CN111060289A - 一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，涉及天文目标观测和检测领域，该装置包括：低亮度太阳模拟装置、带通滤光片和单光子计数成像探测器；所述的带通滤光片设置在待测日冕仪和单光子计数探测器中间，所述单光子计数探测器设置在待测日冕仪的焦面上；所述的低亮度太阳模拟装置发出32′全视场的模拟太阳光进入待测日冕仪，带通滤光片对待测波段进行波长选择，单光子计数成像探测器检测待测日冕仪的杂光亮度和太阳日面亮度。本发明通过分别测量太阳日面辐射和日冕仪杂光辐射，即可实现对日冕仪杂光抑制能力的检测，克服了在低海拔地区由于大气散射的影响导致无法利用太阳辐射直接进行日冕仪杂光抑制能力检测的困难。
Description
技术领域
本发明属于天文目标观测和检测领域，具体涉及一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置。
背景技术
在光学技术领域，杂光抑制水平是衡量光学仪器的重要指标之一，尤其是测量日冕的仪器，对杂光抑制能力要求很高。这类仪器是在很强的太阳日面辐射的边缘获取微弱的日冕图像，日冕亮度相对于太阳日面而言极其微弱，在可见光波段靠近日面边缘的内日冕亮度只有10-5B⊙(B⊙：日面中心亮度)，距离日面中心2.5R⊙(R⊙：太阳半径)的外日冕亮度更是低至10-7B⊙，距离日面中心越远，日冕亮度越微弱。因此，杂光抑制能力就成为日冕成像仪研制成败的关键因素，通常采用模拟的高亮度光源，照射太阳日冕成像仪，实际检测日冕成像仪的杂光抑制能力。这类测试仪器所采用的太阳模拟器需要实现32′范围内具有接近一个太阳常数的紫外和可见波段辐射，实现困难，而且造价昂贵。
在国内日冕仪杂光抑制水平检测方面，中科院长春光机所联合山东大学开展了与日冕观测相关的科研计划，针对地基日冕仪光学系统的杂散光抑制水平开展了相关的检测工作，研究团队主要采用高亮度太阳模拟光源和制冷CCD相机结合的探测方法，由透射式平行光管发出具有太阳日面发散角的无穷远平行光，在透射式日冕仪的焦面处采用制冷CCD相机成像，不断调节CCD相机的曝光时间，分别获取太阳日面图像和日冕区域杂光图像，然后利用软件读取对应图像的灰度值，计算出不同太阳半径位置处日冕仪的杂散光抑制能力，研究团队采用该检测方法在实验室测得可见光波段内日冕处的杂散光抑制水平达到了10-6B⊙，2018年10月22日，在云南丽江高美谷高海拔观测站获得了太阳E日冕530.3nm波段的图像，填补了国内地基日冕图像获取的空白。
在国际日冕仪杂光抑制水平检测方面，意大利联合欧洲多家科研机构针对将于2019年底发射的Solar Orbiter Metis日冕仪，采用了基于标准太阳亮度光源的太阳模拟器和光电二极管微光探测的杂光检测方法，由高亮度光源发出具有一个太阳常数的强光，太阳模拟器发出具有32′视场的模拟太阳光照射Metis日冕仪，在日冕仪焦面处采用光电二极管采集电信号，然后转换成光亮度值，得到不同太阳半径位置的日冕仪杂散光抑制能力。
根据对日冕仪杂散光抑制水平检测的国内外文献及专利的调研情况来看，该领域技术还存在以下问题：
1、中科院长春光机所和山东大学针对地基日冕仪的杂光检测方法，采用透射式平行光管作为太阳光模拟装置，光源发出的强光照射平行光管的透镜后，会在透镜内部产生多次反射杂光，进入日冕仪内部产生影响检测精度的杂光和鬼像；成像器件采用制冷CCD相机，由于目前制冷CCD靶面尺寸受限，难以实现对覆盖全视场不同太阳半径位置的杂光进行同时检测，而且在大气环境下制冷CCD会结霜，同时存在较大的暗噪声，这些都会对杂光信号的测量产生难以避免的干扰，影响杂光检测的精度。
2、国际上意大利研究团队针对Metis日冕仪的杂光检测方法，需要搭配具有一个太阳常数的标准亮度太阳光源，在杂光检测前必须对光源的亮度进行精确定标。此外，由于采用光电二极管在日冕仪的焦面进行光信号的检测，二极管同样需要精确定标，造价昂贵。而且由于二极管无法显示采集图像，检测结果不直观，光电二极管的接收面积很小，难以一次性覆盖需要检测的日冕仪全视场，实时性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，该装置利用单光子计数成像探测器、低亮度太阳模拟装置和带通滤光片构成高灵敏度日冕仪杂光检测装置，通过分别检测待测日冕仪的杂光成像亮度和日面成像亮度，计算得到日冕仪光学和机械结构的杂光抑制能力。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明提供一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，该装置包括：低亮度太阳模拟装置、带通滤光片和单光子计数成像探测器；所述的带通滤光片设置在待测日冕仪和单光子计数探测器中间，所述单光子计数探测器设置在待测日冕仪的焦面上；
所述的低亮度太阳模拟装置为离轴两反光学系统，低亮度太阳模拟装置发出32′全视场的模拟太阳光进入待测日冕仪，带通滤光片对待测波段进行波长选择，单光子计数成像探测器检测待测日冕仪的杂光亮度和太阳日面亮度。
优选的是，所述的低亮度太阳模拟装置包括：反光罩、光源、毛玻璃，太阳32′视场光阑、平行光管次镜和平行光管主镜；所述的光源发出的光经过反光罩反光后，先进入毛玻璃进行匀化，然后经过太阳32′视场光阑，再进入到平行光管次镜，通过平行光管次镜反射的平行光被平行光管主镜接收，经过平行光管主镜反射的平行光经过出光口进入到待测日冕仪中。
优选的是，所述的低亮度太阳模拟装置还包括第一挡光板、第二挡光板和第三挡光板，所述的第一挡光板设置在平行光管次镜的前端，第二挡光板设置在平行光管主镜的入光口，第三挡光板设置在平行光管主镜的出光口。
优选的是，所述的反光罩的材料为熔石英，反光罩的截面面型为椭球面，内表面镀有可见光波段反射膜。
优选的是，所述的光源为氘灯、氙灯、汞灯或紫外激光。
优选的是，所述的毛玻璃的材料为熔石英。
优选的是，所述的太阳32′视场光阑为铝制金属环。
优选的是，所述的平行光管次镜是以熔石英为材料的平面反射镜。
优选的是，所述的平行光管主镜是以熔石英为材料的抛物面反射镜。
优选的是，所述单光子计数探测器包括：单光子计数探测器采集单元和脉冲信号处理单元，单光子计数探测器采集单元负责微弱光信号的采集并进行光电转换；脉冲信号处理单元负责对光电脉冲信号放大并进行模数转换。
本发明的有益效果
本发明提供一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，该装置包括：低亮度太阳模拟装置、带通滤光片和单光子计数成像探测器，本发明采用单光子计数成像探测器，相比目前主流的制冷型CCD和光电二极管检测方式，具有更高的检测灵敏度和更低的暗计数；采用低亮度太阳模拟光源，通过分别测量太阳日面辐射和日冕仪杂光辐射，即可实现对日冕仪杂光抑制能力的检测，克服了在低海拔地区由于大气散射的影响导致无法利用太阳辐射直接进行日冕仪杂光抑制能力检测的困难，解决了使用造价昂贵的高亮度太阳模拟器进行杂光检测的难题，适用于所有日冕成像仪的杂光抑制能力检测。
附图说明
图1为本发明一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置的结构示意图；
图2为本发明日冕仪杂光亮度与太阳日面亮度的检测示意图；
图3为本发明单光子计数探测器实测杂光图像；
图4为本发明单光子计数探测器实测太阳日面图像；
图中，1、反光罩，2、光源，3、毛玻璃，4、太阳32′视场光阑，5、第一挡光板，6、平行光管次镜，7、平行光管主镜，8、第二挡光板，9、第三挡光板，10、低亮度太阳模拟装置，11、待测日冕仪，12、带通滤光片，13、单光子计数成像探测器，14、衰减片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，该装置包括：低亮度太阳模拟装置10、带通滤光片12和单光子计数成像探测器13；所述的带通滤光片12设置在待测日冕仪11和单光子计数探测器13中间，所述单光子计数探测器13设置在待测日冕仪11的焦面上；
所述的低亮度太阳模拟装置10为离轴两反光学系统，低亮度太阳模拟装置10发出32′全视场的模拟太阳光进入待测日冕仪11，带通滤光片12对待测波段进行波长选择，单光子计数成像探测器13检测待测日冕仪的杂光亮度和太阳日面亮度。
本实施方式所述的低亮度太阳模拟装置10包括：反光罩1、光源2、毛玻璃3，太阳32′视场光阑4、平行光管次镜6和平行光管主镜7；所述的光源2发出的光经过反光罩1反光后，先进入毛玻璃3进行匀化，然后经过太阳32′视场光阑4，再进入到平行光管次镜6，通过平行光管次镜6反射的平行光被平行光管主镜7接收，经过平行光管主镜7反射的平行光经过出光口进入到待测日冕仪11中。
本实施方式所述的反光罩1的材料为熔石英，反光罩的截面面型为椭球面，内表面镀有可见光波段反射膜。将位于椭球面一个焦点的光源发出的光线汇聚到椭球面的另一个焦点上，大大增加光源的能量利用率。
本实施方式所述的光源2为氘灯、氙灯、汞灯或紫外激光等具有可见光波段和紫外辐射的光源，可保证在多个波段实现杂光检测；优选为采用氙灯，具有连续光谱特性，可见光谱近似太阳光，同时氙灯具有很高的负载强度和较高的辐射效率以及最接近太阳表面的色温度，安装于反光罩的一个焦点上。
本实施方式所述的毛玻璃3的材料为熔石英，用于对光源发出的强光进行匀化，安装在椭球形反光罩的另一个焦点所在的平面。
本实施方式所述的太阳32′视场光阑4为铝制金属环，根据平行光管焦距和视场角可确定金属环的内直径，表面做染黑处理，金属环中心位于反光罩的一个焦点上，这个焦点也是平行光管的焦面中心。
本实施方式所述的平行光管次镜6是以熔石英为材料的平面反射镜，主要用于折转光路。
本实施方式所述的平行光管主镜7是以熔石英为材料的抛物面反射镜，主要用于准直光路，输出无穷远的模拟太阳光。
本实施方式所述的低亮度太阳模拟装置10还包括第一挡光板5、第二挡光板8和第三挡光板9，第一挡光板5、第二挡光板8和第三挡光板9均为铝制金属环，表面做染黑处理，所述的第一挡光板5设置在平行光管次镜6的前端，防止氙灯发出的光线直接照射反射镜边缘产生强烈的衍射杂光；第二挡光板8设置在平行光管主镜7的入光口，防止次镜的反射光线直接照射主镜边缘产生强烈的衍射杂光；第三挡光板9设置在平行光管主镜7的出光口，防止光源发出的光线不经过平行光管主次镜直接照射日冕仪。
本实施方式所述的低亮度太阳模拟装置10整合在黑色遮光箱体内部，只有平行光管出光口出射32′太阳日面光线。
本实施方式所述的带通滤光片12的材料为熔石英，安装在单光子计数探测器13前，对待测波段进行波长选择，滤掉带外辐射的影响，可保证检测结果的准确性，同时保证大的检测范围。
本实施方式所述单光子计数探测器13包括：单光子计数探测器采集单元和脉冲信号处理单元，安装在待测日冕仪11的焦面处，负责检测日冕仪的微弱杂光亮度和太阳日面亮度。
其中单光子计数探测器采集单元由入射窗口、光电阴极、微通道板像增强器、位置灵敏阳极、高真空探测器壳体、高真空电极引线等组成；单光子计数探测器采集单元负责光信号的采集并进行光电转换；微弱的光信号经过入射窗口照射到单光子计数探测器的光电阴极上时，产生光电子，光电子经过微通道板像增强器产生电子云团，利用位置灵敏阳极接收电子云，确定电子云的质心位置，既得到1个光子的入射位置，再利用高真空电极引线将光电脉冲信号引出到高真空探测器壳体外部。
脉冲信号处理单元由前置电荷放大器、整形电路、峰值保持电路、高速模数转换器、信号处理电路等组成。脉冲信号处理单元负责对光电脉冲信号放大并进行模数转换；由高真空电极引线引出的光电脉冲信号经过前置电荷放大器放大，由整形电路整形，再由峰值保持电路延长峰值保持时间，由高速模数转换器将模拟信号转换成数字信号，经过信号处理电路处理，生成每个光子在入射窗口的位置，输入计算机进行成像解码，最终输出图像。
本实施方式所述的装置在太阳日面亮度检测时，需要在待测日冕仪11和带通滤光片12之间安装衰减片14，避免强光直接照射而损坏单光子计数成像探测器13。
本发明采用低亮度太阳模拟装置和高灵敏度单光子计数成像探测器，完成日冕仪的杂光抑制能力检测，低亮度太阳模拟装置10发出32′全视场的模拟太阳光，光源的辐射亮度视待测日冕仪11的系统传输效率而定，保证在单光子计数成像探测器13感光面上信号的信噪比大于1，将单光子计数成像探测器13安装在待测日冕仪11的焦面上，确定感光面为实际焦面位置。然后，开启低亮度太阳模拟装置10，稳定一段时间，保证在杂光检测过程中辐射亮度变化满足测量精度要求；开启单光子计数成像探测器13，采集待测日冕仪11杂光分布图像，记录曝光时间长度；在探测器前安装已知倍数的衰减片14，降低模拟太阳辐射亮度，避免单光子计数成像探测器13饱和，保持同样的曝光时间长度；偏转低亮度太阳模拟装置10的光轴，使得单光子计数成像探测器13采集到完整的太阳日面图像。最后，利用太阳日面图像的亮度(用单光子计数成像探测器的强度计数率表示对应图像区域的亮度)和32′视场以外不同太阳半径位置的杂光辐射亮度分布，计算得到日冕仪的杂光抑制能力。
为了保证杂光检测精度，必须对背景杂光进行控制，整个检测过程要在洁净度不低于百级的黑暗超净实验室中进行，减少空气中颗粒散射产生的环境杂光对检测的影响，此外，太阳模拟装置要整合在黑色遮光箱体内部，整体只有平行光管出光口出射模拟太阳光，其它位置没有杂光泄露出箱体，杂光检测装置的封闭性充分避免了环境杂光对检测结果的影响。
如图2-4所示，图2为本发明日冕仪杂光亮度与太阳日面亮度的检测示意图，
其中，图2(a)为日冕仪杂光亮度检测时日冕仪及探测器的状态，此时低亮度太阳模拟装置10光轴与待测日冕仪11光轴对准，单光子计数成像探测器13接收到的光信号完全为待测日冕仪11光学和机械结构产生的杂光，如图3所示；图2(b)为太阳日面亮度检测时日冕仪及探测器的状态，此时低亮度太阳模拟装置10光轴相对于待测日冕仪11光轴的转角为32′，太阳日面光线恰好完全被单光子计数成像探测器13接收，由于太阳日面亮度大，在单光子计数成像探测器13前安装了已知倍数的衰减片，避免强光直接照射而损坏单光子计数成像探测器，如图4所示。
Claims (10)
1.一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，其特征在于，该装置包括：低亮度太阳模拟装置、带通滤光片和单光子计数成像探测器；所述的带通滤光片设置在待测日冕仪和单光子计数探测器中间，所述单光子计数探测器设置在待测日冕仪的焦面上；
所述的低亮度太阳模拟装置为离轴两反光学系统，低亮度太阳模拟装置发出32′全视场的模拟太阳光进入待测日冕仪，带通滤光片对待测波段进行波长选择，单光子计数成像探测器检测待测日冕仪的杂光亮度和太阳日面亮度。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，其特征在于，所述的低亮度太阳模拟装置包括：反光罩、光源、毛玻璃，太阳32′视场光阑、平行光管次镜和平行光管主镜；所述的光源发出的光经过反光罩反光后，先进入毛玻璃进行匀化，然后经过太阳32′视场光阑，再进入到平行光管次镜，通过平行光管次镜反射的平行光被平行光管主镜接收，经过平行光管主镜反射的平行光经过出光口进入到待测日冕仪中。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，其特征在于，所述的低亮度太阳模拟装置还包括第一挡光板、第二挡光板和第三挡光板，所述的第一挡光板设置在平行光管次镜的前端，第二挡光板设置在平行光管主镜的入光口，第三挡光板设置在平行光管主镜的出光口。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，其特征在于，所述的反光罩的材料为熔石英，反光罩的截面面型为椭球面，内表面镀有可见光波段反射膜。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，其特征在于，所述的光源为氘灯、氙灯、汞灯或紫外激光。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，其特征在于，所述的毛玻璃的材料为熔石英。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，其特征在于，所述的太阳32′视场光阑为铝制金属环。
8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，其特征在于，所述的平行光管次镜是以熔石英为材料的平面反射镜。
9.根据权利要求1所述的一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，其特征在于，所述的平行光管主镜是以熔石英为材料的抛物面反射镜。
10.根据权利要求1所述的一种高灵敏度日冕仪杂光检测装置，其特征在于，所述单光子计数探测器包括：单光子计数探测器采集单元和脉冲信号处理单元，单光子计数探测器采集单元负责微弱光信号的采集并进行光电转换；脉冲信号处理单元负责对光电脉冲信号放大并进行模数转换。
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