一种基于FOSC型的双通道中低色散光谱仪

本发明涉及光谱仪器，具体是一种基于fosc型的双通道中低色散光谱仪。

背景技术：

1、暗天体分光仪和照相机fosc(fain object spectrograph and camera)是20世纪80年代发展起来的一种天文望远镜终端仪器，它的主要优点是：多用途、高效和灵活。

2、单通道fosc型仪器整个光学系统主要由准直镜光组和成像镜光组组成，准直镜光组的前焦点与望远镜的卡焦焦点重合，由望远镜成像于卡焦的星象通过准直镜光组变成平行光，然后由成像镜再一次成像并最终由光子探测器(ccd)接收。fosc的所有光学部件都是透射光学元件，包括色散元件。所有光学元件和成像面都是同轴的，像面不偏转，并与观测波长、观测模式没有关系。

3、经调研可发现：单通道fosc型仪器的工作波长以可见光(365-900纳米)为主，虽然部分仪器的工作波长标称可以小于350纳米或大于950纳米，但是仪器设计在玻璃材料、关键器件(光栅、探测器)等方面均未进行整体优化；另一方面，部分fosc型仪器对直视棱栅进行了升级改造(采用体位相全息棱栅vphg)用于仪器效率的提升，但是单通道设计下的直视棱栅为了减少二级光谱的影响需要配合级次滤光片使用，镀膜效率也因工作带宽较大而提升有限。

4、国内外多个台址为光学天文望远镜在紫外和近红外波段的观测提供了非常优良的条件，而且随着高效率光栅、宽波段镀膜工艺以及新型探测器的技术发展，各类光谱仪对全波段覆盖、高效率观测都提出了更迫切的需求。

5、基于此，本专利以1.9米光学望远镜为研究对象，设计了一种基于fosc型的双通道、高效率中低色散光谱仪，仪器体量较小，不同分辨率模式单次曝光均可实现310-1000纳米的全波段覆盖。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提供了一种基于fosc型的双通道中低色散光谱仪，本发明的光谱仪不同分辨率模式单次曝光均可实现310-1000纳米的全波段覆盖。

2、技术方案：一种基于fosc型的双通道中低色散光谱仪，所述光谱仪包括狭缝切换系统、准直分色系统、蓝区色散系统、红区色散系统、b相机系统、r相机系统、蓝通道光子探测器和红通道光子探测器；

3、望远镜的星光进入狭缝切换系统中的狭缝后，经过准直分色系统变成准直光并分成红蓝两个通道；蓝通道经过所述蓝区色散系统进入b相机系统成像后，被蓝通道光子探测器接收；红通道经过所述红区色散系统进入r相机系统成像后，被红通道光子探测器接收；经过所述蓝区色散系统的蓝通道和经过所述红区色散系统的红通道对称分布在狭缝的两侧，且保持平行；所述b相机系统、蓝通道光子探测器像面和准直分色系统共轴无偏转；所述r相机系统、红通道光子探测器像面和准直分色系统共轴无偏转。

4、进一步的，所述狭缝切换系统，包括狭缝轮和狭缝板，所述狭缝板装配在狭缝轮上，所述狭缝板为六个，六个狭缝板上设有不同规格的狭缝或者测试孔；所述狭缝轮用于旋转切换不同的狭缝板。

5、进一步的，所述准直分色系统包括离轴球面改正镜、离轴抛物镜、分色镜、蓝通道折转平面镜和红通道折转平面镜；

6、望远镜的星光进入狭缝切换系统中的狭缝，经过所述准直分色系统中的离轴球面改正镜后，入射到离轴抛物镜上，经过离轴抛物镜的反射变成准直光，准直光绕光轴旋转8°后通过分色镜分成红蓝两个通道；所述分色镜入射角为20°；分色镜反射出的为蓝通道，分色镜透射出的为红通道；蓝通道和红通道分别利用蓝通道折转平面镜和红通道折转平面镜，折转后的蓝通道和红通道近似对称分布在狭缝两侧，且保持平行。

7、进一步的，所述蓝区色散系统，包括第一滤光轮和第一光栅轮；所述第一滤光轮上装配有不同规格的滤光片和偏振器件，所述第一光栅轮上装配有不同的低色散grism和vphg；蓝通道进入所述蓝区色散系统后，先进入第一滤光轮上的滤光片或偏振器件，后进入低色散grism和vphg；

8、所述红区色散系统，包括第二滤光轮和第二光栅轮；所述第二滤光轮上装配有不同规格的滤光片和偏振器件；所述第二光栅轮上装配有不同的高色散grism或vphg；红通道进入所述红区色散系统后，先进入第二滤光轮上的滤光片或偏振器件，后进入高色散grism或vphg。

9、进一步的，所述第一光栅轮上装配的低色散grism和vphg的工作波长范围为310-560nm；所述第二光栅轮上装配的高色散grism或vphg的工作波长范围为540-1000nm。

10、进一步的，所述b相机系统，采用7片透射式设计，7片透镜从入射端至出射端分别为：caf2透镜、f_silica透镜、caf2透镜、f_silica透镜、caf2透镜、caf2透镜、f_silica透镜，靠近出射端的f_silica透镜为蓝通道光子探测器的封窗透镜；

11、所述r相机系统，采用5片透射式设计，5片透镜从入射端至出射端分别为：h-zf13gt透镜、caf2透镜、h-zk3透镜、h-fk61透镜、f_silica透镜；靠近出射端的f_silica透镜为红通道光子探测器的封窗透镜。

12、进一步的，所述蓝通道光子探测器和红通道光子探测器的靶面大小为4k×4k，像元为15微米。

13、进一步的，蓝通道光子探测器和红通道光子探测器均选用e2v的ccd 231-84芯片，其中，蓝通道光子探测器选择nbb芯片，红通道光子探测器选用深耗尽芯片。

14、有益效果：

15、1)本发明采用的双通道设计，满足光谱仪在全波段的高效率需求；

16、2)准直系统采用了折反射式系统设计提高系统效率并压缩了空间；

17、3)红蓝通道相机系统可实现大动态温度范围(-30℃～20℃)全视场(φ16°)最大弥散斑半径均方根小于5μm的优良像质。

技术特征：

1.一种基于fosc型的双通道中低色散光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括狭缝切换系统、准直分色系统、蓝区色散系统、红区色散系统、b相机系统、r相机系统、蓝通道光子探测器和红通道光子探测器；

2.根据权利要求1所述的基于fosc型的双通道中低色散光谱仪，其特征在于，所述狭缝切换系统，包括狭缝轮和狭缝板，所述狭缝板装配在狭缝轮上，所述狭缝板为六个，六个狭缝板上设有不同规格的狭缝或者测试孔；所述狭缝轮用于旋转切换不同的狭缝板。

3.根据权利要求1所述的基于fosc型的双通道中低色散光谱仪，其特征在于，所述准直分色系统包括离轴球面改正镜、离轴抛物镜、分色镜、蓝通道折转平面镜和红通道折转平面镜；

4.根据权利要求1所述的基于fosc型的双通道中低色散光谱仪，其特征在于，所述蓝区色散系统，包括第一滤光轮和第一光栅轮；所述第一滤光轮上装配有不同规格的滤光片和偏振器件，所述第一光栅轮上装配有不同的低色散grism和vphg；蓝通道进入所述蓝区色散系统后，先进入第一滤光轮上的滤光片或偏振器件，后进入低色散grism和vphg；

5.根据权利要求4所述的基于fosc型的双通道中低色散光谱仪，其特征在于，所述第一光栅轮上装配的低色散grism和vphg的工作波长范围为310-560nm；所述第二光栅轮上装配的高色散grism或vphg的工作波长范围为540-1000nm。

6.根据权利要求1所述的基于fosc型的双通道中低色散光谱仪，其特征在于，所述b相机系统，采用7片透射式设计，7片透镜从入射端至出射端分别为：caf2透镜、f_silica透镜、caf2透镜、f_silica透镜、caf2透镜、caf2透镜、f_silica透镜，靠近出射端的f_silica透镜为蓝通道光子探测器的封窗透镜；

7.根据权利要求1所述的基于fosc型的双通道中低色散光谱仪，其特征在于，所述蓝通道光子探测器和红通道光子探测器的靶面大小为4k×4k，像元为15微米。

8.根据权利要求6所述的基于fosc型的双通道中低色散光谱仪，其特征在于，蓝通道光子探测器和红通道光子探测器均选用e2v的ccd 231-84芯片，其中，蓝通道光子探测器选择nbb芯片，红通道光子探测器选用深耗尽芯片。

技术总结
本发明公开了一种基于FOSC型的双通道中低色散光谱仪，涉及光谱仪器技术领域，所述光谱仪包括狭缝切换系统、准直分色系统、蓝区色散系统、红区色散系统、B相机系统、R相机系统、蓝通道光子探测器和红通道光子探测器；望远镜的星光进入狭缝切换系统中的狭缝后，经过准直分色系统变成准直光并分成红蓝两个通道；蓝通道经过所述蓝区色散系统进入B相机系统成像后，被蓝通道光子探测器接收；红通道经过所述红区色散系统进入R相机系统成像后，被红通道光子探测器接收；经过所述蓝区色散系统的蓝通道和经过所述红区色散系统的红通道对称分布在狭缝的两侧，且保持平行。本发明的光谱仪不同分辨率模式单次曝光均可实现310‑1000纳米的全波段覆盖。

技术研发人员：季杭馨,巴国鑫,侯永辉,余浩然,李军,王丽丽,戴松新,章华涛,汤振
受保护的技术使用者：中国科学院南京天文光学技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16