光纖式IFU檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化功能的設(shè)計(jì)

王亮喆，王咸奇，鐘 悅，常 亮,4*

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650216；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 艾伯哈特-卡爾斯-圖賓根大學(xué)，圖賓根 72076；4. 云南省應(yīng)用天文技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650216)

積分視場(chǎng)光譜儀(Integral Field Spectroscopy, IFS)可以同時(shí)獲取面源天體的空間和光譜信息，因而廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)，并且已經(jīng)成為國際上大中型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡配備的常規(guī)觀測(cè)設(shè)備[1]。積分視場(chǎng)單元是積分視場(chǎng)光譜儀的核心部件，主要功能是對(duì)面源進(jìn)行視場(chǎng)切割。光纖陣列切割是積分視場(chǎng)單元中最主要且應(yīng)用最廣泛的視場(chǎng)切割方式。根據(jù)科學(xué)目標(biāo)的不同，積分視場(chǎng)光譜儀所要求的空間分辨率和光譜分辨率也不同，因此對(duì)于積分視場(chǎng)單元的工藝及性能要求也不同。對(duì)于光纖式積分視場(chǎng)單元，光纖陣列排布精度影響面源天體的視場(chǎng)切割精度；微透鏡陣列與光纖陣列的共軸精度影響光纖出射光斑質(zhì)量和光纖透過率；贗狹縫端光纖排布精度影響積分視場(chǎng)單元譜線位置及光譜覆蓋范圍；贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度影響譜線寬度；每根光纖的透過率直接影響面源天體各空間位置的光度，測(cè)量每根光纖透過率有利于獲得準(zhǔn)確的光度信息；焦比退化影響光譜分辨率和譜線寬度。因此通過實(shí)驗(yàn)手段客觀評(píng)價(jià)光纖陣列排布精度以及陣列中每根光纖的性能是積分視場(chǎng)光譜儀研制過程的重要環(huán)節(jié)。

目前光纖式積分視場(chǎng)單元的檢測(cè)方法主要有兩種：(1)對(duì)積分視場(chǎng)單元進(jìn)行逐根光纖檢測(cè)，缺點(diǎn)是花費(fèi)時(shí)間長；(2)對(duì)積分視場(chǎng)單元進(jìn)行光纖抽樣檢測(cè)，這種方法雖然可以減少檢測(cè)時(shí)間，但是不能檢測(cè)所有光纖的性能指標(biāo)，對(duì)后續(xù)光譜數(shù)據(jù)處理帶來一定影響。文[2]對(duì)波茲坦多孔光譜光度測(cè)量?jī)x(Potsdam Multi-Aperture Spectrophotometer, PMAS)的32 × 32光纖式積分視場(chǎng)單元進(jìn)行了光纖焦比退化檢測(cè)，利用激光器作為光源，在測(cè)試光路中利用CCD通過離焦方式進(jìn)行光纖逐根檢測(cè)，不具備排布精度和透過率等相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)功能。文[3]研究了基于光學(xué)可復(fù)制積分視場(chǎng)光譜儀(Visible Integral Field Replicable Unit Spectrographs, VIRUS)/霍比埃伯利望遠(yuǎn)鏡暗能量實(shí)驗(yàn)(Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment, HETEDEX)項(xiàng)目的自動(dòng)化/半自動(dòng)化積分視場(chǎng)單元試驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)光纖焦比退化和光纖透過率進(jìn)行檢測(cè)，利用4 × 4的光纖陣列進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)原理驗(yàn)證。自動(dòng)化/半自動(dòng)化方法采用高精度位移平臺(tái)及檢測(cè)光路逐根檢測(cè)所有光纖的焦比退化及透過率，檢測(cè)過程中需要手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)光纖。文[4]對(duì)VIRUS-P光纖式積分視場(chǎng)單元的透過率和焦比退化進(jìn)行了檢測(cè)，利用白光光源通過檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)光纖透過率，分別利用600 nm，400 nm和365 nm的單色光源對(duì)光纖焦比退化進(jìn)行逐根檢測(cè)，不同單色光焦比退化測(cè)量結(jié)果差異僅為F/0.02，證明可以用白光進(jìn)行焦比退化檢測(cè)。文[5]研究檢測(cè)了威廉赫歇爾望遠(yuǎn)鏡(William Herschel Telescope, WHT)大視場(chǎng)速度探測(cè)器(WHT Enhanced Area Velocity Explorer, WEAVE)的光纖式積分視場(chǎng)單元以及多目標(biāo)光譜儀(Multi-Object Spectrograph, MOS)中光纖的焦比退化，利用自動(dòng)化軟件控制光源以及小型相機(jī)移動(dòng)來逐根檢測(cè)光纖出射焦比退化，并利用白光和贗狹縫端光纖出射焦比計(jì)算贗狹縫端光纖沿光軸方向的位置精度，位置精度取決于光纖焦比退化的檢測(cè)精度。云南天文臺(tái)麗江天文觀測(cè)站2.4 m望遠(yuǎn)鏡的中國麗江積分視場(chǎng)光譜儀(China Lijiang IFU, CHiLI)由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研制，出廠時(shí)并未提供積分視場(chǎng)單元的檢測(cè)報(bào)告，而是利用實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了積分視場(chǎng)光譜儀的性能[6-7]。云南天文臺(tái)光纖陣列太陽望遠(yuǎn)鏡(Fiber Array Solar Telescope, FASOT)項(xiàng)目第1臺(tái)原理樣機(jī)由云南天文臺(tái)與英國杜倫大學(xué)共同研制，其中英國杜倫大學(xué)Jeremy Allington-Smith等人為該系統(tǒng)研制了積分視場(chǎng)單元，樣機(jī)于2013年11月在非洲加蓬共和國觀測(cè)日全食，獲得了日冕綠線的閃耀偏振光譜[8]。2012年樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)光纖陣列偏振態(tài)的共空間調(diào)節(jié)，云南天文臺(tái)設(shè)計(jì)了一臺(tái)裝調(diào)監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)是云南天文臺(tái)光纖陣列檢測(cè)系統(tǒng)的雛形。為了實(shí)現(xiàn)積分視場(chǎng)光譜儀的國產(chǎn)化，云南天文臺(tái)先后聯(lián)系了哈爾濱工程大學(xué)、北京星源奧特科技有限公司和上海昊量光電設(shè)備有限公司加工光纖式積分視場(chǎng)單元，這3家單位在研制積分視場(chǎng)單元的過程中沒有檢測(cè)手段，不能在加工過程中和研制完成后檢驗(yàn)積分視場(chǎng)單元的相關(guān)性能。為此，從2013開始，云南天文臺(tái)設(shè)計(jì)研制用于光纖陣列積分視場(chǎng)單元性能檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)積分視場(chǎng)單元進(jìn)行性能檢測(cè)。通過檢測(cè)提高加工工藝，三家單位制作了幾套滿足觀測(cè)要求的光纖式積分視場(chǎng)單元，用于多臺(tái)FASOT原理樣機(jī)的科學(xué)觀測(cè)。到2016年，云南天文臺(tái)的檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)光纖陣列排布精度、贗狹縫端光纖排布精度、微透鏡陣列與光纖陣列共軸精度、光纖焦比退化和光纖透過率等參數(shù)，但是并沒有考慮贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度的檢測(cè)，且光路比較復(fù)雜，成像檢測(cè)和激光檢測(cè)采用兩套不同的光學(xué)系統(tǒng)[9]。基于云南天文臺(tái)的檢測(cè)方法，2019年哈爾濱工程大學(xué)重新設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)[10]。同年，云南天文臺(tái)改進(jìn)了檢測(cè)裝置光路，把成像檢測(cè)和激光檢測(cè)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，但是檢測(cè)過程與數(shù)據(jù)處理過程完全分離，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[1,11]。

本文對(duì)文[12]設(shè)計(jì)的云南天文臺(tái)光纖式積分視場(chǎng)單元集成化檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可視化和自動(dòng)化檢測(cè)功能，并改進(jìn)了光纖透過率檢測(cè)方法，增加了贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度的檢測(cè)功能，將原來需要數(shù)周的檢測(cè)時(shí)間縮短至一天內(nèi)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 光纖式積分視場(chǎng)單元集成化檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

光纖式積分視場(chǎng)單元集成化檢測(cè)系統(tǒng)主要由光源、平行光管、分束器、成像系統(tǒng)和CCD等5部分組成，實(shí)物如圖1。圖中M1和M2為平面反射鏡，B1和B2為遮光板，BS為分束器，M2，B1，B2和待測(cè)光纖陣列端及待測(cè)光纖贗狹縫端安裝在高精度電動(dòng)位移平臺(tái)上。系統(tǒng)光源采用鹵素?zé)艏臃e分球的形式，并用穩(wěn)壓電源保證光源輻射強(qiáng)度的穩(wěn)定性。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，針對(duì)無微透鏡陣列耦合的50 μm芯徑光纖(光纖中心間距125 μm)，在CCD上成像大于等于5個(gè)像素。根據(jù)探測(cè)器參數(shù)(采用Pike F-505B CCD作為探測(cè)器，像素尺寸為3.45 μm × 3.45 μm，靶面大小為2 452 × 2 054)進(jìn)行設(shè)計(jì)，成像系統(tǒng)主要參數(shù)如表1。該系統(tǒng)可一次性檢測(cè)160 × 160光纖陣列端排布精度，160根光纖贗狹縫端排布精度以及光纖性能的基本參數(shù)。

圖1 光纖式積分視場(chǎng)單元集成化檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化控制需要根據(jù)檢測(cè)流程及檢測(cè)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。檢測(cè)步驟：(1)將B1和B2移進(jìn)光路拍攝系統(tǒng)背景光場(chǎng)，移出B1拍攝贗狹縫端背景光場(chǎng)，移入B1移出B2拍攝陣列端背景光場(chǎng)；(2)移出B1和B2，在CCD上同時(shí)獲得光纖陣列端和贗狹縫端圖像，這時(shí)需要扣除背景，保存扣除背景后的圖像；(3)將M2移入光路，拍攝含有贗狹縫端背景光場(chǎng)的入射光場(chǎng)，并扣除贗狹縫端背景光場(chǎng)，得到入射光纖陣列之前的光強(qiáng)分布；(4)移出M2，控制贗狹縫端使其沿光軸方向移動(dòng)，拍攝多幅不同離焦位置圖像(焦面前后離焦)，由于贗狹縫端的移動(dòng)造成背景光場(chǎng)變化，因此每拍攝一幅離焦像后需要再次移入B2，拍攝此時(shí)的贗狹縫端背景光場(chǎng)并扣除，多次重復(fù)B2的移入移出操作。通過前4步，可以獲得所需要的全部圖像，從下一步開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。檢測(cè)步驟光路圖如圖2。

圖2 檢測(cè)步驟光路圖

數(shù)據(jù)處理過程分為兩部分。第1部分是排布精度和透過率的檢測(cè)，排布精度包括贗狹縫端光纖位置精度和陣列端光纖位置精度。陣列端如有微透鏡陣列耦合，通過調(diào)焦拍攝微透鏡陣列圖像，計(jì)算每個(gè)微透鏡的中心位置，并與光纖陣列中每根光纖的中心位置進(jìn)行比較，計(jì)算微透鏡陣列與光纖陣列耦合的共軸精度。光纖或微透鏡中心位置計(jì)算采用傳統(tǒng)的二值化圖像處理方式，對(duì)中心位置進(jìn)行直線擬合得到排布精度。每根光纖的透過率可以用

(1)

計(jì)算得到。其中，T為每根光纖透過率；Iin為光纖陣列端入射光強(qiáng)，可以通過上述檢測(cè)步驟第2步和第3步獲得，這里需要確定每根光纖在CCD上對(duì)應(yīng)的像素范圍，并扣除入射光強(qiáng)分布對(duì)應(yīng)于光纖的像素范圍，得到每根光纖對(duì)應(yīng)的入射光強(qiáng)；Iout為贗狹縫端光纖出射光強(qiáng)，可以通過上述檢測(cè)步驟第2步獲得。

第2部分是贗狹縫端光纖出射焦比和光纖沿光軸方向排布精度的檢測(cè)。光纖具有焦比退化的特性，光纖的出射焦比小于入射焦比，圖3為贗狹縫端光纖像(上圖)及離焦像(下圖)。

圖3 光纖贗狹縫端圖像

贗狹縫端光纖出射焦比可以通過

(2)

得到[5]，其中，F(xiàn)/#為出射焦比；Δl′為像端位移變化量；ΔD′為光纖像斑直徑變化量。我們檢測(cè)出射焦比的方法是采用固定CCD位置，移動(dòng)贗狹縫端位置(成像系統(tǒng)物端)獲得，通過軸向放大率公式推導(dǎo)物端位移變化量Δl與Δl′之間的關(guān)系[6]并代入(2)式，得到F/#與Δl的關(guān)系式

(3)

其中，β1為物端位移Δl時(shí)的垂軸放大率；β2為在物面時(shí)的垂軸放大率，即成像系統(tǒng)放大率。根據(jù)高斯公式和放大率公式[6]可以獲得β1與β2的關(guān)系式

(4)

其中，f′為成像系統(tǒng)焦距。將(4)式代入(3)式可以得到出射焦比公式

(5)

贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度的檢測(cè)放到第2部分的原因是可以利用(5)式的擬合結(jié)果得到每根光纖光斑的半峰全寬輪廓，計(jì)算最小半寬對(duì)應(yīng)的位置信息，從而得到贗狹縫端光纖沿光軸方向的排布精度。

根據(jù)上述的操作步驟和檢測(cè)方法，本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的自動(dòng)化控制軟件?？刂葡到y(tǒng)流程如圖4。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

1.3 程序可視化實(shí)現(xiàn)

為了操作方便，我們?cè)O(shè)計(jì)了程序可視化界面，分為自動(dòng)操作和手動(dòng)操作界面。手動(dòng)操作界面可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定位移平臺(tái)位置、位移步數(shù)、相機(jī)控制和數(shù)據(jù)保存路徑等參數(shù)。設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，通過自動(dòng)操作界面可實(shí)現(xiàn)一鍵式全自動(dòng)化檢測(cè)功能。圖5為軟件控制界面，點(diǎn)擊 “輸出參數(shù)” 按鈕可以列出檢測(cè)的主要參數(shù)，點(diǎn)擊相應(yīng)的參數(shù)可以在軟件界面右側(cè)顯示最終檢測(cè)結(jié)果。

圖5 軟件控制界面

2 自動(dòng)化系統(tǒng)性能評(píng)估

為了確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性，在檢測(cè)之前需要做相應(yīng)的系統(tǒng)定標(biāo)工作，主要包括系統(tǒng)放大率檢測(cè)、位移平臺(tái)移動(dòng)精度定標(biāo)和光源強(qiáng)度穩(wěn)定性定標(biāo)。其中，系統(tǒng)放大率檢測(cè)結(jié)果和位移平臺(tái)移動(dòng)精度影響焦比退化的計(jì)算精度，光源強(qiáng)度穩(wěn)定性影響光纖透過率的計(jì)算精度。

我們利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的某單位最早加工的一個(gè)不合格產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)的性能評(píng)估(其他合格產(chǎn)品已經(jīng)安裝到望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行科學(xué)觀測(cè))。該產(chǎn)品為20 × 20微透鏡耦合的光纖陣列，每根光纖芯徑為50 μm，數(shù)值孔徑為0.22，每個(gè)微透鏡邊長為300 μm，光纖入射焦比為5.473。微透鏡在膠合時(shí)受損，部分光纖損壞，光纖排布精度和透過率均不滿足觀測(cè)要求，但是不影響自動(dòng)化系統(tǒng)的性能評(píng)估，圖6為該產(chǎn)品陣列端成像，(a)為積分視場(chǎng)單元示意圖，是一個(gè)光纖陣列兩個(gè)贗狹縫系統(tǒng)，(b)為微透鏡陣列像，(c)為光纖陣列像。

圖6 陣列端成像

2.1 系統(tǒng)定標(biāo)

在安裝調(diào)試控制系統(tǒng)后需要重新對(duì)成像系統(tǒng)放大率定標(biāo)。系統(tǒng)放大率的檢測(cè)方法是通過沿垂軸方向移動(dòng)贗狹縫端光纖，分別獲得物像的位置信息用于計(jì)算成像系統(tǒng)放大率。圖7展示了贗狹縫端單根光纖以不同步長移動(dòng)不同步數(shù)時(shí)的系統(tǒng)放大率。在放大率檢測(cè)過程中統(tǒng)計(jì)贗狹縫端所有光纖移動(dòng)不同步數(shù)和不同位置的信息，計(jì)算系統(tǒng)放大率的均方根為0.326，與文[1]中利用分辨率板計(jì)算的放大率結(jié)果一致。

圖7 單根光纖移動(dòng)不同位置時(shí)的系統(tǒng)放大率

電動(dòng)位移平臺(tái)位移精度的定標(biāo)方法與檢測(cè)放大率方法類似，利用光纖中心位置在移動(dòng)相同步數(shù)時(shí)的距離變化計(jì)算得到。圖8為贗狹縫端單根光纖以不同步長移動(dòng)不同步數(shù)時(shí)的位移精度。在位移精度定標(biāo)過程中，我們統(tǒng)計(jì)了贗狹縫端視場(chǎng)內(nèi)的所有光纖移動(dòng)不同步數(shù)和不同位置的信息，計(jì)算位移精度的均方根為1.35 μm，與廠家提供的2 μm最小分辨率吻合。

圖8 單根光纖移動(dòng)不同位置時(shí)的位移精度

光源強(qiáng)度穩(wěn)定性的定標(biāo)方法是先將光源打開穩(wěn)定2 h后，再持續(xù)1.6 h做光強(qiáng)穩(wěn)定性分析，光纖透過率計(jì)算可以在3 min內(nèi)完成，1.6 h光強(qiáng)監(jiān)測(cè)滿足光纖透過率要求。圖9為光強(qiáng)度穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，均方根為0.4%。

圖9 光源光強(qiáng)穩(wěn)定性

2.2 算法應(yīng)用

本文只介紹微透鏡陣列與光纖陣列耦合的共軸精度和贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度的檢測(cè)結(jié)果，該產(chǎn)品的這兩個(gè)參數(shù)之前沒有做過檢測(cè)。圖10為陣列端微透鏡和光纖在CCD中心位置的坐標(biāo)，其中紅色圓點(diǎn)為光纖位置，黑色圓點(diǎn)為微透鏡位置。圖11為微透鏡陣列與光纖陣列每根光纖對(duì)應(yīng)耦合的共軸精度偏差。按照共軸精度±10 μm光纖數(shù)量合格率為90%的工藝要求，加上損壞的光纖，檢測(cè)的共軸精度合格率為75%。

圖10 微透鏡陣列與光纖陣列坐標(biāo)

圖11 微透鏡陣列與光纖陣列耦合的共軸精度。(a)x方向的偏差；(b)y方向的偏差

贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度檢測(cè)是本次改進(jìn)新增的功能，位置結(jié)果對(duì)于光纖焦比退化產(chǎn)生的原因起到輔助分析作用。贗狹縫的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖12，(a)為每根光纖成清晰像時(shí)的實(shí)際位置，藍(lán)色直線為數(shù)據(jù)擬合直線；(b)為贗狹縫端光纖沿光軸方向的排布精度。

圖12 贗狹縫端光纖沿光軸方向排布精度

3 總結(jié)與展望

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了云南天文臺(tái)光纖式積分視場(chǎng)單元集成化檢測(cè)裝置自動(dòng)化控制系統(tǒng)，這里只討論算法與控制方面的不足，主要有(1)位移平臺(tái)的離焦控制及圖像拍攝過程所花費(fèi)的時(shí)間最多，需要進(jìn)一步優(yōu)化。目前拍攝不同位置離焦像次數(shù)進(jìn)行焦比退化計(jì)算過程中，離焦像位置圖像拍攝數(shù)量較多，不是最優(yōu)化圖像數(shù)量，需要進(jìn)一步優(yōu)化提高工作效率。(2)程序中只考慮常見的圓形、正方形和六邊形微透鏡陣列在計(jì)算光纖效率時(shí)的算法(與清晰度有關(guān))，其他形狀的微透鏡在計(jì)算光纖效率時(shí)并未考慮。目前對(duì)于透過率的檢測(cè)僅適用于陣列端有微透鏡且為六邊形密堆積排布或者正方形的光纖陣列，主要原因在于非密堆積排列陣列之間會(huì)出現(xiàn)縫隙，這對(duì)于模板的制作存在困難，難以準(zhǔn)確確定入射光范圍，且此部分誤差難以衡量，因此透過率檢測(cè)結(jié)果與之前利用激光的檢測(cè)結(jié)果相差較大，還需要在算法與操作流程方面進(jìn)一步分析原因。(3)在確定焦面位置時(shí)需要人工干預(yù)，目前該系統(tǒng)不具備自動(dòng)調(diào)焦功能。 (4)光纖陣列與微透鏡陣列耦合后的涂膠均勻性并沒有利用算法進(jìn)行評(píng)價(jià)，涂膠均勻性會(huì)影響光纖透過率。目前國際上沒有標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法，但是可以利用成像的方法計(jì)算像斑的真實(shí)輪廓，對(duì)于評(píng)估引起光纖透過率的變化起到輔助分析的作用。(5)算法只適用于視場(chǎng)范圍內(nèi)的光纖陣列，對(duì)于更大光纖陣列的檢測(cè)需要自動(dòng)控制位移平臺(tái)進(jìn)行掃描并定位，軟件中沒有掃描定位功能，對(duì)于較大光纖陣列的檢測(cè)需要手動(dòng)干預(yù)。

未來工作重點(diǎn)應(yīng)放在檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、檢測(cè)設(shè)備的通用性，并進(jìn)一步增加檢測(cè)功能，為研制精度更高的積分視場(chǎng)光譜儀提供技術(shù)支持。