1.本发明涉及外行星探测技术领域，尤其是星冕仪技术，具体而言涉及一种用于系外行星探测的相位引入型星冕仪系统。
背景技术：2.系外行星存在于太阳系之外的世界，也被称为太阳系外行星。系外行星探测方法主要包括直接成像法和间接探测法。直接成像技术可以直接捕获行星的光子信息，从而可以获得行星的有效温度，大气光谱及化学成分等重要物理信息，进而确认是否有生命信号的存在，而间接探测的方法很难获得这些信息。直接成像法能够探测长周期行星，了解行星的演化进程，进一步完善行星系统样本。
3.由于行星与恒星之间对比度悬殊，暗弱的行星光被淹没在了恒星光中，在可见光波段，类地行星的观测对比度要达到10-10
，因此系外行星直接成像技术极具挑战性，首先需要克服的问题就是望远镜衍射光子噪声的影响，现行通用的技术手段是采用星冕仪技术，即通过强度调制或相位调制对轴上的恒星光进行抑制，例如光瞳透过率调制、有限环带调制、调制带透过率和膜厚控制，使得轴外暗弱的行星光显现出来，保证系统最终获取最佳的成像对比度。
4.传统强度调制星冕仪系统，需要特殊设计的调制元件在光瞳处对强度进行调制，要求很高的加工精度，成本较高，且行星光透过率低，难以获得360
°
全工作区域，因此探测效率较低。
5.现有技术文献：
6.专利文献1：cn113639864a一种空间全区域超高对比度成像方法及星冕仪系统
7.专利文件3：cn113639863a一种空间宽波段超高对比度成像方法及星冕仪系统
8.专利文献4：cn114137720a一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统及工作方法
技术实现要素：9.本发明目的在于提供一种高对比度的相位引入型星冕仪系统，采用液晶空间光调制器，通过相位调制的技术，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。
10.根据本发明目的的第一方面提出一种相位引入型星冕仪系统，包括：
11.沿着入瞳光路依次布置的准直镜、孔径光阑、成像镜、偏振片以及液晶空间光调制器；
12.沿着出瞳光路依次布置的中继镜、lyot光阑、汇聚镜以及探测器；
13.其中，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；
14.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；
15.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；
16.所述漩涡光经设置于出瞳光路的所述中继镜准直后，再通过所述lyot光阑将涡旋光外围的光进行遮挡，最后经过汇聚镜成像在所述探测器。
17.作为可选的实施例，以所述液晶空间光调制器作为相位调制器，在焦平面位置通过产生灰度图对成像进行相位调制，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，最后经由汇聚镜将剩余的恒星光和行星光成像在探测器上。
18.作为可选的实施例，通过调整所述液晶空间光调制器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。
19.作为可选的实施例，通过调整所述lyot光阑的孔径大小以调整透过率，其中lyot光阑的孔径越小则透过率越小，获得的对比度越高。
20.与现有技术相比，本发明实施例提出的高对比度的相位引入型星冕仪系统，采用相位调制技术，在焦面位置进行相位调制，根据涡旋光干涉相消原理，将轴上光推到光瞳的周围，利用lyot光阑将光瞳周围的光进行抑制，从而实现对轴上恒星光的抑制，将剩余的恒星光和行星光成像在探测器上成像，其中通过灰度图进行调制，提高在工作波长内的成像对比度。通过本发明可实现360
°
大工作区域和高行星透过率，能够大大提高系外行星直接成像的探测效率。
21.在一些实施例中，通过对液晶空间光调制器施加不同拓扑数l的灰度值从而可生成不同的灰度图像进行相位调制，可获得不同的对比度值。
22.本发明实施例提供的相位引入型星冕仪系统，通过在焦平面位置引入基于液晶空间光调制器的相位调制技术，大大的提高了行星的透过率，理论上可以达到100％，该系统能够提供360
°
的全工作区域，大大的提高了行星的探测效率，避免了多次旋转来获得全工作区域；同时，基于商用液晶空间光调制器的的相位调制，可以节约研发成本和周期。
23.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。
24.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
25.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。
26.图1是本发明实施例的相位引入型星冕仪系统的示意图。
27.图2是施加到液晶空间光调制器上的灰度图的示例。
28.图3是星光经过相位调制后出瞳位置的强度图。
29.附图中各标记的定义如下：
30.入瞳光路的第一光轴o1；准直镜10；孔径光阑11；成像镜12；偏振片13；
31.出瞳光路的第二光轴o2；中继镜21；lyot光阑22；汇聚镜23；
32.液晶空间光调制器20；
33.探测器30；
34.天文望远镜的入射端面100；
35.星光模拟器200。
具体实施方式
36.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。
37.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。
38.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。
39.结合图1所示示例性实施例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10、孔径光阑11、成像镜12、偏振片13以及液晶空间光调制器20；以及沿着出瞳光路依次布置的中继镜21、lyot光阑22、汇聚镜23以及探测器30。
40.图1的示例中，标号100表示天文望远镜的入射端面。
41.在图1中，以o1表示入瞳光路的第一光轴，准直镜10、孔径光阑11、成像镜12、偏振片13共光轴地布置。
42.以o2表示出瞳光路的第二光轴，中继镜21、lyot光阑22、汇聚镜23共光轴地布置。
43.在图1的示例中，准直镜10用于对来自望远镜的光进行准直。
44.在可选的实施例中，准直镜10可采用至少一片凸透镜构成，例如双凸透镜、平凸透镜。
45.在另外的实施例中，准直镜10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。
46.孔径光阑11，用于限制入瞳光束的口径。
47.成像镜12，位于孔径光阑11的后方，并设置在准直镜10的后焦面位置。
48.偏振片13，位于成像镜12的后方，用以产生线偏振光。
49.作为可选的示例，其消光比大于10000：1。
50.由此，在液晶空间光调制器20上的成像进入纯相位调制模式。
51.结合图1所示，来自望远镜的光经过准直镜10进行准直以及经由孔径光阑11进行限制后，经由成像镜12和偏振片13而成像在焦平面位置，液晶空间光调制器20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。
52.液晶空间光调制器20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20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中继镜21准直后，再通过lyot光阑22将涡旋光外围的光进行遮挡，最后经过汇聚镜23成像在探测器30。
53.如图1的示例，探测器30设置位于汇聚镜23的后焦面位置。探测器30可采用cmos或者ccd探测器。
54.汇聚镜23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。
55.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。
56.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。
57.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
°
。
58.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
°
。
59.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
°
。
60.结合图1所示，以液晶空间光调制器20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2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22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成像在探测器30上。
61.结合图1所示的示例，在模拟设计过程中，在图1中以标号200表示星光模拟器，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20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成像在探测器上。
62.应当理解，在实际进行观测时，星光模拟器200被移除，系统被搭建位于天文望远镜的入射端位置，用于直接接收星光输入。
63.作为可选的示例，前述液晶空间光调制器20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。
64.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。
65.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。
66.在本发明的实施例中，还可以通过调整液晶空间光调制器20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。
67.在本发明的实施例中，还可以通过调整lyot光阑22的孔径大小以调整透过率，其中lyot光阑22的孔径越小则透过率越小，获得的对比度越高。
68.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20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22的孔径大小以调整透过率，其中lyot光阑22的孔径越小则透过率越小，获得的对比度越高。
69.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3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，然后经过汇聚镜将剩余的恒星和行星光成像在探测器30。
70.在可选的实施例中，准直镜10、成像镜12、中继镜21、汇聚镜23的焦距相等。
71.下面我们结合一个具体的示例，更加具体地表述本发明上述实施例的相位引入型星冕仪系统的工作原理。
72.以图1所示示例的相位引入型星冕仪系统为基础，其工作过程包括：
73.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；
74.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22的孔径尺寸是孔径光阑的孔径尺寸的0.8倍；
75.步骤3、根据设计要求，搭建相位引入型星冕仪系统，星光模拟器200发出的星光进入到系统中，依次通过准直镜10(f＝400mm),孔径光阑11，成像透镜12(f＝400mm)和偏振片13(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6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；
76.步骤4、经过中继镜21(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23(f＝400mm)将剩余的恒星和行星光成像在探测器30上。
77.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。
78.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。
技术特征：1.一种相位引入型星冕仪系统，其特征在于，包括：沿着入瞳光路依次布置的准直镜(10)、孔径光阑(11)、成像镜(12)、偏振片(13)以及液晶空间光调制器(20)；沿着出瞳光路依次布置的中继镜(21)、lyot光阑(22)、汇聚镜(23)以及探测器(30)；其中，所述准直镜(10)用于对来自望远镜的光进行准直，所述孔径光阑(11)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(10)进行准直以及经由所述孔径光阑(11)进行限制后，经由所述成像镜(12)和偏振片(13)而成像在焦平面位置，所述液晶空间光调制器(20)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；所述液晶空间光调制器(20)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(20)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中继镜(21)准直后，再通过所述lyot光阑(22)将涡旋光外围的光进行遮挡，最后经过汇聚镜(23)成像在所述探测器(30)。2.根据权利要求1所述的相位引入型星冕仪系统，其特征在于，所述探测器(30)设置位于所述汇聚镜(30)的后焦面位置。3.根据权利要求1所述的相位引入型星冕仪系统，其特征在于，以第一光轴(o1)与焦平面的交点作为星冕仪系统的主焦点，所述液晶空间光调制器(20)产生相位图的中心对准星冕仪系统的主焦点。4.根据权利要求3所述的相位引入型星冕仪系统，其特征在于，所述出瞳光路的第二光轴(o2)与入瞳光路的第一光轴(o1)的交点与所述星冕仪系统的主焦点重合。5.根据权利要求3所述的相位引入型星冕仪系统，其特征在于，所述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
°
。6.根据权利要求3所述的相位引入型星冕仪系统，其特征在于，所述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
°
。7.根据权利要求1所述的相位引入型星冕仪系统，其特征在于，所述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
°
。8.根据权利要求1-7中任意一项所述的相位引入型星冕仪系统，其特征在于，以所述液晶空间光调制器(20)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，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成像在探测器(30)上。9.根据权利要求8所述的相位引入型星冕仪系统，其特征在于，通过调整所述液晶空间光调制器(20)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。10.根据权利要求8所述的相位引入型星冕仪系统，其特征在于，通过调整所述lyot光阑(22)的孔径大小以调整透过率，其中lyot光阑(22)的孔径越小则透过率越小，获得的对比度越高。
技术总结本发明提供一种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、成像镜、偏振片以及液晶空间光调制器；以及沿着出瞳光路依次布置的中继镜、Lyot光阑、汇聚镜以及探测器；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；漩涡光经设置于出瞳光路的所述中继镜准直后，再通过所述Lyot光阑将涡旋光外围的光进行遮挡，最后经过汇聚镜成像在所述探测器。本发明采用液晶空间光调制器，通过相位调制的技术，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。度的天文成像。度的天文成像。
技术研发人员：刘成超
受保护的技术使用者：临沂大学
技术研发日：2022.07.05
技术公布日：2022/11/1
