热补偿式双折射滤光器及成像装置

本发明涉及天文光学，具体而言涉及一种热补偿式双折射滤光器及成像装置。

背景技术：

1、太阳的结构包括日核、辐射层、对流层及太阳大气等。目前对太阳物理的研究是通过对其强度和磁场的直接观测，耀斑爆发、日冕抛射物质、太阳风暴等太阳物理现象均与太阳磁场的时空演化和分布有着至关重要的联系。因此，太阳磁场的测量是太阳物理研究中非常关键的技术手段。随着对太阳物理研究的深入，需要从多波段、多视角、多尺度和高精度、高分辨率等方面对太阳大气中的各种物理活动现象进行观测，因此对太阳观测设备的精度和稳定性提出了更高的要求。当前对太阳物理的观测主要是基于地基和空基望远镜，然而复杂的外界环境变化对仪器的测量精度有着很大的影响，主要是温度变化会引起光学元件材料的折射率及物理尺寸的变化，进而引起系统光程差和相位的变化，最终导致仪器光谱图像的漂移，解决温度变化对仪器的影响至关重要。

2、传统解决温度变化的方法是通过二级的温控系统实现0.02℃的高精度温度控制，其缺陷是复杂的控制系统，由于引入了温控系统使得仪器的整体尺寸变大，对于地基观测还能满足要求，但是对于空基太阳观测设备会造成发射成本增加，稳定性降低；其次是通过旋转波片的形式对温度进行补偿，会引入多个步进电机，复杂的机械和控制结构使得仪器体积与质量增大，而且为了匹配光学元件的折射率，需要在滤光器内部填充硅油并对仪器进行密封，因此机械转动装置的存在会给仪器的稳定性带来影响。

3、此外，现有技术还尝试通过液晶相位延迟器做温度补偿，其优势是放弃了温控系统，仪器相对更加的紧凑，然而液晶是电压驱动因此还会存在控制系统，并且液晶本身的相位延迟与温度变化也有关系，当温度变化时对于标定好的电压与相位的关系已不再适用，测量精度在一定程度上也会下降。

4、当前，太阳物理研究的快速发展急需成像与测谱同时观测，能够实现这一要求的包括：光谱仪或者是光线阵列加光谱仪的组合形式，然而上述现有技术设计的仪器均比较复杂，观测系统的稳定性不佳。

技术实现思路

1、针对现有技术中对太阳成像测量天文光学系统中温度环境变化带来的谱线漂移的问题，本发明目的在于提供一种热补偿式双折射滤光器，基于偏振干涉的原理和不同双折射晶体的热光系数的不同，通过合理的配置光轴方向以及晶体的厚度实现双折射滤光器的温度补偿，缩小仪器的物理尺寸、系统的复杂度，提高仪器的稳定性。

2、根据本发明目的的第一方面，提出一种热补偿式双折射滤光器，布置在入射光瞳与探测器之间，所述热补偿式双折射滤光器由四级干涉偏振单元构成，从入射光瞳到探测器的方向，共光轴地分别布置成依次串联连接的第ⅱ级干涉偏振单元、第ⅲ级干涉偏振单元、第ⅳ级干涉偏振单元与第ⅰ级干涉偏振单元，其中：

3、每一级干涉偏振单元从左到右依次包括偏振片、冰洲石晶体、二分之一波片、冰洲石晶体、adp晶体和偏振片；其中每一级干涉偏振单元的偏振片、冰洲石晶体、二分之一波片、冰洲石晶体、adp晶体和偏振片的光学元件排列方向和光轴放置位置均相同，并且冰洲石晶体与adp晶体的厚度不同；

4、在其中一级干涉偏振单元中，以从左到右的方向，两个线性偏振片的透振方向平行，前级的线性偏振片作为起偏器，后级的线性偏振片作为检偏器，在两个线性偏振片之间依次加入冰洲石晶体、二分之一波片、冰洲石晶体与adp晶体；

5、-作为前级的冰洲石晶体的快轴与的偏振片的透振方向呈45度，作为后级的冰洲石晶体的快轴与偏振片的透振方向呈-45度，使得两块厚度相等的冰洲石晶体的快轴相互垂直分布；

6、-二分之一波片的光轴方向与偏振片的透振方向一致；

7、-adp晶体的光轴方向与后级冰洲石晶体的快轴方向一致；

8、经过前级的线性偏振片起偏后的偏振光，通过冰洲石晶体和adp晶体构成的双折射晶体时，会引起光程差，在后级的偏振片产生干涉，利用冰洲石晶体石和adp晶体同时实现热补偿，使滤光器其对温度变化的敏感性降低。

9、作为本发明的示例，本发明提出的热补偿式双折射滤光器尤其适用于太阳辐射的hα线的检测成像光路中，工作在波段656.3nm；并且进一步根据所需的半高全宽获得所需要的干涉级次，即每级干涉偏振单元的相位延迟量，确定晶体厚度，实现减小尺寸，提高稳定性的目的。

10、作为本发明的示例，按照第ⅰ级干涉偏振单元、第ⅱ级干涉偏振单元、第ⅲ级干涉偏振单元的第ⅳ级干涉偏振单元的顺序，后一级的干涉偏振单元中的冰洲石晶体厚度以及apd晶体厚度分别是前一级对应的冰洲石晶体厚度以及apd晶体厚度的2倍。对应的，第ⅱ-ⅳ级干涉偏振单元的干涉级次也依次是前一级干涉偏振单元的干涉级次的两倍关系。例如，第i级干涉偏振单元的干涉级次为m，则第ⅱ-ⅳ级干涉偏振单元的干涉级次分别为2m、4m和8m。

11、根据本发明提出的热补偿式双折射滤光器的设计，采用了不同的双折射晶体材料通过光轴的合理放置补偿因温度变化引起的相位差变化，不同材料晶体的双折射率不同，热光系数也不同，基于此解决温度变化引起的谱线漂移的问题。本发明设计提出的热补偿式双折射滤光器，实现了仪器的温度补偿，系统无任何的电控、温控和机械装置，减小了仪器的物理尺寸，大大提高了仪器的稳定性。

12、根据本发明目的的第二方面，还提出一种采用上述热补偿式双折射滤光器的成像装置，包括前述的热补偿式双折射滤光器以及探测器，上述热补偿式双折射滤光器设置在入射光瞳与探测器之间；

13、通过热补偿式双折射滤光器实现空基和地基太阳观测需求的稳定性高的滤光器，对经由入射光瞳入射的光束进行滤光处理，并射入探测器进行实时成像。

14、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。

15、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。

技术特征：

1.一种热补偿式双折射滤光器，其特征在于，所述热补偿式双折射滤光器布置在入射光瞳与探测器之间，并且由四级干涉偏振单元构成，从入射光瞳到探测器的方向，共光轴地分别布置成依次串联连接的第ⅱ级干涉偏振单元、第ⅲ级干涉偏振单元、第ⅳ级干涉偏振单元与第ⅰ级干涉偏振单元，其中：

2.根据权利要求1所述的热补偿式双折射滤光器，其特征在于，所述热补偿式双折射滤光器适用于太阳辐射的hα线的检测成像光路中，工作在波段656.3nm。

3.根据权利要求1所述的热补偿式双折射滤光器，其特征在于，每一级干涉偏振单元中的两个冰洲石晶体采用相同的结构和设计，并且具有相同的厚度，其快轴呈90°，以实现光程差相减。

4.根据权利要求1所述的热补偿式双折射滤光器，其特征在于，按照第ⅰ级干涉偏振单元、第ⅱ级干涉偏振单元、第ⅲ级干涉偏振单元的第ⅳ级干涉偏振单元的顺序，后一级的干涉偏振单元中的冰洲石晶体厚度以及apd晶体厚度分别是前一级对应的冰洲石晶体厚度以及apd晶体厚度的2倍。

5.根据权利要求4所述的热补偿式双折射滤光器，其特征在于，第ⅱ-ⅳ级干涉偏振单元的干涉级次依次是前一级干涉偏振单元的干涉级次的两倍关系。

6.根据权利要求4所述的热补偿式双折射滤光器，其特征在于，所述冰洲石晶体的双折射率为0.1695，半高全宽fwmh≤0.025nm，确定得到第i级干涉偏振单元的干涉级次为m为1454，并以此确定第ⅱ-ⅳ级干涉偏振单元的干涉级次分别为2m、4m和8m。

7.根据权利要求4所述的热补偿式双折射滤光器，其特征在于，所述第ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ级干涉偏振单元中，冰洲石晶体和adp晶体的厚度组合为：(7.5345，7.1205)、(15.0690，14.2410)、(30.1380，28.4820)以及(60.2760，56.9640)。

8.根据权利要求3所述的热补偿式双折射滤光器，其特征在于，所述热补偿式双折射滤光器基于热光效应补偿因温度变化引起的谱线漂移，使得滤光器工作波长始终稳定在656.3nm位置，因温度变化引起的谱线中心波长的波动范围小于等于0.002nm。

9.一种成像装置，其特征在于，包括探测器以及所述权利要求1-8中任意一项所述的热补偿式双折射滤光器，所述热补偿式双折射滤光器设置在入射光瞳与所述探测器之间；

技术总结
本发明提供一种热补偿式双折射滤光器及成像装置，该热补偿式双折射滤光器采用四级串联式的干涉偏振单元设计，第Ⅲ、Ⅳ级干涉偏振单元放置在中间，第Ⅰ级、第Ⅱ级干涉偏振单元放置在两侧。每个干涉偏振单元基于干涉偏振的原理，以两块不同折射率温度系数的双折射晶体为基础，通过光轴的合理放置补偿因温度变化引起的相位差变化，不同材料晶体的双折射率不同，热光系数也不同，解决温度变化引起的谱线漂移问题，使工作波长始终稳定在656.3nm处(即太阳的Hα线)，谱线中心波长波动范围不超过0.002nm。本发明设计的热补偿式双折射滤光器，系统无任何的电控、温控和机械装置，可减小仪器的物理尺寸，提高仪器的稳定性。

技术研发人员：刘成超,赵洁,仪慧丽
受保护的技术使用者：临沂大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13