CN103091846B - 可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置 - Google Patents

Abstract

可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置，属于日冕观测技术领域，为解决现有太阳模拟设备不能满足高光强，光球层和日冕层独立发光的特性，该装置包括照明系统、光球层成像系统、准直系统；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；遮光系统内部设置第一遮光板和第二遮光板；第一金属板位于第一透镜物方焦面处，第二金属板位于第二透镜的像方焦面处，且第二金属板位于准直系统的物方焦面处；照明系统发出的光经过毛玻璃被匀化，匀化光先后入射到第一金属板和第一透镜，匀化光经过第一透镜后形成平行光，平行光经第二透镜会聚到衰减片上，光透过衰减片后进入准直系统，从准直系统输出模拟太阳光。

Description

可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置

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，具体涉及可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置。

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及相似的宽光谱特性，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。所以设计出满足以上对模拟太阳的要求，又适用于在实验室观测的太阳模拟装置，就成为了制约日冕精准有效观测的瓶颈。

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。

本发明是通过下面技术方案实现：

可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置，该装置从左到右依次设置照明系统、光球层成像系统、准直系统，照明系统和光球层成像系统置于遮光系统的内部，准直系统与遮光系统的开口紧密封接；

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；

照明系统发出的光经过毛玻璃被匀化，匀化光入射到第一金属板，匀化光经过第一金属板后入射到第一透镜，匀化光经过第一透镜后形成平行光，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。

毛玻璃置于第一金属板的开口处，毛玻璃和第一金属板位于第一透镜物方焦面上；衰减片置于第二金属板的开口处，衰减片和第二金属板位于第二透镜的像方焦面上，且两者位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的通光孔径匹配。

光经过第二块金属板后以小于180°的范围出射。

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：本发明通过照明系统提供照明光源，经毛玻璃匀化后将第一金属板开口照明，此时第一金属板右侧照明辐射角度为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。在第二金属板靠近照明系统一侧紧密放置衰减片，可以通过衰减片的调整达到对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。照明系统，光球层成像系统都置于遮光系统内，遮光系统有一开口和准直系统连接，整个装置唯一出射光为经准直系统准直后的平行光。遮光系统两块遮光板分别置于第一透镜和第二透镜处，结合第一金属板和第二金属板达到逐级遮光的目的，这样避免了环境中的杂散光和来自光源的无用光对模拟太阳面的影响。

本发明利用氙灯照明，实现了模拟太阳的光球层和日冕层的发光隔离，避免了因互相照射引起的测量误差，且通过衰减片实现了光球层亮度和日冕层亮度能级比的可调，并用准直系统模拟来自近乎无穷远的平行光，最接近真实的模拟了太阳。该装置具有仿真度高、便携性好、成本低廉且便于搭建等优点。

附图说明

图1：可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置示意图。

图中：1、照明系统，2、光球层成像系统，3、准直系统，4、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，4-1、第一遮光板，4-2、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，可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置，该装置从左到右依次设置照明系统1、光球层成像系统2、准直系统3，照明系统1和光球层成像系统2置于遮光系统4的内部，准直系统3与遮光系统4的开口紧密封接；

所述光球层成像系统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；

照明系统1发出的光经过毛玻璃2-1被匀化，匀化光入射到第一金属板2-2，匀化光经过第一金属板2-2后入射到第一透镜2-3，匀化光经过第一透镜2-3后形成平行光，平行光入射到第二透镜2-4后被会聚到第二透镜2-4的像方焦面，此焦面放置衰减片2-5及紧密搁置的第二金属板2-6，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3，从准直系统3输出模拟太阳光。

照明系统1作为太阳模拟装置的照明光源，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，采用短弧氙灯作为照明系统1的光源。光经毛玻璃2-1被匀化，匀化光再入射到第一金属板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。

将第一金属板2-2位于第一透镜2-3物方焦面，光透过第一金属板2-2的开口经消色差第一透镜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。这样光经过第二金属板2-6后的辐射角度小于180°。第二金属板2-6背离照明系统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。衰减片2-5置于第二金属板2-6靠近光源系统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，实现光球层和日冕目标发光能量比的调整。取下衰减片2-5后，模拟太阳就实现了光球层同日冕层存在一定发光量级比，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。

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3旨在把模拟太阳的光转换为平行光出射。准直系统3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3，使第二金属板2-6所形成的模拟太阳置于准直系统3前焦面处，透过第二金属板2-6的光线经准直系统3后，以平行光出射，模拟来自近乎无穷远的太阳光。准直系统3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，也是第一金属板2-2的开口直径，f为准直系统3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。

照明系统1，光球层成像系统2都置于遮光系统4内，遮光系统4需要染黑，遮光系统4右侧具有开口和准直系统3连接，接口要互相匹配确保连接处不透光，保证整个太阳模拟装置组装完成后唯一出射光为经准直系统3准直后的平行光。遮光系统4两块遮光板分别置于第一透镜2-3和第二透镜2-4处，第一遮光板4-1和第二遮光板4-2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限制了来自照明系统1的能量，第一遮光板4-1限制了来自第一金属板2-2开口处的能量，第二遮光板4-2进一步遮挡对模拟太阳无用的杂光，第二金属板2-6除了起到遮挡杂光的作用，其右侧面同时作为模拟太阳。两块金属板和两块遮光板的尺寸和遮光系统4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。

Claims (4)

1.可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置，其特征是，该装置从左到右依次设置照明系统(1)、光球层成像系统(2)、准直系统(3)，照明系统(1)和光球层成像系统(2)置于遮光系统(4)的内部，准直系统(3)与遮光系统(4)的开口紧密封接；

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；

照明系统(1)发出的光经过毛玻璃(2-1)被匀化，匀化光入射到第一金属板(2-2)，匀化光经过第一金属板(2-2)后入射到第一透镜(2-3)，匀化光经过第一透镜(2-3)后形成平行光，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(3)，从准直系统(3)输出模拟太阳光；

毛玻璃(2-1)置于第一金属板(2-2)的开口处，毛玻璃(2-1)和第一金属板(2-2)位于第一透镜(2-3)物方焦面上；衰减片(2-5)置于第二金属板(2-6)的开口处，衰减片(2-5)和第二金属板(2-6)位于第二透镜(2-4)的像方焦面上，且两者位于准直系统(3)的物方焦面上；

遮光系统(4)内部设置第一遮光板(4-1)和第二遮光板(4-2)；第一遮光板(4-1)和第二遮光板(4-2)的中心开口分别和第一透镜(2-3)和第二透镜(2-4)的通光孔径匹配。

2.根据权利要求1所述的可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置，其特征在于，光经过第二金属板(2-6)后以小于180°的范围出射。

3.根据权利要求1所述的可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置，其特征在于，准直系统(3)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。

4.根据权利要求1所述的可区分光球层和日冕层的太阳模拟装置，其特征在于，准直系统(3)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(3)的焦距，ω为真实太阳光球层边缘对地的半视角。