一种星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统

1.本实用新型属于成像系统，具体涉及一种星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统。


背景技术：

2.由于太阳日冕是多热结构，波长分离的数据提供了成像方法无法获得的关键信息。探测极紫外(euv)波长可以让我们能够更有效的观察到太阳耀斑、日冕物质抛射有关的高温日冕等离子体，以及各类受冲击的物质而不会被日面的强度所覆盖。利用适当的极紫外光谱物质，从各种轨道对日冕进行宽视场成像和光谱观测，可以实现两个主要目标，以提高我们对于空间天气的预测能力，即(1)提高对于形成太阳风时日冕状态的认知；(2)提高我们对太阳活动过程的理解，控制cme的早期演化和形成向外层的物质冲击。
3.袁鸿昌在《内掩式日冕仪杂散光分析与抑制中》一文中，采用了透射式的光路结构和内掩式的遮挡结构来设计日冕仪，其内掩体设计为一金属圆锥，可以将太阳日面的光线反射出系统，但由于该系统是透射式结构，因此会存在色差，只能分辨很窄的光谱波段，视场范围小的缺点，由于太阳日面的光强是日冕光强的10的6次方倍，当日面光线进入系统后，尽管大部分会被内掩体反射掉，剩余的日面散射光也会在系统内部造成严重的影响。


技术实现要素：

4.为了更准确的获得太阳日冕区域极紫外波段的信息，同时尽可能减小日面部分光强对系统杂散光影响，本实用新型提出了一种星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统，采用了前置外掩体光阑与后置外掩体光阑相结合的方式，可以自适应调节遮挡来自不同视场的杂散光，并且将杂散光在经过光学系统之前遮挡掉，使系统具有更好的光谱分辨能力和成像质量。利用偶次非球面镜，扩展环形光栅和狭缝相结合的方式，实现极紫外不同波段的准确成像。
5.实现本实用新型的技术解决方案为：一种星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统，包括沿光路依次设置的前置外掩体光阑，后置外掩体光阑，孔径光阑、主反射镜、狭缝板、次镜和cmos探测器。被探测目标的光线沿着传播方向首先经过前置外掩体光阑，然后经过后置外遮体光阑，进入孔径光阑后，依次经过主反射镜、狭缝板到达次镜，经过次镜分光反射成像在探测器上；前置外遮掩光阑为环形通光结构，中间具有圆柱形的挡光面，该挡光面半径大小可自适应调节，后置外遮掩光阑为中间具有开孔的球面反射镜，中间开孔的大小可以自适应调节，孔径光阑为系统的入瞳，主反射镜为偶次非球面镜，其光焦度为负，狭缝板为不透明的矩形板，在其上刻蚀五条相互平行的透光的狭缝，次镜为扩展环形光栅。
6.孔径光阑为圆形通光口径，其直径为40mm，主反射镜面型为偶次非球面镜，狭缝板上的狭缝宽度为50um，相邻狭缝之间的间隔不相同，次镜为扩展环形光栅，建立空间坐标系，坐标系中z轴为沿光轴正向，其中x、y、z轴之间满足右手坐标系，次镜面型为由位于x-y
平面上的曲线，绕一平行于x轴并与y轴相交的直线旋转而成，最终的形状通过叠加扩展多项式来产生变形。所述次镜上边缘与探测目标入射光线设置有一定距离，使得次镜不会与入射光线产生干涉，所述狭缝板下边缘与入射到探测器上的光线设置有一定距离，使得狭缝板下边缘不与光线产生干涉。
7.本实用新型与现有技术相比，其显著优点在于：本系统采用有多项扩展多项式的光学曲面替换传统光学面形，具有更多的光学自由度，提高了光学系统的像差矫正能力，使得系统具有长焦距、大视场、大相对孔径、结构紧凑的优势，适合航天与空间天基的远距离遥感探测，同时可以提前有效的避免杂散光对成像系统的影响。
附图说明
8.图1为本实用新型的星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统的光路示意图，其中图1中的(a)为整体示意图，图1中的(b)为局部放大图一，图1中的(c)为局部放大图二。
9.图2为本实用新型的星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统的前置外掩体示意图。
10.图3为本实用新型的星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统的后置外掩体示意图。
11.图4为本实用新型的星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统的扩展环形光栅面型示意图。
12.图5为本实用新型的星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统的扩展环形光栅结构与分光示意图
13.图6为本实用新型的星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统的扩展环形光栅刻线与栅距示意图。
14.图7为本实用新型的星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统一次像面上的行截面光照度曲线图。
15.图8为本实用新型的星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统的光线渐晕图。
具体实施方式
16.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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
18.本实用新型所述的一种星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统，采用了前置外掩体光阑与后置外掩体光阑相结合的方式，可以自适应调节遮挡来自不同视场的杂散光，利用偶次非球面镜，扩展环形光栅和狭缝相结合的方式，实现极紫外不同波段的准确成像，解决目前天基光谱日冕仪日面杂散光影响过大且不能大视场和高分辨的难题。
19.如图1所示，一种星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统，包括沿光路依次设置的前置外掩体光阑1、后置外掩体光阑2、孔径光阑3、主反射镜4、狭缝板5、次镜6和cmos探测器7。来自太阳日面和日冕的光线沿着传播方向首先进入前置外掩体光阑1，然后经过后置外掩体光阑2、太阳日面部分的光线大部分会被前置外掩体挡掉，剩余太阳日面的光线和超过视场外的光线会被后置外掩体反射出系统，通过前置外掩体和后置外掩体的自适应调节，可以遮挡来自系统外不同视场的杂散光。
20.如图1所示，前置外掩体光阑1到后置外掩光阑2沿光轴方向的距离为1200～2000mm，孔径光阑3到主反射镜4沿光轴方向的距离为400～500mm，狭缝板5到主反射镜4沿光轴方向的距离为400～500mm，次镜6到狭缝板5沿光轴的距离为100～130mm，cmos探测器7距离次镜6沿光轴的距离为270mm。按照图1布置，系统的整体空间尺寸小于2800mm
×
90mm
×
90mm。
21.坐标系中z轴为沿光轴正向，其中x、y、z轴之间满足右手坐标系。
22.本实用新型所述的星载外掩式极紫外离轴成像系统的f数范围为12～18，入瞳直径为40mm，视场角为圆形视场，最大视场角为0.96
°
，所述次镜6上边缘与探测目标入射光线设置有一定距离，使得次镜6不会与入射光线产生干涉，所述狭缝板5下边缘与入射到7探测器cmos上的光线设置有一定距离，使得狭缝板5下边缘不与光线产生干涉。
23.如图2所示，所述前置外掩体光阑1为环形通光结构，其中心遮挡为大小可变的圆柱形体，该圆柱体通过一支撑杆与外部相连，环形面通光面最大直径为100mm，圆柱形遮挡半径由下式确定：
24.ri＝r
en
+l
1 tanθi25.其中ri为前置外掩体光阑1中圆柱形实体半径，r
en
为入瞳半径，l1为入瞳到前置外遮掩光阑1的距离，θi为前置外掩体光阑1对应的遮挡日面的半视场角。ri会随着l1和θi的不同而变化。
26.如图3所述后置外掩体光阑2为中心具有开孔大小可调的球面反射镜，球面反射镜的焦距和曲率半径满足如下公式：
[0027][0028]
其中f为球面反射镜的焦距，r为曲率半径，l为前置外遮掩和后置外遮掩光阑之间的距离，系统中f为1200～2000mm。
[0029]
所述后置外掩体光阑2中心开孔的半径由下式确定：
[0030]ro
＝r
en
+l
2 tanθf[0031]
其中，ro为后置外掩体光阑2的中心开孔半径，r
en
为入瞳半径，l2为后置外掩体光阑2到入瞳的距离，θf为后置外掩体光阑2对应的遮挡半视场角，系统中ro会随着l2和θf的不同而变化。
[0032]
所述前置外掩体光阑1的离轴角为0
°
，后置外掩体光阑2的离轴角度为0
°
～1
°
之间，狭缝5为4.5
°
～6.5
°
之间，次镜6的离轴角为6
°
～7
°
之间，探测器7cmos的离轴角度为5
°
～6
°
之间，主反射镜4的离轴角为0
°
，离轴角度方向均为沿x轴逆时针方向旋转。此种设置便于以主镜为基础对系统进行装调。
[0033]
本实用新型所述的星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统，主反射镜
4为偶次非球面，高次项系数只包含前三项，其面型公式z1为
[0034][0035]
其中，c是主反射镜4的曲率，r是镜头单位下的径向坐标，k为圆锥系数，所述主反射镜4的圆锥系数为-0.5，曲率半径为-710，α为径向坐标偶次幂的系数，前三项系数分别为α1为0，α2为-2e-9，α3为-2.7e-13。
[0036]
如图4所示，所述次镜6为扩展环形光栅，其面型表达式z2为
[0037][0038]
其中，n为级数中多项式系数的总数，ai为第i项扩展多项式的系数，ei表示第i项的扩展多项式，y是纵坐标向量，α为纵向坐标偶次幂的系数，前三项系数分别为α1为-0.02，α2为1.43e-4，α3为7.6e-8。
[0039]
所述次镜6的扩展多项式中，x1y0的扩展多项式系数为-1.13e-06，x0y1的扩展多项式系数为-57.9，x2y0的扩展多项式的系数为-93.5。
[0040]
如图5所示，次镜6的扩展环形面基底c上所添加的线性凹面光栅的分光与结构图，位于a点的两支相邻入射光束，经过光栅后被分开成像在b位置的cmos探测器7上，光栅的刻线密度为3000线/mm，刻线形状为梯形的沟槽形。如图6所示的为扩展环形面基底c上的光栅刻线示意图，其每两条刻线之间的距离d为3.3e-04mm。
[0041]
如图7所示，星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统一次像面上的光照行截面图，来自太阳日面和日冕部分的光再经过前置外掩体和后置外掩体后，日面的光线几乎被完全挡住，到达一次像面上的都是日冕部分的，光强分布是一个环形的形状。
[0042]
如图8所示，为星载分体式自适应遮光可调的极紫外离轴成像系统像面上的渐晕曲线图，从图中可以看到中心视场的光线几乎被完全挡住，可以实现探测日冕区域极紫外波段的信息的功能。