CN103901601A - 一种可共用于太阳活动区观测和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置 - Google Patents
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Abstract
一种可共用于太阳活动区和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，包括光学望远镜系统、轻质蜂窝主镜及温控系统、热视场光阑及温控系统、热视场光阑调整结构、消色差成像系统、滤光器及旋转架和数据处理及控制系统。本装置能够共用于白天太阳活动区和夜间夜天文观测，在没有明显增加成本和系统复杂性，将望远镜装置的有效观测时间从仅用作白天或夜间观测增加为白天和夜间连续观测，延长了有效观测时间，提高了观测效率，对望远镜发展，尤其是大口径望远镜的发展提供重要参考，创新性和实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及太阳望远镜装置和夜间夜天文观测望远镜技术领域，特别是针对共用于太阳活动区观测和夜间夜天文观测的全天时多功能望远镜装置。
背景技术
口径大小无论对何种望远镜装置来说都是最重要的性能评价指标之一。定性的来说，望远镜的口径越大，其观测细节的能力越强，即具有更高的空间分辨能力；同时，望远镜装置的口径越大其集光能力越强，口径每增加一倍，集光能力增加3～4倍，更高的集光能力使得望远镜能够以更高时间分辨力以及更高光谱分辨力对太阳活动区或夜间夜天文进行观测。但另一方面，随着望远镜口径的不断增大，其建设复杂性、技术难度、建设费用等呈指数上升，成为限制大口径望远镜装置发展的主要因素。
世界上很多国家先后研制了各种形式、不同用途的太阳望远镜用于太阳观测，口径从几十厘米至几米不等。随着大口径主镜镜面加工和检测技术、望远镜热控技术、自适应光学技术等单元技术的快速发展，现代太阳望远镜无论在主镜口径，以及对太阳观测分辨力和观测精度等方面均有很大提高。大口径太阳望远镜由于具有更高的观测分辨力，能够对各种太阳活动现象的细小结构进行高精度观测，因此成为世界上太阳望远镜的发展方向。进入21世纪，世界各国均发展了多套大口径太阳望远镜观测设备，如德国1.5米口径太阳望远镜GREGOR(The new1.5solar telescope GREGOR:Progress report and results of performance tests,Proc.Of SPIE,5901(590108),2005),美国1.6米太阳望远镜NST(1.6M SOLAR TELESCOPEIN BIG BEAR–THE NST,Journal of the Korean Astronomical Society,36:S125～S133,2003),正在研制中的欧盟4米太阳望远镜EST(Current concept for the4m European Solar Telescope(EST)optical design,Proc.Of SPIE,7733(773336),2010),美国4米太阳望远镜ATST(Design and Development of the Advanced Technology Solar Telescope,Proc.Of SPIE,4853,2003)等，这些太阳望远镜均能够对太阳表面活动区进行高分辨力观测，并配备了复杂的热视场光阑、热视场光阑温控系统、主镜温控系统等设备。为了获取太阳表面活动区更全面的观测信息，太阳望远镜一般装配较多后端观测仪器，主要用于对不同光谱进行高分辨力成像。与夜间夜天文观测望远镜不同的是，太阳望远镜后端仪器光谱观测带宽相对较窄，甚至采用极窄带成像。
另一方面，随着科学及工程应用的不断发展，对夜间夜天文观测的分辨力要求也越来越高，这就要求发展更大口径的夜间观测望远镜。与太阳望远镜不同，夜间夜天文观测望远镜接收能量较低，不需要对入射光能量进行限制，因此其望远镜结构常采用更紧凑光学系统和机械系统设计。且随着口径的不断增大，用于夜间夜天文观测的望远镜主镜也需要温控设备，控制主镜镜面视宁度效应，保证望远镜成像质量。与太阳望远镜相比，虽然温控需求在量级上存在一定差异，但其基本原理和采取的温控系统设计方案是相同的。
根据以上背景描述可知，大口径太阳望远镜设备仅能够在白天对太阳活动进行观测，进入夜晚后，将处于“休息”状态，因此造成高分辨力成像设备的资源浪费。而用于夜间夜天文观测的望远镜，由于设计时没有考虑太阳观测的特点，因此也仅能用于夜间夜天文观测。对于后端仪器设备，两种望远镜更是无法共同使用。为了实现对太阳活动区和夜间夜天文的连续观测，当前需要研制至少两套望远镜系统及其相应的终端设备，造成人力资源、财力资源、使用效率等方面的极大浪费。且随着望远镜口径的不断增大，大口径望远镜设备仅能在白天针对太阳表面活动区或夜间夜天文进行高分辨力观测，无法实现利用同一台大口径望远镜设备实现白天对太阳表面活动区进行高分辨力观测，夜间对夜天文进行高分辨力观测，造成人力资源、财力资源、使用效率等方面的极大浪费，且随着望远镜口径的不断增大，装置复杂性和成本不断提升，较少的观测时间及较低使用效率制约望远镜的进一步发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可共用于白天太阳活动区和夜间夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，在不明显增加系统复杂性的前提下，有效扩展望远镜的观测时间，提高望远镜观测效率，节省资源。
本发明解决上述的技术问题采用的技术方案是：一种可共用于太阳活动区和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，包括光学望远镜系统、主镜温控系统、热视场光阑及温控系统、热视场光阑调整结构、消色差成像系统、数据处理及控制系统；
光学望远镜系统包括轻质蜂窝主镜、次镜、中继反射镜组、主镜室、镜筒结构和机架结构，其中轻质蜂窝主镜被安装于主镜室上，并作为整体，与次镜、中继反射镜组共同依附于镜筒结构和机架结构上，通过镜筒结构与机架结构连接为一体，机架结构为镜筒结构及其依附结构提供支撑、跟踪和旋转；入射光束首先经过轻质蜂窝主镜反射后在主镜焦点位置形成实焦点，并继续向前传播至次镜反射面，次镜为有焦反射镜，再次将光束反射，并形成观测焦点；中继反射镜组对次镜反射光进行合理编排，使得观测焦点能够进入观测室，便于在光学望远镜观测室；
主镜温控系统位于主镜室中，并通过主镜室的支撑结构将轻质蜂窝主镜支撑在上方；主镜温控系统通过向轻质蜂窝主镜面板背板吹较低温度冷媒，使轻质蜂窝主镜背板温度降低，并进一步降低轻质蜂窝主镜面板温度，达到缩小轻质蜂窝主镜镜面与周围环境空气之间温度差，并最终实现对轻质蜂窝主镜镜面视宁度效应的控制；同时，主镜温控系统对轻质蜂窝主镜的温度控制，也能够实现轻质蜂窝主镜镜体的温度均匀分布，从而抑制由于温度分布不均匀导致的热变形效应；
热视场光阑及温控系统位于光学望远镜系统主焦点位置处，包括热视场光阑、热视场光阑温控系统；热视场光阑限制光学望远镜系统成像视场，并通过对光学望远镜系统成像视场的限制，限制进入望光学望远镜系统的能量，避免次镜及中继反射镜组变形甚至损坏，也保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑仅在光学望远镜系统在白天对太阳活动区进行观测时需要使用，通过热视场光阑对成像视场的限制，限制进入次镜和中继反射镜组的太阳光辐射强度，从而保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑温控系统对热视场光阑进行冷却，冷却途径为通过将低温液体冷媒注入热视场光阑腔体内，对热视场光阑进行降温，并回收冷却废液，形成循环系统，最终实现热视场光阑与周围环境空气温度平衡，控制光学望远镜内部视宁度效应，保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑位于光学望远镜主焦点处，固定于光学望远镜镜筒结构上；热视场光阑温控系统通过冷媒输送和回收管道与热视场光阑进行连接，实现对热视场光阑的温度控制，热视场光阑温控系统自身则固定于镜筒结构上；
热视场光阑调整机构通过对热视场光阑位置调整，使热视场光阑移出和移入光学望远镜系统，实现望远镜装置白天对太阳活动区观测模式和夜间夜天文观测模式之间的切换；热视场光阑调整机构与热视场光阑采用刚体连接，并固定于光学望远镜镜筒结构上，通过带有数控电机的直线导轨、直线电机运动部件控制热视场光阑在主镜筒内外的移出和移入；通过对热视场光阑的移出和复位；
消色差成像系统包括消色差成像装置、成像相机、可切换滤光器；消色差成像系统用于对光学望远镜系统引入观测室的光束进行成像观测，位于光学望远镜系统的后端的独立观测室内，与光学望远镜系统相互独立；消色差成像装置保证光学望远镜系统对多个波长进行无色差成像观测；可切换滤光器位于消色差成像装置的前端，用于滤除不需要的光谱成分，选择需要的成像波长和成像带宽，且对不同观测目标可通过控制可切换滤光器实现不同的成像波长以及成像带宽切换，满足白天对太阳活动区和夜间对夜天文目标不同的观测需求；成像相机位于消色差成像系统的尾端，消色差成像装置的成像面上，用于记录成像数据；
数据处理及控制系统包括数据处理模块和全系统控制模块；数据处理模块接收来自主镜温控系统、热视场光阑温控系统和成像相机的状态监测数据、温控传感器数据，所述状态监测数据包括主镜温控系统和热视场光阑温控系统的运行状态信息以及成像相机的参数设置信息，包括曝光时间；所述温控传感器数据包括主镜温控系统和热视场光阑温控系统中的温度传感器、冷媒流量传感器测量反馈的数据信息，这些数据信息为全系统控制模块提供控制依据；数据处理模块接收所述温控传感器数据并形成控制命令后，并结合实时空气温度，通过对比形成冷媒温度控制命令，最终通过控制主镜温控系统和热光阑温控系统进行制冷或加热，使主镜镜面及热视场光阑表面温度与周围环境空气温度一致；当望远镜装置需要在白天观测模式和夜间观测模式之间切换时，全系统控制模块将控制热光阑调整结构，使之进入望远镜装置内部或移除望远镜装置，同时转动可切换滤光器，使可切换滤光器能够与观测目标光谱相匹配。
所述的光学望远镜系统，采用格里高利或双格林高利光学设计方案，能够在主镜焦点位置处产生一个实焦点，用以放置热视场光阑。
所述轻质蜂窝主镜的材料采用碳化硅材料、熔石英材料、零膨胀玻璃材料、超低膨胀玻璃材料。
所述主镜温控系统，采用空气作为直接冷媒冷却轻质蜂窝主镜，采用乙二醇水溶液作为间接冷媒冷却直接冷媒，而主镜温控系统的温度则有制冷机控制间接冷媒实现。
所述热视场光阑采用具有高热导率的金属为基体，所述热导率是指高于200W/(m K)。热视场光阑采用空腔反射式结构，即热视场光阑内部为空腔结构。
所述热视场光阑与主镜筒结构之间的连接采用可动态锁死的非固定方式，便于热视场光阑调整结构将热视场光阑移入和移出。
所述消色差成像装置采用离轴抛物面反射镜，实现对可见光至近红外的无色差成像。
所述成像相机采用CCD器件或CMOS器件。
所述可切换滤光器采用电动转盘结构，转盘不同分区安装不同光谱及不同带宽的滤光器，通过远程控制电动转盘结构旋转不同位置实现对不同滤光器的切换，满足不同光谱观测需求。
本发明提出技术具有如下优点：
(1).本发明提出的可共用于太阳表面活动区和夜间夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，在传统的太阳望远镜基础上，没有明显增加系统复杂性的前提下，仅通过对热视场光阑及可切换滤光器装置的控制调整，可以实现对不同目标的连续观测。
(2).本发明提出可共用于太阳活动区和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，具备对白天太阳活动区和夜间夜天文目标的连续观测的功能，将望远镜的有效观测时间从原来的白天或夜间延长至全天时，可观测时间提高近两倍，大大扩展了望远镜有效观测时间。
(3).本发明提出的可共用于太阳表面活动区和夜间夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，仅采用一套装置实现多种功能，避免对不同目标观测需求导致的重复研制、重复建设，省去不必要的人力、财力资源浪费。
(4).该发明装置在使用过程中，仅需要切换热视场光阑在镜筒内的位置以及消色差成像系统中可切换滤光器选择相应的光谱波长和光谱带宽，操作简单、容易实现。
(5).本发明提出的可共用于太阳表面活动区和夜间夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其光谱成像系统不仅可以对不同观测目标之间切换观测光谱及带宽，也可以对同一观测目标切换观测光谱及带宽，操作方便、灵活。
总之，本发明提出的可共用于太阳表面活动区和夜间夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，突破传统望远镜装置仅针对某一种观测目标的设计方式，通过增加热视场光阑及其热视场光阑调整机构，并配备消色差成像系统，从而可以实现白天对太阳表面活动区观测和夜间夜天文目标观测。该发明装置在使用过程中，仅需要切换热视场光阑在镜筒内的位置以及消色差成像系统中可切换滤光器选择相应的光谱波长和光谱带宽，操作简单、容易实现。通过以上创新性设计，本发明提出的全天时多功能望远镜装置将能够在白天观测太阳活动区，夜间观测夜天文目标，改变了传统望远镜装置仅能够在某一时段观测特定目标的现状，实现望远镜装置全天时的连续观测，大大延长了望远镜装置的有效观测时间。同时，使用一套设备就可以满足不同观测需求，且观测需求间相互不干涉，大大提高了观测效率，避免不同观测需求导致的重复研制、重复建设，节省大量人力、物力和财力资源的浪费。
本发明没有明显增加系统复杂性，创新性和实用性强，对望远镜发展，尤其是大口径望远镜发展具有重要借鉴意义。
附图说明
图1为可共用于太阳表面活动区和夜间夜天文观测的全天时多功能望远镜装置示意图；
图2为一种双格林高利光学望远镜系统设计方案示意图；
图3为一种轻质蜂窝主镜结构设计方案示意图；
图4为主镜温控系统组成及工作流程示意图；
图5为一种热视场光阑结构设计方案示意图；
图6为热视场光阑温控系统组成及工作流程示意图；
图7为热视场光阑调整机构结构示意图；
图8为反射式消色差成像系统示意图；
图9为可切换滤光器结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括光学望远镜系统、主镜温控系统、热视场光阑及温控系统、热视场光阑调整结构、消色差成像系统和数据处理及控制系统等组成。
光学望远镜系统主要包括轻质蜂窝主镜1、次镜2、中继反射镜组3、主镜室4、镜筒结构和机架结构，其中，轻质蜂窝主镜1被安装于主镜室4上，并作为整体，与次镜2、中继反射镜组3共同依附于镜筒结构和机架结构上，通过镜筒结构与机架结构连接为一体。机架结构为镜筒结构及其依附结构提供支撑和跟踪、旋转。入射光束首先经过轻质蜂窝主镜1反射后在主镜焦点位置形成实焦点，并继续向前传播至次镜2反射面，次镜2为有焦反射镜，再次将光束反射，并形成观测焦点。中继反射镜组3的主要功能是对次镜反射光进行合理编排，使得观测焦点能够进入观测室，便于在光学望远镜观测室进行观测。常用的主光学系统可以采用双格林高利结构设计，其设计方案如附图2所示，F1:主焦点，F2:格林高利焦点，F3:Coude焦点，M1为轻质蜂窝主镜1，M2为次镜2，M3～M8为中继反射镜组，主要用于中继成像，将观测焦点Coude焦点引入观测室中。轻质蜂窝主镜1可以采用蜂窝夹芯结构，
如图3所示，轻质蜂窝主镜1包括反射面板、蜂窝夹芯层、开通风孔的底板组成。主镜材料可以采用碳化硅材料、熔石英材料、零膨胀玻璃材料、超低膨胀玻璃材料等，成型工艺可以采用铸造以及焊接技术。
主镜温控系统5位于主镜室4中，并通过主镜室4的支撑结构将轻质蜂窝主镜1支撑在上方。主镜温控系统5主要通过向轻质蜂窝主镜1面板背板吹较低温度冷媒，使轻质蜂窝主镜1背板温度降低，并进一步降低轻质蜂窝主镜1面板温度，达到缩小轻质蜂窝主镜1镜面与周围环境空气之间温度差，并最终实现对轻质蜂窝主镜1镜面视宁度效应的控制。同时，主镜温控系统5对轻质蜂窝主镜1的温度控制，也能够实现轻质蜂窝主镜1镜体的温度均匀分布，从而抑制由于温度分布不均匀导致的热变形效应。主镜温控系统组成及工作流程示意图如图4所示。根据图4所示的主镜温控系统组成及工作流程，主镜温控系统可以分为三重循环结构，分别为第一循环401、第二循环402和第三循环403。第一循环401主要包括主镜及其附属系统404，如轻质蜂窝主镜，主镜支撑系统等。太阳光入射至主镜镜面上，加热主镜镜面，为了能够在主镜背部形成有效的第一重热交换循环系统，需要有吹冷风的管道通入主镜蜂窝内部，同时保证完成热交换后的被加热废风能够及时从主镜蜂窝中排出。第二循环402主要包括能够向蜂窝内部吹入冷空气的冷源，即液体冷媒及管道407以及能够向主镜蜂窝内吹冷气的动力源，即风机405。液体冷媒冷却空气后被加热，形成废液，并经过废液管道408流出，并流入第三循环403。第三循环403主要包括制冷机406、废液及管道408以及制冷后形成的冷媒及管道407。第三循环403主要功能是提供第二循环402的冷源，对被主镜加热的废空气进行冷却，并将被热空气加热后的冷却废液回收，经过制冷机和压缩机的再次制冷，形成闭环循环系统。
如图6所示，热视场光阑及温控系统位于光学望远镜系统主焦点位置处，其主要包括热视场光阑6和热视场光阑温控系统7。热视场光阑6主要用于限制光学望远镜系统成像视场，并通过对光学望远镜系统成像视场的限制，限制进入望光学望远镜系统的能量，避免次镜2及中继反射镜组3变形甚至损坏，也保证光学望远镜系统的成像质量。热视场光阑6仅在光学望远镜系统在白天对太阳活动区进行观测时需要使用，这是由于太阳辐射强度较高，入射太阳光束在主焦点位置会聚后形成太阳光斑的功率密度较高，如此高的功率密度辐射至次镜2及中继反射镜组3上会引起镜面温度升高，引起热变形和镜面视宁度效应，严重降低光学望远镜系统的成像质量。严重时，甚至能够对次镜2及中继反射镜组3产生永久损坏。通过热视场光阑6对成像视场的限制，限制进入次镜2和中继反射镜组3的太阳光辐射强度，从而保证光学望远镜系统的成像质量。热视场光阑6将少部分能量漏入次镜2和中继反射镜组3的同时，也将大部分太阳辐射能量截留在热视场光阑6自身，这会导致热视场光阑6迅速升温，形成一个较强的热源，改变热视场光阑6周围的温度场分布，引起光学望远镜系统内部视宁度效应，严重威胁光学望远镜系统的成像质量。因此，需要热视场光阑温控系统7对热视场光阑6进行冷却，其冷却途径为通过将低温液体冷媒注入热视场光阑6腔体内，对热视场光阑6进行降温，并回收冷却废液，形成循环系统，最终实现热视场光阑6与周围环境空气温度平衡，控制光学望远镜内部视宁度效应，保证光学望远镜系统的成像质量。热视场光阑6的结构形式如附图5所示。图5中，热视场光阑基体502是整个热视场光阑6的结构基础，而其视场限制以及对太阳光的高反射率则是通过金属材料做成的反射面板501实现的。反射面板501被抛光成光学镜面，并镀有高反射率金属膜。热视场光阑基体502和反射面板501之间形成冷却腔体，用于输入和输出冷媒，实现对热视场光阑6的冷却。位于图5内侧的管道为冷媒输入管道503，其用于输入低温冷媒，而位于外侧的管道这位废液输出管道504，其主要用于输出冷却废液。热视场光阑6位于光学望远镜主焦点处，固定于光学望远镜镜筒结构上；热视场光阑温控系统7通过冷媒输送和回收管道与热视场光阑6进行连接，实现对热视场光阑6的温度控制，其自身则固定于镜筒结构上。
热视场光阑温控系统组成及工作流程示意图如附图6所示。根据附图6描述，热视场光阑温控系统被分成两重循环，分别为第一循环601和第二循环602。第一循环601主要包括热视场光阑6及其附属系统，如热视场光阑基体，热光阑支撑系统等。为了能够在热光阑内部形成有效地第一循环，需要有冷媒输入热视场光阑6，同时保证完成热交换后被加热的冷却废液能够及时从热光阑基体中排出，从而实现第一循环601的热交换。为此，第一循环601还包括了输送冷媒的冷媒管道606以及排出冷却废液的废液管道605。废液管道605排出的废液进入第二循环602，其主要包括废液回收管道，该管道与第一循环废液排出管道相同，即图6中的605，制冷机604以及冷却废液后形成的冷媒，并最终通过冷媒输入管道606输入至第一循环601中。该循环主要功能是提供第一重冷却循环系统的冷源，对热视场光阑进行冷却，并将被加热的冷却废液回收，经过半导体制冷机再次制冷，形成完整循环系统。
当光学望远镜系统用于夜间对夜天文目标进行观测时，由于夜天文目标光强较多，则无需限制进入次镜2及中继反射镜组3的光能量；同时，夜天文目标观测视场大小不等，因此，需要根据目标不同调整热视场光阑6的位置。当夜天文目标成像视场在热视场光阑6视场限制范围之内，则无需做任何操作即可对夜天文目标进行观测；若夜天文目标成像视场超过热视场光阑6成像视场限制范围时，则需要将用于白天太阳活动区观测进行成像视场限制的热视场光阑6移出光学望远镜系统，以实现光学望远镜系统对夜间夜天文目标进行大视场成像观测。热视场光阑调整机构8就是通过对热视场光阑6位置调整，使其移出和移入光学望远镜系统，实现望远镜装置白天对太阳活动区观测模式和夜间夜天文观测模式之间的切换。由于热视场光阑6对成像视场的限制需要与光学望远镜系统光轴对称，因此热视场光阑调整机构8对热视场光阑6的移入、移出需要具有较高的复位精度。热视场光阑调整机构8与热视场光阑6采用刚体连接，并固定于光学望远镜镜筒结构上，通过带有数控电机的直线导轨、直线电机等运动部件控制热视场光阑6在主镜筒内外的移出和移入。热视场光阑调整机构8的可能采取的结构设计方案如附图7所示。图中，热视场光阑6与直线导轨703相连接，而直线导轨703与导轨转子704共同构成热视场光阑调整结构的执行部分。当全系统控制模块13控制热视场光阑调整机构8完成热视场光阑6在望远镜装置中的移出和移入动作时，就通过控制调整机构702中的导轨转子704，使得其能够带动直线导轨703完成移入和移出动作，而热视场光阑也就相应的完成在望远镜装置内外移入和移出。
图7中采用直线导轨控制热视场光阑的移入和移出。通过对热视场光阑6的移出和复位，本发明提出的全天时多功能望远镜装置相较于传统望远镜装置就具备了对白天太阳活动区和夜间夜天文目标的连续观测的功能，从而最大程度的延长了望远镜装置的工作时间，提高了望远镜装置的工作效率。
消色差成像系统主要包括消色差成像装置9、成像相机10、可切换滤光器11等三个组成部分。消色差成像系统主要用于对光学望远镜系统引入观测室的光束进行成像观测，其位于光学望远镜系统的后端的独立观测室内，与光学望远镜系统相互独立。消色差成像装置10能够保证光学望远镜系统对多个波长进行无色差成像观测，其可以采用反射镜成像，也可以采用组合透镜组实现无色差成像。
采用反射镜成像的成像装置的消色差成像系统可能的设计方案之一如附图8所示。图中，滤光器801位于可切换滤光器804中，通过可切换滤光器804的旋转，可以选择不同的滤光器801参与成像。入射光透过可切换滤光器804选择的滤光器801后，进入离轴抛物面反射镜802，并成像于焦点位置。成像相机803的光敏面位于离轴抛物面反射镜802上。成像相机可以采用CCD器件，也可以采用CMOS器件。可切换滤光器11位于消色差成像装置9的前端，用于滤除不需要的光谱成分，选择需要的成像波长和成像带宽，且对不同观测目标可通过控制可切换滤光器11实现不同的成像波长以及成像带宽切换，满足白天对太阳活动区和夜间对夜天文目标不同的观测需求。可切换滤光器可能的设计方案指引为：采用圆盘式结构设计，通过将结构旋转至不同的位置，使得不同滤光器置于成像光路中，选择对应的成像波长和光谱带宽。这种可能的设计方案如图9所示，图中，多个滤光片或滤光器901被安装于转盘902中，呈对称分布。当需要选择不同滤光器完成成像时，可以控制转盘902绕其旋转中心旋转一定角度，将符合光谱参数要求的滤光器旋转至成像光路中。
成像相机10位于消色差成像系统的尾端，消色差成像装置9的成像面上，用于记录成像数据。消色差成像系统解决了对白天太阳活动区观测和夜间夜天文观测时不同成像波长和光谱带宽的需求，仅通过可切换滤光器11选择相应的滤光器。
本发明提出的全天时多功能望远镜装置相较于传统望远镜装置就具备了对白天太阳活动区和夜间夜天文目标的连续观测的功能，从而最大程度的延长了望远镜装置的工作时间，提高了望远镜装置的工作效率。
其中，所述的光学望远镜系统，可以采用格里高利或双格林高利光学设计方案，能够在主镜焦点位置处产生一个实焦点，用以放置热视场光阑。
其中，采用轻质蜂窝主镜1，其主镜底板需要开孔，保证主镜温控系统中的空气冷媒管道能够伸入蜂窝层内部，实现冷却轻质蜂窝主镜的目的。主镜材料可以采用碳化硅材料、熔石英材料、零膨胀玻璃材料、超低膨胀玻璃材料等，成型工艺可以采用铸造以及焊接技术。
其中，所述主镜温控系统，采用空气作为直接冷媒冷却轻质蜂窝主镜1，采用乙二醇水溶液作为间接冷媒冷却直接冷媒，而主镜温控系统的温度则有制冷机控制间接冷媒实现。
其中，所述热视场光阑6采用具有高热导率的金属为基体，采用空腔反射式结构，即热视场光阑内部为空腔结构，便于热视场光阑温控系统输入和输出液体冷媒，而限制视场的部分采用反射式光学表面，将视场外的光束反射至周围环境中，降低热能的转换。热视场光阑与主镜筒结构之间的连接采用可动态锁死的非固定方式，便于热视场光阑调整结构将热视场光阑移入和移出。
其中，热视场光阑6安装于主镜焦点位置，而热视场光阑调整机构7安装于主镜筒结构上，二者通过直线导轨连接，并由热视场光阑调整结构中的电机驱动热视场光阑延直线导轨移出和移入。当本发明提出的全天时多功能望远镜装置需要在白天对太阳活动区观测和夜间夜天文工作模式间切换时，固定于主镜筒结构上的热视场光阑调整机构7通过控制直线电机和直线导轨，控制热视场光阑6在镜筒内和镜筒外进行位置平移，从而实现望远镜观测模式的切换。
其中，所述消色差成像系统由消色差成像装置9、成像相机10、可切换滤光器11三个组成部分。可切换滤光器11采用电动转盘结构，转盘不同分区安装不同光谱及不同带宽的滤光器，可以通过远程控制电动转盘结构旋转不同位置实现对不同滤光器的切换，满足不同光谱观测需求。消色差成像装置9采用离轴抛物面反射镜，实现对可见光至近红外的无色差成像。成像相机可以采用CCD器件，也可以采用CMOS器件。消色差成像系统主要功能是对白天和夜间两种观测模式下所有观测光谱进行无色差成像。当全天时多功能望远镜在白天和夜间两种观测模式间切换时，消色差成像系统将能够通过可切换滤光器11完成成像光谱及光谱带宽的切换。
其中，所述消色差成像系统选择的光谱数量、波长、光谱带宽等需根据实际观测目标决定，通过可切换滤光器11选择不同滤光器实现。可切换滤光器11采用电动转盘结构，转盘不同分区安装不同光谱及不同带宽的滤光器，可以通过远程控制电动转盘结构旋转不同位置实现对不同滤光器的切换，满足不同光谱观测需求。
其中，所述的数据处理及控制系统包括数据处理模块12和全系统控制模块13。数据处理模块12负责全系统的测量数据接收、处理并形成控制命令发送出去；数据处理模块12接收来自主镜温控系统5、热视场光阑温控系统7、成像相机10的状态监测数据、传感器读取数据等，状态监测数据主要包括主镜温控系统5和热视场光阑温控系统7的运行状态信息以及成像相机10的参数设置信息，如曝光时间等。传感器读取数据主要包括主镜温控系统5和热视场光阑温控系统7中的温度传感器、冷媒流量传感器等测量反馈的数据信息，这些数据信息为全系统控制模块13提供控制依据。所述的全系统控制模块13负责全系统运动部件及温控系统的控制信号转换、处理以及执行，其主要控制部件包括主镜温控系统5、热光阑温控系统7、热光阑调整机构8、可切换滤光器11。数据处理模块12接收温控传感器数据并形成控制命令后，控制主镜温控系统5和热光阑温控系统7进行制冷或加热，使主镜镜面及热视场光阑6表面温度与周围环境空气温度一致。当本发明专利提出的望远镜装置需要在白天观测模式和夜间观测模式之间切换时，全系统控制模块13将控制热光阑调整结构8，使之进入望远镜装置内部或移除望远镜装置，同时，转动可切换滤光器11，使之能够与观测目标光谱相匹配。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种可共用于太阳活动区和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其特征在于：包括光学望远镜系统、主镜温控系统、热视场光阑及温控系统、热视场光阑调整结构、消色差成像系统、数据处理及控制系统；
光学望远镜系统包括轻质蜂窝主镜(1)、次镜(2)、中继反射镜组(3)、主镜室(4)、镜筒结构和机架结构，其中轻质蜂窝主镜(1)被安装于主镜室(4)上，并作为整体，与次镜(2)、中继反射镜组(3)共同依附于镜筒结构和机架结构上，通过镜筒结构与机架结构连接为一体，机架结构为镜筒结构及其依附结构提供支撑、跟踪和旋转；入射光束首先经过轻质蜂窝主镜(1)反射后在主镜焦点位置形成实焦点，并继续向前传播至次镜(2)反射面，次镜(2)为有焦反射镜，再次将光束反射，并形成观测焦点；中继反射镜组(3)对次镜(2)反射光进行合理编排，使得观测焦点能够进入观测室，便于在光学望远镜观测室；
主镜温控系统(5)位于主镜室(4)中，并通过主镜室(4)的支撑结构将轻质蜂窝主镜(1)支撑在上方；主镜温控系统(5)通过向轻质蜂窝主镜(1)面板背板吹较低温度冷媒，使轻质蜂窝主镜(1)背板温度降低，并进一步降低轻质蜂窝主镜(1)面板温度，达到缩小轻质蜂窝主镜(1)镜面与周围环境空气之间温度差，并最终实现对轻质蜂窝主镜(1)镜面视宁度效应的控制；同时，主镜温控系统(5)对轻质蜂窝主镜(1)的温度控制，也能够实现轻质蜂窝主镜(1)镜体的温度均匀分布，从而抑制由于温度分布不均匀导致的热变形效应；
热视场光阑及温控系统位于光学望远镜系统主焦点位置处，包括热视场光阑(6)、热视场光阑温控系统(7)；热视场光阑限制光学望远镜系统成像视场，并通过对光学望远镜系统成像视场的限制，限制进入望光学望远镜系统的能量，避免次镜(2)及中继反射镜组(3)变形甚至损坏，也保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑(6)仅在光学望远镜系统在白天对太阳活动区进行观测时需要使用，通过热视场光阑(6)对成像视场的限制，限制进入次镜(2)和中继反射镜组(3)的太阳光辐射强度，从而保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑温控系统(7)对热视场光阑(6)进行冷却，冷却途径为通过将低温液体冷媒注入热视场光阑(6)腔体内，对热视场光阑(6)进行降温，并回收冷却废液，形成循环系统，最终实现热视场光阑(6)与周围环境空气温度平衡，控制光学望远镜内部视宁度效应，保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑(6)位于光学望远镜主焦点处，固定于光学望远镜镜筒结构上；热视场光阑温控系统(7)通过冷媒输送管道和冷媒回收管道与热视场光阑(6)进行连接，实现对热视场光阑(6)的温度控制，热视场光阑温控系统(7)自身则固定于镜筒结构上；
热视场光阑调整机构(8)通过对热视场光阑(6)位置调整，使热视场光阑(6)移出和移入光学望远镜系统，实现望远镜装置白天对太阳活动区观测模式和夜间夜天文观测模式之间的切换；热视场光阑调整机构(8)与热视场光阑(6)采用刚体连接，并固定于光学望远镜镜筒结构上，通过带有数控电机的直线导轨、直线电机运动部件控制热视场光阑(6)在主镜筒内外的移出和移入；通过对热视场光阑(6)的移出和复位；
消色差成像系统包括消色差成像装置(9)、成像相机(10)、可切换滤光器(11)；消色差成像系统用于对光学望远镜系统引入观测室的光束进行成像观测，位于光学望远镜系统的后端的独立观测室内，与光学望远镜系统相互独立；消色差成像装置(10)保证光学望远镜系统对多个波长进行无色差成像观测；可切换滤光器(11)位于消色差成像装置(9)的前端，用于滤除不需要的光谱成分，选择需要的成像波长和成像带宽，且对不同观测目标可通过控制可切换滤光器(11)实现不同的成像波长以及成像带宽切换，满足白天对太阳活动区和夜间对夜天文目标不同的观测需求；成像相机(10)位于消色差成像系统的尾端，消色差成像装置(9)的成像面上，用于记录成像数据；
数据处理及控制系统包括数据处理模块(12)和全系统控制模块(13)；数据处理模块(12)接收来自主镜温控系统(5)、热视场光阑温控系统(7)和成像相机(10)的状态监测数据、温控传感器数据，所述状态监测数据包括主镜温控系统(5)和热视场光阑温控系统(7)的运行状态信息以及成像相机(10)的参数设置信息，包括曝光时间；所述温控传感器数据包括主镜温控系统(5)和热视场光阑温控系统(7)中的温度传感器、冷媒流量传感器测量反馈的数据信息，这些数据信息为全系统控制模块(13)提供控制依据；数据处理模块(12)接收所述温控传感器测量数据，并结合实时空气温度，通过对比形成冷媒温度控制命令，最终通过控制主镜温控系统(5)和热光阑温控系统(7)进行制冷或加热，使主镜镜面及热视场光阑(6)表面温度与周围环境空气温度一致；当望远镜装置需要在白天观测模式和夜间观测模式之间切换时，全系统控制模块(13)将控制热光阑调整结构(8)，使之进入望远镜装置内部或移除望远镜装置，同时转动可切换滤光器(11)，使可切换滤光器(11)能够与观测目标光谱相匹配。
2.根据权利要求1所述的可共用于太阳活动区观测和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其特征在于：所述的光学望远镜系统，采用格里高利或双格林高利光学设计方案，能够在主镜焦点位置处产生一个实焦点，用以放置热视场光阑。
3.根据权利要求1所述的可共用于太阳活动区观测和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其特征在于：所述轻质蜂窝主镜(1)的材料采用碳化硅材料、熔石英材料、零膨胀玻璃材料阿或超低膨胀玻璃材料。
4.根据权利要求1所述的可共用于太阳活动区观测和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其特征在于：所述主镜温控系统，采用空气作为直接冷媒冷却轻质蜂窝主镜(1)，采用乙二醇水溶液作为间接冷媒冷却直接冷媒，而主镜温控系统的温度则有制冷机控制间接冷媒实现。
5.根据权利要求1所述的可共用于太阳活动区观测和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其特征在于：所述热视场光阑(6)采用具有高热导率的金属为基体，所述热导率是指高于200W/(m K)。
6.根据权利要求1所述的可共用于太阳活动区观测和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其特征在于：所述热视场光阑(6)采用空腔反射式结构，即热视场光阑内部为空腔结构。
7.根据权利要求1所述的可共用于太阳活动区观测和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其特征在于：所述热视场光阑(6)与主镜筒结构之间的连接采用可动态锁死的非固定方式，便于热视场光阑调整结构(8)将热视场光阑(6)移入和移出。
8.根据权利要求1所述的可共用于太阳活动区观测和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其特征在于：所述消色差成像装置(9)采用离轴抛物面反射镜，实现对可见光至近红外的无色差成像。
9.根据权利要求1所述的可共用于太阳活动区观测和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其特征在于：所述成像相机(10)采用CCD器件或CMOS器件。
10.根据权利要求1所述的可共用于太阳活动区观测和夜天文观测的全天时多功能望远镜装置，其特征在于：所述可切换滤光器11采用电动转盘结构，转盘不同分区安装不同光谱及不同带宽的滤光器，通过远程控制电动转盘结构旋转不同位置实现对不同滤光器的切换，满足不同光谱观测需求。
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