CN108594421B - 适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置 - Google Patents

Abstract

适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置，由物镜及显示屏组成人眼观测或者投影装置，特征是沿光轴由外至内分别设置物镜组、分光镜、负透镜和手机拍摄窗口，且在分光镜垂直于光轴方向一侧设置投影屏。由物镜组、分光镜、负透镜组成手机/相机拍摄光路，在拍摄窗口放置手机/相机可实现太阳像的拍摄功能。由物镜组、分光镜、负透镜和投影屏组成太阳像投影光路，观测者可在投影屏上看到清晰放大的太阳像。本发明提供了适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置，将太阳投影成像和手机/相机拍摄成像进行了一体化设计，既能实现多人观看太阳投影像，又能满足拍摄记录的需要。该装置具有结构简单，携带方便等优点，能够广泛应用于太阳科普教育工作。

Description

适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置

技术领域

本发明涉及一种适用于太阳成像拍摄装置。本发明是在上海市科学技术委员会科研计划项目（项目编号：15DZ1161803）的资助下进行的，属于光学测量技术领域。

背景技术

对于天文科普工作者以及天文爱好者而言，太阳像的观测是比较常见的科普展示项目。传统太阳像观测方式主要目视观测、投影观测以及照相观测几种：

目视观测主要通过安装了减光措施的望远镜实现。这种方式最直接，但需要严格的减光措施来保护观测者的眼睛，避免强烈的阳光直射对观测者眼睛造成伤害。此种观测方式的缺点在于太阳像数据无法保存，不利于获得连续长期的观测数据。

投影观测是在成像物镜的焦面上放置投影屏，观测者通过观看投影屏获取太阳像，避免了阳光直接射入观测者的眼睛。投影观测具有可满足多人同时观看的优点，且能获得清晰放大的光球像，是科普教育领域采用较为广泛的观测手段之一。

照相观测是在成像物镜的焦面上放置CCD相机或其他光电成像器件，通过光电成像器件记录太阳像。照相观测具有图像精度高，可长期保存等特点，早期主要用于科研观测，近年来在科普中逐渐得到广泛应用。

目前，我国的太阳科普观测手段还较为单一，目视观测的方法采用比较多。由于目视观测对器材的要求较高，太阳科普观测的普及率偏低。从调查来看，很多中小学校没有配置太阳科普器材，天文馆、科技馆配备的太阳科普观测设备也非常少，主要依靠图片展示、视频播放等方式进行太阳科普工作。

发明内容

针对太阳科普中面临的相关问题，本发明提供了一种适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置，该装置将太阳投影成像和手机/相机拍摄成像进行了一体化设计，既能够实现多人观看太阳投影像，又能够满足拍摄记录的需要。该装置具有结构简单，携带方便等优点，能够广泛应用于太阳科普教育工作。

完成上述发明任务的技术方案是，一种适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置，由物镜及显示屏组成人眼观测或者投影装置，其特征在于，沿光轴由外至内分别设置物镜组、分光镜、负透镜和手机拍摄窗口，且在分光镜垂直于光轴方向一侧设置投影屏；由物镜组、分光镜、负透镜组成手机/相机拍摄光路，在拍摄窗口放置手机/相机即可实现太阳像的拍摄功能；由物镜组、分光镜、负透镜和投影屏组成太阳像投影光路，观测者可以在投影屏上看到清晰放大的太阳像。

其中物镜组可以由多种形式的透射式光学镜片组成，其功能是实现入射太阳光线的汇聚。分光镜可以是棱镜，也可以是其它结构形式的分光元件，用于实现拍摄光路和投影光路的光轴分离，使得两种功能能够同时实现。负透镜的第一个表面设计成凸面，镀分光膜层，一部分光线反射，一部分光线透射。负透镜放置在物镜组的焦点内侧，且其后焦点与物镜组焦点重合。从透射光线的追迹来看，负透镜与物镜组构成伽利略望远系统，实现入射太阳光线的角放大，使其适合手机/相机拍摄要求。从负透镜第一个表面反射的光线经分光镜反射，在与物镜组光轴垂直方向上形成了一个焦点，用于投影成像。从反射光线的追迹来看，负透镜第一个表面与物镜组构成一个折反式光学系统，其优点在于能够在较小空间内实现对物镜组的扩焦，保证在投影屏上得到清晰放大、适合人眼观看的太阳投影像。

到达负透镜第一个表面的光线一部分透射，一部分反射；凸面分光膜层的透射/反射系数根据手机成像亮度和投影屏亮度需要进行分配。例如，从科普实践来看，对于正常亮度的太阳，其亮度的1.6×10^-4适合拍摄，其亮度的1×10^-5适合人眼观测。把分光镜的分光比设置为0.5，将负透镜第一表面的透射系数设计为0.01，手机拍摄窗口玻璃选择0.025的中性滤光片。考虑到其他光学元件的光损失，进入手机/相机的光能量大约是太阳亮度的1.6×10^-4左右。如果将负透镜第一表面的透射系数设计为0.1，则手机拍摄窗口玻璃选择0.0025的中心滤光片，可以保证相同数量的光能量进入手机/相机。投影光路，将投影像的大小设计为物镜组入瞳直径的1.5倍，人眼观察距离0.25米，考虑到光学元件和投影屏的光损失，进入人眼的光能量大约是太阳亮度的1×10^-5左右。

本发明与现有太阳像观测装置相比，存在以下优点：

（1）本发明同时实现了太阳像的投影与拍摄两种功能。使用本发明提供的成像装置，观测者在投影屏上观看太阳像的同时，也能用手机/相机拍摄到太阳像进行记录；

（2）本发明将负透镜的第一个表面设计为凸面，巧妙运用分光膜层层设计，光线按照透射和反射两种路径传播，实现了伽利略望远光路和折反式扩焦光路的一体化设计；

（3）投影屏在人眼下方倾斜放置，更有利于长时间观测，获得更多有效数据；

（4）该装置光路简单，设计安全，外壳采用可折叠纸筒，生产本较低，适合广泛用于科普教育领域。

附图说明

图1是一种适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置光学系统图。

图2是一种适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置拍摄光路图。

图3是一种适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置投影光路图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1，一种适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置。如图1所示，由物镜组1，分光镜2，负透镜3，拍摄窗口4，投影屏5和装置壳体6组成。其中物镜组1实现入射太阳光线的汇聚，物镜组1可以由多种形式的透射式光学镜片组成。分光镜2用于实现拍摄光路和投影光路的光轴分离，使得拍摄和投影能够同时实现。分光镜2可以是棱镜，也可以是其它结构形式的分光元件。负透镜3的第一个表面设计成凸面，镀分光膜层，一部分光线反射，一部分光线透射。负透镜3放置在物镜组的焦点内侧，且其后焦点与物镜组焦点重合。从透射光线的追迹来看，负透镜3与物镜组1构成伽利略望远系统，实现入射太阳光线的角放大，使其适合手机/相机拍摄要求。从负透镜3第一个表面反射的光线经分光镜2反射，在与物镜组1光轴垂直方向上形成了一个焦点，用于投影成像。从反射光线的追迹来看，负透镜3第一个表面与物镜组1构成一个折反式光学系统，在较小空间内实现对物镜组1的扩焦，保证在投影屏上得到适合人眼观看的太阳投影像。透镜1，分光镜2，负透镜3、拍摄窗口4和投影屏5安装在装置壳体6上，装置壳体6上设计有迴转轴，可用于跟踪太阳和调整对太阳的观测角度，迴转轴的位置可以根据装置壳体6设计情况安排。装置通过迴转轴安装在支架上，绕迴转轴的旋转可以实现装置对太阳的跟踪。当不配备支架时，装置可以平放在高度合适的平台上，以装置壳体的一个角作为支点进行太阳跟踪。装置壳体6可以采用多种材质制作，使用后可以折叠，方便携带。

如图1所示，物镜组1与负透镜3采用同轴设计，分光镜放置在物镜组1和负透镜3之间，其分光面与物镜组1、负透镜3形成的光轴成45°夹角。拍摄窗口4在负透镜3下方，位于物镜组1与负透镜3组合光路的出瞳位置。

如图2所示，太阳光线射入物镜组1后进行汇聚，到达分光镜2，部分光透过分光镜照射至负透镜3，负透镜3的第一个表面镀分光膜层，透射光线经负透镜3传播至拍摄窗口，在出口处放置手机/照相机即能拍摄太阳像。

如图3所示，太阳光线射入物镜组1后进行汇聚，到达分光镜2，部分光透过分光镜照射至负透镜3，负透镜3的第一个表面镀分光膜层，一部分光经负透镜3透射至拍摄窗口，另一部分光经负透镜3的第一个表面反射后到达分光镜2，再由分光镜2反射至投影屏5，在投影屏5上形成放大的太阳像。

Claims (3)

1.一种适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置，由物镜及显示屏组成人眼观测或者投影装置，其特征在于，沿光轴由外至内分别设置物镜组、分光镜、负透镜和手机拍摄窗口，且在分光镜垂直于光轴方向一侧设置投影屏；由物镜组、分光镜、负透镜组成手机/相机拍摄光路；由物镜组、分光镜、负透镜和投影屏组成太阳像投影光路；

所述物镜组的焦点和负透镜焦点重合，组成伽利略望远系统，实现太阳光线入射角放大；所述物镜组和负透镜第一个表面组成折反式系统，实现物镜组扩焦；

在所述物镜组和负透镜之间放置分光镜，实现手机/相机拍摄光路与投影光路的光轴分离，使得拍摄和人眼观看能够同时进行。

2.根据权利要求1所述的适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置，其特征在于，所述负透镜第一个表面为凸面，第二个表面为凹面，第一个表面镀分光膜层。

3.根据权利要求1或2所述的适用于太阳像投影与拍摄的多功能装置，其特征在于，所述分光镜的分光比设置为0.5，所述负透镜第一表面的透射系数设为0.01，所述手机拍摄窗口玻璃选择0.025的中性滤光片；所述投影光路中将投影像的大小设为物镜组入瞳直径的1.5倍。

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