ITCS20120034A1

ITCS20120034A1 - TELESCOPE, INCLUDING A PRIMARY SPHERICAL MIRROR, LARGE FIELD OF VIEW

Info

Publication number: ITCS20120034A1
Application number: IT000034A
Authority: IT
Inventors: Marco Chiarini; Lorenzo Cibin
Original assignee: Cgs Spa Compagnia Generale Dello Sp Azio
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-03-29

Description

Telescopio, comprendente uno specchio primario sferico, ad ampio campo di vista Telescope, comprising a spherical primary mirror, with a wide field of view

Ambito Tecnico dell’Invenzione Technical Field of the Invention

Il gran numero di detriti presenti attorno alla Terra rappresenta un rischio crescente per la sicurezza dei satelliti operativi e per i veicoli spaziali anche alla luce del fatto che il loro numero è in rapido aumento. Pertanto le principali Agenzie Spaziali così come diversi Istituti, sia Pubblici che Privati, operanti nel Settore dello Spazio, stanno dedicando uno sforzo crescente a tale problematica - i cui argomenti fanno parte del quadro più generale della Consapevolezza sulla Sorveglianza dello Spazio (Space Surveillance Awareness, SSA) - viste le forti preoccupazioni che tale situazione suscita relativamente alla possibilità futura di accesso e sfruttamento dello Spazio. The large number of debris present around the Earth represents a growing risk for the safety of operational satellites and spacecraft also in light of the fact that their number is rapidly increasing. Therefore, the main Space Agencies as well as various Institutes, both public and private, operating in the Space Sector, are dedicating an increasing effort to this problem - whose topics are part of the more general framework of Space Surveillance Awareness, SSA) - given the strong concerns that this situation raises regarding the future possibility of access and exploitation of Space.

Allo stato attuale dell’arte non esistono tecniche efficaci di rimozione attiva dei detriti spaziali, pertanto è importantissimo monitorare tali detriti in vario modo per conoscere le loro orbite e prevenire eventuali collisioni. Per raggiungere questo obiettivo è necessario costruire nel minor tempo possibile cataloghi ad elevatissima copertura degli oggetti orbitanti nello Spazio Limitrofo alla Terra, che comprendano anche oggetti caratterizzati da dimensioni molto ridotte, dimensioni che possono scendere fino a pochi centimetri di diametro per le regioni orbitali più basse. At the current state of the art, there are no effective techniques for the active removal of space debris, therefore it is very important to monitor such debris in various ways to know their orbits and prevent any collisions. To achieve this goal it is necessary to build in the shortest possible time catalogs with very high coverage of objects orbiting in the Space Neighboring the Earth, which also include objects characterized by very small dimensions, dimensions that can go down to a few centimeters in diameter for the lowest orbital regions. .

La metodologia classica prevede l’utilizzo di osservazioni radar per orbite a bassa altitudine e di osservazioni ottiche per detriti posizionati ad altitudini più elevate. In effetti però anche per orbite LEO (Low Earth Orbits), che rappresentano l’applicazione di maggiore difficoltà, l’introduzione di stazioni di osservazione basate su sensori ottici a supporto dei sistemi radar, può fornire diversi vantaggi nella risposta alle problematiche poste dal settore SSA, potendo, tra l’altro, contribuire al contenimento dei costi necessari per l’implementazione ed il mantenimento di complessi sistemi radar. In particolare, diversi studi hanno dimostrato che oltre i 1000-1100 km di altitudine, l’apparecchiatura radar necessaria diventa estremamente onerosa nell’applicazione, dati gli enormi quantitativi di energia che devono essere rilasciati per raggiungere tali profondità, con conseguenti costi elevatissimi di allestimento ed operazione, associati, d’altro canto, ad una serie ingente di problemi concernenti la sicurezza e la salvaguardia ambientale. The classical methodology involves the use of radar observations for low-altitude orbits and optical observations for debris positioned at higher altitudes. In fact, however, even for LEO orbits (Low Earth Orbits), which represent the most difficult application, the introduction of observation stations based on optical sensors to support radar systems, can provide various advantages in responding to the problems posed by the sector. SSA, being able, among other things, to contribute to the containment of the costs necessary for the implementation and maintenance of complex radar systems. In particular, several studies have shown that above 1000-1100 km of altitude, the necessary radar equipment becomes extremely expensive in the application, given the enormous quantities of energy that must be released to reach such depths, with consequent very high set-up costs. and operation, associated, on the other hand, with a huge series of problems concerning safety and environmental protection.

Il vantaggio offerto dalle soluzioni ottiche è reso chiaro da diverse considerazioni. La principale differenza fisica tra osservazioni ottiche e radar non è limitata solamente alla lunghezza d’onda del segnale ricevuto, ma piuttosto dipende dal tipo di illuminazione dell’oggetto osservato. In un sensore radar il bersaglio è illuminato attivamente dal segnale radar stesso, mentre nel caso di un sensore ottico ci si basa al contrario sulla ricezione passiva della luce diffusa dall’oggetto quando questo è illuminato dal Sole. In questo senso il vantaggio della tecnica ottica risiede esattamente nell’abbondante flusso di energia fornito dal Sole. In particolare i vantaggi sulle prestazioni di sistemi basati su sensori ottici derivano dal fatto che l’intensità dell’illuminazione della superficie ricevente è inversamente proporzionale al quadrato della distanza compresa tra l’oggetto bersaglio e l’osservatore, mentre nel caso di un radar tale intensità è inversamente proporzionale alla quarta potenza della medesima distanza. Inoltre, un sensore ottico rivela un segnale caratterizzato da una densità di energia per unità di sezione enormemente più elevata di quella raggiungibile dal sistema radar più potente attualmente concepibile. The advantage offered by optical solutions is made clear by several considerations. The main physical difference between optical and radar observations is not limited only to the wavelength of the received signal, but rather depends on the type of illumination of the observed object. In a radar sensor, the target is actively illuminated by the radar signal itself, while in the case of an optical sensor, on the contrary, it is based on the passive reception of the light scattered by the object when it is illuminated by the sun. In this sense the advantage of the optical technique resides exactly in the abundant flow of energy supplied by the Sun. In particular, the advantages on the performance of systems based on optical sensors derive from the fact that the intensity of the illumination of the receiving surface is inversely proportional to the square of the distance between the target object and the observer, while in the case of a radar this intensity is inversely proportional to the fourth power of the same distance. Furthermore, an optical sensor detects a signal characterized by an energy density per unit of section enormously higher than that achievable by the most powerful radar system currently conceivable.

D’altro canto, le osservazioni ottiche sono soggette ad altre limitazioni, anch’esse derivanti dal processo fisico di osservazione. Infatti, poiché la sorgente di illuminazione del satellite/detrito è il Sole, un requisito essenziale per l’osservazione ottica è che l’oggetto da rilevare risieda all’esterno del cono d’ombra della Terra. Del resto un sensore ottico di Terra non può operare a meno ché la stazione di osservazione in cui è collocato sia all’interno dello stesso cono d’ombra della Terra. Inoltre l’elevazione dell’oggetto da osservare deve essere superiore ad un valore minimo fissato, tipicamente di c.a. 15° dall’orizzonte, in grado di garantire una massa d’aria sufficientemente ridotta in modo da evitare valori di ‘seeing’ atmosferici inaccettabili. Tutte queste limitazioni vanno a sommarsi agli effetti della curvatura della superficie terrestre. On the other hand, optical observations are subject to other limitations, also deriving from the physical observation process. In fact, since the source of illumination of the satellite / debris is the Sun, an essential requirement for optical observation is that the object to be detected resides outside the shadow cone of the Earth. After all, an optical Earth sensor cannot operate unless the observation station in which it is located is within the same shadow cone of the Earth. In addition, the elevation of the object to be observed must be higher than a fixed minimum value, typically of approx. 15 ° from the horizon, able to guarantee a sufficiently low air mass in order to avoid unacceptable atmospheric 'seeing' values. All these limitations add to the effects of the curvature of the earth's surface.

Le condizioni sopradescritte inerenti l’illuminazione solare sono piuttosto restrittive: gli oggetti orbitanti, in particolare in orbite LEO, - che rappresentano la condizione più stringente -, risultano pertanto in condizioni di illuminamento ed osservabilità solo immediatamente dopo il tramonto ed immediatamente prima dell’alba. Va aggiunto che le migliori condizioni di osservazione si verificano quando l’angolo di fase è minimo, evento che si propone durante i minuti immediatamente successivi al tramonto o immediatamente precedenti l’aurora. Oggetti molto piccoli, fino a qualche centimetro di diametro, sono rilevabili solo quando passano in prossimità del bordo del cono d’ombra terrestre, ad angoli di fase minimi a cui appaiono più luminosi, e pertanto durante finestre temporali molto ristrette in prossimità dell’alba e del tramonto. In pratica è importantissimo iniziare le operazioni di osservazione non appena il cielo è abbastanza buio da evitare che il bagliore di fondo porti le immagini a saturazione, e di converso, terminare le operazioni il più tardi possibile a ridosso dell’alba. The conditions described above regarding solar illumination are rather restrictive: orbiting objects, in particular in LEO orbits, - which represent the most stringent condition -, are therefore in conditions of illumination and observability only immediately after sunset and immediately before dawn. . It should be added that the best observation conditions occur when the phase angle is minimal, an event that occurs during the minutes immediately following sunset or immediately preceding the dawn. Very small objects, up to a few centimeters in diameter, are detectable only when they pass near the edge of the earth's shadow cone, at minimum phase angles at which they appear brighter, and therefore during very narrow time windows near dawn and sunset. In practice, it is very important to start the observation operations as soon as the sky is dark enough to prevent the background glare from bringing the images to saturation, and conversely, to finish the operations as late as possible close to dawn.

Un altro requisito stringente, necessario per le attività di monitoraggio ed inseguimento degli oggetti presenti nello Spazio Limitrofo alla Terra, in modo che queste risultino efficaci di fronte all’incremento veloce di Soggetti operanti nel settore dello Spazio, è dettato dalla necessità di definire rapidamente la catalogazione di una elevata percentuale della popolazione di oggetti ivi orbitanti, caratterizzati da dimensioni tali da renderli potenziali generatori di eventi catastrofici in caso di collisione. Per rendere l’idea, questo requisito si traduce nella necessità di catalogare non meno del 99% di tutti gli oggetti di diametro superiore a 8-10 cm che risiedono nella fascia orbitale avente altezza al perigeo compresa tra 1000 e 1400 km. Figure corrispondenti si possono esprimere per le fasce orbitali più elevate con un conseguente aumento del diametro minimo degli oggetti da catalogare. Ciò non ostante questo non rilassa in alcun modo i requisiti sul sensore ottico, in quanto l’aumento di dimensioni degli oggetti da catalogare è compensato dall’incremento corrispondente della loro distanza. Dal lato opposto, l’aumento della luminosità che si verifica per oggetti posizionati ad orbite più basse in condizioni di fase ottimale, è compensato dalla maggiore velocità apparente degli oggetti stessi (che nella fascia LEO può arrivare a superare 1/3 di grado al secondo). Questo effetto forza i fotoni che arrivano dall’oggetto a distribuirsi su una riga di pixels del foto ri ve lato re quando l’immagine dell’oggetto viene acquisita, con la conseguenza di ridurre il corrispondente valore del rapporto Segnale su Rumore di un fattore 1/T, dove T è il numero di pixels attraversati. Another stringent requirement, necessary for the monitoring and tracking activities of the objects present in the Space Adjacent to the Earth, so that they are effective in the face of the rapid increase of Subjects operating in the Space sector, is dictated by the need to quickly define the cataloging of a high percentage of the population of objects orbiting there, characterized by such dimensions as to make them potential generators of catastrophic events in the event of a collision. To convey the idea, this requirement translates into the need to catalog no less than 99% of all objects with a diameter greater than 8-10 cm residing in the orbital belt having a height at the perigee between 1000 and 1400 km. Corresponding figures can be expressed for the higher orbital bands with a consequent increase in the minimum diameter of the objects to be cataloged. Nevertheless, this does not in any way relax the requirements on the optical sensor, as the increase in size of the objects to be cataloged is compensated by the corresponding increase in their distance. On the other hand, the increase in brightness that occurs for objects positioned at lower orbits in optimal phase conditions, is compensated for by the higher apparent speed of the objects themselves (which in the LEO range can exceed 1/3 of a degree per second ). This effect forces the photons arriving from the object to distribute themselves on a line of pixels of the detected photo when the image of the object is acquired, with the consequence of reducing the corresponding value of the Signal to Noise ratio by a factor of 1. / T, where T is the number of pixels crossed.

Attraverso l’elaborazione delle tracce rilasciate dagli oggetti nell’immagine della porzione del cielo dove gli oggetti transitavano durante l’acquisizione dell’immagine stessa, è possibile ottenere un insieme di parametri orbitali inerenti le orbite percorse dagli oggetti registrati. In particolare la combinazione degli insiemi di parametri orbitali ottenuti da almeno due tracce osservate appartenenti allo stesso oggetto, rilevate a tempi diversi o da stazioni diverse, permette il calcolo dell’insieme completo di parametri definenti in modo univoco l’orbita dell’oggetto, che consente di ottenere una sua catalogazione preliminare. By processing the traces released by the objects in the image of the portion of the sky where the objects passed during the acquisition of the image itself, it is possible to obtain a set of orbital parameters relating to the orbits traveled by the recorded objects. In particular, the combination of the sets of orbital parameters obtained from at least two observed traces belonging to the same object, detected at different times or from different stations, allows the calculation of the complete set of parameters uniquely defining the orbit of the object, which allows to obtain its preliminary cataloging.

Per raccogliere dati di catalogo utili però le suddette orbite devono essere calcolate con una precisione molto elevata, requisito che implica la necessità di ottenere immagini delle tracce degli oggetti da catalogare ad elevata risoluzione, tipicamente dell’ordine del secondo d’arco. A questo punto, una volta che l’oggetto è stato scoperto e preliminarmente catalogato, una ulteriore procedura di raffinamento dell’orbita è necessaria, sia sfruttando altre tracce dell’oggetto registrate a tempi successivi, sia inseguendo l’oggetto in modo da mantenere la sua posizione fissa in un pixel dell’immagine. Quest’ultimo approccio, definito tecnicamente Tasking’ o ‘Follow up’, consiste nell’inseguire l’oggetto nel cielo durante tutto il tempo di acquisizione dell’immagine (tempo di esposizione), mediante un movimento appropriato del telescopio. In questo modo si mantiene l’immagine dell’oggetto fissa su un singolo o al più su un ristretto numero di pixels, in modo da consentire ai fotoni di accumularsi e non di distribuirsi su una striscia, in modo da migliorare drasticamente il valore di rapporto segnale su rumore. To collect useful catalog data, however, the aforementioned orbits must be calculated with very high precision, a requirement that implies the need to obtain images of the traces of the objects to be cataloged at high resolution, typically of the order of the second of arc. At this point, once the object has been discovered and preliminarily cataloged, a further procedure of refinement of the orbit is necessary, both by exploiting other traces of the object recorded at subsequent times, and by following the object in order to maintain the its fixed position in one pixel of the image. The latter approach, technically defined as Tasking 'or' Follow up ', consists in following the object in the sky throughout the image acquisition time (exposure time), by means of an appropriate movement of the telescope. In this way the image of the object is kept fixed on a single or at most on a small number of pixels, in order to allow the photons to accumulate and not to distribute themselves on a strip, in order to drastically improve the ratio value. signal on noise.

Riepilogando, è necessario generare rapidamente e mantenere aggiornati cataloghi di oggetti che coprano una percentuale molto elevate della popolazione distribuita nelle diverse fasce orbitali dello Spazio Limitrofo alla Terra, determinando i loro parametri orbitali con elevata accuratezza e aggiornando questi sistematicamente, per mantenere il grado di accuratezza necessario, e ridurre quindi al minimo il numero di riosservazioni. In summary, it is necessary to quickly generate and keep up-to-date catalogs of objects that cover a very high percentage of the population distributed in the different orbital belts of the Space Neighboring the Earth, determining their orbital parameters with high accuracy and updating these systematically, to maintain the degree of accuracy. necessary, and therefore minimize the number of re-observations.

Questo scenario si traduce nella necessità di implementare telescopi di aperture di ingresso sufficientemente ampia, (in modo da raccogliere un numero di fotoni sufficiente a rilevare anche gli oggetti meno luminosi), con ampissimo campo di vista (campo di vista maggiore di dieci gradi quadri) e con capacità di movimentazione veloce, pur permettendo tempi di esposizione brevi ( anche meno di un secondo) e riposizionamento veloce (in pochi secondi), in modo da scandagliare ampie porzioni di cielo, là dove le condizioni di osservazioni sono ottimali anche per oggetti di luminosità molto debole. Inoltre il sensore ottico deve fornire immagini con qualità ottica elevata e risoluzione limitata solo dal ‘seeing’ atmosferico, in modo da ottenere la necessaria precisione sui parametri orbitali durante il processo di determinazione dell’orbita degli oggetti scoperti. This scenario results in the need to implement telescopes with sufficiently large entrance apertures, (in order to collect a number of photons sufficient to detect even the less luminous objects), with a very wide field of view (field of view greater than ten square degrees) and with fast handling capacity, while allowing short exposure times (even less than a second) and fast repositioning (in a few seconds), in order to scan large portions of the sky, where the observation conditions are optimal even for objects of very weak brightness. In addition, the optical sensor must provide images with high optical quality and resolution limited only by atmospheric 'seeing', in order to obtain the necessary precision on the orbital parameters during the process of determining the orbit of the discovered objects.

Dal punto di vista meccanico è perciò necessario implementare strutture a dinamica veloce e ad elevata rigidità, per poter effettuare un riposizionamento rapido del Telescopio con cicli brevissimi di smorzamento delle vibrazioni, così da ottenere una elevata precisione di puntamento e stabilità di movimento. From a mechanical point of view it is therefore necessary to implement fast dynamic structures and high rigidity, in order to be able to perform a rapid repositioning of the Telescope with very short cycles of vibration damping, so as to obtain high pointing precision and stability of movement.

Stato dell’Arte State of the art

Nonostante il gran numero di tipi di telescopio e soluzioni inerenti adottate per l’Astronomia e le attività a questa correlate, solo un numero molto ristretto di architetture e relativi disegni, offre in linea di principio alcune delle stringenti caratteristiche ottiche, necessarie per soddisfare le necessità poste dalle tematiche SSA. Despite the large number of types of telescope and inherent solutions adopted for astronomy and related activities, only a very limited number of architectures and related designs offer in principle some of the stringent optical characteristics necessary to meet the needs. posed by SSA issues.

Lo sviluppo di telescopi con risoluzione critica definita su un ampio campo di vista registrò un importante avanzamento con l’introduzione del telescopio di Schmidt. In fatti, paragonato con un telescopio standard a fuoco primario provvisto di correttore di campo, il telescopio di Schmidt può produrre immagini di buona qualità su un campo notevolmente più ampio. Pertanto l’architettura Schmidt è stata ampiamente utilizzata per fotografia ed osservazione ad ampio campo del cielo e rappresenta una soluzione allo stato dell’arte nel campo dei telescopi ad ampio campo [J. L. Synge, “The Theory of thè Schmid† Telescope”, J. Opt. Soc. Am., 3, 129-136, (1943); D. Lynden-Bell and R. V. Willstrop, “Exact optics - VI. Schmid† cameras and prime correctors”, Mon. Not. R. Astron. Soc. 387, 677-688 (2008)]. The development of telescopes with critical resolution defined over a wide field of view recorded an important advance with the introduction of the Schmidt telescope. In fact, compared to a standard primary focus telescope equipped with a field corrector, the Schmidt telescope can produce good quality images over a considerably wider field. Therefore, the Schmidt architecture has been widely used for photography and wide-field observation of the sky and represents a solution to the state of the art in the field of wide-field telescopes [J. L. Synge, “The Theory of the Schmid † Telescope”, J. Opt. Soc. Am., 3, 129-136, (1943); D. Lynden-Bell and R. V. Willstrop, “Exact optics - VI. Schmid † cameras and prime correctors ”, Mon. Not. R. Astron. Soc. 387, 677-688 (2008)].

Uno dei vantaggi principali offerti dall’architettura Schmid† è rappresentato dall’applicazione di uno specchio sferico come elemento primario riflettente. Tale specchio sferico riceve la luce che ha attraversato una lente asferica sottile, definita come lastra di correzione o correttore, che compensa le distorsioni dell'immagine prodotte dalla forma sferica del primario stesso. One of the main advantages offered by the Schmid † architecture is represented by the application of a spherical mirror as a primary reflecting element. This spherical mirror receives the light that has passed through a thin aspherical lens, defined as a correction plate or corrector, which compensates for the distortions of the image produced by the spherical shape of the primary itself.

Dal punto di vista del progetto il vantaggio principale dell’architettura Schmid† risiede nel fatto che il campo di vista di uno specchio sferico non ha aberrazioni dipendenti dal campo di vista stesso: ogni punto nel campo è identico, dal momento che uno specchio sferico non ha un unico asse ottico. Al contrario, per uno specchio primario parabolico, l’aberrazione sferica è nulla per tutti i raggi, ma il coma produce una degradazione delle immagini fuori asse, che aumenta linearmente con lo spostamento rispetto al centro del campo. Come diretta conseguenza della curvatura sferica della lente primaria, in un telescopio Schmid† standard il correttore di campo è normalmente posizionato nel centro di curvatura del primario, allo scopo di trasformare il fronte d’onda incidente, in modo tale da farlo ritornare sferico dopo la riflessione sul primario e direzionare quindi i raggi luminosi in un singolo punto. From the design point of view, the main advantage of the Schmid architecture † lies in the fact that the field of view of a spherical mirror does not have aberrations dependent on the field of view itself: every point in the field is identical, since a spherical mirror does not has a single optical axis. On the contrary, for a parabolic primary mirror, the spherical aberration is zero for all the rays, but the coma produces a degradation of the off-axis images, which increases linearly with the displacement with respect to the center of the field. As a direct consequence of the spherical curvature of the primary lens, in a standard Schmid † telescope the field corrector is normally positioned in the center of curvature of the primary, in order to transform the incident wave front, so that it returns spherical after the reflection on the primary and then direct the light rays to a single point.

Al di là di tutti I vantaggi offerti dall'introduzione di un primario a superficie sferica, che è la forma più semplice ed accurata che passa essere prodotta anche su elementi di diametro relativamente ampio, è necessario però sottolineare che la produzione di un corrispondentemente ampio correttore asferico (ad esempio uno Schmid† di 0.9 m di apertura di ingresso richiede tipicamente un correttore di 0.6 m di diametro) è un compito molto oneroso in termini di tempo e rappresenta di fatto uno dei passaggi più critici nella realizzazione del telescopio: in pratica, nella produzione di un telescopio basato sul modello Schmid†, la lastra correttrice può diventare il maggiore elemento critico, richiedendo uno sforzo di realizzazione e verifica molto rilevante allorquando siano necessari diametri di ingresso relativamente elevati. La curvatura del piano focale che deriva dalla configurazione di Schmid† pone inoltre seri problemi nell’applicazione dei moderni sensori basati sulla tecnologia planare dei semiconduttori, quali CCD, CMOS, etc., che non possono essere deformati, contrariamente a quanto avveniva per le lastre fotografiche, in uso al tempo dell’introduzione dello Schmid†. Inoltre l’elemento di acquisizione dell'immagine è posizionato all'interno del tubo del telescopio, con conseguente ostruzione della pupilla e generali condizioni di difficile accessibilità, in particolare quando condizioni di raffreddamento o addirittura criogeniche sono necessarie (come nella maggior parte delle applicazioni reali) per l’operazione dei rivelatori d’immagine. Un elemento ulteriore da considerare è il significato del termine ‘ampio campo di vista’ per un telescopio Schmid†: questo infatti deve essere inteso non maggiore di circa dieci gradi quadri quando una risoluzione non migliore di tre secondi d’arco è richiesta sull’intero campo di vista. Beyond all the advantages offered by the introduction of a spherical surface primary, which is the simplest and most accurate shape that can also be produced on relatively large diameter elements, it is however necessary to emphasize that the production of a correspondingly large corrector aspherical (for example a Schmid † of 0.9 m of inlet aperture typically requires a corrector of 0.6 m in diameter) is a very time-consuming task and in fact represents one of the most critical steps in the construction of the telescope: in practice, in the production of a telescope based on the Schmid † model, the corrector plate can become the major critical element, requiring a very significant manufacturing and verification effort when relatively large input diameters are required. The curvature of the focal plane that derives from the Schmid configuration † also poses serious problems in the application of modern sensors based on planar semiconductor technology, such as CCD, CMOS, etc., which cannot be deformed, contrary to what happened for plates. photographic, in use at the time of the introduction of the Schmid †. Furthermore, the image acquisition element is positioned inside the telescope tube, resulting in obstruction of the pupil and general conditions that are difficult to access, particularly when cooling or even cryogenic conditions are necessary (as in most real applications. ) for the operation of image detectors. A further element to consider is the meaning of the term 'wide field of view' for a Schmid telescope †: this in fact must be understood not greater than about ten square degrees when a resolution of no better than three arc seconds is required over the whole field of view.

Diverse varianti dell’architettura Schmidt semplice sono state proposte. Una versione modificata di tale architettura, di particolare interesse, è il cosiddetto Schmidt-Cassegrain concentrico. Questo telescopio è impostato su un sistema di tipo Cassegrain a due specchi combinato con un correttore a piena apertura di tipo Schmidt. Varie combinazioni tra la posizione del correttore e le coniche dei due specchi Cassegrain sono possibili, con diverse proprietà ottenibili a livello di campo di immagine. Uno Schmidt-Cassegrain realizzato con entrambi gli specchi Cassegrain sferici risulta corretto solo per l’aberrazione sferica, presenta leggero astigmatismo, mantiene presente il coma e genera una forte curvatura del campo. Inoltre il correttore induce piccole aberrazioni a livello di sfera-cromatismo. In pratica questa soluzione rappresenta una ulteriore deviazione dal concetto di campo piatto, risultando in un’immagine alquanto curva. Inoltre essendo entrambi gli specchi sferici, per ridurre al minimo l’astigmatismo ed il coma è necessario che i due raggi di curvatura siano diversi, perciò per ridurre le aberrazioni fuori asse, lo stop di apertura (posto in corrispondenza del correttore) deve essere nel centro di curvatura del primario: in questo modo tutte e tre le superfici (immagine, primario e secondario) sono concentriche con centro di curvatura nel vertice dello stop di apertura (correttore). Several variants of the simple Schmidt architecture have been proposed. A modified version of this architecture, of particular interest, is the so-called concentric Schmidt-Cassegrain. This telescope is set up on a two-mirror Cassegrain type system combined with a Schmidt type full aperture corrector. Various combinations between the corrector position and the conics of the two Cassegrain mirrors are possible, with different properties obtainable at the image field level. A Schmidt-Cassegrain made with both spherical Cassegrain mirrors is only correct for spherical aberration, has slight astigmatism, keeps coma present and generates a strong curvature of the field. Furthermore, the corrector induces small aberrations at the sphere-chromatism level. In practice, this solution represents a further deviation from the concept of a flat field, resulting in a somewhat curved image. Furthermore, since both mirrors are spherical, to minimize astigmatism and coma it is necessary that the two radii of curvature are different, therefore to reduce off-axis aberrations, the opening stop (placed in correspondence with the corrector) must be in the center of curvature of the primary: in this way all three surfaces (image, primary and secondary) are concentric with a center of curvature in the vertex of the opening stop (corrector).

Al di là quindi dei maggiori vincoli da rispettare nella realizzazione, poiché la curvatura del piano focale è almeno della stessa entità di quella generata da una architettura Schmidt classica se non maggiore, gli unici vantaggi offerti da questa variante concentrica sono dati dall’accessibilità del piano focale e da una ridotta lunghezza del sistema. Inoltre, a causa della forte curvatura del secondario (se paragonato ad un Cassegrain classico), le dimensioni di questo risultano leggermente ridotte per produrre l’immagine in una posizione di facile accessibilità. Therefore, beyond the major constraints to be respected in the implementation, since the curvature of the focal plane is at least of the same magnitude as that generated by a classical Schmidt architecture, if not greater, the only advantages offered by this concentric variant are given by the accessibility of the plane. focal length and a reduced length of the system. Furthermore, due to the strong curvature of the secondary (when compared to a classic Cassegrain), the dimensions of this are slightly reduced to produce the image in an easily accessible position.

Una ulteriore variante del telescopio Schmidt-cassegrain è rappresentata dalla configurazione compatta, denominata Baker-Schmidt, in grado di fornire le caratteristiche di un sistema Schmidt-Cassegrain totalmente corretto con lo stop (correttore) significativamente più vicino al primario. Come conseguenza il primario deve avere focale corta (ottica molto veloce), pertanto le aberrazioni fuori asse, (in particolare il coma), prodotte da questo sono di entità particolarmente significativa. Per cancellare tali aberrazioni è necessario che entrambi gli specchi secondario e primario siano asferici, e in particolare, il fatto che per entrambi siano richieste curve oblate ellissoidali rende la fabbricazione particolarmente difficoltosa. Inoltre, in generale, la forte asfericità del primario porta a quasi triplicare l’entità delle aberrazioni di una sfera corrispondente, in modo tale che il secondario riesce a compensare solo per una piccola porzione di queste. Conseguentemente, compensare una così elevata aberrazione sferica richiede correttori asferici molto più complessi. Non di meno, la forte asfericità del primario rende fortemente importanti anche i contributi di aberrazione sferica di ordine superiore, che possono essere poco contrastati dall’azione del secondario. Infine, se paragonata ad una configurazione Schmidt semplice di focale equivalente, questa configurazione presenta una maggiore componente di aberrazione sfera-cromatica. Pertanto, anche considerando le difficoltà che questi elementi introducono a livello di fabbricazione, si può affermare che la camera compatta di tipo Baker-Schmidt rappresenta una soluzione meno appetibile nonostante la maggiore compattezza offerta. A further variant of the Schmidt-cassegrain telescope is represented by the compact configuration, called Baker-Schmidt, capable of providing the characteristics of a fully corrected Schmidt-Cassegrain system with the stop (corrector) significantly closer to the primary. As a consequence, the primary must have a short focal length (very fast optics), therefore the off-axis aberrations, (in particular coma), produced by this are particularly significant. To cancel these aberrations it is necessary that both the secondary and primary mirrors are aspherical, and in particular, the fact that ellipsoidal oblate curves are required for both makes the fabrication particularly difficult. Furthermore, in general, the strong asphericity of the primary leads to almost triple the amount of aberrations of a corresponding sphere, so that the secondary can only compensate for a small portion of these. Consequently, compensating for such a high spherical aberration requires much more complex aspherical correctors. Nevertheless, the strong asphericity of the primary also makes the contributions of higher-order spherical aberration highly important, which can be little contrasted by the action of the secondary. Finally, when compared to a simple Schmidt configuration of equivalent focal length, this configuration has a greater component of sphere-chromatic aberration. Therefore, even considering the difficulties that these elements introduce at the manufacturing level, it can be said that the Baker-Schmidt compact camera represents a less attractive solution despite the greater compactness offered.

Schraeder ha proposto una versione tiltata del telescopio Baker-Schmidt, costituita da tutti elementi riflettenti [D.J. Schraeder, “All-reflecting Baker-Schmidt flat-field telescopes”, Appi. Opt., 17(1), 141-144 (1978)]. In particolare Schraeder ha analizzato sia una configurazione Baker-Schmidt tiltata, sia una configurazione sempre di questa architettura in cui il correttore è costituito da una superficie riflettente, in modo da avere una camera Baker-Schmidt realizzata da superfici tutte riflettenti. Questa configurazione rappresenta in pratica il massimo di ciò che a livello di architetture Schmidt e derivate si può attualmente ottenere in termini di prestazioni, e cioè, in termini di qualità ottica su estensione di campo di vista, con una risoluzione migliore di tre secondi d’arco su quasi dieci gradi quadri di campo. Va osservato che l’introduzione di superfici fuori asse pone immediatamente seri problemi di allineamento e di controllo termico qualora tale concetto dovesse essere applicato a sistemi con aperture di ingresso relativamente elevate ed operanti in condizioni ambientali naturali (escursioni di temperatura notturne, stagionali, eco.), per non menzionare poi la ingente serie di problematiche collegate alla produzione ed alla verifica di ottiche asferiche di grandi dimensioni. Schraeder proposed a tilted version of the Baker-Schmidt telescope, made up of all reflective elements [D.J. Schraeder, “All-reflecting Baker-Schmidt flat-field telescopes”, Appi. Opt., 17 (1), 141-144 (1978)]. In particular, Schraeder analyzed both a tilted Baker-Schmidt configuration and a configuration of this architecture in which the corrector is made up of a reflecting surface, in order to have a Baker-Schmidt camera made up of all reflecting surfaces. This configuration represents in practice the maximum of what at the level of Schmidt and derivative architectures can currently be obtained in terms of performance, that is, in terms of optical quality over an extended field of view, with a resolution better than three seconds of arc over nearly ten square degrees of field. It should be noted that the introduction of off-axis surfaces immediately poses serious problems of alignment and thermal control should this concept be applied to systems with relatively large inlet openings and operating in natural environmental conditions (night, seasonal, eco. ), not to mention the huge series of problems related to the production and verification of large aspherical optics.

Un primo tentativo di produrre una correzione più radicale dei contributi di aberrazione fondamentali fu fatto mediante l’introduzione di uno specchio terziario. Una prima soluzione in merito fu presentata da Willstrop [Royal Astronomica! Society, Monthly Notices, voi. 210, Oct. 1 , 1984, p. 597-609.]. Lo scopo di questa nuova configurazione era quello di fornire un campo di vista di 6-8 gradi quadri con una risoluzione d’immagine migliore del ‘seeing’ (i.e. 0.5 secondi d’arco nelle migliori condizioni), una superficie di piano focale con curvatura moderata sulla quale poter accomodare curvandole lastre fotografiche a guisa dell’architettura Schmidt, una focale veloce per ottenere esposizioni limitate solo dal fondo-cielo, unitamente ad una struttura compatta, tale da permettere l’utilizzo di un domo di dimensioni ridotte e quindi meno costoso. Tale soluzione condusse alla cosiddetta camera Paul-Baker, la cui caratteristica fondamentale risiede nel fatto che il secondario è sferico, così che i raggi luminosi non risultano propriamente paralleli dopo le prime due riflessioni, ma sono deviati nella stessa maniera operata da un correttore Schmidt. In questo modo il terziario risulta anch’esso sferico, con la conseguente produzione di immagini di elevata qualità su un ampio campo di vista. Tale configurazione è stata denominata anche con l’appellativo di Marsenne-Schmidt. Considerata la curvatura ottenuta nel piano focale, nuovamente ci si trova di fronte ad un sistema poco adatto all’utilizzo di moderni foto ri ve lato ri basati sulla tecnologia planare a semiconduttore, intolleranti a qualsiasi tipo di deformazione meccanica, e che richiede comunque l’utilizzo di superfici asferiche di grandi dimensioni (primario) qualora aperture di ingresso relativamente ampie debbano essere utilizzate. A first attempt to produce a more radical correction of the fundamental aberration contributions was made by introducing a tertiary mirror. A first solution on the matter was presented by Willstrop [Royal Astronomica! Society, Monthly Notices, you. 210, Oct. 1, 1984, p. 597-609.]. The purpose of this new configuration was to provide a field of view of 6-8 square degrees with an image resolution better than 'seeing' (i.e. 0.5 arc seconds in the best conditions), a focal plane surface with curvature moderate on which to accommodate by bending photographic plates in the manner of the Schmidt architecture, a fast focal length to obtain limited exposures only from the sky background, together with a compact structure, such as to allow the use of a dome of reduced dimensions and therefore less expensive . This solution led to the so-called Paul-Baker chamber, the fundamental characteristic of which lies in the fact that the secondary is spherical, so that the light rays are not properly parallel after the first two reflections, but are deflected in the same way operated by a Schmidt corrector. In this way, the tertiary sector is also spherical, with the consequent production of high quality images over a wide field of view. This configuration was also called with the name of Marsenne-Schmidt. Considering the curvature obtained in the focal plane, again we are faced with a system not very suitable for the use of modern photo-detectors based on planar semiconductor technology, intolerant to any type of mechanical deformation, and which in any case requires the use of large aspherical surfaces (primary) when relatively large inlet openings are to be used.

L’introduzione di ulteriori superfici asferiche fu originariamente proposta da Korsch [ D. Korsch, Appi. Opt. 11 (12), 2986-2987, (1972); D. Korsch, Appi. Opt. 16(8), 2074-2077, (1977);. D. Korsch, Appi. Opt. 19(21), 3640-3645, (1980)], che illustrò una soluzione consistente in una configurazione a tre specchi, chiamata a tal proposito Telescopio Anastigmatico a Tre Specchi (Three Mirrar Anastigmatic Telescope, TMA). Diverse configurazioni a tre specchi erano state presentate precedentemente al TMA, senza che però alcuna di queste avesse aperto la via ad implementazioni praticamente utilizzabili, le principali limitazioni essendo dovute alla scarsa accessibilità del piano focale oppure alla forte ostruzione centrale, a focali estremamente ed invariabilmente veloci oppure a configurazioni largamente asimmetriche. The introduction of additional aspherical surfaces was originally proposed by Korsch [D. Korsch, Appi. Opt. 11 (12), 2986-2987, (1972); D. Korsch, Appi. Opt. 16 (8), 2074-2077, (1977) ;. D. Korsch, Appi. Opt. 19 (21), 3640-3645, (1980)], who illustrated a solution consisting of a three-mirror configuration, called the Three Mirrar Anastigmatic Telescope (TMA). Several configurations with three mirrors had been presented before the TMA, but none of these had opened the way to practically usable implementations, the main limitations being due to the poor accessibility of the focal plane or the strong central obstruction, extremely and invariably fast focal lengths. or in largely asymmetrical configurations.

La configurazione di Korsch presenta invece alcune caratteristiche chiave che permettono alla luce di essere estratta da una architettura TMA e diretta ad un piano focale potenzialmente ampio e posto lontano dall’asse ottico del telescopio. In pratica la configurazione Primario -Secondario è simile a quella di un Cassegrain, con la formazione di una immagine reale subito dietro il primario. L’immagine secondaria è così riformata da uno specchio terziario ad ingrandimento circa unitario. Un piccolo specchio piano, posto tra il primario ed il terziario, ripiega il fascio luminoso perpendicolarmente all’asse del telescopio, verso la superficie dove l’immagine finale viene formata. In questo modo la ‘massa’ del piano focale e tutto il corrispondente equipaggiamento sussidiario non ostruiscono né la pupilla né il campo di vista. The Korsch configuration, on the other hand, has some key features that allow light to be extracted from a TMA architecture and directed at a potentially large focal plane located away from the optical axis of the telescope. In practice, the Primary-Secondary configuration is similar to that of a Cassegrain, with the formation of a real image immediately behind the primary. The secondary image is thus reformed by a tertiary mirror at approximately unitary magnification. A small flat mirror, placed between the primary and tertiary, folds the light beam perpendicular to the axis of the telescope, towards the surface where the final image is formed. In this way, the 'mass' of the focal plane and all the corresponding ancillary equipment do not obstruct either the pupil or the field of view.

A partire dalla versione originale proposta da Korsch, diverse varianti sono state mostrate e studiate dato il vasto campo di applicazioni che si è aperto a questo tipo di architettura, che si è rivelata in grado di dimostrare la possibilità di produrre strumenti di ‘imaging’ corretti quasi al limite di diffrazione su campi di vista estremamente ampi. Starting from the original version proposed by Korsch, several variants have been shown and studied given the vast field of applications that has opened up to this type of architecture, which has proved capable of demonstrating the possibility of producing correct 'imaging' tools. almost at the diffraction limit on extremely wide fields of view.

Ciononostante, a causa della focale Cassegrain molto ridotta da applicare con conseguente elevata magnificazione, le tolleranze ottiche richieste da entrambe le porzioni, sia di testa (primario e secondario) che di coda (terziario), risultano decisamente stringenti, caratteristica sconveniente per applicazioni in condizioni ambientali naturali. Inoltre, poiché il piano focale vede direttamente la sezione ottica di testa (primario-secondario) attraverso il foro praticato nello specchio di estrazione del fascio luminoso, il trattamento dei fenomeni di riflessione multipla parassita (‘straylight’) deve essere praticato mediante l’opportuna applicazione di ‘buffles’ a tutti gli specchi primario, secondario e terziario, con notevole complicazione del disegno. Nevertheless, due to the very reduced Cassegrain focal length to be applied with consequent high magnification, the optical tolerances required by both the head (primary and secondary) and tail (tertiary) portions, are decidedly stringent, an inconvenient feature for applications in natural environmental. Furthermore, since the focal plane directly sees the optical section of the head (primary-secondary) through the hole made in the mirror for extracting the light beam, the treatment of parasitic multiple reflection phenomena ('straylight') must be carried out by means of the appropriate application of 'buffles' to all primary, secondary and tertiary mirrors, with considerable complication of the design.

A tal riguardo, Korsch ha descritto anche sistemi TMA anulari, che utilizzano parimenti tre specchi asferici più uno specchio piano di estrazione. Il principale vantaggio offerto dalle configurazioni anulari del TMA è la schermatura pressoché totale dei raggi di ‘straylight’, che la pupilla consente, essendo posta in posizione accessibile. D’altro canto questa configurazione presenta grossi svantaggi, come conseguenza della corta distanza di lavoro tra pupilla e piano focale, che portano alla formazione di un’immagine fortemente non tele centrica e che soffre di distorsioni significative. In this regard, Korsch also described annular TMA systems, which also use three aspherical mirrors plus a flat extraction mirror. The main advantage offered by the annular configurations of the TMA is the almost total shielding of the 'straylight' rays, which the pupil allows, being placed in an accessible position. On the other hand, this configuration has major disadvantages, as a consequence of the short working distance between pupil and focal plane, which lead to the formation of a strongly non-telephoto centric image and which suffers from significant distortions.

Negli ultimi anni, grazie all’ampissimo campo di vista ottenibile, configurazioni fuori asse di TMA hanno incontrato particolare favore. Uno dei principali vantaggi offerti dalle configurazioni fuori asse è dato dalla non ostruzione del campo di vista, pur mantenendo le caratteristiche di qualità ottiche delle soluzioni non fuori asse. Resta però evidente che, dato il massiccio impiego di superfici asferiche richiesto da qualunque configurazione di tipo TMA, ogni applicazione a sistemi di elevata apertura di ingresso deve essere valutato con particolare attenzione, per stimare in modo realistico tutti i vantaggi e gli svantaggi che concorrono all’economia del sistema, (dati i numerosi e complessi problemi di realizzazione, verifica ed allineamento posti da superfici asferiche di grandi dimensioni), ed in particolare quando si prevedono applicazioni di terra. In recent years, thanks to the very wide field of view obtainable, off-axis configurations of TMA have met with particular favor. One of the main advantages offered by off-axis configurations is given by the non-obstruction of the field of view, while maintaining the optical quality characteristics of non-off-axis solutions. However, it remains clear that, given the massive use of aspherical surfaces required by any TMA type configuration, each application to systems with large inlet aperture must be evaluated with particular attention, to estimate in a realistic way all the advantages and disadvantages that contribute to the economy of the system, (given the numerous and complex problems of construction, verification and alignment posed by large aspherical surfaces), and in particular when earth applications are foreseen.

In quest’ultimo caso, per il quale i limiti imposti dal ‘seeing’ atmosferico naturale rendono inappropriato ed inutile l’applicazione di sistemi corretti al limite di diffrazione quali quelli fomiti da configurazioni TMA, al di là dell’ampissimo campo di vista fornito che può apparire come una caratteristica attrattiva, è assolutamente opportuno considerare anche tutte le problematiche di implementazione e mantenimento in condizioni ambientali naturali estremamente variabili. In the latter case, for which the limits imposed by natural atmospheric 'seeing' make it inappropriate and useless to apply systems corrected to the diffraction limit such as those provided by TMA configurations, beyond the very wide field of view provided that it may appear as an attractive feature, it is absolutely appropriate to also consider all the implementation and maintenance problems in extremely variable natural environmental conditions.

Un concetto rivoluzionario è stato introdotto molto recentemente da Ragazzoni, nel tentativo di risolvere le problematiche di realizzazione legate alla classe di telescopi di larghissimo diametro, con l’introduzione del concetto denominato come Occhio di Mosca’ (Fly-Eye) [R. Ragazzoni et al., Ά Smart Fast Camera’, Proc. SPIE 5492, 121 (2004); G. Gentile et al., ‘Widefield imaging on 8- to 100-meter class telescopes’, Proc. SPIE 6269, 62695V (2006)]. A revolutionary concept was introduced very recently by Ragazzoni, in an attempt to solve the construction problems related to the class of very large diameter telescopes, with the introduction of the concept called the Fly-Eye '[R. Ragazzoni et al., Ά Smart Fast Camera ’, Proc. SPIE 5492, 121 (2004); G. Gentile et al., 'Widefield imaging on 8- to 100-meter class telescopes', Proc. SPIE 6269, 62695V (2006)].

Il progetto di una camera ad ottica veloce (includendo in questo un correttore ad ampio campo) deve fornire: un ampio campo di vista (che si traduce fisicamente in ottiche di grandi dimensioni); una focale veloce per ottenere un campionamento appropriato con le dimensioni dei pixels dei fotorivelatori attualmente disponibili (che si traduce nella scelta di una stazione di Fuoco Primario o di un Riduttore Focale in una stazione focale secondaria); la capacità di compensare aberrazioni dipendenti dal campo relativamente largo (che conduce all’introduzione di un certo numero di elementi ottici di controllo simultaneo delle diverse distorsioni del fronte d’onda, spesso richiedendo complesse superfici asferiche nel processo di disegno ottico); ed infine un’ampia area di fotorivelatori (che si traduce nell’adozione di un certo numero di singoli elementi di largo formato, componibili tra loro su qualche lato) The design of a fast optic camera (including a wide field corrector) must provide: a wide field of view (which physically translates into large optics); a fast focal to obtain an appropriate sampling with the pixel dimensions of the photodetectors currently available (which results in the choice of a Primary Focus station or a Focal Reducer in a secondary focal station); the ability to compensate for aberrations dependent on the relatively large field (which leads to the introduction of a certain number of optical elements for simultaneous control of the different wavefront distortions, often requiring complex aspherical surfaces in the optical design process); and finally a large area of photodetectors (which translates into the adoption of a certain number of single large format elements, which can be combined with each other on some sides)

In pratica, la maggior parte dei problemi sopra listati sono semplicemente una conseguenza del primo: infatti, riducendo il requisito sul campo di vista, tutte le difficoltà tecniche sopra citate risultano sostanzialmente ridotte se non addirittura eliminate in blocco. In practice, most of the problems listed above are simply a consequence of the first: in fact, by reducing the requirement on the field of view, all the technical difficulties mentioned above are substantially reduced if not eliminated as a whole.

In particolare un riduttore focale per un piccolo Campo di Vista può essere ottenuto con ottica semplice, non appena si abbia a disposizione una pupilla accessibile. Questo stesso può inoltre essere utilizzato per compensare aberrazioni che ci si aspetta essere lentamente variabili su un campo ridotto. In particular, a focal reducer for a small Field of View can be obtained with simple optics, as soon as an accessible pupil is available. This can also be used to compensate for aberrations that are expected to be slowly varying over a small range.

In pratica il principio di base introdotto consiste nel replicare un riduttore focale, di dimensioni relativamente ridotte, su una matrice bidimensionale, in grado quindi di ricoprire nell’insieme un Campo di Vista ben più ampio. In questo modo è possibile ricoprire l’intero Campo di Vista con un insieme ordinato a matrice di elementi semplificati, costituiti da lenticelle di ridotte dimensioni, ciascuno operante sulla porzione ridotta di campo ad esso assegnata. In practice, the basic principle introduced consists in replicating a focal reducer, of relatively small size, on a two-dimensional matrix, therefore able to cover a much wider Field of View as a whole. In this way it is possible to cover the entire Field of View with an ordered array of simplified elements, consisting of small lenticels, each operating on the reduced portion of the field assigned to it.

Nel caso presentato da Ragazzoni viene riportato un sistema di immagine ad ampio campo per un campo totale di tre gradi di diametro (c.a. sette gradi quadri): i riduttori focali a lenti applicati differiscono per il tipo scelto di aberrazione da correggere nel piano della pupilla, che è pertanto funzione della posizione radiale nel piano focale. Il sistema presentato di lenti è collocato nel fuoco tipo Cassegrain del Telescopio, per il quale una configurazione a mosaico di chip di fotorivelatori è prevista. In the case presented by Ragazzoni, a wide-field image system is reported for a total field of three degrees in diameter (about seven square degrees): the focal reducers with applied lenses differ in the type of aberration chosen to be corrected in the pupil plane, which is therefore a function of the radial position in the focal plane. The presented lens system is placed in the Cassegrain-like focus of the Telescope, for which a mosaic pattern of photodetector chips is provided.

Questa metodologia ad occhio di mosca è applicata ad un modello classico di tipo Cassegrain, quindi con specchi asferici e con un piano focale caratterizzato da aspetti di contiguità critici, se si considera il numero di fotorivelatori richiesto per ricoprire il Piano Focale stesso. Tale soluzione è naturalmente dettata dalla enorme apertura di ingresso del telescopio per il quale è stata ideata, e non risulterebbe in alcun modo conveniente se trasferita direttamente a telescopi di apertura più moderata, seppur relativamente ampia, per i quali configurazioni a mosaico di fotorivelatori sono particolarmente sconvenienti a causa delle diverse problematiche generate dalla prossimità dei singoli moduli, nonché dalla circuiteria elettronica e fluidica necessarie ai relativi sistemi di pilotaggio, controllo e condizionamento. This fly-eye methodology is applied to a classic Cassegrain type model, therefore with aspherical mirrors and with a focal plane characterized by critical contiguity aspects, if we consider the number of photodetectors required to cover the Focal Plane itself. This solution is naturally dictated by the enormous entrance aperture of the telescope for which it was designed, and would not be in any way convenient if transferred directly to telescopes with a more moderate aperture, albeit relatively wide, for which mosaic configurations of photodetectors are particularly inconvenient due to the various problems generated by the proximity of the individual modules, as well as by the electronic and fluidic circuitry necessary for the relative piloting, control and conditioning systems.

Sommario dell’Invenzione Summary of the Invention

L’invenzione consiste in un: The invention consists of a:

Telescopio con ampio campo di vista, maggiore di dieci gradi quadri, comprendente uno specchio primario sferico, fornito di un sistema di ripartizione del Campo di Vista, che ne mantiene la continuità, posto in prossimità del fuoco dello specchio primario e costituito da n superfici speculari piane e da un corrispondente numero di correttori, posizionati dopo tale sistema di ripartizione Telescope with a wide field of view, greater than ten square degrees, including a spherical primary mirror, equipped with a system for dividing the Field of View, which maintains its continuity, placed near the focus of the primary mirror and consisting of n specular surfaces flat and by a corresponding number of correctors, positioned after this distribution system

Le caratteristiche principali che emergono da tale architettura innovativa sono le seguenti: The main features that emerge from this innovative architecture are the following:

1 . Rispetto ad una architettura Schmidt tradizionale le porzioni del Piano Focale che si ottengono sono piane, grazie ai correttori posizionati a seguito del sistema di ripartizione del Campo di Vista, contrariamente a quanto accade per una soluzione Schmidt che produce Piani Focali curvi, non adatti alla applicazione di sensori basati sulla moderna tecnologia planare dei semiconduttori. 1. Compared to a traditional Schmidt architecture, the portions of the Focal Plane that are obtained are flat, thanks to the correctors positioned following the Field of View distribution system, contrary to what happens for a Schmidt solution that produces curved Focal Planes, not suitable for the application. of sensors based on modern planar semiconductor technology.

2. La configurazione innovativa consente l’applicazione di correttori distinti (che possono essere sia identici sia differenti a seconda della funzionalità richiesta per la porzione dedicata di Campo di Vista) per ogni porzione di Campo di Vista prodotta dal sistema di ripartizione. Tali correttori sono pertanto di dimensioni molto ridotte se confrontati col correttore centrale richiesto da una configurazione tradizionale tipo Schmidt, per la quale tale correttore asferico, posto nel centro di curvatura dello specchio primario, ha dimensioni paragonabili alla apertura di ingresso del telescopio, una caratteristica che genera molte difficoltà nell’implementazione allorché l’apertura di ingresso debba essere di diametro rilevante. 2. The innovative configuration allows the application of distinct correctors (which can be both identical and different depending on the functionality required for the dedicated portion of the Field of View) for each portion of the Field of View produced by the distribution system. These correctors are therefore very small in size when compared with the central corrector required by a traditional Schmidt-type configuration, for which this aspherical corrector, placed in the center of curvature of the primary mirror, has dimensions comparable to the entrance opening of the telescope, a characteristic that it generates many difficulties in implementation when the inlet opening must be of significant diameter.

3. Rispetto ad uno Schmidt tradizionale gli elementi sensibili che registrano l’immagine di ogni singola n-esima porzione del Campo di Vista, sono posti esternamente all’apertura del telescopio, evitando in questo modo di produrre ostruzione ed offrendo inoltre facilità di accesso ed operazione. Questo aspetto è di particolare rilevanza quando all’elemento sensibile debba essere associato un sistema di raffreddamento, situazione che si dimostra invece sempre critica per una configurazione Schmidt convenzionale. 3. Compared to a traditional Schmidt, the sensitive elements that record the image of every single nth portion of the Field of View are placed outside the telescope aperture, thus avoiding obstruction and also offering ease of access and operation. This aspect is of particular relevance when a cooling system is to be associated with the sensitive element, a situation which, on the other hand, is always critical for a conventional Schmidt configuration.

4. In ciascuna delle n porzioni del Campo di Vista, generate dal sistema di superfici speculari piane, è applicata una camera a singolo chip, che permette di registrare l’immagine della corrispondente porzione di Campo di Vista con la necessaria risoluzione ottica. Questo elemento offre sia elevata modularità, - come ad esempio nel caso in cui tutte le singole camere o un sottogruppo di esse siano identiche -, sia la possibilità di applicare camere differenti, fornite di elementi ottici specializzati e quindi in grado di fornire diverse funzionalità nelle diverse porzioni di Campo di Vista generate, come ad esempio nel caso di applicazioni spettrometriche. 4. In each of the n portions of the Field of View, generated by the system of flat specular surfaces, a single-chip camera is applied, which allows you to record the image of the corresponding portion of the Field of View with the necessary optical resolution. This element offers both high modularity - as for example in the case in which all the individual cameras or a subgroup of them are identical - and the possibility of applying different cameras, equipped with specialized optical elements and therefore able to provide different functions in the different portions of Field of View generated, such as in the case of spectrometric applications.

5. Grazie alla simmetria sferica dello specchio primario, in caso le n porzioni in cui viene suddiviso il Campo di Vista siano della stessa forma e dimensioni, allora le corrispondenti n camere possono essere tutte identiche, con la conseguente implementazione di un sistema largamente modulare, facile da implementare e mantenere. 5. Thanks to the spherical symmetry of the primary mirror, if the n portions into which the Field of View is divided are of the same shape and size, then the corresponding n cameras can all be identical, with the consequent implementation of a largely modular system, easy to implement and maintain.

6. Questa configurazione permette di osservare un Campo di Vista continuo, maggiore di dieci gradi quadri, - ma anche fino a molte decine di gradi quadri -, con una risoluzione ottica spinta fino valori limitati dal ‘seeing’ atmosferico o migliori. 6. This configuration allows you to observe a continuous Field of View, greater than ten square degrees, - but also up to many tens of square degrees -, with an optical resolution pushed up to values limited by atmospheric 'seeing' or better.

7. Rispetto a configurazioni a specchi multipli, questa architettura innovativa permette di applicare solamente superfici riflettenti sferiche e planari, consentendo pertanto di evitare superfici speculari asferiche con tutte le problematiche correlate alla loro produzione, allineamento ed operazione, in particolare allorquando aperture di ingresso relativamente ampie siano richieste. Inoltre il primario non presenta aperture, fori o aree cieche che arrestano parte della luce che su di esso incide, ma è piuttosto costituito da una superfìcie riflettente sferica, totalmente utilizzata per la raccolta della luce. 7. Compared to configurations with multiple mirrors, this innovative architecture allows to apply only spherical and planar reflective surfaces, thus allowing to avoid specular aspherical surfaces with all the problems related to their production, alignment and operation, in particular when relatively large entrance openings are required. Furthermore, the primary does not have openings, holes or blind areas that stop part of the light that affects it, but rather consists of a spherical reflecting surface, totally used for collecting the light.

Le caratteristiche sopra elencate producono I seguenti vantaggi: The features listed above produce the following benefits:

1. La riduzione delle dimensioni dei correttori consente una loro implementazione o mediante l’utilizzo di elementi ottici commerciali (lenti) o in alternativa tramite l’applicazione di elementi ottici non commerciali ma di facile standardizzazione. Questo approccio implica una cospicua riduzione dei costi e può portare alla produzione in serie di tali componenti pur mantenendo inalterate le prestazioni. 1. The reduction in the size of the correctors allows their implementation either through the use of commercial optical elements (lenses) or alternatively through the application of non-commercial but easily standardized optical elements. This approach implies a conspicuous reduction in costs and can lead to the mass production of these components while maintaining performance unchanged.

2. Il concetto innovativo consente di utilizzare un’ottica primaria veloce, da cui risultano una sensitività elevata (in termini di capacità di raccolta della luce), dal punto di vista ottico, così come una struttura del telescopio compatta e rigida, dal punto di vista optomeccanico, adatta per applicazioni a dinamica veloce, per la scansione rapida di vaste porzioni di cielo. 2. The innovative concept allows the use of a fast primary optics, resulting in a high sensitivity (in terms of light gathering capacity), from the optical point of view, as well as a compact and rigid telescope structure, from the point of view. optomechanical sight, suitable for fast dynamic applications, for the rapid scanning of large portions of the sky.

3. Per le loro ridotte dimensioni, i correttori possono essere realizzati con elementi quasi auto allineanti, che non richiedono pertanto sistemi di aggiustamento fine per ogni singolo componente, e quindi in grado di consentire un assemblaggio veloce. Inoltre tali sistemi possono essere facilmente provvisti con cornici ed intelaiature di sostegno auto compensanti, in grado di compensare automaticamente le escursioni della temperatura esterna, permettendo perciò di operare realmente in un intervallo ampio di condizioni naturali (estate, inverno, diverse latitudini ed altitudini, etc.) 3. Due to their small size, the correctors can be made with almost self-aligning elements, which therefore do not require fine adjustment systems for each individual component, and therefore capable of allowing a quick assembly. Furthermore, these systems can be easily provided with self compensating frames and support frames, able to automatically compensate for the external temperature excursions, thus allowing to really operate in a wide range of natural conditions (summer, winter, different latitudes and altitudes, etc. .)

4. Telecamere a singolo chip fotorivelatore, - sia dedicate che commercialmente disponibili -, possono essere applicate nei sotto Piani Focali corrispondenti alle diverse porzioni del Campo di Vista, in modo da consentire una lettura veloce delle immagini raccolte, per applicazioni di scansione rapida del cielo, con considerevole riduzione del rumore elettronico di lettura, se paragonate a configurazioni classiche. 4. Single chip photodetector cameras - both dedicated and commercially available - can be applied in the sub Focal Planes corresponding to the different portions of the Field of View, in order to allow a quick reading of the collected images, for rapid sky scanning applications. , with considerable reduction of electronic reading noise, if compared to classic configurations.

5. La possibilità di evitare configurazioni a mosaico di fotorivelatori nel piano focale, - dal momento che ogni singola porzione è di dimensioni tali da ospitare un elemento a singolo chip fotorivelatore -, consente di ottenere una copertura completa del campo di vista totale osservato, senza introdurre spazi vuoti a causa delle comici dei moduli foto ri velatori, della loro circuiteria e dei loro sistemi di condizionamento, e permette quindi di acquisire immagini con un fattore correlato di riempimento che può raggiungere in linea di principio anche il 100%. 5. The possibility of avoiding mosaic configurations of photodetectors in the focal plane, - since each single portion is of such size as to house a single photodetector chip element -, allows to obtain a complete coverage of the total observed field of view, without introducing empty spaces due to the comics of the photo-detecting modules, their circuitry and their conditioning systems, and thus allows to acquire images with a correlated filling factor that can in principle even reach 100%.

6. La presenza di elementi singolo chip fotorivelatore per ogni porzione del campo prodotta, evita anche tutte le problematiche introdotte dalle configurazioni a mosaico che sono legate alla contiguità dei singoli elementi di foto rivelazione, come ad esempio la reciproca complanarità, la necessità di condizionamento ed isolamento termico, eco. 6. The presence of single photodetector chip elements for each portion of the field produced also avoids all the problems introduced by the mosaic configurations that are linked to the contiguity of the individual photo detection elements, such as reciprocal coplanarity, the need for conditioning and thermal insulation, eco.

7. Ogni camera modulare può essere provvista di un otturatore veloce, eventualmente corredato con un sistema di temporizzazione preciso, in grado di fornire misure spaziotemporali degli oggetti osservati con elevata precisione. Questa caratteristica è un elemento chiave per le prestazioni strumentali di misure di alta precisione. 7. Each modular chamber can be equipped with a fast shutter, possibly equipped with a precise timing system, capable of providing spatiotemporal measurements of the objects observed with high precision. This characteristic is a key element for the instrumental performance of high precision measurements.

8. Ogni camera modulare può essere provvista di elementi ottici dedicati, quali filtri, polarizzatori, elementi dispersivi delle componenti in lunghezza d’onda, etc., in grado quindi di consentire diverse funzionalità per diverse applicazioni nelle varie porzioni di campo realizzate dal sistema di ripartizione. 8. Each modular chamber can be equipped with dedicated optical elements, such as filters, polarizers, dispersive elements of the components in wavelength, etc., therefore able to allow different functions for different applications in the various portions of the field realized by the breakdown.

9. La forma sferica del primario consente di realizzare un sistema di focalizzazione veloce e semplice, mediante l’aggiustamento di almeno tre punti fissati del primario stesso, eventualmente evitando in questo modo sistemi di focalizzazione dedicati per ogni singola camera. 9. The spherical shape of the primary allows you to create a fast and simple focusing system, by adjusting at least three fixed points of the primary itself, possibly avoiding in this way dedicated focusing systems for each individual chamber.

Breve Descrizione delle Figure Brief Description of the Figures

La Figura 1 mostra uno schema di realizzazione dell’invenzione. Figure 1 shows a scheme of implementation of the invention.

Descrizione dettagliata di una possibile realizzazione dell’invenzione. Detailed description of a possible realization of the invention.

La Figura 1 mostra uno schema di una possibile realizzazione dell’invenzione, in tale Figura è riportata una singola n-esima porzione dell’intera struttura: infatti, data la generica simmetria sferica dello specchio primario, tale sezione può essere replicata n volte in modo da ottenere un Campo di Vista complessivo n-volte più ampio di quello osservato dalla porzione singola. Figure 1 shows a diagram of a possible embodiment of the invention, in this Figure a single n-th portion of the entire structure is shown: in fact, given the generic spherical symmetry of the primary mirror, this section can be replicated n times in a manner to obtain an overall Field of View n-times wider than that observed by the single portion.

(1) Specchio Primario; (2) fuoco dello specchio primario; (3) specchio piano a sagoma romboidale (faccia); (4) camera ottica con correttore; (5) n-esima porzione del piano focale (nesimo sotto piano focale) (1) Primary Mirror; (2) focus of the primary mirror; (3) flat diamond-shaped mirror (face); (4) optical chamber with corrector; (5) n-th portion of the focal plane (nth sub-focal plane)

La luce, incidente da angoli diversi sullo specchio primario (1), viene da questo focalizzata su uno specchio piano di forma romboidale (3), - posizionato in prossimità del fuoco del primario (2) -, che dirige il fascio ottico verso il sistema di camera ottica (4), in cui sono posizionati il correttore e l’insieme di lenti, necessari a produrre l’immagine della porzione dedicata di Campo di Vista nella corrispondente porzione di Piano Focale (5). The light, incident from different angles on the primary mirror (1), is focused by this on a flat rhomboidal mirror (3), - positioned near the focus of the primary (2) -, which directs the optical beam towards the system of optical chamber (4), in which the corrector and the set of lenses are positioned, necessary to produce the image of the dedicated portion of the Field of View in the corresponding portion of the Focal Plane (5).

La forma romboidale dello specchio piano (3) posto in prossimità del fuoco (2) dello specchio primario (1), consente di introdurne n repliche, ciascuna inclinata in maniera opportuna e in modo continuo e contiguo alle repliche limitrofe, così da formare nell’insieme un riflettore prismatico sfaccettato a facce piane, che consente di conseguenza di ricoprire un Campo di Vista continuo di estensione pari ad n volte il campo interessato da una singola replica. La forma romboidale dello specchio piano diventa, per proiezione della camera, un’area di forma quadrata nel piano focale, delle dimensioni giuste per ospitare un elemento foto-rivelatore di immagine a singolo chip. The rhomboid shape of the flat mirror (3) placed near the focus (2) of the primary mirror (1), allows to introduce n replicas, each inclined in an appropriate manner and in a continuous and contiguous way to the neighboring replicas, so as to form in the together a faceted prismatic reflector with flat faces, which consequently allows to cover a continuous Field of View of extension equal to n times the field affected by a single replica. The rhomboid shape of the flat mirror becomes, by projection of the room, a square-shaped area in the focal plane, of the right size to accommodate a single-chip photo-detector image element.

Nella configurazione riportata come esempio, una singola porzione generata da una singola faccia piana romboidale ricopre un Campo di Vista complessivo maggiore di 2.9 gradi quadri, con una risoluzione ottica migliore di 0.7 secondi d’arco su tutto il campo osservato. In the configuration shown as an example, a single portion generated by a single rhomboidal flat face covers an overall Field of View greater than 2.9 square degrees, with an optical resolution better than 0.7 seconds of arc over the entire observed field.

La risoluzione ottica è fornita dal sistema di lenti della camera applicata (4), mentre il Campo di Vista è definito dalla Lunghezza Focale Effettiva del sistema Telescopio (cioè quella registrata al Piano Focale) e dall’area dell’immagine (proiezione della singola faccia romboidale (3) del solido sfaccettato), nella porzione corrispondente di Piano Focale (5) The optical resolution is provided by the lens system of the applied camera (4), while the Field of View is defined by the Effective Focal Length of the Telescope system (i.e. the one recorded at the Focal Plane) and by the image area (single face projection rhomboid (3) of the faceted solid), in the corresponding portion of the Focal Plane (5)

Infatti, come conseguenza di una legge ottica elementare che viene ripresa per convenienza del lettore, la dimensione di scala in termini di campo di vista di un’area quadrata di lato / (espresso in micrometri), posta nel piano focale di un telescopio, corrisponde ad una porzione di Campo di Vista, s (espressa in secondi d’arco), che è definita dalla seguente relazione: In fact, as a consequence of an elementary optical law that is taken up for convenience of the reader, the scale dimension in terms of field of view of a square area on the side / (expressed in micrometers), placed in the focal plane of a telescope, corresponds to a portion of the Field of View, s (expressed in seconds of arc), which is defined by the following relation:

dove f è la Lunghezza Focale Effettiva del telescopio, espressa in metri. where f is the Effective Focal Length of the telescope, expressed in meters.

Nell’esempio riportato, la Lunghezza Focale Effettiva al Piano Focale è di 2m, quindi un’area quadrata di 15x15 pm<2>, - una dimensione tipica dei pixels di moduli CCD commerciali -, corrisponde ad un Campo di Vista di 1 .54x1 .54 secondi d’arco quadri. In the example shown, the Effective Focal Length at the Focal Plane is 2m, therefore a square area of 15x15 pm <2>, - a typical size of the pixels of commercial CCD modules -, corresponds to a Field of View of 1 .54x1 .54 square arc seconds.

Nel disegno riportato in Figura 1 , ogni singola camera alloggia un modulo fotorivelatore CCD a singolo chip composto da 4kx4k pixels, che registra quindi l’immagine su un sotto Campo di Vista complessivo maggiore di 2.9 gradi quadri, - come riportato -, per un’area complessiva di 6x6 cm<2>del Piano Focale. In the drawing shown in Figure 1, each single camera houses a single-chip CCD photodetector module consisting of 4kx4k pixels, which then records the image on an overall sub-field of view greater than 2.9 square degrees, - as reported -, for a total area of 6x6 cm <2> of the Focal Plane.

Un solido sfaccettato la cui superficie è formata anche da 16 facce (ciascuna delle quali insiste su un sotto campo maggiore di 2.9 gradi quadri) può essere applicato come ripartitore di campo, in luogo di una singola faccetta romboidale, consentendo perciò di ricoprire un campo di vista continuo complessivamente maggiore di 10 gradi quadri e fino a più di 45 gradi quadri, con una risoluzione ottica migliore di 0.7 secondi d’arco sull’intero campo osservato. A faceted solid whose surface is also formed by 16 faces (each of which insists on a subfield greater than 2.9 square degrees) can be applied as a field divider, instead of a single rhomboid facet, thus allowing to cover a field of continuous view overall greater than 10 square degrees and up to more than 45 square degrees, with an optical resolution better than 0.7 arc seconds over the entire observed field.

La continuità del campo è garantita in questo caso dalla contiguità delle facce speculari romboidali che nel loro insieme formano una superficie continua di un solido geometrico, mentre l’omogeneità della risoluzione ottica è garantita dal fatto che n repliche della stessa identica camera sono applicate, ciascuna delle quali fornisce esattamente quella qualità ottica sulla porzione di campo cui è dedicata. The continuity of the field is guaranteed in this case by the contiguity of the rhomboid specular faces which together form a continuous surface of a geometric solid, while the homogeneity of the optical resolution is guaranteed by the fact that n replicas of the same identical camera are applied, each of which it provides exactly that optical quality on the portion of the field to which it is dedicated.

Naturalmente quello riportato è uno dei possibili esempi di realizzazione, in quanto diverse configurazioni possono essere implementate sulla base del sistema di ripartizione del Campo di Vista applicato, selezionando la Lunghezza Focale Effettiva opportuna, le dimensioni del pixel del modulo fotorivelatore alloggiato nella singola camera, decidendo la forma e l’area delle facce speculari piane costituenti il ripartitore di campo, in modo da ricoprire in maniera continua un ampissimo Campo di Vista (sia in modo isometrico che non) con risoluzione ottica limitata dal ‘seeing’ atmosferico o migliore e caratterizzato dalla forma geometrica richiesta. Naturally the one shown is one of the possible examples of realization, as different configurations can be implemented on the basis of the distribution system of the applied Field of View, selecting the appropriate Effective Focal Length, the pixel dimensions of the photodetector module housed in the single chamber, deciding the shape and area of the flat mirror faces constituting the field divider, so as to continuously cover a very wide Field of View (both isometric and non-isometric) with optical resolution limited by atmospheric or better 'seeing' and characterized by geometric shape required.

Claims

Claims 1. Telescope, comprising a spherical primary mirror, with a wide Field of View greater than ten square degrees, characterized by the fact that said telescope is equipped with a system for dividing the Field of View, which maintains its continuity, positioned near the focus of the primary mirror and that said field of view distribution system consists of n flat reflecting surfaces and a corresponding number of correctors placed after this distribution system.

2. Telescope according to claim 1 characterized in that after each corrector of the aforesaid distribution system there is positioned a sensitive element capable of collecting the image of every single nth portion of the Field of View.

3. Telescope according to claim 2 characterized in that the sensitive image collecting element is located outside the aperture of the telescope.

4. Telescope according to claim 3 characterized by the fact that the sensitive element for collecting the image of each single n-th portion of the Field of View generated by the n flat reflecting surfaces is an independent single-chip camera, which allows to record the image of the corresponding portion of the Field of View with the required optical resolution.

5. Telescope according to claim 4 characterized in that all the chambers or a subgroup of them are identical.

6. Telescope according to claim 4 characterized in that all the chambers or a subgroup of them are different.

7. Telescope according to claim 1 characterized in that the correctors are made with quasi self-aligning elements.

8. Telescope according to claim 3 characterized in that the optical systems constituting the correctors are equipped with self-compensating supporting frames.

9. Telescope according to claim 4 characterized in that single-chip independent cameras are applied to each n-th portion of the Field of View.

10. Telescope according to claim 3 characterized in that each modular chamber is provided with a rapid shutter, possibly equipped with a precise timing system.