[发明专利]一种超灵敏光谱成像天文望远镜及天文光谱成像方法

权利要求书

1.一种超灵敏光谱成像天文望远镜，其特征在于，包括光学单元(I)和电学单元(II)；其中，所述光学单元(I)包括天文望远镜镜头(1)、空间光调制器(2)、准直部件(3)、光谱分光部件(4)、光谱会聚部件(5)；所述电学单元(II)包括单光子线阵探测器(6)、计数器(7)、随机数发生器(8)、控制模块(9)、数据包存储器(10)以及压缩感知模块(11)；所述准直部件(3)包括收集透镜(3_1)、光阑(3_2)、准直透镜(3_3)；

从天体传播而来的单光子水平的光信号由所述天文望远镜镜头(1)收集，并成像到所述空间光调制器(2)上；所述空间光调制器(2)对成像在其表面的天文图像进行随机调制，以随机概率将图像上不同位置的光反射到所述准直部件(3)方向；；所述空间光调制器(2)随机反射的光首先由所述收集透镜(3_1)会聚到所述光阑(3_2)，限制光斑尺寸，形成近似点光源，然后经过所述准直透镜(3_3)准直形成平行光，照射在所述光谱分光部件(4)上；所述光谱分光部件(4)将不同波长的光向不同方向出射；经过所述光谱会聚部件(5)后不同波长的光会聚到所述光谱会聚部件(5)焦平面上不同位置，由所述电学单元(II)中单光子线阵探测器(6)的不同像素点探测；

所述随机数发生器8产生随机数用于控制所述空间光调制器(2)，所述空间光调制器(2)根据该随机数实现对光信号的随机调制；所述单光子线阵探测器(6)探测待测极弱光中的单光子，将采集到的单光子信号转换成脉冲形式的电信号后输出；所述计数器(7)记录所述单光子线阵探测器(6)上每个像素发出的代表单光子数目的电脉冲个数；所述控制模块(9)对整个超灵敏天文望远镜进行控制协调，包括对各部件的工作控制和同步脉冲触发信号发射，确保所述计数器(7)和所述空间光调制器(2)同步工作；所述计数器(7)所记录的每个像素的单光子数目和所述随机数发生器8生成的随机矩阵全部存入所述数据包存储器(10)中；所述压缩感知模块(11)利用所述数据包存储器10中的各个像素的单光子数目以及对应的随机矩阵，并选取稀疏基对不同波长的天文图像进行重建，得到极弱光水平的天文光谱图像。

2.根据权利要求1所述的超灵敏光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述随机数发生器(8)用于生成二值伯努利分布的散斑或二值非均匀分布的散斑，二值由0和1组成；当生成二值伯努利分布的散斑时，需使第一帧的散斑全1，而伯努利分布由Walsh或Hadamard或noiselet变换获得；当生成二值非均匀分布的散斑时，每帧散斑中1的个数需远小于0的个数，且1在每帧散斑的空间分布上是随机的。

3.根据权利要求1所述的超灵敏光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述天文望远镜镜头(1)采用下列任意一种天文望远镜类型的镜头：反射式天文望远镜，包括牛顿式、卡塞格林式、格里式；折射式天文望远镜，包括伽利略望远镜、开普勒望远镜；折反射式天文望远镜，包括施密特-卡塞格林式、马克苏托夫-卡塞格林式；多镜面望远镜；双筒望远镜；也包括应用于卫星、空间站之上的空间天文望远镜。

4.根据权利要求1所述的超灵敏光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述空间光调制器(2)采用数字微镜器件实现。

5.根据权利要求1所述的超灵敏光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述准直部件(3)中的收集透镜(3_1)、准直透镜(3_3)通过透镜或凹面镜实现；所述光阑(3_2)通过狭缝或小孔实现。

6.根据权利要求1所述的超灵敏光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述光谱分光部件(4)包括色散分光部件，所述色散分光部件采用包括光栅、棱镜在内的具有分光能力的器件实现。

7.根据权利要求6所述的超灵敏光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述光谱分光部件(4)还包括预滤光部件，所述预滤光部件由滤光片实现。

8.根据权利要求1所述的超灵敏光谱成像天文望远镜，其特征在于，所述光谱会聚部件(5)由透镜或凹面镜实现；所述光谱会聚部件(5)将不同波长的光按波长从小到大依次透射到所述单光子线阵探测器(6)的不同像素上。