专利名称：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的制作方法
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 ff. T.，UnISISfield 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、Kl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Kl平面反射镜后，用于控制Kl平面反射镜沿某一方向平移；安装电控平移台的Kl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(I)和公式
(2)所示
权利要求
1.一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，其特征在于该装置包括太阳望远镜(I)、Kl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) ;K1平面反射镜(2)、K2平面反射镜(3)和Κ3平面反射镜(4)组成K镜，并由电控旋转台(6)控制K镜整体旋转，实现光学消旋的目的；电控平移台(5)安装于Kl平面反射镜(2)后，用于控制Kl平面反射镜(2)沿某一方向平移；安装电控平移台(5)的Kl平面反射镜(2)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(7)的相对位置，从而实现光栅光谱仪(8)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(9)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(11)主要完成对光电探测器(9)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(10)，并最终实现对电控旋转台(6)和电控平移台(5)的控制； 该光栅光谱仪狭缝(7)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(I)和公式(2)所示
2.根据权利要求1所述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，其特征在于设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Kl平面反射镜沿仰角轴向上平移距离为dkl，此时位置记为Kl ’，对应同一视场光线平移的距离也相应为dkl，且指向不发生改变；根据权利要求1的描述，Kl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dkl ;而1(1飞3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Kl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，能够推算Kl平面反射镜在平移前后，像面位置平移量Λ d，如下式所示
3.根据权利要求1所述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，其特征在于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。
4.根据权利要求1所述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，其特征在于所述的电控平移台可以控制K镜中Kl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。
5.根据权利要求1或权利要求4所述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，其特征在于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。
6.根据权利要求1所述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，其特征在于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其权利要求1的一体化装置结构相同或类似即可。
7.根据权利要求1所述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，其特征在于所述的控制器，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。
8.根据权利要求1所述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，其特征在于所述的一体化装置，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。
全文摘要
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。
文档编号G01J3/02GK103017903SQ20121052410
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月9日 优先权日2012年12月9日
发明者顾乃庭, 饶长辉, 刘洋毅, 郑联慧, 朱磊, 张兰强, 钟立波 申请人:中国科学院光电技术研究所