一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪

本发明属于成像光谱，具体涉及一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪。

背景技术：

1、向气态行星内部能量表面传输的对流运动驱动着气态行星大气内部自然声波的叠加，叠加后的声波传播至行星大气表面时引起大气震荡，震荡的频率与模式蕴含着行星内部结构的信息，并且阶数越高，蕴含的信息越丰富。因为叠加后的声波引起的大气震荡会造成气态行星反射太阳光谱谱线的多普勒频移，所以若能探测得到行星表面反射太阳光谱的多普勒频移，就能反演得到行星表面的震荡模式，从而得到行星内部结构。

2、干涉仪是实现以上探测目的的重要手段。当已知光谱的光束入射至干涉仪时，谱线的多普勒频移会使得干涉条纹产生相移，因此可以将频谱测量问题转换为干涉条纹的相位测量问题。常用的干涉仪结构有michelson结构、f-p结构和m-z结构，相同条件下，m-z干涉仪更容易实现高精度和高稳定性。因此本发明为了实现对目标行星高阶震荡模式的高精度测量，选用了m-z干涉仪结构，并对其进行了进一步改进。同时，多相位图像可以提高高阶星震的探测精度，为了同时实现对目标反射太阳频谱的多相位测量，本发明综合考虑增加了wollaston棱镜偏振模块，与干涉仪模块配合以实现探测目的。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪。本发明由准直系统，分光系统，聚焦系统组成，在工作波段能够实现良好成像的能力。全系统结构紧凑，核心模块分光系统具有良好的稳定性，适用于遥感领域。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪，由准直系统、分光系统和聚焦系统组成；所述准直系统由滤波片、第一凸透镜、凹透镜、第一弯月透镜组成；所述分光系统由干涉仪模块、wollaston棱镜偏振模块组成；所述干涉仪模块由第一棱镜、第二棱镜组成；所述wollaston棱镜偏振模块由第一wollaston棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第二wollaston棱镜组成；所述聚焦系统由第二凸透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜、第一探测器、第三凸透镜、第四弯月透镜、第五弯月透镜、第二探测器组成；

4、待测目标表面反射的太阳光谱经望远镜系统成像至所述滤波片，过滤掉杂光光谱，再经过第一凸透镜、凹透镜、第一弯月透镜准直为平行光；准直后的平行光入射至第一棱镜与第二棱镜之间的分界面发生干涉，出射两路相差π相位的两束干涉光，两束干涉光分别经过第一wollaston棱镜和第二wollaston棱镜，分为四束偏振光；所述第一棱镜的出射干涉光入射至第一wollaston棱镜，分为两束相差π/2相位的偏振光，而后这两束偏振光分别经第二凸透镜、第二弯月透镜和第三弯月透镜聚焦成像在第一探测器上；第二棱镜的出射干涉光经第一平面反射镜和第二平面反射镜调整光束方向，与第一棱镜的出射光方向平行；调整方向后的光束入射至第二wollaston棱镜，分为两束相差π/2相位的偏振光，而后两束偏振光分别经第三凸透镜、第四弯月透镜和第五弯月透镜聚焦成像在第二探测器上；即四束偏振光再由两组聚焦透镜组成像在两个探测器上，获得同一场景的各相差π/2相位的四个像。

5、进一步地，所述第一探测器和第二探测器为像元尺寸为9微米，4096×4096像元面阵ccd探测器，在nyquist频率下全视场的mtf均大于0.55。

6、进一步地，所述第一棱镜和第二棱镜材料不同，胶合形成所述干涉仪模块，两者分界面上镀半透半反膜。

7、进一步地，其工作中心波长为519.5nm，带宽为2nm，f数为10。

8、进一步地，按照气态行星的反射太阳光谱观测的要求选择合适的中心波长和波段，并更换光学系统的滤波片以实现观测。本发明的优点如下：

9、(1)系统物面设置滤光片，用于过滤掉518.5nm-520.5nm带外的杂光，截止带外的透过率≤1％；

10、(2)分光系统由干涉仪模块与wollaston棱镜偏振模块组成。干涉仪模块为改进型m-z干涉仪系统，由两个不同材料的棱镜胶合而成，在第一棱镜和第二棱镜的分界面镀半透半反膜，可以实现入射光分光。因为两棱镜材料不同，透射光与反射光走过的光程不同，存在光程差，所以当两束光相交时会发生干涉，同时相位产生偏移。通过第一平面反射镜和第二平面反射镜对第二棱镜的出射光方向进行调整，使其与第一棱镜的出射光方向平行。

11、wollaston棱镜偏振模块由第一wollaston棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第二wollaston棱镜组成。wollaston棱镜由两个直角棱镜粘合而成，其中直角棱镜的粘合面与入射面的夹角为35°，两直角棱镜的光轴互相垂直。因为入射至两个wollaston棱镜的光束是互相平行的光束，wollaston棱镜之间也保持平行，所以wollaston棱镜的出射光之间也相互平行。后续的聚焦系统可以使用两组透镜组对出射光进行聚焦成像。

12、(3)准直系统、分光系统、聚焦系统分别进行设计，然后进行匹配优化，获得最终优化系统设计。

13、本发明能够同时获取同一场景4个不同相位的特征图像；核心模块结构紧凑，稳定性良好；具备良好的工程应用性。

技术特征：

1.一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪，其特征在于：由准直系统、分光系统和聚焦系统组成；所述准直系统由滤波片、第一凸透镜、凹透镜、第一弯月透镜组成；所述分光系统由干涉仪模块、wollaston棱镜偏振模块组成；所述干涉仪模块由第一棱镜、第二棱镜组成；所述wollaston棱镜偏振模块由第一wollaston棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第二wollaston棱镜组成；所述聚焦系统由第二凸透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜、第一探测器、第三凸透镜、第四弯月透镜、第五弯月透镜、第二探测器组成；

2.根据权利要求1所述的一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪，其特征在于：所述第一探测器和第二探测器为像元尺寸为9微米，4096×4096像元面阵ccd探测器，在nyquist频率下全视场的mtf均大于0.55。

3.根据权利要求1所述的一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪，其特征在于：所述第一棱镜和第二棱镜的材料不同，胶合形成所述干涉仪模块，两者分界面上镀半透半反膜。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪，其特征在于：其工作中心波长为519.5nm，带宽为2nm，f数为10。

5.根据权利要求1-3之一所述的一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪，其特征在于：按照气态行星的反射太阳光谱观测的要求选择合适的中心波长和波段，并更换光学系统的滤波片以实现观测。

技术总结
本发明公开了一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪。本发明设计的系统工作中心波长为519.5nm，带宽2nm；系统由准直系统、分光系统、聚焦系统三个模块构成，其中分光系统是系统核心模块，由干涉仪模块和Wollaston棱镜偏振模块组成。干涉仪模块由两块不同材料的棱镜胶合而成，可输出两路相差π相位的干涉光。干涉光入射至Wollaston棱镜后，被分为相差π/2相位的四束偏振光。系统可同时获取同一场景的4个不同相位的特征图像。本发明中的干涉偏振成像光谱仪结构紧凑，核心模块具有良好的稳定性，并且在Nyquist频率下全视场的MTF均大于0.55，具备良好的成像质量。

技术研发人员：郑姗姗,于磊,罗晓乐,吴骕,陈素娟,汪涛,顾家鹏,武艺
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13