地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及针对地平式望远镜瞳面旋转与像面旋转的消旋装置的技术领域，特别 是一种地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置。
【背景技术】
[0002] 由于地平式机架具有优越的力学性能，因此随着人类对望远镜图像分辨率要求的 不断提高，望远镜口径也越来越大，只有地平式机架结构才能满足使用需求。地平式机架结 构的望远镜安装地点与地理炜度无关，目前世界大口径望远镜多采用此种结构。
[0003] 然而，地平式望远镜也存在一些缺陷，比较典型的如瞳面旋转和像面旋转。
[0004] 瞳面旋转将使得自适应光学无法准确探测大气波前相位信息，进而无法准确校正 大气扰动对成像质量的影响，使得望远镜无法达到或接近理论衍射极限分辨能力，无法达 到高分辨力观测的目的。像面旋转将使得望远镜无法对观测目标进行长时间曝光成像，从 而丧失对暗弱目标探测的能力；同时也无法对同一目标进行长时间连续、稳定观测成像，从 而丧失监测同一目标连续变化或不断演变过程的能力。
[0005] 采用转台消除瞳面旋转，具有两个主要优点：一是其相较于光学消旋，不引入额外 仪器偏振，同时不会增加光路反射角，导致综合反射率降低。二是转台可作为支撑望远镜、 成像光学系统等的平台，转台之下可以放置一系列后端仪器，如安放精密测光、光谱、偏振 等很多体积大、重量大的仪器以及自适应光学系统。
[0006] 目前国外大部分大口径望远镜项目，均采用转台消旋。
[0007] 但在地平式望远镜中，转台可以消除瞳面旋转，但是无法消除由此带来的额外像 面旋转，以及由于望远镜跟踪目标产生的像面旋转；或者将转台用于消除像面旋转，但其无 法消除瞳面旋转。
[0008] 相机消旋是直接控制成像器件沿其轴线转动来旋正图像。目前在一些机载跟踪系 统和电视跟踪系统中普遍采相机消旋，例如王霆博士成功设计了一种机载电视设备消旋结 构，用于补偿由于光电框架结构运动导致的电视图像旋转，方便飞行员进行观察（王霆.机 载CCD图像消旋控制技术研宄[D].中国科学院研宄生院（长春光学精密机械与物理研宄 所），2005.)，相机消旋具有响应快速、系统简单、成像质量稳定、花费低等优点。但是相机消 旋只能消除像面旋转，无法消除瞳面旋转。
[0009] 根据以上背景描述可知，为了实现地平式望远镜瞳面旋转和像面旋转的消除，无 法采用单一的消旋方式，既消除瞳面旋转又消除像面旋转，因此至少需要两套独立的光学 机构和控制机构，并改变望远镜系统光路设计，增加光学结构复杂性；而光学结构的复杂性 一定程度上降低了系统性能，并增加了具体实施难度。基于以上背景，本发明提出一种地平 式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置，将转台消旋与相机消旋结合，通过转台对瞳 面消旋进行消除，并计算由此带来的额外像面旋转，最后采用旋转相机的方式对由于望远 镜跟踪产生的像旋量以及瞳面消旋产生的额外像旋量进行消除。
[0010] 本发明采用较简单的方法实现了地平式望远镜瞳面和像面同时消旋，且不增加额 外仪器偏振和降低光路综合反射率，能够最大程度上保证系统光学性能，控制关系简单，创 新性和实用性明显。
【发明内容】
[0011] 本发明要解决的技术问题是：针对地平式望远镜瞳面旋转，使得自适应光学无法 准确探测大气波前相位信息，进而无法准确校正大气扰动对成像质量的影响，使得望远镜 无法达到或接近理论衍射极限分辨能力，无法达到高分辨力观测的目的问题。以及像面旋 转，使得望远镜无法对观测目标进行长时间曝光成像，从而丧失对暗弱目标探测的能力；同 时也无法对同一目标进行长时间连续、稳定观测成像，从而丧失监测同一目标连续变化或 不断演变过程的能力的问题，提出一种地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置， 试图以最少光学元器件、最紧凑光学结构、最简单控制方案等同时实现地平式望远镜瞳面 和像面同时消旋的功能。
[0012] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：地平式望远镜瞳面和像面机械消旋 的一体化装置，其特征在于该装置包括：地平式望远镜1、转台2、电控驱动器3、中继光路4、 变形镜DM 5、相机6、相机旋转台7、控制器8、数据处理及控制计算机9。转台2位于方位轴 下方，电控驱动器3控制转台2整体旋转，其主要负责消除由地平式望远镜跟踪目标过程中 引起的瞳面旋转。转台2转动中心有一块固定于转台2的反射镜，其作用是将来自方位轴 的光路反射到中继光路4。中继光路4之间具有变形镜DM 5,瞳面位于其反射面上，变形镜 DM 5的作用是矫正大气波前像差。相机旋转台7与相机6相连接，并控制相机6旋转，其主 要负责消除地平式望远镜跟踪目标过程中引起的像面旋转。在整个过程中，转台2消除瞳 面旋转时，会引起额外的像面旋转，因此，相机旋转台7控制相机6消除像面旋转时，也需要 消除由于瞳面消旋引起的额外像面旋转。瞳面消旋量和像面消旋量与望远镜光学系统、机 械结构、安装位置、观测目标运动特性等有关，其需要由数据处理及控制计算机9根据相关 参数进行计算，并最终控制控制器8实现对电控驱动器3和相机旋转台7的准确控制，从而 实现同时消除瞳面旋转和像面旋转。
[0013] 其中，地平式望远镜瞳面和像面机械消旋的一体化装置工作过程如下：
[0014] 地平式望远镜在跟踪观测目标过程中，需要根据观测目标的位置不断调整望远镜 高度轴和方位轴参数。然而，望远镜高度轴和方位轴的不断调整，会引起望远镜内部各光 学元件相对旋转位置发生变化，使得望远镜观测像面与观测目标之间产生旋转，同时也会 引起望远镜内部入瞳和出瞳发生相对旋转，且旋转量随着高度轴和方位轴运动不断发生改 变。像面旋转将使得望远镜无法对观测目标进行长时间曝光成像，从而丧失对暗弱目标探 测的能力；同时也无法对同一目标进行长时间连续、稳定观测成像，从而丧失监测同一目标 连续变化或不断演变过程的能力。瞳面旋转将使得自适应光学无法准确探测大气波前相位 信息，进而无法准确校正大气扰动对成像质量的影响，使得望远镜无法达到或接近理论衍 射极限分辨能力，无法达到高分辨力观测的目的。
[0015] 由于瞳面一般位于成像面之前，因此，本发明提出的地平式望远镜瞳面和像面机 械消旋的一体化装置，采用转台消除瞳面旋转，并计算由此带来的额外像面旋转，最后采用 旋转相机的方式对由于望远镜跟踪产生的像旋量以及瞳面消旋产生的额外像旋量进行消 除。
[0016] 对地平式望远镜而言，自适应光学是望远镜克服大气扰动进行衍射极限成像的必 要手段。自适应光学系统一般放置在望远镜coud6焦点之后，一些望远镜为了提高整体光 通量也将自适应光学系统集成于望远镜之上，如使用波前校正器替代望远镜系统中的某一 个反射镜，甚至是有焦反射镜，如主镜和次镜等。但无论哪种方式，自适应光学系统中的波 前校正器和波前探测器均需要放置于望远镜内部的某个光学出瞳上，用以进行波前校正和 波前探测。当发生瞳面旋转时，就会导致望远镜自身静态像差与位于某一出瞳位置的波前 探测器发生相对位置旋转；同时，波前校正器与波前探测器的相对旋转位置也会随之发生 动态改变，从而使得自适应光学系统波前校正效果降低甚至无效。
[0017] 设瞳面旋转角度为θ p2，则瞳面旋转角速度为d Θ p2/dt，在瞳面消旋时，电控驱动 器（3)控制转台（2)以瞳面旋转角速度d0p2/dt进行旋转，即可