СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО СМЕЩЕНИЯ ПОЛОСЫ ФИЛЬТРА Российский патент 1998 года по МПК G01J7/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерений и построения двумерных карт лучевых скоростей по доплеровскому смещению спектральных линий астрофизических объектов и лабораторных источников излучения.

Обычно измерения лучевых скоростей проводят (одновременно с измерениями магнитных полей) с управляемыми узкополосными интерференционно-поляризационными фильтрами (ИПФ), с помощью которых на солнечных телескопах или других оптических устройствах получают изображения объекта в свете крыльев спектральных линий. Изображения регистрируются на фотоматериале или ПЗС-системе. Для измерений лучевых скоростей осуществляют сканирование полосы пропускания фильтра относительно спектральной линии и получают снимки в синем и красном крыльях линии. Благодаря эффекту Доплера изображения в крыльях оказываются промодулированными. Фотометрическая разность двух изображений в крыльях линии дает количественную картину продольных скоростей на объекте. ИПФ, как правило, содержат кристаллооптические элементы, которые имеют одну или несколько фиксированных полос пропускания, распределенных по спектру на заданные спектральные линии. Эти элементы являются нерегулируемыми предварительными монохроматорами более узкополосных элементов ИПФ, суммарная полоса которых сравнима и меньше ширины спектральной линии и может быть тонко настроена на любые спектральные линии или участки их контуров. Настройка производится механическим вращением полуволновых пластинок фазовой системы регулируемых кристаллических элементов (John W. Evans, The Birefringent.filter, Journ Opt. Soc. Amer., 1949, vol 39, No 3, 229-242). Эта настройка - довольно длительный, не менее 1 сек, процесс, и, чтобы избежать в процессе измерений влияния смещения изображения от атмосферного дрожания и вращающих элементов фильтра на получаемый разностный фотометрический сигнал двух крыльев линии, сканирование полосы осуществляют не медленным вращением полуволновых пластинок, а с высокой частотой с помощью управляемых напряжением электрооптических кристаллов, которые добавляют к одному-двум самым узкополосным регулируемым элементам. Однако при изменении окружающей температуры изменяется показатель двойного преломления кристаллов, и полоса пропускания элементов фильтра смещается по спектру. В этом случае сканирование полосы электрооптическим кристаллом не будет симметричным относительно спектральной линии, появляются ложный сдвиг линии и ошибка в измерениях лучевой скорости.

Для повышения точности измерений все элементы фильтра, нерегулируемые и регулируемые, помещают в термостат, который поддерживает рабочую температуру фильтра (Jingshan Wang, Guoxiang Ai, etc. Universal firefringent filter with a new double passband mode, Solar Physics, 1995, Vol. 160, N2, 229-239). При термостатировании c точностью ±0,01^oC полоса пропускания кристаллических элементов из оптического кальцита смещается на ±0,0037, что соответствует появлению ложного сигнала в лучевой скорости порядка 180 м/сек (для линии Fel λ 6173), а требуемая точность измерений должна быть в 5-10 раз выше ложного сигнала, при этом точность термостатирования должна быть порядка 0,001^oC.

Такую точность не может обеспечить электронный термостат, поэтому, кроме термостатирования, положение полосы пропускания регулируемых элементов корректируют между измерениями (A.Dollfus, F.Colson, D.Gussaire and F.Lankay. A monochromator for Solar quantitative imagery: the instrument FPSS. Astron. Astrophys. 1985, Vol. 151,235-253). B регулируемые элементы фильтра вместо рабочего исследуемого пучка временно вводят пучок от искусственного источника света. Пучок, после прохождения элементов выводят на спектрограф, где визуально наблюдают и вращением полуволновых пластинок корректируют положение полосы пропускания регулируемых элементов. Однако между корректировками полосы, во время измерения лучевых скоростей, температура фильтра может измениться, и из-за недостаточного термостатирования происходит смещение полосы пропускания как в нерегулируемых, так и в регулируемых элементах.

Наиболее близким к предлагаемому является способ компенсации температурного сдвига полосы в узкополосных регулируемых элементах поворотом полуволновых пластинок в реальном времени, т.e..практически, во время измерений лучевой скорости (Alan M. Title, Theodorо D. Tarbell and C.Jacob Wolfson, Ground-Based Tunable Filter Observations, Solar and Stellar Granulation, R. J. Ruffen and G.Severino (eds), 1989 by Kluwer Publisher, 25-28). Это осуществляют при небольших уходах рабочей температуры термостата по опорному монохроматическому лазерному пучку, который пропускают через элементы фильтра одновременно со светом от объекта и направляют на фотоприемник. Чтобы вести измерения доплеровской скорости с точностью ±15 м/сек, необходимо центрировать полосу пропускания регулируемых сканирующих элементов на спектральную линию с точностью ±0,0003. При ширине полосы фильтра 0,05 для такой центровки по опорному лазерному пучку необходимо отрабатывать вращение полуволновой пластинки самых узкополосных элементов с точностью порядка 10-15 угловых минут. Такая точность реализуется по сигналу с фотоприемника электронным устройством, управляющим шаговым двигателем приводов полуволновых пластинок и, таким образом, полоса пропускания узкополосных сканирующих элементов стабилизируется с необходимой точностью. В то же самое время у более широкополосных нерегулируемых элементов, составляющих предварительный фильтр для одного-двух регулируемых узкополосных элементов, полоса пропускания смещается относительно положения центра сканирования из-за "остаточных" колебаний температуры термостата при практически реализуемой точности термостатирования ±0,05^oC. Например, для элемента, у которого полоса пропускания (канавчатый спектр) в четыре раза шире полосы самого узкополосного регулируемого элемента, такие смещения приводят к изменению более чем на 1,5% разности потоков в двух крыльях линии. Это вызывает ошибку в измерении лучевых скоростей порядка 100 м/сек.

Целью настоящего изобретения является компенсация влияния температурного смещения полосы пропускания нерегулируемых элементов фильтра на измерения лучевой скорости, повышения стабильности и точности измерений методом сканирования спектральной линии объекта полосой пропускания регулируемых элементов фильтра.

Сущность изобретения состоит в том, что вместе с тем, как в регулируемых элементах температурное смещение полосы пропускания корректируют по искусственному источнику в реальном времени, и при этом крайние положения полосы регулируемых элементов в синем и красном крыльях спектральной линии при сканировании остаются несмещенными, полосу пропускания нерегулируемых элементов фильтра формируют в виде "вилки" - полосы с двумя, частично переналоженными максимумами одинаковой формы. Максимумы располагают в крыльях спектральной линии симметрично относительно ее центра, расстояние между максимумами делают на 20-30% больше величины сканирования, а глубину минимума в пределах 40-60% от интенсивности в максимумах. Если из-за погрешностей термостатирования изменяется температура нерегулируемых элементов фильтра (предварительного фильтра), их полоса пропускания - вилка смещается относительно сканируемой полосы регулируемых элементов и при этом нарушается центровка вилки. Однако синий и красный контуры сканируемой полосы при смещении вилки попадают на одинаковые по пропусканию синие или красные участки контуров двух максимумов вилки. Поэтому фотометрическая разность сигналов при двух положениях сканируемой полосы изменяется не более чем на 0,2%. Происходит "автокомпенсация" влияния температурного сдвига полосы пропускания нерегулируемых элементов, ложный сигнал доплеровского сдвига линии не появляется.

На фиг. 1 приведен пример блок-схемы ИПФ, в котором реализуется предлагаемый способ компенсации температурного смещения полосы пропускания, а на фиг.2 показаны контуры полосы пропускания элементов фильтра.

Свет от исследуемого объекта (фиг. 1) проходит блокирующий фильтр 1, предварительный ИПФ с нерегулируемыми элементами (2-3) и узкополосный ИПФ (5-9) с регулируемыми элементами. Предварительный фильтр содержит кристаллические пластины 2, установленные между двумя поляризаторами 3 в термостате 4. Узкополосный фильтр включает два регулируемых элемента между поляризаторами 3. Каждый регулируемый элемент содержит кристаллические пластины 5, электрооптический кристалл 6, фазовую пластину в четверть волны 7 и в полволны 8, которая может поворачиваться от шагового двигателя 9. Кроме исследуемого пучка света оба регулируемых элемента проходит свет от искусственного источника - лазера 10. Зеркалами 11 лазерные пучки направляются на фотоприемники 12.

На фиг.2: кривая 1 - контур фраунгоферовой спектральной линии Солнца, в которой ведется измерение доплеровского сдвига; 2 - суммарная полоса пропускания (участок канавчатого спектра) двух регулируемых сканирующих элементов при разных фазах напряжения на электрооптических кристаллах. Сплошная кривая показывает контур полосы при сканировании в красное крыло спектральной линии, пунктирная - в синее. Полоса пропускания нерегулируемых элементов в виде контура с двумя максимумами показана кривой 3. Компенсацию смещения полосы пропускания всего ИПФ производят следующим образом.

Рассмотрим сначала, как корректируют положение полосы регулируемых элементов. Лучи от переднего и заднего выходных окон лазера направляют в оба регулируемых сканирующих элемента. Один из максимумов пропускания сканируемого канавчатого спектра в каждом элементе окажется точно центрированным на линию лазера, если разностный сигнал при двух положениях сканирования в каждом приемнике равен нулю. Если из-за температурного ухода сканируемая полоса регулируемых элементов меняет свою центровку относительно лазерной линии, появляется сигнал рассогласования на фотоприемниках. Шаговый двигатель вращает в каждом элементе полуволновую пластину до тех пор, пока полоса пропускания, точнее, центр сканирования, вновь не совпадает с линией лазера, и сигнал рассогласования не исчезнет. Синхронность настройки одного из максимумов пропускания регулируемых элементов на линию лазера с настройкой главного максимума на спектральную линию объекта, если их длины волн не совпадают, задают начальным положением плоскости поляризации лазера (его разворотом вокруг своей продольной оси). Таким образом, скомпенсировав температурный уход полосы пропускания регулируемых элементов, обеспечивают ее симметричное положение при сканировании в крыльях линии. Компенсацию влияния температурного смещения полосы пропускания нерегулируемых элементов предварительного фильтра производят следующим образом. Формируют суммарную полосу пропускания предварительного фильтра в виде кривой с двумя максимумами (кривая 3, фиг.2), которые располагают в крыльях исследуемой линии. Расстояние между максимумами делают на 20-30% больше величины сканирования полосы регулируемых элементов, при этом пропускание в максимуме составляет 100% (без учета поглощения в элементах), а пропускание в минимуме в пределах 40-60%. Другие двойные максимумы, которые формируются нерегулируемыми элементами одновременно с двойным главным, отрезаются блокирующим фильтром. При заданной рабочей температуре, которая должна обеспечиваться термостатом, вилка занимает симметричное положение относительно спектральной линии. В этом случае пропускание всего фильтра при двух фазах сканирования будет максимальным и одинаковым в двух крыльях линии (кривая 4). Поэтому в отсутствие доплеровского сдвига линии сигнал разности потоков в двух положениях сканирования равен нулю, и ложный сигнал отсутствует. Если в пределах точности термостатирования, например, ±0,05^oC, изменится температура предварительного фильтра с нерегулируемыми элементами, его полоса пропускания - вилка - смещается относительно центра сканирования полосы регулируемых элементов. Кривая 3 показывает положение вилки при нагреве. Но при сканировании максимум пропускания полосы регулируемых элементов попадает на участки контуров обоих максимумов вилки с одинаковой крутизной: при остывании фильтра - на участки синих крыльев контуров двух максимумов, при нагревании - на участки красных. Пропускание всего фильтра уменьшается, но одинаково в обеих фазах сканирования (кривая 5); разность потоков не превышает 0,2%, и ложный сигнал отсутствует. Применение полосы с двумя максимумами одинаковой крутизны позволяет осуществить "автокомпенсацию" температурного ухода нерегулируемых элементов при измерениях доплеровского сдвига спектральной линии. Смещение полос при изменении температуры на ±0,05^oC широкополосного блокирующего фильтра практически не влияет на результат измерений.

Пример конкретной реализации способа компенсации температурного смещения полосы пропускания. В исследованиях солнечной фотосферы часто используют спектральную фраунгоферову линию FeI λ 6173 для построения двумерных карт магнитных полей и лучевых скоростей. Полуширина линии - 0,13. Расстояние между крайними положениями сканируемой полосы в крыльях линии обычно устанавливают 0,12 (примерно равным полуширине линии 0,12), а полуширину полосы узкополосных регулируемых элементов фильтра - 0,06. Такую полосу получают с кристаллическим элементом наивысшего порядка интерференции из исландского шпата (оптического кальцита) толщиной 80,15 мм. К нему добавляют второй по порядку интерференции элемент, контрастный, толщиной 60,07 мм, который уменьшает вторичные максимумы. Сканирование полосы относительно центра линии 6173 осуществляют с помощью двух электрооптических кристаллов (ЭОК). К первому ЭОК, установленному в самом толстом элементе прикладывают напряжение, обеспечивающее сдвиг ± λ /4, на втором ЭОК используют напряжение меньше, а именно, обратно пропорциональное отношению толщин двух элементов. Вилку предварительного фильтра формируют в схеме аподизированного фильтра Шольца. (KerstinFredga andJ.A.Hogbom, A.Versatile birefringent filter. Solar Phys. 1971, 20, 204-221). Например, фильтр, у которого расстояние между максимумами вилки порядка 0,16, содержит 24 кристаллических пластинки из оптического кальцита толщиной 9,37 мм, которые устанавливают между двумя поляризаторами. Углы взаимной ориентации кристаллических осей пластинок находятся в пределах ±5,8^oC. Полуширина полосы максимума вилки составляет 0,13, а интенсивность в минимуме (между максимумами) порядка 50%. Ближайшие главные максимумы фильтра (вилки) находятся на расстоянии ±2. Они не пропускаются блокирующим фильтром. Если принять, что термостат, в котором находятся кристаллические элементы фильтра Шольца, изменяет свою температуру на ±0,05^oC, двойной максимум (в λ 6173) смещается на 0,02. Такое смещение приводит к изменению разности сигналов в двух крыльях линии на 0,2%, что соответствует точности измерений лучевой скорости 15 м/с. Таким образом происходит компенсация температурного смещения полосы фильтра.

Изобретение предназначено для измерения и построения двумерных карт лучевых скоростей астрофизических или других объектов по доплеровскому сдвигу спектральной линии, измеряемому методом сканирования линии полосой пропускания интерференционно-поляризационного фильтра (ИПФ). Для компенсации влияния смещения полосы пропускания нерегулируемых элементов ИПФ на измерения сдвига линии формируют их полосу с двумя максимумами, расстояние между которыми устанавливают на 20 - 30% больше величины сканирования регулируемых элементов, а глубину минимума между максимумами в пределах 40 - 60% от их интенсивности. Если из-за погрешности термостатирования изменение температуры нерегулируемых элементов фильтра их полоса пропускания вилка - смещается относительно центра сканируемой полосы регулируемых элементов, и "синий" и "красный" контуры сканируемой полосы попадают на участки контура двойного максимума с одиноковой крутизной, тогда разность сигналов при двух положениях сканируемой полосы остается обусловленной только сдвигом линии. 2 ил.

Способ компенсации температурного смешения полосы пропускания интерференционно-поляризационного фильтра, содержащего регулируемые и нерегулируемые элементы, с помощью которого получают двумерные изображения лучевых скоростей путем сканирования полосой фильтра крыльев спектральной линии объекта, включающий установку элементов фильтра в термостат и коррекцию температурного положения полосы пропускания регулируемых элементов относительно опорной линии излучения искусственного источника, отличающийся тем, что контур полосы пропускания нерегулируемых элементов фильтра формируют в виде полосы с двумя частично переналоженными максимумами одинаковой крутизны, которые располагают в крыльях спектральной линии, причем расстояние между максимумами устанавливают на 20 - 30% больше величины сканирования, а глубину минимума между максимумами - в пределах 40 - 60% от интенсивности в максимумах.