CN103018909A - 用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置 - Google Patents

Abstract

用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置，属于日冕观测领域，为提供一种仿真度高、成本低廉且更高效的太阳模拟装置，该装置包括光球层照明系统、光球层成像系统、日冕照明系统、准直系统和遮光系统，光球层照明系统、光球层成像系统和日冕照明系统置于遮光系统的内部，准直系统的入射端置于遮光系统的内部，且与日冕照明系统对接；光球层成像系统包括毛玻璃、第一金属板、第一透镜、第二透镜、衰减片、第二金属板；光球层照明系统发出的光经毛玻璃被匀化，匀化光经过第一金属板的开口部分入射到第一透镜，匀化光透过第一透镜后出射平行光，平行光入射到第二透镜后会聚到到衰减片上，光透过衰减片后经日冕照明系统进入准直系统，输出模拟太阳光。

Description

用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置

技术领域

本发明属于日冕观测领域，应用于实验室中对日冕观测的日冕仪实验过程中，具体涉及用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置。

背景技术

目前，在对日冕观测的成像仪器研制领域中，仪器在应用到实际观测之前需要进行实验室的模拟仿真实验，太阳模拟装置成为极其重要的先决条件。它不仅要体现出太阳的强光性，还要体现出光球层和日冕层的辐射能差距及独立发光的特性。现有技术中虽有性能优良的太阳模拟仪器，但是有造价昂贵，体积大，所需实验场地大等诸多的缺点。所以如何完全满足以上对模拟太阳的要求，又兼具高效的太阳模拟装置就成了当前制约实验的瓶颈。

发明内容

本发明为解决现有技术中太阳模拟仪器造价昂贵、体积大、所需实验场地大等诸多的缺点，制约了日冕观测实验的实施的问题，本发明提供一种仿真度高、便携性好、成本低廉且便于搭建的太阳模拟装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置，包括光球层照明系统、光球层成像系统、日冕照明系统、准直系统和遮光系统，光球层照明系统、光球层成像系统和日冕照明系统置于遮光系统的内部，准直系统的入射端置于遮光系统的内部，且与日冕照明系统对接；

光球层成像系统从左至右包括毛玻璃、第一金属板、第一透镜、第二透镜、衰减片、第二金属板，且同轴放置；

光球层照明系统发出的光经毛玻璃被匀化，匀化光经过第一金属板的开口部分入射到第一透镜，匀化光透过第一透镜后出射平行光，平行光入射到第二透镜后被会聚到衰减片上，光透过衰减片及第二金属板的开口后进入准直系统，从准直系统输出模拟太阳光。

毛玻璃设置在第一金属板的开口处，第一金属板置于第一透镜物方焦面上；衰减片设置在第二金属板的开口处，第二金属板置于第二透镜的像方焦面上，且第二金属板置于准直系统的物方焦面上；

遮光系统内部设置第一遮光板和第二遮光板，第一遮光板和第二遮光板的中心开口分别和第一透镜和第二透镜配合；

光经过第二块金属板后以小于180°的范围出射。

日冕照明系统由四片LED组成的环形发光组，四片LED均匀安装在环形散热板上；

准直系统为平行光管或封装单片消色差透镜的镜筒，且单片消色差透镜的焦面在镜筒外。

准直系统的焦距和第二金属板的开口尺寸有如下关系：

D=f×tan(ω)×2，

其中D为第二金属板的开口直径，f为准直系统的焦距，ω为真实太阳光球层边缘对地的半视角。

本发明的有益效果：本发明通过光球层照明系统提供光球层照明光源，经毛玻璃匀化后对第一金属板开口照明，此时第一金属板右侧辐射角度为180°。第一金属板经同样规格的消色差第一透镜和消色差第二透镜等比例成像，像面放置第二金属板，使得第二金属板的开口和第一金属板开口的像重合，这样第二金属板出射的光辐射角度小于180°，不会对第二金属板右侧太阳模拟面开口外的模拟日冕目标形成照射，可实现模拟太阳光球层和日冕层的独立发光效果。

日冕照明系统对模拟太阳，主要是对第二金属板右侧的日冕目标进行照明以提高日冕目标亮度。在第二金属板靠近光球层照明系统一侧紧密放置衰减片，可以通过衰减片的调整实现对模拟太阳光球层和日冕目标能量比的调整。第二金属板的出射光经准直系统，转化为平行光出射，模拟来自近乎无穷远的太阳平行光。该装置具仿真度高，便携性好，易组装，造价低廉，且实验效率高等优点。

附图说明

图1：用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置示意图。

图2：日冕照明系统的正视图。

图中：1、光球层照明系统，2、光球层成像系统，3、日冕照明系统，4、准直系统，5、遮光系统，2-1、毛玻璃，2-2、第一金属板，2-3、第一透镜，2-4、第二透镜，2-5、衰减片，2-6、第二金属板，3-1、LED照明灯，3-2、LED散热板，5-1、第一遮光板，5-2、第二遮光板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示，用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置，包括光球层照明系统1，光球层成像系统2，日冕照明系统3，准直系统4，遮光系统5。光球层照明系统1、光球层成像系统2和日冕照明系统3置于遮光系统5的内部，准直系统4的入射端置于遮光系统5的内部，且与日冕照明系统3对接。

光球层成像系统2从左至右包括毛玻璃2-1、第一金属板2-2、第一透镜2-3、第二透镜2-4、衰减片2-5、第二金属板2-6；第一金属板2-2置于第一透镜2-3物方焦面上，第二金属板2-6置于第二透镜2-4的像方焦面上，且第二金属板2-6位于准直系统的物方焦面上；

光球层照明系统1，要求具有很强的发光强度，且和太阳光球层接近的光谱特性，采用短弧氙灯作为光球层照明系统1的光源。

光球层照明系统1发出的光经毛玻璃2-1被匀化，匀化光入射到第一金属板2-2，第一金属板2-2的开口部分被照明，以180°的范围照明右侧，第一金属板2-2置于第一透镜2-3物方焦面，透过第一金属板2-2开口的光线经消色差第一透镜2-3形成平行光，在消色差第一透镜2-3后同轴放置同样规格的消色差第二透镜2-4，平行光入射消色差第二透镜2-4后聚焦于第二透镜2-4的像方焦面，即将第一金属板2-2开口等比例成像于此，此处放置第二金属板2-6，使得第二金属板2-6的开口和第一金属板2-2开口的像重合。第二金属板2-6背离光球层照明系统1的一面就是模拟太阳面，开口部分就是模拟的太阳光球层，开口以外的部分为模拟日冕目标。模拟太阳的光球层光强不会照明日冕目标，可以实现两者的独立发光。光球层成像系统2实现了可区分光球层和日冕层的太阳的模拟。

实际的日冕模拟观测中会出现模拟太阳的日冕目标面亮度极低的问题，对日冕目标观测时需要很长的曝光时间，通过日冕照明系统3来改进。日冕照明系统3由四片LED组成的环形发光组，四片LED均匀安装在环形散热板3-2上。它是为模拟日冕目标提供均匀亮度，需要同太阳日冕层基本一致的光谱特性，其亮度的调节可以通过LED供电电源的电流调节来实现。虽提高日冕亮度，也同时提高了光球层亮度，但由于光球层和日冕层存在很大的能量比例关系，所以相比于光球层照明系统1的能量，日冕照明系统3的能量可以忽略。对于日冕仪的日冕观测实验而言，着重要模拟真实太阳光球层和日冕层的辐射能量比，而不是真实的能量值，所以通过衰减片2-5的调整依然可以控制光球亮度和日冕亮度级次的比值。衰减片2-5置于第二金属板2-6靠近光球层照明系统1侧，并紧邻第二金属板2-6的位置，通过对衰减片2-5的调整，达到对模拟太阳光球层和日冕目标发光能量比的调整。取下衰减片2-5后，第二金属板2-6背离光球层照明系统1一侧就形成光球层同日冕层存在一定发光量级比的模拟太阳。比例关系取决于衰减片2-5的衰减比例关系。光球层成像系统2实现了可区分光球层和日冕层的太阳的模拟。并通过日冕照明系统3提高日冕亮度，在不影响实验的准确性的前提下，大大降低了日冕观测系统的曝光时间，实现了实验的便捷及高效。

在近地轨道观察太阳可将太阳光视为来自无穷远的平行光，所以准直系统4旨在把模拟太阳的光转换为平行光出射。准直系统4可以为一个平行光管或者单片消色差透镜封装后的镜筒。封装后的镜筒的焦面需要在封装结构件外，以确保第二金属板2-6的开口能处于这个位置。在第二金属板2-6后放置准直系统4，使第二金属板所形成的模拟太阳置于准直系统4前焦面处，透过第二金属板的光线经准直系统4后，以平行光出射，模拟来自近乎无穷远的太阳光。准直系统的焦距和第二金属板的开口尺寸有如下关系：

D=f×tan(ω)×2

D为第二金属板2-6的开口直径，也即第一金属板2-2的开口直径，f为准直系统4的焦距，ω为真实太阳光球层边缘对地的半视角，约为16′。在f和ω明确的前提下，第一金属板2-2和第二金属板2-6的开口得以确定，更加真实的模拟了太阳的尺寸及辐射角度。

光球层照明系统1、光球层成像系统2、日冕照明系统3都置于遮光系统5内，遮光系统5需要染黑，遮光系统5靠近模拟太阳一侧有一开口和准直系统4连接，接口要互相匹配确保连接处不透光，整个太阳模拟装置组装完成后唯一出射光为经准直系统4准直后的平行光。遮光系统5的两块遮光板为第一遮光板5-1和第二遮光板5-2，分别置于第一透镜2-3和第二透镜2-4处，第一遮光板5-1和第二遮光板5-2的中心开口要和第一透镜2-3和第二透镜2-4的通光孔径匹配，确保透镜外不透光，只有通过透镜的光能逐级传播。第一金属板2-2限制了来自光球层照明系统1的能量，第一遮光板5-1限制了来自第一金属板2-2开口处的能量，第二遮光板5-2进一步遮挡对模拟太阳无用的杂光，第二金属板2-6一方面起到遮拦杂光的作用，另一方面形成了模拟太阳。两块金属板及两块遮光板的尺寸要和遮光系统5内径相互匹配，既完全隔开遮光系统4，又不会在衔接处透光，且四块板开口要同轴。组装后起到了逐级遮挡杂光的作用。

综上所述，整个装置不仅模拟了太阳的强光效果，而且实现了光球层和日冕层的独立发光，并使用衰减片能够调节光球层和日冕层的辐射能量比，模拟了太阳在太空中全黑的背景。此装置实现了日冕观测实验的准确和便捷高效。

Claims (6)

1.用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置，其特征是，包括光球层照明系统（1）、光球层成像系统（2）、日冕照明系统（3）、准直系统（4）和遮光系统（5），光球层照明系统（1）、光球层成像系统（2）和日冕照明系统（3）置于遮光系统（5）的内部，准直系统（4）的入射端置于遮光系统（5）的内部，且与日冕照明系统（3）对接；

光球层成像系统（2）从左至右包括毛玻璃（2-1）、第一金属板（2-2）、第一透镜（2-3）、第二透镜（2-4）、衰减片（2-5）、第二金属板（2-6），且同轴放置； 

光球层照明系统（1）发出的光经毛玻璃（2-1）被匀化，匀化光经过第一金属板（2-2）的开口部分入射到第一透镜（2-3），匀化光透过第一透镜（2-3）后出射平行光，平行光入射到第二透镜（2-4）后被会聚到衰减片（2-5）上，光透过衰减片（2-5）及第二金属板（2-6）的开口后进入准直系统（4），从准直系统（4）输出模拟太阳光。

2.根据权利要求1所述的用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置，其特征在于，毛玻璃（2-1）设置在第一金属板（2-2）的开口处，第一金属板（2-2）置于第一透镜（2-3）物方焦面上；衰减片（2-5）设置在第二金属板（2-6）的开口处，第二金属板（2-6）置于第二透镜的像方焦面上，且第二金属板（2-6）置于准直系统（4）的物方焦面上；

遮光系统（5）内部设置第一遮光板（5-1）和第二遮光板（5-2），第一遮光板（5-1）和第二遮光板（5-2）的中心开口分别和第一透镜（2-3）和第二透镜（2-4）配合。

3.根据权利要求1所述的用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置，其特征在于，光经过第二块金属板（2-2）后以小于180°的范围出射。

4.根据权利要求1所述的用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置，其特征在于，日冕照明系统（3）由四片LED（3-1）组成的环形发光组，四片LED（3-1）均匀安装在环形散热板（3-2）上；

5.根据权利要求1所述的用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置，其特征在于，准直系统（4）为平行光管或封装单片消色差透镜的镜筒，且单片消色差透镜的焦面在镜筒外。 

6.根据权利要求1所述的用于日冕观测实验的高效太阳模拟装置，其特征在于，准直系统（4）的焦距和第二金属板（2-6）的开口尺寸有如下关系：

D=f×tan(ω)×2，

其中D为第二金属板（2-6）的开口直径，f为准直系统（4）的焦距，ω为真实太阳光球层边缘对地的半视角。 

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