三维成谱成像技术是在获取目标光谱信息的同时, 通过一系列手段同时获取目标二维图像信息的技术, 广泛应用于食品安全、 医学诊断、 航天及天文等领域^{[1, 2, 3, 4]}。 基于积分视场单元(integral field unit, IFU)的三维成谱成像技术可以通过单次采样获取目标的二维空间信息(x, y)和一维光谱信息(λ )。 IFU作为连接采集系统与光谱仪的关键部件, 起到像切分器、 光路重整以及进行光学信号传输的作用^{[5, 6]}, 其类型主要分为微透镜阵列型、 像切分器型和微透镜阵列加光纤型三种^[7], 本工作设计的IFU为微透镜阵列加光纤阵列型, 来自望远镜焦面的光经过IFU前置光学系统放大, 调整为合适的放大率后将望远镜接收的天体像成在IFU阵列端微透镜表面。 微透镜阵列将天体的像切割分离为多个单元, 每个子单元对应的望远镜光瞳的像被成在透镜后焦面的光纤纤芯上。 与阵列端一一对应的狭缝端光纤按照特定顺序线性排列将光信息导入光谱仪, 经光谱仪色散后同时完成对空间每个采样点的光谱采集。

IFU中单个光纤对应的天区视场大小决定了系统的空间分辨率大小, 光纤单元的数量决定了系统的空间采样数及总的观测视场, 光纤纤芯直径决定了光谱仪系统的狭缝宽度和光谱分辨率。 与其他几种结构的IFU相比, 利用光纤的抗干扰性强、 体积小、 重量轻等特点, 光纤IFU具有依环境需要铺设、 易于装配、 远距低损耗传输等优点。

2011年, 中国科学院云南天文台的太阳光纤阵列太阳光学望远镜(FASOT)研究组提出了下一代新型太阳望远镜: 光纤阵列太阳光学望远镜项目^[8], 该系统拟采用偏振开关和具有一对64× 63光纤单元的IFU, 在二维视场上实现对太阳实时、 高效的斯托克斯光谱测量。 FASOT项目第一代原理样机(FASOT-1A)于2013年完成装机调试, 该样机使用300 mm, F/6的MK望远镜和订购自英国杜伦大学的一对5× 5光纤IFU^[9]。

2019年, Kazuya Matsubayashi等在日本冈山天体物理天文台的188 cm望远镜系统安装了KOOLS-IFU, 该IFU具有127个光纤单元, 视场填充率仅58%; 为解决该问题, 在光纤前端加装了微透镜, 减少了填充因子低引起的能量损失^[10]。 Sabyasachi等在2020年对微透镜光纤耦合积分场单元中的光纤定位进行了系统性研究并提出了一种光纤定位策略和制作方式, 认为多单元微透镜与光纤耦合IFU的对准精度需保证在光纤直径的1%以内^[11]。 2017年上海天文台与美国德克萨斯大学奥斯汀分校合作, 引进了中国第一台用于夜天文观测的积分视场光纤光谱仪^[12]。

基于FASOT-1B升级型原理样机更高空间分辨率和更大观测视场的需要, 同时为补足国内自主研制IFU的技术及理论短板, 设计并研制了具有一对11× 11光纤单元的IFU, 并将其成功调试安装在FASOT-1B系统上, 目前在丽江观测站应用于对太阳光谱的常规观测。

FASOT-1B IFU整体结构分为阵列端、 赝狭缝端及连接光缆三部分, 其传输模型如图1所示, 技术指标见表1。 来自FASOT-1B系统焦面的光经过偏振分束棱镜分成偏振垂直的两种不同偏振态, 望远镜焦面后放大系统将焦比F/8放大到F/103成像在微透镜阵列表面进行图像分割。 每个微透镜对应视场1.5″, 将天体的像分别耦合进各自对应的光纤。 经过光缆传输, 太阳像对应的二维阵列在狭缝端被转换为一维线性排列后进入光谱仪, 获得每根光纤(空间点)的光谱, 再进行图像重构, 从而实现单次曝光同时获取二维图像和一维光谱信息的目的。

图1

Fig.1

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	图1 FASOT-1B IFU系统传输模型Fig.1 Transmission model of FASOT-1B IFU

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 FASOT-1B IFU 技术指标 Table 1 The technical index of FASOT-1B IFU 单元数量 11× 11× 2 视场尺寸 16.5× 16.5 arcsec2 光谱分辨率 3.3× 104 @518 nm 波长范围 400~900 nm 传输效率 > 75% @400~900 nm 出射焦比EE90 慢于F/5 光纤排列精度 (130± 5.0) μ m

表1 FASOT-1B IFU 技术指标 Table 1 The technical index of FASOT-1B IFU

FASOT-1B系统要实现高精度斯托克斯光谱测量, 所以为其制作的IFU设置了两个阵列端, 分别对应望远镜系统出射的两束偏振光, 每个阵列端有11× 11根光纤, 对应视场16.5″× 16.5″ arcsec²。 阵列端接收的光经光纤传输后在赝狭缝端按特定顺序排成一列耦合进光谱仪。 阵列端与赝狭缝端光纤对应关系见图2, 该设计可以使来自两阵列端对应相同天区的光纤具有相同的路径及工作状态, 方便后期运用简化偏振光学开关来获得高精度斯托克斯光谱数据。

图2

Fig.2

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	图2 IFU光纤位置对应关系 (a): 阵列端光纤位置; (b): 赝狭缝端光纤位置Fig.2 Optical fiber correspondence of the IFU (a): Fiber position at the fiber array end; (b): Fiber position at the fiber slit end

该IFU所使用微透镜阵列中的微透镜为正六边形球面透镜, 实用阵列数11× 11, 相邻微透镜中心间距300 μ m。 基于FASOT-1B系统的工作波段: 400~900 nm, 优先考虑第一波段中心波长518 nm, 该波段下微透镜等效焦距2.527 mm, 见表2。 用于FASOT-1B系统的IFU要求输出焦比数大于F/5, 由于光纤自身的焦比退化特性, 对用于FASOT-1B的样品光纤检测结果显示以焦比F/8入射时, 光纤出射焦比均值为F/6。 此外, 微透镜焦比数值越大, 光纤端面上所呈的像斑越大, 不利于光纤与微透镜的对准, 详见第3节。 最终加工得到的微透镜参数为输出焦比F_ml/8.2, 中心厚度3.660 mm, 透镜后焦面距离0.015 mm(图3)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 微透镜参数@518 nm Table 2 Parameters of microlens at 518 nm 波长/nm 曲率半径/mm 等效焦距/mm 后焦面位置/mm 518 1.155 2.527 0.015

表2 微透镜参数@518 nm Table 2 Parameters of microlens at 518 nm

图3

Fig.3

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	图3 微透镜规格示意图Fig.3 Schematic diagram of microlens specifications

FASOT-1B IFU使用了阶跃折射率多模光纤, 数值孔径0.12。 光纤的几何参数包括: 纤芯、 包层和涂覆层直径, 需要根据FASOT-1B前置光学系统、 微透镜、 和光谱仪参数等整个系统进行优化设计。 光纤的纤芯直径是其中最为重要的参数, 为了保证IFU的通光效率, 纤芯直径应大于微透镜会聚的光斑尺寸, 且越大越有利于接收光斑。

FASOT-1B前置光路为像方远心光路, 其输出焦比F_f/103。 远心光路的像最终成在微透镜阵列表面, 经切分后, 望远镜光瞳的像被成在位于微透镜后焦面的光纤纤芯上(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 微透镜接收望远镜像示意图[12]Fig.4 Schematic diagram of a microlens array receiving the image of a telescope

在微透镜后焦面上的望远镜瞳像直径D_p

Dp=fmlFf(1)

式(1)中, f_ml为微透镜的等效焦距, F_f为前置光路出射焦比。

可得望远镜瞳像直径D_p=24.5 μ m。 则设计的光纤纤芯直径需大于瞳像直径24.5 μ m。

但另一方面, 光纤纤芯直径越大, 所需的光谱仪狭缝宽度越宽, 光谱仪成本越高。 将光纤光斑经光谱仪系统准直镜和成像透镜后的像斑大小记为D'_core

D'core=-cosαcosβf2f1Dcore(2)

式(2)中, α 为光进入光栅的入射角, β 为经过光栅后的衍射角, f₁为光谱仪准直镜焦距, f₂为成像透镜焦距。

则D'_core对应的波长范围,

ΔλD=D'coreΔλΔθf2=-cosαDcoref1am(3)

式(3)中, a为光栅常数, m为光谱级次。

由分辨率λ /Δ λ , 结合式(3)可知, 在系统入射角、 准直镜焦距和光栅常数不变的情况下, 参考所使用的普林斯顿SP2750光谱仪参数, 为达到518 nm波段33 000的光谱分辨率, 光纤的纤芯D_core≤ 35 μ m, 见图5。

图5

Fig.5

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	图5 谱仪成像光路图Fig.5 Imaging optical path diagram of a spectrometer

为保证光纤能接收到所有来自望远镜系统的光, 纤芯最小直径D_mincore为

Dmincore=Dp+2rairy(4)

式(4)中, r_airy为由于微透镜形成的艾里斑半径。

艾里斑半径计算公式为

rairy=1.22×λ×Fml/#(5)

式(5)中, F_ml/#为微透镜输出焦比。 在518 nm波长下, r_airy=5 μ m。 则光纤纤直径D_core≥ D_mincore=34.5 μ m。 综合光谱仪和望远镜两端的要求, 选定光纤纤芯直径35 μ m。

一定厚度的光纤包层可以保证光纤具有良好的传输特性和一定的机械强度, 同时光纤的涂覆层能增加一定的韧性和牢固程啡。 包层和涂覆层越厚, 光纤相邻状态下纤芯间的最小间距就越大, 所需光谱仪狭缝宽度越宽。

IFU光纤总数242根, 光谱仪使用的CCD像元13.5 μ m, 35 μ m纤芯约占3个像元。 光谱仪系统1∶ 1成像, 为避免狭缝端相邻光纤的像发生混叠, 则相邻光纤的间距应保证CCD上两相邻纤芯像之间存在暗区(图6), 即相邻光纤间距需大于54 μ m(4个像元)。 为保证光纤具有一定强度的机械性能, 降低弯曲损耗, 最终确定的光纤直径规格: 纤芯直径35 μ m, 包层直径105 μ m以及涂覆层直径125 μ m。 考虑实际工程误差及制作成本, 将赝狭缝端光纤间距定为130 μ m, 此时光谱仪所使用的CCD横向需包含2 331(130 μ m× 242/13.5 μ m)个可用像元。

图6

Fig.6

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	图6 光纤纤芯成像在CCD上示意图Fig.6 Schematic diagram of fiber image on the CCD

此外, 微透镜与光纤的对准过程中需考虑由各种因素带来的实际工程误差, 要考虑35 μ m的纤芯接收能量时由各种误差带来的效率降低。 结合实际产品特性分析, 这些误差主要分5种: 光纤纤芯直径公差± 1 μ m、 微孔的位置公差± 2 μ m、 微孔板微孔直径公差± 2 μ m、 微透镜的光轴位置偏差± 1 μ m以及微透镜与光纤的对准偏差± 2 μ m, 则该工程误差可控制在8 μ m以内。

对不同偏移量下光纤接收光斑的能量占比进行了计算。 结果见图7, 35 μ m纤芯由工程误差带来的偏差, 最大会导致光纤接收效率降低16%。 相比于增大光纤纤芯, 降低光谱分辨率, 用于太阳光谱观测的FASOT-1B系统光子能量足够, 因此选择损失少量的传输效率以保证得到所需的光谱分辨率。

图7

Fig.7

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	图7 不同偏移量下35 μ m纤芯接收光斑能量占比Fig.7 The proportion of spot energy received by the 35 μ m core with different offsets

阵列端制作是将光纤插入微孔板中实现定位, 整体抛光后再与微透镜进行对准粘接。 实际上微孔直径需要比光纤外径稍大, 这样会导致光纤的定位精度不仅包括平面上的位置偏移, 光纤在孔中的倾角同样不能忽视, 图8。 对微孔深度、 孔径与光纤直径的关系进行了分析。

图8

Fig.8

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	图8 光纤在微孔中的状态示意图Fig.8 State sketch of fibers in microholes

前端微透镜提供的入射焦比为F_m/8.2, 由于光纤直径与微孔直径的差异引入了倾角θ , 则实际入射焦比

F=12tan(α+θ)(6)

则

F=12tanarctan12Fm+arctanDmLm+DfDm2+Lm2-Df2Lm2-Df2(7)

为保证所使用微孔的光纤通过率, 设计微孔直径D_m为130 μ m, 光纤直径D_f为125 μ m, 由式(7), 微孔中光纤倾斜带来的实际入射焦比变化与孔深的关系见图9。 由于微孔越深, 微孔板整体加工成本越高, 成品率越低, 选定微孔板阵列孔深3 mm, 此时光纤实际入射焦比最快F/7.98。 此外, 为保证光纤与微孔板的热膨胀系数一致性, 选用融石英作为微孔板的基材。

图9

Fig.9

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	图9 光纤入射焦比随微孔深度变化关系Fig.9 The relationship between the fiber incident focal ratio and the depth of the microholes

为实现IFU阵列端制作中对光纤插孔的精确定位和低应力固定, 搭建了阵列端和赝狭缝端光纤嵌入平台, 并使用显微成像系统实时观察微孔和光纤的相对位置。 利用光纤夹具固定光纤后按顺序将光纤嵌入微孔[图10(a)]。 光纤全部插孔完毕后, 使用环氧树脂胶将石英微孔板与光纤固化, 待端面抛光完毕后与微透镜对准粘合^[13], 完成阵列端制作。

赝狭缝端光纤排布时先将光纤按方案设计的顺序排布在光纤定位操作平台上, 然后通过梳理将光纤压入石英V型槽, 整个操作过程在显微成像系统监测下进行以确保光纤不脱离V槽或发生光纤交叠。 确认排列无误后使用环氧树脂胶对光纤、 石英V型槽和盖板进行固化[图10(b)]。 阵列端与赝狭缝端之间的传输光纤长5 m。

图10

Fig.10

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	图10 IFU光纤固定方法 (a): 阵列端光纤固定示意图; (b): V型槽固定方法示意图Fig.10 Fiber fixation method of IFU (a): Sketch of fiber fixing at the array end; (b): Sketch of fixing method with V-groove

IFU性能见表3, 目前已成功安装在FASOT-1B系统(图11)。 2019年4月, FASOT研究组在验证性观测中, 通过FASOT-1B系统成功获取太阳NOAA12738活动区MgI色球偏振数据。 图12为FASOT-1B获得的第一幅光谱图, 受限于验证性观测中使用的光谱仪狭缝长度的限制, 仅重构了176(8× 11)根光纤的光谱图像。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 IFU整体性能 Table 3 The overall performance of IFU 类别 A端 B端 坏点 0 出射焦比 7.32 7.23 效率 均值77.7%, 波动量RMS1.6% 光纤排列精度 横向2.7 μ m 横向1.2 μ m 偏移量RMS 纵向1.8 μ m 纵向1.1 μ m

表3 IFU整体性能 Table 3 The overall performance of IFU

图11

Fig.11

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	图11 FASOT-1B 系统Fig.11 The system of FASOT-1B

图12

Fig.12

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图12 FASOT-1B获得的第一幅光谱图 (a): 原始调制光谱; (b): 偏振解调出的Stokes二维光谱; (c): 太阳NOAA 12738活动区黑子的部分区域斯托克斯成谱成像Fig.12 The first spectrum of FASOT-1B (a): Original modulation spectrum; (b): Stokes two-dimensional spectrum by polarization demodulation; (c): Stokes spectral imaging of partial regions of sunspots in the solar NOAA 12738 active area

主要介绍了为光纤阵列太阳光学望远镜1B系统制作的一对11× 11 IFU的设计思路及最终成果。 结合FASOT-1B系统的结构和需求, 光纤的焦比退化特性和系统各参数之间的制约关系, 提供了可行的分析方法, 设计了满足系统需求的微透镜和光纤参数。 对微孔深度与光纤接收焦比的关系建立了分析模型, 设计了满足光纤通过且小焦比退化的阵列微孔板。 FASOT-1B系统在验证性观测中成功获取了太阳NOAA12738活动区MgI色球偏振数据, 并完成了数据重构。 该IFU的设计和完成, 为IFU系统的后续研究提供了可行的设计方案和相关理论支撑, 填补了国内IFU部分技术领域的研究空白, 对后续FASOT系统所需64× 63× 2大型积分视场单元的设计和制作有重要的指导意义。