侧面遮拦式日晕光度计的制作方法

本发明涉及一种日晕光度测量装置，具体的说，涉及一种侧面遮拦式日晕光度计。

背景技术：

日晕光度计主要用于日冕仪选址，通过测量天空散射的亮度来确定是否满足日冕仪观测的需求。目前国际上使用的日晕光度计主要有两种，一种是1948年John W.Evans发明的Evans Sky Photometer(ESP),一种是2004年Haosheng Lin等人在夏威夷放置的Sky Brightness Monitor(SBM)。中科院云南天文台于2011年制造的日晕光度计就是仿照SBM制造的一个日晕光度计，但通过一些改进及使用更先进的CCD，使其时间分辨率大大提高。ESP和SBM被放置于多个太阳观测站进行长年的日晕光度测量，而云南天文台的日晕光度计被用于大理、轿子雪山等地的日晕测量。

ESP类型的日晕光度计(见文章Evans J.W.1948,J.Opt.Soc.Am.,38,1083)主要为通过类似于外掩式日冕仪的结构，同时利用光楔式渐变衰减片衰减太阳直射光，通过观察衰减后的太阳直射光和消除衍射光后的天空亮度相同时，通过光楔式衰减片的衰减级次得到天空亮度的参数。这种结构的日晕光度计，仅可观测单波长的天空亮度，不能用来测量大气溶胶含量和积分水汽含量；另外由于它是通过手动操作的，使其无法连续长年观测。而且它的造价也比较高。

SBM类型的日晕光度计(见文章Lin H S,Penn M J.PASP,2004,116:652和刘念平等."日晕测量与日晕光度计外缘杂散光抑制试验."天文学报52(02)(2011):160-170.)为简化的外掩式日冕仪结构，主要通过采用多层O型环缠绕的外掩体来消除内视场的衍射光，同时外侧采用消杂光光阑消除仪器镜筒壁的散射杂散光。同时太阳直射光通过在外掩体中心开孔，并使用两个ND2的衰减片将中心太阳直射光衰减到10^-4量级。SBM类型的日晕光度计的优点在于其稳定性好，全自动观测，造价便宜等。其缺点主要为内视场及外视场的衍射光很强，限制了内视场及外视场的观测，在所拍摄的图像中内视场及外视场产生两个明亮的圆环，使其最小实际内视场仅为4R_⊙(R_⊙为太阳光球平均半径)。云南天文台的日晕光度计进行了部分外视场衍射的抑制，但其抑制的方法为减小第三个光阑口径，这种方法会减小外视场衍射，但同时会使得外视场的渐晕增大，甚至直接减小实际可观测的外视场。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种侧面遮拦式日晕光度计，可大大降低内视场衍射光强，提高内视场可观测范围；同时通过侧面观测天空亮度，增大太阳径向视场范围的天空亮度。

本发明的技术方案是：一种侧面遮拦式日晕光度计，该光度计从左至右依次包括外挡板、外窗口、上消杂光光阑、下消杂光光阑、中部光阑、第二衰减片、孔径光阑、物镜、滤光轮和CCD相机；外挡板垂向设置于该光度计的左部，外挡板高度小于外窗口高度，外挡板遮挡2R_⊙的太阳直射光，使其无法照射到物镜上，外挡板中部安装第一衰减片，第一衰减片、第二衰减片、孔径光阑、物镜、CCD相机位于同一轴线上；太阳直射光经第一衰减片并经第二衰减片进入光学系统成像在CCD相机像面上；天空亮度经第二衰减片成像在CCD相机像面上，第一衰减片的衰减量级为10^-4，第二衰减片的衰减量级为10^-2；通过CCD相机像面上的亮度比再结合第一衰减片的衰减量级得到天空亮度与太阳亮度的相对值。

优选的是，该光度计整体呈矩形结构，矩形结构左端为开敞的外窗口，太阳直射光从外窗口左侧水平射入光学系统，天空亮度从外窗口左侧倾斜射入光学系统，其中，天空亮度包括外视场光线和内视场光线，即外窗口可观测的天空亮度视场范围为3R_⊙～10R_⊙。

优选的是，所述外挡板分3层设置，即外挡板共有3块，分别为外挡板一、外挡板二和外挡板三，3块外挡板尺寸依次减小，且3块外挡板从左至右依次排布；外挡板一设置于外窗口处，外挡板一中部安装第一衰减片、外挡板二中部安装第二通光孔、外挡板三中部安装第三通光孔，且第一衰减片、第二通光孔和第三通光孔位于同一水平线上，第一衰减片的衰减量级为10^-4。

优选的是，所述上消杂光光阑采用矩形板结构，上消杂光光阑的上端与矩形结构的上顶内壁连接，上消杂光光阑的下端呈悬空状态，上消杂光光阑的前后两端分别与矩形结构的前后内壁连接，上消杂光光阑相对于矩形结构的上顶为倾斜安装。

优选的是，所述上消杂光光阑与矩形结构的上顶之间夹角为45°。

优选的是，所述上消杂光光阑包括上消杂光光阑一、上消杂光光阑二、上消杂光光阑三，上消杂光光阑一、上消杂光光阑二、上消杂光光阑三互相平行；上消杂光光阑三的下边缘高度低于外挡板上边缘高度且高于孔径光阑上边缘高度；上消杂光光阑二的下边缘位于孔径光阑下边缘与上消杂光光阑三下边缘连线的上方；上消杂光光阑一的下边缘位于上消杂光光阑二下边缘与上消杂光光阑三下边缘连线的上方；外窗口上边缘位于上消杂光光阑一下边缘与上消杂光光阑二下边缘连线的上方。

优选的是，所述下消杂光光阑设置于矩形结构的下底内壁，下消杂光光阑与矩形结构的下底垂直连接。

优选的是，所述下消杂光光阑共有4只，两只下消杂光光阑并行分布于上消杂光光阑一与上消杂光光阑二之间，两只下消杂光光阑并行分布于消杂光光阑二与上消杂光光阑三之间。

优选的是，所述滤光轮共设4个滤光片，4个滤光片可分别旋转至与物镜同一水平面。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明的光度计装置采用三层外挡板结构代替外掩体结构，使得衍射光降低至少一个量级以上，使得更小的内视场可以被观测到；

(2)通过侧面遮拦式的外挡板结构，即采用侧面观测方式，可以使得更大的视场成像在像面，目前设计视场为2～10R_⊙，受渐晕及衍射光影响，实际内视场可达到3R_⊙，小于SBM的4R_⊙，外视场扩展到10R_⊙，可以使得不受衍射光影响的天空亮度平稳区域扩大，使得到的天空亮度更精准；

(3)上消杂光光阑通过分层遮挡设计，不仅消除镜筒壁的散射光，同时消除外视场的衍射光；同时上消杂光光阑采用倾斜设置，使得照射到其表面的太阳直射光的散射光影响降低。

附图说明

图1本发明的总体光路结构图；

图2本发明的光路结构侧视图；

图3外挡板在物镜口径处的衍射光强径向分布；

图4上消杂光光阑示意图。

图中，1—外挡板一；2—外挡板二；3—外挡板三；4—外窗口；5—上消杂光光阑一；6—上消杂光光阑二；7—上消杂光光阑三；8—下消杂光光阑；9—中部光阑；10—第二衰减片；11—物镜；12—滤光轮；13—CCD相机；14—太阳直射光；15—内视场光线；16—外视场光线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下叙述中以图1所示的方位进行描述，图1中的上下左右即为描述中的上下左右，图1所朝方向即为描述中的前方，背离图1方向即为描述中的后方。

实施例1

参见图1-图3，本发明公开一种侧面遮拦式日晕光度计，该光度计从左至右依次包括外挡板、外窗口4、上消杂光光阑、下消杂光光阑8、中部光阑9、第二衰减片10、孔径光阑、物镜11、滤光轮12和CCD相机13。

该光度计整体呈矩形结构，矩形结构左端为开敞的外窗口4，太阳直射光14从外窗口2左侧水平射入光学系统，即本发明的光度计采用侧面观测方式。

本发明的光度计采用外挡板代替传统外掩体结构，以降低衍射光强。外挡板的具体设置方式为：外挡板垂向设置于该光度计的左部，外挡板底端与两侧与矩形结构连接，外挡板顶端呈悬空状态，外挡板高度小于外窗口高度。外挡板共有3块，分别为外挡板一1、外挡板二2和外挡板三3，3块外挡板尺寸依次减小，外挡板一1设置于外窗口4处，3块外挡板从左至右依次排布。外挡板一1中部安装第一衰减片、外挡板二2中部安装第二通光孔、外挡板三3中部安装第三通光孔，且第一衰减片、第二通光孔和第三通光孔位于同一水平线上，其中，第一衰减片的衰减量级为10^-4。

外挡板在物镜11口径处的衍射光强可通过菲涅尔基尔霍夫衍射积分公式1.1、菲涅尔积分公式1.2计算得到。

菲涅尔基尔霍夫衍射积分公式1.1具体为：

式中：λ为光波波长；

k＝2π/λ；

r₀₁为点P₀到点P₁之间的位矢大小；

θ为矢量r₀₁与衍射口径Σ法向矢量n之间的夹角；

P₀为衍射场点坐标；

s为衍射面微元；

P₁为衍射源点。

菲涅尔积分公式1.2具体为：

式中：

λ为光波波长；

k＝2π/λ；

y₀为挡板边缘的纵坐标；

y为场点P₁的纵坐标；

z为点挡板到场点P₁之间垂直挡板方向的距离。

根据公式1.1计算得到外挡板一1在物镜11口径处的衍射光复振幅U(P₀)，而后根据公式1.1、公式1.2依次计算得到外挡板二、外挡板三在物镜11口径处的衍射光复振幅U(y)，从而得到外挡板在物镜11口径处的衍射光强I。图3为该光度计衍射光强的径向模拟图。由图3可知，该光度计的平均衍射光强I约为2.6344×10^-6I₀，其中I₀为入射光强。且该光度计的衍射光绝大部分能量被物镜聚焦在像面上，形成一条亮线，分散在天空亮度部分的衍射光强将达到10^-7I₀量级。因此，与传统的O形环外掩体衍射结构相比，本发明的衍射光强I大大降低，即至少降低一个量级，使得更小的内视场可被观测到。

参见图1，在外挡板与物镜之间的矩形结构内设置上消杂光光阑，上消杂光光阑作用为：1)抑制矩形结构镜筒壁的散射光；2)抑制外窗口边缘的衍射光。由于外窗口边缘的衍射光会在外视场处形成一个很亮的亮环，通过对上消杂光光阑进行设计，使得各层消杂光光阑对前一层的消杂光光阑边缘的衍射光进行遮拦，从而大大降低外窗口处的衍射光。

参见图1、图4，上消杂光光阑结构具体为：

上消杂光光阑采用矩形板结构，上消杂光光阑的上端与矩形结构的上顶内壁连接，上消杂光光阑的下端呈悬空状态，上消杂光光阑的前后两端分别与矩形结构的前后内壁连接，上消杂光光阑与矩形结构的上顶之间夹角为45°，即上消杂光光阑采用45°倾斜安装。

上消杂光光阑具体包括上消杂光光阑一5、上消杂光光阑二6、上消杂光光阑三7，上消杂光光阑一5、上消杂光光阑二6、上消杂光光阑三7互相平行。

参见图4，各上消杂光光阑的设置方式具体为：

上消杂光光阑三7的下边缘高度低于外挡板上边缘高度且高于孔径光阑上边缘高度。即上消杂光光阑三7的下边缘位于外挡板一1的本影内，且不遮挡外视场光线16。

上消杂光光阑二6的下边缘位于孔径光阑下边缘与上消杂光光阑三7下边缘连线的上方。即上消杂光光阑二6边缘受到的太阳直射而产生的衍射光将被上消杂光光阑三7完全遮挡，使其无法照射到物镜表面。

上消杂光光阑一5的下边缘位于上消杂光光阑二6下边缘与上消杂光光阑三7下边缘连线的上方。即上消杂光光阑一5下边缘的衍射光将被上消杂光光阑二6完全遮挡，而照射不到物镜表面。

同时，为消除外窗口上边缘的衍射光，上消杂光光阑一5、上消杂光光阑二6、上消杂光光阑三7应满足以下条件，即外窗口上边缘位于上消杂光光阑一5下边缘与上消杂光光阑二6下边缘连线的上方，此时，外窗口上边缘的衍射光将被上消杂光光阑一5完全遮挡，而照射不到物镜表面。

至此，外窗口、上消杂光光阑一5、上消杂光光阑二6边缘的衍射光均被遮拦，而上消杂光光阑三7由于未被太阳直射，其衍射光可忽略不计。且上消杂光光阑的上述布置方式，可将矩形结构上顶内壁表面的散射杂散光完全遮拦，同时，由于上消杂光光阑采用45°倾斜安装，根据散射理论可知，此种设置方式使得上消杂光光阑表面散射到外挡板右端面再次散射进入物镜的散射光大大降低。

下消杂光光阑8设置于矩形结构的下底内壁，下消杂光光阑8与矩形结构的下底垂直连接。下消杂光光阑8共有4只，其中两只下消杂光光阑8并行分布于上消杂光光阑一5与上消杂光光阑二6之间，两只下消杂光光阑8并行分布于消杂光光阑二6与上消杂光光阑三7之间。

本发明的光度计，外挡板一1的第一衰减片、外挡板二2的第二通光孔、外挡板二3的第三通光孔、中部光阑9的光阑通孔、第二衰减片10、孔径光阑、物镜11、CCD相机13均处于同一轴线上。本发明的物镜11采用消色差物镜，孔径光阑紧贴物镜11左表面。同时，为获取不同波段的天空亮度，本发明的滤光轮12共设4个滤光片，4个滤光片可分别旋转至与物镜11同一轴线上。

下面描述一下本发明光度计的工作过程：

太阳直射光的光学路径为：太阳直射光→外挡板一1(第一衰减片)→外挡板二2(第二通光孔)→外挡板三3(第三通光孔)→中部光阑9(光阑通孔)→第二衰减片10→孔径光阑→物镜11。即太阳直射光经过外挡板一1上的衰减量级为10^-4的第一衰减片并经衰减量级为10^-2的第二衰减片10进入光学系统成像在像面上。

天空亮度的光学路径为：内视场光线15/外视场光线16→外窗口4→中部光阑9(光阑通孔)→第二衰减片10→孔径光阑→物镜11。即天空亮度经衰减量级为10^-2的第二衰减片10成像在像面上。也就是说，通过该光度计可同时对太阳直射光及天空亮度进行成像，通过两者在像面上的亮度比以及相应衰减片的衰减量级，可得到天空亮度与太阳直射光的相对值。