用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置的製作方法

2023-05-09 22:07:01

專利名稱：用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於日冕觀測領域，應用於實驗室中對日冕觀測的日冕儀實驗過程中，具體涉及用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置。
背景技術：
目前，在對日冕觀測的成像儀器研製領域中，儀器在應用到實際觀測之前需要進行實驗室的模擬仿真實驗，太陽模擬裝置成為極其重要的先決條件。它不僅要體現出太陽的強光性，還要體現出光球層和日冕層的輻射能差距及獨立發光的特性。現有技術中雖有性能優良的太陽模擬儀器，但是有造價昂貴，體積大，所需實驗場地大等諸多的缺點。所以如何完全滿足以上對模擬太陽的要求，又兼具高效的太陽模擬裝置就成了當前制約實驗的瓶頸。

發明內容
本發明為解決現有技術中太陽模擬儀器造價昂貴、體積大、所需實驗場地大等諸多的缺點，制約了日冕觀測實驗的實施的問題，本發明提供一種仿真度高、便攜性好、成本低廉且便於搭建的太陽模擬裝置。本發明的目的是通過以下技術方案實現的用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置，包括光球層照明系統、光球層成像系統、日冕照明系統、準直系統和遮光系統，光球層照明系統、光球層成像系統和日冕照明系統置於遮光系統的內部，準直系統的入射端置於遮光系統的內部，且與日冕照明系統對接；光球層成像系統從左至右包括毛玻璃、第一金屬板、第一透鏡、第二透鏡、衰減片、第二金屬板，且同軸放置；光球層照明系統發出的光經毛玻璃被勻化，勻化光經過第一金屬板的開口部分入射到第一透鏡，勻化光透過第一透鏡後出射平行光，平行光入射到第二透鏡後被會聚到衰減片上，光透過衰減片及第二金屬板的開口後進入準直系統，從準直系統輸出模擬太陽光。毛玻璃設置在第一金屬板的開口處，第一金屬板置於第一透鏡物方焦面上；衰減片設置在第二金屬板的開口處，第二金屬板置於第二透鏡的像方焦面上，且第二金屬板置於準直系統的物方焦面上；遮光系統內部設置第一遮光板和第二遮光板，第一遮光板和第二遮光板的中心開口分別和第一透鏡和第二透鏡配合；光經過第二塊金屬板後以小於180°的範圍出射。日冕照明系統由四片LED組成的環形發光組，四片LED均勻安裝在環形散熱板上；準直系統為平行光管或封裝單片消色差透鏡的鏡筒，且單片消色差透鏡的焦面在鏡筒外。準直系統的焦距和第二金屬板的開口尺寸有如下關係
D=f X tan (ω) X 2，其中D為第二金屬板的開口直徑，f為準直系統的焦距，ω為真實太陽光球層邊緣對地的半視角。本發明的有益效果本發明通過光球層照明系統提供光球層照明光源，經毛玻璃勻化後對第一金屬板開口照明，此時第一金屬板右側輻射角度為180°。第一金屬板經同樣規格的消色差第一透鏡和消色差第二透鏡等比例成像，像面放置第二金屬板，使得第二金屬板的開口和第一金屬板開口的像重合，這樣第二金屬板出射的光輻射角度小於180°，不會對第二金屬板右側太陽模擬面開口外的模擬日冕目標形成照射，可實現模擬太陽光球層和日冕層的獨立發光效果。日冕照明系統對模擬太陽，主要是對第二金屬板右側的日冕目標進行照明以提高 日冕目標亮度。在第二金屬板靠近光球層照明系統一側緊密放置衰減片，可以通過衰減片的調整實現對模擬太陽光球層和日冕目標能量比的調整。第二金屬板的出射光經準直系統，轉化為平行光出射，模擬來自近乎無窮遠的太陽平行光。該裝置具仿真度高，便攜性好，易組裝，造價低廉，且實驗效率聞等優點。


圖1 :用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置示意圖。圖2 :日冕照明系統的正視圖。圖中1、光球層照明系統，2、光球層成像系統，3、日冕照明系統，4、準直系統，5、遮光系統，2-1、毛玻璃，2-2、第一金屬板，2-3、第一透鏡，2-4、第二透鏡，2-5、衰減片，2-6、第二金屬板，3-1、LED照明燈，3-2、LED散熱板，5_1、第一遮光板，5_2、第二遮光板。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步詳細說明。如圖1所示，用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置，包括光球層照明系統1，光球層成像系統2，日冕照明系統3，準直系統4，遮光系統5。光球層照明系統1、光球層成像系統2和日冕照明系統3置於遮光系統5的內部，準直系統4的入射端置於遮光系統5的內部，且與日冕照明系統3對接。光球層成像系統2從左至右包括毛玻璃2-1、第一金屬板2-2、第一透鏡2_3、第二透鏡2-4、衰減片2-5、第二金屬板2-6 ;第一金屬板2-2置於第一透鏡2_3物方焦面上,第二金屬板2-6置於第二透鏡2-4的像方焦面上，且第二金屬板2-6位於準直系統的物方焦面上；光球層照明系統1，要求具有很強的發光強度，且和太陽光球層接近的光譜特性，採用短弧氙燈作為光球層照明系統I的光源。光球層照明系統I發出的光經毛玻璃2-1被勻化，勻化光入射到第一金屬板2-2，第一金屬板2-2的開口部分被照明，以180°的範圍照明右側，第一金屬板2-2置於第一透鏡2-3物方焦面，透過第一金屬板2-2開口的光線經消色差第一透鏡2-3形成平行光，在消色差第一透鏡2-3後同軸放置同樣規格的消色差第二透鏡2-4，平行光入射消色差第二透鏡2-4後聚焦於第二透鏡2-4的像方焦面，即將第一金屬板2-2開口等比例成像於此，此處放置第二金屬板2-6,使得第二金屬板2-6的開口和第一金屬板2-2開口的像重合。第二金屬板2-6背離光球層照明系統I的一面就是模擬太陽面，開口部分就是模擬的太陽光球層，開口以外的部分為模擬日冕目標。模擬太陽的光球層光強不會照明日冕目標，可以實現兩者的獨立發光。光球層成像系統2實現了可區分光球層和日冕層的太陽的模擬。實際的日冕模擬觀測中會出現模擬太陽的日冕目標面亮度極低的問題，對日冕目標觀測時需要很長的曝光時間，通過日冕照明系統3來改進。日冕照明系統3由四片LED組成的環形發光組，四片LED均勻安裝在環形散熱板3-2上。它是為模擬日冕目標提供均勻亮度，需要同太陽日冕層基本一致的光譜特性，其亮度的調節可以通過LED供電電源的電流調節來實現。雖提高日冕亮度，也同時提高了光球層亮度，但由於光球層和日冕層存在很大的能量比例關係，所以相比於光球 層照明系統I的能量，日冕照明系統3的能量可以忽略。對於日冕儀的日冕觀測實驗而言，著重要模擬真實太陽光球層和日冕層的輻射能量比，而不是真實的能量值，所以通過衰減片2-5的調整依然可以控制光球亮度和日冕亮度級次的比值。衰減片2-5置於第二金屬板2-6靠近光球層照明系統I側，並緊鄰第二金屬板2-6的位置，通過對衰減片2-5的調整，達到對模擬太陽光球層和日冕目標發光能量比的調整。取下衰減片2-5後，第二金屬板2-6背離光球層照明系統I 一側就形成光球層同日冕層存在一定發光量級比的模擬太陽。比例關係取決於衰減片2-5的衰減比例關係。光球層成像系統2實現了可區分光球層和日冕層的太陽的模擬。並通過日冕照明系統3提高日冕亮度，在不影響實驗的準確性的前提下，大大降低了日冕觀測系統的曝光時間，實現了實驗的便捷及聞效。在近地軌道觀察太陽可將太陽光視為來自無窮遠的平行光，所以準直系統4旨在把模擬太陽的光轉換為平行光出射。準直系統4可以為一個平行光管或者單片消色差透鏡封裝後的鏡筒。封裝後的鏡筒的焦面需要在封裝結構件外，以確保第二金屬板2-6的開口能處於這個位置。在第二金屬板2-6後放置準直系統4，使第二金屬板所形成的模擬太陽置於準直系統4前焦面處，透過第二金屬板的光線經準直系統4後，以平行光出射，模擬來自近乎無窮遠的太陽光。準直系統的焦距和第二金屬板的開口尺寸有如下關係D=fXtan(co) X2D為第二金屬板2-6的開口直徑,也即第一金屬板2-2的開口直徑，f為準直系統4的焦距，ω為真實太陽光球層邊緣對地的半視角，約為16、在f和ω明確的前提下，第一金屬板2-2和第二金屬板2-6的開口得以確定，更加真實的模擬了太陽的尺寸及輻射角度。光球層照明系統1、光球層成像系統2、日冕照明系統3都置於遮光系統5內，遮光系統5需要染黑，遮光系統5靠近模擬太陽一側有一開口和準直系統4連接，接口要互相匹配確保連接處不透光，整個太陽模擬裝置組裝完成後唯一出射光為經準直系統4準直後的平行光。遮光系統5的兩塊遮光板為第一遮光板5-1和第二遮光板5-2,分別置於第一透鏡2-3和第二透鏡2-4處,第一遮光板5-1和第二遮光板5-2的中心開口要和第一透鏡2_3和第二透鏡2-4的通光孔徑匹配，確保透鏡外不透光，只有通過透鏡的光能逐級傳播。第一金屬板2-2限制了來自光球層照明系統I的能量，第一遮光板5-1限制了來自第一金屬板
2-2開口處的能量，第二遮光板5-2進一步遮擋對模擬太陽無用的雜光，第二金屬板2-6 —方面起到遮攔雜光的作用，另一方面形成了模擬太陽。兩塊金屬板及兩塊遮光板的尺寸要和遮光系統5內徑相互匹配，既完全隔開遮光系統4，又不會在銜接處透光，且四塊板開口要同軸。組裝後起到了逐級遮擋雜光的作用。綜上所述，整個裝置不僅模擬了太陽的強光效果，而且實現了光球層和日冕層的獨立發光，並使用衰減片能夠調節光球層和日冕層的輻射能量比，模擬了太陽在太空中全黑的背景。此裝置實現了日冕觀測實驗的準確和便捷高效。
權利要求
1.用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置，其特徵是，包括光球層照明系統(I)、光球層成像系統(2)、日冕照明系統(3)、準直系統(4)和遮光系統(5)，光球層照明系統(I)、光球層成像系統(2)和日冕照明系統(3)置於遮光系統(5)的內部，準直系統(4)的入射端置於遮光系統(5)的內部，且與日冕照明系統(3)對接；光球層成像系統(2)從左至右包括毛玻璃(2-1)、第一金屬板(2-2)、第一透鏡(2-3)、 第二透鏡(2-4 )、衰減片(2-5 )、第二金屬板(2-6 )，且同軸放置；光球層照明系統(I)發出的光經毛玻璃(2-1)被勻化，勻化光經過第一金屬板(2-2)的開口部分入射到第一透鏡(2-3)，勻化光透過第一透鏡(2-3)後出射平行光，平行光入射到第二透鏡(2-4)後被會聚到衰減片(2-5)上，光透過衰減片(2-5)及第二金屬板(2-6)的開口後進入準直系統(4)，從準直系統(4)輸出模擬太陽光。
2.根據權利要求1所述的用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置，其特徵在於，毛玻璃(2-1)設置在第一金屬板(2-2)的開口處,第一金屬板(2-2)置於第一透鏡(2-3)物方焦面上；衰減片(2-5)設置在第二金屬板(2-6)的開口處，第二金屬板(2-6)置於第二透鏡的像方焦面上，且第二金屬板(2-6)置於準直系統(4)的物方焦面上；遮光系統(5)內部設置第一遮光板(5-1)和第二遮光板(5-2),第一遮光板(5-1)和第二遮光板(5-2 )的中心開口分別和第一透鏡(2-3 )和第二透鏡(2-4)配合。
3.根據權利要求1所述的用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置，其特徵在於，光經過第二塊金屬板(2-2)後以小於180°的範圍出射。
4.根據權利要求1所述的用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置，其特徵在於，日冕照明系統(3)由四片LED (3-1)組成的環形發光組，四片LED (3_1)均勻安裝在環形散熱板(3-2 )上；
5.根據權利要求1所述的用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置，其特徵在於，準直系統(4)為平行光管或封裝單片消色差透鏡的鏡筒，且單片消色差透鏡的焦面在鏡筒外。
6.根據權利要求1所述的用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置，其特徵在於，準直系統(4)的焦距和第二金屬板(2-6)的開口尺寸有如下關係D=f X tan(ω) X2,其中D為第二金屬板(2-6)的開口直徑，f為準直系統(4)的焦距，ω為真實太陽光球層邊緣對地的半視角。
全文摘要
用於日冕觀測實驗的高效太陽模擬裝置，屬於日冕觀測領域，為提供一種仿真度高、成本低廉且更高效的太陽模擬裝置，該裝置包括光球層照明系統、光球層成像系統、日冕照明系統、準直系統和遮光系統，光球層照明系統、光球層成像系統和日冕照明系統置於遮光系統的內部，準直系統的入射端置於遮光系統的內部，且與日冕照明系統對接；光球層成像系統包括毛玻璃、第一金屬板、第一透鏡、第二透鏡、衰減片、第二金屬板；光球層照明系統發出的光經毛玻璃被勻化，勻化光經過第一金屬板的開口部分入射到第一透鏡，勻化光透過第一透鏡後出射平行光，平行光入射到第二透鏡後會聚到到衰減片上，光透過衰減片後經日冕照明系統進入準直系統，輸出模擬太陽光。
文檔編號G02B27/00GK103018909SQ20121057501
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者孫明哲, 張紅鑫, 盧振武, 卜和陽 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所