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 、 Gamma-Burst 、 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 Lihttp://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　　

图 2.1：BFOSC 及其专用接头的光学和机械结构示意

透镜 Lens

卤素灯 Halogen

Lamp

光谱灯 Spectral Lamps

滤光片盘 Filter Wheel

积分球 Integrating Sphere

探测器 Detector

平面反射镜

Plane Mirror

平面反射镜

Plane Mirror

1 2 3 4 5 6 8

11

12

14

15

17

18

20

22

23

24

25

7 9

10

13

16

19

21

说明/ LEGEND

1. 望远镜 / Telescope 2. 接头 / Adapter 3. 定标装置 / Calibration Device 4. 导星装置 / Guiding Device 5. 滤光片盘 / Filter Wheels 6. 连接法兰 / Mounting Flange 7. 光学基座 / Optical Bench 8. 狭缝盘 / Aperture Wheel 9. 望远镜焦平面 / Telescope Focal Plane 10. 狭缝板 / Aperture Plate 11. 冕屏 / Coronograph Mask 12. 轴承 / Bearings 13. 准直镜 / Collimator 14. 横向色散棱栅 / Cross-Dispersive Grism 15. 滤光片盘 / Filter Wheel 16. 滤光片 / Filter 17. 快门 / Shutter 18. 棱栅盘 / Grism Wheel 19. 棱栅 / Grism 20. 阶梯棱栅 / Echelle Grism 21. 照相镜 / Camera 22. 调焦机构 / Focusing Mechanism 23. 场镜 / Field Lens 24. CCD探测器 / CCD Detector 25. 液氮致冷器 / Liquid N2 Cryostat

BFOSC

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

　　。

　　

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。

长狭缝－ Long Slits 短狭缝－ Short Slits

宽度－Width 长度 ( 角分 )Length

(arc min)

宽度－ width 长度 ( 角秒 )Length

(arc sec)角秒 /

arc sec像元 /

Pixel角秒 /

arc sec像元 /

Pixel

0.60.71.11.41.83.67.0

14.0

334459

1529

9.99.99.99.99.99.99.99.9

0.61.01.62.33.2

33568

3.54.03.63.73.7

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表 2.2 ： BFOSC FILTERS

宽 波 段 滤 光 片 — B r o a d B a n d F i l t e r s

滤光片名 Designation

配 方 Prescriptions

注 Remarks

U

B V R I Z

385LP

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

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 — I n t e r f e r e n c e F i l t e r s

中心波长 /半峰全宽c

/ FWHM (nm)

峰值透过率 peak (%)

红移 (公里/秒) Redshift (km/s)

注 Remarks

500.9 / 6.0

506.0 / 6.0 511.0 / 6.0 516.0 / 6.0 521.0 / 6.0 526.0 / 6.0 531.0 / 6.0

536.0 / 6.0

501.0 / 13.0

84

86

79

83

78

72

75

74

87

0 3000 6000 9000

12000 15000 18000 20000

0

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.

656.2 / 7.0

661.0 / 7.0

666.0 / 7.0

671.0 / 7.0

676.0 / 7.0

681.0 / 7.0

686.0 / 7.0

691.0 / 7.0

696.0 / 7.0

701.0 / 7.0

706.0 / 7.0

655.5 / 14.0

80

78

89

78

82

81

87

78

84

84

84

80

0

2000

4000

7000

9000

11000

13000

15000

18000

20000

22000

0

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.

447.1 / 6.0

454.1 / 6.0

468.6 / 6.0

82

75

87

0

0

0

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

Names

光谱级次

Sp. Order

(m)

倒线色散度

Recip. Disp.

(Å/mm)

单个像元谱分辨率

Sp. Res. Per Pixel

d (Å)

单个像元分辨本领

Res. Power per Pixel

/d

波长范围

Wav. Range

(Å)

P1 …… 573–2547 8.6–38.2 465–147 4000–5600  

G3

G4

G5

1

1

1

139

198

199

2.08

2.97

2.98

2067

1953

2349

3300–6400

3850–7000

5200–10120

 

G6

G7

G8

1

1

1

88

95

80

1.32

1.42

1.20

3030

3697

5833

3300–5450

3870–6760

5800–8280

 

G10

G11

G12

1

1

1

392

295

837

5.88

4.42

12.56

663

1131

557

3300–6400

3900–7300

5200–10200

 

E9+G10

E9+G11

E9+G12

21–11

18–9

14–6

16.8–38.4

21.0–47.9

29.0–73.2

0.25–0.58

0.32–0.72

0.44–1.10

13560–10271

11997–10000

10855–9674

3300–6400

3900–7300

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。

　　　　　　　　　　　　　　　　　 2.8 ： BFOSC 冕屏不透明斑的大小和排列

2".0 4".0 9".0

3".0 6".0

12".0

A

59.0 mm

59.0 mm

53".0

26".5

26".5

A 53".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。

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。

BFOSC 狭缝、滤光片、光栅定位步数值：

波长 (Å) 量子效率 (%)

35004000500065009000

18.449.986.388.738.5

表 2.5 ： CCD 基本参数表CCD类型图像大小 ( 像元 )像元大小（微米）暗流（电子 / 像元 / 小

时） 满阱电荷 （电子 / 像

元）控制器

CCD55-30-1-348 back,AIMO1242×115222.5×22.52.4 at -100 ℃100 KLick 新 CCD控制器（魏名智）

模式  读出速度 增益选项 增益

（ e-/ADU ）

读出噪声(e-/pixel)

整幅 CCD 读出时间

（ second）SlowSlowSlowMedia

nMedia

nMedia

nFastFastFast

012012012

2.431.080.502.331.100.5099.5844.1718.74

3.252.542.466.806.266.06132.4133.0116.2

282828888555

图 2.9 ： BFOCS CCD 的方向以及 OVERSCAN区域示意图

图 2.10 ： CCD量子效率曲线1

1152 124

21260

BIAS Frames ：Take frame with Sshutter Closed and exposure time of 0 sec

图 2.13 ： CCD BIAS 图像

2.14 ： CCD 暗场图像

DARK Frames: Take frames with shutter closed

　　 BFOSC CCD System: Computer, Controller and Camera

图 2.15 ： CCD控制器图 2.16 ： CCD控制器总框图

HOST computer

Temperature display

timing

Bias & analog A

ADC & Fiber Optic

Bias & analog B

Clock driver

Voltage stabilizer

Temp. control

Optical couplers

RS232

PCI Fiber Optic interface

RS232

Power supply

Controller

To CCD dewaror TV camera head

PC Linux

Single CCD controller

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 )

图 3.3 ： BFOSC 程序的主窗口及组合设置子窗口

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。

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。

　　

图 3.20: 图象显示窗口

Display Window

图 3.21:新图像窗口

图 3.22: 数字显示窗口

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 Spectra(Next year) 多目标光谱

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.

  BFOSC EFOSC2 DFOSC望远镜直径 ( 米 ) 2.16 3.566 1.54准直径焦距（毫米） 294.5   252.2照相机焦距（毫米） 153.7   146.3       CCD 大小 1242x1152 2048x2048 2048x4096像元尺寸（微米） 22.5x22.5 15x15 15x15视场（角分）２ 9.3x8.6 5.4x5.4 13.3x13.3单像元天空张角（角秒 / 像元）

0.447 0.158 0.39

读出噪声（电子 / 像元） 慢 中 快

2.56.3

10.210.714.4

3.21

CCD 读出时间（秒） 慢 中 快

2885

1607024

   

满阱电荷（电子） 100K 104K  暗流（电子 / 小时） 2.4 at -100C <3.4 at -

130C1 at -120C

光 学 系 统 的 透 过 率 （ V 波段）

< 84%   80%

望远镜 +FOSC+CCD V 波段总效率

24.4% 33%  

Thanks!