CN109856790B - 一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，包括圆柱状壳体，壳体的顶壁、底壁和侧壁上均开设通槽，通槽内嵌设玻璃封窗；壳体内部固定光阑体，且壳体内处于真空密封状态；使经过太阳望远镜主镜反射后的汇聚光束穿透壳体顶壁上的玻璃封窗，到达光阑体的倾斜平面后，少部分光束从光阑体中部开孔处穿过，并穿透底壁上的玻璃封窗后至后方光学系统，大部分光束经光阑体倾斜平面反射后从壳体侧壁上的玻璃封窗穿出。本发明将望远镜热光阑这个核心区域封装并做真空化处理，达到抑制视场光阑热致湍流的目的，解决了太阳望远镜的镜筒采用整体真空封闭式结构导致其口径无法继续做大，以及开放式结构光阑处成像质量不佳的技术问题。

Description

一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置

技术领域

本发明涉及精密光学仪器技术领域，尤其是一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置。

背景技术

太阳望远镜作为实时监测、研究太阳活动规律的主要观测仪器，正如其它类型天文望远镜一样，现今太阳望远镜也以扩大其口径作为主要技术指标，因为大口径的太阳望远镜具有如下两点优势：1、光学系统极限空间分辨率因衍射效应而受到限制，只有增加望远镜口径，才可能进一步提高其空间分辨率，让观测目标能看得更清晰；2、增加其聚光能力。

太阳望远镜的热光阑处的局部视宁度对望远镜最终成像效果有着重要影响，因为热光阑位于望远镜的焦面上，太阳光汇聚在此，此处承受的热载荷最高，产生热致湍流的效应最明显；同时其与像面互为共轭关系，热光阑发热产生的湍流会引起像面抖动、像面离焦、像质下降等恶劣影响，为了抑制热光阑受光面热致湍流对像质的影响，需要对其进行热控，抑制热致湍流对像质的影响，并保证热光阑不被热损坏。

热光阑的温控已成为太阳望远镜设计的关键环节。但依然存在的问题是：1、热光阑处的能量密度高,观测过程中天气变化和观测区域的变化会导致热光阑受热面能量密度时空分布不均匀；同时水冷效率与其表面液体流动速度呈正相关，光阑冷却体内部流场较为复杂，表面的温度很难控制到均匀状态。2、热光阑处的视宁度还会受到以下两方面因素的影响：(1)望远镜周围其它结构被阳光晒热后产生的湍流。(2)热光阑通光孔处能量密度极高，空气中的尘埃、气溶胶、CO₂和H₂0等极性气体分子吸收阳光后致使空气被加热产生湍流。这两种热致湍流是无法通过热光阑受光面的温控来抑制的。

为了解决上述问题，目前有两种方案：1、望远镜整个镜筒内采用真空式结构。在高度真空的环境下能极大程度上抑制湍流的产生；这样就降低了对热光阑的温控要求，但该项技术带来的问题是：由于望远镜镜筒的封窗口径需要大于望远镜有效口径，所以望远镜越大，封窗口径也越大，其承受的压力也越大。因此，镜筒抽真空的技术手段虽能较好解决热致湍流带来的影响，但其制约了望远镜口径的提高。2、开放式结构。开放式结构望远镜口径能得到进一步提高，但是开放式结构光阑处由于热致空气湍流造成成像质量下降，现有温控技术难以将热光阑受光面温度控制均匀，故其局部视宁度控制效果不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，解决现有技术中太阳望远镜的镜筒采用整体真空封闭式结构导致其口径无法继续做大的问题，以及解决开放式结构光阑处由于热致空气湍流造成的成像质量下降的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，包括圆柱状壳体，所述壳体的顶壁中部、底壁中部和侧壁上均开设通槽，所述通槽内固定嵌设玻璃封窗；所述壳体内部固定设置光阑体，且壳体内处于真空密封状态；使经过太阳望远镜主镜反射后的汇聚光束穿透所述壳体顶壁上的玻璃封窗，到达光阑体的倾斜平面后，少部分光束从光阑体中部开孔处穿过，并穿透所述壳体底壁上的玻璃封窗后至后方光学系统，大部分光束经光阑体倾斜平面反射后从所述壳体侧壁上的玻璃封窗穿出。

进一步地，还包括冷却装置，所述冷却装置包括封窗冷却管路，所述壳体的顶壁和底壁上均开设环形凹槽，且环形凹槽的槽口上焊接环形封窗盖，形成密闭的环形空腔，所述壳体顶壁的环形空腔与底壁的环形空腔之间通过连接管路连通，使冷却液从所述壳体顶壁的入口端流入顶壁的环形空腔中，对顶壁中部的玻璃封窗进行冷却后，通过所述连接管路进入底壁的环形空腔中，对底壁中部的玻璃封窗进行冷却，最终从所述壳体底壁的出口端流出，形成所述封窗冷却管路。

进一步地，所述环形封窗盖的内圈边缘向所述环形凹槽的槽口外延伸出一段，将位于中部的玻璃封窗的外圈边缘压紧，使所述玻璃封窗固定在所述通槽内。

进一步地，所述壳体的侧壁上向外延伸设置有侧窗，所述侧窗的窗口开设通槽，所述通槽内嵌设玻璃封窗，且通槽的边缘焊接环形封窗盖，将玻璃封窗外圈边缘压紧，使玻璃封窗固定在所述侧窗的通槽内。

进一步地，还包括密封圈，所述玻璃封窗与通槽的接触面上设置至少一层所述密封圈。

进一步地，所述冷却装置还包括光阑冷却管路，所述光阑冷却管路的入口端和出口端均开设在所述壳体的侧壁上，管路围绕所述光阑体设置，对所述光阑体进行冷却。

进一步地，所述光阑体的外围与所述壳体的内壁之间设置固定支架，通过所述固定支架将光阑体固定在所述壳体内部。

进一步地，所述壳体的侧壁上开设抽气孔，所述抽气孔的孔口连接抽气管道。

进一步地，所述玻璃封窗与通槽的侧壁之间填充导热硅胶。

进一步地，所述玻璃封窗的界面上镀介质干涉膜。

本发明的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，放弃对镜筒内非关键区域的真空，仅将望远镜热光阑这个核心区域封装并做真空化处理，达到抑制视场光阑热致湍流的目的。现有技术已能够实现口径1.22米望远镜镜筒的真空封装，而该装置只需要对大约0.2米口径的区域进行封装，即只需要封住热光阑周边区域即可，所以本技术可行度较高，降低了整个系统的工程技术难度与造价。另外，较小的封窗承受大气压力也较小，有利于减轻应力双折射效应的影响，解决了目前大口径太阳望远镜所面临的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置侧剖面结构示意图；

图2是本发明另一个侧剖面结构示意图；

图3是本发明的壳体顶壁的环形凹槽结构示意图；

图4是本发明的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1-4所示，说明本发明的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，包括圆柱状壳体1，上述壳体1的顶壁中部、底壁中部和侧壁上均开设通槽，在通槽内固定嵌设玻璃封窗4。上述壳体1内部固定设置光阑体2，且壳体1内处于真空密封状态；使经过太阳望远镜主镜反射后的汇聚光束穿透壳体1顶壁上的玻璃封窗4，到达光阑体2的倾斜平面后，少部分光束从光阑体2中部开孔处穿过，并穿透壳体1底壁上的玻璃封窗4后至后方光学系统，大部分光束经光阑体2倾斜平面反射后从壳体1侧壁上的玻璃封窗4穿出，如图1所示。

进一步地，还包括冷却装置，冷却装置包括封窗冷却管路，上述壳体1的顶壁和底壁上均开设环形凹槽5，如图3所示，且环形凹槽5的槽口上焊接环形封窗盖6，形成密闭的环形空腔，壳体1顶壁的环形空腔与底壁的环形空腔之间通过连接管路8连通，优选的上述连接管路8为倒U型管，使冷却液从上述壳体1顶壁的入口端101流入顶壁的环形空腔中，对顶壁中部的玻璃封窗4进行冷却后，通过连接管路8进入底壁的环形空腔中，对底壁中部的玻璃封窗4进行冷却，最终从壳体1底壁的出口端102流出，形成上述封窗冷却管路，如图2所示。

优选的实施方案是：上述环形封窗盖6的内圈边缘向环形凹槽5的槽口外延伸出一段，将位于中部的玻璃封窗4的外圈边缘压紧，使上述玻璃封窗4固定在通槽内。上述环形封窗盖6不仅起到了密封环形凹槽5槽口的作用，同时将玻璃封窗4的外圈边缘压紧，辅助玻璃封窗4固定。

上述壳体1的侧壁上优选的结构是：壳体1的侧壁上向外延伸设置有侧窗10，侧窗10的窗口开设通槽，在通槽内嵌设玻璃封窗4，且通槽的边缘焊接环形封窗盖6，将玻璃封窗4外圈边缘压紧，使玻璃封窗4固定在侧窗10的通槽内。侧窗10上的玻璃封窗4和环形封窗盖6优选为方形，另外，由于侧窗10处没有环形凹槽的冷却管路，因此，侧窗10处的环形封窗盖6仅起到固定玻璃封窗4的作用，如图4所示。

另外，为了进一步保证壳体1内的密封性，还包括密封圈7，上述玻璃封窗4与通槽的接触面上设置至少一层密封圈7。优选的，设置有两层密封圈7，且密封圈7的厚度比通槽的深度稍厚，布置在受压面能够使玻璃封窗4在大气压作用下自行压紧密封圈7，达到较好的气密效果。

上述冷却装置还包括光阑冷却管路9，光阑冷却管路9的入口端和出口端均开设在壳体1的侧壁上，管路围绕上述光阑体2设置，对光阑体2进行冷却。本发明的冷却装置分为两路冷却管路，一是封窗冷却管路，对顶壁和底壁的玻璃封窗4进行制冷；二是光阑冷却管路，对光阑体2进行制冷。另外，本发明仅对顶壁和底壁的玻璃封窗4进行制冷，而对侧壁上的玻璃封窗4不进行冷却，其原因是：经过顶壁和底壁上的玻璃封窗4的光线是参与成像的光线，其温度过高引起的面型变化会影响成像；而经过侧壁的光线属于杂散光，不参与成像，故侧壁上的玻璃封窗4不制冷也不影响成像质量，因此，不需要制冷。

具体地，上述光阑体2的外围与壳体1的内壁之间设置固定支架3，通过固定支架3将光阑体2固定在壳体1内部。另外，上述壳体1的侧壁上开设抽气孔11，抽气孔11的孔口连接抽气管道，通过抽气孔11，将壳体1内部抽真空，真空度约为万分之一个大气压。

上述玻璃封窗4与通槽的侧壁之间填充导热硅胶，同时提高了两者间的传热效率和气密性。上述玻璃封窗4的界面上镀介质干涉膜，使壳体1顶壁上的玻璃封窗4的外表面对需要的波段能尽可能多的通过，而其它的波段尽可能的反射；顶壁玻璃封窗4的内表面，底壁和侧壁上的玻璃封窗4的内外两个表面，镀膜应尽可能多的通过需要的波段，以减轻玻璃封窗4上的热量，提高光学系统的信噪比。具体地，对于工作在可见光波段的太阳望远镜而言，壳体1顶壁的玻璃封窗4的受光面，即外表面，镀可见光波段增透膜和红外波段增反膜，其内表面、底壁和侧壁上的玻璃封窗4的内外表面上镀可见光增透膜，镀膜后可减轻玻璃封窗对于长波辐射能量的吸收，降低热载荷，提高可见光，即信号光透过率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，其特征在于：包括圆柱状壳体，所述壳体的顶壁中部、底壁中部和侧壁上均开设通槽，所述通槽内固定嵌设玻璃封窗；所述壳体内部固定设置光阑体，且壳体内处于真空密封状态；使经过太阳望远镜主镜反射后的汇聚光束穿透所述壳体顶壁上的玻璃封窗，到达光阑体的倾斜平面后，少部分光束从光阑体中部开孔处穿过，并穿透所述壳体底壁上的玻璃封窗后至后方光学系统，大部分光束经光阑体倾斜平面反射后从所述壳体侧壁上的玻璃封窗穿出。

2.根据权利要求1所述的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，其特征在于：还包括冷却装置，所述冷却装置包括封窗冷却管路，所述壳体的顶壁和底壁上均开设环形凹槽，且环形凹槽的槽口上焊接环形封窗盖，形成密闭的环形空腔，所述壳体顶壁的环形空腔与底壁的环形空腔之间通过连接管路连通，使冷却液从所述壳体顶壁的入口端流入顶壁的环形空腔中，对顶壁中部的玻璃封窗进行冷却后，通过所述连接管路进入底壁的环形空腔中，对底壁中部的玻璃封窗进行冷却，最终从所述壳体底壁的出口端流出，形成所述封窗冷却管路。

3.根据权利要求2所述的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，其特征在于：所述环形封窗盖的内圈边缘向所述环形凹槽的槽口外延伸出一段，将位于环形封窗盖与所述通槽构成的镜室中的玻璃封窗的外圈边缘压紧，使所述玻璃封窗固定在所述通槽内。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，其特征在于：所述壳体的侧壁上向外延伸设置有侧窗，所述通槽开设在所述侧窗的窗口上，所述通槽内嵌设玻璃封窗，且通槽的边缘焊接环形封窗盖，将玻璃封窗外圈边缘压紧，使玻璃封窗固定在所述侧窗的通槽内。

5.根据权利要求4所述的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，其特征在于：还包括密封圈，所述玻璃封窗与通槽的接触面上设置至少一层所述密封圈。

6.根据权利要求2或3所述的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，其特征在于：所述冷却装置还包括光阑冷却管路，所述光阑冷却管路的入口端和出口端均开设在所述壳体的侧壁上，管路围绕所述光阑体设置，对所述光阑体进行冷却。

7.根据权利要求1所述的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，其特征在于：所述光阑体的外围与所述壳体的内壁之间设置固定支架，通过所述固定支架将光阑体固定在所述壳体内部。

8.根据权利要求7所述的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，其特征在于：所述壳体的侧壁上开设抽气孔，所述抽气孔的孔口连接抽气管道。

9.根据权利要求7所述的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，其特征在于：所述玻璃封窗与通槽的侧壁之间填充导热硅胶。

10.根据权利要求7所述的一种用于太阳望远镜热光阑的真空密封装置，其特征在于：所述玻璃封窗的界面上镀介质干涉膜。

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