CN107688236B - 折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法及其设备 - Google Patents

Abstract

折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法及其设备：⑴.望远镜入射光通过反射镜M1到M2；⑵.从M2反射的光经过分光棱镜分成两束：⑶.一束透过分光棱镜聚焦在狭缝基板上，漫反射的部分光通过分光棱镜反射和滤光片会聚与CCD1上，实现对狭缝监控；⑷.另一束光通过分光棱镜反射到半透半反镜上；⑸.半透半反镜再次将光分成两束：⑹.其中一束反射光经过滤光片系统会聚到CCD2上，实现对望远镜入射光瞳的监控；⑺.另一束光透过半透半反镜将光传输到微会聚平面镜M3，在经过分光棱镜将光入射到CCD1上，实现对望远镜焦点监控。本发明弥补了传统导星检测系统缺陷，使望远镜观测的导星系统设计更加科学。

Description

折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法。涉及到天文和军事等技术领域，特别是涉及一种折轴式望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法，本发明还涉及这种监控方法所使用的设备系统。

背景技术

天文望远镜是由物镜和目镜组成的放大系统，她放大了遥远的天体，向人类展示了暗星和星云的面貌，为天文学家打开了一扇通往遥远宇宙的窗口。

天文望远镜光谱仪作为天文望远镜终端设备，用于对星光进行处理获取星光光谱，在天文领域应该极为广泛。光谱仪是用CCD作为光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。其构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和像差矫正系统组成。以色散元件将星光分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上（或扫描某一波段）成像在CCD靶面上，用于后续的数据处理和导星。

望远镜导星是望远镜最重要的工作之一，直接影响望远镜和终端设备工作光学效率。为获取较高的通光效率，要求星光正射于望远镜，同时要求星光穿过狭缝正中心，这样望远镜和光谱仪终端设备可获取最大的效率。为此，需要对望远镜入射光瞳和狭缝进行实时监控。

另外，为了增加通光效率，所有镜面都要镀膜，提高反射和透射效率。同时，为了增加各镜面寿命，在镜子表面也要镀保护膜，防止镜面使用过长时间表面会氧化，降低效率。

发明内容

为了解决现有折轴望远镜导星偏差的问题，本发明提出了一种折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法，使其利用光学系统进行成像，结合同步控制与实时图像采集技术，实现对望远镜入射光瞳和狭缝实时监控，实时监视折轴望远镜导星状态。本发明还将提供这种监控方法所使用的设备系统。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.望远镜入射光通过反射镜M1到反射镜M2；

⑵.从反射镜M2反射的光经过分光棱镜分成两束：

⑶.其中一束光透过“分光棱镜”聚焦在狭缝基板上，由于狭缝基板漫反射，部分光反射通过分光棱镜反射和滤光片机构作用会聚与CCD1上，实现CCD1对狭缝监控；

⑷.另一束光通过分光棱镜反射到半透半反镜上；

⑸.该半透半反镜再次将光分成两束：

⑹.其中一束反射光经过滤光片系统会聚到CCD2上，实现对望远镜入射光瞳的监控；

⑺.另一束光透过半透半反镜将光传输到微会聚平面镜M3（M3反射面为179.8度），在经过“分光棱镜”将光入射到CCD1上，实现对望远镜焦点监控。

由于M为微会聚平面镜，在CCD1靶面上会成两个光斑，根据光斑距离实时监控望远镜焦点位置变化。

在优化方案中，为了直接监视了解望远镜导星状态，拍摄的狭缝和入瞳图像通过数据线进入计算机中。并通过图像处理（即，高精度边缘定位方法）对采集图像光斑和入瞳边缘进行识别，为后续导星自适应控制提供可靠的数据信息。即，增加有以下步骤：

⑻. 拍摄的狭缝和入瞳图像通过数据线进入计算机中；并通过图像处理（即，高精度边缘定位方法）对采集图像光斑和入瞳边缘进行识别，为后续导星自适应控制提供可靠的数据信息。

所述的步骤⑻是采用MATLAB拉普拉斯高斯算法工具箱对CCD1和CCD2；靶面光斑进行边缘信息提取，为后续望远镜实时导星控制提供数据信息。

换言之，本发明的方法是：

首先，望远镜入射光通过反射镜M1到M2，然后经过“分光棱镜”将光分成两束。一束透过“分光棱镜”将光聚焦在狭缝基板上，由于狭缝基板漫反射，部分光反射在通过“分光棱镜”反射和滤光片机构作用会聚与CCD1上，实现CCD1对狭缝监控；另一束光通过“分光棱镜”反射到“半透半反”上，“半透半反”继续将光分成两束，一束反射光经过滤光片系统会聚到CCD2上，实现对望远镜入射光瞳的监控，另一束光透过“半透半反”将光传输到“微会聚平面镜M3”（M3反射面为179.8度），在经过“分光棱镜”将光入射到CCD1上，实现对望远镜焦点监控。由于M为微会聚平面镜，在CCD1靶面上会成两个光斑，根据光斑距离实时监控望远镜焦点位置变化。

其次，为了直接监视了解望远镜导星状态，拍摄的狭缝和入瞳图像通过数据线进入计算机中。并通过图像处理（即，高精度边缘定位方法）对采集图像光斑和入瞳边缘进行识别，为后续导星自适应控制提供可靠的数据信息。

望远镜对“星源”跟踪是实时的，同时“星源”的光强很弱，因此CCD对图像采集和捕捉有需要一定时间延迟。在计算机中图像采集需根据实际“星源”星等计算最佳曝光时间，并冻结采集有效图像，从而实现图像的动态采集。

在CCD分辨率和测量视场一定条件下，本发明利用图像边缘定位方法提高光斑边缘信息获取精度，即采用MATLAB拉普拉斯高斯算法工具箱对CCD1和CCD2靶面光斑进行边缘信息提取。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法所使用的设备，该设备是望远镜入射光瞳和光谱仪狭缝监控系统，由三个子系统组成——望远镜入射光瞳监视系统、狭缝监视系统和望远镜焦点监视系统，其特征在于，各部件设置的位置如下：在望远镜端的光路上依次设有反射镜M1和反射镜M2，在反射镜M2后方的光路上依次设有分光棱镜、透镜组、狭缝和光谱仪端；在该反射镜M2后方光路的分光棱镜部位上，与该光路垂直地分成左右两个光路，其中右侧光路上依次设有滤光片机构和CCD1；左侧光路上设有半透半反镜和微会聚平面镜M3；并在半透半反镜处垂直地依次设有滤光片机构和CCD2。

本发明中，分光棱镜反射率为2%，即只有2%光用于狭缝和望远镜入射光瞳监控，不会对望远镜光谱仪效率产生较大影响。

本发明特色创造为：多目标同时实时监控系统，传统导星检测系统，仅对狭缝进行监视，忽略了望远镜入射角度和焦距误差对望远镜终端仪器光学效率影响，本发明弥补了传统导星检测系统缺陷，使望远镜观测的导星系统设计更加科学。

附图说明

图1-1和图1-2一种折轴式望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控系统基本原理图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的实施例，以详细说明技术方案。

实施例1，一种折轴式望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控系统，图1-1和图1-2是本发明的光路原理图，为整体结构系统方案。该望远镜入射光瞳和光谱仪狭缝监控系统有三个子系统组成——望远镜入射光瞳监视系统、狭缝监视系统和望远镜焦点监视系统。

望远镜入射光瞳监视系统原理：望远镜端1入瞳光经过M1，M2反射到分光棱镜5上，一束光通过分光棱镜5反射到半透半反镜4，半透半反镜4将部分光反射到CCD2上，完成对望远镜入射光瞳监视。

狭缝监视系统原理：望远镜入瞳光经过M1，M2反射到分光棱镜5上，一束光通过分光棱镜5透射到狭缝基板，绝大部分光透过狭缝6进入光谱仪7，少部分光打在狭缝边缘被狭缝基板漫反射，漫反射部分光经过分光棱镜5及滤光片3反射到CCD1上，完成狭缝监控。

望远镜焦点监视系统原理：望远镜入瞳光经过M1，M2反射到分光棱镜5上，一束光通过分光棱镜5反射到半透半反镜4， 半透半反镜4透射部分光到M3（M3为微会聚平面镜），M3反射在经过分光棱镜镜4将光入射到CCD1上，实现对望远镜焦点监控。由于M3为微会聚平面镜，在CCD1靶面上会成两个光斑，根据光斑距离变化实时监控望远镜焦点位置变化。

本发明包括光学成像子系统：CCD1、CCD2、平面镜、分光棱镜5、半透半反镜4、微会聚反射镜M3、透镜9；及图像采集系统：数据线、电源和计算机等。图1-1与图1-2中的2为典盒，图1-2中的8为一个滤光片。

利用MATLAB拉普拉斯高斯算法工具箱对CCD1和CCD2靶面光斑进行边缘信息提取，为后续导星控制提供位置信息。

该望远镜入射光瞳和狭缝监视系统除镜面和狭缝基板以外，其他零件材料表面全部发黑处理，降低杂散光对光谱仪或者相关检测设备的性能影响。

本发明不限于上述设施方式，分光棱镜可以是半透半反，半透半反也可以是分光棱镜。因此，凡是在本发明权利要求1技术方案基础上作简单变形，都在本发明意图保护范围之内。

实施例2：

本实施例在中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所研制的一台望远镜上进行使用，M1和M2直径为50毫米，且安装三维精密运动的tip/tilt； M3反射面为179.8度成会聚面形；CCD选用型号选用AVT-GT2750型号相机，通过以太网协议将采集数据传送至工控机，星源为1.97等北极星，CCD1曝光时间为1秒，CCD2曝光时间为5秒。结果发现在CCD1上出现狭缝画面和两个光斑，两个光斑距离可反映望远镜焦点变化；CCD2出现望远镜入瞳画面。检测结果和理论设计结果非常吻合，这表明折轴式望远镜入射光瞳和光谱仪狭缝监控系统具有非常好的监控效果，满足望远镜导星实时监控要求。

Claims (8)

1.一种折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.望远镜入射光通过反射镜M1到反射镜M2；

⑵.从反射镜M2反射的光经过分光棱镜分成两束：

⑶.其中一束光透过分光棱镜聚焦在狭缝基板上，由于狭缝基板漫反射，部分光反射通过分光棱镜反射和滤光片机构作用会聚于CCD1上，实现CCD1对狭缝监控；

⑷.另一束光通过分光棱镜反射到半透半反镜上；

⑸.该半透半反镜再次将光分成两束：

⑹.其中一束反射光经过滤光片系统会聚到CCD2上，实现对望远镜入射光瞳的监控；

⑺.另一束光透过半透半反镜将光传输到微会聚平面镜M3，在经过分光棱镜将光入射到CCD1上，实现对望远镜焦点监控。

2.根据权利要求1所述的折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法，其特征在于，增加有以下步骤：

⑻. 拍摄的狭缝和入瞳图像通过数据线进入计算机中；并通过图像处理对采集图像光斑和入瞳边缘进行识别，为后续导星自适应控制提供可靠的数据信息。

3.根据权利要求2所述的折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法，其特征在于，步骤⑻所述的图像处理是采用高精度边缘定位方法。

4.根据权利要求1所述的折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法，其特征在于，所述的微会聚平面镜M3为微会聚平面镜，在CCD1靶面上成两个光斑，根据光斑距离变化实时监控望远镜焦点位置变化。

5.根据权利要求1所述的折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法，其特征在于，所述的微会聚平面镜M3的反射面为179.8度。

6.根据权利要求2或3所述的折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法，其特征在于，

所述的步骤⑻是采用MATLAB拉普拉斯高斯算法工具箱对CCD1靶面光斑进行边缘信息提取，为后续望远镜实时导星控制提供数据信息。

7.权利要求1所述的折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法所使用的设备，该设备是望远镜入射光瞳和光谱仪狭缝监控系统，由三个子系统组成——望远镜入射光瞳监视系统、狭缝监视系统和望远镜焦点监视系统，其特征在于，各部件设置的位置如下：在望远镜端的光路上依次设有反射镜M1和反射镜M2，在反射镜M2后方的光路上依次设有分光棱镜、透镜组、狭缝和光谱仪端；在该反射镜M2后方光路的分光棱镜部位上，与该光路垂直地分成左右两个光路，其中右侧光路上依次设有滤光片机构和CCD1；左侧光路上设有半透半反镜和微会聚平面镜M3；并在半透半反镜处垂直地依次设有滤光片机构和CCD2。

8.根据权利要求7所述的折轴式天文望远镜光瞳和光谱仪狭缝监控方法所使用的设备，其特征在于，所述的微会聚平面镜M3的反射面为179.8度。