CN108873303A - 一种大视场巡天望远镜主焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大视场巡天望远镜主焦光学系统，包括主镜和主焦光学器件，主焦光学器件包括第一改正镜、第二改正镜、第三改正镜、大气色散矫正器、第四改正镜、滤波片和场镜，第一改正镜设置于主镜和第二改正镜之间，第二改正镜设置于第一改正镜和第三改正镜之间，第三改正镜设置于第二改正镜和大气色散矫正器之间，大气色散矫正器设置于第三改正镜和第四改正镜之间，第四改正镜设置于大气色散矫正器和滤光片之间，滤波片设置于第四改正镜和场镜之间，主镜采用非球面反射镜，第一改正镜采用熔融石英透镜，第二改正镜采用负透镜，所述第三改正镜和第四改正镜采用球面透镜；本发明可以满足大视场、宽波段、高通光量、高紫外透过率等高要求。

Description

一种大视场巡天望远镜主焦光学系统
技术领域
本发明涉及天文光学望远镜光学系统，具体涉及一种大视场巡天望远镜主焦光学系统。
背景技术
天文实测精度和能力的显著提高会大大促进人类对宇宙的认知。不断拓展发现空间，提高天文观测的灵敏度、角分辨率、谱分辨率、时间分辨率和拓宽波段覆盖是实测天文发展的方向。现代天文技术和信息技术的快速发展，促成实测天文大规模获取高精度观测数据能力的突破性提升。当前单台大视场光学望远镜已经能够在一至几年观测周期获取超过PB大小的观测数据，使得天文学进入大数据时代，也开启时域天文学这一新的研究领域。当代天文学发展日新月异，新的天文发现不断涌现，对宇宙起源、暗物质和暗能量的本质、各类天体的起源演化、黑洞周围等极端条件下的物理和不同天文现象的认识也不断深入。建造新一代大视场巡天望远镜，提供大规模数字图像巡天能力，在图像观测的灵敏度和时间分辨率方面不断突破，已成为地面光学设备发展的主要趋势之一。
光学系统设计是大视场巡天望远镜最核心关键技术之一，关系到望远镜视场、成像质量等重要参数，决定了望远镜的整体外观，也是望远镜结构设计和成本控制的重要依据。新一代大视场巡天望远镜光学系统设计技术需同时满足大视场、波段覆盖、通光量、紫外透过率等参数更高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种大视场巡天望远镜主焦光学系统，本大视场巡天望远镜主焦光学系统可以满足大视场、宽波段、高通光量、高紫外透过率等高要求。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种大视场巡天望远镜主焦光学系统，包括主镜和置于相机成像之前的主焦光学器件，所述主焦光学器件包括第一改正镜、第二改正镜、第三改正镜、大气色散矫正器、第四改正镜、滤波片和场镜，所述第一改正镜设置于所述主镜和第二改正镜之间，所述第二改正镜设置于所述第一改正镜和第三改正镜之间，所述第三改正镜设置于所述第二改正镜和大气色散矫正器之间，所述大气色散矫正器设置于所述第三改正镜和第四改正镜之间，所述第四改正镜设置于所述大气色散矫正器和滤光片之间，所述滤波片设置于第四改正镜和场镜之间，所述主镜采用非球面反射镜，所述第一改正镜采用熔融石英透镜，所述第二改正镜采用负透镜，所述第三改正镜和第四改正镜采用球面透镜。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一改正镜为凸面朝向主镜的弯月型透镜，所述第一改正镜的中心厚度为100毫米，所述第一改正镜采用通光口径为0.97米熔融石英透镜。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述大气色散矫正器包括两个相对旋转的折射棱镜，所述折射棱镜的入射面和出射面与光轴垂直。
作为本发明进一步改进的技术方案，两个所述折射棱镜均连接有驱动电机，一个驱动电机用于驱动一个折射棱镜正转，另一个驱动电机用于驱动另一个折射棱镜反转。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述主镜采用口径为2.5米的非球面反射镜。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述主镜与第一改正镜之间的距离为3594mm，所述第一改正镜与场镜之间的距离为1900mm。
本发明的有益效果为：本发明通过非球面反射镜的主镜，熔融石英透镜的第一改正镜、负透镜的第二改正镜、球面透镜的第三改正镜和第四改正镜以及包括两个相对旋转的折射棱镜的大气色散矫正器等结构的组合使用、排序、位置和各几何参数设计优化，使本发明具有以下优点：1）在3o大视场范围内和覆盖u/g/r/i/z/w的宽波段内实现优于0.4角秒像质的高质量成像，在充分利用台址优良视宁度的同时，获得了高达29.3 m2deg2的通光量；2）高紫外透过率，扩展u波段覆盖320~390nm，其中在320nm波长处光学系统透过率大于23.5%。3）主焦光学系统中星光经主镜反射后再经4个改正镜和光学波段的滤光片在焦面成像，不需要复杂的光阑，中心挡光小，基本没有渐晕。4）大气色散矫正器是由两个单独可以相对旋转的折射棱镜组成，其入射面和出射面与光轴垂直，避免了使用Risley组合棱镜的经典方法，极大地降低了制造难度和造价，同时显著地提高了紫外透过率。5）可以满足大视场、宽波段、高通光量、高紫外透过率等高要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的主焦光学器件的结构示意图。
图3为本发明的大气色散矫正器的部分结构示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图3对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
参见图1，一种大视场巡天望远镜主焦光学系统，包括主镜1和置于相机成像之前的主焦光学器件2，所述主镜1采用非球面反射镜，具体为口径为2.5米的类双曲面高次非球面反射镜，焦比大约为2，主镜1加4个改正镜后形成了2.48的系统焦比，主镜面是一个带有多项式和双曲项的非球面镜，其最大非球面度为97微米，最大斜率差为0.0006（0.6毫弧度）；非球面度和斜率差被用来估计非球面加工检验的难度，最大非球面度指非球面与最接近球面的最大矢高差，而最大斜率差指非球面与最接近球面的最大斜率差，非球面度越小表示非球面抛光去除量越小，而斜率差越小则抛光的高频误差越小。参见图2，所述主焦光学器件2包括第一改正镜3、第二改正镜4、第三改正镜5、大气色散矫正器6、第四改正镜7、各波段的滤光片8和场镜9（同时用作探测器杜瓦密封窗），所述第一改正镜3设置于所述主镜1和第二改正镜4之间，所述第二改正镜4设置于所述第一改正镜3和第三改正镜5之间，所述第三改正镜5设置于所述第二改正镜4和大气色散矫正器6之间，所述大气色散矫正器6设置于所述第三改正镜5和第四改正镜7之间，所述第四改正镜7设置于所述大气色散矫正器6和滤光片8之间，所述滤光片8设置于第四改正镜7和场镜9之间，所述第一改正镜3采用熔融石英透镜，所述第二改正镜4采用负透镜，其第二面设计为多项式表示的非球面，非球面大为1.1毫米，最大斜率差0.031（31毫弧度）；所述第三改正镜5和第四改正镜7采用球面透镜。
所述第一改正镜3为凸面朝向主镜1的弯月型透镜，所述第一改正镜3的中心厚度为100毫米；考虑到其弯月面型，玻璃坯的厚度应为140毫米。所述第一改正镜3采用通光口径为0.97米熔融石英透镜。
参见图3，所述大气色散矫正器6包括两个相对旋转的折射棱镜10；两个所述折射棱镜10均连接有驱动电机，一个驱动电机用于驱动一个折射棱镜10正转，另一个驱动电机用于驱动另一个折射棱镜10反转,望远镜高度角即仰角不一样，则光线入射角度不一样，所以折射棱镜要相对旋转，才能保持消去大气色散。每个折射棱镜10又由两种不同玻璃材料的棱镜胶合而成，保持不同的折射率，其入射面和出射面与光轴垂直；避免了使用Risley组合棱镜的经典方法，极大地降低了制造难度和造价，显著地提高了紫外透过率。大气对光的折射产生两个效应，其一是大气折射使像的位置相对于没有大气时产生移动，天顶距越大相对移动量也越大，当望远镜以某个视场的星为准导星时，其他视场的星像会在焦面上产生相对移动，通常称为较差大气折射像移动，它使长时间曝光的星象产生拖尾，影响这些视场的像质，其二是因大气的折射率随波长而变所产生的大气色散，此色散在天顶时为零，随天顶距的增大而变大，整个视场的星像沿着高度角方向产生色散使像质变坏，特别是对较宽的W波段影响最为明显，在60度天顶距会使像的色散増长达到1.5角秒。为保证在天顶距1到60度的天区内能保持良好的像质，在光学设计中引入大气色散矫正器6是必要的。本实施例中，所述主镜1与第一改正镜3之间的距离为3594mm，所述第一改正镜3与场镜9之间的距离为1900mm。
工作原理如下，图1中光线即是光从无限远处入射，经主镜1发射，随后经过第一改正镜3、第二改正镜4、第三改正镜5、大气色散矫正器6、第四改正镜7、滤光片8，最后通过场镜9，到达望远镜相机成像。
本实施例通过以上主镜1、4个改正镜和大气色散矫正器6等结构、排序和各几何参数设计优化，在3o大视场范围内和覆盖u/g/r/i/z/w的宽波段内实现优于0.4角秒像质的高质量成像，在充分利用台址优良视宁度的同时，获得了高达29.3 m2deg2的通光量；高紫外透过率，扩展u波段覆盖320~390nm，其中在320nm波长处光学系统透过率大于23.5%。主焦系统中星光经主镜1反射后再经改正镜在焦面成像，不需要复杂的光阑，中心挡光小，基本没有渐晕。大气色散矫正器6是由两个单独可以相对旋转棱镜组成，避免了使用Risley组合棱镜的经典方法，极大地降低了制造难度和造价，同时显著地提高了紫外透过率。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大视场巡天望远镜主焦光学系统，其特征在于：包括主镜和置于相机成像之前的主焦光学器件，所述主焦光学器件包括第一改正镜、第二改正镜、第三改正镜、大气色散矫正器、第四改正镜、滤波片和场镜，所述第一改正镜设置于所述主镜和第二改正镜之间，所述第二改正镜设置于所述第一改正镜和第三改正镜之间，所述第三改正镜设置于所述第二改正镜和大气色散矫正器之间，所述大气色散矫正器设置于所述第三改正镜和第四改正镜之间，所述第四改正镜设置于所述大气色散矫正器和滤光片之间，所述滤波片设置于第四改正镜和场镜之间，所述主镜采用非球面反射镜，所述第一改正镜采用熔融石英透镜，所述第二改正镜采用负透镜，所述第三改正镜和第四改正镜采用球面透镜。
2.根据权利要求1所述的大视场巡天望远镜主焦光学系统，其特征在于：所述第一改正镜为凸面朝向主镜的弯月型透镜，所述第一改正镜的中心厚度为100毫米，所述第一改正镜采用通光口径为0.97米熔融石英透镜。
3.根据权利要求2所述的大视场巡天望远镜主焦光学系统，其特征在于：所述大气色散矫正器包括两个相对旋转的折射棱镜，所述折射棱镜的入射面和出射面与光轴垂直。
4.根据权利要求3所述的大视场巡天望远镜主焦光学系统，其特征在于：两个所述折射棱镜均连接有驱动电机，一个驱动电机用于驱动一个折射棱镜正转，另一个驱动电机用于驱动另一个折射棱镜反转。
5.根据权利要求1所述的大视场巡天望远镜主焦光学系统，其特征在于：所述主镜采用口径为2.5米的非球面反射镜。
6.根据权利要求1所述的大视场巡天望远镜主焦光学系统，其特征在于：所述主镜与第一改正镜之间的距离为3594mm，所述第一改正镜与场镜之间的距离为1900mm。
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