CN115265789A - 用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，包括星冕仪系统、中继镜、基于相位调制的偏振调制组件、成像镜以及探测器。在星冕仪系统基础上引入偏振仪，采用液晶相位延迟器作为调制器件，通过施加不同的电压获得不同的强度值，最后反演出Stoeks参量。鉴于行星光有一定偏振特性，恒星光无偏振特性，经过此高对比度偏振成像系统后能够将行星光从恒星光中分辨出来，实现高对比度偏振成像。同时该系统引入了渥拉斯顿棱镜构成双光路，以减少大气湍流的影响，同时还可以获得额外的对比度增益，能够实现～100倍的成像对比度增益。
Description
技术领域
本发明涉及系外行星探测技术领域，具体而言涉及一种基于液晶相位延迟器的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统。
背景技术
系外行星探测主要包括间接探测技术和直接成像技术。间接探测是根据行星和恒星之间相互作用产生的现象为探测依据，直接成像可以捕获行星的光子信息，进而对其进行光谱观测，分析行星的物理结构和参数。由于恒星和行星的对比度悬殊，行星淹没在望远镜的衍射光子噪声中，使得系外行星直接成像技术极具挑战性，通用的办法是采用星冕仪对衍射光子噪声进行抑制。
然而望远镜及终端仪器光学系统的不理想表面会引入散斑噪声，使得行星光淹没在散斑噪声中，无法对成熟冷行星进行直接成像，根据恒星辐射光不具有偏振特性，光波的振动方向是随机的，然而来自行星大气反射的光，因为其与大气分子相互作用而具有一定的偏振特性，根据恒星光与行星光在偏振特性上的差异，通过引入偏振测量系统提取行星的偏振信号，消除散斑噪声对对比度的影响。传统星冕仪系统在解决散斑噪声时，通过引入多块变形镜，系统成本高，系统结构复杂，控制系统复杂。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，在星冕仪系统基础上引入偏振测量系统，采用液晶相位延迟器(LCVR)作为调制解调器件，通过施加不同的电压获得不同的强度值，最后反演出Stoeks参量，实现对行星偏振信号的偏振测量和高对比度偏振成像。
根据本发明目的的第一方面提出一种用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，包括星冕仪系统、中继镜、基于相位调制的偏振调制组件、成像镜以及探测器，其中：
星冕仪系统，用于接收来自天文望远镜的星光，并对其进行抑制后输出；
中继镜，位于星冕仪系统的焦平面后方，用以准直星冕仪系统输出的星光；
基于相位调制的偏振调制组件，位于中继镜的后焦面位置，用于对准直后的星光进行偏振调制和偏振解调，然后通过所述成像镜将星光成像在所述探测器上；
其中，所述基于相位调制的偏振调制组件包括位于中继镜的后焦面位置的液晶相位延迟组件以及位于液晶相位延迟组件后方的渥拉斯顿棱镜；所述液晶相位延迟组件包括依次沿光轴设置的第一液晶相位延迟器以及第二液晶相位延迟器；
经由中继镜准直的星光依次经过液晶相位延迟组件的第一液晶相位延迟器以及第二液晶相位延迟器进行偏振调制，再经由所述渥拉斯顿棱镜产生双光束进行偏振解调，最后经由成像镜将光束成像在所述探测器上。
作为可选的实施例，所述第一液晶相位延迟器的快轴方向位于垂直于水平面的位置，第二液晶相位延迟器的快轴与第一液晶相位延迟器的快轴成45度角地布置。
作为可选的实施例，所述渥拉斯顿棱镜的第一透振方向与第一液晶相位延迟器快轴方向一致，第二透振方向与第一透振方向正交。
作为可选的实施例，所述第一液晶相位延迟器以及第二液晶相位延迟器被施加四组不同的电压，获得不同的相位延迟量，从而对光束的偏振特性进行调制，再经过渥拉斯顿棱镜进行偏振解调，在四种不同的调制模式下通过所述探测器采四幅强度图像，通过四幅图像计算出四个Stokes分量，最终获得偏振图像。
由此，通过对两块液晶相位延迟器LCVR快轴成45°夹角，施加不同的电压，实现不同的相位延迟量。通过施加四组不同的电压，获得四幅图像，最终获得全Stokes参量的偏振图像，从而实现高对比度偏振成像。
作为可选的实施例，所述星冕仪系统采用基于液晶空间光调制的相位引入型星冕仪系统，包括：沿着入瞳光路依次布置的准直镜、孔径光阑、第二成像镜、偏振片以及液晶空间光调制器；沿着出瞳光路依次布置的第二中继镜、Lyot光阑以及汇聚镜；
所述准直镜用于对来自望远镜的光进行准直，所述孔径光阑用于限制入瞳光束的口径；
来自望远镜的光经过所述准直镜进行准直以及经由所述孔径光阑进行限制后，经由所述第二成像镜和偏振片而成像在焦平面位置，所述液晶空间光调制器与入瞳光路的第一光轴成一定角度地设置并位于焦平面位置；
所述液晶空间光调制器被设置成根据预设的拓扑数产生灰度值图像，用以对在液晶空间光调制器上的成像进行相位调制，产生涡旋光；
所述漩涡光经设置于出瞳光路的所述第二中继镜准直后，再通过所述Lyot光阑将涡旋光外围的光进行遮挡，最后经过汇聚镜后投射到第一中继镜。
与现有技术相比，本发明的系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统的显著有益效果在于：
鉴于行星光的偏振特性而恒星光无偏振特性，本发明提出的高对比度偏振成像系统针对星冕仪系统的散斑噪声，通过引入液晶相位延迟器LCVR作为核心元件的偏振仪，实现对行星偏振信号的偏振测量，获得成像对比度的额外增益，能够将行星光从恒星光中分辨出来，有效的抑制系统的散斑噪声，可实现两个数量级的对比度增益。
本发明通过采用液晶相位延迟器作为偏振调制元件，可以实现快速调制，无机械运动部件，避免了光线抖动，可实现高精度偏振测量；为了解决大气扰动引起的串扰问题，本发明通过引入了渥拉斯顿棱镜构成双光路，代替传统单一光束偏振元件，由此可以同时测量相互垂直的偏振分离，通过偏振相减消除大气扰动引起的变化，减少大气湍流的影响。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明实施例的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统的示意图。
图2是本发明实施例的星冕仪系统的示意图。
图3是施加到液晶空间光调制器上的灰度图的示例。
图4是星光经过相位调制后出瞳位置的强度图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
本发明是国家自然科学基金面上项目“快照式线性Stokes参量偏振光谱仪关键技术研究”(12073056)的成果之一。
高对比度偏振成像系统
本发明实施例的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，用于系外行星探测，通过直接成像方法来进行探测。本发明的高对比度偏振成像系统采用基于液晶相位延迟器的高精度偏振仪作为提高系外行星直接成像对比度的技术手段，即在星冕仪系统后引入偏振测量系统，偏振测量系统包括液晶相位延迟器和渥拉斯顿棱镜，经过液晶相位延迟器LCVR的调制和渥拉斯顿棱镜解调后，将行星光从恒星衍射光子噪声和散斑噪声中提取出来，其优势在于系统无机械运动部件，结构简单，成本低，能够获得额外的成像对比度增益。
本发明实施例的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，通过在星冕仪系统中引入高精度偏振测量技术，利用液晶相位延迟器，避免了传统采用旋转波片的方式，无机械运动部件及复杂的控制系统，同时采用偏振相减技术，消除大气湍流的影响，提高了系统的成像对比度，系统紧凑，降低了研发周期和成本。在一些实施例中，前述的偏振测量系统还可以适用于天文光学成像的其它研究领域。
结合图1所示实施例的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，包括星冕仪系统20、第一中继镜30、基于相位调制的偏振调制组件40、第一成像镜50以及探测器60。
星冕仪系统20，用于接收来自天文望远镜的星光，并对其进行抑制后输出。如图1所示，标号10表示天光望远镜的入射端面。
第一中继镜30，位于星冕仪系统20的焦平面后方，用以准直星冕仪系统20输出的星光。
基于相位调制的偏振调制组件40，位于中继镜12的后焦面位置，用于对准直后的星光进行偏振调制和偏振解调，然后通过第一成像镜50将星光成像在探测器60上。
由此，来自望远镜的光经过星冕仪系统20后对恒星光进行抑制，获得一定的对比度，剩余的光经过第一中继镜30准直后，通过偏振调制组件40进行偏振调制和解调，经由第一成像镜50将光束成像在探测器上。
作为优选的实施例，基于相位调制的偏振调制组件40包括位于中继镜12的后焦面位置的液晶相位延迟组件41以及位于液晶相位延迟组件41后方的渥拉斯顿棱镜42。液晶相位延迟组件41采用双LCVR(Liquid Crystal Variable Retarder,LCVR，液晶相位延迟器)设计，包括依次沿光轴设置的第一液晶相位延迟器41A以及第二液晶相位延迟器41B。
经由第一中继镜30准直的星光依次经过液晶相位延迟组件41的第一液晶相位延迟器41A以及第二液晶相位延迟器41B进行偏振调制，再经由渥拉斯顿棱镜42产生双光束进行偏振解调，最后经由第一成像镜50将光束成像在探测器60上。
由此，星光首先经过星冕仪系统20后，来自望远镜的恒星衍射光子噪声被抑制，成像对比度能够达到10-6～10-7。再经过中继镜将抑制后的星光准直，依次经过两块液晶相位延迟器的偏振调制，再通过渥拉斯顿棱镜产生双光束进行偏振解调，最后经过成像镜将星光成像在探测器上，实现高对比度的偏振成像。
结合图1所示，针对系统不理想光学表面引起的散斑噪声抑制天文成像对比度的缺陷，本发明的实施例旨在根据行星光具有一定偏振的特性的特点，提出一种高对比度偏振成像系统，提高额外的对比度增益，即采用液晶相位延迟器和渥拉斯顿棱镜构成偏振调制组件，通过在液晶相位延迟器上施加不同的电压，获得不同的相位延迟量，从而对光束的偏振特性进行调制，再经过渥拉斯顿棱镜进行解调，最终获得四个Stokes偏振参数(I,Q，U，V)。其中的液晶相位延迟器是通过电压控制液晶分子的折射率来实现对光的相位延迟。
因此，通过液晶相位延迟器作为偏振调制元件，与传统用旋转波片的方式相比，无机械运动部件，可以避免机械运动产生的光束偏移对测量的影响，系统更加简单。在实现对比度增益的同时，天文偏振高对比度成像能够实现360°全工作区域，大大提高了探测效率。
针对地基天文成像仪器存在大气湍流的影响的问题，本发明实施例提出高对比度偏振成像系统，既包含对偏振态的调制，还包含通过渥拉斯顿棱镜进行解调，除了在时域上通过提高仪器的采样速度紫外，在空域上基于渥拉斯顿棱镜的特性，在相互垂直的两个方向上产生双光束，通过偏振相减技术，从而有效的抑制大气湍流的影响，同时还可以获得额外的对比度增益，能够实现～100倍的成像对比度增益。与现有技术中通过引入可变形镜的方案相比，本发明的偏振成像系统成本更低，系统简单，无机械运动部件，节约研发成本和周期，能够应用于系外行星直接成像探测。
在可选的实施例中，液晶相位延迟器可采用基于液晶控制的可变相位延迟器，尤其是达到亚毫秒级速度的液晶可变相位延迟器，适用于地基天文观测设备的使用。
在可选的实施例中，前述的液晶相位延迟器例如可以使用Meadowlark公司的高速液晶可变相位延迟器，或者Thorlabs公司生产的全波液晶可变延迟器。
在可选的实施例中，第一液晶相位延迟器41A的快轴方向位于垂直于水平面的位置，第二液晶相位延迟器41B的快轴与第一液晶相位延迟器41A的快轴成45°地布置。
渥拉斯顿棱镜42的第一透振方向与第一液晶相位延迟器41A快轴方向一致，第二透振方向与第一透振方向正交。
其中，本发明的实施例中，渥拉斯顿棱镜42的基底为石英，光束分离角度为1°，消光比>10000：1。渥拉斯顿棱镜42的透振方向分别严格垂直和平行于水平面。
结合图1所示的实施例，第一中继镜30和第一成像镜50均包括至少一个凸透镜，并且，凸透镜的焦距相同。
前述探测器60可以采用高速采样的CMOS成像探测器或者CCD成像探测器，并设置位于第一成像镜50的后焦面位置。
在可选的实施例中，星冕仪系统20采用高对比度的星冕仪系统，例如基于光瞳透过率调制、有限环带调制、调制带透过率和膜厚控制、相位调制等手段实现的星冕仪系统，经过恒星衍射光子噪声抑制，使得成像对比度能够达到10-6～10-7。
在优选的实施例中，本发明提出一种基于液晶空间光相位调制的星冕仪系统，如图2所示，采用液晶空间光调制器在焦面位置处产生灰度图，对在焦平面的成像进行相位调制，经过相位调制后的光进一步通过Lyot光阑实现轴向星光的抑制，从而实现高对比度的天文成像。
星冕仪系统
结合图2所示的实施例的星冕仪系统20包括：沿着入瞳光路依次布置的准直镜21、孔径光阑22、第二成像镜23、偏振片24以及液晶空间光调制器25；以及沿着出瞳光路依次布置的第二中继镜26、Lyot光阑27以及汇聚镜28。
在图2中，以O1表示入瞳光路的第一光轴，准直镜21、孔径光阑22、第二成像镜23、偏振片24共光轴地布置。
以O2表示出瞳光路的第二光轴，第二中继镜26、Lyot光阑27以及汇聚镜28共光轴地布置。
在图2的示例中，准直镜21用于对来自望远镜的光进行准直。
在可选的实施例中，准直镜21可采用至少一片凸透镜构成，例如双凸透镜、平凸透镜。
在另外的实施例中，准直镜21还可以采用其他的构造，例如至少一片凸透镜与至少一片凹透镜的组合实现。
孔径光阑22，用于限制入瞳光束的口径。
第二成像镜23，位于孔径光阑22的后方，并设置在准直镜21的后焦面位置。
偏振片24，位于第二成像镜23的后方，用以产生线偏振光。作为可选的示例，偏振片24消光比大于10000：1。由此，在液晶空间光调制器25上的成像进入纯相位调制模式。
结合图2所示，来自望远镜的光经过准直镜21进行准直以及经由孔径光阑22进行限制后，经由第二成像镜23和偏振片24而成像在焦平面位置，液晶空间光调制器25与入瞳光路的第一光轴O1成一定角度地设置并位于焦平面位置。
液晶空间光调制器25被设置成根据预设的拓扑数产生灰度值图像，用以对在液晶空间光调制器25上的成像进行相位调制，产生涡旋光；漩涡光经设置于出瞳光路的第二中继镜26准直后，再通过Lyot光阑27将涡旋光外围的光进行遮挡，最后经过汇聚镜28汇聚后，投射至第一中继镜30。
汇聚镜28可以是由至少一个凸透镜构成的成像镜组，用于对抑制了轴向恒星光以及杂散光后剩下的恒星和行星光进行成像。
作为可选的实施例，以第一光轴O1与焦平面的交点作为星冕仪系统的主焦点，其中，通过对液晶空间光调制器施加灰度图，产生纯相位调制，其相位图的的中心对准星冕仪系统的主焦点。
出瞳光路的第二光轴O2与入瞳光路的第一光轴O1的交点与星冕仪系统的主焦点重合。
作为可选的实施例，出瞳光路的第二光轴O2与入瞳光路的第一光轴O1之间的夹角范围为0～7°。
作为可选的实施例，出瞳光路的第二光轴O2与液晶空间光调制器20之间的夹角范围为86.5-90°。
入瞳光路的第一光轴O1的交点与液晶空间光调制器20之间的夹角范围为86.5-90°。
结合图1所示，以液晶空间光调制器25作为相位调制器，在焦平面位置通过产生灰度图对成像进行相位调制，如图3示例性的表示拓扑数l为2的灰度图的示例，根据涡旋光在相位奇点处自身的干涉相消，将轴上光推到光瞳的周围，使得出瞳位置能量绝大部分分布于边缘位置，并通过设置在出瞳位置的Lyot光阑27对光瞳周围的光进行抑制，实现对轴上恒星光的抑制，最后经由汇聚镜23将剩余的恒星光和行星光投射到第一中继镜30。
结合图1、2所示的示例，来自天文望远镜的星光(恒星、行星)首先准直为平行光，再经过孔径光阑进行限制后，成像在焦平面位置，同时在焦面处通过液晶空间光调制器25产生的灰度图进行相位调制，调制后的星光经过中继镜再次准直为平行光，然后在出瞳位置处引入Lyot光阑，对轴上恒星光和系统杂散光进行抑制，最后经过成像透镜将星光投射到第一中继镜30。
作为可选的示例，前述液晶空间光调制器25可选择Meadowlark公司生产的XY型空间光调制器，该产品相位调制量可高达6π，光能利用效率达到95％，可实现纯相位调制、纯振幅调制以及相位振幅混合调制。如此，在保证行星高透过率的同时，能够实现360°全工作区域，能够实现大区域，高透过率的高对比度系外行星直接成像。
由此，本发明以上实施例的相位引入型星冕仪系统，采用相位调制技术，在星冕仪系统焦点位置处，根据涡旋光的特点对相位进行调制，再经过Lyot光阑后，实现对轴向恒星光进行抑制。该相位调制的方法与传统的透过率调制不同，其优势在于能够获得更高的行星透过率。通过在系统焦平面位置引入液晶空间光调制器，利用涡旋光干涉相消的特性，实现高对比度成像，通过商用的液晶空间光调制器作为关键光学元件，同时可大大的降低了研发周期与成本，拓展了液晶光学器件在天文光学领域的应用。
传统的透过率调制型星冕仪系统，在抑制恒星光的同时，也会降低行星光的透过率，因此在观测时需要更长的曝光时间的积累，降低了探测效率。在本发明的实施例中，通过液晶空间光调制器的相位调制，在抑制轴上恒星光的同时，不会降低信星光的透过率，成像对比度达到10-6，可用于系外行星直接成像观测，能够解决传统透过率调制星冕仪行星透过率低的问题。
在本发明的实施例中，还可以通过调整液晶空间光调制器25施加的拓扑数从而调整其产生不同灰度值对应的灰度图像，获得不同的对比度值。
在本发明的实施例中，还可以通过调整Lyot光阑27的孔径大小以调整透过率，其中Lyot光阑27的孔径越小则透过率越小，获得的对比度越高。
在一些实施例中，本发明前述实施例的相位引入型星冕仪系统，除了在焦平面位置引入整液晶空间光调制器25进行相位调制，还在出瞳位置进行调制，根据对比度和透过率的要求，可对Lyot光阑的孔径大小进行优化，例如通过调整Lyot光阑27的孔径大小以调整透过率，其中Lyot光阑27的孔径越小则透过率越小，获得的对比度越高。
因此，在具体的探测需求下，可通过合理的选择和设计Lyot光阑的孔径尺寸，在出瞳位置获得理想的能量分布，例如在图4所示的示例的出瞳位置的强度图像，大部分能量都集中在光瞳边缘处，由此，在出瞳光路中通过Lyot光阑挡住周围恒星光，并同时抑制系统的杂散光.
在可选的实施例中，准直镜21、第二成像镜23、第二中继镜26、汇聚镜28的焦距相等，均为400mm。
星冕仪系统的工作原理
步骤1、根据对高对比度成像的具体需要，预先设定拓扑数l，在本实施例中，以l＝2为例进行说明；
步骤2、通过优化Lyot光阑的尺寸，使之与拓扑数l相匹配，设定最优的光阑尺寸和拓扑数l,例如，Lyot光阑的孔径尺寸是孔径光阑的孔径尺寸的0.8倍；
步骤3、根据设计要求，搭建星冕仪系统，星光进入到系统中，依次通过准直镜(f＝400mm),孔径光阑，第二成像镜(f＝400mm)和偏振片(消光比>10000：1)后，成像在设置与焦平面位置的液晶空间光调制器上，同时，位于焦平面位置的液晶空间光调制器施加与拓扑数l＝2相对应的灰度值图像，对成像进行相位调制，经过相位调制后产生涡旋光；
步骤4、经过第二中继镜(f＝400mm)准直后，经过出瞳位置布置的Lyot光阑22，将光瞳边缘位置的光挡掉，最后通过汇聚镜(f＝400mm)将剩余的恒星和行星光投射到第一中继镜30。
作为可选的示例，在前述步骤3中，通过MATLAB软件控制液晶空间光调制器，根据液晶空间光调制器自带的灰度值与相位延迟量的关系，MATLAB产生拓扑数l＝2的灰度值图像，然后通过MATLAB软件施加到空间光调制器上。
本发明提出的星冕仪系统，采用相位调制技术，在星冕仪系统焦点位置处，根据涡旋光的特点对相位进行调制，再经过Lyot光阑后，实现对轴向恒星光进行抑制。该相位调制的方法与传统的透过率调制不同，其优势在于能够获得更高的行星透过率。通过在系统焦平面位置引入液晶空间光调制器，利用涡旋光干涉相消的特性，实现高对比度成像，通过商用的液晶空间光调制器作为关键光学元件，同时可大大的降低了研发周期与成本，拓展了液晶光学器件在天文光学领域的应用。
高对比度偏振成像工作原理
结合图1所示的示例，第一液晶相位延迟器41A以及第二液晶相位延迟器41B被施加四组不同的电压，获得不同的相位延迟量，从而对光束的偏振特性进行调制，再经过渥拉斯顿棱镜进行偏振解调，在四种不同的调制模式下通过探测器60采四幅强度图像，通过四幅图像计算出四个Stokes分量，最终获得偏振图像。
在优选的实施例中，我们通过对液晶相位延迟器的相位延迟量校准以及测试，获得第一液晶相位延迟器41A对应的四组不同的相位延迟量如下：
[ρ1 ρ2 ρ3 ρ4]＝[315 315 225 225]
第二液晶相位延迟器41B对应的四组不同的相位延迟量如下：
[σ1 σ2 σ3 σ4]＝[305.264 54.736 125.264 234.736]
其中，ρ1 ρ2 ρ3 ρ4分别表示第一液晶相位延迟器41A的最佳相位延迟量，以使得第一液晶相位延迟器41A的响应时间最短；
σ1 σ2 σ3 σ4分别表示第二液晶相位延迟器41B的最佳相位延迟量，以使得第二液晶相位延迟器41B的响应时间最短。
从而可以进一步获得相位延迟量对应电压值，例如通过插值的方法来获得每个液晶相位延迟器对应四组不同的相位延迟量所对应的电压值。
下面我们结合具体的示例来描述本发明的高对比度偏振成像系统的实施。
步骤1、根据系统的对比度测量和偏振调制效率测量要求进行最优设计选择，在星冕仪系统20后面设计基于两块LCVR和渥拉斯顿棱镜的偏振仪，优化LCVR的快轴方向和相位延迟量组合。
对液晶相位延迟器加不同的电压，获得不同的相位延迟，根据各个元件的穆勒矩阵的不同，可以计算出输出Stokes向量与输入Stokes向量的关系：
sout＝MpM2M1
其中，Mp为渥拉斯顿棱镜一个透振方向的穆勒矩阵，M1、M2分别是第一液晶相位延迟器41A以及第二液晶相位延迟器41B的穆勒矩阵。
根据液晶相位延迟器的快轴方位角，带入到穆勒矩阵中，简化后得到：
其中ρ，σ分别代表为两块LCVR的相位延迟量。
为了获得最高的系统效率，在本发明的实施例中通过试验和选择，确定选择如下的相位组合，使得LCVR的响应时间最短，
[ρ1 ρ2 ρ3 ρ4]＝[315 315 225 225]
[σ1 σ2 σ3 σ4]＝[305.264 54.736 125.264 234.736]
根据以上的相位组合可以获得四个Stokes分量的值：
以上是渥拉斯顿棱镜的一个方向上的求解方法，其另一个方向求解方法相同，因此通过控制液晶相位延迟器的相位延迟量，即可获得四个Stokes偏振参量。
步骤2、对液晶相位延迟器的相位延迟量校准。
由于LCVR受温度等外界条件影响较大，在实际应用中需要测量出当前环境下的相位延迟与电压之间的对应关系(LUT)，将LCVR的快轴与偏振片的透振方向成45°角，分别测量当两个偏振片垂直和平行时的强度曲线，
通过计算两个方向上强度的比值，最终确定施加电压所对应的相位延迟量，并继而通过插值的方法获得[315 315 225 225]，[305.264 54.736 125.264 234.736]四组相位延迟量所对应的电压值。
步骤3、星光经过星冕仪子系统11，经过抑制可获得10-6的成像对比度，星光经过星冕仪系统后获得高对比度图像，再通过一块第一中继镜30进行准直(焦距f＝400mm)，准直光通过液晶可变延迟组件41(两块LCVR组合)，例如采用Thorlabs公司生产的全波液晶可变延迟器(型号为LCC1223-A)，其中第一块LCVR的快轴方向放置在垂直于水平面的位置，第二块LCVR的快轴与第一块的快轴成45°，渥拉斯顿棱镜一个透振方向与第一块LCVR的快轴方向一致，该渥拉斯顿棱镜基底为石英，光束分离角度1°，消光比>10000：1。
两块LCVR依次按照确定好的快轴方向精确布置安装好。渥拉斯顿棱镜放置在精密机械调整机构上，例如精密六轴调整机构上，将渥拉斯顿棱镜的两个透振方向严格的垂直和平行于水平面地安装，引入探测器60，旋转渥拉斯顿棱镜，使得两个像斑在相机靶面的同一水平方向，最后通过第一成像镜50(焦距f＝400mm)，成像在探测器上。
步骤4、通过外部控制系统对液晶可变延迟组件41施加四组不同的电压，在四种不同的调制模式下采四幅强度图像，通过四幅图像计算出Stokes分量，最终获得点扩散函数的偏振图像。这样具有偏振性的行星光清晰可见，将其从散斑噪声和剩余望远镜衍射光子噪声中分辨出来。
综上，本发明针对天文偏振成像问题，提出了一种高对比度偏振成像系统，该系统无机械运动部件，整个系统不存在电机等复杂的辅助设备，系统简单，且LCVR调制速率高，能够实现焦面全区域的高对比度偏振成像，有效的解决了系统静态散斑噪声对直接成像的影响，同时该系统兼具了空域-时域调制，通过渥拉斯顿棱镜代替了传统的线性偏振片，能够有效的解决大气视宁度对测量的影响。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，其特征在于，包括星冕仪系统(20)、中继镜(30)、基于相位调制的偏振调制组件(40)、第一成像镜(50)以及探测器(60)，其中：
星冕仪系统(20)，用于接收来自天文望远镜的星光，并对其进行抑制后输出；
中继镜(30)，位于星冕仪系统(20)的焦平面后方，用以准直星冕仪系统(20)输出的星光；
基于相位调制的偏振调制组件(40)，位于中继镜(12)的后焦面位置，用于对准直后的星光进行偏振调制和偏振解调，然后通过所述第一成像镜(50)将星光成像在所述探测器(60)上；
其中，所述基于相位调制的偏振调制组件(40)包括位于中继镜(12)的后焦面位置的液晶相位延迟组件(41)以及位于液晶相位延迟组件(41)后方的渥拉斯顿棱镜(42)；所述液晶相位延迟组件(41)包括依次沿光轴设置的第一液晶相位延迟器(41A)以及第二液晶相位延迟器(41B)；
经由中继镜(30)准直的星光依次经过液晶相位延迟组件(41)的第一液晶相位延迟器(41A)以及第二液晶相位延迟器(41B)进行偏振调制，再经由所述渥拉斯顿棱镜(42)产生双光束进行偏振解调，最后经由第一成像镜(50)将光束成像在所述探测器(60)上。
2.根据权利要求1所述的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，其特征在于，所述第一液晶相位延迟器(41A)的快轴方向位于垂直于水平面的位置，第二液晶相位延迟器(41B)的快轴与第一液晶相位延迟器(41A)的快轴成45°地布置。
3.根据权利要求2所述的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，其特征在于，所述渥拉斯顿棱镜(42)的第一透振方向与第一液晶相位延迟器(41A)快轴方向一致，第二透振方向与第一透振方向正交。
4.根据权利要求3所述的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，其特征在于，所述渥拉斯顿棱镜(42)的基底为石英，光束分离角度为1°，消光比>10000：1。
5.根据权利要求3所述的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，其特征在于，所述渥拉斯顿棱镜(42)的透振方向分别严格垂直和平行于水平面。
6.根据权利要求1所述的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，其特征在于，所述中继镜(30)和第一成像镜(50)均包括至少一个凸透镜，并且，凸透镜的焦距相同。
7.根据权利要求1所述的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，其特征在于，所述探测器(60)为CMOS成像探测器或者CCD成像探测器，并设置位于所述第一成像镜(50)的后焦面位置。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，其特征在于，所述第一液晶相位延迟器(41A)以及第二液晶相位延迟器(41B)被施加四组不同的电压，获得不同的相位延迟量，从而对光束的偏振特性进行调制，再经过渥拉斯顿棱镜进行偏振解调，在四种不同的调制模式下通过所述探测器(60)采四幅强度图像，通过四幅图像计算出四个Stokes分量，最终获得偏振图像。
9.根据权利要求8所述的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，其特征在于，所述第一液晶相位延迟器(41A)对应的四组不同的相位延迟量如下：
[ρ1 ρ2 ρ3 ρ4]＝[315 315 225 225]
所述第二液晶相位延迟器(41B)对应的四组不同的相位延迟量如下：
[σ1 σ2 σ3 σ4]＝[305.264 54.736 125.264 234.736]
其中，ρ1 ρ2 ρ3 ρ4分别表示第一液晶相位延迟器(41A)的最佳相位延迟量，以使得第一液晶相位延迟器(41A)的响应时间最短；
σ1 σ2 σ3 σ4分别表示第二液晶相位延迟器(41B)的最佳相位延迟量，以使得第二液晶相位延迟器(41B)的响应时间最短。
10.根据权利要求1所述的用于系外行星直接成像的高对比度偏振成像系统，其特征在于，所述星冕仪系统采用基于液晶空间光调制的相位引入型星冕仪系统，包括：沿着入瞳光路依次布置的准直镜、孔径光阑、第二成像镜、偏振片以及液晶空间光调制器；沿着出瞳光路依次布置的第二中继镜、Lyot光阑以及汇聚镜；
所述准直镜用于对来自望远镜的光进行准直，所述孔径光阑用于限制入瞳光束的口径；
来自望远镜的光经过所述准直镜进行准直以及经由所述孔径光阑进行限制后，经由所述第二成像镜和偏振片而成像在焦平面位置，所述液晶空间光调制器与入瞳光路的第一光轴成一定角度地设置并位于焦平面位置；
所述液晶空间光调制器被设置成根据预设的拓扑数产生灰度值图像，用以对在液晶空间光调制器上的成像进行相位调制，产生涡旋光；
所述漩涡光经设置于出瞳光路的所述第二中继镜准直后，再通过所述Lyot光阑将涡旋光外围的光进行遮挡，最后经过汇聚镜后投射到第一中继镜。
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|---|---|---|---|---|
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| CN117949394A (zh) * | 2024-03-21 | 2024-04-30 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 一种木星星震干涉偏振成像仪及成像方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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