CN105607241B - 一种太阳望远镜的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属精密光学测试技术领域，具体涉及一种太阳望远镜的光学系统。该系统包括主镜、热光阑、视场光阑、准直透镜、接收透镜以及像面，其改进之处是：视场光阑为弧形，视场光阑面向入射光的表面镀有反射膜，解决了热量大量聚集在视场光阑，使视场信号被杂光淹没，从而导致高分辨率观测任务失败的问题。

Description

一种太阳望远镜的光学系统
技术领域
本发明属精密光学测试技术领域，具体涉及一种太阳望远镜的光学系统。
技术背景
太阳望远镜对太阳高分辨率观测的有效视场一般不超过5′，而有效视场外的太阳区域的光辐射，会经望远镜镜筒入口进入到太阳望远镜镜筒内，这部分能量同样在望远镜内部传输和成像、吸收和散射，它既是强热源又是强杂散光源。通常的空间望远镜和地面望远镜，太阳也是热源和杂散光源，但在任务观测时不会允许太阳直射进入望远镜筒，一般采用遮光罩等措施抑制。
由于太阳望远镜对太阳的有效视场成像，视场外的太阳光全部可以投射到主镜上，因此采用加遮光罩的措施消除不了杂光和热源。在太阳望远镜的光学系统设计中，光学系统设计为两次成像系统，引入一次像面的目的是在此加入视场光阑和热光阑，阻止非视场的太阳光直接进入后续光学系统到达像面。
太阳望远镜光学系统工作如图1所示：
太阳光线入射到主镜后分三种路径传输：太阳望远镜的视场内光线L1经主镜5反射后穿过热光阑4孔和视场光阑3孔进入后续的准直透镜6、接收透镜2到达像面1探测器；望远镜视场外大角度的太阳光线L2经主镜5反射到热光阑4的反射面，再被反射到外空；在望远镜有效视场附近的太阳光线L3从热光阑4孔漏入射到视场光阑3面上。
视场光阑3设计通常是在平板上挖孔，使视场内的光线从视场光阑3孔穿过进入后续光学系统2，而平板表面则做黑色消光处理以吸收视场外的入射杂光。太阳望远镜由于从热光阑4漏入的太阳杂光能量达到100w左右，对于视场光阑3吸收这么大的能量将导致严重的热变形以及位置偏移一次像面，因此，必须采取措施使漏入到视场光阑4表面的太阳能量被反射走。
如图1所示，入射的杂光到达视场光阑3反射面后，其反射光线L5会到达热光阑4的表面，这部分的光将导致两个对光学系统不利的问题：一是反射到热光阑4的能量被吸收后导致热光阑4发生变形和位置变化，而热光阑4结构与视场光阑3结构是连接在一起，从而使视场光阑3位置也会发生变化；另一个影响是反射到热光阑4表面的杂光在热光阑5表面上发生一次散射，一次散射杂光L6穿过视场光阑孔进入后续光学系统2到达像面1。这两种影响都将增大像面的杂光能量，使视场信号被杂光淹没，从而导致高分辨率观测任务失败。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种太阳望远镜的光学系统，采用反射式弧形视场光阑，解决热量大量聚集在视场光阑，使视场信号被杂光淹没，从而导致高分辨率观测任务失败的问题。
本发明的具体技术方案是：
本发明提出了一种太阳望远镜的光学系统，包括主镜、热光阑、视场光阑、准直透镜、接收透镜以及像面，其特征在于：所述视场光阑为弧形，所述视场光阑面向入射光的表面镀有反射膜。
上述视场光阑的曲率半径R通过以下步骤获取：
1)确定入射杂光在视场光阑面上的最小上视场A、入射杂光在视场光阑面上的最大上视场A＇、入射杂光在视场光阑面上的最小下视场B、入射杂光在视场光阑面上的最大下视场B＇；
2)计算反射出最小上视场A杂光所对应的曲率半径Ra；
2.1)确定杂光最小上视场A的第一下边缘光线X1、最小上视场A的第一上边缘光线X2以及第一上边缘光线X2经视场光阑反射后通过热光阑下极限点O的反射光线X3；
2.2)获取第一下边缘光线X1与第一上边缘光线X2之间的第一角平分线，并确定第一角平分线与光轴线交于点C1，测量出杂光最小上视场A与C1的距离R1；
2.3)获取第一上边缘光线X2与X3的第二角平分线，并确定第二角平分线与光轴线交于点C2，测量出最小上视场A与点C2的距离R2；
2.4)保证最小上视场A的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Ra需要满足的条件是：R2＜Ra＜R1；
3)计算反射出最大上视场A＇的杂光所对应的曲率半径Rb；
3.1)确定杂光最大上视场A＇的第二下边缘光线X4、第二上边缘光线X5以及第二上边缘光线X5经视场光阑反射后通过热光阑下极限点O的反射光线X6；
3.2)获取第二下边缘光线X4与第二上边缘光线X5之间的第三角平分线，并确定第三角平分线与光轴线交于点C3，测量出最大上视场A＇与点C3的距离R3；
3.3)获取第二上边缘光线X5与X6的第四角平分线，并确定第四角平分线与光轴线交于点C4，测量出杂光最大上视场A＇与点C4的距离R4；
3.4)保证最大上视场A＇的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Rb需要满足的条件是：R4＜Rb＜R3；
4)计算反射出最小下视场B杂光所对应的曲率半径Rc；
4.1)确定杂光最小下视场B的第三下边缘光线X7、最小下视场B的第三上边缘光线X8以及第三下边缘光线X7经视场光阑反射后通过热光阑上极限点O＇的反射光线X9；
4.2)获取第三下边缘光线X7与第三上边缘光线X8之间的第五角平分线，并确定第五角平分线与视场光阑通孔的中心线交于点C5，测量出最小下视场B与点C5的距离R5；
4.3)获取第三下边缘光线X7与X9的第六角平分线，并确定第六角平分线与光轴线交于点C6，测量出杂光最小下视场B与点C6的距离R6；
4.4)保证最小下视场B的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Rc需要满足的条件是：R6＜Rc＜R5；
5)计算杂光最大下视场B＇对应的曲率半径Rd；
5.1)确定杂光最大下视场B＇的第四下边缘光线X10、最大下视场B＇的第四上边缘光线X11以及第四下边缘光线X10经视场光阑反射后通过热光阑上极限点O＇的反射光线X12；
5.2)获取第四下边缘光线X10与第四上边缘光线X11之间的第七角平分线，并确定第七角平分线与光轴线交于点C7，测量出杂光最大下视场B＇与点C7的距离R7；
5.3)获取第四下边缘光线X10与X12的第八角平分线，并确定第八角平分线与光轴线交于点C8，测量出最大下视场B＇点C8的距离R8；
5.4)保证最大下视场B＇的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Rd需要满足的条件是：R8＜Rd＜R7；
6)最终视场光阑上漏入的太阳杂光被反射并全部穿过热光阑孔时，弧形视场光阑的曲率半径R必须满足条件Rmin＜R＜Rmax；其中，Rmin取值为最小上视场A对应的曲率半径Ra、最大上视场A＇对应的曲率半径Rb、最小下视场B对应的曲率半径Rc以及最大下视场B＇对应的曲率半径Rd中的最小值；Rmax取值为最小上视场A对应的曲率半径Ra、最大上视场A＇对应的曲率半径Rb、最小下视场B对应的曲率半径Rc以及最大下视场B＇对应的曲率半径Rd中的最大值。
本发明的优点在于：
本发明采用弧形视场光阑，避免了太阳杂光入射到视场光阑后被反射到热光阑上并被吸收后导致热光阑、视场光阑发生变形和位置变化的问题，从而能够实现太阳望远镜的光学系统高分辨率观测任务。
附图说明
图1为现有太阳望远镜的光学系统的示意图；
图2为本发明太阳望远镜光学系统的入射杂光在视场光阑与热光阑之间的光路示意图；
图3为计算反射最小上视场A杂光所对应的视场光阑曲率半径Ra的光路示意图；
图4为计算反射最大上视场A＇杂光所对应的视场光阑曲率半径Rb的光路示意图；
图5为计算反射最小下视场B杂光所对应的视场光阑曲率半径Rc的光路示意图；
图6为计算发射最大下视场B＇杂光所对应的视场光阑曲率半径Rd的光路示意图。
1-像面、2-接收透镜、3-视场光阑、4-热光阑、5-主镜、6-准直透镜。
具体实施方式
为了解决太阳望远镜光学系统中太阳杂光入射视场光阑后反射到热光阑的入射光被吸收后导致热光阑、视场光阑发生变形和位置变化，导致太阳望远镜的光学系统高分辨率观测任务失败的问题。本发明提出了一种太阳望远镜的光学系统，包括主镜5、热光阑4、视场光阑3、准直透镜6、接收透镜2以及像面1，其改进之处是：视场光阑为3弧形，视场光阑3面向入射光的表面镀有反射膜；视场光阑3的曲率半径为R。
以下结合附图2至附图6对曲率半径R的计算过程进行描述：
1)如图2所示，确定入射杂光在视场光阑面上的最小上视场A、入射杂光在视场光阑面上的最大上视场A＇、入射杂光在视场光阑面上的最小下视场B、入射杂光在视场光阑面上的最大下视场B＇；
2)如图3所示，计算反射出最小上视场A杂光所对应的曲率半径Ra：
2.1)确定杂光最小上视场A的第一下边缘光线X1、最小上视场A的第一上边缘光线X2以及第一上边缘光线X2经视场光阑反射后通过热光阑下极限点O的反射光线X3；
2.2)获取第一下边缘光线X1与第一上边缘光线X2之间的第一角平分线，并确定第一角平分线与光轴线交于点C1，测量出杂光最小上视场A与C1的距离R1；
2.3)获取第一上边缘光线X2与X3的第二角平分线，并确定第二角平分线与光轴线交于点C2，测量出最小上视场A与点C2的距离R2；
2.4)保证最小上视场A的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Ra需要满足的条件是：R2＜Ra＜R1；
3)如图4所示，计算反射出最大上视场A＇杂光所对应的曲率半径Rb的过程如下：
3.1)确定杂光最大上视场A＇的第二下边缘光线X4、第二上边缘光线X5以及第二上边缘光线X5经视场光阑反射后通过热光阑下极限点O的反射光线X6；
3.2)获取第二下边缘光线X4与第二上边缘光线X5之间的第三角平分线，并确定第三角平分线与光轴线交于点C3，测量出最大上视场A＇与点C3的距离R3；
3.3)获取第二上边缘光线X5与X6的第四角平分线，并确定第四角平分线与光轴线交于点C4，测量出杂光最大上视场A＇与点C4的距离R4；
3.4)保证最大上视场A＇的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Rb需要满足的条件是：R4＜Rb＜R3；
4)如图5所示，计算反射出最小下视场B的杂光对应的曲率半径Rc的过程如下：
4.1)确定杂光最小下视场B的第三下边缘光线X7、最小下视场B的第三上边缘光线X8以及第三下边缘光线X7经视场光阑反射后通过热光阑上极限点O＇的反射光线X9；
4.2)获取第三下边缘光线X7与第三上边缘光线X8之间的第五角平分线，并确定第五角平分线与视场光阑通孔的中心线交于点C5，测量出最小下视场B与点C5的距离R5；
4.3)获取第三下边缘光线X7与X9的第六角平分线，并确定第六角平分线与光轴线交于点C6，测量出杂光最小下视场B与点C6的距离R6；
4.4)保证最小下视场B的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Rc需要满足的条件是：R6＜Rc＜R5；
5)如图6所示，计算反射出最大下视场B＇杂光所对应的曲率半径Rd的过程如下：
5.1)确定杂光最大下视场B＇的第四下边缘光线X10、最大下视场B＇的第四上边缘光线X11以及第四下边缘光线X10经视场光阑反射后通过热光阑上极限点O＇的反射光线X12；
5.2)获取第四下边缘光线X10与第四上边缘光线X11之间的第七角平分线，并确定第七角平分线与光轴线交于点C7，测量出杂光最大下视场B＇与点C7的距离R7；
5.3)获取第四下边缘光线X10与X12的第八角平分线，并确定第八角平分线与光轴线交于点C8，测量出最大下视场B＇点C8的距离R8；
5.4)保证最大下视场B＇的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Rd需要满足的条件是：R8＜Rd＜R7；
6)最终视场光阑上漏入的太阳杂光被反射并全部穿过热光阑孔时，弧形视场光阑的曲率半径R必须满足条件Rmin＜R＜Rmax；其中，Rmin取值为最小上视场A对应的曲率半径Ra、最大上视场A＇对应的曲率半径Rb、最小下视场B对应的曲率半径Rc以及最大下视场B＇对应的曲率半径Rd中的最小值；Rmax取值为最小上视场A对应的曲率半径Ra、最大上视场A＇对应的曲率半径Rb、最小下视场B对应的曲率半径Rc以及最大下视场B＇对应的曲率半径Rd中的最大值。

Claims (1)

1.一种太阳望远镜的光学系统，包括主镜、热光阑、视场光阑、准直透镜、接收透镜以及像面，其特征在于：所述视场光阑为弧形，所述视场光阑面向入射光的表面镀有反射膜；
所述视场光阑的曲率半径R通过以下步骤获取：
1)确定入射杂光在视场光阑面上的最小上视场A、入射杂光在视场光阑面上的最大上视场A＇、入射杂光在视场光阑面上的最小下视场B、入射杂光在视场光阑面上的最大下视场B＇；
2)计算反射出最小上视场A杂光所对应的曲率半径Ra；
2.1)确定杂光最小上视场A的第一下边缘光线X1、最小上视场A的第一上边缘光线X2以及第一上边缘光线X2经视场光阑反射后通过热光阑下极限点O的反射光线X3；
2.2)获取第一下边缘光线X1与第一上边缘光线X2之间的第一角平分线，并确定第一角平分线与光轴线交于点C1，测量出杂光最小上视场A与C1的距离R1；
2.3)获取第一上边缘光线X2与X3的第二角平分线，并确定第二角平分线与光轴线交于点C2，测量出最小上视场A与点C2的距离R2；
2.4)保证最小上视场A的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Ra需要满足的条件是：R2＜Ra＜R1；
3)计算反射出最大上视场A＇的杂光所对应的曲率半径Rb；
3.1)确定杂光最大上视场A＇的第二下边缘光线X4、第二上边缘光线X5以及第二上边缘光线X5经视场光阑反射后通过热光阑下极限点O的反射光线X6；
3.2)获取第二下边缘光线X4与第二上边缘光线X5之间的第三角平分线，并确定第三角平分线与光轴线交于点C3，测量出最大上视场A＇与点C3的距离R3；
3.3)获取第二上边缘光线X5与X6的第四角平分线，并确定第四角平分线与光轴线交于点C4，测量出杂光最大上视场A＇与点C4的距离R4；
3.4)保证最大上视场A＇的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Rb需要满足的条件是：R4＜Rb＜R3；
4)计算反射出最小下视场B杂光所对应的曲率半径Rc；
4.1)确定杂光最小下视场B的第三下边缘光线X7、最小下视场B的第三上边缘光线X8以及第三下边缘光线X7经视场光阑反射后通过热光阑上极限点O＇的反射光线X9；
4.2)获取第三下边缘光线X7与第三上边缘光线X8之间的第五角平分线，并确定第五角平分线与视场光阑通孔的中心线交于点C5，测量出最小下视场B与点C5的距离R5；
4.3)获取第三下边缘光线X7与X9的第六角平分线，并确定第六角平分线与光轴线交于点C6，测量出杂光最小下视场B与点C6的距离R6；
4.4)保证最小下视场B的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Rc需要满足的条件是：R6＜Rc＜R5；
5)计算杂光最大下视场B＇对应的曲率半径Rd；
5.1)确定杂光最大下视场B＇的第四下边缘光线X10、最大下视场B＇的第四上边缘光线X11以及第四下边缘光线X10经视场光阑反射后通过热光阑上极限点O＇的反射光线X12；
5.2)获取第四下边缘光线X10与第四上边缘光线X11之间的第七角平分线，并确定第七角平分线与光轴线交于点C7，测量出杂光最大下视场B＇与点C7的距离R7；
5.3)获取第四下边缘光线X10与X12的第八角平分线，并确定第八角平分线与光轴线交于点C8，测量出最大下视场B＇点C8的距离R8；
5.4)保证最大下视场B＇的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔穿出，反射光栏的曲率半径Rd需要满足的条件是：R8＜Rd＜R7；
6)最终视场光阑上漏入的太阳杂光被反射并全部穿过热光阑孔时，弧形视场光阑的曲率半径R必须满足条件Rmin＜R＜Rmax；其中，Rmin取值为最小上视场A对应的曲率半径Ra、最大上视场A＇对应的曲率半径Rb、最小下视场B对应的曲率半径Rc以及最大下视场B＇对应的曲率半径Rd中的最小值；Rmax取值为最小上视场A对应的曲率半径Ra、最大上视场A＇对应的曲率半径Rb、最小下视场B对应的曲率半径Rc以及最大下视场B＇对应的曲率半径Rd中的最大值。
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