Transcript 角秒/像元

Hong Wu, Xing-Long Obs.
NAOC
PKU 2011.10.5
2.16m telescope at Xinglong (2000.0)
2.16m and LAMOST (2007.0)
Aperture：216cm
Focus：f/3
Focus (R-C)：f/9
 Completed
in 1989
 Until
2008, It was the largest telescope
in China and also In East Asia.
 2008: LAMOST
and Lijiang 2.4 telescop
 OMR
low resolution spectrograph
 Hige
Resolution Echelle Spectrograph
 BFOSC
Hige Resolution Echelle Spectrograph
光谱仪本体的
各光机元件安
装在大理石平
台上，外部装
有温度可控的
保温罩壳，保
温罩壳安装在
气浮平台上。
Hige
Resolution Echelle
Spectrograph





Spectral Resolution(光谱分辨率):
2.4” fiber R：32000（无缝slitless）
R：32000 ~ 115000（有缝slit）
1.6”fiber，R：48000（无缝slitless）
R：48000 ~ 115000（有缝slit）
Wavelength range(波长覆盖范围)：370nm ~ 920nm。
Velocity accuracy (视向速度精度)：10m/s。
Peak efficiency (光谱仪峰值效率,光纤+光谱仪）>30%
。
80%的光能量集中在两个像素以内。
BFOSC
OMR
 2.16m
telescope opens to all the
astronomers in China and other countries.
 The application Dates:
Oct. 20 to Nov. 20 each year
(AD)
http://astro.v-lab.cn
 Extra-Galactic
Objects: Infrared
Galaxies、Normal Galaxies、QSOs
 Active Objects：Supernova、GammaBurst、AGN、Black-Hole
 Stars: Stellar Abundance, Emission-Line
stars,Solar-like stars
 Extro-planet: Search
 Solar system：Comets ..
 Beijing
Faint Object Spectrograph and
Camera
 The detail see
“BFOSC OPERATING MANUAL”
by Lin Huang
Hong Wu
Hong-Bin Li
http://www.xinglong-naoc.org/doc/216/BFOSCmanualv2_chinese.pdf
 Advantages
of BFOSC：
Simple
Easy to use and change Obs.
Mode
Multi-Function
 Five Modes of BFOSC (Now)：
Direct Image 直接成像
Long-Slit Spectra 长缝光谱
Echele Spectra 阶梯光栅光谱
Coronograph Image冕屏成像
Slitless Spectra 无缝光谱

New Observing Mode (Next year) :
Multi-Object Spectra
多目标光谱
1
滤光片盘
Filter Wheel
2
卤素灯
Halogen
Lamp
3
光谱灯
Spectral
Lamps
4
透镜
Lens
积分球
Integrating
Sphere
探测器
Detector
平面反射镜
Plane
Mirror
平面反射镜
Plane Mirror
5
6
BFOSC
7
10
说明/ LEGEND
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
望远镜 / Telescope
接头 / Adapter
定标装置 / Calibration Device
导星装置 / Guiding Device
滤光片盘 / Filter Wheels
连接法兰 / Mounting Flange
光学基座 / Optical Bench
狭缝盘 / Aperture Wheel
望远镜焦平面 / Telescope Focal Plane
狭缝板 / Aperture Plate
冕屏 / Coronograph Mask
轴承 / Bearings
准直镜 / Collimator
横向色散棱栅 / Cross-Dispersive Grism
滤光片盘 / Filter Wheel
滤光片 / Filter
快门 / Shutter
棱栅盘 / Grism Wheel
棱栅 / Grism
阶梯棱栅 / Echelle Grism
照相镜 / Camera
调焦机构 / Focusing Mechanism
场镜 / Field Lens
CCD 探测器 / CCD Detector
液氮致冷器/ Liquid N2 Cryostat
8
9
11
12
13
14
16
15
17
18
19
20
21
图 2.1：BFOSC 及其专用接头的光学和机械结构示意
22
23
24
25
 Calibration
parts
















为便于观测者设计观测计划，现将2.16米望远镜的光学系统、BFOSC
缩焦器和CCD探测器的基本参数汇总于下：
望远镜(Telescope)：
通光孔径(Clean aperture)：
2160毫米(mm)
卡焦焦距(Cassegrain focal length)： 19440毫米(mm)
卡焦焦比(Cassegrain focal ratio)：
f/9.0
焦面尺度(Focal plane scale)：
10.61角秒/毫米(arc sec/mm)
缩焦器(Focal reducer)
准直镜焦距(Collimator focal length)： 294.5毫米(mm)
照相镜焦距(Camera focal length)：
153.7毫米(mm)
照相镜焦比(Camera focal ratio)：
4.7毫米(mm)
焦面尺度(Focal plane scale)：
20.32角秒/毫米(arc sec/mm)
CCD探测器(CCD detector) (Format)：
大小(Active pixels)：
1242×1152
像元尺寸(Pixel size)：
22.5×22.5微米(um)
图像范围(Image area):
28.17×25.9毫米(mm)
视场(Field of view)：
9.54×8.77角分2(arc min2)
单个像元天空张角(Angle on the sky per pixel)：0.508角秒(arc sec)
表 2.1：BFOSC 现有狭缝

长狭缝－Long Slits
宽度－Width
角秒
像元
/arc sec
/Pixel



0.6
0.7
。1.1
1.4
1.8
3.6
7.0
14.0
3
3
4
4
5
9
15
29
长度(角
分)
Length
(arc min)
9.9
9.9
9.9
9.9
9.9
9.9
9.9
9.9
短狭缝－Short Slits
宽度－width
角秒
像元
/arc sec
/Pixel
0.6
1.0
1.6
2.3
3.2
3
3
5
6
8
长度(角
秒)
Length
(arc sec)
3.5
4.0
3.6
3.7
3.7
表2.1中狭缝宽度的像元数等于宽度的角秒数除以0.508后的整数部分加2，这是狭缝像
几何宽度可能占有的最大像元数。利用这个像元数就可以很方便地根据对单个像元计算
的谱分辨率和分辨本领(见2.3.3节的表2.3)得出任一狭缝所对应的实际谱分辨率和分辨
本领。
表 2.2：BFOSC FILTERS
宽 波 段 滤 光 片 — Broad Band Filters
滤光片名
Designation
U
B
V
R
I
Z
385LP
配 方
Prescriptions
1 mm UG1 + 1 mm BG39 + 3 mm WG305
2 mm GG385 + 1 mm BG12 + 2 mm BG39
2 mm GG495 + 3 mm BG39
2 mm OG570 +3 mm KG3
3 mm RG9 + 2 mm BK7
910LP
3 mm GG385
注
Remarks
U B V R I Z： 宽波段测光滤光片，其中：
Broad band photometric filters where：
－UBVRI: Bessell 配方玻璃滤光片—Glass filters
of Bessell prescription (Bessell ,PASP, 102, 1181).
－Z: 透过≥910 nm 波段的干涉滤光片—Interference
filter transmitting spectral region with ≥910 nm.
385LP：除去≤385 nm 的二级光谱的玻璃滤光
片—Glass filter removing the 2nd order spectrum
of ≤385 nm.
干 涉 滤 光 片 — Interference Filters
中心波长/半峰全宽 峰值透过率 红移 (公里/秒)
 peak
c / FWHM
Redshift (km/s)
(nm)
( %)
500.9 / 6.0
84
0
506.0 / 6.0
86
3000
511.0 / 6.0
79
6000
516.0 / 6.0
83
9000
521.0 / 6.0
78
12000
526.0 / 6.0
72
15000
531.0 / 6.0
75
18000
536.0 / 6.0
74
20000
501.0 / 13.0
87
0
656.2 / 7.0
80
0
661.0 / 7.0
78
2000
666.0 / 7.0
89
4000
671.0 / 7.0
78
7000
676.0 / 7.0
82
9000
681.0 / 7.0
81
11000
686.0 / 7.0
87
13000
691.0 / 7.0
78
15000
696.0 / 7.0
84
18000
701.0 / 7.0
84
20000
706.0 / 7.0
84
22000
655.5 / 14.0
80
0
447.1 / 6.0
82
0
454.1 / 6.0
75
0
468.6 / 6.0
87
0

注
Remarks
c 和 FWHM 的公差：第 9 滤光片(波段较宽的)为
1.3 nm，其余均为 1.0 nm。— Tolerance of c and
FWHM ： 1.3 nm for the 9th filter (wider spectral
bandpass) and 1.0 nm for all the others.
前 8个滤光片中的任意相邻两个在峰值透过率的
0.5 和 0.8 之间重叠, 因而提供了 500.9 – 536.0 nm 波段
的连续覆盖。— The first 8 filters, of which the overlap
between any two adjacent ones occurs at the
transmission between 0.5 and 0.8 times the peak
transmission, provide continuous transmission coverage
of 500.9 – 536.0 nm region.
c 和 FWHM 的公差：第 12 滤光片(波段较宽的)为
1.4 nm，其余均为 1.2 nm。— Tolerance of c and
FWHM ： 1.4 nm for the 12th filter (wider spectral
bandpass) and 1.2 nm for all the others.
前 11个滤光片中的任意相邻两个在峰值透过率的
0.5 和 0.8 之间重叠, 因而提供了 656.2 – 706.0 nm 波段
的连续覆盖。— The first 11 filters, of which the
overlap between any two adjacent ones occurs at the
transmission between 0.5 and 0.8 times the peak
transmission, provide continuous transmission coverage
of 656.2–706.0 nm region.
c 和 FWHM 的公差：三片均为 1.0 nm。
Tolerance of c and FWHM：1.0 nm for all three
filters.
P－Prism 直视棱镜 G－Grism 普通棱栅、E－Echelle Grism 阶梯棱栅。
表 2.3：BFOSC 的色散器件及基本性能数据
。
名称
光谱级次
倒线色散度
单个像元谱分辨率
单个像元分辨本领
波长范围
Names
Sp. Order
Recip. Disp.
Sp. Res. Per Pixel
Res. Power per Pixel
Wav. Range
(m)
(Å/mm)
d (Å)
/d
 (Å)
P1
G3
……
1
573–2547
139
8.6–38.2
2.08
465–147
2067
4000–5600
3300–6400
G4
1
198
2.97
1953
3850–7000
G5
1
199
2.98
2349
5200–10120
G6
1
88
1.32
3030
3300–5450
G7
1
95
1.42
3697
3870–6760
G8
1
80
1.20
5833
5800–8280
G10
1
392
5.88
663
3300–6400
G11
1
295
4.42
1131
3900–7300
G12
1
837
12.56
557
5200–10200
E9+G10
21–11
16.8–38.4
0.25–0.58
13560–10271
3300–6400
E9+G11
18–9
21.0–47.9
0.32–0.72
11997–10000
3900–7300
E9+G12
14–6
29.0–73.2
0.44–1.10
10855–9674
5200–10200
E13+V
3
33.1
0.50
10882
4980–5990


冕屏是一个装在狭缝转盘上有6个不透明圆斑的0.7 mm 厚的玻璃板，用于在
观测暗天体时遮挡附近亮源的强光。如图2.8所示，直径为2、3、4、6、9和12角
秒的圆斑排成三行，每行两个。每行中圆斑之间的间隔以及行之间的间隔均为53"。
冕屏很脆弱，不能像狭缝板那样插入支架，所以必须用为它专门制作的一个
无插缝的支架。要把已安装在狭缝转盘上的冕屏取下来，必须用改锥旋开四个螺
钉连同支架一起取下。这是比较麻烦的，我们建议将冕屏永久安装在狭缝转盘上。
A
59.0
mm
3".0
12".0
6".0
A
53".
0
53".
0
26".5
59.0 mm

26".5
2.8：BFOSC 冕屏不透明斑的大小和排列
2".0
9".0
4".0




2.BFOSC基本特性-- 2.6 定标装置
如图2.1所示，定标装置安放在联接BFOSC和望远镜的专
用接头上，它最多可同时装4个灯。一个溴钨灯用于平场
改正，三个空心阴极灯用于波长定标。在溴钨灯光路上
有一个含四个位置的小转盘，其上可安放三个滤光片以
获得较均匀的定标曲线。
来自灯的光先照射20厘米直径的积分球，离开积分球后，
通过一对透镜形成的f/9光束被一块平面镜反射聚焦到望
远镜焦面上而最后进入 BFOSC。视场中的照明均匀性不
高(30%)，其平场改正不很适合直接成像模式的精确测光。
所以本定标装置只能用于定标光通过狭缝进入 BFOSC的
有缝光谱。对于直接成像模式的精确测光，仍建议使用
天光进行平场改正。
波长定标用的空心阴极灯是北京有色金属研究院的产品，
目前可用的充氖的钾、汞、铯、铁灯，但都是氖线很强，
金属线太弱，所以有些波段的可用谱线不够多。今后应
寻购更合适的定标灯，也可以向国外定货。如果新购的
灯在结构和大小上与现有的不同，则可能必须重新设计
灯座和支架。

如图所示，导星装置安放在联
接BFOSC和望远镜的专用接头
上，它用一个透镜组和45°平面
反射镜将来自望远镜的BFOSC
观测视场外边的导星天区引到
接头侧面的Ap6E CCD上，导
星天区的大小约6'×6'，一般应
不难找到一颗不暗于17等的导
引星。


BFOSC电机控制系统用于控制三个转盘和
调焦机构及快门，其硬件部分由PC计算机、
电机控制箱和 BFOSC本体内的霍尔开关及电
机等器件组成。控制箱挂在本体背部，它包含
5个步进电机控制器和一个多路转换器。5个电
机的驱动电路板完全相同，它们分别控制狭缝
转盘、滤光片转盘、棱栅转盘、调焦机构和快
门的驱动电机。所有电路板使用EPROM 中的
同一软件，由电路板所插入的端子来确定完成
运动的驱动器。多路转换器用RS232线与计算
机联接，它接收来自计算机的命令并分配给相
应的电路板。
BFOSC控制程序是用IDL语言编写而成、
在Linux操作系统下运行。使用这套控制程序
前，最好熟悉一下有关 Linux 操作系统。









三个转盘的控制
（Wheel Controller ）
三个转盘的控制是全同的。每个转盘用一个5相步进电机通
过齿轮驱动，转盘转动一整周相当320000 步。两个霍尔开关用
于位置初始化，一个霍尔开关在转盘上，另一个在电机轴上。
当要转到某个位置时，总是在驱动的同一方向达到停止。如果
转盘是在相反方向运动，它将先越过实际要求的位置，然后再
反向运动。
用一个直流电机马达给转盘施加预载，以使齿轮的同一边
受压(消齿隙)。当马达起动时，预载方向总是改到与转盘运动
相反的方向以避免振动。
快门的控制 (Shutter Controller)
快门也是用5相步进电机和齿轮驱动的。快门转一整周相当
于8000 步。快门由霍尔开关完成初始化而进入零点。每转动90
度便打开或关闭快门一次，这需要275毫秒。曝光时间以0.1秒
增量进行设置。
快门也能用TTL输入加以控制，以低电平打开快门，高电
平关闭快门。实际操作中，TTL输入来自CCD 控制器。
调焦机构的控制
(Focusing Controller)
调焦机构使用5相步进电机和齿轮驱动照相镜(不带场镜)做
直线运动，两个限位开关在两个方向停止其运动。机械结构限
定调焦范围约6 mm，按照设计1mm=72000 电机步数，电机分
辨率＝100 电机步数。屏幕显示的数字以电机分辨率为单位，
因而有1mm=720 显示步数。但实际测试表明，1mm=700显示
步数。
定位总是在同一运动方向上结束。这意味着有时在某个方
向上会多走2000步然后返回。当接收到完成小运动命令时，软
件将保证最后的运动量总是>2000 步。
BFOSC狭缝、滤光片、光栅定位步数值：
序号
狭缝
步数
滤光片
步数
光栅
步数
1
Free
101
Free
250
Free
319240
2
Slit 0”7
40047
U
40250
Focus Pyramid
39725
3
Slit 1”1
79995
B
80250
Focus Analyzer
79384
4
Slit 1”4
119992
V
120250
Grism 9 H1
119610
5
Coronogr Mask
159960
R
160250
Grism 3,8 H2
159872
6
Slit 1”8
200045
I Grism 10
200447
Grism 4,6
200026
7
Slit 3”6
240027
Grism 11
240142
Grism 5,7
240001
8
Pinhole Plate
280101
Grism 12
2800062
Grism 13,Prism 1
279646
Grism13同其它光栅放置时相反并差6度；
Grism4、7使用时要在滤光片盘上加385LP滤光片，其他不用。
波长(Å)
量子效率(%)
3500
4000
5000
6500
9000
18.4
49.9
86.3
88.7
38.5
表2.5： CCD基本参数表
CCD类型
CCD55-30-1-348 back,AIMO
图像大小(像元)
1242×1152
像元大小（微米）
22.5×22.5
暗流（电子/像元/小时） 2.4 at -100 ℃
满阱电荷 （电子/像元） 100 K
控制器
Lick新CCD控制器（魏名智）
模式
读出速度
增益选项 增 益
读出噪声
整幅CCD读出时
（e /ADU）
(e /pixel)
间
（second）
Slow
0
2.43
3.25
28
Slow
1
1.08
2.54
28
Slow
2
0.50
2.46
28
Median
0
2.33
6.80
8
Median
1
1.10
6.26
8
Median
2
0.50
6.06
8
Fast
0
99.58
132.4
5
Fast
1
44.17
133.0
5
Fast
2
18.74
116.2
5
图2.10： CCD量子效率曲线
1
1152
1242
1260
图2.9： BFOCS CCD的方向以及OVERSCAN区域示意图
BIAS Frames：
Take frame with Sshutter Closed
and exposure time of 0 sec
图2.13： CCD BIAS图像
DARK Frames:
Take frames with shutter
closed
2.14： CCD 暗场图像
BFOSC CCD System:
Computer, Controller and Camera
图2.16： CCD控制器总框图
图2.15： CCD控制器
Temperature display
Power supply
timing
To
CCD dewar
or TV
camera head
Voltage
stabilizer
Bias & analog A
ADC & Fiber Optic
Temp.
control
Optical
couplers
Bias & analog B
Clock driver
RS232
Controller
HOST
computer
PCI Fiber Optic
interface
Single CCD controller
RS232
PC Linux
 BFOSC
Optics Operating System
 BFOSC
Data Collecting System
图 3.2：BFOSC 程序显示的状态栏(上)和设置栏(右)
设置步骤：
1、在Enter the button
label here 写个组合名称；
2、将想要观测的光学组合
从左至右连续选择，并将结
果放在COMB 1~6中的任意
一个里，点一下即可；
在Selected
combinations栏中有四个
栏，每个栏有六行。左数第
一栏为“组合名称”；第二
栏为Aperture wheel的六
种组合；第三栏是Filter
wheel，第四栏是Grism
wheel，存储退出。
横着数共六组，观测时
可以加快操作速度。
图 3.3：BFOSC 程序的主窗口及组合设置子窗口

Main Window:
Top Level
2nd Level
Engineer Level
图3.14：命令控制窗口的 Top Level

图3.15：命令控制窗口的 2nd Level
图3.16：命令控制窗口的Eng
图3.17，图3.18 是这些菜单参数目前的状况图

Display
Control
Window
图3.19: 图象显示控制窗口。
 Display
Window
图3.20:图象显示窗口
图3.22:数字显示窗口
图3.21:新图像窗口
图3.23: 图象行列曲线窗口
 Direct
Image 直接成像
 Long-Slit Spectra 长缝光谱
 Echele Spectra 阶梯光栅光谱
 Coronograph Image冕屏成像
 Slitless Spectra 无缝光谱
 Multi-Object
多目标光谱
Spectra(Next year)

Echelle Grism
Short slit
+Grism（G6,G7,G8）
+Echelle Grism （横向色散）
Moderate resolution spectra
 Slitless Spectra 无缝光谱
Obtain the all the very low resolution spectra in the
field. But Sky backgroud is bright and spectra
blending. Not suitable for Crowded field and extended
sources.


Coronograph Image 冕屏成像
Observe the faint object around bright object.
The apertures of circle are 2、3、4、6、9、12arcsec.
Multi-Object Spectra 多目标光谱
Adopt Multi-slit Mask instead of Slit Mask.
Obtain several to several tens spectra of objects
in the BFOSC field at one time.
望远镜直径(米)
准直径焦距（毫米）
照相机焦距（毫米）
BFOSC
2.16
294.5
153.7
1242x1152
CCD大小
22.5x22.5
像元尺寸（微米）
9.3x8.6
视场（角分）２
单像元天空张角（角秒/像元）0.447
2.5
读出噪声（电子/像元） 慢
6.3
中
快
EFOSC2
3.566
DFOSC
1.54
252.2
146.3
2048x2048
15x15
5.4x5.4
0.158
10.2
10.7
14.4
2048x4096
15x15
13.3x13.3
0.39
3.21
CCD读出时间（秒） 慢
中
快
28
8
5
160
70
24
满阱电荷（电子）
暗流（电子/小时）
光学系统的透过率（V波段）
望远镜+FOSC+CCD V波段
总效率
100K
2.4 at -100C
< 84%
24.4%
104K
<3.4 at -130C
33%
1 at -120C
80%
Thanks!