CN105388617A - 半开放式全周向大视场日冕仪装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半开放式全周向大视场日冕仪装置，该日冕仪装置从左至右依次包括外掩体、外窗口、拒热镜、内掩体、内掩体吸光槽、成像系统和CCD相机，外掩体和内掩体设置于光路光轴上，内掩体位于外掩体经过物镜组的成像位置，该日冕仪装置整体呈半开放式方形结构，减小体积与重量；拒热镜采用方形中凹结构反射镜，中凹结构的凹面朝向外窗口一侧；拒热镜采用倾斜方式放置，拒热镜下端相对于拒热镜上端向外窗口一侧偏移，拒热镜将入射的太阳直射光聚焦于半开放式方形结构外部，降低拒热镜表面的散射杂散光影响。

Description

半开放式全周向大视场日冕仪装置

技术领域

本发明涉及一种日冕观测装置，具体的说，涉及一种半开放式全周向大视场日冕仪装置。

背景技术

目前国际上全周向观测的日冕仪最大视场为30R⊙，其中，R⊙表示太阳半径。太阳到地球之间的距离为215R⊙，此段空间的日冕及日冕物质抛射事件的全周向观测可对太阳磁场对地球的影响进行研究。目前还没有对此段空间的日冕和日冕物质抛射现象进行全周向观测的日冕仪。制约对日冕全周向观测的主要因素有两点：一、大视场导致日冕仪的体积会很大，同时导致重量过大，体积重量均会增加卫星运载负担；二、大视场情况对杂散光的抑制要求提高，使得日冕仪对杂散光抑制的水平提高。

如专利号CN103309042A公开一种居中式太阳日冕仪光路结构，通过设置外光阑对视场进行限制，遮挡外部杂光进入，再通过外掩遮光体对光路中心进行遮挡，阻止太阳直射光直接入射到物镜组上，并通过入射口径光阑和物镜组将日冕成像在内掩遮光体位置，太阳的像在内掩遮光体位置被内掩遮光体遮拦消除太阳光球层部分直射光，之后光路经过Lyot光阑后进入中继镜组，最终将日冕部分成像于像面上。由此可见，上述日冕仪由于通过外光阑对视场进行限制，虽可实现对太阳日冕的有效观测，但外光阑的存在严重制约了日冕仪的观测视场，即利用上述设备无法实现日冕的全周向观测。

又如专利号CN201310269869公开一种太阳日冕仪，其结构包括外掩体支架、外掩遮光体、外光阑、镜筒、拒热镜、入射口径光阑、视场光阑、内掩遮光体、吸光槽、Lyot光阑和光学系统，其工作原理为：通过外光阑遮拦外界杂光，太阳中心部分被外掩遮光体遮挡，并将多余杂光被拒热镜反射出光学系统，太阳像照射到内掩遮光体上并反射进入消光腔消耗，日冕像经中继镜组成像在成像面。上述日冕仪将拒热镜设计为凹面反射镜结构，将杂光反射出光学系统外，消除杂光照射镜筒壁对红外波段造成的影响，上述虽通过反射形式将杂光反射至光学系统外，但其拒热镜的反射焦点实际为外光阑和外掩遮光体之间的位置，并未将杂光反射出镜筒外，导致经过拒热镜反射的光避免不了在镜筒内产生反射并进入至物镜中产生杂散光，影响日冕观测的精确性。

且传统日冕仪及上述现有技术日冕仪结构中，通常将日冕仪结构设计为圆筒形，主要由于日冕仪的镜片通常采用圆形，导致设计视场时，口径均为圆形，即现有技术中存在圆筒形结构日冕仪的技术偏见。

发明内容

本发明的目的是提供一种半开放式全周向大视场日冕仪装置，通过半开放结构，大大降低日冕仪装置的体积和重量，并同时提高杂散光抑制水平。

本发明的技术方案是：本发明公开一种半开放式全周向大视场日冕仪装置，该日冕仪装置从左至右依次包括外掩体、外窗口、拒热镜、内掩体、内掩体吸光槽、成像系统和CCD相机，外掩体和内掩体设置于光路光轴上，内掩体位于外掩体经过物镜组的成像位置，其特征在于：该日冕仪装置整体呈半开放式方形结构，拒热镜采用方形中凹结构反射镜，中凹结构的凹面朝向外窗口一侧；拒热镜采用倾斜方式放置，拒热镜下端相对于拒热镜上端向外窗口一侧偏移，拒热镜将入射的太阳直射光聚焦于半开放式方形结构的外部。

优选的是，所述半开放式方形结构共包括开放式结构和闭合式结构两部分，以拒热镜为界限，拒热镜左侧的方形结构为上端敞开的开放式结构，拒热镜右侧的方形结构为上端闭合的闭合式结构，方形结构整体为半开放式结构。

优选的是，所述外窗口设置于方形结构的左侧，外窗口呈上端开口的U型口径，太阳直射光从外窗口的左侧射入光学系统。

优选的是，所述半开放式结构的一侧安装防护门，防护门可打开或闭合方形结构的半开放式结构。

优选的是，所述内掩体的尺寸略大于外掩体成像的尺寸，内掩体采用倾斜放置，内掩体椭圆形反射镜平面与光路光轴之间呈125°～130°夹角。

优选的是，所述内掩体吸光槽内壁涂消光漆，内掩体吸光槽上表面与方形结构的闭合式结构固定。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

1)该日冕仪装置整体呈上端半开放式的方形结构，与传统日冕仪装置相比，体积减小一半，重量减轻1/3，降低卫星的运载能力和体积要求；

2)外窗口采用U型口径代替传统外光阑的圆形口径，太阳直射光照射到外窗口的衍射光强比传统圆形口径外光阑降低一个量级以上；

3)与传统的圆筒形日冕仪装置相比，拒热镜反射焦点位于日冕仪装置半开放式结构的上方中心位置，使其反射焦点远离外掩体和外窗口，降低拒热镜表面的散射杂散光影响；且拒热镜采用方形中凹结构反射镜，将拒热镜的表面积减小一半，进一步降低拒热镜表面总的散射杂散光。

附图说明

图1本发明的总体光路结构图；

图2本发明的光路结构侧视图；

图3本发明的光路结构俯视图；

图4为外掩体与内掩体共轭图；

图5为内掩体与内掩体吸光槽结构图；

图6内掩体与内掩体吸光槽结构侧视图；

图7内掩体结构图；

图8为外窗口结构分别为圆形口径、方形口径及U型口径的衍射光强模拟图；

图中，外掩体1；外窗口2；防护门3；拒热镜4；内掩体吸光槽5；成像系统6；CCD相机7；太阳直射光8；日冕光9；衍射光10；物镜组11；内掩体12。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

参见图1-图3，本发明公开一种半开放式全周向大视场日冕仪装置，该日冕仪装置从左至右依次包括外掩体1、外窗口2、拒热镜4、内掩体12、内掩体吸光槽5、成像系统6和CCD相机7。

该日冕仪装置整体呈半开放式方形结构，外窗口2设置于方形结构的左侧，外窗口2呈上端开口的U型口径，太阳直射光从外窗口2的左侧射入光学系统。方形结构的U型口径在后场中心处的衍射光强要小于圆筒结构的圆形口径，可根据菲涅尔基尔霍夫衍射积分公式1.1计算得到，菲涅尔基尔霍夫衍射积分公式如公式1.1所示，

$U\left(P_0\right)=\frac{1}{2j\mathrm{\λ}}\underset{\Σ}{\∫\∫}U\left(P_1\right)\frac{e^{{\mathrm{ikr}}_{01}}}{r_{01}}(1+cos(\mathrm{\θ}\left)\right)ds$ 公式1.1

式中：λ为光波波长；

k＝2π/λ；

r₀₁为点P₀到点P₁之间的位矢大小；

θ为矢量r₀₁与衍射口径Σ法向矢量n之间的夹角；

P₀为衍射场点坐标；

s为衍射面微元；

根据公式1.1分别计算圆形口径、方形口径及U型口径的外窗口的衍射光强情况，图8为上述三种口径的外窗口衍射光强模拟图。其中方形口径的宽度及圆形口径的直径均为440mm，参见图8，此时圆形口径、方形口径、U型口径的衍射光强分别为入射光强的10^-4量级、10^-6量级和10^-7量级，考虑到实际实验的窗口边缘加工不够锋利及灰尘等的影响，U型口径比圆形口径衍射光强低1～2个数量级。

外掩体1的下端通过支架固定于外窗口2的上方，外掩体1设置于光路光轴上，遮掩太阳直射光进入至光学系统。

方形结构在外窗口2与拒热镜4之间部位的上端采用敞开的开放式结构，以拒热镜4为界限，拒热镜4左侧的方形结构为上端敞开的开放式结构，拒热镜4右侧的方形结构为上端闭合的闭合式结构，即方形结构整体为半开放式方形结构。半开放式结构的一侧安装防护门3，防护门3可打开或闭合方形结构的半开放式结构。采用半开放式结构可将该日冕仪装置的体积缩减一半，重量减轻1/3，大大降低卫星的运载能力和体积要求。

拒热镜4设置于外窗口2与内掩体吸光槽5之间，拒热镜4采用方形中凹结构反射镜，且中凹结构的凹面朝向外窗口2一侧。拒热镜4相对于方形结构呈10°～45°倾斜放置，30°为最佳，即拒热镜4下端相对于拒热镜上端向外窗口2一侧偏移。由散射理论可知，散热光强随散射角增大而减小，因此散热镜反射的光线应尽可能避开外掩体以及外窗口，以增大散射角。参见图2，拒热镜4的中凹反射结构可将入射的太阳直射光聚焦于该日冕仪装置半开放式结构的上方中心位置，即将入射的太阳直射光聚焦于方形结构半开放结构的外部，远离外掩体以及外窗口，降低拒热镜4表面散热杂散光的影响。通过控制拒热镜4相对于结构的倾斜角度和中凹结构的中凹度可改变拒热镜4反射聚焦点的位置。此外，拒热镜的表面采用超光滑处理，以抑制拒热镜表面产生的部分散射杂散光。

参见图1、图5和图6，内掩体吸光槽采用半椭圆形结构，内掩体吸光槽内壁涂消光漆，内掩体吸光槽上表面与方形结构的闭合式结构固定，内掩体吸光槽的光路光轴位置设置内掩体12。参见图7，内掩体12采用椭圆形反射镜，内掩体12设置于光路光轴上，内掩体12位于外掩体经过物镜组11的成像位置，即内掩体12位于外掩体1对于物镜组11的共轭位置，将外掩体衍射光10反射至内掩体吸光槽5中吸收消除，图4为外掩体1与内掩体12的共轭图。

由于日冕光比太阳直射光弱得多，其距离太阳的增加，光强由10^-6量级降低至10^-14量级，由此使得太阳直射光照射外掩体边缘产生的衍射光10仍然比日冕光强很多，因此必须进行抑制，以降低干扰。抑制方法如下：将内掩体12的尺寸略大于外掩体成像的尺寸，通过内掩体12将外掩体1边缘的衍射光10进行遮拦。但通过遮拦仅将外掩体1边缘的衍射光10部分吸收掉，为实现上述衍射光10的全部吸收，如图6和图7，内掩体12采用倾斜放置的椭圆面，椭圆长轴长4.24mm，短轴长3mm，内掩体椭圆形反射镜平面与光路光轴之间呈125°～130°夹角，其夹角如图6中的A角所示，且内掩体12椭圆形反射镜平面与光路光轴之间呈127°夹角为最佳，可将衍射光10在内掩体吸光槽5内多次反射直至完全被内掩体吸光槽5吸收掉。

本发明的工作原理为：

太阳直射光8从方形结构的外窗口2照射进入该日冕仪装置，太阳直射光8照射物镜组11的部分被外掩体1遮拦，进入至该日冕仪装置的太阳直射光8内拒热镜4反射聚焦于方形结构半开放结构的外部，内掩体12将外掩体1边缘的衍射光10进行遮拦，并通过内掩体吸光槽5将衍射光10在内掩体吸光槽5内多次反射直至完全吸收，日冕光9倾斜入射至该日冕仪装置的成像系统6到达CCD相机7像面。

Claims (6)

1.半开放式全周向大视场日冕仪装置，该日冕仪装置从左至右依次包括外掩体（1）、外窗口（2）、拒热镜（4）、内掩体（12）、内掩体吸光槽（5）、成像系统（6）和CCD相机（7），外掩体（1）和内掩体（12）设置于光路光轴上，内掩体（12）位于外掩体经过物镜组（11）的成像位置，其特征在于：该日冕仪装置整体呈半开放式方形结构，拒热镜（4）采用方形中凹结构反射镜，中凹结构的凹面朝向外窗口（2）一侧；拒热镜采用倾斜方式放置，拒热镜（4）下端相对于拒热镜上端向外窗口（2）一侧偏移，拒热镜（4）将入射的太阳直射光聚焦于半开放式方形结构的外部。

2.根据权利要求1所述的半开放式全周向大视场日冕仪装置，其特征在于：所述半开放式方形结构共包括开放式结构和闭合式结构两部分，以拒热镜（4）为界限，拒热镜（4）左侧的方形结构为上端敞开的开放式结构，拒热镜（4）右侧的方形结构为上端闭合的闭合式结构，方形结构整体为半开放式结构。

3.根据权利要求1所述的半开放式全周向大视场日冕仪装置，其特征在于：所述外窗口（2）设置于方形结构的左侧，外窗口（2）呈上端开口的U型口径，太阳直射光从外窗口（2）的左侧射入光学系统。

4.根据权利要求1或2所述的半开放式全周向大视场日冕仪装置，其特征在于：所述半开放式结构的一侧安装防护门（3），防护门（3）可打开或闭合方形结构的半开放式结构。

5.根据权利要求1所述的半开放式全周向大视场日冕仪装置，其特征在于：所述内掩体（12）的尺寸略大于外掩体成像的尺寸，内掩体（12）采用倾斜放置，内掩体椭圆形反射镜平面与光路光轴之间呈125°～130°夹角。

6.所述根据权利要求1所述的半开放式全周向大视场日冕仪装置，其特征在于：所述内掩体吸光槽（5）内壁涂消光漆，内掩体吸光槽（5）上表面与方形结构的闭合式结构固定。