CN110275281A - 一种天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统 - Google Patents

一种天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，一种天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，包括：入瞳、离轴抛物面反射镜、环形凸球面反射镜、离轴椭球面反射镜、里奥光阑、远紫外/可见光波段平面分光镜、可见光平面反射镜、第一探测器和第二探测器及光陷阱，本发明提供的日冕成像系统，以天基观测方式，采用全反射离轴、长焦距光学结构，实现了对太阳内日冕在远紫外和可见光双波段的高分辨率、大动态范围成像，填补国内在天基日冕仪领域以及国外在远紫外波段内日冕成像仪的空白，提升日冕仪分辨率及动态范围，推动日冕仪设备研制相关技术的发展。

Description

一种天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统
技术领域
本发明涉及日冕成像仪技术领域，特别涉及一种天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统。
背景技术
日冕是太阳大气的最外层，其从太阳过渡区顶部向外的范围可以延伸到几个太阳半径甚至更远的区域。日冕活动对地球及其周围空间环境变化影响重大，是空间天气预报的关键部分之一，关于太阳日冕的有效观测对科学研究、人类活动乃至国家安全都有着非常重要的意义。
目前日冕仪技术上还存在以下问题：可见光波段(530.3nm)日冕仪，主要用于地基日冕观测，首次采用透射式结构获取的太阳日冕的图像。地基的观测方式与天基观测方式相比，本身就存在大气湍流、散射、吸收干扰，无法进行高质量观测的劣势；国内外日冕仪对太阳日冕的观测范围在1.3Rs以上，观测谱段多为Fe XIV线(530.3nm)、Ce XV线(569.4nm)、Fe X线(647.4nm)、Hα线(656.3nm)、Na I线(589.0nm)波段，目前还没有在远紫外波段及莱曼阿尔法波段对太阳内日冕进行成像的日冕仪；目前国际上的天基日冕仪多采用折反混合的结构形式，SOHO卫星上的LASCO-C1分辨率在5.6″，Solar Orbiter Metis可见光分辨率在10″，紫外分辨率在20″，折反混合结构的日冕仪中的反射部分主要是实现对日面的遮挡和对日冕光线的准直，其对日冕的成像主要依赖于后端的折射镜组，存在体积庞大、分辨率不足、观测谱段受限的缺点；Solar Orbiter Metis日冕仪采用的是外掩式同轴日冕仪的光学结构，存在体积大、渐晕严重、能量利用率低的缺点；SMESE日冕仪中无分光元件，只能通过旋转滤光片轮来完成对不同波段图像的采集，并且离轴椭球面反射镜1与离轴椭球面反射镜2的位置不对称，装调难度大，离轴椭球面反射镜在工艺上难以实现较高的粗糙度水平，因此系统杂散光比较严重，此外SMESE因为采用了反射式结构的起偏方法，使得系统中没有多余的空间安装分光镜，存在无法多谱段同时成像的缺点。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够实现对太阳内日冕在远紫外和可见光双波段的高分辨率及大动态范围成像的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，包括：入瞳、离轴抛物面反射镜、环形凸球面反射镜、离轴椭球面反射镜、里奥光阑、远紫外/可见光波段平面分光镜、可见光平面反射镜、第一探测器和第二探测器及光陷阱，所述环形凸球面反射镜包括中心圆形锥孔和围绕所述中心圆形锥孔的环形反射镜面，其中：
太阳光线由所述入瞳进入到达所述离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜将太阳光线成像于所述环形凸球面反射镜，所述环形凸球面反射镜的中心圆形锥孔漏过太阳日面光线进入所述光陷阱中，所述太阳日面光线进入光陷阱后无法进入后续光路，所述环形凸球面反射镜的环形反射镜面将日冕光线反射到所述离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜对入射的光线准直处理，准直后的光线穿过所述里奥光阑进入远紫外/可见光平面分光镜，所述远紫外/可见光平面分光镜反射远紫外波段的光线到达所述第一探测器，所述远紫外/可见光平面分光镜透过可见光波段的光线到达所述可见光平面反射镜，并经所述可见光平面反射镜折转后到达所述第二探测器。
在一些较佳的实施例中，所述入瞳为金属圆环，所述金属圆环的内径边缘做刀口处理，所述金属圆环整体染黑处理。
在一些较佳的实施例中，所述离轴抛物面反射镜以熔石英为材料，所述离轴抛物面反射镜表面镀宽带高反膜，且所述离轴抛物面反射镜在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
在一些较佳的实施例中，所述环形凸球面反射镜以熔石英为材料，所述环形凸球面反射镜表面镀宽带高反膜，所述环形凸球面反射镜在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
在一些较佳的实施例中，所述离轴椭球面反射镜以熔石英为材料，所述离轴椭球面反射镜表面镀宽带高反膜，所述离轴椭球面反射镜在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
在一些较佳的实施例中，所述里奥光阑为金属环，所述金属环内径边缘做刀口处理，所述金属环整体做染黑处理。
在一些较佳的实施例中，所述远紫外/可见光平面分光镜以为熔石英材料，所述远紫外/可见光平面分光镜采用平面分光结构，所述远紫外/可见光平面分光镜的正面镀高反膜，且在远紫外波段的反射率不低于30％，所述远紫外/可见光平面分光镜的反面镀增透膜且在可见光波段透射率不低于80％。
在一些较佳的实施例中，所述可见光平面反射镜的反射面镀有可见光波段高反膜且反射率不低于80％。
在一些较佳的实施例中，所述第一探测器位于由所述入瞳、离轴抛物面反射镜、环形凸球面反射镜、离轴椭球面反射镜、里奥光阑及远紫外/可见光波段平面分光镜构成的光学系统的焦面处；所述第二探测器位于由所述入瞳、离轴抛物面反射镜、环形凸球面反射镜、离轴椭球面反射镜、里奥光阑、远紫外/可见光波段平面分光镜及可见光平面反射镜构成的光学系统的焦面处。
在一些较佳的实施例中，所述光陷阱由准直凹面镜、消光环、底面反射锥组成。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，太阳光线由所述入瞳进入到达所述离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜将太阳光线成像于所述环形凸球面反射镜，所述环形凸球面反射镜的中心圆形锥孔漏过太阳日面光线进入所述光陷阱中，所述太阳日面光线进入光陷阱后无法进入后续光路，所述环形凸球面反射镜的环形反射镜面将日冕光线反射到所述离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜对入射的光线准直处理，准直后的光线穿过所述里奥光阑进入远紫外/可见光平面分光镜，所述远紫外/可见光平面分光镜反射远紫外波段的光线到达所述第一探测器，所述远紫外/可见光平面分光镜透过可见光波段的光线到达所述可见光平面反射镜，并经所述可见光平面反射镜折转后到达所述第二探测器，本发明提供的日冕成像系统，以天基观测方式，采用全反射离轴、长焦距光学结构，实现了对太阳内日冕在远紫外和可见光双波段的高分辨率、大动态范围成像，填补国内在天基日冕仪领域以及国外在远紫外波段内日冕成像仪的空白，提升日冕仪分辨率及动态范围，推动日冕仪设备研制相关技术的发展。
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它的附图。
图1为本发明实施例提供的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统的结构示意图。
具体实施方式
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，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。
本发明提供的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统100，包括入瞳1、离轴抛物面反射镜2、环形凸球面反射镜3、离轴椭球面反射镜4、里奥光阑5、远紫外/可见光波段平面分光镜6、可见光平面反射镜7、第一探测器8和第二探测器9及光陷阱10，所述环形凸球面反射镜3包括中心圆形锥孔(图未示)和围绕所述中心圆形锥孔的环形反射镜面(图未示)。
上述天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统100的工作原理如下：
太阳光线由所述入瞳1进入到达所述离轴抛物面反射镜2，所述离轴抛物面反射镜2将太阳光线成像于所述环形凸球面反射镜3，所述环形凸球面反射镜3的中心圆形锥孔漏过太阳日面光线进入所述光陷阱10中，所述太阳日面光线进入光陷阱10后无法进入后续光路，所述环形凸球面反射镜3的环形反射镜面将日冕光线反射到所述离轴抛物面反射镜2，所述离轴抛物面反射镜2对入射的光线准直处理，准直后的光线穿过所述里奥光阑5进入远紫外/可见光平面分光镜6，所述远紫外/可见光平面分光镜6反射远紫外波段的光线到达所述第一探测器8，所述远紫外/可见光平面分光镜6透过可见光波段的光线到达所述可见光平面反射镜7，并经所述可见光平面反射镜7折转后到达所述第二探测器9。
在一些较佳的实施例中，所述入瞳1为金属圆环，所述金属圆环的内径边缘做刀口处理，所述金属圆环整体染黑处理。
具体地，入瞳1为一个铝制金属圆环，内径60mm，厚度1mm，内径边缘做刀口处理，整体做染黑处理，以防止目标强光打在其表面引起散射，影响后续系统的杂散光性能。
在一些较佳的实施例中，所述离轴抛物面反射镜2以熔石英为材料，所述离轴抛物面反射镜2的表面镀宽带高反膜，且所述离轴抛物面反射镜在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
具体地，将离轴抛物面反射镜加工成形后的外轮廓尺寸Φ93mm，面形优于λ/50，粗糙度优于0.2nm，其表面镀宽带高反膜，在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于于70％。
在一些较佳的实施例中，所述环形凸球面反射镜3以熔石英为材料，所述环形凸球面反射镜3表面镀宽带高反膜，所述环形凸球面反射镜3在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
具体地，环形凸球面反射镜3由中心圆形锥孔和围绕所述中心圆形锥孔的环形反射镜面两部分组成，加工成形后外轮廓尺寸Φ30mm，中心圆形锥孔Φ7.36mm，形优于λ/50，粗糙度优于0.6nm，其表面镀宽带高反膜，在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
可以理解，环形凸球面反射镜3位于入瞳1和离轴抛物面反射镜2构成的一次成像系统的焦面处，与无穷远目标(太阳)共轭处，其中，中心圆形锥孔的作用是作为日冕仪内掩体，保证太阳日面的光线完全通过进入光陷阱10；环形反射镜面的作用是折转光路，接收入瞳1对无穷远目标(太阳日冕)的一次成像，并作为其后光学系统的物面，使光线以一定的发散角进入其后到达离轴椭球面反射镜4。
在一些较佳的实施例中，所述离轴椭球面反射镜4以熔石英为材料，所述离轴椭球面反射镜4的表面镀宽带高反膜，所述离轴椭球面4的反射镜在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
具体地，离轴椭球面反射镜4加工成形后外轮廓尺寸Φ111mm，面形优于λ/50，粗糙度优于0.6nm，其表面镀宽带高反膜，在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
可以理解，离轴椭球面反射镜4可折转光路，以控制光线方向，使光线以一定的准直度，先准直，后汇聚，兼具有折反式日冕仪中，准直镜和二次成像镜组的功能，从而避开了现有日冕仪前端系统准直，后端系统成像的技术路线，摆脱了二次成像系统对透射结构的依赖，即降低了系统的复杂程度，又压缩了系统占用的空间体积，直接提升了日冕仪设备的性能。
在一些较佳的实施例中，所述里奥光阑5为金属环，所述金属环内径边缘做刀口处理，所述金属环整体做染黑处理。
具体地，里奥光阑5为铝制金属环，环内径直径20mm，厚1mm，内径边缘做刀口处理，整体表面做染黑处理。
可以理解，所述里奥光阑5位置与入瞳1关于由离轴抛物面反射镜2、环形凸球面反射镜3和离轴椭球面反射镜4构成的光学系统共轭，所述里奥光阑5作用是阻挡无穷远目标(太阳)入射光在入瞳1内径边缘处发生的衍射杂散光进入其以后的光路。
在一些较佳的实施例中，所述远紫外/可见光平面分光镜6以为熔石英材料，所述远紫外/可见光平面分光镜6采用平面分光结构，所述远紫外/可见光平面分光镜的正面镀高反膜，且在远紫外波段的反射率不低于30％，所述远紫外/可见光平面分光镜6的反面镀增透膜且在可见光波段透射率不低于80％。
可以理解，由于采用深紫外/可见光平面分光镜6，可实现深紫外与可见光的双波段同时成像，通过对分光镜镀膜种类的替换，可以实现Lyman-α波段、深紫外波段以及其它波段的双波段同时成像；如果将分光镜替换为分束镜，则可以通过对分束镜膜系透射与反射光能量比的控制，进一步提高系统成像的动态范围。
在一些较佳的实施例中，所述可见光平面反射镜7的反射面镀有可见光波段高反膜且反射率不低于80％。
可以理解，所述可见光平面反射镜7为无光焦度元件，在不采用该元件时，同样可以实现本系统的增益效果，还能够进一步提升系统的能量利用率。
所述第一探测器8位于由所述入瞳1、离轴抛物面反射镜2、环形凸球面反射镜3、离轴椭球面反射镜4、里奥光阑5及远紫外/可见光波段平面分光镜6构成的光学系统的焦面处，可实现对远紫外波段日冕的大动态范围高分辨率成像；
所述第二探测器9位于由所述入瞳1、离轴抛物面反射镜2、环形凸球面反射镜3、离轴椭球面反射镜4、里奥光阑5、远紫外/可见光波段平面分光镜6及可见光平面反射镜7构成的光学系统的焦面处，可实现对可见光波段日冕的大动态范围高分辨率成像。
进一步地，本发明采用的第一探测器8及第二探测器9可以为大动态范围的CMOS探测器或CCD探测器或者灵敏度更高的光子计数成像探测器，能够提升对太阳内日冕成像的动态范围，可以更好的对日冕爆发、日冕抛射物进行观测。
在一些较佳的实施例中，所述光陷阱10由准直凹面镜、消光环、底面反射锥组成。
可以理解，平行进入光陷阱10的太阳日面光线，可避免由于发散进入而引起的复杂的散射情况发生，还避免了汇聚进入而引起的局部汇聚点温度过高的情况发生。
本发明采用的光陷阱结构，不仅可以用于天基日冕成像仪，还可以用于相似结构的地基日冕成像仪。
本发明提供的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，包括从物体侧依次排列的前置物镜与变焦组件，所述前置物镜为固定焦距的正光焦度透镜组，所述前置物镜的像方为无焦设计，且满足0.8<f1/d0<1.2，其中，f1为前置物镜的焦度，d0为物面到前置物镜第一个面顶点的距离，所述变焦组件为变焦比大于4：1的物方无焦变焦组件，所述变焦组件包括具有正光焦度的第一透镜组、具有负光焦度的第二透镜组、具有正光焦度的第三透镜组以及具有负光焦度的第四透镜组，并对所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组以及第四透镜组的焦距进行参数限定，本发明提供的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，采用上述光学结构及参数设定，能够在同等倍率下增大视野且可提升物方分辨率。
本发明提供的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，太阳光线由所述入瞳进入到达所述离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜将太阳光线成像于所述环形凸球面反射镜，所述环形凸球面反射镜的中心圆形锥孔漏过太阳日面光线进入所述光陷阱中，所述太阳日面光线进入光陷阱后无法进入后续光路，所述环形凸球面反射镜的环形反射镜面将日冕光线反射到所述离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜对入射的光线准直处理，准直后的光线穿过所述里奥光阑进入远紫外/可见光平面分光镜，所述远紫外/可见光平面分光镜反射远紫外波段的光线到达所述第一探测器，所述远紫外/可见光平面分光镜透过可见光波段的光线到达所述可见光平面反射镜，并经所述可见光平面反射镜折转后到达所述第二探测器，本发明提供的日冕成像系统，以天基观测方式，采用全反射离轴、长焦距光学结构，实现了对太阳内日冕在远紫外和可见光双波段的高分辨率、大动态范围成像，填补国内在天基日冕仪领域以及国外在远紫外波段内日冕成像仪的空白，提升日冕仪分辨率及动态范围，推动日冕仪设备研制相关技术的发展。
当然本发明的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (10)

1.一种天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，包括：入瞳、离轴抛物面反射镜、环形凸球面反射镜、离轴椭球面反射镜、里奥光阑、远紫外/可见光波段平面分光镜、可见光平面反射镜、第一探测器和第二探测器及光陷阱，所述环形凸球面反射镜包括中心圆形锥孔和围绕所述中心圆形锥孔的环形反射镜面，其中：
太阳光线由所述入瞳进入到达所述离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜将太阳光线成像于所述环形凸球面反射镜，所述环形凸球面反射镜的中心圆形锥孔漏过太阳日面光线进入所述光陷阱中，所述太阳日面光线进入光陷阱后无法进入后续光路，所述环形凸球面反射镜的环形反射镜面将日冕光线反射到所述离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜对入射的光线准直处理，准直后的光线穿过所述里奥光阑进入远紫外/可见光平面分光镜，所述远紫外/可见光平面分光镜反射远紫外波段的光线到达所述第一探测器，所述远紫外/可见光平面分光镜透过可见光波段的光线到达所述可见光平面反射镜，并经所述可见光平面反射镜折转后到达所述第二探测器。
2.如权利要求1所述的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，所述入瞳为金属圆环，所述金属圆环的内径边缘做刀口处理，所述金属圆环整体染黑处理。
3.如权利要求1所述的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜以熔石英为材料，所述离轴抛物面反射镜表面镀宽带高反膜，且所述离轴抛物面反射镜在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
4.如权利要求1所述的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，所述环形凸球面反射镜以熔石英为材料，所述环形凸球面反射镜表面镀宽带高反膜，所述环形凸球面反射镜在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
5.如权利要求1所述的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，所述离轴椭球面反射镜以熔石英为材料，所述离轴椭球面反射镜表面镀宽带高反膜，所述离轴椭球面反射镜在远紫外波段处反射率不低于30％，在可见光波段处反射率不低于70％。
6.如权利要求1所述的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，所述里奥光阑为金属环，所述金属环内径边缘做刀口处理，所述金属环整体做染黑处理。
7.如权利要求1所述的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，所述远紫外/可见光平面分光镜以为熔石英材料，所述远紫外/可见光平面分光镜采用平面分光结构，所述远紫外/可见光平面分光镜的正面镀高反膜，且在远紫外波段的反射率不低于30％，所述远紫外/可见光平面分光镜的反面镀增透膜且在可见光波段透射率不低于80％。
8.如权利要求1所述的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，所述可见光平面反射镜的反射面镀有可见光波段高反膜且反射率不低于80％。
9.如权利要求1所述的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，所述第一探测器位于由所述入瞳、离轴抛物面反射镜、环形凸球面反射镜、离轴椭球面反射镜、里奥光阑及远紫外/可见光波段平面分光镜构成的光学系统的焦面处；所述第二探测器位于由所述入瞳、离轴抛物面反射镜、环形凸球面反射镜、离轴椭球面反射镜、里奥光阑、远紫外/可见光波段平面分光镜及可见光平面反射镜构成的光学系统的焦面处。
10.如权利要求1所述的天基全反射式远紫外与可见光双波段日冕成像系统，其特征在于，所述光陷阱由准直凹面镜、消光环、底面反射锥组成。
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