[发明专利]一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置

摘要

本发明提供一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，在不明显增加成本和系统复杂性的前提下，通过在光谱仪系统焦面的共轭位置引入波前探测器，与集成在望远镜系统中的自适应光学系统构成了一个双波前探测器的自适应光学系统。使太阳光栅光谱成像装置不仅具有校正动态波前像差的能力，同时具有校正整个光学系统静态像差的能力。这对于提高光谱成像装置的光谱成像质量具有重要意。

主权项

一种可校正系统像差的太阳光栅光谱成像装置，其特征在于，包括：望远镜(1)、第一准直器(2)、倾斜镜(3)、波前校正器(4)、第一二向色分光镜(5)、第一波前探测器(6)、波前控制器(7)、成像系统(8)、狭缝(9)、准直镜(10)、光栅(11)、第二二向色分光镜(12)、第二准直器(13)、第二波前探测器(14)、数据采集系统(15)和数据处理及控制计算机(16)；其中：望远镜(1)对太阳大气活动目标进行成像后，经第一准直器(2)准直为平行光后入射至倾斜镜(3)，用于实时校正大气湍流造成的波前整体倾斜；经倾斜镜(3)后光束反射至波前校正器(4)，用于实时校正高阶大气湍流像差引起的波前畸变；经波前校正器(4)反射后的光束又被第一二向色分光镜(5)分为反射光和透射光，并分别进入第一波前探测器(6)和狭缝(9)中；经过狭缝(9)后，光束被准直镜(10)准直为平行光并入射至光栅(11)；经光栅(11)色散分光后，目标波长又重新入射至准直镜(10)；被准直镜(10)会聚的光束被第二二向色分光镜(12)分为两束光；其中一束光入射到数据采集系统(15)用于光谱成像数据的采集，另一束光被第二准直器(13)准直为平行光并入射至波前第二波前探测器(14)，从而实现对波前像差进行探测；其中，第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)分别对望远镜(1)中不断变化的波前畸变和整个光学系统中的校正残余的波前像差进行实时探测，探测数据经数据处理及控制计算机(16)处理后，得到控制波前控制器(7)的驱动信号，分别用于控制倾斜镜(3)和波前校正器(4)对像差校正；校正后的光束又重新被第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)探测，探测到的波前数据又被传送至数据处理及控制计算机(16)进行处理，从而实现了实时对波前像差进行不断探测和校正；其中，数据处理及控制计算机(16)负责整个装置的协同工作；任意的一个随机波前像差均可用Zernike多项式表示，如下式所示：其中，0≤r≤1,θ为r与x轴形成的夹角，为孔径内波前，a_j为各阶模式系数，j为Zernike阶数，N为总的Zernike阶数；其中a_j表示如下：其中W(r,θ)为窗函数，如下式所示：$W(r,\mathrm{\θ})=\left\{\begin{array}{c}1/\mathrm{\π},\left|r\right|\≤1\\ 0,otherwise\end{array}\right.---\left(3\right)$设此时第一波前探测器(6)和第二波前探测器(14)探测到的波前像差分别为Φ1和Φ2，其被分解为各阶Zernike像差的组合，如下式所示：$\mathrm{\Φ}1=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{j1}\×Z_j---\left(4\right)$$\mathrm{\Φ}2=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{j2}\×Z_j---\left(5\right)$其中，Z_j表示第j阶Zernike多项式，a_j1和a_j2分别为Φ1和Φ2的各阶Zernike系数；设太阳光栅光谱成像装置的初始像差为Φ，则经过自适应光学校正后系统的残余波前像差如下式所示：Φ_res＝Φ‑Φ1‑Φ2         (6)校正后的波前像差又重新分别被第一波前探测器(6)和第一波前探测器(14)探测，探测数据又传送至数据处理及控制计算机(16)计算并产生相关的控制驱动信号并进行下一轮校正，如此反复，Φ_res将逐渐趋于零。