像切割器技术积分视场三维光谱仪

2015-06-10张天一季杭馨侯永辉胡中文

应用光学 2015年4期

张天一，季杭馨，侯永辉，胡中文，王磊

(1.中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏南京 210042；2.中国科学院天文光学技术重点实验室，江苏南京 210042；3.中国科学院研究生院，北京 100049)

像切割器技术积分视场三维光谱仪

张天一1,2,3，季杭馨1,2,3，侯永辉1,2，胡中文1,2，王磊1,2

基于国内外积分视场技术的发展趋势，搭建了积分视场三维光谱技术实验平台，进行积分视场单元——像切分器的设计、加工以及性能检测方法与定标方法的研究。设计并制作完成了九切分单元像切割器，通过模拟望远镜输入端，进行了系统的性能分析，并进行了三维光谱数处理和定标。系统杂散光控制较好，总体光学效率高于40%。

积分视场单元；像切割器；光谱;分辨率

引言

目前国内使用的望远镜光谱仪，大多是通过狭缝色散原理产生单色像而形成光谱。而无论是TMT的3台出光仪器中的2个光谱仪IRIS和IRMS,还是JWST的NIRSPEC和MIRI都使用了积分视场三维光谱技术，即将观测目标在焦面上的成像连续切割成若干单元后，再依次进入光谱仪，便可以获得二维视场内的三维光谱信息。相对于以往的狭缝光谱仪，积分视场三维光谱技术可以将分辨率提高10倍以上，配合自适应光学技术或者空间观测，几个角秒尺度上的空间分辨率单元甚至可以达到百万个。目前 8 m～10 m级望远镜(如Gemini、VLT、HET、Keck、Magellan、LBT、Subaru、SALT、GTC)基本上都配置了三维光谱仪，不久的将来，积分视场三维光谱仪将成为光谱观测的主流设备。

三维光谱成像技术可以同时具有高分辨率和高空间覆盖率的特性。可以适用于红外光学系统，在天文学上的应用涉及很多领域，可观测的天体包括从高红移星系到太阳系的行星和月亮。

积分视场单元(IFU)光学系统不同于常规的光学系统，像切分器的引入，将像面分割引向不同的子光路组件，最后按照一定的要求又要将各不同子光路的像面重新拼接起来。像切分器切片的数量决定了子光路的数量也就是通道数量，从而决定了积分视场单元的规模和制作装配难度。

在过去20 年中三维光谱技术在国际上得到了迅猛发展，并相继研制出了多种不同类型的三维光谱成像技术仪器设备。部分2 m～4 m级中小望远镜在仪器升级改造中增加三维光谱仪器,GriF(CFHT)、TIGER(CFHT)、OASIS(CFHT)、SAURON(WHT)等，在8 m～10 m级望远镜甚至极大望远镜上配置这些设备已成为光谱成像技术发展的新趋势[1-7]。

基于国内外积分视场技术的发展趋势，本课题组进行了积分视场三维光谱仪相关技术的研究工作，本文主要介绍积分视场三维光谱技术研究平台，包括积分视场单元一套,展源星像模拟系统和简易光谱仪系统。解决了多单元(实际安装9个单元)微型光学系统的装调问题,对系统进行了定标测试, 并获得了基于像切割器积分视场单元三维光谱仪的高成像质量光谱,对数据进行了初级处理。

1 系统设计

该积分视场三维光谱仪的光学系统包括前端光学系统、积分视场单元光学系统和验证用光谱仪系统。图1为IFU与光谱仪集成示意图，从图中可以看到，IFU系统主要包括前端光学系统，像切割器，瞳镜和狭缝等部分组成。

前端系统配置照明系统、特殊设计的分划板和望远镜焦比模拟系统；积分视场单元采用高级像切割器方案，像切割器的每块切割片都是一个球面，每个切片之间为3°，以镜面中心为轴呈相邻螺旋形渐次变化；验证光谱仪采用棱栅光谱仪。

图2为前端光学系统与积分视场单元集成示意图。该系统期望后期装配在国内1 m～2 m级望远镜上进行试观测，因此该套试验系统按照入射焦比F/8设计。

表1给出像切分器IFU的基本参数(针对1 m望远镜规划)。采用9片式像切分器，积分市场单元设计波长范围为400 nm～780 nm，考虑到装置简化，该设计并没有考虑焦比变换和光路折返，因此像切割器在焦平面附近，尺寸很小。

图1 光谱仪集成光路原理图(a)和IFU光路(b)Fig.1 Optical layout of spectrograph integration (a) and image slicer IFU(b)

表1 像切分器数量和视场

2 IFU的结构设计

像切分器积分视场单元主要包括4个部分(像切割器、瞳镜阵、前端光学系统和虚缝)，而像切割器、瞳镜阵是其关键部件，由于像切割器和瞳镜阵各子镜位置和空间指向各不相同，并且要求精度极高，这无形中增加了机械结构设计的难度。表2给出了像切分器IFU关键部件的主要参数。图3给出了IFU机械结构的示意图。

图3 IFU结构示意图Fig.3 Layout of IFU

图4(a) 单个瞳镜的调节结构Fig. 4(a) Adjustment structure of one pupil mirror

像切割器镜阵是一个整体，加工胶合后其调节也相对容易实现，而瞳镜阵各子镜相对独立，需要同时进行俯仰，偏摆和离焦量的调节，而每个瞳镜尺寸很小(φ3.8 mm×3 mm)。考虑到实际应用，单个子镜俯仰方向的调节只能在实验中进行微调控制，如图4(a)所示。瞳镜阵的整体调节机构如图4(b)所示，调节精度小于5 μm。图5为像切分器镜阵实物图，图6为瞳镜阵实物图。

图4(b) 瞳镜的整体调节结构Fig.4(b) Photo of slicing mirror array

表2 像切分器IFU关键部件的主要参数

图5 像切分器镜阵实物图Fig.5 Whole adjusting structure of pupil mirrors

图6 瞳镜阵实物图Fig.6 Photo of pupil mirror array

3 杂散光控制

杂散光是影响光学系统成像质量的重要因素。杂散光是光学系统中非正常传输光的总称。一般的光学系统杂散光的来源有2大类：1)非成像光束的在像平面产生的亮背景，这主要是由于机械系统缝隙的漏光以及视场外光线没有进行有效的遮拦而到达探测器上形成的；2)光学系统因散射、衍射、寄生反射等产生的非定向杂散光，这部分杂散光主要包括投射光学表面的多次反射和镜筒内壁等非光学表面的多次反射，以及由于光学表面擦伤等光学表面质量问题产生的散射光。第一类非成像光束具有一定的方向性，可以在光学系统中合理设置光栏来消除非成像光束；第二类杂散光虽然强度较低，但其方向无规则，只有辅以设计合理的光栏，用于衰减杂散光，才能降低杂散光的影响。

我们通过显微镜可以发现每个像切割器边缘有一定的缺口，通过观察可以发现光斑边缘产生了杂散光，并且在狭缝位置处线状分布的光斑边缘有杂散光。

在不断的实验中，通过有效遮挡和狭缝的使用，已经能很好地控制杂散光，便于后续的图谱拍摄。

同时，本课题通过TracePro软件对像切分器进行了第二类杂散光分析。我们假设光在机械零件和光学元件表面的散射特性定义如下：

1)机械表面属性定义为增加光管内壁对杂散光的吸收能力，在光管内壁和光栏面都涂有吸收率为92%的吸收涂层，未被吸收的光线使用Lambertian散射模型来描述。

2) 光学元件表面属性定义为反射镜为100%反射，透射表面镀增透膜，使得各片透镜透过率为98%，未透射的光线使用Lambertian散射模型来描述。

3)光在光学元件表面的散射特性用双向散射分布函数BSDF(bidirectional scattering distribution function)进行描述。

通过TracePro建模，如图7所示，假设每条光线的能量为1，共追迹29 268条光线，视场范围108″×250″的F/8入射光线。其仿真结果如图8所示。

图7 积分市场单元杂散光仿真分析-建模Fig.7 Simulation of stray light of IFU

图8 视场28.8″×72″下的仿真结果Fig.8 Simulation results of field 28.8″×72″

仿真结论：

1)前端光学系统和胶合透镜产生的杂散光尤为明显。

2)前端光学系统尺寸与设计的不一致，实际尺寸只有φ3 mm,因此一部分光直接打在了前端光学系统的机械结构上，损失很严重。

3)其他都是由于在光路内多次反射、衍射，散射或者偏出视场外。

4)理论上最大视场只有28.8 ″ ×25.8 ″。其仿真结果如图9所示。

图9 视场矫正后的仿真结果Fig.9 Simulation results after correction

3 光学系统的总效率

光谱仪的光学系统采用棱栅作为色散元件，棱栅由Wasatch Photonics生产，65 mm×65 mm,650 l/mm@585 nm。CCD采用EOS 5D Mark II的图像感应器，其尺寸35.8 mm×23.9 mm，照相镜采用Canon EF 85 mm 镜头。由于光学系统不存在传统光谱仪的遮挡和损光，因此系统的总效率较高，图10给出了光学系统的总效率。

图10 光学系统的总效率Fig.10 Overall efficiency of optic system

4 IFU系统性能测试

IFU与光谱仪的集成是检测IFU性能的实验基础，图11为三维光谱仪系统的集成示意图，包括模拟的望远镜输入端(前景系统)、IFU和光谱仪组成。通过拍摄灯谱来进行系统的性能分析，并进行三维光谱数据处理和定标。用毛玻璃之后加分划板来模拟不同的观测目标,分2种情况来模拟观测目标进行图像采集。

1) 无分划板，即完整的激光光斑。

2) 有分划板且光通过分划板的中心或分划板边缘。

图11 三维光谱仪系统的集成示意图Fig.11 Integration diagram of 3-D spectrograph

图12为无分划板的三维光谱(三维平场灯谱)，图13为有分划板的三维光谱(模拟有精细结构的观测目标光谱)。图9显示第8条谱线不完整，第9条光谱没有成像，这是由于胶合透镜太小没有完全通过，被透镜支架遮挡引起。从三维光谱谱线可以看出，整套光学系统像质良好，具有非常好的分辨率，同时也能清晰地看到部分切割器边缘的毛边或局部缺陷。切割单元虽然厚度只有0.5 mm,总体加工质量良好，通过在狭缝处增加光阑可以适当抑制由此产生的杂散光。

图12 无分划板的平场灯谱线Fig.12 Flat lamp spectrum line without reticle

图13 有分划板的平场灯谱线Fig.13 Flat lamp spectrum line with reticle

积分视场三维光谱技术可以同时获得二维像面上的三维光谱信息。该方法通过切割焦面像并重新排列输入光谱仪，以获得更加丰富的三维空间信息。三维光谱的数据处理和二维光谱仪的数据处理不同，一方面由于积分视场单元的引入使得观测数据(三维立方体数据)的存储、重构及后期的数据处理比较复杂。另一方面每次观测它都会产生大量的观测数据。此外，必须考虑空间和波长的联合定标，同时需要考虑空间畸变和CCD的影响[8-12]。

5 总结

搭建了三维光谱技术研究平台,包括积分视场单元一套,展源星像模拟系统和简易光谱仪系统。实现了基于高级像切分器概念的积分视场单元,解决了多单元微型光学系统的装调问题和测试方法，为在国内建立像切割器积分视场光谱仪打下了良好的基础。

目前我们正着手对该积分视场三维光谱仪有针对性的进行升级改造、封装。将探测器更换成科学级的CCD(SBIG生产的 4 k×4 k、像元尺寸为9 μm的科学级CCD)，期望能在最近的时间内将其配置在国内1 m级的望远镜上进行科学试观测。

[1] Smith J Allington. Basic principles of integral field spectroscopy[J]. New Astronomy Reviews, 2006, 50(4/5):244-251.

[2] Weitzel LKA, Kroker H. 3D: The next generation near-infrared imaging spectrometer[J]. Astronomy & Astrophysics Supplement, 1996, 119(3):531-546.

[3] Content R, Content R. New design for integral field spectroscopy with 8-m telescopes[J]. SPIE, 1997, 2871:1295-1305.

[4] Dubbeldam M, Content R, Allington-Smith J R, et al. Integral field unit for the Gemini near-infrared spectrograph[J]. SPIE, 2000, 4008:1181-1192.

[5] Content R, Allington-Smith J R, Robertson D J, et al. ESA NGST integral field and multiobject spectrograph slicer system[J]. SPIE, 2000, 4013:851-860.

[6] Murphy T W, Soifer B T. A cryogenic integral field spectrograph for the palomar 200 inch telescope[J]. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1999, 111(763): 1176-1184.

[7] Tecza M, Eisenhauer F, Iserlohe C, et al. SPIFFI image slicer: high-precision optics at cryogenic temperatures[J]. SPIE, 2003, 4842: 375-383.

[8] Vives S, Prieto E, Salaun Y, et al. New technological developments in integral field spectroscopy[J]. SPIE, 2008,7018: 182-188.

[9] Dubbeldam C M, Robertson D J. Freeform diamond machining of complex monolithic metal optics for innovative astronomical applications[J]. SPIE, 2006, 6149:1490-1490.

[10]Allington Smith J R, Content R, Dubbeldam C M, et al. New techniques for integral field spectroscopy-I. Design, construction and testing of the GNIRS IFU[J]. Mon. Not. R. Astron. Soc., 2006，371(1): 380-394.

[11]Montilla I, Pécontal E, Devriendt J, et al. Integral field unit spectrograph for extremely large telescopes[J]. PASP, 2008(120): 634-643.

[12]Bershady M A. 3D spectroscopic instrumentation[M]. Laser Spectroscopy, 2009:112-165.

Integral field spectroscopy imaging technology

Zhang Tianyi1,2,3, Ji Hangxin1,2,3, Hou Yonghui1,2,Hu Zhongwen1,2, Wang Lei1,2

(1. National Astronomical Observatories / Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology, CAS, Nanjing 210042, China;2. Key Laboratory of Astronomical Optics & Technology, Nanjing Institute of Astronomica & Technology, CAS, Nanjing 210042, China; 3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Based on the development trend of integral field technique locally and internationally, the experimental platform for an integrated field 3-D spectral technique was set up. The design and manufacture for the slicing mirror of integrated field unit(IFU)was carried out. A performance testing method and a calibration method were studied. An IFU which divided the telescopic field of view into 9 sub-fields was designed, A performance analysis was conducted by simulating the input end of the telescope. Furthermore,the 3-D spectral data was processed and calibrated.Results show that the stray light can be controlled well and the overall optical efficiency is better than 40%.

integrated fileld unit; image slicer; spectrum; resolution

1002-2082(2015)04-0531-06

2014-12-10；

2015-05-12

国家自然科学基金资助项目(11473049，11103053)；江苏省自然科学基金资助项目(BK2011874)

张天一(1989-)，男，吉林长春人，硕士研究生，主要从事天文光学技术方面的研究工作。

E-mail：tyzhang@niaot.ac.cn

TN202；TH744.1

10.5768/JAO201536.0401007