基于分光瞳的天文偏振光谱仪系统

本发明涉及天文偏振测量，具体而言涉及一种基于分光瞳的天文偏振光谱仪系统，用于天文偏振光谱测量。

背景技术：

1、天文观测的本质是对电磁波的观测，其有三个基本特征：强度、频率和偏振。在光学和近红外终端仪器中，测光和光谱仪器占了绝大多数，这些仪器并不能获得目标的偏振信息。然而，散射过程、磁场源周围的塞曼效应以及同步辐射等现象的物理机制，都蕴含在观测天体目标的偏振光中。在科学应用方面，偏振光谱测量在天文观测中有着广阔的应用前景，偏振光谱可以为天文理论模型研究的解释和预测提供重要的科学依据。

2、目前，偏振仪设计都是通过利用特定角度的偏振片或者偏振分束器来实现stokes参数的测量，如果要对全stokes(i、q、u)进行测量，则需要将入射光分解成三个或多个角度。常用的技术方法是通过旋转偏振片前的半波片，该技术的缺陷是旋转波片会引起光束的漂移，导致测量精度和同步性差；另一种方法是用不同偏振角度的偏振片，如安装在哈勃望远镜巡天相机上的偏振仪采用了三片偏振片，其旋转角度间隔为60°，偏振片可以放置在滤光片旋转轮上，由于偏振片只允许1/2的光通过，因此该设计通光效率较低；也可以用偏振分束器(如沃拉斯顿棱镜)代替偏振片，将光束分成两束光降低系统光损失，一次拍照可以获得两个方向的偏振信息，旋转一次就可以获得全部的线性偏振信息，实际使用中通常旋转多个角度以便有足够的数据消除系统误差。

3、然而，无论是采用旋转波片还是不同角度偏振片的设计，电控机械旋转机构的存在增加了系统的复杂性和不稳定性，且不能同时获得线性偏振分量(q、u)，在不同的曝光时序下计算的结果存在误差，不能实现同步计算，而且由于机械转动带来的光束漂移，也导致计算结果的精度下降。偏振仪必须要结合传统的光栅或者棱镜光谱仪，导致偏振光谱仪光学系统整体尺寸大而且复杂。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种用于天文偏振光谱测量的高精度偏振测量系统，通过分光瞳的设计，采用四分之一波片和液晶偏振光栅的偏振调制与解调的组合，通过一次曝光即可获得不同波长的全部线性stokes参量q、u，实现对天体目标的偏振光谱测量。

2、根据本发明目的的第一方面，提出一种基于分光瞳的天文偏振光谱仪系统，包括：

3、沿入射望远镜的光依次布置的入射狭缝、准直镜、孔径光阑、拼接式四分之一波片(qwp)、液晶偏振光栅(lcpg)、成像镜以及探测器；

4、其中，准直镜用于对来自望远镜的光进行准直，孔径光阑用于限制入瞳光束的口径；

5、拼接式四分之一波片是由快轴成45°夹角的半片拼接而成；

6、液晶偏振光栅是由光栅方向成90°夹角的半片拼接而成，通过分光瞳的方式实现偏振信息的调制与解调；

7、光束经过狭缝后通过准直镜准直在拼接式四分之一波片和液晶偏振光栅上，最终经过成像镜将调制后的光成像在探测器上。

8、所述的天文偏振光谱仪系统，其中拼接式四分之一波片与液晶偏振光栅的设计组合，构成偏振解调组合，该套调制组合可装在滤光片旋转轮上，如果需要对圆偏振光进行测量可以将其旋转出来，由于偏振光栅将光瞳分成两部分，且色散方向垂直，每一部分被偏振光栅分成左旋圆偏振光及右旋圆偏振光，因此在探测器靶面上将光色散到四个象限中，最后经过成像镜将调制后的光成像在探测器上。

9、在本发明的示例中，基于分光瞳的设计，可以一次曝光同时获得线性stokes参量，而传统的偏振光谱仪需要测量多次不同调制模式下的光谱强度得到stokes参量，这大大减小了大气湍流对实际观测数据的影响，有效的提高了观测效率。

10、在另一些示例中，当移开拼接式四分之一波片时，该天文偏振光谱仪系统可以直接测圆偏振分量的光谱，进而对全stokes参量进行测量，因此，该天文偏振光谱仪系统可配置两个工作模式。

11、作为可选的示例，基于分光瞳的天文偏振光谱仪系统，包括：沿仪器光轴方向的望远镜焦面光通过狭缝；以及沿着光轴方向依次布置的准直镜、孔径光阑、拼接式四分之一波片、拼接式液晶偏振光栅、成像镜与探测器；

12、其中，所述准直镜用于对来自望远镜的光束进行准直；所述孔径光阑用于限制入瞳光束的口径；所述拼接式四分之一波片是由快轴成45°夹角的半片拼接而成；所述拼接式液晶偏振光栅是由光栅方向成90°夹角的半片拼接而成；

13、所述拼接式四分之一波片与拼接式液晶偏振光栅的组合，通过分光瞳的方式实现偏振信息的调制与解调；

14、来自望远镜的光束经过狭缝后，经由准直镜准直后投射在拼接式四分之一波片和拼接式液晶偏振光栅上，然后经过成像镜调制后成像到位于成像镜的焦平面位置的探测器。

15、作为可选的示例，所述拼接式四分之一波片，其中一个快轴的方向与水平方向平行，另外一个快轴与水平方向呈45°。拼接式四分之一波片的工作波段范围为325nm-1100nm。

16、作为可选的示例，所述拼接式液晶偏振光栅由刻线方向相互垂直的两片拼接而成，一半刻线方向与水平方向呈-45°，另一半刻线方向与水平方向呈45°。所述拼接式液晶偏振光栅(5)由液晶聚合物双折射材料制成。

17、作为可选的示例，拼接式四分之一波片与拼接式液晶偏振光栅的组合被安装在可调节的滤光片旋转轮上。在需要对圆偏振光进行测量时，可将拼接式四分之一波片qwp旋转出来，由于拼接式液晶偏振光栅将光瞳分成两部分，且色散方向垂直，每一部分被偏振光栅分成左旋圆偏振光及右旋圆偏振光，因此在探测器靶面上将光色散到四个象限中。最后经过成像镜将调制后的光成像在探测器上。

18、作为可选的示例，在拼接式四分之一波片与拼接式液晶偏振光栅构成的偏振调制模式中，在拼接式液晶偏振光栅之前配置超消色差拼接式四分之一波片，在拼接式四分之一波片的快轴方向与拼接式液晶偏振光栅的刻线方向平行放置以及成45°时，基于偏振光学中琼斯矩阵，当光束经过拼接式四分之一波片与拼接式液晶偏振光栅后，基于衍射的正负一级部分的磁场分布，结算获得拼接式四分之一波片与拼接式液晶偏振光栅组合的衍射效率，由此得出在不同的角度组合形式下通过正负一级的衍射效率相减、正负一级效率相加的结果，通过二者相除得到归一化的q′和u′的计算公式：

19、

20、

21、其中，η-1表示光束经过拼接式四分之一波片和拼接式液晶偏振光栅后的负极衍射效率，η+1表示光束经过拼接式四分之一波片和拼接式液晶偏振光栅后的正极衍射效率，q′和u′分别表示归一化的线性偏振分量q和u。

22、由此，基于本发明提出的拼接式四分之一波片与液晶偏振光栅的设计组合的偏振解调模式，在天文偏振光谱仪系统使用时，可通过一次曝光即可无延迟、无光学偏移地获得目标全部的线性stokes偏振参量q和u；并且，在测量圆偏振光的光谱时，可将拼接式四分之一波片旋转出来(即移出)，直接实现对圆偏振光的分量v的测量，进而对全stokes参量进行测量，大大提高了探测效率。

23、与现有技术相比，本发明提出的天文偏振光谱仪系统，基于拼接式四分之一波片与液晶偏振光栅的(拼接式qwp+lcpg组合)设计方案，即快照式线性stokes参量偏振光谱仪，观测效率高。lcpg代替了偏振片与普通光栅，进一步减少了光损失，且该系统无机械转动光学元件，避免了光束抖动、飘逸造成的测量精度下降，同时一次曝光即可无延迟、无光学偏移地获得目标全部的线性stokes偏振参量q和u，大大减小了大气湍流对实际观测数据的影响，有效的提高了观测效率。

24、同时，本发明的天文偏振光谱仪系统不采用传统的光栅结构设计，仪器物理尺寸小，系统简单，降低了研发周期和成本，因此可以作为访问仪器与小口径望远镜对接观测，或与小口径望远镜构成robot spectropolarimeter进行光谱偏振巡天或对某些特殊星体长时间偏振监测，同时该系统紧凑无机械运动的特性，非常适用于空间天文仪器对天体目标的偏振光谱测量。

25、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。

26、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。