Устройство для наблюдения солнечной короны
Владельцы патента RU 2685557:
Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) (RU)
Устройство для наблюдения солнечной короны состоит из телескопа, фотоприемника и компенсатора яркости из совокупности нескольких компенсационных элементов, расположенных в рабочем поле входной апертуры. Каждый компенсационный элемент состоит из диска диаметром D, расположенного на расстоянии L за отверстием диаметром d во входном люке телескопа, передняя поверхность диска является зеркальной и выполнена в форме вогнутого зеркала с фокусным расстоянием, большим L/2, или в форме плоского зеркала, расположенного под углом к оптической оси. Технический результат - сохранение функции пропускания углового фильтра при одновременном уменьшении рассеянного света. 5 ил.
Изобретение относится к области астрономии и может использоваться для наблюдения солнечной короны в момент затмения.
Известны пути для получения изображения короны в моменты солнечных затмений, согласно которым выполняют несколько кадров с разной экспозицией и затем получают одно изображение лучшего качества. Также используют близко расположенный к фокальной поверхности фильтр с распределением оптической плотности для компенсации яркости короны [1].
Известно устройство с угловым фильтром [2]. Устройство состоит из телескопа, компенсатора яркости, в качестве которого используется угловой фильтр, и фотоприемник. Угловой фильтр представляет собой систему оптических элементов: светофильтр, пластинку λ/2, кристаллы исландского шпата, расположенные между скрещенными поляроидами и четвертьволновыми пластинками. При конструировании углового фильтра использовано свойство кристаллической пластины (вырезанной перпендикулярно кристаллографической оси), помещенной между скрещенными поляроидами, образовывать коноскопическую картину в фокальной плоскости объектива. Для устранения изоклин креста коноскопической картины из поля зрения кристаллическая пластина помещена между двумя четвертьволновыми пластинами.
В угловом фильтре рабочее поле образует центральное пятно коноскопической картины. В центре пятна пропускание минимальное, на первом интерференционном светлом кольце - максимальное. Чтобы приблизить распределение пропускания в угловом фильтре к фотометрическому градиенту яркости солнечной короны, в фильтре установлены два каскада одинаковых поляризационных ступеней.
Недостатками известного устройства являются значительная интенсивность рассеянного света вследствие большого количества оптических поверхностей, что уменьшает контраст изображения. Кроме того, используемые в устройстве четвертьволновые пластины являются строго четвертьволновыми только для определенной длины волны, что сужает рабочий спектральный диапазон.
Наиболее близким техническим решением является устройство [3], состоящее из телескопа, фотоприемника и компенсатора яркости, выполненного в виде совокупности нескольких компенсационных элементов, расположенных в рабочем поле входной апертуры, при этом каждый компенсационный элемент состоит из внешнего затмевающего диска, расположенного перед отверстием диаметром во входном люке телескопа. Компенсация яркости производится совокупностью нескольких "компенсационных элементов" (КЭ), каждый из которых виньетирует приходящее излучение по закону, близкому к обратному распределению яркости короны по радиусу. Эти КЭ расположены в кольцевой зоне или по всей апертуре.
Устройство работает следующим образом. Если ось КЭ направить на центр Солнца, то при некотором расстоянии L прямые солнечные лучи не будут попадать в отверстие. При этом часть короны окажется завиньетированной. Угловое расстояние Δ, с которого мы можем наблюдать невиньетированную корону, определится как Δ=(D+d)/2L, где d - диаметр отверстия, D - диаметр диска. На расстояниях, меньших Д, корона оказывается завиньетированной, что позволяет скомпенсировать яркость короны, быстро падающую с расстоянием. В данном случае внешний затмевающий диск несет аподизирующую функцию, т.е. выравнивает освещенность изображения различных участков короны. Расстояние Д определяется из динамического диапазона фотоприемника и аподизационной функции диска. Разрешение устройства зависит от диаметра рабочего поля апертуры, заполненного КЭ. Свет, прошедший через компенсатор яркости, попадает в оптическую систему телескопа, который строит на фотоприемнике изображение солнечной короны.
Таким образом, достигается необходимая компенсация яркости короны в зависимости от углового расстояния от Солнца. При этом такая компенсация не чувствительна к выбранному спектральному диапазону, а количество рассеянного света эквивалентно рассеянию от оправы объектива.
Недостатками известного устройства являются значительная интенсивность рассеянного света вследствие рассеяния прямого солнечного света поверхностью диска с отверстиями, при этом освещается задняя поверхность затмевающих экранов, от которой рассеянный свет попадает на поверхность объектива, расположенную за диском с отверстиями, что уменьшает контраст изображения.
Технической задачей предлагаемого решения является сохранение функции пропускания углового фильтра при одновременном уменьшении рассеянного света.
Поставленная задача достигается тем, что каждый компенсационный элемент состоит из диска диаметром D, расположенного на расстоянии L за отверстием диаметром d во входном люке телескопа, передняя поверхность диска является зеркальной и выполнена в форме вогнутого зеркала с фокусным расстоянием большим L/2; также передняя поверхность диска может быть выполнена в форме плоского зеркала и расположена под углом к оптической оси.
Перечень фигур:
Фиг. 1 - Упрощенная схема устройства, где:
1 - телескоп;
2 - компенсатор яркости;
3 - компенсационный элемент (КЭ);
4 - фотоприемник.
Фиг. 2 - Компенсационный элемент, где:
5 - отверстие;
6 - диск.
Фиг. 3 - Вывод прямого солнечного света вогнутой зеркальной поверхностью вперед, где:
5 - отверстие;
7 - вогнутое зеркало.
Фиг. 4 - Вывод прямого солнечного света плоской зеркальной поверхностью в сторону, где:
5 - отверстие;
8 - плоское зеркало.
Фиг. 5 - Второй вариант схема устройства, где:
1 - телескоп;
2 - компенсатор яркости;
3 - компенсационный элемент (КЭ);
4 - фотоприемник.
На фиг. 1 представлена упрощенная оптическая схема предлагаемого устройства, где 1 - телескоп, 2 - компенсатор яркости, 3 - КЭ, 4 - фотоприемник.
Перед входной апертурой устанавливается параллельно несколько КЭ на некотором расстоянии. КЭ состоит из диска диаметром D, расположенного на расстоянии L за отверстием диаметром d - фиг. 2, где отверстие - 5, диск - 6.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Если ось КЭ направить на центр Солнца, то при некотором расстоянии L прямые солнечные лучи, прошедшие через отверстие 5, фиг. 3 попадают на поверхность диска, которая выполнена в форме вогнутого зеркала 7, фиг. 3 с фокусным расстоянием большим L/2 (изображение Солнца строится на оси КЭ таким образом, что отраженные лучи проходят через отверстие в переднем диске не попадая на его заднюю поверхность) или в форме плоского зеркала 8, фиг. 4, отражающего прямые солнечные лучи в сторону от оси КЭ (отраженные лучи не попадают на внутренние элементы оптического устройства, которые могут быть источником паразитного рассеянного света для изображающей системы) фиг. 5.
При этом часть короны окажется завиньетированной. Угловое расстояние, с которого мы можем наблюдать невиньетированную корону, определится как Δ=(D+d)/2L. На меньших расстояниях корона оказывается завиньетированной, что позволяет скомпенсировать яркость короны, быстро падающую с расстоянием. В данном случае диск несет аподизирующую функцию, т.е. выравнивает освещенность изображения различных участков короны. Расстояние Δ определяется из динамического диапазона фотоприемника и аподизационной функции диска. Разрешение устройства зависит от диаметра рабочего поля апертуры, заполненного КЭ. Свет, прошедший через компенсатор яркости, попадает в оптическую систему телескопа, который строит на фотоприемнике изображение солнечной короны.
Таким образом достигается необходимая компенсация яркости короны в зависимости от углового расстояния от солнца. При этом такая компенсация не чувствительна к выбранному спектральному диапазону, а количество рассеянного света эквивалентно рассеянию от оправы объектива.
Предварительные оценки показывают: используемый спектральный диапазон предлагаемого устройства составляет от 400 до 1000 нм, количество рассеяного света составляет 5⋅⋅10-3-5⋅10-4, что в 1,5-2 раза меньше, чем у прототипа.
Список использованных источников
1. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. - М.: Наука, 1977.
2. Скоморовский В.И., Дружинин С.А., Салахутдинов Р.Т., Папушев П.Г. Результаты наблюдения солнечного затмения 11 июня 1991 года с территории Мексики. //Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. - Иркутск, вып. 108, с. 156-163, 1998.
3. Бородин А.Н. Устройство для наблюдения солнечной короны. Патент РФ №2226707 (приоритет от 08 октября 2001 г, зарегистрировано в реестре 10 апреля 2004 г.).
Устройство для наблюдения солнечной короны, состоящее из телескопа, фотоприемника и компенсатора яркости из совокупности нескольких компенсационных элементов, расположенных в рабочем поле входной апертуры, отличающееся тем, что каждый компенсационный элемент состоит из диска диаметром D, расположенного на расстоянии L за отверстием диаметром d во входном люке телескопа, передняя поверхность диска является зеркальной и выполнена в форме вогнутого зеркала с фокусным расстоянием, большим L/2, или в форме плоского зеркала, расположенного под углом к оптической оси.
