本發(fā)明涉及一種日暈光度測量裝置，具體的說，涉及一種側(cè)面遮攔式日暈光度計。

背景技術(shù)：

日暈光度計主要用于日冕儀選址，通過測量天空散射的亮度來確定是否滿足日冕儀觀測的需求。目前國際上使用的日暈光度計主要有兩種，一種是1948年John W.Evans發(fā)明的Evans Sky Photometer(ESP),一種是2004年Haosheng Lin等人在夏威夷放置的Sky Brightness Monitor(SBM)。中科院云南天文臺于2011年制造的日暈光度計就是仿照SBM制造的一個日暈光度計，但通過一些改進(jìn)及使用更先進(jìn)的CCD，使其時間分辨率大大提高。ESP和SBM被放置于多個太陽觀測站進(jìn)行長年的日暈光度測量，而云南天文臺的日暈光度計被用于大理、轎子雪山等地的日暈測量。

ESP類型的日暈光度計(見文章Evans J.W.1948,J.Opt.Soc.Am.,38,1083)主要為通過類似于外掩式日冕儀的結(jié)構(gòu)，同時利用光楔式漸變衰減片衰減太陽直射光，通過觀察衰減后的太陽直射光和消除衍射光后的天空亮度相同時，通過光楔式衰減片的衰減級次得到天空亮度的參數(shù)。這種結(jié)構(gòu)的日暈光度計，僅可觀測單波長的天空亮度，不能用來測量大氣溶膠含量和積分水汽含量；另外由于它是通過手動操作的，使其無法連續(xù)長年觀測。而且它的造價也比較高。

SBM類型的日暈光度計(見文章Lin H S,Penn M J.PASP,2004,116:652和劉念平等."日暈測量與日暈光度計外緣雜散光抑制試驗(yàn)."天文學(xué)報52(02)(2011):160-170.)為簡化的外掩式日冕儀結(jié)構(gòu)，主要通過采用多層O型環(huán)纏繞的外掩體來消除內(nèi)視場的衍射光，同時外側(cè)采用消雜光光闌消除儀器鏡筒壁的散射雜散光。同時太陽直射光通過在外掩體中心開孔，并使用兩個ND2的衰減片將中心太陽直射光衰減到10^-4量級。SBM類型的日暈光度計的優(yōu)點(diǎn)在于其穩(wěn)定性好，全自動觀測，造價便宜等。其缺點(diǎn)主要為內(nèi)視場及外視場的衍射光很強(qiáng)，限制了內(nèi)視場及外視場的觀測，在所拍攝的圖像中內(nèi)視場及外視場產(chǎn)生兩個明亮的圓環(huán)，使其最小實(shí)際內(nèi)視場僅為4R_⊙(R_⊙為太陽光球平均半徑)。云南天文臺的日暈光度計進(jìn)行了部分外視場衍射的抑制，但其抑制的方法為減小第三個光闌口徑，這種方法會減小外視場衍射，但同時會使得外視場的漸暈增大，甚至直接減小實(shí)際可觀測的外視場。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種側(cè)面遮攔式日暈光度計，可大大降低內(nèi)視場衍射光強(qiáng)，提高內(nèi)視場可觀測范圍；同時通過側(cè)面觀測天空亮度，增大太陽徑向視場范圍的天空亮度。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種側(cè)面遮攔式日暈光度計，該光度計從左至右依次包括外擋板、外窗口、上消雜光光闌、下消雜光光闌、中部光闌、第二衰減片、孔徑光闌、物鏡、濾光輪和CCD相機(jī)；外擋板垂向設(shè)置于該光度計的左部，外擋板高度小于外窗口高度，外擋板遮擋2R_⊙的太陽直射光，使其無法照射到物鏡上，外擋板中部安裝第一衰減片，第一衰減片、第二衰減片、孔徑光闌、物鏡、CCD相機(jī)位于同一軸線上；太陽直射光經(jīng)第一衰減片并經(jīng)第二衰減片進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD相機(jī)像面上；天空亮度經(jīng)第二衰減片成像在CCD相機(jī)像面上，第一衰減片的衰減量級為10^-4，第二衰減片的衰減量級為10^-2；通過CCD相機(jī)像面上的亮度比再結(jié)合第一衰減片的衰減量級得到天空亮度與太陽亮度的相對值。

優(yōu)選的是，該光度計整體呈矩形結(jié)構(gòu)，矩形結(jié)構(gòu)左端為開敞的外窗口，太陽直射光從外窗口左側(cè)水平射入光學(xué)系統(tǒng)，天空亮度從外窗口左側(cè)傾斜射入光學(xué)系統(tǒng)，其中，天空亮度包括外視場光線和內(nèi)視場光線，即外窗口可觀測的天空亮度視場范圍為3R_⊙～10R_⊙。

優(yōu)選的是，所述外擋板分3層設(shè)置，即外擋板共有3塊，分別為外擋板一、外擋板二和外擋板三，3塊外擋板尺寸依次減小，且3塊外擋板從左至右依次排布；外擋板一設(shè)置于外窗口處，外擋板一中部安裝第一衰減片、外擋板二中部安裝第二通光孔、外擋板三中部安裝第三通光孔，且第一衰減片、第二通光孔和第三通光孔位于同一水平線上，第一衰減片的衰減量級為10^-4。

優(yōu)選的是，所述上消雜光光闌采用矩形板結(jié)構(gòu)，上消雜光光闌的上端與矩形結(jié)構(gòu)的上頂內(nèi)壁連接，上消雜光光闌的下端呈懸空狀態(tài)，上消雜光光闌的前后兩端分別與矩形結(jié)構(gòu)的前后內(nèi)壁連接，上消雜光光闌相對于矩形結(jié)構(gòu)的上頂為傾斜安裝。

優(yōu)選的是，所述上消雜光光闌與矩形結(jié)構(gòu)的上頂之間夾角為45°。

優(yōu)選的是，所述上消雜光光闌包括上消雜光光闌一、上消雜光光闌二、上消雜光光闌三，上消雜光光闌一、上消雜光光闌二、上消雜光光闌三互相平行；上消雜光光闌三的下邊緣高度低于外擋板上邊緣高度且高于孔徑光闌上邊緣高度；上消雜光光闌二的下邊緣位于孔徑光闌下邊緣與上消雜光光闌三下邊緣連線的上方；上消雜光光闌一的下邊緣位于上消雜光光闌二下邊緣與上消雜光光闌三下邊緣連線的上方；外窗口上邊緣位于上消雜光光闌一下邊緣與上消雜光光闌二下邊緣連線的上方。

優(yōu)選的是，所述下消雜光光闌設(shè)置于矩形結(jié)構(gòu)的下底內(nèi)壁，下消雜光光闌與矩形結(jié)構(gòu)的下底垂直連接。

優(yōu)選的是，所述下消雜光光闌共有4只，兩只下消雜光光闌并行分布于上消雜光光闌一與上消雜光光闌二之間，兩只下消雜光光闌并行分布于消雜光光闌二與上消雜光光闌三之間。

優(yōu)選的是，所述濾光輪共設(shè)4個濾光片，4個濾光片可分別旋轉(zhuǎn)至與物鏡同一水平面。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果為：

(1)本發(fā)明的光度計裝置采用三層外擋板結(jié)構(gòu)代替外掩體結(jié)構(gòu)，使得衍射光降低至少一個量級以上，使得更小的內(nèi)視場可以被觀測到；

(2)通過側(cè)面遮攔式的外擋板結(jié)構(gòu)，即采用側(cè)面觀測方式，可以使得更大的視場成像在像面，目前設(shè)計視場為2～10R_⊙，受漸暈及衍射光影響，實(shí)際內(nèi)視場可達(dá)到3R_⊙，小于SBM的4R_⊙，外視場擴(kuò)展到10R_⊙，可以使得不受衍射光影響的天空亮度平穩(wěn)區(qū)域擴(kuò)大，使得到的天空亮度更精準(zhǔn)；

(3)上消雜光光闌通過分層遮擋設(shè)計，不僅消除鏡筒壁的散射光，同時消除外視場的衍射光；同時上消雜光光闌采用傾斜設(shè)置，使得照射到其表面的太陽直射光的散射光影響降低。

附圖說明

圖1本發(fā)明的總體光路結(jié)構(gòu)圖；

圖2本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；

圖3外擋板在物鏡口徑處的衍射光強(qiáng)徑向分布；

圖4上消雜光光闌示意圖。

圖中，1—外擋板一；2—外擋板二；3—外擋板三；4—外窗口；5—上消雜光光闌一；6—上消雜光光闌二；7—上消雜光光闌三；8—下消雜光光闌；9—中部光闌；10—第二衰減片；11—物鏡；12—濾光輪；13—CCD相機(jī)；14—太陽直射光；15—內(nèi)視場光線；16—外視場光線。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。以下敘述中以圖1所示的方位進(jìn)行描述，圖1中的上下左右即為描述中的上下左右，圖1所朝方向即為描述中的前方，背離圖1方向即為描述中的后方。

實(shí)施例1

參見圖1-圖3，本發(fā)明公開一種側(cè)面遮攔式日暈光度計，該光度計從左至右依次包括外擋板、外窗口4、上消雜光光闌、下消雜光光闌8、中部光闌9、第二衰減片10、孔徑光闌、物鏡11、濾光輪12和CCD相機(jī)13。

該光度計整體呈矩形結(jié)構(gòu)，矩形結(jié)構(gòu)左端為開敞的外窗口4，太陽直射光14從外窗口2左側(cè)水平射入光學(xué)系統(tǒng)，即本發(fā)明的光度計采用側(cè)面觀測方式。

本發(fā)明的光度計采用外擋板代替?zhèn)鹘y(tǒng)外掩體結(jié)構(gòu)，以降低衍射光強(qiáng)。外擋板的具體設(shè)置方式為：外擋板垂向設(shè)置于該光度計的左部，外擋板底端與兩側(cè)與矩形結(jié)構(gòu)連接，外擋板頂端呈懸空狀態(tài)，外擋板高度小于外窗口高度。外擋板共有3塊，分別為外擋板一1、外擋板二2和外擋板三3，3塊外擋板尺寸依次減小，外擋板一1設(shè)置于外窗口4處，3塊外擋板從左至右依次排布。外擋板一1中部安裝第一衰減片、外擋板二2中部安裝第二通光孔、外擋板三3中部安裝第三通光孔，且第一衰減片、第二通光孔和第三通光孔位于同一水平線上，其中，第一衰減片的衰減量級為10^-4。

外擋板在物鏡11口徑處的衍射光強(qiáng)可通過菲涅爾基爾霍夫衍射積分公式1.1、菲涅爾積分公式1.2計算得到。

菲涅爾基爾霍夫衍射積分公式1.1具體為：

式中：λ為光波波長；

k＝2π/λ；

r₀₁為點(diǎn)P₀到點(diǎn)P₁之間的位矢大小；

θ為矢量r₀₁與衍射口徑Σ法向矢量n之間的夾角；

P₀為衍射場點(diǎn)坐標(biāo)；

s為衍射面微元；

P₁為衍射源點(diǎn)。

菲涅爾積分公式1.2具體為：

式中：

λ為光波波長；

k＝2π/λ；

y₀為擋板邊緣的縱坐標(biāo)；

y為場點(diǎn)P₁的縱坐標(biāo)；

z為點(diǎn)擋板到場點(diǎn)P₁之間垂直擋板方向的距離。

根據(jù)公式1.1計算得到外擋板一1在物鏡11口徑處的衍射光復(fù)振幅U(P₀)，而后根據(jù)公式1.1、公式1.2依次計算得到外擋板二、外擋板三在物鏡11口徑處的衍射光復(fù)振幅U(y)，從而得到外擋板在物鏡11口徑處的衍射光強(qiáng)I。圖3為該光度計衍射光強(qiáng)的徑向模擬圖。由圖3可知，該光度計的平均衍射光強(qiáng)I約為2.6344×10^-6I₀，其中I₀為入射光強(qiáng)。且該光度計的衍射光絕大部分能量被物鏡聚焦在像面上，形成一條亮線，分散在天空亮度部分的衍射光強(qiáng)將達(dá)到10^-7I₀量級。因此，與傳統(tǒng)的O形環(huán)外掩體衍射結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的衍射光強(qiáng)I大大降低，即至少降低一個量級，使得更小的內(nèi)視場可被觀測到。

參見圖1，在外擋板與物鏡之間的矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置上消雜光光闌，上消雜光光闌作用為：1)抑制矩形結(jié)構(gòu)鏡筒壁的散射光；2)抑制外窗口邊緣的衍射光。由于外窗口邊緣的衍射光會在外視場處形成一個很亮的亮環(huán)，通過對上消雜光光闌進(jìn)行設(shè)計，使得各層消雜光光闌對前一層的消雜光光闌邊緣的衍射光進(jìn)行遮攔，從而大大降低外窗口處的衍射光。

參見圖1、圖4，上消雜光光闌結(jié)構(gòu)具體為：

上消雜光光闌采用矩形板結(jié)構(gòu)，上消雜光光闌的上端與矩形結(jié)構(gòu)的上頂內(nèi)壁連接，上消雜光光闌的下端呈懸空狀態(tài)，上消雜光光闌的前后兩端分別與矩形結(jié)構(gòu)的前后內(nèi)壁連接，上消雜光光闌與矩形結(jié)構(gòu)的上頂之間夾角為45°，即上消雜光光闌采用45°傾斜安裝。

上消雜光光闌具體包括上消雜光光闌一5、上消雜光光闌二6、上消雜光光闌三7，上消雜光光闌一5、上消雜光光闌二6、上消雜光光闌三7互相平行。

參見圖4，各上消雜光光闌的設(shè)置方式具體為：

上消雜光光闌三7的下邊緣高度低于外擋板上邊緣高度且高于孔徑光闌上邊緣高度。即上消雜光光闌三7的下邊緣位于外擋板一1的本影內(nèi)，且不遮擋外視場光線16。

上消雜光光闌二6的下邊緣位于孔徑光闌下邊緣與上消雜光光闌三7下邊緣連線的上方。即上消雜光光闌二6邊緣受到的太陽直射而產(chǎn)生的衍射光將被上消雜光光闌三7完全遮擋，使其無法照射到物鏡表面。

上消雜光光闌一5的下邊緣位于上消雜光光闌二6下邊緣與上消雜光光闌三7下邊緣連線的上方。即上消雜光光闌一5下邊緣的衍射光將被上消雜光光闌二6完全遮擋，而照射不到物鏡表面。

同時，為消除外窗口上邊緣的衍射光，上消雜光光闌一5、上消雜光光闌二6、上消雜光光闌三7應(yīng)滿足以下條件，即外窗口上邊緣位于上消雜光光闌一5下邊緣與上消雜光光闌二6下邊緣連線的上方，此時，外窗口上邊緣的衍射光將被上消雜光光闌一5完全遮擋，而照射不到物鏡表面。

至此，外窗口、上消雜光光闌一5、上消雜光光闌二6邊緣的衍射光均被遮攔，而上消雜光光闌三7由于未被太陽直射，其衍射光可忽略不計。且上消雜光光闌的上述布置方式，可將矩形結(jié)構(gòu)上頂內(nèi)壁表面的散射雜散光完全遮攔，同時，由于上消雜光光闌采用45°傾斜安裝，根據(jù)散射理論可知，此種設(shè)置方式使得上消雜光光闌表面散射到外擋板右端面再次散射進(jìn)入物鏡的散射光大大降低。

下消雜光光闌8設(shè)置于矩形結(jié)構(gòu)的下底內(nèi)壁，下消雜光光闌8與矩形結(jié)構(gòu)的下底垂直連接。下消雜光光闌8共有4只，其中兩只下消雜光光闌8并行分布于上消雜光光闌一5與上消雜光光闌二6之間，兩只下消雜光光闌8并行分布于消雜光光闌二6與上消雜光光闌三7之間。

本發(fā)明的光度計，外擋板一1的第一衰減片、外擋板二2的第二通光孔、外擋板二3的第三通光孔、中部光闌9的光闌通孔、第二衰減片10、孔徑光闌、物鏡11、CCD相機(jī)13均處于同一軸線上。本發(fā)明的物鏡11采用消色差物鏡，孔徑光闌緊貼物鏡11左表面。同時，為獲取不同波段的天空亮度，本發(fā)明的濾光輪12共設(shè)4個濾光片，4個濾光片可分別旋轉(zhuǎn)至與物鏡11同一軸線上。

下面描述一下本發(fā)明光度計的工作過程：

太陽直射光的光學(xué)路徑為：太陽直射光→外擋板一1(第一衰減片)→外擋板二2(第二通光孔)→外擋板三3(第三通光孔)→中部光闌9(光闌通孔)→第二衰減片10→孔徑光闌→物鏡11。即太陽直射光經(jīng)過外擋板一1上的衰減量級為10^-4的第一衰減片并經(jīng)衰減量級為10^-2的第二衰減片10進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)成像在像面上。

天空亮度的光學(xué)路徑為：內(nèi)視場光線15/外視場光線16→外窗口4→中部光闌9(光闌通孔)→第二衰減片10→孔徑光闌→物鏡11。即天空亮度經(jīng)衰減量級為10^-2的第二衰減片10成像在像面上。也就是說，通過該光度計可同時對太陽直射光及天空亮度進(jìn)行成像，通過兩者在像面上的亮度比以及相應(yīng)衰減片的衰減量級，可得到天空亮度與太陽直射光的相對值。