一种紫外巡天的光学成像系统

1.本发明属于紫外天文探测探测技术领域，具体涉及一种紫外巡天的光学成像系统。


背景技术：

2.紫外天文观测仪器是研究星系演变的主要方法，是目前国际上天文观测研究的热点。天体的紫外光谱可用来研究星际介质的化学成分、密度和温度，以及高温年轻恒星的温度与组成。星系演化的信息也可以从紫外线观测得知。紫外波段观测天体与可见光、红外观测有很大的差异。许多在可见光与红外观测上相对温度较低的恒星在紫外线观测时却显示是高温天体，尤其是在演化阶段早期或晚期的恒星。远紫外/近紫外波段观测对于早型星(包括o、b、a型星)、白矮星和行星状星云的中心星研究都是非常重要的，因为这些类型的恒星在紫外区呈现出最强的辐射，对晚型星(包括f、g、k和m等型)进行紫外观测的重要性和太阳类似，紫外观测是研究恒星色球和星冕以及二者之间的过渡层必不可少的手段。
3.紫外天文研究有重要的科学意义和应用价值，紫外巡天光谱成像与成像仪能够研究星系演变、星际气体成分和宇宙中重要的天文现象。


技术实现要素：

4.本发明克服了现有技术的不足之一提供了一种紫外巡天的光学成像系统，能够基于目标成像与光谱成像相结合的方式实现紫外巡天观测，且体积小、精度高、光路简单。
5.根据本公开的一方面，本发明提供一种紫外巡天的光学成像系统，所述系统包括：主镜、次镜、棱栅、成像滤光片、矫正透镜、面阵探测器；
6.其中，所述主镜用于接收入射平行光束，反射所述平行光束到次镜；
7.所述次镜用于将所述平行光束反射到棱栅或成像滤光片；经所述棱栅散射或成像滤光片滤光后被所述棱栅或成像滤光片透射到所述矫正透镜；
8.所述矫正透镜对所述平行光束相差进行矫正后，将所述平行光束成像到面阵探测器上；
9.其中，经所述棱栅色散后的平行光束，经所述矫正透镜矫正相差后成像到面阵探测器上，得到观测目标的光谱图像；
10.经所述成像滤光片滤光后的平行光束，经所述矫正透镜矫正相差后成像到面阵探测器上，得到观测目标的观测图像。
11.在一种可能的实现方式中，所述观测目标的光谱图像和观测图像通过所述矫正透镜聚焦到同一位置。
12.在一种可能的实现方式中，所述棱栅和成像滤光片通过所述成像滤光片的滤光片轮进行切换。
13.在一种可能的实现方式中，所述主镜表面为离轴抛物面，所述次镜表面为双曲面，所述成像滤光片呈球面设计。
14.在一种可能的实现方式中，所述棱栅前表面为凹球面，后表面刻有光栅刻线。
15.在一种可能的实现方式中，所述棱栅后表面与所述棱栅光轴具有夹角，通过改变所述夹角的大小改变所述棱栅的散射方向，使得不同观测目标的光谱图像不重叠。
16.在一种可能的实现方式中，所述棱栅、成像滤光片、矫正透镜的材料为熔石英。
17.本公开的紫外巡天的光学成像系统，主镜用于接收入射平行光束，反射所述平行光束到次镜；次镜用于将所述平行光束反射到棱栅或成像滤光片；经所述棱栅散射或成像滤光片滤光后被所述棱栅或成像滤光片透射到所述矫正透镜；矫正透镜对所述平行光束相差进行矫正后，将所述平行光束成像到面阵探测器上；平行光束经棱栅色散后经矫正透镜矫正相差后成像到面阵探测器上得到观测目标的光谱图像；平行光束经成像滤光片滤光后经矫正透镜矫正相差后成像到面阵探测器上得到观测目标的观测图像。能够基于目标成像与光谱成像相结合的方式实现大视场紫外巡天观测，其体积小、精度高、光路简单。
附图说明
18.附图用来提供对本技术的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本技术实施例的附图与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
19.图1示出了根据本公开一实施例的紫外巡天的光学成像系统原理图；
20.图2示出了根据本公开另一实施例的紫外巡天的光学成像系统结构示意图；
21.图3示出了根据本公开一实施例的紫外巡天的光学成像系统的光谱色散关系示意图。
具体实施方式
22.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本技术实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
23.另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
24.图1示出了根据本公开一实施例的紫外巡天的光学成像系统原理图。该光学系统似卡塞格林望远系统，如图1所示，该远紫外光谱仪可以包括：主镜、次镜、棱栅、成像滤光片、矫正透镜、面阵探测器。
25.其中，主镜用于接收入射的不同视场的平行光束，反射平行光束到次镜；次镜用于将平行光束反射到棱栅3或成像滤光片；经棱栅散射或成像滤光片滤光后被棱栅或成像滤光片透射到矫正透镜；矫正透镜对平行光束相差进行矫正后，将平行光束成像到面阵探测器上。
26.平行光束经棱栅色散后经矫正透镜矫正相差后成像到面阵探测器上得到观测目标的光谱图像；平行光束经成像滤光片滤光后经矫正透镜矫正相差后成像到面阵探测器上得到观测目标的观测图像。
27.其中，棱栅和成像滤光片可以通过成像滤光片轮进行切换，使得光学系统的光路中为棱栅或成像滤光片，且棱栅和成像滤光片在光学系统的光路中处于同一位置，在棱栅和成像滤光片时，面阵探测器位置保持不变。当光学系统的光路中为棱栅时，入射平行光束经棱栅色散后经矫正透镜矫正相差后，在面阵探测器上的成像为观测目标的光谱图像；当光学系统的光路中为成像滤光片时，入射平行光束经成像滤光片滤光后经矫正透镜矫正相差后，在面阵探测器上的成像为观测目标的观测图像。
28.通过主镜接收入射平行光束，反射平行光束到次镜；次镜将平行光束反射到棱栅或成像滤光片；经棱栅散射或成像滤光片滤光后被棱栅或成像滤光片透射到矫正透镜；矫正透镜对平行光束相差进行矫正后，将平行光束成像到面阵探测器上；其中，平行光束经棱栅色散后经矫正透镜矫正相差后成像到面阵探测器上得到观测目标的光谱图像；平行光束经成像滤光片滤光后经矫正透镜矫正相差后成像到面阵探测器上得到观测目标的观测图像。能够基于目标成像与光谱成像相结合的方式实现大视场紫外巡天观测，其体积小、精度高、光路简单。
29.图2示出了根据本公开另一实施例的紫外巡天的光学成像系统结构示意图。该紫外巡天光学系统采用棱栅与成像滤光片结合反射式望远系统，能够实现大视场紫外巡天光谱成像与成像观测。
30.如图2所示，该光学系统包括主镜1、次镜2、棱栅3、成像滤光片4、矫正透镜5、面阵探测器6。不同视场的入射平行光束照射到主镜1上，主镜1将平行光束反射至次镜2)，在经过次镜2反射至棱栅3或成像滤光片4，再经过矫正透镜5成像至面阵探测器6，当光学系统光线经过棱栅3时，面阵探测器6为光谱图像，当光学系统光线经过成像滤光片4时面阵探测器(6)为目标图像。
31.在一种可能的实现方式中，如图2所示，主镜1表面为离轴抛物面，可以使不同视场的入射平行光束以一定的角度反射到次镜2上。次镜2表面可以为双曲面，可以将平行光束会聚到棱栅3上。这仅仅是一个示例，主镜1和次镜2的表面不作限定。主镜1可以设置1个，也可以设置多个，如图1所述的设置有2个主镜1，可以接收不同视场的平行光束，在此不作限定。
32.在一种可能的实现方式中，如图2所示，棱栅3前表面为凹球面，后表面刻有光栅刻线。光栅刻线密度根据面阵探测器6上的光谱像面尺寸及像面大小、探测器尺寸、光谱分辨率指标的要求决定。成像滤光片4呈球面设计，以降低面阵探测器6上的光谱像面的像差。
33.在一种可能的实现方式中，所述棱栅后表面与所述棱栅光轴具有夹角，通过改变所述夹角的大小改变所述棱栅的散射方向，使得不同观测目标的光谱图像不重叠。
34.其中，棱栅后表面与棱栅光轴具有夹角，能够保证在光路系统中两种成像条件下的面阵探测器(6)位置保持不变。
35.根据光栅方程：sinα sinβ＝k*m*λ，其中，α为光栅入射角，β为衍射角，k为光谱级次，m为光栅每毫米条纹数，λ为波长。由于本光学系统中经次镜2反射的平行光束，以平行于棱栅3的光轴方向照射到棱栅3上，所以对于本光学系统来说，α≈0，sinβ＝k*m*λ。
36.图3示出了根据本公开一实施例的紫外巡天的光学成像系统的光谱色散关系示意图。
37.如图3所示，对于棱栅成像光谱图像而言，棱栅的光栅理论分辨能力为r＝n*l*k，
其中，n为棱栅的衍射级次，l为棱栅宽度。
38.光谱图像在面阵探测器表面的成像位置距离面阵探测器的中心视场像距离x为：x＝d*tanβ。由于棱栅在某一固定方向上多个目标会产生光谱重叠，可以通过改变棱栅与其光轴之间的夹角，能够改变棱栅的散射方向，使得不同观测目标的光谱图像不重叠，经过矫正透镜对光束的相差矫正后，使得面阵探测器上的光谱成像与观测成像聚焦到面阵探测器表面上的同一位置处。
39.另外，整个光学系统都是反射元件，该棱栅、成像滤光片、矫正透镜，材料均为熔石英，可以适当选取较小的工作波段范围，并且整个光学系统的探测光谱段可以扩展到2500nm。
40.通过不同视场的平行光束入射到主镜后被反射到次镜；然后经棱栅散射或成像滤光片滤光后被棱栅或成像滤光片透射到矫正透镜；矫正透镜对平行光束相差进行矫正后成像到面阵探测器上。平行光束经棱栅色散后在面阵探测器上得到观测目标的光谱图像；平行光束经成像滤光片滤光后在面阵探测器上得到观测目标的观测图像。能够基于目标成像与光谱成像相结合的方式实现大视场紫外巡天观测，其体积小、精度高、光路简单。
41.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。