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基于FOSC型的宽波段高效率中低色散光谱仪设计(特邀)

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光子学报 2023年第5期52卷 70-81页

作者：季杭馨巴国鑫李军余浩然中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室南京210042 中国科学院大学北京100049

为实现各类暂现源及暗弱目标的宽波段、高效率光谱后随观测,以1.9 m光学望远镜为例,设计了一种基于Faint Object Spectrograph and Camera型的双通道中低色散光谱仪,可实现三种光谱分辨率(R=500、2000和5500),工作波段覆盖紫外-近红外(3... 详细信息

为实现各类暂现源及暗弱目标的宽波段、高效率光谱后随观测,以1.9 m光学望远镜为例,设计了一种基于Faint Object Spectrograph and Camera型的双通道中低色散光谱仪,可实现三种光谱分辨率(R=500、2000和5500),工作波段覆盖紫外-近红外(310~1000 nm)。根据光栅方程和光谱分辨率等各项指标,确定光谱仪的初始结构参数,针对光谱仪在全波段的高效率需求以及仪器随动的包络限制,确定光学系统采用双通道设计并近似对称分布:准直系统采用了不同于传统Faint Object Spectrograph and Camera型光谱仪的折反射式系统,在提高了系统效率的同时压缩了空间。色散系统根据直视棱栅的不同工艺,通过棱镜材料和角度的调整对工作波段的光栅效率进行优化并得到8种棱栅参数;红蓝通道相机系统在设计过程中优化选取光学材料,同时结合二次非球面和单透镜的主动调焦补偿,实现大动态温度范围(-30℃~20℃)全视场(φ16°)最大弥散斑半径均方根小于5μm的优良像质。该系统结构紧凑、分布对称,设计结果满足各项指标,光谱仪全波段峰值效率优于60%,最低效率优于20%,具有较高的可实现性。基于曲面芯片工艺,以红通道为例,简化的相机系统至少可提高整体光谱效率约4%,可以为未来光谱仪相机系统的设计提供参考。

关键词：棱栅天文光谱仪中低色散体位相全息光栅曲面探测器紫外

基于FOSC型的宽波段高效率中低色散光谱仪设计（特邀）

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光子学报 2023年第5期 80-91页

作者：季杭馨巴国鑫李军余浩然中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所中国科学院天文光学技术重点实验室中国科学院大学

为实现各类暂现源及暗弱目标的宽波段、高效率光谱后随观测，以1.9 m光学望远镜为例，设计了一种基于Faint Object Spectrograph and Camera型的双通道中低色散光谱仪，可实现三种光谱分辨率（R=500、2 000和5 500），工作波段覆盖紫外... 详细信息

为实现各类暂现源及暗弱目标的宽波段、高效率光谱后随观测，以1.9 m光学望远镜为例，设计了一种基于Faint Object Spectrograph and Camera型的双通道中低色散光谱仪，可实现三种光谱分辨率（R=500、2 000和5 500），工作波段覆盖紫外-近红外（310～1 000 nm）。根据光栅方程和光谱分辨率等各项指标，确定光谱仪的初始结构参数，针对光谱仪在全波段的高效率需求以及仪器随动的包络限制，确定光学系统采用双通道设计并近似对称分布：准直系统采用了不同于传统Faint Object Spectrograph and Camera型光谱仪的折反射式系统，在提高了系统效率的同时压缩了空间。色散系统根据直视棱栅的不同工艺，通过棱镜材料和角度的调整对工作波段的光栅效率进行优化并得到8种棱栅参数；红蓝通道相机系统在设计过程中优化选取光学材料，同时结合二次非球面和单透镜的主动调焦补偿，实现大动态温度范围（-30℃～20℃）全视场（φ16°）最大弥散斑半径均方根小于5μm的优良像质。该系统结构紧凑、分布对称，设计结果满足各项指标，光谱仪全波段峰值效率优于60%，最低效率优于20%，具有较高的可实现性。基于曲面芯片工艺，以红通道为例，简化的相机系统至少可提高整体光谱效率约4%，可以为未来光谱仪相机系统的设计提供参考。

关键词：棱栅天文光谱仪中低色散体位相全息光栅曲面探测器紫外

一种基于亚像素图像拼接的透明元件视觉测量方法

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激光与光电子学进展 2022年

作者：李世林戴松新胡中文季杭馨中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所天文光谱和高分辨成像技术研究室中国科学院大学天文与空间科学学院

针对透明光学元件特征不明显、机器视觉难以进行大视场、高精度尺寸测量的问题，提出一种基于亚像素图像拼接的视觉测量方案。该方案对相机坐标系与世界坐标系间的旋转角进行标定获得了精确的尺度因子与图像预匹配结果；图像坐标系旋转... 详细信息

针对透明光学元件特征不明显、机器视觉难以进行大视场、高精度尺寸测量的问题，提出一种基于亚像素图像拼接的视觉测量方案。该方案对相机坐标系与世界坐标系间的旋转角进行标定获得了精确的尺度因子与图像预匹配结果；图像坐标系旋转角校正后小于0.1°；通过添加网格背景实现透明元件特征匹配。提出基于滑动窗口预匹配、随机采样一致性筛选最佳偏移向量的配准算法，使图像拼接精度达到0.05pixel，精度较已有研究明显提升。该方案已应用于透明光学元件视觉检测系统中，在移动精度仅为0.02mm的条件下，获得了平均误差为0.12pixel的图像拼接结果，实现了透明光学元件的大视场、高精度尺寸测量。

关键词：视觉检测透明光学元件校正亚像素图像拼接随机采样一致性

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天文光谱仪非完整光斑导星定位算法研究

中国测试 2023年

作者：熊飞戴松新丁飞章华涛季杭馨中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京邮电大学通信与网络技术国家工程研究中心中国科学院大学

该文提出了一种用于Tip/tilt导星跟踪校正系统的非完整光斑导星定位算法，解决了常规导星定位算法无法满足天文光谱仪IMSP系统需求的问题。该算法结合图像预处理和目标星斑识别算法提取出包含目标光斑的感兴趣区域，基于峰值定位法选取... 详细信息

该文提出了一种用于Tip/tilt导星跟踪校正系统的非完整光斑导星定位算法，解决了常规导星定位算法无法满足天文光谱仪IMSP系统需求的问题。该算法结合图像预处理和目标星斑识别算法提取出包含目标光斑的感兴趣区域，基于峰值定位法选取非完整光斑中的一部分子图作为模板图，并利用归一化互相关法从完整光斑找出与模板图匹配度最高的子图，根据匹配度最高的子图与模板图的相对位置以及完整光斑导星定位坐标实现了非完整导星定位坐标的获取。实验结果表明，该算法的X轴方向绝对误差为0.29px，Y轴方向绝对误差为0.02px，平均处理时间为21.4ms，满足IMSP系统的时效、精度和稳定性要求。

关键词： Tip/tilt导星跟踪校正系统非完整光斑导星定位归一化互相关法目标星斑识别

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K镜光机结构优化设计与智能误差分配

光子学报 2022年第3期51卷 300-311页

作者：新其其格陈忆季杭馨王磊朱永田张凯章华涛中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042 中国科学院大学北京100049

以K镜消旋系统为例,针对光机结构中多误差源耦合和误差分配的问题,采用蒙特卡洛算法进行误差分解,并提出了类粒子群优化算法,对误差源进行智能误差分配,以指导工程化的加工公差分配和结构优化极限。首先,对一套悬臂式K镜消旋系统的光机... 详细信息

以K镜消旋系统为例,针对光机结构中多误差源耦合和误差分配的问题,采用蒙特卡洛算法进行误差分解,并提出了类粒子群优化算法,对误差源进行智能误差分配,以指导工程化的加工公差分配和结构优化极限。首先,对一套悬臂式K镜消旋系统的光机结构引起的消旋指向精度进行误差来源分析;然后,通过蒙特卡洛算法结合粒子群优化方法对误差源进行智能分配,指导K镜关键零部件的优化设计和公差分配;最后,分别利用光机耦合仿真分析法和实验装调法对设计的K镜消旋系统进行消旋指向精度分析。结果显示,仿真分析获得消旋指向精度为6.95″,实验装调最优消旋指向精度为14.24″,验证了光机结构设计方案及其误差分配方案的可行性。

关键词：误差分配光机结构消旋系统耦合分析蒙特卡洛类粒子群优化 K镜

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基于零级像的无缝光谱仪波长定标方法研究

中国测试 2023年

作者：巴国鑫季杭馨章华涛李顺侯永辉丁飞赵峥中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 中国科学院大学南京邮电大学通信与网络技术国家工程研究中心

无缝光谱仪结构简单且可靠性高，在空间天文低分辨率光谱观测中普遍应用，但它通常无光谱定标设备并面临光谱定标难的问题。依据空间无缝光谱仪零级像和光谱像同时存在的特点，可采用基于零级像的无缝光谱实现定标。首先根据无缝光谱仪... 详细信息

无缝光谱仪结构简单且可靠性高，在空间天文低分辨率光谱观测中普遍应用，但它通常无光谱定标设备并面临光谱定标难的问题。依据空间无缝光谱仪零级像和光谱像同时存在的特点，可采用基于零级像的无缝光谱实现定标。首先根据无缝光谱仪工作原理分析影响定标结果的各参数之间的关系；其次通过改进高斯拟合算法，拟合出更精确的光斑中心坐标；然后搭建无缝光谱仪仿真光路，将神经网络用于定标过程中的波长预测，并训练相关数据；最后测试并验证神经网络在波长预测中的准确性。经模拟该方法的波长预测结果误差小于1nm，定标精度好于其它传统方法，从而证明基于零级像的波长定标方法的可行性。

关键词：空间天文无缝光谱定标高斯拟合神经网络

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恒星干涉仪延迟线系统地面随机振动响应分析

振动与冲击 2017年第2期36卷 159-164页

作者：许明明季杭馨徐腾章华涛吴桢中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室南京210042

研究地面随机微振动对恒星干涉仪关键部件-光学延迟线系统性能的影响。利用美国蓝氏(Lansmont)集团生产的SAVER 3X型三轴振动仪实测地面随机振动信号,以输出的G加速度功率谱密度为激励,运用Workbench有限元分析软件计算该结构系统的随... 详细信息

研究地面随机微振动对恒星干涉仪关键部件-光学延迟线系统性能的影响。利用美国蓝氏(Lansmont)集团生产的SAVER 3X型三轴振动仪实测地面随机振动信号,以输出的G加速度功率谱密度为激励,运用Workbench有限元分析软件计算该结构系统的随机振动响应;根据抛物镜面节点数据拟合出抛物镜面的Zernike多项式系数、抛物镜刚体平移量和抛物镜面PV和RMS值;将Zernike多项式系数导入光学系统中分析光学延迟线系统光学性能;最后利用ELCOWAT 3000电子自准直仪测量抛物镜刚体平移量,分析实际测量结果和计算理论结果偏差。分析计算结果与实验数据最大偏差7.6%,计算抛物镜面形RMS值为9.6 nm,PV值为46.1 nm,波前差为0.043λ。目前的光学延迟线的地面振动满足光学延迟线系统的稳定性要求。使用动态光学性能标准分析判断微振动对系统光学性能的影响程度,为恒星干涉仪其他子系统优化设计和隔振补偿措施提供参考。

关键词：光学延迟线地面随机振动有限元分析 Zernike拟合光学性能

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基于亚像素图像拼接的透明元件视觉测量方法

激光与光电子学进展 2023年第6期60卷 271-277页

作者：李世林戴松新胡中文季杭馨中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所天文光谱和高分辨成像技术研究室江苏南京210042 中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049

针对透明光学元件特征不明显以及机器视觉难以进行大视场、高精度尺寸测量的问题,提出一种基于亚像素图像拼接的视觉测量方案.该方案对相机坐标系与世界坐标系间的旋转角进行标定,获得精确的尺度因子与图像预匹配结果;图像坐标系旋转角... 详细信息

针对透明光学元件特征不明显以及机器视觉难以进行大视场、高精度尺寸测量的问题,提出一种基于亚像素图像拼接的视觉测量方案.该方案对相机坐标系与世界坐标系间的旋转角进行标定,获得精确的尺度因子与图像预匹配结果;图像坐标系旋转角校正后小于0.1°;通过添加网格背景实现透明元件特征匹配.所提基于滑动窗口预匹配、随机采样一致性筛选最佳偏移向量的配准算法,使图像拼接精度达到0.05 pixel,较已有研究明显提升.将该方案应用于透明光学元件视觉检测系统中,在移动精度仅为0.02 mm的条件下,获得了平均误差为0.12 pixel的图像拼接结果,实现了透明光学元件的大视场、高精度尺寸测量.

关键词：机器视觉视觉检测透明光学元件校正亚像素图像拼接随机采样一致性

12米望远镜多目标光纤光谱仪和中色散光谱仪的概念设计

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12米望远镜多目标光纤光谱仪和中色散光谱仪的概念设计