CZ13413U1 - Teleskopický systém - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká teleskopického systému vhodného zejména pro astronomii.

Dosavadní stav techniky

Dosud jsou používány teleskopické systémy, jejichž objektivy mají obvod ve tvaru kruhu nebo pravidelného n-úhelníku a jejichž úhlové rozlišení je téměř stejné ve všech směrech. Teleskop s objektivem je upevněn na nosné konstrukci, zvané montáž, umožňující teleskop přesně nastavit a jemně sním pohybovat. Užívá se montáž azimutální, paralaktická nebo čtyřosá. Azimutální montáž má jednu osu vodorovnou a druhou svislou. Kolem svislé osy se dalekohled natáčí vůči světovým stranám, ve vodorovné ose se nastavuje výška nad obzorem. Při pozorování nebeských objektů se musí plynule měnit nastavení dalekohledu kolem obou os. Paralaktická montáž má jednu osu rovnoběžnou se zemskou osou, míří do pólu. Druhá její osa je k první ose kolmá, při pozorování jednoho objektu se otáčí dalekohled kolem polární osy stálou rychlostí 15 obloukových stupňů za hodinu. Čtyřosá montáž je především pro sledování umělých družic země, tři osy se nastaví tak, aby teleskop sledoval objekt pouze pohybem kolem jedné osy. Všechny tyto pohyby obstarávají elektrické motory. V posledních letech je u většiny dalekohledů nastavení věcí počítače. Pozorovatel pouze zadá číselné souřadnice nebo přímo název objektu z databáze a může pozorovat. Tato charakteristika odpovídá všem známým teleskopickým systémům jako jsou Galileiho aKeplerův čočkový teleskopický systém a Newtonův a Cassegrainův zrcadlový teleskop.

Čočkový teleskop neboli refraktor se skládá z objektivu a optické soustavy, fungujících jako spojná čočka, které jsou umístěné na vstupním konci dalekohledu, a z okuláru na druhém konci, kterým se zvětšuje obraz vytvořený objektivem.

Zrcadlový teleskop neboli reflektor, na rozdíl od refraktoru používá jako objektiv vyduté parabolické zrcadlo. Toto primární zrcadlo soustřeďuje světlo a odráží jej zpět na malé rovinné zrcátko. To pak světlo, v případě Newtonova typu reflektoru, odráží do okuláru umístěného na boku dalekohledu. V případě dalekohledů typu Schmidt-Cassegrain nebo Maksutov-Cassegrain je světlo po průchodu korekční deskou odráženo zpět na malé zakřivené zrcátko a otvorem v hlavním zrcadle dopadá do okuláru. Místo použití okuláru pro pozorování okem lze obraz promítnout na matnici, do fotografické kamery, na digitální snímače obrazu. CCD jednotku nebo jednotku umožňující přímo snímání spektra. Tyto členy jsou umístěny v obrazové rovině celé optické soustavy se započtením všech vložených členů. Do optické dráhy mohou být ještě vkládány další optické členy, např. čočky pro zvětšení obrazu, zesilovač obrazu, korekční členy atp. Signál z digitálních snímačů je veden do záznamových zařízení, dnes nejčastěji do počítače, kde je zpracováván a archivován.

Důležitým parametrem teleskopů je jejich úhlové rozlišení. Je dáno nejmenším úhlem, pod kterým můžeme rozlišit dva body - zdroje záření. Čím menší je tento úhel, tím lepší je úhlové rozlišení. Má-li objektiv průměr D, pak je jeho půdorysná plocha dána vztahem

Ρ = πϋ²/4 a úhlové rozlišení δ pro monochromatické světlo o vlnové délce λ je určeno vztahem δ«1,22λ/ϋ, čímž je dán poměr δ/Ρ. Jeden z důvodů, který vede ke stavbě teleskopů o velikých průměrech, je požadavek astronomů o lepší úhlové rozlišení. Je například známo, že největší teleskop o průměru 30 metrů má být vybudován v Kalifornii.

Z výše uvedeného tedy vyplývá, že nevýhodou těchto známých řešení je skutečnost, že pro lepší úhlové rozlišení je potřeba především velký rozměr objektivu, neboť, jak vyplývá z uvedených

-1 CZ 13413 Ul vztahů, čím větší plocha objektivu, tím lepší úhlové rozlišení se získá. Navíc mají tyto mohutné objektivy velkou hmotnost, jsou náročné z hlediska konstrukce a technologie a jej ich výroba je nákladná.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje teleskopický systém tvořený objektivem, upevněným na nosné konstrukci umožňující azimutální, čtyřosé nebo paralaktické nastavení, a zařízením pro digitální snímání obrazu propojeným s počítačem. Podstatou nového řešení je, že objektiv je tvořen výřezem optického členu realizujícího objektiv u daného typu teleskopického systému, přičemž průmět tohoto výřezu do roviny kolmé k optické ose objektivu má v jednom směru větší rozměr. Objektiv je na nosné konstrukci, která kromě obvyklých pohybů umožňuje navíc i jeho rotaci, nebo rotaci celého teleskopického systému, kolem své optické osy.

U Newtonova zrcadlového teleskopického systému je výřez tvořen výřezem z rotačního paraboloidu a zařízení pro digitální snímání obrazil je v tomto případě umístěno v ohnisku výřezu.

Je-li řešení aplikováno pro zrcadlový teleskopický systém Cassegrainova typu, je výřez tvořen výřezem z rotačního paraboloidu s otvorem a zařízení pro digitální snímání obrazu je umístěno v obrazové rovině teleskopu.

U čočkového teleskopického systému je výřez vlastně výřezem z kruhové spojné čočky, který má jeden dominantní rozměr a zařízení pro digitální snímání obrazu je zde umístěno v obrazové rovině teleskopu.

Výhodou uvedeného řešení je, že proti všem stávajícím teleskopickým systémům navržený teleskopický systém podstatně zlepšuje úhlové rozlišení při nižších nebo srovnatelných finančních nákladech na jeho budování a při menších konstrukčních a technologických nárocích. Při současných plánech vybudovat teleskop o průměru 30 m nebo radioteleskop o ploše 10 000 m² to představuje velkou úsporu, nehledě na jeho daleko levnější provoz. Dále pro umístění teleskopu na oběžnou dráhu je velmi důležitá jeho relativně nízká hmotnost. Cenová dostupnost umožní rozmístit systém radioteleskopů s vysokým rozlišením podél Země tak, že každý bude pozorovat a zkoumat pouze část oblohy okolo zenitu.

Výhodou takto uspořádaných teleskopických systémů je, že umožňují rozlišit zdroje elektromagnetického záření, které je možno při současných pozorováních rozlišit pouze při použití teleskopu o průměru srovnatelném s maximálním rozměrem půdorysu výřezu v navrženém zařízení.

Přehled obrázků na výkresech

Příklady uspořádání teleskopického systému podle uvedeného řešení jsou znázorněny na přiložených výkresech. Na obr. 1 je schéma teleskopického systému, na obr. 2 až 4 je znázorněn výřez tvořený výřezem z rotačního paraboloidu a na obr. 5 až 7 je schematicky naznačen výřez tvořený výřezem z čočkového objektivu.

Příklady provedení technického řešení

Pro zlepšení úhlového rozlišení teleskopického systému při stejné ploše objektivu, nebo zmenšení plochy objektivu při stejném úhlovém rozlišení je navržena následující modifikace stávajících teleskopických systémů. Jako objektiv je použit výřez 1 ze základního tvaru objektivu, který je použit pro daný typ teleskopického systému. Průmět tohoto výřezu 1 do roviny kolmé k jeho optické ose musí mít rozdílnou šířku a délku. Čím je jeden rozměr objektivu větší, tím je lepší rozlišovací schopnost. Při zachování této podmínky může být půdorys takto vytvořeného objektivu například obdélník, elipsa, část kruhu vydělená dvěma tětivami, konvexní plošný obrazec tvořený oblouky, a podobně.

-2CZ 13413 Ul

Jednou z možností, jak vytvořit tento teleskopický systém je, použít jako objektiv zrcadlo ve tvaru výřezu z rotačního paraboloidu, jehož osa prochází vrcholem, jak je uvedeno na obr. 1 v sestavě systému a pak dále na obr. 2 až 4. Jedná se tedy o příklad použití u Newtonova teleskopického systému. Tento výřez i má půdorys ve tvaru obdélníka, jak ukazuje obr. 2, jehož jeden rozměr L je podstatně větší než druhý B. Na obr. 3 je pak uveden tento výřez I v řezu A-A a na obr. 4 v řezu B-B. Uhlové rozlišení tohoto systému pro monochromatické světlo o vlnové délce λ potom je δ « λ / L = Βλ / P ve směru rozměru La5'«X/B = LX/Pve směru rozměru B. Poměr úhlových rozlišení δ'/δ bude potom určovat v jakých směrech, to znamená při jakých úhlech, bude třeba měřit a kolik obrazů pro rekonstrukci zobrazovaného objektu je potřeba.

Tento navržený teleskopický systém má tedy různá úhlová rozlišení v různých směrech. Umístěním objektivu ve formě výřezu I na nosnou konstrukci 4, ve většině případů na montáž, která umožňuje navíc proti stávajícím montážím jeho rotaci kolem optické osy vytvořeného objektivu, je možné pomocí této rotace získat stejné úhlové rozlišení ve všech směrech. K výřezu 1 se připojí zařízení 2 pro digitální snímání obrazu, a to buď přímo do ohniska výřezu i nebo do obrazové roviny teleskopu, podle typu použitého teleskopického systému. Zařízením 2 pro digitální snímání obrazu může být digitální kamera, CCD nebo člen snímající přímo spektrum záření, které jsou propojeny s počítačem 3.

Zobrazení vzdálených objektů uvedeným teleskopickým systémem probíhá takto. Pohybem nosné konstrukce 4 se provede zamíření optické osy teleskopu na sledovaný objekt. Poté se začnou při současném otáčení objektivu tvořeného výřezem I, případně celého teleskopického systému kolem optické osy, snímat při každém zvoleném pootočení zařízením 2 pro digitální snímání obrazu, například CCD kamerou, obrazy sledovaného objektu. Vzniklý výstupní signál se vede do počítače 3, který je vybaven softwarem analogickým počítačové tomografii, který je schopen rekonstruovat obraz z řezů při natáčení objektivu a/nebo teleskopu kolem optičké osy. Na rozdíl od tomografie, kde se vyhodnocuje integrální absorpce, zde se vyhodnocuje integrální intenzita signálu v jednotlivých bodech obrazu v jednotlivých polohách otáčení. Tato integrální intenzita pochází z prostoru, který je určen úhly, jež odpovídají úhlovým rozlišením. Počet snímků a výsledný úhel natočení závisí na úhlovém rozlišení ve směru šířky objektivu a jsou voleny tak, aby bylo možno zrekonstruovat obraz s nejlepším úhlovým rozlišením ve všech směrech. Počítač 3 má tedy několik funkcí, a to řídí pohyb nosné konstrukce 4, tedy montáže, zpracovává výstupní signál ze zařízení 2 pro digitální snímání obrazu a rekonstruuje obraz sledovaného objektu ze získaných integrálních intenzit při jednotlivých úhlech snímání. Bude-li například úhlové rozlišení v jednom směru 180 stupňů, je měřena integrální intenzita v tomto směru z celé oblohy a k rekonstrukci obrazu je potřeba dostat sekvenci snímků pro otočení teleskopu o 180 stupňů.

Když se zaznamená série obrazů sledovaných objektů nebo části oblohy při více různých úhlech natočení objektivu nebo celého teleskopu kolem optické osy, lze pomocí počítače 3 zrekonstruovat obraz s maximálním úhlovým rozlišením, tj., úhel δ bude minimální. Z tohoto důvodu je tedy potřeba napojit zařízení 2 pro digitální snímání k počítači 3 a současně přesně snímat úhel natočení objektivu a/nebo teleskopu kolem optické osy a pozici objektu. Kromě úhlu natočení se sledují také všechny ostatní parametry, jako jsou souřadnice, čas, polohy objektu ěi nastavení montáže, což je dnes standardní pro jakákoli pozorování.

Teoreticky je samozřejmě možné při astronomických pozorováních v některých případech s výhodou použít rotaci oblohy kolem pólu místo vlastní rotace objektivu nebo teleskopu kolem optické osy. To znamená, že při pozorování části oblohy dochází díky rotaci Země k rotaci obrazu a tato rotace může nahradit otáčení systému kolem optické osy.

Jinou možností realizace uvedeného principu je, vytvořit výřez i z objektivu ve tvaru spojné čočky, která má obdélníkový obvod, totožný s obdélníkovým výřezem z kruhové spojné čočky, jak uvádí obr. 5 a dále obr. 6 a 7 znázorňující řezy A-A respektive řez B-B tímto výřezem i. Tento výřez i může vzniknout dvěma řezy rovnoběžně s optickou osou, kterými se odříznou protilehlé části kruhové spojky. V tomto případě je zařízení 2 pro digitální snímání obrazu

-3 CZ 13413 Ul umístěno v obrazové rovině teleskopu. Délka L tohoto výřezu 1 opět určuje úhlové rozlišení ajeho šířka B počet měření a úhel natočení objektivu resp. teleskopu, potřebný pro rekonstrukci obrazu s maximálním rozlišením.

Průmyslová využitelnost

Uvedený teleskopický systém lze s výhodou využít například v astronomii, kdy umožní nahlížet hlouběji do vesmíru, rozlišit planetární systémy, umožní umístit na oběžné dráze kolem Země přístroje pro špionážní sledování, dálkový průzkum Země, záchranné akce při katastrofách, radioastronomická pozorování atd. V podstatě lze říci, že tímto systémem lze nahradit většinu používaných teleskopických systémů.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Teleskopický systém tvořený objektivem, upevněným na nosné konstrukci (4) umožňující azimutální nebo paralaktické nastavení, a zařízením (2) pro digitální snímání obrazu propojeným s počítačem (3), vyznačující se tím, že objektiv je tvořen výřezem (1) optického členu realizujícího objektiv u daného typu teleskopického systému, kde průmět tohoto výřezu (1) do roviny kolmé k optické ose objektivu má v jednom směru větší rozměr.
2. 2. Teleskopický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že výřez (1) je výřezem z rotačního paraboloidu a zařízení (2) pro digitální snímání obrazu je umístěno v ohnisku výřezu (1).
3. 3. Teleskopický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že výřez (1) je výřezem z rotačního paraboloidu s otvorem a zařízení (2) pro digitální snímání obrazuje umístěno v obrazové rovině teleskopu.
4. 4. Teleskopický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že výřez (1) je výřezem z kruhové spojné čočky a zařízení (2) pro digitální snímání obrazuje umístěno v obrazové rovině teleskopu.
5. 5. Teleskopický systém podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že objektiv a/nebo celý teleskop je na nosné konstrukci uložen otočně kolem své optické osy.