CN111610582A - 一种用于日冕观测的扇形微透镜阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学设计领域，具体涉及是一种用于日冕观测的扇形微透镜阵列。本发明为一扇形微透镜阵列，用于积分视场单元的微透镜阵列为扇形，由多个不同尺寸的扇形微透镜单元组成；所述的扇形微透镜阵列，外层扇形微透镜单元的面积大于内层扇形微透镜单元，力求不同层的扇形微透镜单元通光量接近；扇形微透镜单元的外弧长与其径向长度成比例，以保证每个扇形微透镜单元的外接圆半径最小，使扇形微透镜单元具有最小的球差。本发明通过使扇形微透镜单元的径向长度随着日冕半径的增加而增加，或随着日冕半径的增加而使每扇形微透镜单元对应的圆心角增大，实现组成扇形微透镜阵列的每个扇形微透镜单元的通光量基本一致，保证了微透镜通光的均匀性。

Description

一种用于日冕观测的扇形微透镜阵列
技术领域
本发明属于光学设计领域，具体涉及是一种用于日冕观测的扇形微透镜阵列。
背景技术
太阳在天文学中占据重要地位。一方面，太阳是目前人类唯一可以进行高分辨率观测的恒星，对其进行深入探测不仅能够研究太阳物理本身，而且有助于人类探索宇宙其他恒星的物理演化过程。另一方面，太阳活动与人类生活密切相关。太阳爆发会严重影响地球近地空间环境，损害卫星及无线通信。太阳与地球之间的相互作用会直接影响地球气候的变化，因此对太阳活动进行深入研究继而进行监控、预测也显得十分重要。
太阳活动是指太阳大气中发生的一系列活动现象的总称，比如黑子、耀斑、日珥、日冕瞬变等，相比于这些丰富多彩的现象本身，太阳物理学家更加关心蕴含在现象背后的物理机制。日冕是太阳特征中为数不多的几个可被肉眼观测到的结构之一。高温的日冕是太阳大气的最外层结构，起始于太阳可见表面之上的位置，并向外延伸了大约成百上千公里，甚至可以到达行星际空间中。由于日冕的温度很高，其等离子体温度超过了1兆开尔文，因此日冕中的等离子体是完全电离的。但是日冕的密度却非常低，在宁静日冕内层，电子的平均密度大约为108cm-3量级。日冕具有不均匀性，在某些位置其密度可以增强大概5到20倍左右。随着距离向外延伸，日冕密度下降得非常迅速，在距离太阳表面一个太阳半径处的密度已降为106cm-3左右，而在距离太阳表面十个太阳半径处的密度则低于104cm-3(牟超洲，日冕亮点关联的光球磁活动及小尺度爆发现象的观测研究，2018，山东大学)。研究及观测结果表明，太阳磁场在太阳活动中扮演着非常重要的角色，比如黑子本身是太阳大气中的强磁场区、耀斑是磁场磁重联区域释放的能量等，正因为如此，当今太阳物理的重大成就和主要困难都与太阳磁场的观测研究有关。日冕磁场是太阳物理学家最为关切的物理量，大尺度太阳爆发等现象起源于其位形演化。由于其磁场强度很低而且辐射强度不到光球辐射百万分之一，以及地球大气对光球辐射的散射使得对日冕磁场的测量成为太阳观测中最大难点。为充分理解太阳磁场的物理性质，亟待高分辨率太阳观测。
利用积分视场单元，尤其是带微透镜阵列的光纤积分视场单元，可以用来对天文目标进行二维空间、一维光谱的观测。在进行太阳观测时，这种积分视场单元可以具有较高的时间分辨率，从而对日冕的演化进行观测。一般的光纤积分视场单元的微透镜阵列都采用正方形或六边形阵列(中国专利CN1081976C)，但这种形状的微透镜难以适应环形的日冕区。
此外，日冕能量分布极其不均匀，随着距离向外延伸，日冕能量密度下降得非常迅速。所以在微透镜阵列设计过程中应考虑满足观测时距离太阳表面较近的位置有着较高的分辨率，同时距离太阳较远的位置具有较大的采光量，力求每个微透镜单元的通光量接近一致的要求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种用于观测日冕的扇形微透镜阵列。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于日冕观测的扇形微透镜阵列，为一扇形微透镜阵列，用于积分视场单元的微透镜阵列为扇形，由多个不同尺寸的扇形微透镜单元组成；所述的扇形微透镜阵列，外层扇形微透镜单元的面积大于内层扇形微透镜单元，力求不同层的扇形微透镜单元通光量接近；扇形微透镜单元的外弧长与其径向长度成比例，以保证每个扇形微透镜单元的外接圆半径最小，使扇形微透镜单元具有最小的球差。
本发明的有益效果在于：
微透镜阵列在积分视场单元中起着重要的作用，扇形微透镜阵列是一种不同于以往圆形、正方形、六边形单元结构在天文观测上的全新的结构。用于日冕观测的扇形微透镜阵列可以达到100％的填充率，这不仅可以更好地匹配日冕的扇形像，也可以大幅提高光纤的利用率，避免损失有用的日冕信息，实现对日冕的扫描观测。通过使扇形微透镜单元的径向长度随着日冕半径的增加而增加，或随着日冕半径的增加而使每扇形微透镜单元对应的圆心角增大，实现组成扇形微透镜阵列的每个扇形微透镜单元的通光量基本一致，保证了微透镜通光的均匀性。通过优化设计每扇形微透镜单元的外弧长及其径向长度，满足扇形微透镜单元外接圆半径最小。这样可以保证扇形微透镜单元具有最小球差。在对扇形微透镜阵列进行整体优化时，为进一步减小球差，扇形微透镜单元的曲面表面可以采用非球面设计。
附图说明
图1为扇形微透镜单元及其外接圆示意图。
图2为扇形微透镜单元3D示意图。
图3为扇形微透镜阵列设计方案示意图。
图4为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
图中数字标号分别表示：扇形微透镜单元外弧长距离太阳像中心的距离1-1，扇形微透镜单元对应的圆心角1-2，扇形微透镜单元内弧长距离太阳像中心的距离1-3，扇形微透镜单元的径向长度1-4，外接圆圆心到扇形微透镜单元弦所做垂线长度1-5，扇形微透镜单元外接圆半径1-6，扇形微透镜单元外弧长1-7；扇形微透镜单元平面底面2-1，扇形微透镜单元曲面顶点曲率半径2-2，扇形微透镜单元曲面边缘厚度2-3；各层扇形微透镜单元沿从太阳像半径方向等圆心角分割3-1；各层扇形微透镜单元按最小外接圆半径，不按等圆心角分割3-2。
为了对环形的日冕进行观测，可以设计一种扇形的微透镜阵列对日冕进行扫描。该发明需要保证观测日冕时距离太阳表面较近的位置与距离太阳较远的位置相比有着较高的分辨率，并且组成扇形微透镜阵列的每个扇形微透镜单元的通光量基本一致。相比于一般积分视场单元采用正方形或六边形微透镜单元组成的微透镜阵列，扇形微透镜阵列可以很好的与日冕区环形结构相匹配。
本发明主体为一扇形微透镜阵列，对应环形日冕区的一部分。扇形微透镜阵列由多个扇形微透镜单元组成。
日冕磁场强度随半径的增加而迅速减小。为满足每个扇形微透镜单元通光量接近，就要求扇形微透镜单元的面积随着日冕半径的增加而逐渐增大。这可以通过使扇形微透镜单元的径向长度随着日冕半径的增加而增加，或随着日冕半径的增加而使每扇形微透镜单元对应的圆心角增大实现。
日冕仪在工作过程中，不仅要获取全部日冕信息，同时也要保证获取信息不失真。这就要求透镜阵列有100％的填充系数和很好的成像质量。单元为圆形透镜的微透镜阵列虽然形状上高度对称，相差小、像质好，但填充系数较低，无法满足应用需要。单元为六边形和正方形透镜的微透镜阵列也有较好的对称性，但难以构成扇形微透镜阵列。扇形微透镜阵列相对而言对称性较低，边缘及四角对于透镜光心的距离(等效外接圆半径)不同，因此产生的像差也较为复杂。透镜口径越小，扇形微透镜单元成像的球差越小。本文设计每扇形微透镜单元的外弧长与其径向长度成一定比例，满足扇形微透镜单元外接圆半径最小。这样可以保证扇形微透镜单元具有最小球差。在对扇形微透镜阵列进行整体优化时，为进一步减小球差，扇形微透镜单元的曲面表面可以采用非球面设计。
每个扇形微透镜单元的光心位于扇形的几何中心，对应的焦点位于光心所在的光轴上。
参见图3，本发明中设计的微透镜阵列为扇形微透镜阵列。扇形微透镜阵列由多个扇形微透镜单元组成。扇形微透镜阵列对应环形日冕区的一部分，可对环形日冕区实现扫描测量。由于日冕能量分布随着日冕半径的增加而迅速减小，为保证每扇形微透镜单元的通光量接近一致，就要求扇形微透镜单元的的面积随着日冕半径的增加而增加。这可以通过使扇形微透镜单元的径向长度随着日冕半径的增加而增加，或随着日冕半径的增加而使每扇形微透镜单元对应的圆心角增大实现，也可以将二种优化方式混合使用，图3中给出扇形微透镜单元所对应圆心角均匀分布的扇形微透镜阵列(3-1)和随日冕半径的增加扇形微透镜单元所对应圆心角非均匀分布的扇形微透镜阵列(3-2)两种，可能但不是全部的优化方式，。
参见图1，扇形微透镜单元口径越小，扇形微透镜单元成像的球差越小。本文设计每扇形微透镜单元的外弧长s(1-5)与其径向长度l(1-4)成一定比例，满足扇形微透镜单元外接圆半径r(1-6)最小。这样可以保证扇形微透镜单元具有可控范围内的最小球差。
根据图1可得出：
Figure BDA0002523762150000041
式中：h为内接圆圆心到弦做垂线的长度(1-7)，R为扇形微透镜单元内弧长距离太阳像中心的距离(1-3)，l为扇形微透镜单元的径向长度(1-4)，α为扇形微透镜单元对应的圆心角(1-2)。
根据勾股定理可得外接圆半径r(1-6)满足如下表达式：
Figure BDA0002523762150000042
在实际情况中，每扇形微透镜单元所对应的角度满足小角度近似的要求，对式(2)进行小角度近似可得：
Figure BDA0002523762150000043
经过计算可得，当扇形微透镜单元外接圆半径r(1-6)最小时，扇形微透镜单元外弧长s(1-5)与径向长度l(1-4)满足以下表达式：
Figure BDA0002523762150000044
进一步，在进行扇形微透镜具体设计时，应在满足实现扇形微透镜单元外接圆半径最小的条件下去选取每扇形微透镜单元对应的圆心角α。
进一步，如图2所示，在对扇形微透镜阵列进行整体优化时，为进一步减小球差，扇形微透镜阵列曲面表面可以采用非球面设计，非球面扇形微透镜单元的主要参数包括曲面表面顶点曲率半径(2-2)及其厚度(2-3)。
进一步，每个扇形微透镜单元的光心位于扇形的几何中心，对应的焦点位于光心所在的光轴上。
综上，本发明提供了一种用于日冕观测的扇形微透镜阵列，目的是日冕光谱快速观测。日冕能量分布极其不均匀，随着距离向外延伸，日冕能量密度下降得非常迅速。为了对环形的日冕进行扫描，本发明采用了一种扇形的微透镜阵列。每一个微透镜单元也是扇形，且满足内层尺寸小，外层尺寸大，每个微透镜通光量接近相等。为了获得最小像差，每一个微透镜单元的形状参数均进行优化，使其外接圆半径最小。上述说明详细的描述了本发明，但是应该理解本发明并不局限于此，无论是采用任何材料制作的任何扇形微透镜单元的组合形式，都属于本发明的一种变形，在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于日冕观测的扇形微透镜阵列，为一扇形微透镜阵列，其特征在于：用于积分视场单元的微透镜阵列为扇形，由多个不同尺寸的扇形微透镜单元组成；所述的扇形微透镜阵列，外层扇形微透镜单元的面积大于内层扇形微透镜单元，力求不同层的扇形微透镜单元通光量接近；扇形微透镜单元的外弧长与其径向长度成比例，以保证每个扇形微透镜单元的外接圆半径最小，使扇形微透镜单元具有最小的球差。
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