CN111562000A - 一种基于相干色散技术的消零干涉光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，旨在解决现有技术中存在的难以得到更为清晰的行星光谱，导致不能对微弱的行星进行光谱表征的技术问题，本发明包括沿光路依次设置的光源单元、干涉仪、色散单元以及光电探测器；光源单元出射准直的入射光线；干涉仪将入射光线分为第一出射光线和第二出射光线；色散单元为两个，且分别将第一出射光线和第二出射光线分解为光谱形成两个干涉条纹；光电探测器为两个，且分别接受两个干涉条纹，得到两个干涉条纹图像。本发明基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，不仅可以用于探测行星，而且还可以得到更为清晰的行星光谱，对微弱的行星进行光谱表征。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱成像装置，具体涉及一种基于相干色散技术的消零干涉光谱仪。
背景技术
光谱成像技术融合了光谱技术和成像技术，目前已广泛应用于农业、医学、航空航天、环境监测、大气探测、天文观测等领域。干涉和色散技术是光谱成像领域应用最主要的技术，但通常情况下两种技术都是分开使用的，只有在测风、测量恒星或者行星运行的视向速度等情况下，才会将这两种技术结合起来，以达到较为理想的测量精度。
在系外行星探测领域，尽管间接探测技术(如视向速度法)是当今最成功的方法。但是间接探测方法无法获取行星光子，更无法对行星大气进行光谱分析，因此无法对行星上的生命信号做出判断。直接成像技术有望最终实现类地行星的探测，同时能够准确观测该行星的位置而不存在视向角的问题。尽管如此，系外行星与其宿主恒星之间的光度强烈反差、两个星体之间的极小分辨率，以及最终使从地面拍摄的图像变得模糊的大气湍流，这三者是直接成像技术需要解决的主要问题。针对这些困难，消零干涉法是处理直接成像的强大工具。消零干涉法通过增加望远镜之间的基线来增加光学系统的角分辨率。此外，消零干涉法“熄灭”了恒星的光，揭示了系外行星绕恒星运行。这增加了系外行星与其宿主恒星之间的对比度。
因此，在消零干涉仪中，要求望远镜的输出光束对在合束器中高度对称。如果可以使光学设计完全对称，则理论上可以忽略诸如对齐、相位差以及镀膜变化等限制。为了保证两输出光完全对称，需要进一步得到更为清晰的行星光谱，而在现有的消零干涉仪中，由于难以得到清晰的行星光谱，导致不能对微弱的行星进行光谱表征。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的难以得到更为清晰的行星光谱，导致不能对微弱的行星进行光谱表征的技术问题，而提供一种基于相干色散技术的消零干涉光谱仪。
为达到上述目的，本发明采用了以下基本原理：
一、将两不同输入光束准直后进入非对称共光路sagnac干涉仪，得到两路输出(即相消输出和相长输出)；
二、将干涉仪两路输出端光束准直后，分别经过狭缝干涉；
三、将干涉光准直后再进行色散；
四、将色散后的光谱按照不同谱段反射至空间的不同位置；
五、再经光电探测器接收行星信号的干涉条纹图像。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特殊之处在于：
包括沿光路依次设置的光源单元、干涉仪、色散单元以及光电探测器；
所述光源单元出射准直的入射光线；
所述干涉仪将入射光线分为第一出射光线和第二出射光线；
所述色散单元为两个，且分别将第一出射光线和第二出射光线分解为光谱形成两个干涉条纹；
所述光电探测器为两个，且分别接受两个干涉条纹，得到两个干涉条纹图像。
进一步地，第一出射光线的干涉条纹与第二出射光线的干涉条纹之间的相位差为π。
进一步地，所述光源单元为两个，分别出射准直的第一入射光线IN1和第二入射光线IN2；
第一入射光线IN1和第二入射光线IN2经干涉仪后形成第一出射光线 C1、第一出射光线C2、第二出射光线C3以及第二出射光线C4；所述第一出射光线C1和第一出射光线C2完全对称且满足干涉条件，从而产生消零干涉条纹；所述第二出射光线C3和第二出射光线C4不完全对称但满足干涉条件，从而产生相长干涉条纹；
两个所述色散单元分别将消零干涉条纹和相长干涉条纹的分辨率提高后入射至光电探测器分别形成消零干涉条纹图像和相长干涉条纹图像。
进一步地，两个所述色散单元结构相同；位于第一出射光线上的色散单元包括沿光路依次设置的第二准直镜、狭缝、第三准直镜以及光栅；
所述第二准直镜将第一出射光线准直后投射至狭缝内，并沿狭缝的长度方向分布；
所述狭缝用于改善第一出射光线的弯曲效应；
所述第三准直镜将经过狭缝改善后的第一出射光线再次准直后入射至光栅；
所述光栅将第一出射光线色散后，再经光电探测器接收。
进一步地，所述第二准直镜和狭缝之间还设置有用于增加光线透射率的柱透镜；
所述狭缝设置于柱透镜的焦点处。
进一步地，所述干涉仪为sagnac干涉仪。
进一步地，所述光栅为透射光栅。
进一步地，所述光栅为反射光栅。
进一步地，所述光源单元包括光源、第一望远镜、第一反射镜、第二望远镜、第二反射镜以及第一准直镜；
所述光源出射第一入射光线IN1和第二入射光线IN2；
所述第一入射光线IN1依次经第二望远镜、第二反射镜及第一准直镜后入射至干涉仪；
所述第二入射光线IN2依次经第一望远镜、第一反射镜及第一准直镜后入射至干涉仪。
进一步地，所述光源为恒星，其出射的第一入射光线IN1和第二入射光线IN2分别位于第二望远镜和第一望远镜的主光轴上。
本发明的有益效果是：
1)本发明基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，不仅可以用于探测行星，而且还可以得到更为清晰的行星光谱，对微弱的行星进行光谱表征。
2)本发明可保证消零输出的两路干涉光完全对称，从而可以忽略两输入光之间的差异对干涉条纹造成的影响，由于环境压强、温度变化将同时作用于共光路干涉仪分出的两路光，因此会造成的局部热力学变形和机械支撑件线膨胀引起的光程差误差将互相抵消，而形成非常稳定的干涉条纹，从而可实现高稳定性能。
3)本发明可以在干涉仪的一个臂中提供π的光学相移，而不依赖于波长，从而实现恒星光“熄灭”，其中心条纹变为黑色，但对于所有波长仍然通用，不会限制光谱带。
4)本发明中第一出射光和第二出射光经过色散单元高效的后色散可以得到行星光的光谱特征，从而可以研究行星上的水、二氧化碳、甲烷等化学成分，寻找生物特征，并可能推断生命的存在与否。
5)本发明采用的是透射光栅，也可以采用反射光栅替代，使用简单方便。
附图说明
图1是本发明一种基于相干色散技术的消零干涉光谱仪的结构原理图。
图中，1-第一望远镜，2-第二望远镜，3-第二反射镜，4-第一准直镜， 5-分束器，6-第一反射镜，7-干涉仪，8-第二准直镜，9-狭缝，10-第三准直镜，11-光栅，12-光电探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于相干色散技术的消零干涉光谱仪作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
本发明一种基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，如图1所示，包括光源，即恒星，恒星出射第一入射光线IN1和第二入射光线IN2分别至第二望远镜2和第一望远镜1；并分别位于第二望远镜2和第一望远镜1的主光轴上；然后再分别入射至第二反射镜3和第一反射镜6；第二反射镜3和第一反射镜6分别将第一入射光线IN1和第二入射光线IN2反射后均经过第一准直镜4准直，然后均入射至干涉仪7，干涉仪7为sagnac干涉仪；经过干涉后形成第一出射光线C1、第一出射光线C2、第二出射光线C3以及第二出射光线C4；第一出射光线C1和第一出射光线C2完全对称且满足干涉条件，从而产生消零干涉条纹；第二出射光线C3和第二出射光线C4不完全对称但满足干涉条件，从而产生相长干涉条纹；第一出射光线C1和第一出射光线C2 的干涉条纹与第二出射光线C3和第二出射光线C4的干涉条纹之间的相位差为π。
消零干涉条纹再经过第二准直镜8准直后依次投射至柱透镜、狭缝9以及第三准直镜10以及光栅11，形成高分辨率的消零干涉条纹图像；相长干涉条纹同样再经过第二准直镜8准直后依次投射至柱透镜、狭缝9以及第三准直镜10以及光栅11，形成高分辨率的相长干涉条纹图像。其中，光栅11 可以是透射光栅，也可以是反射光栅，狭缝9设置于柱透镜的焦点处，用于增加光线透射率。
该消零干涉光谱仪的具体工作如下：
步骤1)极小分辨率目标光源分别进入第一望远镜和第二望远镜，恒星光在两望远镜的主光轴上，目标光(即第一入射光线IN1和第二入射光线 IN2)经过反射镜(即第二反射镜3和第一反射镜6)反射进入干涉仪7；
步骤2)第一入射光线IN1和第二入射光线IN2经过第一准直镜4后入射至干涉仪7中的分束器5上。两光束同时在干涉仪7中通过分束器5，均被分成反射光和透射光，反射光再经过多次反射，最后再一次入射至分束器 5，再经分束器5透射并反射；透射光再经过多次反射，也再一次入射至分束器5，再经分束器5反射并透射，最终产生四路输出：即第一出射光线C1、第一出射光线C2、第二出射光线C3以及第二出射光线C4。其中，第一出射光线C1为第一入射光线IN1的反射后再透射和第二入射光线IN2的透射后再反射的叠加；第一出射光线C2为第一入射光线IN1的透射后再反射和第二入射光线IN2的反射后再透射的叠加；第二出射光线C3为第一入射光线 IN1的透射后再透射和第二入射光线IN2的反射后再反射的叠加；第二出射光线C4为第一入射光线IN1的反射后再反射和第二入射光线IN2的透射后再透射的叠加。在中心位置处，第一出射光线C1和第一出射光线C2两束光完全对称并且满足干涉条件，从而会产生π光学相移的干涉现象，即消零干涉；第二出射光线C3和第二出射光线C4两束光不完全对称但也满足干涉条件，从而会产生干涉现象，即相长干涉。
步骤3)两路输出光从干涉仪7出射后，经过柱透镜汇聚到狭缝9处，干涉条纹沿狭缝9的长度方向分布。柱面镜使投射到狭缝9处的干涉光斑沿狭缝长度方向拉长，保证了干涉条纹在狭缝9长度方向上拥有了充足的分布空间。需要说明的是：狭缝9的位置在柱透镜的焦点处，而且狭缝9是具有一定曲率的弧形，这有效改善谱线的弯曲效应。
步骤4)经过狭逢9之后，再次通过第三准直镜10将光线准直，并入射到光栅11上，将光线色散，获得高分辨率的干涉条纹。最终利用光电探测器12接收分别得到的消零干涉条纹图像和相长干涉条纹图像，再进行下一步的数据处理工作。
Claims (10)
1.一种基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特征在于：包括沿光路依次设置的光源单元、干涉仪(7)、色散单元以及光电探测器(12)；
所述光源单元出射准直的入射光线；
所述干涉仪(7)将入射光线分为第一出射光线和第二出射光线；
所述色散单元为两个，且分别将第一出射光线和第二出射光线分解为光谱形成两个干涉条纹；
所述光电探测器(12)为两个，且分别接受两个干涉条纹，得到两个干涉条纹图像。
2.根据权利要求1所述的基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特征在于：第一出射光线的干涉条纹与第二出射光线的干涉条纹之间的相位差为π。
3.根据权利要求2所述的基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特征在于：所述光源单元为两个，分别出射准直的第一入射光线IN1和第二入射光线IN2；
第一入射光线IN1和第二入射光线IN2经干涉仪(7)后形成第一出射光线C1、第一出射光线C2、第二出射光线C3以及第二出射光线C4；所述第一出射光线C1和第一出射光线C2完全对称且满足干涉条件，从而产生消零干涉条纹；所述第二出射光线C3和第二出射光线C4不完全对称但满足干涉条件，从而产生相长干涉条纹；
两个所述色散单元分别将消零干涉条纹和相长干涉条纹的分辨率提高后入射至光电探测器(12)分别形成消零干涉条纹图像和相长干涉条纹图像。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特征在于：两个所述色散单元结构相同；位于第一出射光线上的色散单元包括沿光路依次设置的第二准直镜(8)、狭缝(9)、第三准直镜(10)以及光栅(11)；
所述第二准直镜(8)将第一出射光线准直后投射至狭缝(9)内，并沿狭缝(9)的长度方向分布；
所述狭缝(9)用于改善第一出射光线的弯曲效应；
所述第三准直镜(10)将经过狭缝(9)改善后的第一出射光线再次准直后入射至光栅(11)；
所述光栅(11)将第一出射光线色散后，再经光电探测器(12)接收。
5.根据权利要求4所述的基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特征在于：所述第二准直镜(8)和狭缝(9)之间还设置有用于增加光线透射率的柱透镜；
所述狭缝(9)设置于柱透镜的焦点处。
6.根据权利要求5所述的基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特征在于：所述干涉仪(7)为sagnac干涉仪。
7.根据权利要求6所述的基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特征在于：所述光栅(11)为透射光栅。
8.根据权利要求7所述的基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特征在于：所述光栅(11)为反射光栅。
9.根据权利要求2或3所述的基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特征在于：所述光源单元包括光源、第一望远镜(1)、第一反射镜(6)、第二望远镜(2)、第二反射镜(3)以及第一准直镜(4)；
所述光源出射第一入射光线IN1和第二入射光线IN2；
所述第一入射光线IN1依次经第二望远镜(2)、第二反射镜(3)及第一准直镜(4)后入射至干涉仪(7)；
所述第二入射光线IN2依次经第一望远镜(1)、第一反射镜(6)及第一准直镜(4)后入射至干涉仪(7)。
10.根据权利要求9所述的基于相干色散技术的消零干涉光谱仪，其特征在于：所述光源为恒星，其出射的第一入射光线IN1和第二入射光线IN2分别位于第二望远镜(2)和第一望远镜(1)的主光轴上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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