效果的差 异性，对影响太阳光栅光谱成像装置工作效率的波前像差类型进行有选择性的差别校正，不 仅能够有效降低太阳自适应光学的波前校正要求，还能有效提高光栅光谱成像装置的工作效 率。这对于提高太阳光栅光谱成像装置的时间分辨力和成像信噪比具有重要意义，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：大气湍流会严重影响太阳光栅光谱成像装置的成像质量和 光谱观测性能。大气湍流的存在，引起了望远镜焦平面上太阳像抖动、能量扩散和能量集中 度下降等问题，从而降低了太阳光栅光谱成像装置的工作效率。本发明提出一种相应的解决 方法，试图突破大气湍流对太阳光栅光谱成像装置性能的限制。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅 光谱成像装置，该装置包括准直器、高速倾斜镜、波前校正器DM、二向色分光镜、波前探 测器、波前控制器、成像系统、狭缝、准直镜、光栅、成像镜、数据采集系统和数据处理及 控制计算机组成；其中：

太阳望远镜对太阳大气活动目标进行成像后，经准直器准直为平行光后入射至高速倾斜 镜，用于实时校正大气湍流造成的波前整体倾斜。经高速倾斜镜后光束反射至波前校正器 DM，用于实时校正高阶大气湍流像差引起的波前畸变。经波前校正器DM反射后的光束被 二向色分光镜分为反射光和透射光，并分别进入波前探测器和太阳光栅光谱成像装置狭缝 中。其中，波前探测器能对不断变化的波前畸变进行实时探测，并对波前畸变中的不同类型 像差进行分离，经数据处理和控制计算机处理后，得到控制波前校正器的驱动信号，分别用 于控制高速倾斜镜和波前校正器DM。通过分光镜和成像系统中继后，校正后的光束成像在 望远镜焦平面上，并获得对应区域自适应光学校正后的清晰图像。通过太阳光栅光谱成像装 置狭缝后光束被准直镜准直入射至光栅，经光栅色散分光后光束又被成像镜会聚于数据采集 系统的焦平面处，再把数据传送至数据处理及控制计算机进行处理，它负责整个系统的协同 工作。

由大气扰动和太阳望远镜装配误差等引起的波前像差会降低太阳望远镜系统的成像质 量，太阳望远镜系统的点扩展函数被展宽，能量集中度下降。对特定宽度的太阳光栅光谱成 像装置狭缝而言，更低的能量集中度，意味着更低的光能透过狭缝进入光栅光谱成像系统中， 从而降低太阳光栅光谱成像装置观测的时间分辨力和成像信噪比，最终引起太阳光栅光谱成 像装置工作效率下降。

我们定义太阳光栅光谱成像装置的工作效率为η，其可以由（1）式表示：

η=I_s/I₀    （1）

其中，I₀为无波前像差时透过狭缝进入太阳光栅光谱成像装置的总能量，I_s为有波前像 差时透过狭缝（8）进入太阳光栅光谱成像装置的总能量。

为了提高太阳光栅光谱成像装置的成像分辨力和成像信噪比，需要引入太阳自适应光学 技术校正波前像差，提高工作效率。与传统太阳自适应光学技术不同，位于望远镜焦平面上 的太阳光栅光谱成像装置狭缝宽度较小，会对大气扰动及太阳望远镜自身误差引起的波前像 差进行滤波，且对不同类型、不同大小的波前像差引起的滤波效果也不同。因此，应根据狭 缝对不同像差滤波效果的差异，对大气扰动及太阳望远镜自身误差引起的波前像差进行有选 择性的差别校正，以提高太阳自适应光学系统的波前校正能力。

设η₀为太阳光栅光谱成像装置能够容忍的工作效率下降临界值，即太阳自适应光学系统 对不同类型像差的校正需满足如下条件：

η≥η₀    （2）

其中，η₀与狭缝大小、成像波长及系统要求有关，为系统相关参数。

对于一个特定太阳光栅光谱成像装置而言，可以对不同类型像差对工作效率的影响进行 定量分析，根据各自敏感程度确定太阳自适应光学系统波前校正权重。假设采用Zernike多 项式表示波前像差，当取单位RMS大小时，第1～N阶Zernike波前像差引起的太阳光栅光 谱成像装置工作效率下降程度表示为向量β=[β₁，β₂，β₃，……，β_N-1，β_N]。另一方面，狭缝 对不同类型像差的滤波效果也存在很大差异，对于特定宽度狭缝而言，当对不同类型像差取 单位RMS大小时，其对不同类型像差滤波引起太阳光栅光谱成像装置工作效率下降程度表 示为向量α=[α₁，α₂，α₃，……，α_N-1，α_N]。

根据β和α可以得出不同类型像差对太阳光栅光谱成像装置工作效率的下降程度表示为 向量γ=[γ₁，γ₂，γ₃，……，γ_N-1，γ_N]，其中：

γ_i=β_i×α_i    （3）

其中，1≤i≤N。根据狭缝对不同类型像差滤波效果存在的差异性，其引起的太阳光栅 光谱成像装置工作效率的下降程度也不同，因此在使用自适应光学进行波前校正时，对不同 类型像差取不同的校正权重因子，表示为向量ρ=[ρ₁，ρ₂，ρ₃……，ρ_N-1，ρ_N]，且满足：

ρ₁²+……+ρ_N²=1    （4）

设此时波前探测器探测到的波前像差为Φ，其可以被分解为各阶Zernike像差的组合， 如下式所示：

$\Phi =\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_j\times Z_j---\left(5\right)$

其中，Z_j表示第j阶Zernike多项式，a_j为Z_j的Zernike系数。由公式（4）和公式（5） 可以组成为新的待校正波前Φ′，如下式所示：

${\Phi }^{\prime }=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_j\times a_j\times Z_j---\left(6\right)$

本发明通过在太阳光栅光谱成像装置中引入高速倾斜镜和波前校正器DM、波前探测器 和波前控制器，使之具有校正倾斜像差和高阶像差的能力。由于狭缝会对大气扰动等引起的 波前像差进行滤波，且对不同类型像差狭缝滤波的效果存在差异性。因此通过对波前探测器 的波前测量数据进行分析、分离，对影响太阳光栅光谱成像装置工作效率的波前像差类型进 行有选择性的差别校正。不仅能够有效降低太阳自适应光学的波前校正要求，还能有效提高 太阳光栅光谱成像装置的工作效率，这对于提高光栅光谱成像装置的时间分辨力和数据信噪 比具有重要意义。

本发明提出一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置，在传统太阳光栅光 谱成像装置基础上，引入太阳自适应光学技术，通过对波前探测器测量数据进行分析、分离， 并根据狭缝对不同类型像差滤波效果的差异性，对影响太阳光栅光谱成像装置工作效率的波 前像差类型进行有选择性的差别校正后，不仅能够有效降低太阳自适应光学的波前校正要 求，还能有效提高光栅光谱成像装置的工作效率。

本发明提出技术具有如下优点：

（1）.本发明提出的一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置，通过在传 统太阳光栅光谱成像装置基础上，引入太阳自适应光学技术，从而解决了大气湍流扰动引起 望远镜焦平面上的太阳像抖动而无法对太阳观测目标进行准确跟踪观测的难题。

（2）.本发明提出的一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置，由于狭缝 对不同类型波前像差滤波效果存在差异，因此，使用太阳自适应光学对影响太阳光栅光谱成 像装置工作效率的波前像差类型进行有选择性的差别校正，从而能够有效的降低太阳自适应 光学的波前校正要求。

（3）.本发明提出的一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置，通过引入 太阳自适应光学技术，使之具有对波前高阶像差进行校正的能力，解决了大气扰动等引起的 能量扩散问题，能够有效的提高太阳光栅光谱成像装置工作效率，从而提高了太阳光栅光谱 成像装置的时间分辨力和数据信噪比，这对太阳快速运动目标进行成像观测或光谱观测具有 重要意义。

总之，本发明提出的一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置，在传统太 阳光栅光谱成像装置基础上，引入太阳自适应光学技术，通过对波前探测器测量数据进行分 析、分离，并根据狭缝对不同类型像差滤波效果的差异性，对影响太阳光栅光谱成像装置工 作效率的波前像差类型进行有选择性的差别校正后，不仅能够有效降低太阳自适应光学的波 前校正要求，还能有效提高光栅光谱成像装置的工作效率。这对于提高太阳光栅光谱成像装 置的时间分辨力和成像信噪比具有重要意义。

附图说明

图1为一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置。

图2为本发明中的太阳自适应光学对大气湍流进行校正的波前控制流程图。

图3为第6阶zernike像差经狭缝滤波前后导致的能量扩散对比示意图，左（a）为狭缝 滤波前，右（b）为狭缝滤波后。

图4为第8阶zernike像差经狭缝滤波前后导致的能量扩散对比示意图，左（a）为狭缝 滤波前，右（b）为狭缝滤波后。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

一种基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置，如图1所示，该装置包括：准 直器1、高速倾斜镜2、波前校正器DM3、二向色分光镜4、波前探测器5、波前控制器6、 成像系统7、狭缝8、准直镜9、光栅10、成像镜11、数据采集系统12和数据处理及控制计 算机13组成；其中：

太阳望远镜14对太阳大气活动目标进行成像后，经准直器1准直为平行光后入射至高 速倾斜镜2，用于实时校正大气湍流造成的波前整体倾斜。经高速倾斜镜2后光束反射至波 前校正器DM3，用于实时校正高阶大气湍流像差引起的波前畸变。经波前校正器DM3反射 后的光束被二向色分光镜4分为反射光和透射光，并分别进入波前探测器5和太阳光栅光谱 成像装置狭缝8中。其中，波前探测器5能对不断变化的波前畸变进行实时探测，并对波前 畸变中的不同类型像差进行分离，经数据处理和控制计算机13处理后，得到控制波前校正 器6的驱动信号，分别用于控制高速倾斜镜2和波前校正器DM3。通过分光镜4和成像系 统7中继后，校正后的光束成像在望远镜14焦平面上，并获得对应区域自适应光学校正后 的清晰图像。基于太阳自适应光学系统的太阳光栅光谱成像装置的波前控制流程如图2所示。 通过太阳光栅光谱成像装置狭缝8后光束被准直镜9准直入射至光栅10，经光栅10色散分 光后光束又被成像镜11会聚于数据采集系统12的焦平面处，再把数据传送至数据处理及控 制计算机13进行处理，它负责整个系统的协同工作。

由大气扰动和太阳望远镜14装配误差等引起的波前像差会降低太阳望远镜14系统的成 像质量，太阳望远镜14系统的点扩展函数被展宽，能量集中度下降。对特定宽度的太阳光 栅光谱成像装置狭缝8而言，更低的能量集中度，意味着更低的光能透过狭缝8进入光栅光 谱成像系统中，从而降低太阳光栅光谱成像装置观测的时间分辨力和成像信噪比，最终引起 太阳光栅光谱成像装置工作效率下降。

我们定义太阳光栅光谱成像装置的工作效率为η，其可以由（1）式表示：

η=I_s/I₀    （1）

其中，I₀为无波前像差时透过狭缝进入太阳光栅光谱成像装置的总能量，I_s为有波前像 差时透过狭缝8进入太阳光栅光谱成像装置的总能量。

为了提高太阳光栅光谱成像装置的成像分辨力和成像信噪比，需要引入太阳自适应光学 技术校正波前像差，提高工作效率。与传统太阳自适应光学技术不同，位于望远镜14焦平 面上的太阳光栅光谱成像装置狭缝8宽度较小，会对大气扰动及太阳望远镜14自身误差引 起的波前像差进行滤波，且对不同类型、不同大小的波前像差引起的滤波效果也不同。例如， 第6阶和第8阶zernike像差经狭缝滤波前后引起了能量扩散，如图3和图4所示，但是由 大气湍流引起的波前像差经狭缝滤波后对光谱仪性能的影响并不局限于此。因此，应根据狭 缝8对不同像差滤波效果的差异，对大气扰动及太阳望远镜14自身误差引起的波前像差进 行有选择性的差别校正，以提高太阳自适应光学系统的波前校正能力。

设η₀为太阳光栅光谱成像装置能够容忍的工作效率下降临界值，即太阳自适应光学系统 对不同类型像差的校正需满足如下条件：

η≥η₀    （2）

其中，η₀与狭缝大小、成像波长及系统要求有关，为系统相关参数。

对于一个特定太阳光栅光谱成像装置而言，可以对不同类型像差对工作效率的影响进行 定量分析，根据各自敏感程度确定太阳自适应光学系统波前校正权重。假设采用Zernike多 项式表示波前像差，当取单位RMS大小时，第1～N阶Zernike波前像差引起的太阳光栅光 谱成像装置工作效率下降程度表示为向量β=[β₁，β₂，β₃，……，β_N-1，β_N]。另一方面，狭缝 8对不同类型像差的滤波效果也存在很大差异，对于特定宽度狭缝8而言，且对不同类型像 差取单位RMS值大小，其对不同类型像差滤波引起太阳光栅光谱成像装置工作效率下降程 度表示为向量α=[α₁，α₂，α₃，……，α_N-1，α_N]。

根据β和α可以得出不同类型像差对太阳光栅光谱成像装置工作效率的下降程度表示为 向量γ=[γ₁，γ₂，γ₃，……，γ_N-1，γ_N]，其中：

γ_i=β_i×α_i    （3）

其中，1≤i≤N。根据狭缝8对不同类型像差滤波效果存在的差异性，其引起的太阳光 栅光谱成像装置工作效率的下降程度也不同，因此在使用自适应光学进行波前校正时，对不 同类型像差取不同的校正权重因子，表示为向量ρ=[ρ₁，ρ₂，ρ₃……，ρ_N-1，ρ_N]，且满足：

ρ₁²+……+ρ_N²=1    （4）

设此时波前探测器（5）探测到的波前像差为Φ，其可以被分解为各阶Zernike像差的组 合，如下式所示：

$\Phi =\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_j\times Z_j---\left(5\right)$

其中，Z_j表示第j阶zernike多项式，a_j为Z_j的zernike系数。由公式（4）和公式（5） 可以组成为新的待校正波前Φ′，如下式所示：

${\Phi }^{\prime }=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_j\times a_j\times Z_j---\left(6\right)$

本发明通过在太阳光栅光谱成像装置中引入高速倾斜镜2和波前校正器DM3、波前探 测器5和波前控制器6，使之具有校正倾斜像差和高阶像差的能力。由于狭缝8会对大气扰 动等引起的波前像差进行滤波，且对不同类型像差狭缝滤波的效果存在差异性。因此通过对 波前探测器5的波前测量数据进行分析、分离，对影响太阳光栅光谱成像装置工作效率的波 前像差类型进行有选择性的差别校正。不仅能够有效降低太阳自适应光学的波前校正要求， 还能有效提高太阳光栅光谱成像装置的工作效率，这对于提高光栅光谱成像装置的时间分辨 力和数据信噪比具有重要意义。

其中，校正权重因子既可以采用公式（4）进行计算，也可以采用其它归一化计算方法， 只要其本质是能实现对不同类型像差进行有选择性差别校正的功能即可。

其中，高速倾斜镜2和波前校正器DM3既能用在平行光束中，也能用于锥光光路中。

其中，成像系统7既可以是会聚透镜，也可以是反射镜，只要其本质是能实现把光束成 像在太阳望远镜14焦平面上的功能即可。

其中，二向色分光镜4也可以是普通分光镜，只要能实现对光束进行分光的功能即可。

其中，狭缝8宽度作为太阳光栅光谱成像装置的视场光阑，既要满足对太阳望远镜14 空间分辨力的采样要求，同时也需满足对太阳光栅光谱成像装置光谱分辨力的采样要求。

其中，太阳光栅光谱成像装置狭缝8须与光栅刻线方向平行，且狭缝8宽度可调，调整 时可为手工调整或电机调整。

其中，太阳光栅光谱成像装置为了在整个光学波段均可用，所以准直镜9和成像镜11 均为反射式光学元件，为了更好的消除球差的影响，最好采用离轴抛物面反射镜。

其中，光栅10既可以是透射式光栅10，也可以是反射式光栅10，只要能实现空间色散 分光的功能即可。

其中，数据采集系统12是指可以满足对太阳表面局部区域进行成像的系统，包括成像 器件和光电探测器及相应的数据采集器件。

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。