CN219085222U - 一种大型望远镜的可旋转式目视观测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种大型望远镜的可旋转式目视观测系统，包括内部光学系统，其由沿光路的走向依次排布的第一平面反射镜、转像延长系统、天顶镜及目镜组成，第一平面反射镜的光学中心位于望远镜高度轴上；第一平面反射镜、转像延长系统、天顶镜位于第一光轴上，且第一光轴与望远镜高度轴垂直相交并可绕望远镜高度轴转动。本实用新型的可旋转式目视观测系统通过转像延长系统和可旋转的内部光学系统的设计，既可以实现任意高度观测者对大型望远镜的目视观测及舒适的观测角度，又实现了大型望远镜的目视观测，从而能够非常便捷的开展目视观测，方便适用于不同高度的人群，特别对儿童及残障人士提供更为舒适的观测角度。

Description

一种大型望远镜的可旋转式目视观测系统

技术领域

本实用新型属于光学系统设计领域和望远镜设计领域，具体涉及一种望远镜的目视观测系统，其应用于大型反射式望远镜中。

背景技术

大口径天文望远镜是天文观测重要的观测仪器，是获得天文数据的重要来源，大口径的望远镜主要是通过科学相机或光谱仪器等科学终端仪器进行天文科学观测。

目前的大型望远镜，以上海天文馆的1米双焦点望远镜为例，它的观测口径为1米，对于该望远镜观测方式有2种：一种是以大视场巡天观测和高分辨成像观测为主要方式的天文科学观测，另一种是通过目视系统观测的天文科普学习的重要观测手段。对于天文科普工作，目视观测极大的满足天文科普爱好者、青少年对星空探索的好奇，对天文学科的兴趣，对天文观测有一定的感性认识是重要的科普学习手段。

其中，目视观测系统一般是在中小口径望远镜上使用，例如在小于1米口径的中小口径望远镜上使用。由于中小口径望远镜本体的机架高度较低，故目视观测系统主要由天顶镜和不同倍率的目镜组成，并直接安装于望远镜的焦面位置即可进行目视观测。但对于大型望远镜系统，特别是地平式望远镜系统，焦面位置和高度轴一般距离地面较高，人无法站在地面开展目视观测；此外，尽管高度轴的高度固定，但高度轴会随着方位变化在空间是圆周运动，因此如果直接将目镜安装在高度轴，由于天体的运动，无法直接观测。例如对于上海天文馆1米双焦点望远镜高度轴(即耐焦焦面位置)高度距离地面大约3米，现有的安装于望远镜的焦面位置的目视观测系统无法使人站在地面开展目视观测。

为了使观测者站在地上就可以实现便携的目视观测，使大型望远镜具备目视观测功能，继续设计一种大型望远镜的可旋转式目视观测系统及装置，以在该望远镜上实现了任意高度观测者的便携式目视观测。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种大型望远镜的可旋转式目视观测系统，以实现不同高度观测者对大型望远镜的目视观测。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种大型望远镜的可旋转式目视观测系统，所述大型望远镜具有耐氏焦点且耐氏焦点所在的水平轴为望远镜高度轴，其特征在于，所述可旋转式目视观测系统包括内部光学系统，所述内部光学系统由沿光路的走向依次排布的第一平面反射镜、转像延长系统、天顶镜及目镜组成，所述第一平面反射镜的光学中心位于望远镜高度轴上；所述第一平面反射镜、转像延长系统、天顶镜位于第一光轴上，且第一光轴与望远镜高度轴垂直相交并可绕望远镜高度轴转动。

所述第一平面反射镜与第一光轴、望远镜高度轴的夹角均为45°。

所述转像延长系统设置为将经第一平面反射镜反射的来自耐焦焦点所在的第一焦平面的光偏折，使这些光具有在转像延长系统的成像面上成像的趋势，转像延长系统的成像面在转像延长系统远离所述第一平面反射镜的一侧。

所述转像延长系统采用1:1放大倍率的转像延长系统。

所述转像延长系统由间隔开的第一透镜组和第二透镜组组成。

所述第一透镜组和第一透镜组采用消色差或复消色差的光学结构。

所述第一透镜组由第一双凸透镜、第二双凹透镜和第三双凸透镜组成，第二透镜组由第四双凸透镜、第五双凹透镜、第六双凸透镜组成；第一双凸透镜与第二双凹透镜之间空气间隔2.8mm，第二双凹透镜与第三双凸透镜之间的空气间隔为1.5mm；第一透镜组和第二透镜组的空气间隔828mm；第四双凸透镜与第五双凹透镜之间的空气间隔为1.5mm，第五双凹透镜与第六双凸透镜之间的空气间隔为2.8mm；第一双凸透镜的第一面的曲率半径为250≤R≤270，第二面的曲率半径为-130≤R≤-110，折射率为1.61；第二双凹透镜的第一面的曲率半径为-130≤R≤-110，第二面的曲率半径为110≤R≤130，折射率为1.60；第三双凸透镜的第一面的曲率半径为120≤R≤150，第二面的曲率半径为-1070≤R≤-1020，折射率为1.62；第四双凸透镜的第一面的曲率半径为800≤R≤900，第二面的曲率半径为-150≤R≤-130，折射率为1.62；第五双凹透镜的第一面的曲率半径为-150≤R≤-130，第二面的曲率半径为100≤R≤130，折射率为1.60；第六双凹透镜的第一面的曲率半径为100≤R≤130，第二面的曲率半径为-290≤R≤-270，折射率为1.61。

所述天顶镜设于转像延长系统的成像面和转像延长系统之间，其设置为将具有在转像延长系统的成像面上成像的趋势的光经反射，使其在第二焦平面上聚焦成像；所述目镜的物方焦面与第二焦平面重合。

所述的大型望远镜的可旋转式目视观测系统还包括目视镜筒，所述目视镜筒包括依次连接的旋转三通、转像延长镜筒、天顶镜连接筒和目镜筒，第一平面反射镜容置于所述旋转三通中，转像延长系统容置于所述转像延长镜筒中，天顶镜容置于天顶镜连接筒中，目镜容置于目镜筒中，所述旋转三通与望远镜高度轴处的望远镜的转动轴承通过螺钉可旋转地连接。

所述目视镜筒还包括配重块，配重块与旋转三通的远离转像延长镜筒的一侧相连接。

本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统通过转像延长系统和可旋转的内部光学系统的设计，既可以实现任意高度观测者对大型望远镜的目视观测及舒适的观测角度，又实现了大型望远镜的目视观测，从而能够非常便捷的开展目视观测，方便适用于不同高度的人群，特别对儿童及残障人士提供更为舒适的观测角度。

附图说明

图1是具有本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统的安装位置示意图。

图2是本实用新型的可旋转式目视观测系统的内部光学系统的结构图。

图3是大型望远镜及安装于其上的本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统的总体光路图。

图4是本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统的目视镜筒的侧视图。

图5是本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统的目视镜筒的立体结构图。

图6是本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统旋转至不同观测位置时的位置示意图。

具体实施方式

为了更加清楚地解释本实用新型的技术方案和优点，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。应当理解的是，这里所描述的具体实施方式仅用于更加透彻和完整地理解本实用新型，并不用于限制本实用新型的保护范围。

如图1所示为本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统的安装位置示意图。如图1所示，在本实施例中，本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统可以应用在上海天文馆(上海科技馆分馆)的1米望远镜上，该1米望远镜是一台集大视场巡天观测、特定目标高分辨率成像以及目视系统观测功能于一体的大口径光学望远镜，1米望远镜的具体三维结构如图1所示。具体来说，该1米望远镜的各部件具体功能及连接方式参考专利号为ZL202123047626.2的专利文件“一种集耐焦、主焦及目视观测于一体的多功能天文望远镜”，望远镜的光学系统具体包括：沿光路的走向依次排布在第一光轴上的主镜1、第三镜3、副镜2，位于第三镜3的一侧的耐焦位置的本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统6，所述可旋转式目视观测系统6包括目镜。所述第三镜3将来自副镜2的光发送至耐焦位置从而进入可旋转式目视观测系统6，通常是将光偏转90度到耐焦位置；所述副镜2将来自主镜1的光反射至第三镜3。因此，该望远镜具有耐焦(即耐氏焦点)的结构，同时采用主镜1和副镜2组成的R-C光学系统结构作为望远镜光学系统的基础，再结合第三镜3将望远镜焦点反射到耐氏焦点，该耐氏焦点所在的焦面位于距离地面3米的高度位置，在高度3米的位置用现有的目镜观测显然是不可行的。

所述望远镜还包括机械部分，所述机械部分包括望远镜基座9、安装于望远镜基座9上且相对于望远镜基座9可转动的方位叉臂8、通过其水平的转动轴承10安装于方位叉臂8的臂上的中间块7、固定在望远镜中间块7上的导星镜、通过桁架5固定安装于中间块7的上方的副镜圈4。所述副镜2安装于镜筒端面，副镜圈4通过其内侧的四片支撑叶片91和螺丝来与镜筒固定连接，使得所述副镜圈4安装于副镜2的外侧且两者相对固定。所述主镜1安装于中间块7的下端。其中，水平的转动轴承10的旋转轴与水平的望远镜高度轴重合，且第三镜3位于该望远镜高度轴上。

此外，在其他实施例中，本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统也可以适用于任何具有耐氏焦点的大型望远镜，且耐氏焦点所在的水平轴为望远镜高度轴。

本实用新型可旋转式目视观测系统6包括目视镜筒和位于目视镜筒中的内部光学系统，图2是本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统的内部光学系统的结构图。如图2所示，所述内部光学系统由沿光路的走向依次排布的第一平面反射镜61、转像延长系统62、天顶镜63及目镜64组成，第一平面反射镜61的光学中心位于望远镜高度轴上，第一平面反射镜61、转像延长系统62、天顶镜63位于第一光轴上。

第一光轴与望远镜高度轴垂直相交并可绕望远镜高度轴转动。在本实施例中，第一平面反射镜61与第一光轴、望远镜高度轴的夹角均为45°，由此，第一平面反射镜61将沿着望远镜高度轴传播的光线反射，使其沿着第一光轴传播。

转像延长系统62设置为将经第一平面反射镜61反射的来自耐焦焦点所在的第一焦平面A的光偏折，使这些光具有以1:1的无缩放方式在转像延长系统62的成像面上成像的趋势，转像延长系统62的成像面在转像延长系统62远离所述第一平面反射镜61的一侧。

天顶镜63设于转像延长系统62的成像面和转像延长系统62之间，其设置为将具有在转像延长系统62的成像面上成像的趋势的光经反射使其在第二焦平面B上聚焦成像。也就是说，转像延长系统62的成像面在经过天顶镜63反射后处于第二焦平面B。

目镜64的物方焦面与第二焦平面B重合，以使得成像放大。由此，可以通过目镜64进行目视观测。

通过转像延长系统62和天顶镜63，可以将前端望远镜的耐焦位置(即第一焦平面A)通过第一平面反射镜61及转像延长系统62成像在第二焦平面B，简单的讲，意味着将望远镜的焦面再次成像至第二焦平面B，因此通过转像延长系统62，安装天顶镜63和目镜64后，观察者可以站在地面进行直接观测。

其中，转像延长系统62采用1:1放大倍率的转像延长系统，可以保留大型望远镜的长焦距高分辨的优势，配合目镜64能够获得几百倍或上千倍的放大倍率，使得观测者获得更好的体验观感。

转像延长系统62由间隔开的第一透镜组和第二透镜组组成。对于长焦距系统来说，转像延长系统62的1:1放大倍率的设计需要充分考虑二级光谱的影响，因此在设计过程中，第一透镜组和第一透镜组采用消色差或复消色差的光学结构设计，具体来说，通过各个透镜的玻璃材料的折射率与各个透镜的曲率相匹配来获得接近衍射极限的像质。

再请参见图2，第一透镜组由第一双凸透镜621、第二双凹透镜622和第三双凸透镜623组成，第二透镜组由第四双凸透镜624、第五双凹透镜625、第六双凸透镜626组成。其中，第一双凸透镜621与第二双凹透镜622之间空气间隔2.8mm，第二双凹透镜622与第三双凸透镜623之间的空气间隔为1.5mm；第一和第二透镜组的空气间隔828mm；第四双凸透镜624与第五双凹透镜625之间的空气间隔为1.5mm，第五双凹透镜625与第六双凸透镜626之间的空气间隔为2.8mm。

本实施例中，转像延长系统62的各个透镜的物理参数如表1所示。其中的1.0指的是空气折射率。

表1转像延长系统内透镜的物理参数

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如图3所示，基于上述的望远镜结构和本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统的结构，相应的目视观测过程是：望远镜对准指向观测目标，观测目标发出的光(即星光)依次经过主镜1、副镜2和第三镜3反射，被望远镜成像到耐焦位置所在的第一焦平面A，来自第一焦平面A的光经过第一平面反射镜61反射，光线相对于望远镜高度轴折转90°，在经过转像延长系统62和天顶镜63将来自第一焦平面A的光无缩放成像到第二焦平面B，最后通过目镜64，最终完成人眼对目标的直接目视观测。

如图4-图6所示，本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统的目视镜筒包括：依次连接的配重块611、旋转三通612、转像延长镜筒613、天顶镜连接筒614和目镜筒615。第一平面反射镜61容置于所述旋转三通612中，转像延长系统62容置于所述转像延长镜筒613中，天顶镜63容置于天顶镜连接筒614中，目镜64容置于目镜筒615中。在一些实施例中，配重块611可省略。

其中，旋转三通612是一个正方体的框架结构，旋转三通612具有第一、第二和第三开口，其中第一开口与望远镜的转动轴承10对齐连接，使得沿着望远镜高度轴传播的光进入到旋转三通612中；第二开口与第一开口相对，其上安装有盖板，第一平面反射镜61安装在该盖板上；第三开口位于第一光轴上，从而使得光能够经由该结构中的第一平面反射镜61反射到转像延长系统中。这三个开口的安装方式都是常规的连接方式，即通过螺钉与其他部件(如转动轴承10、盖板)相连接。

可旋转式目视观测系统的旋转三通612与望远镜高度轴处的望远镜的转动轴承10通过螺钉可旋转地连接，由此，通过旋转三通612相对于望远镜的转动轴承10的旋转来带动可旋转式目视观测系统6旋转，旋转轴为图中的虚线表示的高度轴，进而使得可旋转式目视观测系统6的目镜64能够旋转至不同高度的观测位置100、200、300，具体如图6所示，进而可获得比较舒适的观测位置和方式，满足不同身高人群的观测需求。图6中具体的第一观测位置100是可旋转式目视观测系统6在竖直状态，第二观测位置200是可旋转式目视观测系统6旋转到左侧高度位置，第三观测位置300是可旋转式目视观测系统6旋转到右侧高度位置。望远镜对准某一观测目标时，目标将是成像在耐焦焦面同时也在高度轴上，因此该装置绕高度轴旋转时成像位置不会发生变化。

配重块611通过螺钉与旋转三通612的远离转像延长镜筒613的一侧相连接，所述配重块611的重量与下端的转像延长镜筒613、天顶镜连接筒614和目镜615的总重量相同，这样以望远镜高度轴为中心即旋转三通612的上端与下端重量处于平衡的状态，只需要很小的力量就可以轻松的旋转可旋转式目视观测系统6轻松省力。

对于大型望远镜系统，特别是地平式望远镜系统，高度轴距离地面非常高；本实用新型提供的这套可旋转式目视观测系统6可以绕望远镜高度轴进行旋转，通过这种旋转设计，在不同观测者之间切换观测时，观测者只需轻松的摆动这套可旋转式目视观测系统6，在地面稍微挪动几步，目视系统端面距离地面高度会随之改变，这样实现了任意高度的目视观测。

综上，本实用新型的大型望远镜的可旋转式目视观测系统通过转像延长系统和可旋转的内部光学系统的设计，既可以实现任意高度观测者对大型望远镜的目视观测及舒适的观测角度，又实现了大型望远镜的目视观测，从而能够非常便捷的开展目视观测，方便适用于不同高度的人群，特别对儿童及残障人士提供更为舒适的观测角度。本实用新型装置已安装在上海天文馆1米双焦点望远镜上满足了不同高度人群的目视观测。

以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种大型望远镜的可旋转式目视观测系统，所述大型望远镜具有耐氏焦点且耐氏焦点所在的水平轴为望远镜高度轴，其特征在于，所述可旋转式目视观测系统包括内部光学系统，所述内部光学系统由沿光路的走向依次排布的第一平面反射镜、转像延长系统、天顶镜及目镜组成，所述第一平面反射镜的光学中心位于望远镜高度轴上；所述第一平面反射镜、转像延长系统、天顶镜位于第一光轴上，且第一光轴与望远镜高度轴垂直相交并可绕望远镜高度轴转动。

2.根据权利要求1所述的大型望远镜的可旋转式目视观测系统，其特征在于，所述第一平面反射镜与第一光轴、望远镜高度轴的夹角均为45°。

3.根据权利要求1所述的大型望远镜的可旋转式目视观测系统，其特征在于，所述转像延长系统设置为将经第一平面反射镜反射的来自耐焦焦点所在的第一焦平面的光偏折，使这些光具有在转像延长系统的成像面上成像的趋势，转像延长系统的成像面在转像延长系统远离所述第一平面反射镜的一侧。

4.根据权利要求3所述的大型望远镜的可旋转式目视观测系统，其特征在于，所述转像延长系统采用1:1放大倍率的转像延长系统。

5.根据权利要求4所述的大型望远镜的可旋转式目视观测系统，其特征在于，所述转像延长系统由间隔开的第一透镜组和第二透镜组组成。

6.根据权利要求5所述的大型望远镜的可旋转式目视观测系统，其特征在于，所述第一透镜组和第一透镜组采用消色差或复消色差的光学结构。

7.根据权利要求6所述的大型望远镜的可旋转式目视观测系统，其特征在于，所述第一透镜组由第一双凸透镜、第二双凹透镜和第三双凸透镜组成，第二透镜组由第四双凸透镜、第五双凹透镜、第六双凸透镜组成；第一双凸透镜与第二双凹透镜之间空气间隔2.8mm，第二双凹透镜与第三双凸透镜之间的空气间隔为1.5mm；第一透镜组和第二透镜组的空气间隔828mm；第四双凸透镜与第五双凹透镜之间的空气间隔为1.5mm，第五双凹透镜与第六双凸透镜之间的空气间隔为2.8mm；

第一双凸透镜的第一面的曲率半径为250≤R≤270，第二面的曲率半径为-130≤R≤-110，折射率为1.61；

第二双凹透镜的第一面的曲率半径为-130≤R≤-110，第二面的曲率半径为110≤R≤130，折射率为1.60；

第三双凸透镜的第一面的曲率半径为120≤R≤150，第二面的曲率半径为-1070≤R≤-1020，折射率为1.62；

第四双凸透镜的第一面的曲率半径为800≤R≤900，第二面的曲率半径为-150≤R≤-130，折射率为1.62；

第五双凹透镜的第一面的曲率半径为-150≤R≤-130，第二面的曲率半径为100≤R≤130，折射率为1.60；

第六双凹透镜的第一面的曲率半径为100≤R≤130，第二面的曲率半径为-290≤R≤-270，折射率为1.61。

8.根据权利要求3所述的大型望远镜的可旋转式目视观测系统，其特征在于，所述天顶镜设于转像延长系统的成像面和转像延长系统之间，其设置为将具有在转像延长系统的成像面上成像的趋势的光经反射，使其在第二焦平面上聚焦成像；所述目镜的物方焦面与第二焦平面重合。

9.根据权利要求1所述的大型望远镜的可旋转式目视观测系统，其特征在于，还包括目视镜筒，所述目视镜筒包括依次连接的旋转三通、转像延长镜筒、天顶镜连接筒和目镜筒，第一平面反射镜容置于所述旋转三通中，转像延长系统容置于所述转像延长镜筒中，天顶镜容置于天顶镜连接筒中，目镜容置于目镜筒中，所述旋转三通与望远镜高度轴处的望远镜的转动轴承通过螺钉可旋转地连接。

10.根据权利要求9所述的大型望远镜的可旋转式目视观测系统，其特征在于，所述目视镜筒还包括配重块，配重块与旋转三通的远离转像延长镜筒的一侧相连接。

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