CN104730704B - 地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置 - Google Patents

地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，该装置包括：地平式望远镜、转台、电控驱动器、中继光路、变形镜DM、相机、相机旋转台、控制器、数据处理及控制计算机。由于地平式机架的力学优越性，目前世界上大部分大口径望远镜均采用此结构。然而，这种结构在跟踪目标过程中，会导致瞳面和像面旋转。瞳面旋转使得自适应光学无法准确测量并校正大气波前像差，像面旋转使得望远镜无法获取连续稳定的观测结果。本发明提出的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，通过旋转转台消除瞳面旋转，旋转相机消除像面旋转，不引入额外仪器偏振、不降低光路综合反射率，实用性和创新性强。

Description

地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置
技术领域
本发明涉及针对地平式望远镜瞳面旋转与像面旋转的消旋装置的技术领域，特别是一种地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置。
背景技术
由于地平式机架具有优越的力学性能，因此随着人类对望远镜图像分辨率要求的不断提高，望远镜口径也越来越大，只有地平式机架结构才能满足使用需求。地平式机架结构的望远镜安装地点与地理纬度无关，目前世界大口径望远镜多采用此种结构。
然而，地平式望远镜也存在一些缺陷，比较典型的如瞳面旋转和像面旋转。
瞳面旋转将使得自适应光学无法准确探测大气波前相位信息，进而无法准确校正大气扰动对成像质量的影响，使得望远镜无法达到或接近理论衍射极限分辨能力，无法达到高分辨力观测的目的。像面旋转将使得望远镜无法对观测目标进行长时间曝光成像，从而丧失对暗弱目标探测的能力；同时也无法对同一目标进行长时间连续、稳定观测成像，从而丧失监测同一目标连续变化或不断演变过程的能力。
采用转台消除瞳面旋转，具有两个主要优点：一是其相较于光学消旋，不引入额外仪器偏振，同时不会增加光路反射角，导致综合反射率降低。二是转台可作为支撑望远镜、成像光学系统等的平台，转台之下可以放置一系列后端仪器，如安放精密测光、光谱、偏振等很多体积大、重量大的仪器以及自适应光学系统。
目前国外大部分大口径望远镜项目，均采用转台消旋。
但在地平式望远镜中，转台可以消除瞳面旋转，但是无法消除由此带来的额外像面旋转，以及由于望远镜跟踪目标产生的像面旋转；或者将转台用于消除像面旋转，但其无法消除瞳面旋转。
相机消旋是直接控制成像器件沿其轴线转动来旋正图像。目前在一些机载跟踪系统和电视跟踪系统中普遍采相机消旋，例如王霆博士成功设计了一种机载电视设备消旋结构，用于补偿由于光电框架结构运动导致的电视图像旋转，方便飞行员进行观察(王霆.机载CCD图像消旋控制技术研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2005.)，相机消旋具有响应快速、系统简单、成像质量稳定、花费低等优点。但是相机消旋只能消除像面旋转，无法消除瞳面旋转。
根据以上背景描述可知，为了实现地平式望远镜瞳面旋转和像面旋转的消除，无法采用单一的消旋方式，既消除瞳面旋转又消除像面旋转，因此至少需要两套独立的光学机构和控制机构，并改变望远镜系统光路设计，增加光学结构复杂性；而光学结构的复杂性一定程度上降低了系统性能，并增加了具体实施难度。基于以上背景，本发明提出一种地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，将转台消旋与相机消旋结合，通过转台对瞳面消旋进行消除，并计算由此带来的额外像面旋转，最后采用旋转相机的方式对由于望远镜跟踪产生的像旋量以及瞳面消旋产生的额外像旋量进行消除。
本发明采用较简单的方法实现了地平式望远镜瞳面和像面同时消旋，且不增加额外仪器偏振和降低光路综合反射率，能够最大程度上保证系统光学性能，控制关系简单，创新性和实用性明显。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对地平式望远镜瞳面旋转，使得自适应光学无法准确探测大气波前相位信息，进而无法准确校正大气扰动对成像质量的影响，使得望远镜无法达到或接近理论衍射极限分辨能力，无法达到高分辨力观测的目的问题。以及像面旋转，使得望远镜无法对观测目标进行长时间曝光成像，从而丧失对暗弱目标探测的能力；同时也无法对同一目标进行长时间连续、稳定观测成像，从而丧失监测同一目标连续变化或不断演变过程的能力的问题，提出一种地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，试图以最少光学元器件、最紧凑光学结构、最简单控制方案等同时实现地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的功能。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于该装置包括：地平式望远镜1、转台2、电控驱动器3、中继光路4、变形镜DM 5、相机6、相机旋转台7、控制器8、数据处理及控制计算机9。转台2位于方位轴下方，电控驱动器3控制转台2整体旋转，其主要负责消除由地平式望远镜跟踪目标过程中引起的瞳面旋转。转台2转动中心有一块固定于转台2的反射镜，其作用是将来自方位轴的光路反射到中继光路4。中继光路4之间具有变形镜DM 5，瞳面位于其反射面上，变形镜DM 5的作用是矫正大气波前像差。相机旋转台7与相机6相连接，并控制相机6旋转，其主要负责消除地平式望远镜跟踪目标过程中引起的像面旋转。在整个过程中，转台2消除瞳面旋转时，会引起额外的像面旋转，因此，相机旋转台7控制相机6消除像面旋转时，也需要消除由于瞳面消旋引起的额外像面旋转。瞳面消旋量和像面消旋量与望远镜光学系统、机械结构、安装位置、观测目标运动特性等有关，其需要由数据处理及控制计算机9根据相关参数进行计算，并最终控制控制器8实现对电控驱动器3和相机旋转台7的准确控制，从而实现同时消除瞳面旋转和像面旋转。
其中，地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置工作过程如下：
地平式望远镜在跟踪观测目标过程中，需要根据观测目标的位置不断调整望远镜高度轴和方位轴参数。然而，望远镜高度轴和方位轴的不断调整，会引起望远镜内部各光学元件相对旋转位置发生变化，使得望远镜观测像面与观测目标之间产生旋转，同时也会引起望远镜内部入瞳和出瞳发生相对旋转，且旋转量随着高度轴和方位轴运动不断发生改变。像面旋转将使得望远镜无法对观测目标进行长时间曝光成像，从而丧失对暗弱目标探测的能力；同时也无法对同一目标进行长时间连续、稳定观测成像，从而丧失监测同一目标连续变化或不断演变过程的能力。瞳面旋转将使得自适应光学无法准确探测大气波前相位信息，进而无法准确校正大气扰动对成像质量的影响，使得望远镜无法达到或接近理论衍射极限分辨能力，无法达到高分辨力观测的目的。
由于瞳面一般位于成像面之前，因此，本发明提出的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，采用转台消除瞳面旋转，并计算由此带来的额外像面旋转，最后采用旋转相机的方式对由于望远镜跟踪产生的像旋量以及瞳面消旋产生的额外像旋量进行消除。
对地平式望远镜而言，自适应光学是望远镜克服大气扰动进行衍射极限成像的必要手段。自适应光学系统一般放置在望远镜coudé焦点之后，一些望远镜为了提高整体光通量也将自适应光学系统集成于望远镜之上，如使用波前校正器替代望远镜系统中的某一个反射镜，甚至是有焦反射镜，如主镜和次镜等。但无论哪种方式，自适应光学系统中的波前校正器和波前探测器均需要放置于望远镜内部的某个光学出瞳上，用以进行波前校正和波前探测。当发生瞳面旋转时，就会导致望远镜自身静态像差与位于某一出瞳位置的波前探测器发生相对位置旋转；同时，波前校正器与波前探测器的相对旋转位置也会随之发生动态改变，从而使得自适应光学系统波前校正效果降低甚至无效。
设瞳面旋转角度为θp2，则瞳面旋转角速度为dθP2/dt，在瞳面消旋时，电控驱动器(3)控制转台(2)以瞳面旋转角速度dθP2/dt进行旋转，即可补偿掉瞳面旋转。
对地平式望远镜而言，像面可用于对观测目标进行长时间曝光成像，以及对同一目标进行长时间连续、稳定观测成像，但是转台消除瞳面旋转产生的额外像旋量，以及由于望远镜跟踪产生的像旋量导致的像面旋转，将引起相机所采集的图像模糊不清，从而丧失对暗弱目标探测的能力；以及丧失监测同一目标连续变化或不断演变过程的能力。
设像面旋转角度为θF4，则像面旋转角速度为dθF4/dt，但是转台2在消除瞳面旋转时，导致额外的像面旋转，设额外的像面旋转量为△θp2，额外的像面旋转角速度为d△θp2/dt。因此在像面消旋时，相机旋转台7控制相机6以实际像面旋转角速度(dθF4/dt+d△θp2/dt)进行旋转，补偿掉像旋，此时相机6实际转动的角度为(θF4+△θp2)。
因此，本发明提出的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，采用转台消除瞳面旋转，并计算由此带来的额外像面旋转，最后采用旋转相机的方式对由于望远镜跟踪产生的像旋量以及瞳面消旋产生的额外像旋量进行消除。
其中，所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：转台并不限于某一种特定结构，只要电控驱动器所驱动的转台转动中心与方位轴光路的光轴中心共线，具有本发明提出的消旋特征，仍属于本发明范畴。
其中，所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：所述相机是指位于像面可用于观测目标成像的仪器，并不特指某一种相机的结构，只要其满足相机的基本要素即可。
其中，所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：所述相机旋转台并不特指某一种机械结构或装置，只要其旋转中心与相机光敏中心一致，仍属于本发明范畴。
其中，所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：所述的控制器，其基本功能是完成转台驱动装置和相机旋转台的控制执行，其可以是一个独立器件，也可以是与数据处理与控制计算机融为一体。
其中，所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：所述的一体化装置，是指将瞳面旋转和像面旋转的消旋功能融为一体，实际操作时能够同时进行，或者能够分时进行，只要在功能上将二者融为一体即可。
其中，所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：转台后瞳面的数量至少有一个，像面的数量至少有一个。
本发明的原理在于：
由于地平式机架具有有着优越的力学性能，目前世界大口径望远镜多采用地平式机架结构。然而，地平式望远镜也存在一些缺陷，比较典型的如瞳面旋转和像面旋转。瞳面旋转将使得自适应光学无法准确探测大气波前相位信息，使得望远镜无法达到或接近理论衍射极限分辨能力，无法达到高分辨力观测的目的。像面旋转使得望远镜无法对观测目标进行长时间曝光成像，从而丧失对暗弱目标探测的能力；同时也无法对同一目标进行长时间连续、稳定观测成像，从而丧失监测同一目标连续变化或不断演变过程的能力，因此需要消除瞳面旋转和像面旋转。转台可以消除瞳面旋转，但是无法消除由此带来的额外像面旋转，以及由于望远镜跟踪产生的像面旋转，或消除像面旋转，但无法消除瞳面旋转。而相机消旋可以消除像面旋转，但无法消除瞳面旋转，因此至少需要两套独立的光学机构和控制机构，并改变望远镜系统光路设计，增加光学结构复杂性；而光学结构的复杂性一定程度上降低了系统性能，并增加了具体实施难度。基于以上背景，本发明提出一种地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，在未改变地平式望远镜系统光路设计的情况下，通过转台对瞳面消旋进行消除，并计算由此带来的额外像面旋转，最后采用旋转相机的方式对由于望远镜跟踪产生的像旋量以及瞳面消旋产生的额外像旋量进行消除。
本发明采用较简单的方法实现了地平式望远镜瞳面和像面同时消旋，且不增加仪器偏振和降低光路综合反射率，能够最大程度上保证系统光学性能，控制关系简单，创新性和实用性明显。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1).本发明提出的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，不增加光学结构复杂性，有效的保证了地平式望远镜的系统性能。
(2).本发明提出的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，将瞳面消旋功能和像面消旋功能结合于一体，既可以同时操作，也可以分时操作，便于一体化控制和实施。
(3).本发明提出的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，将瞳面消旋和像面消旋功能融为一体，使得结构更紧凑。
(4).本发明提出的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其中转台消旋相较于光学消旋，不会引入额外仪器偏振，且不会降低光路的综合反射率，降低望远镜系统性能。
总之，本发明提出的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，在未改变地平式望远镜系统光路设计下，仅通过旋转转台的方式消除瞳面消旋，旋转相机的方式消除像面旋转。其光学镜面使用少，易于控制，便于一体化操作，创新性和实用性明显。
附图说明
图1为基于地平式望远镜瞳面旋转和像面旋转的一体化消旋装置；
图2为一种可能的NVST瞳面和像面机械消旋的一体化装置；
图中，1为地平式望远镜，2为转台，3为电控驱动器，4为中继光路，5为变形镜DM，6为相机，7为相机旋转台，8为控制器，9为数据处理及控制计算机。
为了说明的简洁和清楚，附图说明了结构的一般的方式，公知特征和技术的描述和细节被省略以避免不必要地模糊对本发明的所描述的实施例的讨论。此外，附图中的元件并非必然按照比例来绘制。例如，附图中一些元件的尺寸相对于其它的元件被放大以帮助改进对本发明的实施例的理解。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置(参见图1)，其特征在于该装置包括：地平式望远镜1、转台2、电控驱动器3、中继光路4、变形镜DM 5、相机6、相机旋转台7、控制器8、数据处理及控制计算机9。转台2位于方位轴下方，电控驱动器3控制转台2整体旋转，其主要负责消除由地平式望远镜跟踪目标过程中引起的瞳面旋转。转台2转动中心有一块固定于转台2的反射镜，其作用是将来自方位轴的光路反射到中继光路4。中继光路4之间具有变形镜DM 5，瞳面位于其反射面上，变形镜DM 5的作用是矫正大气波前。相机旋转台7与相机6相连接，并控制相机6旋转，其主要负责消除地平式望远镜跟踪目标过程中引起的像面旋转。在整个过程中，转台2消除瞳面旋转时，会引起额外的像面旋转，因此，相机旋转台7控制相机6消除像面旋转时，也需要消除由于瞳面消旋引起的额外像面旋转。瞳面消旋量和像面消旋量与望远镜光学系统、机械结构、安装位置、观测目标运动特性等有关，其需要由数据处理及控制计算机9根据相关参数进行计算，并最终控制控制器8实现对电控驱动器3和相机旋转台7的准确控制，从而实现同时消除瞳面旋转和像面旋转。
具体实施例为中国科学院云南天文台1米太阳望远镜，其一种可能的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置(参见图2)，其工作过程如下：
地平式望远镜中，光学系统可以有不同的瞳面位置，在本实施例中，所选实例瞳面位于变形镜DM反射面上。在望远镜跟踪目标过程中，转台上M8之前的光学元件，存在相对位置关系变化，而M8后的光学元件，不存在相对位置关系变化，因此M8后的瞳面旋转量相同，其与高度轴和方位轴的变化量有关，设瞳面旋转角度为θp2，瞳面旋转角速度为dθP2/dt，则瞳面旋转角度和角速度如公式(1)和(2)：
θp2＝-H+A+Cp2 (1)
式(1)、(2)中，H代表地平式望远镜的高度角，A代表地平式望远镜的方位角；Cp2为常数，与瞳面旋转角参考零点的选择有关。
设转台旋转角度θk，转台旋转角速度为dθk/dt，转台消除瞳面旋转，只需电控驱动器控制转台，以瞳面旋转角速度的进行同向旋转，即dθk/dt＝dθp2/dt，便可消除瞳面旋转，此时θk＝θp2。
通过转台对瞳面消旋进行消除，但会引入额外像面旋转，设额外像面旋转的角度为△θp2，额外像面旋转的角速度为：d△θp2/dt，其表达式为：
△θp2＝H-A (3)
最后采用旋转相机的方式对由于望远镜跟踪产生的像旋量以及瞳面消旋产生的额外像旋量进行消除。
在实施例中，像面位于焦点F4处，而F4又位于CCD相机的靶面，像面旋转使得望远镜无法对观测目标进行长时间曝光成像，从而丧失对暗弱目标探测的能力；同时也无法对同一目标进行长时间连续、稳定观测成像，从而丧失监测同一目标连续变化或不断演变过程的能力，因此必须进行像面消旋。
在光学元件M8后，由于望远镜跟踪产生的像面旋量都相同，设理论像面旋转角度为θF4，理论像面旋转角速度为dθF4/dt，所以由望远镜跟踪产生的像面旋转角度和角速度如公式(5)和(6)：
θF4＝θ-H+A+CF4 (5)
其中，
CF4为常数，与像面旋转角度参考零点的选择有关；φ为地平式望远镜所在位置的地理纬度，δ代表观测目标的赤纬。
因此，像面实际旋转角度和角速度，分别为公式(8)和公式(9)所示。
θF4|real＝θF4+△θp2＝θ+CF4 (8)
相机旋转台与相机连接，并控制相机旋转，消除像面旋转。因此，像面消旋时，相机实际旋转角速度为dθ/dt，此时相机实际旋转角度为θF4|real。
在整个过程中，数据处理及控制计算机通过初始计算数据经由控制器实现对电控驱动器和相机旋转台的控制。
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 (8)

1.一种地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：该装置包括：地平式望远镜(1)、转台(2)、电控驱动器(3)、中继光路(4)、变形镜DM(5)、相机(6)、相机旋转台(7)、控制器(8)、数据处理及控制计算机(9)；转台(2)位于方位轴下方，电控驱动器(3)控制转台(2)整体旋转，其用于消除由地平式望远镜跟踪目标过程中引起的瞳面旋转；转台(2)转动中心有一块固定于转台(2)的反射镜，其作用是将来自方位轴的光路反射到中继光路(4)；中继光路(4)之间具有变形镜DM(5)，瞳面位于其反射面上，变形镜DM(5)的作用是矫正大气波前像差；相机旋转台(7)与相机(6)相连接，并控制相机(6)旋转，其用于消除地平式望远镜跟踪目标过程中引起的像面旋转；在整个过程中，转台(2)消除瞳面旋转时，会引起额外的像面旋转，因此，相机旋转台(7)控制相机(6)消除像面旋转时，也需要消除由于瞳面消旋引起的额外像面旋转；瞳面消旋量和像面消旋量与望远镜光学系统、机械结构、安装位置、观测目标运动特性有关，其需要由数据处理及控制计算机(9)根据相关参数进行计算，并最终控制控制器(8)实现对电控驱动器(3)和相机旋转台(7)的准确控制，从而实现同时消除瞳面旋转和像面旋转。
2.根据权利要求1所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：设瞳面旋转角度为θp2，则瞳面旋转角速度为dθP2/dt，在瞳面消旋时，电控驱动器(3)控制转台(2)以瞳面旋转角速度dθP2/dt进行旋转，即可补偿掉瞳面旋转；
设像面旋转角度为θF4，则像面旋转角速度为dθF4/dt，但是转台(2)在消除瞳面旋转时，会导致额外的像面旋转，设额外的像面旋转量为△θp2，额外的像面旋转角速度为d△θp2/dt；因此在像面消旋时，相机旋转台(7)控制相机(6)以实际像面旋转角速度(dθF4/dt+d△θp2/dt)进行旋转，补偿掉像旋，此时相机(6)实际转动的角度为(θF4+△θp2)；
因此，该地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，采用转台消除瞳面旋转，并计算由此带来的额外像面旋转，最后采用旋转相机的方式对由于望远镜跟踪产生的像旋量以及瞳面消旋产生的额外像旋量进行消除。
3.根据权利要求1所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：转台并不限于某一种特定结构，只要电控驱动器所驱动的转台转动中心与方位轴光路的光轴中心共线，具有消旋特征即可。
4.根据权利要求1所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：所述相机是指位于像面可用于观测目标成像的仪器，并不特指某一种相机的结构，只要其满足相机的基本要素即可。
5.根据权利要求1所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：所述相机旋转台并不特指某一种机械结构或装置，只要其旋转中心与相机光敏中心一致即可。
6.根据权利要求1所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：所述的控制器，其基本功能是完成转台驱动装置和相机旋转台的控制执行，其可以是一个独立器件，也可以是与数据处理与控制计算机融为一体。
7.根据权利要求1所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：所述的一体化装置，是指将瞳面旋转和像面旋转的消旋功能融为一体，实际操作时能够同时进行，或者能够分时进行，只要在功能上将二者融为一体即可。
8.根据权利要求1所述的地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，其特征在于：转台后瞳面的数量至少有一个，像面的数量至少有一个。
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