CN111238780B - 日冕仪物镜散射杂散光的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了日冕仪物镜散射杂散光的检测装置及检测方法，所述检测装置包括光源、检测模块及探测器，沿光路方向依次安装有可调光阑I、消杂光光阑组、场镜组件、成像镜组件，待检镜片设于所述可调光阑I与消杂光光阑组之间靠近可调光阑I的位置，通过所述可调光阑I、消杂光光阑组、场镜组件及成像镜组件，最大程度的遮挡镜筒内杂散光光束。采用上述方案的检测装置，与现有技术相比，采用直接成像直接检测的方式，检测过程便捷，检测结果更直观，大大减小了检测复杂度及难度。

Description

日冕仪物镜散射杂散光的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及日冕仪物镜检测技术领域，特别涉及一种利用鬼像原理的日冕仪物镜散射杂散光的检测装置及检测方法。

背景技术

日冕仪是通过遮挡太阳从而观测日冕的装置。由于日冕仪的物镜直接受到太阳照射，使得物镜表面的光滑程度及缺陷情况要求非常高，并由于存在物镜表面加工水平未达到要求，在运输过程中造成损坏、划痕等，以及包装的残留物附着在物镜表面等原因都可能造成物镜表面的洁净程度降低，以上情况会对日冕观测造成非常大的干扰。因此，技术人员需要定期清洁日冕仪物镜，以控制表面灰尘、污点数量，确保日冕仪观测过程中物镜产生的杂散光水平，因此需要特定装置对日冕仪物镜的清洁程度进行检测量化。

目前，对日冕仪物镜的检测主要是分为两个方面。一方面，对物镜表面的划痕、麻点进行检测，通常采用观测技术；另一方面，对物镜表面粗糙度进行检测，通常采用AFM、激光干涉仪或轮廓仪等设备检测，得到的检测结果是表面粗糙度的方均根值，并不能直接对散射强度给出量化结果。此外，表面粗糙度的检测装置均为多个采样点检测，每个采样点大小一般不超过边长为0.5mm的正方形范围，如此一来，对于100mm以上口径的物镜，以上装置的检测结果并不能代表其全面的表面粗糙度。当然，对表面粗糙度的检测也可以使用夫琅禾费散射仪，但是其价格昂贵，检测速度慢，实用性差。

日冕仪对物镜的要求为对内部杂质、表面划痕、麻点及表面粗糙度等的总散射杂散光的上限值，在总散射杂散光满足要求的情况下，可以允许单项散射值偏高。因此，虽然可以分别使用上述方法对物镜的划痕、麻点及表面粗糙度等进行了符合相应指标的检测，但是如此一来，不仅检测过程复杂，还可能会导致综合指标过高，无法实现，大大提高检测成本。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种日冕仪物镜散射杂散光的检测装置，所述检测装置包括光源、检测模块及探测器，所述检测模块内沿光路方向依次安装有可调光阑I、消杂光光阑组、场镜组件、成像镜组件，待检镜片安装于所述可调光阑I右侧，由所述可调光阑I遮挡进入所述检测模块镜筒的大于待检镜片检测面积的光束，所述探测器将所述检测模块的出光光束进行成像，得到所述待检镜片的散射点与鬼像点，所述散射点包括待检镜片产生的散射光及表面灰尘或污染物产生的杂散光。

优选的，所述消杂光光阑组包括多个消杂光光阑，多个所述消杂光光阑等间隔分布于所述待检镜片到其焦点之间，多个所述消杂光光阑的通光口径逐次等差递减，用于遮挡周围的杂散光和镜筒内壁的散射光或其他杂光，以保证内部的散射光仅为透镜本身产生的散射光。

优选的，所述消杂光光阑组包括消杂光光阑I、消杂光光阑II及消杂光光阑III，设所述消杂光光阑I、消杂光光阑II及消杂光光阑III的通光口径为D₁、D₂、D₃，通光口径：D₁＝D₅+3(D₀-D₅)/4，D₂＝D₅+2(D₀-D₅)/4，D₃＝D₅+(D₀-D₅)/4，其中D₅为可调光阑II的通光口径，D₀为待检镜片的通光口径。

优选的，所述场镜组件包括可调光阑II、掩体、挡板和调焦场镜，所述可调光阑II和所述掩体安装于所述待检镜片焦点处，所述掩体用于遮挡光路中聚焦的直射光，所述调焦场镜安装于所述待检镜片的像面后侧，所述挡板设于所述调焦场镜周围，所述挡板用于遮挡调焦场镜周围的杂散光，所述可调光阑II用于遮挡镜筒内壁的散射光，同时确保检测到的视场为待检镜片的视场，所述掩体用于遮挡聚焦的直射光束。

优选的，所述检测模块靠近光源一侧安装有平行光管，所述平行光管与待检镜片之间的距离为d，d>f(D_c+D₀)/D，其中D_c为平行光管口径，D为掩体口径，f为待检镜片焦距，从而保证外界其他光进入平行光管物镜的散射光将完全被掩体遮挡，避免平行光管产生的散射光影响检测结果。

优选的，所述成像镜组件包括Lyot光阑、变焦镜头，所述Lyot光阑设于调焦场镜对可调光阑I成像的像面位置，同时可遮挡可调光阑I边缘的衍射光，所述变焦镜头将待检镜片的散射杂散光及待检镜片表面二次反射的鬼像聚焦到探测器上。

优选的，所述掩体的大小为所述检测装置内光路中直射光束像斑的1.05-1.5倍，所述掩体用于遮挡直射光束，确保消除直射光的干扰且残余衍射光强度低于入射光的10^-7。

优选的，所述探测器采用superCMOS进行成像，拍摄成像模式采用等曝光时间多次曝光叠加、递增曝光时间多次曝光及二者的结合，所述superCMOS具有高动态范围及高线性度的优点，可以实现快速拍摄，提高检测效率，可采用上述两种成像模式的互相验证以提高成像精度，保证成像中可以体现大散射点、小散射点及表面粗糙度。

一种利用如上所述日冕仪物镜散射杂散光的检测装置的检测方法为：

使用所述日冕仪物镜散射杂散光的检测装置得到所述探测器的成像图，所述成像图中包括散射点和鬼像点，即可得到所述待检镜片在Lyot光阑处的散射杂散光强度和鬼像强度，所述鬼像强度设为I_G，所述散射杂散光强度设为I_S；

鬼像强度I_G经过日冕仪后续成像系统在日冕仪像面会近似均匀分布，可计算得到鬼像在日冕仪像面处的分布L_G；设日冕仪像面处散射杂散光分布L_S，L_S＝I_S/I_G×L_G，其中I_S/I_G需要对物镜共轭面处的对比检测图像进行处理计算得到所有散射杂光的总强度与鬼像的比值，所述散射杂光既包括散射点也包括表面粗糙度造成的杂散光；

通过计算Lyot光阑处的鬼像强度I_G和散射杂散光强度I_S的照度比来模拟计算物镜表面散射的光到达日冕仪像面上的杂散光强度，从而判定物镜表面粗糙度及散射点是否满足要求。

优选的，满足日冕仪使用要求的所述待检镜片的散射杂散光分布为：L_S∈(10^-7,10^-6)。

本发明的有益效果是：

(1)本发明创造性的采用鬼像强度来对应待检镜片的总散射杂散光强度，直接将总散射杂散光作为判断物镜表面的光滑程度及缺陷的指标，避免了采用多种方式多种检测工具的繁琐，采用直接成像的方式，对待检镜片表面及视场内的散射杂散光进行直接检测得到其总散射杂散光情况，检测结果直观，检测速度快；

(2)本方案的检测方法仅通过一次成像即可完成，无需检测照射物镜的光束强度，避免了由于照射光束强度起伏造成的检测误差，同时降低了对光源电源功率稳定度的要求，减小了检测难度；

(3)本方案在Lyot光阑处检测，该位置的优势在于，此处的光束为能够到达像面的小角度散射光，将无用的大角度散射光在此前发散掉；

(4)本方案的检测装置通过掩体、Lyot光阑、消杂光光阑组将光路上的直射光、衍射光、及其他物镜自身产生散射杂散光以外的光均遮挡消除掉，确保最终通过光学系统的仅为物镜产生的散射杂散光，避免了其他光束的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的另一结构示意图；

图3为本发明实施例的镜筒内光路示意图；

图4为本发明实施例的成像图。

附图标记：

1-检测模块、2-平行光管、3-可调光阑I、4-待检镜片、5-消杂光光阑组、51-消杂光光阑I、52-消杂光光阑II、53-消杂光光阑III、6-可调光阑II、61-掩体、7-调焦场镜、71-挡板、8-Lyot光阑、9-变焦镜头、10-探测器、11-光源、12-Lyot斑、13-散射点。

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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

如图1-3所示，本实施例日冕仪物镜散射杂散光的检测装置包括检测模块1、探测器10及光源11，本实施例的光源11采用1千瓦陶瓷氙灯，检测模块1内靠近光源11一侧安装有平行光管2，沿光路方向依次安装有可调光阑I3、待检镜片4、消杂光光阑组5、场镜组件、成像镜组件，待检镜片4邻近安装于可调光阑I3的右端，消杂光光阑组5包括消杂光光阑I51、消杂光光阑II52及消杂光光阑III53，消杂光光阑I51、消杂光光阑II52及消杂光光阑III53等间隔分布于待检镜片4到其焦点之间，消杂光光阑I51、消杂光光阑II52及消杂光光阑III53的通光口径满足如下条件：设消杂光光阑I51、消杂光光阑II52及消杂光光阑III53的通光口径为D₁、D₂、D₃，其中D₁＝D₅+3(D₀-D₅)/4，D₂＝D₅+2(D₀-D₅)/4，D₃＝D₅+(D₀-D₅)/4，其中D₅为可调光阑II6的通光口径，D₀为待检镜片4的通光口径。场镜组件包括可调光阑II6、掩体61、挡板71和调焦场镜7，可调光阑II6和掩体61安装于待检镜片4焦点处，掩体61的大小为检测装置内直射光束像斑的1.05-1.5倍，调焦场镜7安装于待检镜片4的像面偏后5-10mm处，挡板71设于调焦场镜7周围，值得注意的是，平行光管2与待检镜片4之间的距离为d，d>f(D_c+D₀)/D，其中D_c为平行光管2口径，D₀为待检镜片4口径，D为掩体61口径，f为待检镜片4焦距，成像镜组件包括Lyot光阑8、变焦镜头9，Lyot光阑8设于调焦场镜7成像的位置，可遮挡可调光阑I3边缘的衍射光，变焦镜头9将待检镜片4的散射杂散光及待检镜片4表面二次反射的鬼像聚焦到探测器10上，本实施例的探测器10采用superCMOS相机，拍摄成像的方式采用本实施例采用等曝光时间多次曝光叠加的方式、递增曝光时间多次曝光的方式两种方法互相验证，以提高精度的目的。其中，等曝光时间多次曝光叠加的方式为采用短曝光时间，每次曝光时间保证所有散射点均未达到饱和，每次曝光减去背景噪声等，并通过多次曝光叠加的方式来得到所有散射点的亮度与Lyot斑亮度的对比；递增曝光时间多次曝光的方式的曝光时间从短曝光时间开始，依次递增，然后将高曝光时间中的饱和像素值分别用低曝光时间中对应的未饱和像素值乘以两次曝光时间的商代替，从而得到Lyot光阑8处所有散射点及作为背景的表面粗糙度亮度与Lyot斑亮度的对比。

图4为优选的成像分布图像，中间的点为Lyot斑(即待检镜片4表面二次反射的鬼像)，其它点均为散射点(即待检镜片4的散射杂散光)。

本实施例的检测方法如下：设检测到的鬼像强度为I_G，散射杂散光强度设为I_S，借助软件计算得到I_G沿光路传播到像面处的分布L_G，即可直接计算出像面处的散射杂散光分布L_S＝I_S/I_G×L_G，利用散射杂散光分布L_S直接判断物镜表面粗糙度及散射点是否满足要求，若L_S∈(10^-7，10^-6)，则判断待检镜片4符合要求；否则，待检镜片4不符合要求。

采用本实施例的检测装置及检测方法检测日冕仪物镜时，光源11发出的光经过平行光管2转变为平行光束，平行光束的发散角不超过10角分，平行光束经过可调光阑I3、待检镜片4聚焦，将掩体61位置调整到该焦点处，掩体61的大小根据该焦点处光斑的大小灵活选择；确认掩体61位置后，在待检镜片4和掩体61之间依次等距放置消杂光光阑I51、消杂光光阑II52及消杂光光阑III53，掩体61处设置可调光阑II6；调整可调光阑II6光圈大小以确保所测视场为待检镜片4的视场，随后通过调焦场镜7进行成像，并通过挡板71遮挡此处的杂散光；随后的光束经过Lyot光阑8，在Lyot光阑8处遮挡由可调光阑I3边缘产生的衍射光，此时光束包括待检镜片4的散射杂散光及待检镜片4表面二次反射的鬼像，最后，通过变焦镜头9将该光束聚焦到探测器10上，使用本实施例的检测方法计算其中的散射杂散光强度和鬼像强度，根据总散射杂散光的分布直接判定物镜表面粗糙度及散射点是否满足要求。

下面给出一组优选实施例的具体数据：待检镜片4选用的物镜口径为70mm，平行光管2的口径为100mm，其中，平行光管2的镜片位于光源右侧1200mm位置，可调光阑I3口径为100mm以内可调，设于平行光管2右侧约10m处，待检镜片4紧邻可调光阑I3后，掩体61大小为10mm-25mm(每隔1mm一个)，消杂光光阑I51为150mm以内可调，消杂光光阑II52为100mm以内可调，消杂光光阑III53与可调光阑II6为50mm以内可调。不同镜片的鬼像强度会不同，本实施例测试得到的70mm物镜的鬼像强度I_G约为8×10^-7，由此通过软件计算得到的散射杂散光分布也不同，影响因素主要为透镜的表面质量和灰尘，如果检测前透镜表面灰尘比较多的话，散射杂散光分布L_S约为到10^-4，不符合要求；如果检测签经擦洗透镜表面质量高且灰尘少的情况，散射杂散光分布L_S约为10^-7，符合要求。

综上，本实施例的方案避免了采用多种方式多种检测工具的繁琐，采用直接成像的方式，对待检镜片4表面及视场内的散射杂散光进行直接检测得到其总散射杂散光情况，检测结果直观，检测速度快；整个过程仅通过一次成像即可完成，与现有检测方式相比，无需检测照射物镜的光束强度，避免了由于照射光束强度起伏造成的检测误差，同时降低了对光源电源功率稳定度的要求，减小了检测难度；本方案在Lyot光阑8处检测，该位置的优势在于，此处的光束为能够到达像面的小角度散射光，将无用的大角度散射光在此前发散掉；本方案采用掩体61、可调光阑I3、可调光阑II6、消杂光光阑组5及Lyot光阑8等组件，将光路上的直射光、衍射光、及其他物镜自身产生散射杂散光以外的光均遮挡消除掉，大大避免这些光束的干扰，有效提高检测结果的精确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础；当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.日冕仪物镜散射杂散光的检测装置，其特征在于，包括光源、检测模块及探测器，所述检测模块内沿光路方向依次安装有可调光阑I、消杂光光阑组、场镜组件、成像镜组件，待检镜片安装于所述可调光阑I右侧，所述探测器将所述检测模块的出光光束进行成像，得到所述待检镜片的散射点与鬼像点，其中，所述场镜组件包括可调光阑II、掩体、挡板和调焦场镜，所述可调光阑II和所述掩体安装于所述待检镜片焦点处，所述掩体用于遮挡光路中聚焦的直射光，所述调焦场镜安装于所述待检镜片的像面后侧，所述挡板设于所述调焦场镜周围；所述检测模块靠近光源一侧安装有平行光管，所述平行光管与待检镜片之间的距离为d，d>f(D_c+D₀)/D，其中D_c为平行光管口径，D₀为待检镜片口径，D为掩体口径，f为待检镜片焦距。

2.如权利要求1所述的日冕仪物镜散射杂散光的检测装置，其特征在于，所述消杂光光阑组包括多个消杂光光阑，多个所述消杂光光阑等间隔分布于所述待检镜片到其焦点之间，多个所述消杂光光阑的通光口径逐次等差递减。

3.如权利要求2所述的日冕仪物镜散射杂散光的检测装置，其特征在于，所述消杂光光阑组包括消杂光光阑I、消杂光光阑II及消杂光光阑III，设所述消杂光光阑I、消杂光光阑II及消杂光光阑III的通光口径为D₁、D₂、D₃，通光口径满足：D₁＝D₅+3(D₀-D₅)/4，D₂＝D₅+2(D₀-D₅)/4，D₃＝D₅+(D₀-D₅)/4，其中D₅为可调光阑II的通光口径，D₀为待检镜片的通光口径。

4.如权利要求1所述的日冕仪物镜散射杂散光的检测装置，其特征在于，所述成像镜组件包括Lyot光阑、变焦镜头，所述Lyot光阑设于所述调焦场镜对可调光阑I成像的像面位置，所述变焦镜头设于所述Lyot光阑与所述探测器之间，将所述待检镜片的散射杂散光及待检镜片表面二次反射的鬼像聚焦到所述探测器上。

5.如权利要求1所述的日冕仪物镜散射杂散光的检测装置，其特征在于，所述掩体的大小为光路中直射光束像斑的1.05-1.5倍。

6.如权利要求4所述的日冕仪物镜散射杂散光的检测装置，其特征在于，所述探测器采用superCMOS进行成像，拍摄成像模式可采用等曝光时间多次曝光叠加、递增曝光时间多次曝光或二者的结合。

7.日冕仪物镜散射杂散光的检测方法，利用如权利要求1-6任一项所述日冕仪物镜散射杂散光的检测装置，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：

使用所述日冕仪物镜散射杂散光的检测装置得到所述探测器的成像图；

将所述成像图中鬼像点的鬼像强度设为I_G，散射点的散射杂散光强度设为I_S；通过计算可以得到鬼像在像面处的分布L_G，鬼像强度I_G近似均匀分布；

计算散射杂散光分布：设像面处散射杂散光分布L_S，所述散射杂散光分布L_S＝I_S/I_G×L_G；

通过所述L_S判定所述待检镜片表面粗糙度及散射点是否满足要求。

8.如权利要求7所述的日冕仪物镜散射杂散光的检测方法，其特征在于，满足日冕仪使用要求的所述待检镜片的散射杂散光分布为：L_S∈(10^-7,10^-6)。

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