CN112083565A - 用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，包括副镜、卡焦场改正镜组和遮光系统，遮光系统包括副镜遮光罩和卡焦场改正镜筒；所述副镜通过四叶架竖直安装在施密特焦点场镜和所述卡焦场改正镜筒之间；所述副镜遮光罩位于副镜临近卡焦场改正镜筒的一侧，与副镜密封连接；所述卡焦场改正镜筒穿过主镜中心孔，且筒身通过机械接环与主镜室中心筒牢固连接；所述第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜按序竖直排列在筒身内；所述筒身的第二端部密封连接有探测器。本发明能够使目前的施密特望远镜在大视场、低空间分辨率成像巡天的基础功能上，兼备小视场、高空间分辨率的卡塞格林焦点成像功能。

Description

用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统
技术领域
本发明涉及天文光学望远镜光学系统技术领域，具体而言涉及一种用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统。
背景技术
近地天体望远镜作为我国近地天体监测研究领域的主力观测设备之一，主要承担太阳系内小天体的巡天搜索与编目工作。近地天体望远镜的光学系统为大视场施密特望远镜，其具有短焦距、大视场、低空间分辨率的特点，巡天观测能力优异。
但对新发现的彗星和近地小行星开展高空间分辨率后随(Follow up)观测的能力不足，需要依赖其他长焦望远镜后随观测认证，时效性难以保证。另外，我国未来小行星空间探测的目标需获取高精度的轨道和物理特性信息，需要兼顾成像和光谱多终端观测，给近地天体望远镜提出了新的性能要求。因此，亟需一种方法，在近地天体望远镜像质优良的光学系统基础上通过较小的结构改动，使其兼备长焦距、小视场、高空间分辨率的成像能力。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，通过在现有施密特望远镜结构基础上，加装包括副镜、副镜遮光罩和卡焦场改正镜组在内的卡式光学系统，在目前施密特望远镜大视场、低空间分辨率成像巡天的基础功能上，增加对太阳系小天体的长焦距、小视场、高空间分辨率的卡塞格林焦点成像观测功能。
为达成上述目的，本发明提出一种用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，所述大视场施密特巡天望远镜的球面主镜中部设置有主镜中心孔，在球面主镜的反射镜面一侧竖直安装有施密特改正镜，在球面主镜和施密特改正镜的中间位置，设置有施密特焦点相机和施密特焦点场镜；所述卡式光学系统包括副镜、卡焦场改正镜组和遮光系统，遮光系统包括副镜遮光罩和卡焦场改正镜筒；
所述卡焦场改正镜筒呈圆柱形，所述卡焦场改正镜筒的筒身穿过主镜中心孔，并且通过机械接环与主镜室中心筒牢固连接，筒身的第一端部延伸至球面主镜临近施密特改正镜的一侧，筒身的第二端部延伸至球面主镜远离施密特改正镜的一侧，所述卡焦场改正镜筒的光轴与望远镜的光轴重合；
所述副镜竖直安装在所述卡焦场改正镜筒和施密特焦点场镜之间，所述副镜的光轴与望远镜的光轴重合；所述副镜遮光罩位于副镜临近卡焦场改正镜筒的一侧，与副镜密封连接；外部平行光经施密特改正镜折射后到达球面主镜，经球面主镜反射调整方向后形成第一汇聚光束，第一汇聚光束穿过副镜遮光罩到达副镜表面，经副镜反射调整方向后形成第二汇聚光束，第二汇聚光束从筒身的第一端部进入卡焦场改正镜筒；
当施密特焦点相机工作时，副镜和副镜遮光罩一起移至望远镜镜筒外侧的非工作区，当卡焦探测器工作时，副镜和副镜遮光罩移入望远镜镜筒内；
所述卡焦场改正镜组安装在卡焦场改正镜筒内，包括第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜；所述第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜按序竖直排列在筒身内，其中，第一改正透镜安装在临近筒身的第一端部处，场镜安装在临近筒身的第二端部处，第一改正透镜与第二改正透镜之间的距离L1明显小于第四改正透镜和场镜之间的距离L2，第三和第四改正透镜为一对胶合透镜；
所述筒身的第二端部密封连接有探测器，所述第二汇聚光束依次经第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜折射后进入探测器的采集端。
进一步地，所述副镜的口径大于第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜的口径；
所述第一改正透镜口径大于第二改正透镜的口径；所述第二改正透镜口径小于第三和第四改正透镜组成的胶合透镜的口径；
所述场镜的口径小于第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜的口径。
进一步地，所述副镜采用口径为263mm的凸双曲面反射镜。
进一步地，所述副镜通过四叶架安装在望远镜镜筒内壁上；当卡焦探测器工作时，副镜和副镜遮光罩移入望远镜镜筒内，回到四叶架的中心。
进一步地，所述副镜与球面主镜之间的距离为1350mm。
进一步地，所述副镜与第一改正透镜之间的距离为590mm。
进一步地，所述副镜与探测器之间的距离为1650mm。
进一步地，所述第一改正透镜的口径为131mm。
进一步地，所述第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜通过压圈密封安装在卡焦场改正镜筒内部，所述第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜均为球面透镜。
进一步地，所述卡焦场改正镜筒通过机械接环与主镜室中心筒连接。
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
(1)能够在目前施密特望远镜大视场、低空间分辨率成像巡天的基础功能上，兼具长焦距、小视场、高空间分辨率的卡塞格林焦点成像功能。
(2)能够在直径15角分的视场范围内和覆盖从486.1nm～1014nm的波段范围内实现0.5角秒左右的高质量成像。
(3)遮光系统能够有效遮挡全部夜空背景辐射，使光学系统的高质量成像性能得以充分发挥，获得高对比度、高空间分辨率的高像质天文图像。
(4)通过副镜的电控移入移出镜筒操作，实现望远镜在施密特焦点观测模式与卡塞格林焦点观测模式之间的快速切换。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统的整体结构示意图。
图2是本发明的卡式光学系统的细部结构示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
参见图1，本实施例提供一种用于大视场施密特巡天望远镜的卡氏光学系统，所述卡氏光学系统置于探测器成像之前，所述卡氏光学系统包括副镜3和遮光系统，还包括第一改正透镜4、第二改正透镜5、第三改正透镜6、第四改正透镜7和场镜8，所述遮光系统包括副镜遮光罩9和卡焦场改正镜筒10，所述卡焦场改正镜筒10位于大视场施密特巡天望远镜的球面主镜2的中心孔11内，所述卡焦场改正镜筒10的内部从左至右依次密封连接有第一改正透镜4、第二改正透镜5、第三改正透镜6、第四改正透镜7和场镜8，所述副镜3位于所述卡焦场改正镜筒10和球面主镜2的左侧，所述副镜遮光罩9位于所述副镜3的右侧且副镜遮光罩9与所述副镜3密封连接，大视场施密特巡天望远镜的施密特改正镜1用于接收外部平行光13，外部平行光13经过施密特改正镜1的折射后到达大视场施密特巡天望远镜的球面主镜2，再经由球面主镜2反射调整方向形成第一汇聚光束14，第一汇聚光束14从右侧进入副镜遮光罩9后到达副镜3的表面，第一汇聚光束14经过副镜3的反射调整方向形成第二汇聚光束15，第二汇聚光束15从左侧进入卡焦场改正镜筒10后依次经过第一改正透镜4、第二改正透镜5、第三改正透镜6、第四改正透镜7和场镜8的折射后到达探测器12的左端成像，所述探测器12的左端与所述卡焦场改正镜筒10的右端密封连接。本实施例中的探测器12可采用CCD相机或CMOS相机。
以现有的一种大视场施密特巡天望远镜为例，施密特改正镜有效口径1米，球面主镜有效口径1.2米，具备一个施密特焦点，焦距1803mm，焦比f/1.8，底片比例9μm/1″。观测波段486.1nm～1014nm，中心波长656.3nm，像斑几何能量80％≤2.0″，圆形无渐晕视场直径为3.14°。与4k CCD相机匹配，观测视场3.78平方度。与10k CCD相机匹配，观测视场9平方度，对应圆形视场直径4.28°。这样的光学系统，具有短焦距、大视场、低空间分辨率的特点，非常适合做巡天搜索观测。但对于巡天搜索观测发现的彗星、近地小行星等目标做进一步的高空间分辨率后随(Follow up)观测时，前述光学系统开始展现不足之处，需要借助卡式光学系统实现长焦距、小视场、高空间分辨率观测能力。
结合图2，以前述大视场施密特巡天望远镜为基础结构，本实施例中的所述副镜3采用口径为263mm的凸双曲面反射镜，所述副镜遮光罩9的右端直径为330mm。所述第一改正透镜4的口径为151mm。所述副镜3的顶点与探测器12的左端之间的距离为1650mm。第一改正透镜4、第二改正透镜5、第三改正透镜6、第四改正透镜7和场镜8均通过压圈等机械结构密封安装于卡焦场改正镜筒10内部，副镜3和遮光系统均通过机械支撑系统进行支撑牢固安装于大视场施密特巡天望远镜的镜筒内部，从而形成长焦距的施密特-卡塞格林光学系统，通过设置副镜3的口径大小和位置、第一改正透镜4的口径的大小和位置、副镜3与球面主镜2之间的距离、副镜3与探测器12左端的距离以及位置关系，从而在大视场施密特巡天望远镜原有的短焦距、大视场、低空间分辨率的施密特焦点成像观测功能基础上，拓展出长焦距、小视场、高空间分辨率的卡焦成像观测功能。
本发明的基本原理如下：来自遥远星体的光到达地球时已经无限趋近于平行光，星光穿越地球的大气层射向大视场施密特巡天望远镜的施密特改正镜1，经施密特改正镜1折射后到达球面主镜2，经过球面主镜2反射后再经过副镜3反射，再依次经过第一改正透镜4、第二改正透镜5、第三改正透镜6、第四改正透镜7和场镜8的折射，到达望远镜终端，通过探测器12成像，从而实现长焦距、小视场、高空间分辨率的成像观测功能。
而至于卡式光学结构中各结构件的参数和位置关系，是根据实际光学需求确定。
传统的施密特望远镜，其施密特改正镜是针对施密特焦点成像校正像差的，无法兼顾卡氏焦点的像差校正，故国外的施密特望远镜是先拆除施密特改正镜，后在施密特焦点前加装副镜来得到卡氏焦点，施密特焦点工作时再拆除副镜并将施密特改正镜装回，操作过程繁琐。本发明在不拆除施密特改正镜的前提下，用卡焦场改正镜组校正卡氏焦点的像差，并通过副镜的电控移入移出镜筒操作，实现施密特焦点与卡氏焦点工作模式间的快速转换，简单、安全、高效。
优选的，卡焦场改正镜筒通过机械接环与主镜室中心筒牢固连接，可保证卡焦场改正镜组的光轴与望远镜光轴严格重合，筒身隐藏在主镜中心孔造成的阴影内，不会对望远镜原有的施密特焦点成像造成遮挡；副镜通过四叶架安装在卡焦场改正镜筒和施密特焦点场镜之间，且所述副镜和副镜遮光罩可通过机械机构实现在施密特焦点相机工作时移至望远镜镜筒外侧的非工作区，不遮挡施密特焦点成像光束；在卡焦探测器工作时移入望远镜镜筒内，回到四叶架的中心，从而实现大视场低空间分辨率观测模式与小视场高空间分辨率观测模式间的快速转换。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，所述大视场施密特巡天望远镜的球面主镜中部设置有主镜中心孔，在球面主镜的反射镜面一侧竖直安装有施密特改正镜，在球面主镜和施密特改正镜的中间位置，设置有施密特焦点相机和施密特焦点场镜，其特征在于，所述卡式光学系统包括副镜、卡焦场改正镜组和遮光系统，遮光系统包括副镜遮光罩和卡焦场改正镜筒；
所述卡焦场改正镜筒呈圆柱形，所述卡焦场改正镜筒的筒身穿过主镜中心孔，并且通过机械接环与主镜室中心筒牢固连接，筒身的第一端部延伸至球面主镜临近施密特改正镜的一侧，筒身的第二端部延伸至球面主镜远离施密特改正镜的一侧，所述卡焦场改正镜筒的光轴与望远镜的光轴重合；
所述副镜竖直安装在所述卡焦场改正镜筒和施密特焦点场镜之间，所述副镜的光轴与望远镜的光轴重合；所述副镜遮光罩位于副镜临近卡焦场改正镜筒的一侧，与副镜密封连接；外部平行光经施密特改正镜折射后到达球面主镜，经球面主镜反射调整方向后形成第一汇聚光束，第一汇聚光束穿过副镜遮光罩到达副镜表面，经副镜反射调整方向后形成第二汇聚光束，第二汇聚光束从筒身的第一端部进入卡焦场改正镜筒；
当施密特焦点相机工作时，副镜和副镜遮光罩一起移至望远镜镜筒外侧的非工作区，当卡焦探测器工作时，副镜和副镜遮光罩移入望远镜镜筒内；
所述卡焦场改正镜组安装在卡焦场改正镜筒内，包括第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜；所述第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜按序竖直排列在筒身内，其中，第一改正透镜安装在临近筒身的第一端部处，场镜安装在临近筒身的第二端部处，第一改正透镜与第二改正透镜之间的距离L1明显小于第四改正透镜和场镜之间的距离L2，第三和第四改正透镜为一对胶合透镜；
所述筒身的第二端部密封连接有探测器，所述第二汇聚光束依次经第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜折射后进入探测器的采集端。
2.根据权利要求1所述的用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，其特征在于，所述副镜的口径大于第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜的口径；
所述第一改正透镜口径大于第二改正透镜的口径；所述第二改正透镜口径小于第三和第四改正透镜组成的胶合透镜的口径；
所述场镜的口径小于第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜的口径。
3.根据权利要求1所述的用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，其特征在于，所述副镜采用口径为263mm的凸双曲面反射镜。
4.根据权利要求1所述的用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，其特征在于，所述副镜通过四叶架安装在望远镜镜筒内壁上；当卡焦探测器工作时，副镜和副镜遮光罩移入望远镜镜筒内，回到四叶架的中心。
5.根据权利要求1所述的用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，其特征在于，所述副镜与球面主镜之间的距离为1350mm。
6.根据权利要求1所述的用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，其特征在于，所述副镜与第一改正透镜之间的距离为590mm。
7.根据权利要求1所述的用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，其特征在于，所述副镜与探测器之间的距离为1650mm。
8.根据权利要求1所述的用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，其特征在于，所述第一改正透镜的口径为131mm。
9.根据权利要求1所述的用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，其特征在于，所述第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜通过压圈密封安装在卡焦场改正镜筒内部，所述第一改正透镜、第二改正透镜、第三改正透镜、第四改正透镜和场镜均为球面透镜。
10.根据权利要求1所述的用于大视场施密特巡天望远镜的卡式光学系统，其特征在于，所述卡焦场改正镜筒通过机械接环与主镜室中心筒连接。
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