一种可抑制光谱展宽的太阳自适应光学光栅光谱成像装置

摘要

本发明提供一种可抑制光谱展宽的太阳自适应光学光栅光谱成像装置，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。本发明通过在高速倾斜反射镜后引入波前校正器DM，在没有明显增加成本和复杂性的前提下，使之同时具有校正倾斜像差和其它高阶像差的能力。通过对波前探测器测量数据进行分析、分离，并对影响太阳光栅光谱成像装置光谱展宽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，还能有效抑制太阳光栅光谱成像装置的光谱展宽。

主权项

一种可抑制光谱展宽的太阳自适应光学光栅光谱成像装置，其特征在于：包括准直器(1)、高速倾斜镜(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)；其中：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DM(3)，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(3)反射后的光束又被二向色分光镜(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，经数据处理及控制计算机(13)处理后，得到控制波前控制器(6)的驱动信号，分别用于控制高速倾斜镜(2)和波前校正器DM(3)；通过二向色分光镜(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；通过狭缝(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；由大气扰动引起的波前像差会导致太阳光栅光谱成像装置的光谱展宽，从而降低了太阳光栅光谱成像装置的光谱分辨力；其中，光谱展宽κ表示式如下：κ＝ΔL/L_FWHM               (1)其中，L_FWHM表示无波前像差时谱线的半高全宽FWHM，L_A表示有波前像差时谱线的半高全宽FWHM，ΔL＝L_A‑L_FWHM；设κ₀为太阳光栅光谱成像装置能够容忍的光谱展宽的临界值，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：κ≤κ₀                        (2)其中，κ₀与狭缝大小、成像波长及太阳自适应光学系统系统要求有关，为太阳自适应光学系统相关参数；对于一个特定太阳光栅光谱成像装置而言，能对不同类型像差对光谱展宽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，当波前RMS取单位大小时，第1～N阶Zernike波前像差引起的太阳光栅光谱成像装置光谱轮廓的展宽程度表示为向量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差异，对于特定宽度狭缝(8)而言，当对不同类型像差RMS取单位大小时，其对不同类型像差滤波引起太阳光栅光谱成像装置光谱轮廓的展宽程度表示为向量α＝[α₁，α₂，α₃，……，α_N‑1，α_N]；因此，根据β和α得出不同类型像差对太阳光栅光谱成像装置光谱轮廓展宽程度表示为向量γ＝[γ₁，γ₂，γ₃，……，γ_N‑1，γ_N]：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光谱轮廓的展宽程度也不同，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ξ＝[ξ₁，ξ₂，ξ₃……，ξ_N‑1，ξ_N]，且满足：ξ₁²+……+ξ_N²＝1                       (4)设此时波前探测器(5)探测到的波前像差为Φ，其被分解为各阶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)组成为新的待校正波前Φ′，如下式所示：${\Phi }^{\prime }=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\xi }_j\times a_j\times Z_j---\left(6\right);$所述狭缝(8)须与光栅刻线方向平行，且狭缝(8)宽度可调，调整时为手工调整或电机调整；所述的准直镜(9)是透射式，或者是反射式；所述的成像镜(11)是透射式，或是反射式；所述的光栅(10)是透射式光栅(10)，或是反射式光栅(10)；所述的数据采集系统(12)是指能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。