CN110596879B - 一种适用于环形太阳望远镜的热光阑 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于环形太阳望远镜的热光阑，所述热光阑朝向光线入射的一端为反光面，另一端为底面，所述热光阑的反光面为倒圆锥体形，底面为正圆锥体形，所述倒圆锥体形的反光面与正圆锥体形的底面在两个锥体顶点处相切，形成通光孔，且所述反光面的倒圆锥体锥角为88°～93°。本发明的热光阑结构设计，强化了通光孔附近热控能力，优化了通光孔附近温度场，同时最大程度的减小了杂散光，抑制了鬼像，该热光阑温控效果好，无鬼像且杂散光抑制效果好，保证了望远镜的成像质量。

Description

一种适用于环形太阳望远镜的热光阑

技术领域

本发明涉及精密光学仪器技术领域，尤其是涉及一种适用于环形太阳望远镜的热光阑。

背景技术

太阳望远镜热光阑的设计面临着光阑的热控问题和视场外光的处理问题。关于热控问题，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，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，并保证热光阑不被热损坏。关于视场外光的处理，可分为鬼像和杂散光两部分：鬼像是视场外光线经光阑体定向反射后再次进入成像光路后产生的干扰像；杂散光为视场外光线照射在光阑体表面以及被光阑体反射至其它部件表面后产生的漫反射光。鬼像与杂散光可通过光阑体外形设计进行优化，原则是把视场外光线反射至远离光路的方向，避免照射到漫反射表面上；或可设置吸收体吸收掉这部分光线。光阑体的内腔设计与外形设计是耦合的，需综合考虑光阑体热控与光学性能进行设计。

目前采用的热光阑结构根据反光面大体上可分为两类：一类是圆锥式的旋转结构，温度场控制较为均匀，光阑反光面近似一个圆锥面，视场外光线经反射后向四周散开，该结构需在光阑体周围设置吸收体处理该部分光线，设置吸收体后可有效控制住鬼像和杂散光的影响。另一类光阑是平板型，其温度场控制均匀性欠佳，反光面是带倾斜角度的平面镜，视场外光线被定向发射至预定方向，该方向若避开周边桁架，便可理想处理掉视场外光线。

但圆锥式与平板式热光阑的外形结构导致在通光孔附近位置存在尖角(圆锥式尤为明显)，因为尖角外形结构会带来热传导路径长，导热截面积小的问题，不利于该位置热量传导，从而影响散热效果，导致通光孔附近温度较高。

另外，目前开放式大口径太阳望远镜采用射流冲击和导流两种光阑体冷却方式，但是受平板式与圆锥式热光阑的外形结构影响，在通光孔附近的冷却腔内部亦存在尖角。对于射流冲击冷却方式而言，该处尖角导致射流喷口难以抵近通光孔区域，尖角区域冷却液不易流动，易形成死水区域等问题；对于导流方式而言，为保证热光阑散热效率，导流板同时也起到散热翅片作用，在结构上应与上盖连为一体，但该处空间较小，在上盖内腔加工导流板极为困难。

因此，目前的太阳望远镜热光阑在温控方面存在的不足是，现有的平板式与圆锥式热光阑在通光孔位置温度高，且现有的冷却方式不能对该位置进行有效控温，从而导致通光孔附近区域产生的热致湍流对成像的不利影响更严重。

发明内容

本发明的目的是针对环形望远镜自身光学结构特性，提供一种适用于环形太阳望远镜的热光阑，以解决现有技术中存在的上述不足。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于环形太阳望远镜的热光阑，所述热光阑朝向光线入射的一端为反光面，另一端为底面，所述热光阑的反光面为倒圆锥体形，底面为正圆锥体形，所述倒圆锥体形的反光面与正圆锥体形的底面在两个锥体顶点处相切，形成通光孔，且所述反光面的倒圆锥体锥角为88°～93°。

在一种优选的实施方式中，所述反光面的倒圆锥体锥角为91°。

在一种优选的实施方式中，所述底面的正圆锥锥体外壁设置消光螺纹，且所述消光螺纹的反光面与光轴方向的夹角a为-1°～2°。

在一种优选的实施方式中，所述消光螺纹的反光面与光轴方向的夹角a为0.5°。

在一种优选的实施方式中，所述底面的正圆锥锥体的锥角角度大于光束发散角度。

在一种优选的实施方式中，所述环形太阳望远镜的主镜周围设置吸收体。

环形望远镜是在同轴格里高利光学结构基础上，主镜采用环形镜面的设计结构。该结构在控制望远镜造价的同时，保证了望远镜空间分辨率与偏振测量精度，降低了热光阑设计难度，成为了国内开放式地基太阳望远镜设计的主流方案。具体而言，环形主镜优势在于：1、保证空间分辨率的同时，降低了聚光面积，进而降低了热光阑承受的热功率。2、环形主镜聚光后的光束亦是环形，光束中部无成像光，为热光阑设计提供了更大空间。3、环形主镜内圈距成像光路还有一定距离，可利用这部分空间来解决鬼像和杂散光问题。

本发明的适用于环形太阳望远镜的热光阑，在热控方面：热光阑通光孔附近热致湍流对成像影响更严重，此处温控要求更高。传统技术在该位置温控效果不理想，平板式热光阑还有温度场控制不均匀的问题，本发明提出倒圆锥反光面面型设计，强化了通光孔附近热控能力，优化了通光孔附近温度场。

在光学性能方面：在光阑周围不设置吸收体的情况下，传统圆锥式热光阑将光线反射至四周，光线照射到其它部件后产生的杂散光较严重，需要在紧靠热光阑的位置设置吸收体，但对于同轴式光学结构而言在该位置处设置吸收体易遮挡到成像光，可利用空间较小，且该位置能量密度依旧挺大，需要为其提供制冷，导致该处热光阑设计变得很困难；对于平面反射式而言，在望远镜主副镜之间桁架结构复杂，主镜M1为快焦比情况下，反射光易照射至桁架上。本发明中，当倒圆锥反光面锥角选取91°时，可把大部分光线反射回主镜，经主镜再次反射后返回太阳，该处理方式在光路上基本沿原光路方向，故很少会被其它部件遮挡；且因主镜光洁度极高，故由主镜产生的杂散光也较少。对于反射至主镜周围的光线，其能量已极其微弱，且远离成像光路，对成像光路的干扰较小；亦可进一步利用环形主镜内圈距离成像光区域较远的特点，在该位置处设置吸收体进行处理，该处设置吸收体相比于传统圆锥式光阑附近的吸收体好处在于：该位置距成像光区域较远，消光效果更好；能量密度较低，不必额外设置冷却装置；供设计安放的空间区域较大。

另外，本发明光阑体自身不带吸收体，热光阑有较小的体积，适用于同轴式光学结构的望远镜。

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为本发明热光阑结构示意图；

图1a为正圆锥模型温度场示意图；

图1b为倒圆锥模型温度场示意图；

图2为主镜M1周围光线能量分布示意图；

图3为太阳直射时的能量仿真图；

图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f分别为当反光面的倒圆锥体锥角为90°、91°、93.7°、96.5°、87.6°、82.6°时的鬼像能量仿真图；

图5为通光孔附近光线传播示意图；

图6为图1消光螺纹处局部A放大图。

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。

本发明的一种适用于环形太阳望远镜的热光阑，所述热光阑朝向光线入射的一端为反光面1，另一端为底面2，所述热光阑的反光面1为倒圆锥体形，底面2为正圆锥体形，所述倒圆锥体形的反光面1与正圆锥体形的底面2在两个圆锥沿轴线上交融后相切，切面即是通光孔，且所述反光面1的倒圆锥体锥角为88°～93°，如图1所示。

本发明的热光阑，其反光面的倒圆锥外形结构消除了传统结构的尖角部分，缩短了热传导路径，具备更大的导热截面积，同时为内腔设计提供了更大的空间，有利于强化通光孔附近的温控能力。

为验证其温控效果，设计了正圆锥、倒圆锥两种模型，在设定热流密度一致以及内腔冷却效率大致相同的情况下，计算机仿真结果如图1a和图1b所示：图中，左侧是温标，白代表温度较高，图1a为正圆锥模型温度场，图1b为倒圆锥模型温度场，从图中可知，1、温升极大值：倒圆锥5.3℃、正圆锥9.12℃。2、倒圆锥极高温区域更小且远离通光孔。3、倒圆锥温度场分布更均匀，温度梯度更小。因此，倒圆锥模型相比于正圆锥模型，温控效果更好，这充分证明了倒圆锥外形结构在热控方面的优势。实际上，在考虑加工因素后，倒圆锥模型内腔冷却效率还将进一步优于正圆锥，温控效果还能得到进一步改善。

另一方面，考虑到热光阑反光面对视场外光线的处理问题。光学仿真表明：若这部分光线沿原方向返回主镜M1，经主镜M1反射后将朝向太阳方向，就可避免照射到望远镜其它部件表面后漫反射光带来的杂散光问题；同时由于主镜M1光洁度极高，照射到其表面后产生的杂散光亦较少。现有的立方角锥棱镜，其由三个互相垂直的直角面组成，入射光线在三个直角面上反射后沿入射方向返回；但由于热光阑通光孔为圆形，无法采用立方角锥棱镜的外形结构，只可借鉴其反射面互为直角的特点，提出了88°～93°锥角倒圆锥外形设计。对直角倒圆锥进行光学仿真后表明：该结构依然具有立方角锥棱镜的特点，能将大部分光线反射后沿趋于原入射光的方向返回主镜，再经主镜反射回太阳方向；少部分未反射到主镜上的光线也远离成像光路，便于设置吸收体进行处理。

更为优选的一种实施方式是，所述反光面的倒圆锥体锥角为91°。

本实施方式中，通过光学仿真检测该部分光线(未照射到主镜M1)的能量分布情况，考察某一方向不同视场的入射光线，在主镜M1后放置探测器，探测结果如图2所示，图2为主镜M1周围光线能量分布：灰度代表能量密度，颜色越深能量密度越高。a表示成像光路区域、c表示环形主镜；置于M1后的探测器接收到的能量可分为两部分：1、太阳光被M2遮挡后再透过M1主镜中部圆洞的光线，图中为主镜内部环状区域b。2、经热光阑反光面定向反射后的光线，图中为主镜周围的四块瓣状区域d，该部分能量为热光阑设计考虑的重点。由图知：成像光路区域无能量，即无鬼像产生；环形主镜周围有四块瓣状形区域有能量分布，相比于照射到主镜周围的直射光线而言，总能量和能量密度都极低(相比较于太阳光直射能量而言，仅占4.7％)，且距离成像光路较远。

在研究不同锥角对鬼像能量分布的影响时，鬼像能量需扣除太阳直射部分的能量。图3为太阳直射时的能量仿真结果，为350.09W；仿真软件中的辐照度参考当地实测辐照度1000W/m²进行设置。

因此，图4a-图4f分别为当反光面的倒圆锥体锥角为90°、91°、93.7°、96.5°、87.6°、82.6°时的鬼像能量与太阳直射部分能量的仿真图，相比于图3本发明只研究环形主镜的内圈以里部分，环形主镜外圈未画出。图中，扣除太阳直射部分能量后，当锥角为90°时，P＝378.19W-350.09W＝28.1W；当锥角为91°时，P＝366.7W-350.09W＝16.61W；当锥角为93.7°时，P＝420.3W-350.09W＝70.21W；当锥角为96.5°时，P＝490.57W-350.09W＝140.48W；当锥角为87.6°时，P＝479.4W-350.09W＝129.31W；当锥角为82.6°时，P＝489.18W-350.09W＝139.09W。故从仿真结果可知，当锥角为91°时的鬼像能量最少，效果最佳，相比较于太阳光直射能量350.09W而言，仅占4.7％，故这部分鬼像能量对成像系统的影响相比于照射在主镜周围的太阳光直射能量可忽略不计，而在96.5°和82.6°时鬼像区域与成像光路区域相互重叠，此时会出现鬼像。

在一种优选的实施方式中，所述底面的正圆锥锥体外壁设置消光螺纹，且所述消光螺纹的反光面与光轴方向的夹角a为-1～2°，更优选的，所述消光螺纹的反光面与光轴方向的夹角a为0.5°。

由于鬼像光分为前向鬼像光(图5：经倒圆锥两次反射后返回主镜部分)和后向鬼像光(图5：经倒圆锥单次反射后向左上角射出部分)，而反光面的倒圆锥体锥角为88°～93°的设计解决了前向鬼像光的问题，因此在底面的正圆锥锥体外壁设置消光螺纹，以消除后向鬼像光。另外，如图5所示，当入射光汇聚于通光孔附近时，其走向可分为三部分，一部分穿过通光孔后参与成像，一部分被反光面单次反射后进入光阑体底面圆锥(底面圆锥图中未示出)，还有一部分光线被反光面二次反射后返回主镜。当入射光汇聚于远离通光孔的位置时，则只剩下被反光面二次反射后返回主镜的部分。而入射光经过单次反射，进入热光阑后半部分的鬼像光与光轴夹角的角度分布在70-80°(主镜焦比越快，分布范围越广)，因此，针对该角度范围内的杂散光，调整消光螺纹反光面与光轴方向的夹角进行消光率试验。

图6为图1消光螺纹处A局部放大图，如图6所示，经反光面单次反射的后向鬼像光(图5左上方箭头)与光轴方向成一定角度范围(取决于主镜M1焦比)，在正圆锥腔体外壁设置特殊取向并涂有吸光材料的螺纹(消光螺纹)便可对后向鬼像光进行削弱，但有可能引入前向鬼像光。如图6所示，鬼像光(图中上方粗箭头)被消光螺纹反射后以近乎垂直于光轴的方向(图中下方粗箭头)向后方缓慢传播，并在正圆锥腔体中来回多次反射，最终大部分能量将被吸收。现进一步用光学仿真的分析方法探究消光螺纹反光面的最优取向，仿真条件主镜M1的焦比F＝1.5，吸光材料吸收率80％。如图6所示，由光轴方向为起点顺时针旋转得到的取向定义为正，逆时针旋转得到的取向为负，比较有消光螺纹时前、后向鬼像光能量与无消光螺纹时的鬼像光能量，便可知消光率；考虑消光螺纹取向在0°(与光轴平行)附近的消光率，如表1所示。由表知当取向在-1°到2°范围内，前、后向消光率均可达到90％以上，当夹角为0.5°时，前、后向消光率可达98％且相对平衡的状态，消光效果最佳，因此优选的消光螺纹反光面与光轴方向的夹角为0.5°。值得指出的是，当主镜焦比为其它F数时，仿真结果变化不大。进一步仿真表明，消光螺纹设置越密集，鬼像抑制效果越好。

表1消光效果试验对比

在一种优选的实施方式中，所述底面的正圆锥锥体的锥角角度大于光束发散角度，因此其锥角由成像光束发散角决定。另外，光阑体反光面倒圆锥锥口直径应足够大以保证即便在观测太阳边缘区域时，反光面仍可将太阳光全部反射至预定区域，以保证其它设备安全。

在一种优选的实施方式中，所述环形太阳望远镜的主镜周围设置吸收体或在元器件表面涂敷吸光材料以进一步减少杂散光的产生。

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 (2)

1.一种适用于环形太阳望远镜的热光阑，所述热光阑朝向光线入射的一端为反光面，另一端为底面，其特征在于：所述热光阑的反光面为倒圆锥体形，底面为正圆锥体形，所述倒圆锥体形的反光面与正圆锥体形的底面在两个锥体顶点处相切，形成通光孔，且所述反光面的倒圆锥体锥角为91°；

所述底面的正圆锥锥体外壁设置消光螺纹，且所述消光螺纹的反光面与光轴方向的夹角a为0.5°；

所述底面的正圆锥锥体的锥角角度大于光束发散角度。

2.根据权利要求1所述的适用于环形太阳望远镜的热光阑，其特征在于：所述环形太阳望远镜的主镜周围设置吸收体。

Images