CN104730705B - 可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置 - Google Patents
可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，其特征在于该装置包括：地平式望远镜光学系统、K镜、电控旋转台、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，会改变光学系统之间相对位置关系，导致地平式望远镜瞳面和像面旋转。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，从而无法克服大气扰动，而像面旋转使得望远镜无法获取连续稳定尤其是长曝光观测结果。基于以上背景，本发明专利提出了可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，其结构简单，占用空间小，实用性和创新性强。
Description
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，特别是一种可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置。
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。
光学消旋是消除图像旋转的途径之一，是指在系统光路成像器件前放置一消旋器件且按要求的消旋角转动，从而产生出射光线的转动，以抵消图像的旋转。
光学消旋具有非接触、实时、全视场的特点。而采用三个平面反射镜组成“K”镜组合装置，是目前较常用的光学装置之一，如美国威尔逊山天文台100英寸口径望远镜就在Coude焦点前安装了K镜消旋装置(SCOTT W.T.,UnISIS field de-rotator，EB/OL,2000)；K镜消旋机构在我国卫星领域得到成功应用，海洋一号卫星上搭载的水色扫描仪和风云三号(FY-3)气象卫星上搭载的光谱成像仪均采用K镜机构消除像旋(关敏,郭强,光学像消旋系统在FY-3MERSI图像定位中的应用,应用气象学报,2008,9(4)：420-427)。
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。
在地平式望远镜中，K镜可以消除瞳面旋转，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。而相机消旋可以消除像面旋转，但无法消除瞳面旋转。
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，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，本发明提出一种可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，通过K镜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，且结构紧凑，占用空间小，控制关系简单，能够最大程度上保证系统光学性能，释放仪器空间，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，提出一种可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，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：一种可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，其特征在于该装置包括：地平式望远镜光学系统1、K镜2、电控旋转台3、相机4、相机旋转台5、控制器6、数据处理及控制计算机7；K镜2主要由三块平面反射镜组成，其安装于地平式望远镜瞳面之前，电控旋转台3控制K镜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；相机4位于地平式望远镜光学系统1的Coude焦点，相机旋转台5与相机4相连接，并控制相机4旋转，其用于消除由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，K镜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5需要控制相机4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7根据相关参数进行计算，并最终控制控制器6实现对电控旋转台和相机旋转台5的准确控制，从而实现同时消除瞳面旋转和像面旋转。
其中，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，本发明提出的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，采用K镜消除瞳面旋转，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Coude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，电控旋转台3控制K镜2以瞳面旋转角速度的一半dθP2/2dt进行旋转，就可以补偿掉瞳面旋转，即K镜2相应的转动θp2/2角度。
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K镜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θF3，则像面旋转角速度为dθF3/dt，在像面消旋时，相机旋转台5控制相机4以像面旋转角速度dθF3/dt进行旋转，就可补偿掉像面旋转，即相机4相应的转动θF3角度。
因此，本发明提出的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，采用K镜消除瞳面旋转，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，瞳面消旋装置或者设备并不限于由三块反射镜组成的K镜，其可以由三块或三块以上的反射镜组成，或其它棱镜，只要其具有本发明提出的光学消旋特征，均可认为是本发明使用的光学消旋方式的一种，仍属于本发明范畴。
其中，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，所述的控制器，其基本功能是完成电控旋转台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，所述的一体化消旋装置，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。
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。K镜可以消除瞳面旋转，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。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，本发明提出一种可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，在未改变地平式望远镜系统光路设计的情况下，通过K镜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，且结构紧凑，占用空间小，控制关系简单，能够最大程度上保证系统光学性能，释放仪器空间，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).本发明提出的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，未改变地平式望远镜系统光路设计，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).本发明提出的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，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).本发明提出的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，将瞳面消旋和像面消旋功能融为一体，使得结构更紧凑。
总之，本发明提出的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，在未改变地平式望远镜系统光路设计下，仅通过旋转K镜的方式消除瞳面消旋，旋转相机的方式消除像面旋转。其结构简单，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3为平面镜反射镜的光线矢量关系；
图4为K镜反射的光线矢量关系。
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。
可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置(参见图1)，其特征在于该装置包括：地平式望远镜光学系统1、K镜2、电控旋转台3、相机4、相机旋转台5、控制器6、数据处理及控制计算机7。K镜2主要由三块平面反射镜组成，其安装于地平式望远镜瞳面之前，电控旋转台3控制K镜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。相机4位于地平式望远镜光学系统1的Coude焦点，相机旋转台5与相机4相连接，并控制相机4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像面旋转。在整个过程中，K镜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5需要控制相机4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7根据相关参数进行计算，并最终控制控制器6实现对电控旋转台和相机旋转台5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，参见图2，该望远镜采用地平式机架结构，可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置的工作过程如下：
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，所选实例瞳面位于光学元件M5反射面上，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+Cp2 (1)
式(1)、(2)中，H代表地平式望远镜的高度角；为常数，与瞳面旋转角参考零点的选择有关。
本发明装置中，采用K镜消除瞳面旋转，其中K镜的消旋角度和角速度，通过光线矢量的坐标变换进行推导：
根据平面镜反射的光线矢量关系(参见图3)，设入射光线矢量B，平面镜法线方向单位矢量N，反射光线矢量B′，根据矢量合成，在三角形△omp中得到出射光线矢量B′的表达式：
B′＝B-2·N·(B·N) (3)
设B、N、B′三个矢量分别为：B＝(Bx,By,Bz)T、N＝(Nx,Ny,Nz)T、B′＝(B′x,B′y,B′z)T，并带入(4)，得到平面镜反射光线矢量的线性变换表达式：
B′＝R·B (4)
R为平面镜的反射作用矩阵。
通过平面镜反射光线矢量关系变换，可得K镜反射的光线矢量关系(参见图4)，其作用矩阵为Rk：
Rk＝R1·R2·R3 (6)
N1、N2、N3分别为三面平面镜法向向量，在K镜实例中，建立一个右旋参考坐标系，则三个矢量表达式为：
将三面平面镜法向向量N1、N2、N3代入式(6)中，得到平面反射镜K1、K2、K3的反射作用矩阵R1、R2、R3再代入式(7)中，得到K镜的反射作用矩阵Rk：
K镜在坐标变换和瞳面旋转中的作用为：
B′＝S-1RkSB (9)
其中，S为K镜的坐标变换矩阵：
β为K镜旋转角度，假设入射光线矢量B＝(0,0,1)T，其具有转角θp2，那么为了使得瞳面不发生旋转，即出射光线矢B′＝(0,0,1)T，代入公式(10)后，得到K镜旋转角度即当K镜以瞳面旋转角速度的1/2进行转动，便可消除瞳面旋转。设K镜旋转角度θk，K镜旋转角速度为dθk/dt，则二者表达式为：
通过K镜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。
在实施例中，Coude焦点处的像面位于方位轴下端。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，因此必须进行像面消旋。
设像面旋转角度为θF3，像面旋转角速度为dθF3/dt，则像面旋转角度和角速度如公式(13)和(14)：
θF3＝θ+A+CF3 (13)
其中，
A代表地平式望远镜跟踪目标的方位角，CF3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。
相机靶面位于Coude焦点所在的像平面，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，相机旋转角度和角速度的数值和方向，分别为公式(13)和公式(14)所示。
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旋转台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 (7)
1.一种可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，其特征在于该装置包括：地平式望远镜光学系统(1)、K镜(2)、电控旋转台(3)、相机(4)、相机旋转台(5)、控制器(6)、数据处理及控制计算机(7)；K镜(2)主要由三块平面反射镜组成，其安装于地平式望远镜瞳面之前，电控旋转台(3)控制K镜(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；相机(4)位于地平式望远镜光学系统(1)的Coude焦点，相机旋转台(5)与相机(4)相连接，并控制相机(4)旋转，其用于消除由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，K镜(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(5)需要控制相机(4)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(7)根据相关参数进行计算，并最终控制控制器(6)实现对电控旋转台和相机旋转台(5)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所述的一种可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，其特征在于：该装置工作过程如下：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，电控旋转台(3)控制K镜(2)以瞳面旋转角速度的一半dθP2/2dt进行旋转，就可以补偿掉瞳面旋转，即K镜(2)相应的转动θp2/2角度；
设像面旋转角度为θF3，则像面旋转角速度为dθF3/dt，在像面消旋时，相机旋转台(5)控制相机(4)以像面旋转角速度dθF3/dt进行旋转，就可补偿掉像面旋转，即相机(4)相应的转动θF3角度。
3.根据权利要求1所述的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，其特征在于：瞳面消旋装置或者设备并不限于由三块反射镜组成的K镜，其它装置和设备，具体像三块或三块以上的反射镜装置、棱镜，只要其具有光学消旋特征即可。
4.根据权利要求1所述的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，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所述的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，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所述的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，其特征在于：所述的控制器，其基本功能是完成电控旋转台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所述的可用于地平式望远镜瞳面和像面同时消旋的一体化装置，其特征在于：所述的一体化消旋装置，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。
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ID=53454762
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US5877902A (en) * | 1996-10-31 | 1999-03-02 | Litton Systems, Inc. | Mounting assembly for image intensifier tube in optical sight |
| CN1815259A (zh) * | 2006-03-09 | 2006-08-09 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于分光棱镜的光电成像跟踪系统 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2001208973A (ja) * | 1999-11-18 | 2001-08-03 | Nikon Corp | 実像式ファインダー光学系 |
-
2015
- 2015-04-15 CN CN201510176842.7A patent/CN104730705B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5877902A (en) * | 1996-10-31 | 1999-03-02 | Litton Systems, Inc. | Mounting assembly for image intensifier tube in optical sight |
| CN1815259A (zh) * | 2006-03-09 | 2006-08-09 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于分光棱镜的光电成像跟踪系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 地平式望远镜消旋K镜的设计;王志臣，赵勇志，周超;《光子学报》;20100731;第41卷(第7期);762-765 * |
| 某光测设备上消像旋的设计;王岱，李晓燕，吴钦章;《光电工程》;20120131;第39卷(第1期);108-112 * |
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