一种太阳望远镜的光学系统

摘要

本发明属精密光学测试技术领域，具体涉及一种太阳望远镜的光学系统。该系统包括主镜、热光阑、视场光阑、准直透镜、接收透镜以及像面，其改进之处是：视场光阑为弧形，视场光阑面向入射光的表面镀有反射膜，解决了热量大量聚集在视场光阑，使视场信号被杂光淹没，从而导致高分辨率观测任务失败的问题。

说明书

技术领域

本发明属精密光学测试技术领域，具体涉及一种太阳望远镜 的光学系统。

技术背景

太阳望远镜对太阳高分辨率观测的有效视场一般不超过5′，而有 效视场外的太阳区域的光辐射，会经望远镜镜筒入口进入到太阳望远 镜镜筒内，这部分能量同样在望远镜内部传输和成像、吸收和散射， 它既是强热源又是强杂散光源。通常的空间望远镜和地面望远镜，太 阳也是热源和杂散光源，但在任务观测时不会允许太阳直射进入望远 镜筒，一般采用遮光罩等措施抑制。

由于太阳望远镜对太阳的有效视场成像，视场外的太阳光全部可 以投射到主镜上，因此采用加遮光罩的措施消除不了杂光和热源。在 太阳望远镜的光学系统设计中，光学系统设计为两次成像系统，引入 一次像面的目的是在此加入视场光阑和热光阑，阻止非视场的太阳光 直接进入后续光学系统到达像面。

太阳望远镜光学系统工作如图1所示：

太阳光线入射到主镜后分三种路径传输：太阳望远镜的视场内光 线L₁经主镜5反射后穿过热光阑4孔和视场光阑3孔进入后续的准直 透镜6、接收透镜2到达像面1探测器；望远镜视场外大角度的太阳 光线L₂经主镜5反射到热光阑4的反射面，再被反射到外空；在望远 镜有效视场附近的太阳光线L₃从热光阑4孔漏入射到视场光阑3面 上。

视场光阑3设计通常是在平板上挖孔，使视场内的光线从视场光 阑3孔穿过进入后续光学系统2，而平板表面则做黑色消光处理以吸 收视场外的入射杂光。太阳望远镜由于从热光阑4漏入的太阳杂光能 量达到100w左右，对于视场光阑3吸收这么大的能量将导致严重的 热变形以及位置偏移一次像面，因此，必须采取措施使漏入到视场光 阑4表面的太阳能量被反射走。

如图1所示，入射的杂光到达视场光阑3反射面后，其反射光线 L₅会到达热光阑4的表面，这部分的光将导致两个对光学系统不利的 问题：一是反射到热光阑4的能量被吸收后导致热光阑4发生变形和 位置变化，而热光阑4结构与视场光阑3结构是连接在一起，从而使 视场光阑3位置也会发生变化；另一个影响是反射到热光阑4表面的 杂光在热光阑5表面上发生一次散射，一次散射杂光L₆穿过视场光阑 孔进入后续光学系统2到达像面1。这两种影响都将增大像面的杂光 能量，使视场信号被杂光淹没，从而导致高分辨率观测任务失败。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种太阳 望远镜的光学系统，采用反射式弧形视场光阑，解决热量大量聚集在 视场光阑，使视场信号被杂光淹没，从而导致高分辨率观测任务失败 的问题。

本发明的具体技术方案是：

本发明提出了一种太阳望远镜的光学系统，包括主镜、热光阑、 视场光阑、准直透镜、接收透镜以及像面，其特征在于：所述视场光 阑为弧形，所述视场光阑面向入射光的表面镀有反射膜。

上述视场光阑的曲率半径R通过以下步骤获取：

1)确定入射杂光在视场光阑面上的最小上视场A、入射杂光在 视场光阑面上的最大上视场A＇、入射杂光在视场光阑面上的最小下 视场B、入射杂光在视场光阑面上的最大下视场B＇；

2)计算反射出最小上视场A杂光所对应的曲率半径R_a；

2.1)确定杂光最小上视场A的第一下边缘光线X₁、最小上视场 A的第一上边缘光线X₂以及第一上边缘光线X₂经视场光阑反射后通过 热光阑下极限点O的反射光线X₃；

2.2)获取第一下边缘光线X₁与第一上边缘光线X₂之间的第一角 平分线，并确定第一角平分线与光轴线交于点C_1，测量出杂光最小上 视场A与C₁的距离R₁；

2.3)获取第一上边缘光线X₂与X₃的第二角平分线，并确定第二 角平分线与光轴线交于点C₂，测量出最小上视场A与点C₂的距离R₂；

2.4)保证最小上视场A的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔 穿出，反射光栏的曲率半径R_a需要满足的条件是：R₂＜R_a＜R₁；

3)计算反射出最大上视场A＇的杂光所对应的曲率半径R_b；

3.1)确定杂光最大上视场A＇的第二下边缘光线X₄、第二上边 缘光线X₅以及第二上边缘光线X₅经视场光阑反射后通过热光阑下极 限点O的反射光线X₆；

3.2)获取第二下边缘光线X₄与第二上边缘光线X₅之间的第三角 平分线，并确定第三角平分线与光轴线交于点C₃，测量出最大上视场 A＇与点C₃的距离R₃；

3.3)获取第二上边缘光线X₅与X₆的第四角平分线，并确定第 四角平分线与光轴线交于点C₄，测量出杂光最大上视场A＇与点C₄的 距离R₄；

3.4)保证最大上视场A＇的入射杂光被反射后能全部从热光阑 孔穿出，反射光栏的曲率半径R_b需要满足的条件是：R₄＜R_b＜R₃；

4)计算反射出最小下视场B杂光所对应的曲率半径R_c；

4.1)确定杂光最小下视场B的第三下边缘光线X₇、最小下视场 B的第三上边缘光线X₈以及第三下边缘光线X₇经视场光阑反射后通过 热光阑上极限点O＇的反射光线X₉；

4.2)获取第三下边缘光线X₇与第三上边缘光线X₈之间的第五角 平分线，并确定第五角平分线与视场光阑通孔的中心线交于点C₅，测 量出最小下视场B与点C₅的距离R₅；

4.3)获取第三下边缘光线X₇与X₉的第六角平分线，并确定第 六角平分线与光轴线交于点C₆，测量出杂光最小下视场B与点C₆的距 离R₆；

4.4)保证最小下视场B的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔 穿出，反射光栏的曲率半径R_c需要满足的条件是：R₆＜R_c＜R₅；

5)计算杂光最大下视场B＇对应的曲率半径R_d；

5.1)确定杂光最大下视场B＇的第四下边缘光线X₁₀、最大下视 场B＇的第四上边缘光线X₁₁以及第四下边缘光线X₁₀经视场光阑反射 后通过热光阑上极限点O＇的反射光线X₁₂；

5.2)获取第四下边缘光线X₁₀与第四上边缘光线X₁₁之间的第七 角平分线，并确定第七角平分线与光轴线交于点C₇，测量出杂光最大 下视场B＇与点C₇的距离R₇；

5.3)获取第四下边缘光线X₁₀与X₁₂的第八角平分线，并确定第 八角平分线与光轴线交于点C_8，测量出最大下视场B＇点C₈的距离R₈；

5.4)保证最大下视场B＇的入射杂光被反射后能全部从热光阑 孔穿出，反射光栏的曲率半径R_d需要满足的条件是：R₈＜R_d＜R₇；

6)最终视场光阑上漏入的太阳杂光被反射并全部穿过热光阑孔 时，弧形视场光阑的曲率半径R必须满足条件R_min＜R＜R_max；其中， R_min取值为最小上视场A对应的曲率半径R_a、最大上视场A＇对应的曲 率半径R_b、最小下视场B对应的曲率半径R_c以及最大下视场B＇对应 的曲率半径R_d中的最小值；R_max取值为最小上视场A对应的曲率半径 R_a、最大上视场A＇对应的曲率半径R_b、最小下视场B对应的曲率半 径R_c以及最大下视场B＇对应的曲率半径R_d中的最大值。

本发明的优点在于：

本发明采用弧形视场光阑，避免了太阳杂光入射到视场光阑后被 反射到热光阑上并被吸收后导致热光阑、视场光阑发生变形和位置变 化的问题，从而能够实现太阳望远镜的光学系统高分辨率观测任务。

附图说明

图1为现有太阳望远镜的光学系统的示意图；

图2为本发明太阳望远镜光学系统的入射杂光在视场光阑与热 光阑之间的光路示意图；

图3为计算反射最小上视场A杂光所对应的视场光阑曲率半径 R_a的光路示意图；

图4为计算反射最大上视场A＇杂光所对应的视场光阑曲率半径 R_b的光路示意图；

图5为计算反射最小下视场B杂光所对应的视场光阑曲率半径 R_c的光路示意图；

图6为计算发射最大下视场B＇杂光所对应的视场光阑曲率半径 R_d的光路示意图。

1-像面、2-接收透镜、3-视场光阑、4-热光阑、5-主镜、6-准直 透镜。

具体实施方式

为了解决太阳望远镜光学系统中太阳杂光入射视场光阑后反射 到热光阑的入射光被吸收后导致热光阑、视场光阑发生变形和位置变 化，导致太阳望远镜的光学系统高分辨率观测任务失败的问题。本发 明提出了一种太阳望远镜的光学系统，包括主镜5、热光阑4、视场 光阑3、准直透镜6、接收透镜2以及像面1，其改进之处是：视场 光阑为3弧形，视场光阑3面向入射光的表面镀有反射膜；视场光阑 3的曲率半径为R。

以下结合附图2至附图6对曲率半径R的计算过程进行描述：

1)如图2所示，确定入射杂光在视场光阑面上的最小上视场A、 入射杂光在视场光阑面上的最大上视场A＇、入射杂光在视场光阑面 上的最小下视场B、入射杂光在视场光阑面上的最大下视场B＇；

2)如图3所示，计算反射出最小上视场A杂光所对应的曲率半 径R_a：

2.1)确定杂光最小上视场A的第一下边缘光线X₁、最小上视场 A的第一上边缘光线X₂以及第一上边缘光线X₂经视场光阑反射后通过 热光阑下极限点O的反射光线X₃；

2.2)获取第一下边缘光线X₁与第一上边缘光线X₂之间的第一角 平分线，并确定第一角平分线与光轴线交于点C₁，测量出杂光最小上 视场A与C₁的距离R₁；

2.3)获取第一上边缘光线X₂与X₃的第二角平分线，并确定第二 角平分线与光轴线交于点C₂，测量出最小上视场A与点C₂的距离R₂；

2.4)保证最小上视场A的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔 穿出，反射光栏的曲率半径R_a需要满足的条件是：R₂＜R_a＜R₁；

3)如图4所示，计算反射出最大上视场A＇杂光所对应的曲率 半径R_b的过程如下：

3.1)确定杂光最大上视场A＇的第二下边缘光线X₄、第二上边 缘光线X₅以及第二上边缘光线X₅经视场光阑反射后通过热光阑下极 限点O的反射光线X₆；

3.2)获取第二下边缘光线X₄与第二上边缘光线X₅之间的第三角 平分线，并确定第三角平分线与光轴线交于点C₃，测量出最大上视场 A＇与点C₃的距离R₃；

3.3)获取第二上边缘光线X₅与X₆的第四角平分线，并确定第 四角平分线与光轴线交于点C₄，测量出杂光最大上视场A＇与点C₄的 距离R₄；

3.4)保证最大上视场A＇的入射杂光被反射后能全部从热光阑 孔穿出，反射光栏的曲率半径R_b需要满足的条件是：R₄＜R_b＜R₃；

4)如图5所示，计算反射出最小下视场B的杂光对应的曲率半 径R_c的过程如下：

4.1)确定杂光最小下视场B的第三下边缘光线X₇、最小下视场 B的第三上边缘光线X₈以及第三下边缘光线X₇经视场光阑反射后通过 热光阑上极限点O＇的反射光线X₉；

4.2)获取第三下边缘光线X₇与第三上边缘光线X₈之间的第五角 平分线，并确定第五角平分线与视场光阑通孔的中心线交于点C₅，测 量出最小下视场B与点C₅的距离R₅；

4.3)获取第三下边缘光线X₇与X₉的第六角平分线，并确定第 六角平分线与光轴线交于点C₆，测量出杂光最小下视场B与点C₆的距 离R₆；

4.4)保证最小下视场B的入射杂光被反射后能全部从热光阑孔 穿出，反射光栏的曲率半径R_c需要满足的条件是：R₆＜R_c＜R₅；

5)如图6所示，计算反射出最大下视场B＇杂光所对应的曲率 半径R_d的过程如下：

5.1)确定杂光最大下视场B＇的第四下边缘光线X₁₀、最大下视 场B＇的第四上边缘光线X₁₁以及第四下边缘光线X₁₀经视场光阑反射 后通过热光阑上极限点O＇的反射光线X₁₂；

5.2)获取第四下边缘光线X₁₀与第四上边缘光线X₁₁之间的第七 角平分线，并确定第七角平分线与光轴线交于点C₇，测量出杂光最大 下视场B＇与点C₇的距离R₇；

5.3)获取第四下边缘光线X₁₀与X₁₂的第八角平分线，并确定第 八角平分线与光轴线交于点C_8，测量出最大下视场B＇点C₈的距离R₈；

5.4)保证最大下视场B＇的入射杂光被反射后能全部从热光阑 孔穿出，反射光栏的曲率半径R_d需要满足的条件是：R₈＜R_d＜R₇；

6)最终视场光阑上漏入的太阳杂光被反射并全部穿过热光阑孔时， 弧形视场光阑的曲率半径R必须满足条件R_min＜R＜R_max；其中，R_min取 值为最小上视场A对应的曲率半径R_a、最大上视场A＇对应的曲率半 径R_b、最小下视场B对应的曲率半径R_c以及最大下视场B＇对应的曲 率半径R_d中的最小值；R_max取值为最小上视场A对应的曲率半径R_a、 最大上视场A＇对应的曲率半径R_b、最小下视场B对应的曲率半径R_c以及最大下视场B＇对应的曲率半径R_d中的最大值。