CN114460757B - 一种日球成像仪 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种日球成像仪，其中日球成像仪包括：自左及右依次设置的多个前挡板、上挡板、入射口径光阑、内置于一镜筒的成像镜组及探测器，其中，所述前挡板用于抑制太阳直射光及衍射光，所述上挡板设置有入射孔径，所述入射孔径、入射口径光阑、成像镜组及探测器构成日球层信号光的入射光路。本申请日球成像仪实现保证杂散光抑制效果的基础上尽可能增加口径，优化渐晕效果，从而提高日球成像仪的时间分辨率。

Description

一种日球成像仪

技术领域

本申请属于空间光学观测技术领域，尤其涉及一种新型日球成像仪。

背景技术

日球成像仪是一种对日球层进行光学成像的大视场望远镜装置。日球层通常为太阳系中距离太阳中心十几个太阳半径以外的区域均可以称为日球层。对日球层进行光学观测得到的数据是进行空间天气预测、监测及预警的最主要的依据之一。日球成像仪起源于2003年的SMEI计划(Solar Mass Ejection Imager)，但首次取得巨大成功为2006年的STEREO计划(Solar Terrestrial Relations Observatory)中的Heliospheric Imager。STEREO计划中的日球成像仪首次观测获得太阳风从太阳到地球传播的全过程的光学图像。之后Parker’s Solar Probe和Solar Obiter两颗对日观测卫星上也均搭载了日球成像仪。我国计划中的L5点卫星也计划搭载日球成像仪。

具体的，日球成像仪主要观测太阳风、日冕物质抛射事件(CMEs)、行星际日冕物质抛射事件(ICMEs)等，但由于日球成像仪的视场通常远离太阳，导致太阳风、CMEs和ICMEs的信号均非常弱，仅为太阳光盘平均亮度的10^-10～10^-15量级范围。故若要观测到这些信号结构，一方面需要抑制杂散光，另一方面需要大口径或长时间积分。

目前STEREO上的两个日球成像仪各自获得一幅有效图的时间分别为40分钟和2小时，时间分辨率远远达不到科学预期。特别是目前各国提出的对日球层进行偏振观测，会进一步降低时间分辨率到3～4倍，进而至少达到2小时和6小时，远远低于科学研究及空间天气监测所需要的时间分辨率。而日球成像仪口径无法做大的原因主要为受到杂散光抑制的限制，在光轴确定的情况下，口径越大，则越接近前挡板的上边缘，则会使得更强的衍射光进入后续光学系统，使得微弱的日球层信号湮没在杂散光信号内。目前STEREO的Heliospheric Imager 1(缩写为HI1)的口径为16毫米。

因此，目前相关技术中日球成像仪还无法实现较大的观测所需口径及较好的杂散光抑制的效果。

发明内容

针对相关技术中存在的不足之处，本申请提供了一种采用优弧弓形口径的日球成像仪，以实现保证杂散光抑制效果的基础上尽可能增加口径，优化渐晕效果，从而提高日球成像仪的时间分辨率。

本申请提供一种日球成像仪，包括：自左及右依次设置的多个前挡板、上挡板、入射口径光阑、内置于一镜筒的成像镜组及探测器，其中，所述前挡板用于抑制太阳直射光及衍射光，所述上挡板设置有入射孔径，所述入射孔径、入射口径光阑、成像镜组及探测器构成日球层信号光的入射光路。

在其中一些实施例中，所述入射口径光阑的口径设置为≤43毫米。

在其中一些实施例中，所述入射口径光阑设置为优弧弓形口径。

在其中一些实施例中，所述优弧弓形口径的上边缘设置为低于衍射光强10^-9的位置。

在其中一些实施例中，所述日球成像仪设置为壳体结构。

在其中一些实施例中，所述壳体包括底板及四个侧板，四个所述侧板分别安装于所述底板的边沿，所述底板和侧板合围形成一前置腔及一设备容置腔，所述设备容置腔顶部设置有上盖板。

在其中一些实施例中，多个所述前挡板依次间隔固定设置于所述前置腔一端。

在其中一些实施例中，所述入射口径光阑固定设置于所述镜筒上，所述镜筒固定设置于所述探测器上，所述探测器通过一支撑座倾斜固定设置于所述底板。

在其中一些实施例中，所述上挡板倾斜设置于所述入射口径光阑前侧，所述上挡板顶部与所述上盖板边沿连接，所述上挡板底部通过一下挡板固定连接所述底板。

在其中一些实施例中，所述日球成像仪的视场范围为20°×20°的方形视场范围。

基于上述技术方案，本申请实施例中日球成像仪通过配置入射口径的大小及形状实现兼顾杂散光抑制效果、增大口径的同时提高日球成像仪的时间分辨率的目的，具体的：

(1)本申请的成像镜组及镜筒的入射口径最大为43mm，在保持有效焦距f与HI1相同的情况下，使得入射口径大大增大，同时保证了成像质量；

(2)本申请的入射口径光阑采用优弧弓形口径结构，使得入射口径光阑通光口径内均在衍射光强度10^-9以下的位置，故进入入射口径的衍射光小于10^-9，即有效抑制进入光学系统的衍射光强度。

(3)本申请增大了日球成像仪的口径的有效面积，6.3～24°视场的口径有效面积增大了4.9倍，4～6.3°范围的内视场口径有效面积增大3倍，从而实现在相同时间内收集更多的日球层光子能量的效率，从而降低曝光时间，提高时间分辨率的作用，实现偏振型日球层的科学测量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为根据本申请实施例的日球成像仪的结构示意图；

图2为根据本申请实施例的日球成像仪的局部放大结构示意图；

图3为根据本申请实施例的日球成像仪的内部俯视结构示意图；

图4为根据本申请实施例的日球成像仪的立体结构示意图；

图5为根据本申请实施例的日球成像仪的入射口径光阑的结构示意图；

图6为根据本申请实施例的日球成像仪的上挡板的结构示意图；

图7为根据本申请实施例的HI1口径与增大口径的内视场光束分布及对应衍射光强分布示意图；

图8为根据本申请实施例的HI1口径与优弧弓形口径的内视场光束分布及对应衍射光强分布示意图；

图9为根据本申请实施例的HI1口径与优弧弓形口径的内视场光束分布及对应衍射光强分布另一示意图；

图10为根据本申请实施例的总入射口径有效面积随视场的变化示意图。

图中：

1、壳体；2、前挡板；3、上挡板；4、入射口径光阑；

5、成像镜组；6、镜筒；7、探测器；8、下挡板；

11、底板；12、侧板；13、前置腔；14、设备容置腔；

15、上盖板；16、支撑座；31、入射孔径；

21、内视场中心光束；22、中心视场光束；23、外视场光束；24、前边缘视场光束；25、后边缘视场光束。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请中，“内视场、外视场”是指：本装置与太阳距离的关系，距离太阳较近处为内日球层视场的内边缘，远离太阳处为日球层视场的外边缘，故分别称为内视场及外视场。

本申请中，“视场范围”是指：如图1、5所示，本申请实施例的日球成像仪的内、外视场分别为与太阳和成像仪的连线成4°和24°，可结合图1中内视场中心光束21、前边缘视场光束24或后边缘视场光束25与水平方向的夹角，及图1中外视场光束23与水平方向的夹角理解。横向视场为与太阳和成像仪连线成±10°范围内，可结合图5中前边缘视场光束24与后边缘视场光束25间的夹角理解。由此共同组成20°×20°的方形视场范围。

如附图1-6所示，在本申请日球成像仪的一个示意性实施例中，该日球成像仪设置为壳体结构，壳体1内自左及右依次设置的多个前挡板2、上挡板3、入射口径光阑4、内置于一镜筒6的成像镜组5及探测器7，其中，壳体1包括底板11及四个侧板12，四个侧板12分别安装于底板11的边沿，底板11和侧板12合围形成一前置腔13及一设备容置腔14，设备容置腔14顶部设置有上盖板15。

多个前挡板2依次间隔固定设置于前置腔13一端，从而抑制太阳直射光及衍射光。可选的，前挡板2通过底板11和侧板12的卡槽及L型板螺钉固定。入射口径光阑4固定设置于镜筒6上，镜筒6通过螺纹连接固定设置于探测器7上，探测器7通过一支撑座16倾斜固定设置于底板11。上挡板3倾斜设置于入射口径光阑4前侧，上挡板3顶部与上盖板15边沿连接，上挡板3底部通过一下挡板8固定连接底板11。具体的，上挡板3设置有入射孔径31，入射孔径31、入射口径光阑4、成像镜组5及探测器7构成日球层信号光的入射光路。

在实际应用时，太阳直射光和日球层信号光从本实施例的日球成像仪左侧入射，其中，太阳直射光及该直射光产生的衍射光经前挡板2遮挡抑制，使得日球成像仪的其他组件无法被太阳直射光照射；而日球层信号光从左上方倾斜入射至上挡板3中的入射孔径31中，并经入射口径光阑4进入成像镜组5及镜筒6，最终到达探测器7进行测量。

本申请实施例将入射口径光阑4的口径设置为≤43毫米，可选的，参考图5所示，本申请实施例的入射口径光阑4的口径为43毫米，与现有的口径为16毫米的HI1相比，本申请实施例将口径增大了约2.7倍。与之相配合的，本申请实施例的成像镜组5及镜筒6的口径配置为43毫米，可选的，其焦距f配置为78.6毫米，分辨率配置为70角秒。

需要说明的是，若将入射口径设置为大于43毫米，会大大提高光学设计难度，也会导致成像质量变差。因此，本申请实施例在保持有效焦距与HI1相同的情况下，既大大增加了入射口径，又提升了成像质量。

图7为HI1口径与增大口径的内视场光束分布及对应衍射光强分布示意图，参考图7所示，图中左侧方框用于表示内视场入射光的范围，方框中示出的两个同心圆，小圆表示HI1的口径，大圆表示基于HI1增大的入射口径，可知，图中内视场范围的下边缘仅达到HI1的口径下边缘位置处。另外，图中右侧用于表示不同位置处衍射光强分布。根据图示可知，衍射光强自上而下逐渐减小，也就是说，仅仅增大口径，也会使得大部分10^-8量级的衍射光进入口径中，从而使得整体衍射光增大数倍甚至一个量级。

因此，为了解决增大口径带来的衍射光增大的问题，抑制衍射杂散光，本申请实施例的入射口径光阑4设置为优弧弓形。图8为HI1口径与优弧弓形口径的内视场光束分布及对应衍射光强分布示意图，参考图8所示，图中优弧的弦AB设置为与HI1的口径上边缘齐平。但是，根据图示可知，衍射光强为10^-9量级的衍射光亦会进入口径中。

为了进一步降低衍射光强，本申请实施例将优弧的弦AB下调。图9为HI1口径与优弧弓形口径的内视场光束分布及对应衍射光强分布另一示意图，参考图9所示，考虑到衍射光强分布曲线下降的较快，图中优弧的弦A'B'相较于弦AB下调2毫米，但本申请实施例并不限于该下调距离，具体可根据实际需求进行调整。

基于上述结构，使得入射口径光阑4通光口径内均在衍射光强10^-9以下的位置，以保证进入入射口径的衍射光小于10^-9，也即本申请实施例有效抑制进入光学系统的衍射光强增大。

另外需要说明的是，随着视场增大，图7-图9所示的视场下边缘覆盖位置会向下移动，直至完全覆盖所有视场。由此增大口径会一定程度增大内视场的渐晕。但此渐晕效应对于日球成像仪是附带的一个有益的效果。这是因为日球层亮度随距离太阳的距离增大而降低，造成内视场处亮度远比外视场亮度约大1～2个量级，而适当增大内视场渐晕，可以降低整个视场的动态范围，从而使得内外视场亮度变化更平缓。当然后期数据处理仍需要进行平场校准，从而获得视场中每点的真实亮度值。

另外，图10为总入射口径有效面积随视场的变化曲线，其中，横轴为视场范围角度，纵轴为入射口径有效面积，实线用于表示图8中优弧弓形口径有效面积随视场范围的变化曲线，短虚线为图9中优弧弓形口径有效面积随视场范围的变化曲线，长虚线为HI1的口径有效面积随视场范围的变化曲线。基于上述已知，由于前挡板2的部分遮挡，内视场4～6.3°范围内光束无法充满入射口径，但该视场范围内入射口径有效面积仍为HI1的3倍以上；而大于6.3°的视场范围，光束可以充满入射口径，其有效面积为HI1的4.9倍。

基于如上实施例所述，本申请实施例还增大了日球成像仪的口径的有效面积，从而实现在相同时间内收集更多的日球层光子能量的效率，从而降低曝光时间，提高时间分辨率的作用，最终实现偏振型日球层的科学测量。

最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本申请技术方案的精神，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种日球成像仪，其特征在于，包括：自左及右依次设置的多个前挡板、上挡板、入射口径光阑、内置于一镜筒的成像镜组及探测器，其中，所述前挡板用于抑制太阳直射光及衍射光，所述上挡板设置有入射孔径，所述入射孔径、入射口径光阑、成像镜组及探测器构成日球层信号光的入射光路；所述入射口径光阑的口径设置为43毫米，所述入射口径光阑设置为优弧弓形口径，所述优弧弓形口径的上边缘设置为低于衍射光强10^-9的位置，所述日球成像仪的视场范围为20°×20°的方形视场范围，所述成像镜组及镜筒内光学系统的焦距f配置为78.6毫米，分辨率配置为70角秒。

2.根据权利要求1所述的日球成像仪，其特征在于，所述日球成像仪设置为壳体结构。

3.根据权利要求2所述的日球成像仪，其特征在于，所述壳体包括底板及四个侧板，四个所述侧板分别安装于所述底板的边沿，所述底板和侧板合围形成一前置腔及一设备容置腔，所述设备容置腔顶部设置有上盖板。

4.根据权利要求3所述的日球成像仪，其特征在于，多个所述前挡板依次间隔固定设置于所述前置腔一端。

5.根据权利要求4所述的日球成像仪，其特征在于，所述入射口径光阑固定设置于所述镜筒上，所述镜筒通过螺纹连接固定设置于所述探测器上，所述探测器通过一支撑座倾斜固定设置于所述底板。

6.根据权利要求5所述的日球成像仪，其特征在于，所述上挡板倾斜设置于所述入射口径光阑前侧，所述上挡板顶部与所述上盖板边沿连接，所述上挡板底部通过一下挡板固定连接所述底板。

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