Спектрометр-поляриметр для досліджень небесних об`єктів

1. Спектрометр-поляриметр для досліджень небесних об'єктів, який містить об'єктив для формування зображення небесних об'єктів, аналізатор, який включає в себе поляризаційну призму, і фазовий елемент, який обертається за допомогою електроприводу, коліматор, який включає в себе об'єктив і діафрагму, проекційний об'єктив, диспергуючий елемент, фо топриймач і заслінку, який відрізняє ться тим, що додатково має оптичну призму між диспергуючим елементом і проекційним об'єктивом, яка жорстко скріплена з диспергуючим елементом, аналого-цифровий перетворювач, блок керування і обчислення інформації, блок керування електроприводом фазового елемента, принаймні одна із граней введеної оптичної призми розміщена під кутом повного внутрішнього відбиття до променів з довжинами хвиль, які відповідають вимірювальному спектральному діапазону, об'єктив коліматора виконано з фокусною відстанню, більшою ніж фокусна відстань проекційного об'єктива, фотоприймач виконаний у вигляді приладу з зарядовим зв'язком, вихід якого електрично зв'язаний із входом аналогоцифрового перетворювача, диспергуючий елемент виконаний таким чином, що кут між диспергованими променями, довжини хвиль яких відповідають 2 (19) 1 3 85466 Винахід, що заявляється, відноситься до вимірювальної техніки, зокрема до оптико-електронних приладів для вимірювання параметрів поляризації світла відбитого від небесних об'єктів. Ці параметри дозволяють виміряти склад і товщину атмосфери небесних об'єктів, наявність на них аерозолів і пилу, і багато інших властивостей небесних об'єктів. Є спектрометр, [патент ЕР1178293А1 від 05.06.2000р.], до складу якого входить щілина для введення світлових променів, коліматор, диспергуюча система у вигляді дво х призм, засоби декодування і детектор. Коліматор містить сферичне вогнуте дзеркало і пластину Шмідта. Промені світла, які увійшли в щілину спектрометра формуються коліматором в паралельний пучок світла. Після проходження променів через призми диспергуючої системи пучок світла розкладається по спектру. Засоби фокусування, у вигляді дзеркального об'єктиву з пластиною Шмідта, формують на детекторі ряд зображень щілини, які відрізняються між собою по довжині хвилі. Зображення щілини перетворюються детектором в електричні сигнали. Цей спектрометр вимірює величину світлового потоку на різних довжинах хвиль, але не вимірює його параметри поляризації. Є вимірювач ступеня поляризації, [патент JP6084911B4 від 31.03.87р.], до складу якого входить модулятор Фарадея, два світлоподільники, три аналізатори, три детектори, регулятор, а також блок управління і обчислення. Після проходження світлового потоку через модулятор Фарадея площина поляризації повертається на певний кут в залежності від сигналу, що подається на модулятор. Після модулятора Фарадея світловий потік розподіляється на три пучки світла за допомогою двох світлоподільників. Кожний пучок світла проходить через аналізатор. Площини поляризації аналізаторів розташовані під кутом одна до одної. Після аналізаторів пучки світла потрапляють на детектори, які вимірюють їх величину. По даних величинах блок управління і обчислення виробляє сигнал на регулятор, який управляє модулятором, а також визначає ступінь поляризації світла. В цьому вимірювачі використовуються три детектори (фотоприймачі). Відомо, що технічні параметри фотоприймачів відрізняються між собою і змінюються від температури і в часі по різному. Різниця між параметрами приводить до похибок у вимірюванні. Крім того, амплітуда повороту площини поляризації невелика, що не дозволяє одержати високу чутливість вимірювача. Модулятор Фарадея має великі габарити і для створення необхідного магнітного поля потребує багато електроенергії. Цей вимірювач також не дозволяє проводити вимірювання ступені поляризації на декількох довжинах хвиль. Найбільш близьким за технічною суттю до винаходу, що заявляється, є відомий спектрометрполяриметр, прийнятий як найближчий аналог [Космічна наука і технологія 2002 т. 8. №5/6 с 3942 (рис. 6), 43 і 45-50].Цей пристрій містить об'єктив для формування зображень небесних об'єктів, аналізатор, який містить в собі поляризаційну призму і фазовий елемент, який обертається за допо 4 могою електроприводу, коліматор, який містить в собі об'єктив і діафрагму, проекційний об'єктив, диспергуючий елемент у вигляді дифракційної ґратки, фільтр, фотоприймач, заслінку і калібрувальний пристрій. Диспергуючий елемент розташований між об'єктивом коліматора і проекційним об'єктивом. Калібрувальний пристрій складається з допоміжного дзеркала, калібрувальної призми, допоміжного об'єктива і допоміжного фотоприймача. В цьому пристрої об'єктив телескопа формує зображення небесного об'єкта в площині діафрагми, яка знаходиться у фокальній площині об'єктива коліматора. Після щілини світловий потік проходить обертаючий фазовий елемент і поляризаційну призму. Величина і фаза зміни амплітуди сві тлового потоку несе інформацію про компоненти вектора Стокса, тобто інформацію про параметри поляризації світлового потоку. Далі світловий потік проходить через об'єктив коліматора, який формує його в паралельний пучок світла і через фільтр. Пучок світла, після проходження через диспергуючий елемент, розкладається на віяло пучків, які відрізняються між собою тим, що кожний із них має різні довжини хвиль. Це віяло пучків проектується проекційним об'єктивом на фотоприймач у вигляді ряду зображень діафрагми. Так як фільтр не повністю гасить світло, яке не відповідає вимірювальному спектральному діапазону, то до фо топриймача доходять пучки світла в широкому спектральному діапазоні. На світлочутливу площадку фотоприймача також приходять відблиски від оптичних деталей і захисного скла фотоприймача. Це неробоче світло створює шумові сигнали, які зменшують відношення сигнал-шум і відповідно точність вимірювання. Особливо погані відношення виникають при вимірюванні поляризаційних параметрів неяскравих планет і комет у фіолетовому і ультрафіолетовому діапазоні. Як відомо, в цьому спектральному діапазоні відбите від планет і комет світло на декілька порядків менше ніж світло в зелено-жовтому діапазоні спектра. Крім того, амплітуда сигналу в ультрафіолетовому діапазоні спектра від комет і далеких від Сонця планет сумірна з величиною шумів фотоприймача, що також зменшує точність вимірювання. В основу винаходу поставлено завдання створити пристрій для точного вимірювання поляризаційних параметрів досліджуваного світла (компонентів вектора Стокса або ступінь поляризації і кут між площинами поляризації світла і поляризатора) неяскравих планет і комет у фіолетовому і ультрафіолетовому спектральному діапазоні. Для вирішення поставленого завдання в спектрометрі-поляриметрі для дослідження небесних об'єктів, який містить об'єктив для формування зображень небесних об'єктів, аналізатор, який включає в себе поляризаційну призму і фазовий елемент, який обертається за допомогою електроприводу, коліматор, який включає в себе об'єктив і діафрагму, проекційний об'єктив, диспергуючий елемент, фотоприймач і заслінку, між диспергуючим елементом і проекційним об'єктивом введена оптична призма, яка жорстко скріплена з диспергуючим елементом, введений також аналого 5 85466 6 цифровий перетворювач, блок управління і обчисржати прилад з невеликими габаритами і малою лення інформації, блок управління електропривовагою. дом фазового елемента. Принаймні одна із граней Суть винаходу пояснюється рисунком (Фіг.1), введеної оптичної призми розміщена під кутом на якому зображено об'єктив 1, для формування повного внутрішнього відбиття до променів, довнебесних об'єктів, аналізатор 2, який складається жина хвилі яких відповідає вимірювальному спектз поляризатора 3, фазового елемента 4, редукторальному діапазону. Об'єктив коліматора виконара 5 і мотора 6 електроприводу, об'єктив 7, діафно з фокусною відстанню більшою ніж фокусна рагма 8 коліматора, диспергуючий елемент 9, опвідстань проекційного об'єктива. Фотоприймач тична призма 10, проекційний об'єктив 11, виконаний у ви гляді приладу з зарядовим зв'язком, фотоприймач 12, заслінка 13, аналого-цифровий вихід якого електронне зв'язаний із входом аналоперетворювач 14, блок управління і обчислення го-цифрового перетворювача. Диспергуючий елеінформації 15, блок управління електроприводом мент виконаний таким чином, що кут між дисперфазового елемента 16, електропривод заслінки гованими променями, довжини хвиль яких 17, джерело світла 18, додатковий фотоприймач відповідають краям вимірювального спектрально19, непрозорий диск 20 з великим центральним го діапазону, дорівнює куту між лініями, які з'єднуотвором 21 і малим отвором 22, промінь 23, довють центр проекційного об'єктива і краї робочої жина хвилі якого відповідає одному із країв вимічастини світлочутливої площадки фотоприймача і рювального спектрального діапазону, промінь 24 більший ніж в десять разів кутового розміру діафдовжина хвилі якого відповідає другому краю вирагми. Електромотор електроприводу фазового мірювального спектрального діапазону, промінь елемента, виконаний у ви гляді крокового мотору, 25, який не відбивається від грані, а проходить її. вхід якого електрично зв'язаний з виходом блока Фазовий елемент 4 обертається навколо оптичної управління електроприводом фазового елемента, вісі за допомогою електроприводу у вигляді редуквхід якого електрично зв'язаний з першим виходом тора 5 і мотора 6. Диспергуючий елемент 9 розтаблока управління і обчислення інформації, другий шований між об'єктивом коліматора 7 і введеною вихід якого електрично зв'язаний із входом прилаоптичною призмою 10. В якості диспергуючого ду з зарядовим зв'язком, третій вихід - з електроелемента може бути призма, дифракційна гратка приводом заслінки, а вхід - з виходом аналогочи еталон Фабрі-Перо. Оптична призма 10 розтацифрового перетворювача. При цьому блок шовується перед проекційним елементом 11 і жоуправління і обчислення виконаний з можливістю рстко закріплена з диспергуючим елементом. Із запам'ятовування і обчислення сигналів, одержаоб'єктива 7 коліматора виходить паралельний пуних від аналого-цифрового перетворювача, чок світла. Одна із граней оптичної призми 10 розуправління електроприводом і забезпечення ташована під кутом повного внутрішнього відбиття управління і часу експозиції приладу з зарядовим до променів, довжина хвилі яких відповідає вимізв'язком, і блок управління електроприводом фарювальному спектральному діапазону. При вимізового елемента виконаний з можливістю утрирюванні поляризаційних параметрів в ультрафіомання ротора крокового мотора в спокої в кожному летовій області спектра в якості оптичної призми із положень фазового елемента. можна використовува ти призму типу прямокутної з Крім того, в спектрометр-поляриметр введені одною відбиваючою гранню. Ця призма відрізає джерело світла, додатковий фотоприймач і непровидиму та інфрачервону частину спектра, а далезорий диск з великим центральним отвором і хоч з ка ультрафіолетова частина настільки мала, що одним малим отвором. Диск скріплений з фазовим немає потреби її відрізати. Можна обрізати спектр елементом таким чином, що центр великого отвовипромінювання з двох боків. Для цього треба виру співпадає з центром фазового елемента, а лікористати призму з двома відбиваючими гранями, нія, яка з'єднує центр великого отвору з малим наприклад, призму типу БР-180°. Об'єктив 7 коліотвором, паралельна чи перпендикулярна оптичматора виконаний з фокусною відстанню більшою ній вісі фазового елемента і співпадає з одним із ніж фокусна відстань проекційного об'єктива 11. положень спокою ротора крокового мотора. При Таке виконання об'єктивів дозволяє підвищити цьому джерело світла оптично зв'язано через мавеличину відносного отвору об'єктива 11, що відлий отвір з додатковим фотоприймачем, вихід повідно дозволяє збільшити світлову енергію, яка якого електрично зв'язаний з другим виходом блопроходить на світлочутливий елемент фотоприйка управління і обчислення інформації, четвертий мача 12, який виконаний у вигляді приладу з зарявихід блока електрично зв'язаний з джерелом свідовим зв'язком . Диспергуючий елемент 9 виконатла. ний таким чином, що кут між крайніми Таке виконання спектрометра-поляриметра диспергованими променями 23 і 24, довжини дозволяє одержати високу чутли вість і точність хвиль яких відповідають краям вимірювального вимірювання поляризаційних параметрів світла спектрального діапазону, дорівнює куту між лініянеяскравих планет у фіолетовому і ультрафіолеми, які з'єднують центр проекційного об'єктива 11 і товому діапазоні спектра, за рахунок збільшення краї робочої частини світлочутливої площадки відношення сигнал-шум. Крім того, точність виміфотоприймача 12 і більший ніж в десять разів курювання збільшується за рахунок зменшення тового розміру діафрагми 8. Від кожної ділянки впливу ширини діафрагми на вимірювальний спекдіафрагми диспергуючий елемент 9 створює віяло тральний діапазон і більш точного знання кута променів, які відрізняються між собою тим, що повороту фазового елемента, за допомогою додакожний із них має різні довжини хвиль. Так як діткового фотоприймача і джерела світла. При цьолянки діафрагми 8 симетрично зміщені між собою, му запропоноване технічне рішення дозволяє одето віяла променів від кожної ділянки складаються 7 85466 8 між собою з кутовим зміщенням, яке дорівнює куположення спокою. Пучки світла від небесного товому розміру діафрагми (кут створений лініями, об'єкта попадають на об'єктив 1. Після нього пучки які з'єднують центр об'єктива 7 з краями діафрагсвітла проходять через фазовий елемент 4 і полями). В зв'язку з чим, на світлочутливий елемент ризатор 3 аналізатора 2. Діафрагма 8 вирізає із фотоприймача 12 будуть попадати промені різних зображення планети її частину, яка підлягає видовжин хвиль. Чим більше буде відношення кута вченню. Об'єктив 7 перетворює пучки світла, які між крайніми диспергованими променями і кутопройшли діафрагму 8 в паралельні. Перетворені вим розміром діафрагми 8, тим менший спектр пучки світла розкладаються диспергуючим елемехвиль буде попадати на кожний світлочутливий нтом 9 на віяло пучків, які відрізняються між собою елемент фотоприймача 12. тим, що кожний із них має інші довжини хвиль. Мотор 6 електроприводу фазового елемента Призма 10 обрізає частину пучків світла (з одного виконаний у вигляді крокового мотора, вхід якого чи з двох боків вимірювального спектрального електрично зв'язаний з виходом блока управління діапазону) і направляє виділені пучки світла на 16 електроприводу фазового елемента, вхід якого об'єктив 11. Об'єктив 11 проектує віяло пучків на електрично зв'язаний з першим виходом блока прилад з зарядовим зв'язком 12, який після встауправління і обчислення інформації 15. Вихід фоновлення фазового елемента 4 в положення спотоприймача 12 електрично зв'язаний виходом кою, включається блоком 15 в режим експозиції. аналого-цифрового перетворювача 14. Блок По закінченні режиму експозиції прилад з зарядоуправління і обчислення інформації 15 виконаний вим зв'язком переводиться в режим зчитування. з можливістю запам'ятовування і обчислення сигСигнали з кожного елемента приладу 12 поступаналів, одержаних від аналого-цифрового перетвоють на аналого-цифровий перетворювач 14, який рювача 14, управління електроприводами 5, 6 і 17 перетворює амплітуди сигналів з кожного елемені часом експозиції приладу з зарядовим зв'язком та в цифрову форму. Із перетворювача 14 сигнали 12. Другий вихід блока 15 електрично зв'язаний з поступають в блок 15, де запам'ятовуються. Після входом приладу з зарядовим зв'язком 12, третій запам'ятовування величин сигналів блок 15 дає на вихід - з електроприводом заслінки 13, а вхід - з блок 16 команду на поворот фазового елемента 4 виходом аналого-цифрового перетворювача 14. на відомий кут з відповідним числом кроків кратБлок управління електроприводом фазового еленому кроку мотора 6. Частіше всього кут повороту мента 16, виконаний з можливістю утримання родорівнює 22, 5°, але величина кута може бути і тора мотора 6 в спокої в кожному із положень фаінша. Після повороту фазового елемента 4 цикл зового елемента 4. Диск 20 скріплений з фазовим вимірювання сигналів і запам'ятовування повтоелементом 4 таким чином, що центр великого рюється. Величини сигналів в кожному положенні отвору 21 співпадає з центром фазового елемента елемента 4 і кути повороту елемента 4 (точніше 4, а лінія, яка з'єднує центр великого отвору 21 з кути між оптичною віссю елемента 4 і площиною центром малого отвору 22, паралельна чи перпеполяризації поляризатора 3) несуть інформацію ндикулярна оптичній вісі фазового елемента 4 і компонентів вектора Стокса, тобто про параметри співпадає з одним із положень спокою ротора крополяризації світлового потоку. кового мотора 6. В якості фазового елемента 4, в По іншому, вимірювання амплітуд сигналів в першому наближенні може бути пластинка вирізадекількох відомих положеннях фазового елемента на із кристалу таким чином, що вхідна і вихідна дозволяє створити систему рівнянь з декількома грані паралельні оптичній вісі. Товщина цієї пласневідомими. Рішення цієї системи дозволяє витинки вибирається таким чином, що різниця фаз значити ці невідомі, тобто поляризаційні параметміж ортогональними напрямками коливань світлори світла. Після повороту фазового елемента 4 на вої хвилі складає половину, або одну четверту 180 ° чи на 360° заслінка 13 за допомогою електдовжини хвилі. Можна товщину вибирати таку, роприводу 17 по команді з блока 15 закривається. щоб різниця фаз складала близько 127°. Для ахВ цьому положенні заслінки 13 вимірюються і зароматизації використовують декілька кристалічних пам'ятовуються величини темнових сигналів із пластин. В якості фазового елементу можна викоприладу 12. Заслінку 13 також можуть закривати, ристовувати ромб Френеля. Джерело світла 18 як на початку серії циклів вимірювання, так і в кожоптично зв'язано через малий отвір 21 з додатконому циклі. Перед рішенням системи рівнянь із вим фотоприймачем 19, вихід якого електрично запам'ятованих величин сигналів віднімають велизв'язаний з другим входом блока управління і обчини темнових сигналів і при цьому одержують числення інформації 15, четвертий вихід якого сигнали від небесних об'єктів без впливу темнових електрично зв'язаний з джерелом світла 18. Заслісигналів. Після цього рішенням системи рівнянь нка 13 призначена для перекриття світла. Заслінка знаходять поляризаційні параметри світла, яке 13 може розташовуватись в любому місці по надосліджується. У варіанті приладу, в якому міспрямку руху світла. В якості електроприводу заслітиться джерело світла 18 і додатковий фотоприйнки 17 може використовуватись пристрій з мотомач 19 відлік кутів повороту і вимірювання сигнаром або електромагнітами. Об'єктиви 7 і 11 можуть лів починається з моменту появи світла на бути як лінзові так і дзеркальні. В диску 21 може фотоприймачі 19. Включення джерела світла 18 бути, як один малий отвір, так і декілька. Ці отвори відбувається перед початком повороту мотора 6. повинні бути розташовані під відомими кутами. В При вимірюванні поляризаційних параметрів доякості поляризатора 3 може бути використана сліджуємого світла неяскравих планет і комет у будь яка поляризаційна призма. фіолетовому і ультрафіолетовому діапазоні високу При вимірюванні параметрів поляризації мочутливість і точність можна забезпечити тільки при тор 6 і блок 16 встановлюють фазовий елемент в високому відношенні сигнал-шум. Для одержання 9 85466 10 ефективних результатів у дослідженні планет вилових хвиль, які будуть попадати на кожний світміряні амплітуди сигналів з кожного елемента прилочутли вий елемент фотоприймача 12. Чим більладу з зарядовим зв'язком 12 повинні відповідати ше буде відношення фокусних відстаней і кутів, вузькому спектральному діапазону. В запропонотим буде більша ефективність. За рахунок одерваному приладі високе відношення сигнал-шум жання можливості утримання ротора крокового досягається одночасно за рахунок зменшення шумотора 6 в спокої, що дозволяє збільшити час ексму і підвищення величин сигналів. Повне відрізанпозиції приладу з зарядовим зв'язком 12, можна ня неробочого діапазону спектра за рахунок відтакож збільшити відношення сигнал-шум. Це можбиття робочого діапазону спектра під кутом на пояснити тим, що величина сигналу збільшуповного внутрішнього відбивання дозволило ліквіється пропорційно часу експозиції, а частина шудува ти ряд відблисків від оптичних деталей і захимів фотоприймача 12 збільшується пропорційно сного скла фотоприймача 12, тобто зменшити векореню квадратному від часу експозиції. Так як, личину шуму. Шум також зменшується за рахунок при обчисленні поляризаційних параметрів (шлявимірювання величин шумових сигналів при захом рішення системи рівнянь) потрібне знання критій заслінці 13 і подальшим відніманням цих кутів повороту фазового елемента, то введення в сигналів від сигналів заміряних при відкритій запристрій джерела світла 18, додаткового фотослінці. приймача 19 і диска 20 дозволило відраховува ти Виконання фокусної відстані об'єктива 7 колівсі кути повороту від одного базового напрямку і матора більшого ніж фокусна відстань проекційновизначати кути між площиною поляризації світла, го об'єктива 11, з одночасним виконанням дисперяке досліджується і цим напрямком, а також збігуючого елемента 9 таким чином, що кут між льшити точність вимірювання. Крім того, виконанкрайніми диспергованими променями більший ніж ня мотора електроприводу фазового елемента 4 у в 10 разів кутового розміру діафрагми 8, дозволяє вигляді крокового мотора і введення в пристрій збільшити величину світлової енергії, яка попадає елементів 18, 19, 20 дозволило повертати фазона світлочутливий елемент приладу з зарядовим вий елемент 4 на заданий кут без використання зв'язком, за рахунок збільшення відносного отвору датчика кута, що зменшило габарити і масу приоб'єктива 11 (енергія концентрується на меншу ладу. площу), з одночасним зменшенням спектра світ Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601