DE102007036711A1 - Optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel - Google Patents

Optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel Download PDF

Info

Publication number
DE102007036711A1
DE102007036711A1 DE102007036711A DE102007036711A DE102007036711A1 DE 102007036711 A1 DE102007036711 A1 DE 102007036711A1 DE 102007036711 A DE102007036711 A DE 102007036711A DE 102007036711 A DE102007036711 A DE 102007036711A DE 102007036711 A1 DE102007036711 A1 DE 102007036711A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
lens
camera sensor
observation system
optical observation
tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102007036711A
Other languages
English (en)
Inventor
Joachim Dr. Schulte in den Bäumen
Jens-Peter Schulte in den Bäumen
Thomas Berthold
Peter Dr. Kroll
Bernd Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SOCRATES GmbH
Original Assignee
SOCRATES GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SOCRATES GmbH filed Critical SOCRATES GmbH
Priority to DE102007036711A priority Critical patent/DE102007036711A1/de
Publication of DE102007036711A1 publication Critical patent/DE102007036711A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/02Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices involving prisms or mirrors
    • G02B23/06Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices involving prisms or mirrors having a focussing action, e.g. parabolic mirror
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/16Housings; Caps; Mountings; Supports, e.g. with counterweight
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03BAPPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B11/00Filters or other obturators specially adapted for photographic purposes
    • G03B11/04Hoods or caps for eliminating unwanted light from lenses, viewfinders or focusing aids
    • G03B11/045Lens hoods or shields
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03BAPPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B15/00Special procedures for taking photographs; Apparatus therefor

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Telescopes (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel. Das erfindungsgemäße optische Beobachtungssystem weist einen Tubus (3) auf, der an einer Teleskopmontierung (1) aufgenommen ist. Die Teleskopmontierung (1) ermöglicht mittels einer Ansteuerung und Antrieben (27, 28) eine Drehung des Tubus (3) um eine im Wesentlichen vertikale Drehachse (4) und eine Kippung des Tubus um eine zur Drehachse im Wesentlichen senkrechte Kippachse (5). Im Tubus (3) ist ein Linsenobjektiv (8) aufgenommen. Dem Linsenobjektiv (8) ist in Beobachtungsrichtung eine Lichtschutzstruktur (9) vorgeschaltet, die einen unmittelbaren Einfall von Sonnenlicht auf das Linsenobjektiv (8) verhindert. Im Tubus (3) ist weiterhin ein zweidimensionaler Kamerasensor (23) angeordnet, auf den der zu beobachtende Himmelskörper über das Linsenobjektiv (8) abgebildet wird. Dem Kamerasensor (23) ist ein Bildintegrationssystem nachgeschaltet, das eine Integration der Signale einer Vielzahl Kamerabilder ermöglicht. Die Ansteuerung der Teleskopmontierung bewegt den Tubus (3) entsprechend der Bewegung des zu beobachtenden Himmelskörpers derart, dass der zu beobachtende Himmelskörper über eine Vielzahl von Auslesezyklen des Kamerasensors (23) pixelgenau auf den Kamerasensor (23) abgebildet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel.
  • Ein derartiges Beobachtungssystem kann beispielsweise ein Lunar-Teleskop sein, das dazu dient, die Abfolge der Monate des islamischen Kalenders routinemäßig zu definieren. Denn nach den Gesetzen des Islam beginnt ein neuer Monat jeweils, wenn die neue Mondsichel nach Sonnenuntergang gesichtet und diese Sichtung von drei gläubigen Moslems bezeugt wird. Demzufolge ist es für eine möglichst exakte Bestimmung des islamischen Kalenders wichtig, nach Neumond die zunehmende neue Mondsichel möglichst früh nach Sonnenuntergang zu sichten oder nachzuweisen. Wegen der unmittelbar nach Sonnenuntergang am westlichen Horizont noch sehr starken Streustrahlung des Sonnenlichts ist eine Beobachtung der Mondsichel am dann noch mehr oder minder taghellen Himmel bisher nicht möglich. Denn die Helligkeit der Mondsichel ist dann nur etwa eintausendstel heller als der Hintergrund.
  • Bisherige Versuche, mit Fernrohren und anderen Teleskopen den Mond in unmittelbarer Nähe zur Sonne, also in einem Winkel unter 15° zur Sonne nachzuweisen, haben bisher keine befriedigenden Ergebnisse erzielt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel zu schaffen, mit dem die zunehmende Mondsichel in der Nähe zur Sonne beobachtbar oder nachweisbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem optischen Beobachtungssystem mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
  • Das erfindungsgemäße optisches Beobachtungssystem weist einen Tubus auf, der an einer Teleskopmontierung aufgenommen ist. Die Teleskopmontierung ermöglicht mittels einer Ansteuerung und Antrieben eine Drehung des Tubus um eine im wesentlichen vertikale Drehachse und eine Kippung des Tubus um eine zur Drehachse im wesentlichen senkrechte Kippachse. Im Tubus ist ein Linsenobjektiv aufgenommen. Dem Linsenobjektiv ist in Beobachtungsrichtung eine Lichtschutzstruktur vorgeschaltet, die einen unmittelbaren Einfall von Sonnenlicht auf das Linsenobjektiv verhindert. Im Tubus ist weiterhin ein zweidimensionaler Kamerasensor angeordnet, auf den der zu beobachtende Himmelskörper über das Linsenobjektiv abgebildet wird. Dem Kamerasensor ist ein Bildintegrationssystem nachgeschaltet, das eine Integration der Signale einer Vielzahl von Kamerabildern ermöglicht. Die Ansteuerung der Teleskopmontierung bewegt den Tubus entsprechend der Bewegung des zu beobachtenden Himmelskörpers derart, dass der zu beobachtende Himmelskörper über eine Vielzahl von Auslesezyklen des Kamerasensors pixelgenau auf den Kamerasensor abgebildet wird.
  • Durch die exakte Nachführung des Beobachtungssystems entsprechend der scheinbaren Bewegung des zu beobachtenden Himmelskörpers aufgrund der Erdbewegung wird erreicht, dass der zu beobachtende Himmelskörper über eine Vielzahl von Auslesezyklen des Kamerasensors pixelgenau auf den Kamerasensor abgebildet wird und deshalb eine Vielzahl Kamerabilder integriert werden können, um dadurch den nur sehr geringen Helligkeitsunterschied zwischen dem zu beobachtenden Himmelskörper und dem Bildhintergrund zu verstärken.
  • Das Linsenobjektiv und die Pixelabmessungen des Kamerasensors sollten so aufeinander abgestimmt sein, dass die Abmessungen der einzelnen lichtempfindlichen Pixel des Kamerasensors den Abmessungen des Airyscheibchens des Linsenobjektivs entsprechen. Durch diese Maßnahme wird eine maximale Empfindlichkeit bei gleichzeitig maximaler erreichbarer Auflösung erreicht.
  • Für die Beobachtung des Monds ist es ausreichend, wenn das Linsenobjektiv eine Öffnung zwischen 100 mm und 150 mm aufweist. Weiterhin sinnvoll ist es, wenn das Linsenobjektiv ein Apochromat ist, der in einem vorgewählten Spektralbereich, vorzugsweise im Wellenlängenbereich zwischen etwa 400 nm und 900 nm beugungsbegrenzt abbildet.
  • Der Kamerasensor kann in der Brennebene des Linsenobjektivs angeordnet sein bzw. der Kamerasensor und das Linsenobjektiv können so zueinander angeordnet sein, dass sich der Kamerasensor direkt – also ohne weitere Zwischenabbildung – in der Brennebene des Linsenobjektivs befindet. Dadurch ergibt sich ein relativ einfaches optisches System, das von seinem optischen Aufbau eher einer Kamera mit einem langbrennweitigen Objektiv als einem Teleskop entspricht. Da bei einem solchen System nur wenige Luft-Glas-Grenzflächen vorhanden sind, entsteht im Abbildungssystem nur wenig Streulicht.
  • Im Strahlengang zwischen dem Linsenobjektiv und dem Kamerasensor sollte ein Spektralfilter oder ein Filterwechsler mit mehreren, jeweils wahlweise in den Strahlengang einschaltbaren Spektralfiltern angeordnet sein. Durch eine spektrale Begrenzung des detektierten Lichts auf einen Wellenlängenbereich von 100 bis 200 nm last sich die differentielle Refraktion des Lichts, die am Horizont stark ist, unschädlich machen. Der ausgewählte Wellenlängenbereich liegt vorzugsweise im nahen Infrarot-Bereich zwischen 700 und 900 nm, weil in diesem Spektralbereich die Rayleigh-Streuung des Lichts relativ schwach ist.
  • Die Ausgangssignale des Kamerasensors sollten mit einer Datentiefe von 12 bit oder mehr digitalisiert werden. Nur bei einer solchen Datentiefe lässt sich sicherstellen, dass das Nutzsignal noch hinreichend aufgelöst wird und nicht zwischen den Digitalisierungsstufen verschwindet.
  • Die Lichtschutzstruktur ist vorzugsweise eine seitlich weitgehend offene, aus Streben bestehende tubusförmige Leichtgewichtskonstruktion mit darin aufgenommenen Blenden. Die Blenden sind dabei so gestaltet und angeordnet, dass sie einen direkten Einfall des Sonnenlichts bei einem Richtungsabstand zwischen der optischen Achse des Linsenobjektivs und der Position der Sonne von 10° oder mehr verhindern. Durch die Leichgewichtskonstruktion wird erreicht, dass das Gewicht der Lichtschutzstruktur die Bewegung des Tubus bei der Nachführung nicht nachteilig stört. Die offenen, strebenartige Konstruktion liefert außerdem weniger Windangriffsfläche als ein geschlossenes Rohr, wodurch die stabile und schwingungsarme Ausrichtung des Tubus erleichtert wird.
  • Die Streben der Lichtschutzstruktur können aus einem Kohlefaser-verstärkten Kunststoff bestehen.
  • Vor dem Linsenobjektiv sollte ein über einen Sensor gesteuerter Shutter angeordnet sein. Dieser Shutter sollte so ausgelegt und angesteuert sein, dass im Falle einer Ausrichtung des Tubus auf die Sonne, der Shutter selbsttätig den Strahlengang zum Kamerasensor unterbricht, um eine Beschädigung des Kamerasensors auszuschließen.
  • Die bewegungsmäßige Ansteuerung der Teleskopmontierung sollte die vom Luftdruck, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit abhängige Refraktion von Licht bei horizontnahem Eintritt von Licht in die Erdatmosphäre berücksichtigen. Dafür sollte das Beobachtungssystem entsprechende Sensoren für den Luftdruck, die Umgebungstemperatur und die Luftfeuchtigkeit aufweisen.
  • Das Linsenobjektiv sollte zur Fokussierung entlang seiner optischen Achse motorisch angetrieben verschiebbar ist. Außerdem sollte ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Teleskops vorgesehen sein und es sollte eine Fokussiersteuerung vorgesehen sein, die eine bei Temperaturänderungen auftretende Defokussierung in Abhängigkeit von der vom Temperatursensor ermittelten Temperaturänderungen kompensiert. Diese Maßnahmen sind sinnvoll, da vor dem hellen Bildhintergrund eine Fokussierung an Einzelbildern nicht möglich ist und demzufolge eine Fokussierung am Nachthimmel einer vorhergehenden Nacht vorgenommen werden muss. Durch die temperaturabhängige Nachfokussierung können dann durch thermische Längenänderungen am Tubus oder am Linsenobjektiv sonst verursachte Defokussierungen kompensiert werden.
  • Wenn ein Beobachtungssystem nach der vorliegenden Erfindung als Lunar-Teleskop ausgebildet sein soll und geeignet sein soll, die Mondsichel bereits vor dem Sonnenuntergang, also bei hellem Himmel sichtbar zu machen, so ist zunächst zu berücksichtigen, dass in der terrestrischen Atmosphäre zwei Streuprozesse dominieren:
    • • Die Rayleigh-Streuung an atmosphärischen Molekülen, die bei 90° Streuwinkel zur Sonne am effektivsten ist. Das gestreute Licht ist vollständig polarisiert. Die Rayleigh-Streuung ist stark wellenlängenabhangig mit 1/λ4.
    • • Die Mie-Streuung an Aerosolen und Staubteilchen, die hauptsächlich eine unpolarisierte Vorwärtsstreuung darstellt. Diese ist kaum wellenlängenabhängig.
  • Es können bei beiden Streuarten auch Mehrfachstreuungen auftreten, die im Falle der Rayleigh-Streuung die Wellenlängenabhängigkeit aufheben. Damit wird klar, dass gerade bei zunehmender Annäherung an die Sonnen die Himmelshelligkeit stark zunimmt und die Helligkeit des Mondes um Größenordnungen übertreffen kann. Es besteht deshalb also die Aufgabe, eine schwache und sehr schmale Strahlungsquelle innerhalb eines Gesichtsfeldes mit extrem hoher Hintergrundhelligkeit zu detektieren. Das gilt grundsätzlich auch für die Beobachtungen am Horizont bei Sonnenuntergang, wenn auch durch die Okkultation des Sonnenlichtes durch den Horizont die Hintergrundhelligkeit abgenommen hat. Zu diesem Phänomen gibt es keine präzisen Messungen, die eine theoretische Untersuchung stützen könnten.
  • Die folgenden Prinzipien müssen eingehalten werden oder erscheinen optimal, damit eine frühe Sichtung der Mondsichel noch vor Sonnenuntergang möglich ist:
    • • Es muss eine Lichtschutzstruktur vor dem Hauptobjektiv vorghanden sein, um zu verhindern, dass das Licht von der Sonne direkt die Optik treffen kann.
    • • Da die in der Astronomie weit verbreiteten Cassegrain-Spiegelsysteme mit dem Problem der „Tagblindheit" behaftet sind und insbesondere die zahlreichen Schmidt-Cassegrain-Systeme aus dem Amateur-Astronomiebereich eine große Anzahl optischer Oberflächen enthalten, die wieder viel Streulicht erzeugen, ist eine Linsenoptik erforderlich.
    • • Die Öffnung der Linsenoptik scheint mit 100 mm–150 mm vollkommen ausreichend für die Beobachtung des Mondes zu sein.
    • • Ein 3-linsiger Apochromat mit einer Öffnung von 130 mm und einer Brennweite von 1000 mm erscheint für die frühe Sichtung der Mondsichel optimal.
    • • Die Optik sollte den vollen Mond formatfüllend auf dem CCD-Chip abbilden. Bei einer Brennweite von 1000 mm und einer Chip-Größe von 115 mm hat das Bild des Mondes mit der vorgenannten Optik einen Durchmesser von 9 mm und der Mond füllt den Chip linear zu 65% aus.
    • • Das optische System muss beugungsbegrenzt und in Kombination mit dem Detektor muss das System detektorbegrenzt sein.
    • • Das vorgenannte Zeiss-APC 130/1000-Objektiv und die CCD-Kamera mit 1 k×1 k Pixel mit einer Pixelgröße von 15 μm erfüllt die vorgenannten Bedingungen.
    • • Das APQ 130/1000 besitzt als mittlere Linse eine Kristall-Linse aus Flussspat (CaF2). Das Sekundärspektrum des Objektivs ist für den gesamten Wellenlängenbereich praktisch Null und damit das Objektiv im gesamten Wellenlängenbereich von 400 bis 900 nm beugungsbegrenzt.
    • • Das Airy-Scheibchen des Objektivs hat in der Fokalebene einen Durchmesser von 15 μm und passt damit perfekt auf ein Pixel, d. h. die Kombination Optik-Detektor ist beugungsbegrenzt und stellt dadurch ein Optimum dar.
    • • Als detektierter Wellenlängenbereich wird der Bereich zwischen 700 nm–800 nm gewählt. Dieser Wellenlängenbereich kann durch die Kombination von Ha-Kantenfilter und IR-Sperrfilter erzeugen werden.
    • – Dieser Bereich liegt im nahem IR, in dem die Rayleigh-Streuung nur noch schwach ist.
    • – Dieser Bereich ist möglichst schmal gewählt, um die differentielle Refraktion, die besonders am Horizont dominant wird, unschädlich zu machen.
    • • Als CCD-Kamera wird eine real-time-fähige Kamera mit integriertem Prozessor gewählt, die ein geringes read-out-noise hat und 15 Bilder/sec. liefern kann. Innerhalb einer Beobachtungszeit, die vernünftigerweise maximal 3 min. beträgt, können so 1800 Bilder erzeugt werden.
    • • Da eine Hellfeld-Beobachtung durchzuführen ist, reicht eine ungekühlte Kamera. Wichtig ist aber, dass die Kamera automatisch Flatfielding in real-time durchführen kann. Dazu kann das gesamte Beobachtungssystem auf die Kuppel ausgerichtet werden, um ein unfokussiertes, gleichmäßig ausgeleuchtetes Feld aufzuzeichnen. Die vorhandenen Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den einzelnen Kamerapixeln können so ermittelt und bei der Auswertung nachfolgend aufgezeichneter Kamerabilder herausgerechnet werden.
    • • Die Kamera sollte netzfähig sein und die Bilder mit 1 Gbit/sec auf einen Netzwerkserver übertragen.
    • • Das Bildverarbeitungsverfahren hat die Aufgabe, das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Eine Simulation dieses Verfahrens hat ergeben, dass bei einem Ansatz von 10000 Photonen/Pixel mit einer Streuung gemäß der Poissonverteilung von ±100 Photonen/Pixel für die Hintergrundstrahlen und 10 Photonen/Pixel für die Mondhelligkeit nach der pixelweisen Addition der Signale die schwache Mondsichel bereits nach der Überlagerung von 50 Bildern schwach zu erkennen ist. Das liegt hauptsächlich an der guten Erkennbarkeit des menschlichen Auges von geometrischen Strukturen in verrauschten Bildern. Nach 100 Zyklen ist die Sichel klar zu erkennen und nach 400 Zyklen ist die Sichel dominant.
    • • Folgende Vorbedingung für die Funktionsfähigkeit dieses Bildbearbeitungsverfahrens müssen erfüllt sein:
    • – Eine steife und stabile Teleskopmontierung, die auch bei Anregung von Windböen nicht zu Schwingungen neigt.
    • – Ein präzises Pointing und vor allem Tracking muss gewährleistet sein. Während des Trackings muss das Teleskop ohne zu ruckeln den Mond nachführen.
    • – Eine präzise Berechnung der atmosphärischen Refraktion am Horizont. Die atmosphärische Refraktion nimmt am Horizont große Werte an auch auf Bergen von 3000 m Höhe. Zwischen 89° und 90° Zenitdistanz ändert sich die Refraktion um 500 arc sec. Die Nachführung legt 1° in 10 min. zurück, d. h. der Fehler kann 1 arc sec./sec betragen, ein Wert der zu groß ist, da 1 Pixel einem Feld von 2.7 arc sec entspricht. Bei falscher Berechnung der atmosphärischen Refraktion verschmiert sich das Licht des Mondes bereits in 3 sec um 1 Pixel. Die gemeinhin verwendeten Algorithmen zur Berechnung der Refraktion vom Typ R = A·tan z – B·tan3z mit z als Zenitdistanz ist am Horizont nicht funktionsfähig. Ein Algorithmus, der auch am Horizont die Refraktion zutreffend beschreibt und sogar darunter, ist publiziert im „Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac", und beruht auf einer rekursiven Berechnung von Temperatur und Dichte der atmosphärischen Schichten in unterschiedlichen Höhen. Dieser Algorithmus ist für die Sichtung des Monds am Horizont für die Berechnung der Nachführung des Teleskops anzuwenden. Und dieser Algorithmus muss dafür real-time-fähig implementiert sein.
    • • Sonnenschutzeinrichtung Es muss unbedingt verhindert werden, dass die Sonnenstrahlung durch Zufall oder Fehler direkt in das optische System gelangt. In einem solchen Falle würde mindestens das Kamerasystem zerstört. Die Sonnenschutzeinrichtung muss unabhängig von der Stromversorgung funktionieren, denn bei Stromausfall bleibt das Teleskop möglicherweise in einer Position stehen, bei der die Sonne in das Gesichtsfeld des Teleskops hineinwandern könnte. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden deshalb Solarzellen als Stromversorgung und für die Detektion der Sonne ein Alu-Röhrchen mit integrierter Photodiode verwendet. Im Falle der Sonnendetektion fällt ein Relais ab und die Schutzklappe wird mit Federkraft geschlossen.
    • • Die alt-azimutalen Teleskopmontierung anhaftende Drehung des Bildfeldes wird durch eine Drehung der einzelnen Bilder unter Softwarekontrolle bei der Bildauswertung kompensiert.
    • • Die verwendete Teleskopmontierung wurde für ein 35 cm Cassegrain-Teleskop entwickelt. Sie enthält mechanische Lagerungen in beiden Achsen. Die Struktur besteht aus geschweißten Stahlblechen, die eine äußert stabile Konstruktion darstellen. Die Kräfte, die die Gabel vom Zentralrahmen des Tubus aufzunehmen hat, werden in eine sehr dicke und damit stabile Stahlplatte eingeleitet und damit aufgefangen. Die Antriebe sind in beiden Achsen zweistufige Reibradantriebe, die eine sehr gleichmäßige Nachführung garantieren. Die Präzision der Drehbewegungen wird erreicht mit hochauflösenden digitalen Incrementalencodern, die direkt sowohl mit der Elevationsachse als auch mit der Azimutachse verbunden sind.
  • Nachfolgend werden Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Beobachtungssystems anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1: eine teilweise perspektivische Darstellung eines Lunar-Telekops,
  • 2: den Tubus des Teleskops aus 1 im Schnitt, und
  • 3a bis 3f: Simulationen von Kamerabildern nach unterschiedlichen Anzahlen an Integrationszyklen.
  • In der 1 ist mit (1) die Teleskopmontierung bezeichnet. Sie besitzt eine Stahlplatte (2), die fest auf dem Boden steht. An der Stahlplatte (2) ist über eine Gabel (6) der Tubus (3) um eine vertikale Achse (Azimut) (4) drehbar und um eine horizonale Achse (Elevation) (5) kippbar aufgenommen. Die Drehachsen enthalten jeweils eine mechanische Lagerung in beiden Achsen (4, 5). Die Struktur der Gabel (6) besteht aus geschweißten Stahlblechen, die eine äußert stabile Konstruktion darstellen. Die Kräfte, die die Gabel (6) vom Zentralrahmen (30) des Tubus (3) aufzunehmen hat, werden in die sehr dicke und damit stabile Stahlplatte (2) eingeleitet und damit aufgefangen.
  • Die Antriebe (27, 28) für die Nachführung des Tubus (3) sind in der Stahlplatte (2) bzw. in der Gabel (6) integriert und deshalb in der perspektivischen Darstellung nicht sichtbar. Der Antrieb in den beiden Drehachsen (4, 5) erfolgt über zweistufige Reibradantriebe, die eine sehr gleichmäßige Nachführung garantieren. Die Präzision der Drehbewegungen wird erreicht mit hochauflösenden digitalen Incrementalencodern, die direkt sowohl mit der Elevationsachse (5) als auch mit der Azimutachse (4) verbunden sind.
  • Für die Ansteuerung der Nachführbewegung des Tubus entsprechend der scheinbaren Bewegung des Monds ist ein Rechner (7) vorgesehen. Der Rechner (7) berechnet in real-time die scheinbare Bewegung des Monds unter Berücksichtigung der Lichtbrechung bei horitontalem Lichteinfall nach dem Algorithmus wie dieser „Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac", Uni Sci Books, Sausalito, CA oder in L. H. Auer, E. M. Standish, „Astronomical Refraction: Computational Method for All Zenith Angles, AJ, 119, (2000) veröffentlicht ist und steuert die Antriebe für die Nachführung des den Tubus (3) entsprechend an.
  • Im Tubus (3) ist ein Linsenobjektiv (8) angeordnet, das als dreilinsiger Apochromat mit einer Brennweite von 1000 mm und einer Öffnung von 130 mm ausgebildet ist.
  • Dem Linsenobjektiv vorgeschaltes ist eine Lichtschutzstruktur (9). Sie besteht aus einer etwa 2,5 m langen Gitterstruktur, die die optische Achse (OA) des Linsenobjektivs (8) rohrförmig umgibt. Die Gitter oder Streben der Gitterstruktur sind aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff. Innerhalb des von der Gitterstruktur gebildeten Rohres sind Blenden (10, 11, 12) entlang der optischen Achse (OA) des Linsenobjektivs (8) angeordnet, deren Öffnungsdurchmesser jeweils so gewählt sind, dass die Blenden (10, 11, 12) nicht aperturbegrenzend wirken aber dennoch verhindern, dass Licht, das unter einem Winkel von mehr als 15° geneigt zur optischen Achse (OA) des Linsenobjektivs (8) einfällt, direkt auf die objektseitige Linsenoberfläche des Linsenobjektivs auftrifft.
  • Unmittelbar vor dem Linsenobjektiv (8) ist ein Shuttersystem angeordnet. Das Shuttersystem besitzt zwei Shutter (13), die über relaisgesteuerte Antriebe (14) gegen die Kraft nicht dargestellter Federn gehalten werden. Für die Stromversorgung sind nicht näher dargestellte Solarzellen vorgesehen. In einem parallel zur optischen Achse des Linsenobjektivs (8) ausgerichteten Aluminiumrohr (16) ist eine Photodiode (17) angeordnet. Fällt auf die Photodiode (17) Licht, wird über ein Relais der Stromkreis für die Shutterantriebe (14) unterbrochen und die Shutter durch die Kraft der Federn in den Strahlengang geschwenkt. Der Durchmesser und die Länge des Aluminiumrohres (16) sind so gewählt, dass der Aperturwinkel, unter dem die Photodiode (17) Licht empfangen kann, größer als die Öffnung des Linsenobjektivs (8) ist, so dass die Photodiode früher Sonnenlicht empfängt als dass das Sonnenlicht direkt auf das Linsenobjektiv einfällt.
  • Das Linsenobjektiv (8) ist innerhalb des Tubus (3) entlagt der optischen Achse (OA) des Linsenobjektivs zur Fokussierung verschiebbar. Die Antriebe für die Fokussierbewegung sind allerdings in der 1 nicht näher dargestellt.
  • Hinter dem Linsenobjektiv (8) folgt im Strahlengang ein Umlenkspiegel (19), der nur den Zweck hat, die gesamte Baulänge des Tubus zu verkürzen. In dem vom Umlenkspiegel (19) umgelenkten Strahlengang folgt ein Filterrad (20) mit acht Filterpositionen für unterschiedliche Spektralfilter (21) und darauf der Kamerasensor (23).
  • Weiterhin sind am System ein Temperatursensor (24), ein Luftdrucksensor (25) und ein Luftfeuchtigkeitssensor (26) angeordnet.
  • Da der helle Bildhintergrund keine präzise Fokussierung erlaubt, ist es erforderlich, das Beobachtungssystem in einer vorhergehenden Nacht am Sternenhimmel zu fokussieren. Die bei dieser Fokussierung mit dem Temperatursensor (24) ermittelte Temperatur wird im Rechner (7) abgespeichert. Bei einer nachfolgenden Beobachtung bei einer anderen Temperatur, z. B. am Tage, wird der Abstand zwischen dem Linsenobjektiv (8) und dem Kamerasensor (23) in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur und der Temperatur zum Zeitpunkt der Fokussierung so nachgeregelt, dass das Beobachtungssystem auf einen unendlichen Beobachtungsgegenstand fokussiert bleibt. Dabei wird sowohl eine eventuelle Materialdehnung oder Stauchung des Tubus (3) als auch eine temperaturabhängige Brechkraft des Linsenobjektivs (8) berücksichtigt. Die dafür erforderlichen Daten sind durch zuvor durchgeführte Kalibriermessungen gewonnen und ebenfalls im Rechner (7) abgespeichert.
  • Der Kamerasensor hat 1000·1000 Pixel jeweils mit Kantenlängen von 15 μm·15 μm. Da die Airy-Scheibchen des Linsenobjektivs (8) einen Durchmesser von ebenfalls 15 μm haben, ergibt sich insgesamt eine beugungs- und detektorbegrenzte Abbildung.
  • Während der Beobachtung des Monds mit dem Beobachtungsgerät wird die Ausrichtung des Beobachtungsgeräts relativ zur Erde über die Antriebe (27, 28) der Teleskopmontierung so nachgesteuert, dass von einer Stelle des Monds ausgehendes Licht über eine Vielzahl an Bildern stets auf das selbe Pixel des Kamerasensors (23) fällt. Wie bereits weiter oben erwähnt wird bei der Ermittlung der erforderlichen Nachführung die Brechung des Lichts bei horizontalem Lichteinfall in die Erdatmosphäre berücksichtigt. Durch Integration der Bildsignale von etwa 50 bis 100 Bilder lässt sich dann der Mond auch vor einem taghellen Hintergrund nachweisen.
  • Der Rechner (7) dient, wie bereits oben erwähnt, zur Berechnung der für die Nachführung des Beobachtungssystems entsprechend der scheinbaren Bewegung des Monds oder eines anderen zu beobachtenden Himmelskörpers und zur Ansteuerung der entsprechenden Antriebssysteme. Bei dieser Berechnung wird die Refraktion des Lichts bei horizontaler Beobachtung berücksichtigt. Zusätzlich dient der Rechner (7) zur Steuerung einer eventuellen Fokussierbewegung durch verschieben des Linsenobjektivs (8) in Richtung seiner optischen Achse (OA) unter Berücksichtigung der jeweiligen Temperaturwerte bei der Beobachtung und zum Zeitpunkt der Fokussierung, um sicher zu stellen, dass sich der Kamerasensor (23) auch bei der Beobachtung in der Brennebene des Linsenobjektivs (8) befindet. Außerdem dient der Rechner auch zum Ansteuern der Auslesevorgänge des Kamerasensors (23). Die Mittelung bzw. Integration der Kamerabilder wird zwischen den Auslesezyklen von Prozessoren vorgenommen, die im Kamerasensor (23) integriert sind. Die jeweils ausgelesenen Kamerabilder werden dann auf einen nicht dargestellten Netzwerkserver übertragen, der dann die weitere Bildintegration vornimmt.
  • Die 3a bis 3f zeigen Simulationen von integrierten Kamerabildern. Dabei wurde angenommen, dass als Hintergrund- und Streustrahlung pro Pixel während der Aufnahme eines Kamerabildes 10000 Photonen mit einer Streuung gemäss der Poissonverteilung von +–100 Photonen/Pixel einfallen. Für das vom Mond kommende Signal wurden 10 Photonen pro Pixel in einem einzelnen Kamerabild zugrund gelegt. In der 3a ist das zu erwartende Einzelbild dargestellt, in dem noch kein sinnvoller Bildinhalt zu erkennen ist, da die statistische Streuung (das statistische Rauschen) der Hintergrundstrahlung das vom Mond stammende Signal überdeckt. Gleiches gilt nach Integration von zwei (3b) und drei (3c) Bildern. Nach der Integration von 50 Bildern (3d) ist die Mondsichel schon schwach erkennbar. Nach der Intergration von 100 Bildern (3e) ist die Mondsichel schon deutlich zu erkennen und nach der Integration von 400 Bildern (3f) ist die Mondsichel dominant.
  • Unter Integration der Bilder ist dabei oben stets zu verstehen, dass die Signale der einzelnen Pixel in den einzelnen Bildern jeweils pixelweise addiert werden und von diesem Summenergebnis jeweils die über das gesamte Bild gemittelte mittlere Bildhelligkeit in jedem Pixel abgezogen wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - „Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac", Uni Sci Books, Sausalito, CA oder in L. H. Auer, E. M. Standish, „Astronomical Refraction: Computational Method for All Zenith Angles, AJ, 119, (2000) [0026]

Claims (15)

  1. Optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel, mit einem Tubus (3), der an einer Teleskopmontierung (1) aufgenommen ist, wobei die Teleskopmontierung (1) mittels einer Ansteuerung und Antrieben (27, 28) eine Drehung des Tubus (3) um eine im wesentlichen vertikale Drehachse (4) und eine Kippung des Tubus um eine zur Drehachse (4) im wesentlichen senkrechte Kippachse (5) ermöglicht, einem im Tubus aufgenommenen Linsenobjektiv (8), einer dem Linsenobjektiv (8) in Beobachtungsrichtung vorgeschalteten Lichtschutzstruktur (9), einem zweidimensionalen Kamerasensor (23), auf den der zu beobachtende Himmelskörper über das Linsenobjektiv (8) abgebildet wird und einem dem Kamerasensor (23) nachgeschalteten Bildintegrationssystem, wobei die Ansteuerung (27, 28) der Teleskopmontierung den Tubus (3) entsprechend der Bewegung des zu beobachtenden Himmelskörpers derart nachfährt, dass der zu beobachtende Himmelskörper über eine Vielzahl von Auslesezyklen des Kamerasensors (23) pixelgenau auf den Kamerasensor (23) abgebildet wird.
  2. Optisches Beobachtungssystem nach Anspruch 1, wobei das Linsenobjektiv und die Pixelabmessungen des Kamerasensors (23) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Abmessungen der einzelnen lichtempfindlichen Pixel des Kamerasensors (23) den Abmessungen des Airyscheibchens des Linsenobjektivs (8) entsprechen.
  3. Optisches Beobachtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Linsenobjektiv (8) einen Öffnungsdurchmesser zwischen 100 mm und 150 mm aufweist.
  4. Optisches Beobachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Linsenobjektiv (8) ein Apochromat ist.
  5. Optisches Beobachtungssystem nach Anspruch 4, wobei das Linsenobjektiv (8) in einem vorgewählten Spektralbereich beugungsbegrenzt abbildet.
  6. Optisches Beobachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kamerasensor (23) in der Brennebene des Linsenobjektivs (8) positioniert ist.
  7. Optisches Beobachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im Strahlengang zwischen dem Linsenobjektiv (8) und dem Kamerasensor (23) ein Spektralfilter (21) oder ein Filterwechsler (20) mit mehreren, jeweils wahlweise in den Strahlengang einschaltbaren Spektralfiltern (21) angeordnet ist.
  8. Optisches Beobachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ausgangssignale des Kamerasensors (23) mit einer Datentiefe von 12 bit oder mehr digitalisiert werden.
  9. Optisches Beobachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Lichtschutzstruktur (9) eine seitlich weitgehend offene, aus Streben bestehende tubusförmige Leichtgewichtskonstruktion mit darin aufgenommenen Blenden (10, 11, 12) ist.
  10. Optisches Beobachtungssystem nach Anspruch 10, wobei die Streben der Lichtschutzstruktur (9) aus einem Kohlefaser-verstärkten Kunststoff bestehen.
  11. Optisches Beobachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei vor dem Linsenobjektiv (8) ein über einen Sensor (17) gesteuerter Shutter (13) angeordnet ist.
  12. Optisches Beobachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Ansteuerung der Teleskopmontierung die vom Luftdruck, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit abhängige Refraktion von Licht bei horizontnahem Eintritt von Licht in die Erdatmosphäre berücksichtigt.
  13. Optisches Beobachtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Linsenobjektiv (8) zur Fokussierung entlang seiner optischen Achse (OA) motorisch angetrieben verschiebbar ist.
  14. Optisches Beobachtungssystem nach Anspruch 13, wobei ein Temperatursensor (24) zur Messung der Temperatur des Teleskops vorgesehen ist.
  15. Optisches Beobachtungssystem nach Anspruch 14, wobei eine Fokussiersteuerung vorgesehen ist, die eine bei Temperaturänderungen auftretende Defokussierung in Abhängigkeit von der vom Temperatursensor (24) ermittelten Temperaturänderungen kompensiert.
DE102007036711A 2006-12-12 2007-08-03 Optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel Withdrawn DE102007036711A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007036711A DE102007036711A1 (de) 2006-12-12 2007-08-03 Optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006058453.8 2006-12-12
DE102006058453 2006-12-12
DE102007036711A DE102007036711A1 (de) 2006-12-12 2007-08-03 Optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102007036711A1 true DE102007036711A1 (de) 2008-10-23

Family

ID=39768048

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102007036711A Withdrawn DE102007036711A1 (de) 2006-12-12 2007-08-03 Optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102007036711A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109343297A (zh) * 2018-10-25 2019-02-15 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种被动热控型月面相机及成像方法
CN114935818A (zh) * 2022-06-16 2022-08-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种适用于大口径望远镜的跟踪架以及大口径望远镜

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac", Uni Sci Books, Sausalito, CA oder in L. H. Auer, E. M. Standish, "Astronomical Refraction: Computational Method for All Zenith Angles, AJ, 119, (2000)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109343297A (zh) * 2018-10-25 2019-02-15 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种被动热控型月面相机及成像方法
CN114935818A (zh) * 2022-06-16 2022-08-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种适用于大口径望远镜的跟踪架以及大口径望远镜
CN114935818B (zh) * 2022-06-16 2023-08-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种适用于大口径望远镜的跟踪架以及大口径望远镜

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69626292T2 (de) System für tag- und nachtsicht
DE102006031114A1 (de) 3D Kombinationsmessgerät aus digitaler Kamera und Laserscanner
DE3300728C2 (de) Ein im infraroten Spektralbereich arbeitendes optisches Beobachtungssystem
EP2449761A1 (de) Kamera für ein fahrzeug
WO2014086773A1 (de) Laserstrahlhorizontalitätstreue-überprüfvorrichtung und ebensolches verfahren
DE102011104023A1 (de) Optische Vorrichtung zum Führen von Strahlung aus einer Objektszene auf einen Detektor
EP1744195A1 (de) Tag-Nachtsichtgerät
DE102009009602A1 (de) Spektralauflösende elektronische Röntgenkamera
DE3214269C2 (de)
DE102016218291A1 (de) Verfahren zur kontaktfreien Ermittlung einer zweidimensionalen Temperaturin-formation sowie Infrarot-Messsystem
DE2025934B2 (de) Sichtgeraet
Siebenmorgen et al. The science impact of HAWK-I
DE2533214C3 (de) Vorrichtung zur Erfassung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Strahlung
DE102007036711A1 (de) Optisches Beobachtungssystem zur Beobachtung von Himmelskörpern am hellen Himmel
Mackay et al. High-resolution imaging in the visible from the ground without adaptive optics: new techniques and results
DE102014208734A1 (de) Verfahren zur Messung des Anhubs elektrischer Fahrleitungen auf Fahrwegen des schienengebundenen Verkehrs
CH657924A5 (de) Okular.
EP2948808A1 (de) Umgebungsüberwachungsvorrichtung
DE102013220577B4 (de) Verfahren zur Autofokussierung eines abbildenden optischen Sensors einer Luftbildkamera oder einer Weltraumkamera und Luftbild- oder Weltraumkamera
Lokhorst et al. The pathfinder Dragonfly Spectral Line Mapper: pushing the limits for ultra-low surface brightness spectroscopy
EP1920287B1 (de) Tag-nachtsichtgerät
Borra Liquid mirror telescopes-Present and future
DE752425C (de) Ablesevorrichtung fuer Teilungen und Skalen
DE19522605C1 (de) Kalibrationseinrichtung
Udhwani et al. Assembly and testing of Ground Layer Adaptive Optics (GLAO) for ARIES Telescopes

Legal Events

Date Code Title Description
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20120301