用于调整天文望远镜系统共焦的调焦相机及其调焦装置的制造方法
【专利摘要】用于调整天文望远镜系统共焦的调焦相机及其调焦装置，属于光学测量技术领域，解决了现有技术中终端仪器与前端望远镜无法共焦，望远镜观测精度差的问题，包括机壳、镜筒、镜室，镜室上的外螺纹螺纹连接在镜筒上的内螺纹上；所述镜筒内安装有第一、二复消色差透镜。调焦装置包括安装在望远镜主体与分光镜之间的调焦相机、安装在成像系统的物方焦面位置上的小孔板、安装在光谱仪后端的白光光源，以及安装在成像系统与小孔板之间的白光光源。本实用新型结构简单，操作简便，可以用于光学望远镜非成像终端仪器焦面物方检测与调整，使得光学系统的离焦像差控制在λ/4以内。
【专利说明】
用于调整天文望远镜系统共焦的调焦相机及其调焦装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于光学测量技术领域，特别涉及天文望远镜焦面仪器的调节装置。
【背景技术】
[0002] 现有的1米以上通光口径的天文光学望远镜系统通常具备多个终端观测仪器，如 图1所示，所述天文望远镜系统包括望远镜主体9及其终端仪器，所述终端仪器包括光谱仪 14和成像系统11，其中望远镜主体9位于光谱仪14的前端，成像系统11位于光谱仪14的前端 左侧或前端右侧，光谱仪14的光轴与望远镜主体9的光轴位于同一条直线上，在理想状态下 光谱仪14中的狭缝13应该位于望远镜主体9在其光轴方向上的理论设计焦面上，成像系统 11的光轴垂直于望远镜主体9的光轴，光谱仪14与望远镜主体9之间设置有分光镜12,分光 镜12位于成像系统11的光轴方向与望远镜主体9的光轴方向相交处，分光镜12的镜面与望 远镜主体9的光轴之间具有45度的夹角，经望远镜主体9后进入分光镜12的入射光束被分光 镜12分为透射光束和反射光束，其中透射光束进入光谱仪14,反射光束进入成像系统11，因 此，望远镜主体9在反射光束方向上也存在一个理论设计焦面，成像系统11的物方焦面位置 位于与望远镜主体9在反射光束方向上的理论设计焦面上，在理想状态下成像系统11的物 方焦面10应该与望远镜主体9在成像系统11光轴方向上的理论设计焦面重合。
[0003] 然而，在实际调试过程中，由于安装误差等系统误差的原因，望远镜主体9在反射 光束方向上的理论设计焦面与成像系统11的物方焦面位置往往并不重合，望远镜主体9在 其光轴方向上的理论设计焦面也不与光谱仪14狭缝13的安装位置重合，也就是说上述终端 仪器与前端望远镜主体9并不共焦，从而导致望远镜观测精度较差。
[0004] 现有技术中解决上述终端仪器与前端望远镜共焦的问题方法一般是在望远镜焦 面做标记，以此标记作为后端成像系统的物面信息，并调整后端仪器的焦面位置，使其与前 端望远镜主体齐焦，但是，对于非成像终端仪器，例如光谱仪，它得到的图像是狭缝的单色 像，根本无法通过光谱图像检测光谱仪是否与前端系统共焦面。 【实用新型内容】
[0005] 为解决现有技术中终端仪器与前端望远镜无法共焦，从而导致望远镜观测精度较 差的问题，本实用新型提供一种用于调整天文望远镜系统共焦的调焦相机，其技术方案如 下：
[0006] 用于调整天文望远镜系统共焦的调焦相机，包括机壳，机壳前端安装有镜头，所述 镜头包括圆筒状的镜筒以及安装在镜筒内的圆筒状的镜室，镜室的外周面上设置有外螺 纹，镜筒的内周面上设置有内螺纹，镜室上的外螺纹螺纹连接在镜筒上的内螺纹上；
[0007]所述镜筒内安装有第一复消色差透镜和第二复消色差透镜，第一复消色差透镜包 括第一平凹透镜以及嵌套在第一平凹透镜的凹形光学面中的第一凸透镜，第二复消色差透 镜包括第二平凹透镜以及嵌套在第二平凹透镜的凹形光学面中的第二凸透镜，第一平凹透 镜和第二平凹透镜均位于外侧，第一凸透镜和第二凸透镜均位于内侧。
[0008] 优选地，所述机壳内的成像靶面上安装有CMOS图像传感器。
[0009] 优选地，所述镜筒上的内螺纹的公称直径小于等于40毫米，镜筒上的内螺纹的牙 距小于等于0.75毫米。
[0010] 本实用新型还提供一种安装有上述调焦相机的调焦装置，所述调焦装置用于调整 天文望远镜系统共焦，所述天文望远镜系统包括望远镜主体及其终端仪器，所述终端仪器 包括光谱仪和成像系统，其中望远镜主体位于光谱仪的前端，成像系统位于光谱仪的前端 左侧或前端右侧，光谱仪的光轴与望远镜主体的光轴位于同一条直线上，成像系统的光轴 垂直于望远镜主体的光轴，光谱仪与望远镜主体之间设置有分光镜，分光镜位于成像系统 的光轴方向与望远镜主体的光轴方向相交处，分光镜的镜面与望远镜主体的光轴之间具有 45度的夹角，经望远镜主体后进入分光镜的入射光束被分光镜分为透射光束和反射光束， 其中透射光束进入光谱仪，反射光束进入成像系统；
[0011] 所述调焦装置包括安装在望远镜主体与分光镜之间的所述调焦相机、安装在在成 像系统的物方焦面位置上的小孔板、安装在光谱仪后端的白光光源，以及安装在成像系统 与小孔板之间的白光光源；
[0012] 所述小孔板垂直于成像系统的光轴方向，小孔板上设置有若干个通孔。
[0013] 采用上述调焦装置来调整天文望远镜系统共焦的方法包括以下顺序步骤：
[0014] 步骤1:在望远镜主体与分光镜之间安装所述调焦相机，使调焦相机的光轴与光谱 仪的光轴位于同一条直线上，在光谱仪后端设置白光光源，通过白光光源照亮光谱仪的狭 缝，白光透过狭缝，经过分光镜透射后进入调焦相机中，然后通过旋转调焦相机的镜筒来调 整调焦相机的焦距，使得光谱仪的狭缝在调焦相机中成清晰像，然后将光谱仪后端的白光 光源撤去；
[0015] 步骤2:保持调焦相机的安装位置不变，在成像系统的物方焦面位置安装小孔板， 使小孔板垂直于成像系统的光轴方向，小孔板上设置有若干个通孔，在成像系统与小孔板 之间设置白光光源，通过白光光源照亮小孔板，白光透过小孔板，经过分光镜反射后进入调 焦相机中，沿成像系统的光轴方向调整小孔板的位置，直到小孔板在调焦相机中成清晰像， 然后将成像系统与小孔板之间设置的白光光源撤去；
[0016] 步骤3:保持小孔板的安装位置不变，沿成像系统的光轴方向调整成像系统的位 置，直到小孔板在成像系统中成清晰像；
[0017]步骤4:撤去小孔板和调焦相机，启动望远镜主体，指向观测目标，沿望远镜主体的 光轴方向调整望远镜主体的位置，直至观测目标在成像系统中成清晰像，完成天文望远镜 系统共焦调整过程。
[0018] 优选地，所述小孔板为标定板；
[0019] 所述光谱仪还包括沿着狭缝处出射的光束的传播方向依次设置的场镜、准直镜、 光栅、成像镜、CCD探测器，从狭缝处出射的光束通过场镜后到达准直镜，经过一次反射变 成平行光进入光栅进行色散，然后到达成像镜，经成像镜二次反射后被CCD探测器接收。
[0020] 优选地，所述小孔板上的通孔的直径为100微米；
[0021] 所述狭缝的缝宽为60微米；
[0022] 所述成像系统由位于同一光轴上的依次设置的准直镜、滤光器、成像镜和CMOS探 测器构成。
[0023] 本实用新型中的望远镜主体，也就是望远镜主体光机结构。
[0024] 本实用新型中的天文望远镜系统包括太阳望远镜、恒星望远镜等大型天文望远 镜。本实用新型中的天文望远镜系统包含望远镜主体光机结构和45度分束镜，45度分束镜 的作用就是将望远镜的光引导入终端系统，即，透射光束进入光谱仪，反射光束进入成像系 统。
[0025] 由于光谱仪属于非成像系统，无法通过测量焦面图像方法检测狭缝是否与望远镜 主体共焦，本实用新型设计了 一个调焦相机，该装置包含成像镜头和CMOS探测器，记录各个 终端仪器的物方焦面准确位置，将成像系统与光谱系统调整到共焦，由于通过传统的方法 很容易实现成像系统与望远镜主体共焦，所以，再通过这种间接测测量的方法可以实现光 谱仪与望远镜主体共焦。
[0026] 根据几何光学理论，焦深Δ S的表达式为：
[0027]
[0028] 其中F是被测量光学系统的焦比，可见焦深是与系统焦比和波长有关。
[0029] 那么，只有当相机的调焦精度小于望远镜主体的焦深AS时，调焦相机才能精确检 测焦面位置，且我们测量的离焦像差才能够达到λ/4以内。调焦相机的设计要求要满足以下 几个方面：
[0030] 物方焦比必须小于望远镜主体的出射焦比；
[0031 ]相机镜头的光学设计必须保证中心视场成像质量在可见光范围内接近衍射极限；
[0032] 镜头对焦时的机械运动分辨率必须远小于镜头的焦深。
[0033] 为此，本实用新型中的调焦相机镜头的光学设计采用了两块复消色差胶合透镜， 同时相机镜头调节机构使用精密螺纹以保证运动机械分辨率。
[0034] 本实用新型中的调焦相机参数如表1所示：
[0035] 表1:调焦相机的镜头光机结构参数
[0037] 表2:调焦相机的CMOS探测器参数
[0039] 本实用新型结构简单，操作简便，解决了光学望远镜中的非成像终端仪器的焦面 物方检测与调整的问题，使得光学系统的离焦像差控制在λ/4以内。
【附图说明】
[0040] 图1为现有技术中的望远镜主体及终端结构示意图；
[0041 ]图2为本实用新型调焦相机的光机结构示意图；
[0042] 图3为采用本实用新型调焦装置来调整天文望远镜系统共焦时，采用白光光源照 亮光谱仪的狭缝时的示意图；
[0043] 图4为采用本实用新型调焦装置来调整天文望远镜系统共焦时，采用白光光源照 壳成像系统如端的小孔板时的不意图；
[0044] 图5为采用本实用新型调焦相机拍摄的狭缝像与小孔板图像；
[0045] 图6为本实用新型调焦装置的一个实施例，即一米新真空太阳望远镜的终端仪器 示意图。
【具体实施方式】
[0046] 如图2所示为用于调整天文望远镜系统共焦的调焦相机8,包括机壳1，机壳1前端 安装有镜头，所述镜头包括圆筒状的镜筒2以及安装在镜筒2内的圆筒状的镜室3,镜室3的 外周面上设置有外螺纹，镜筒2的内周面上设置有内螺纹，镜室3上的外螺纹螺纹连接在镜 筒2上的内螺纹上；
[0047] 所述镜筒2内安装有第一复消色差透镜和第二复消色差透镜，第一复消色差透镜 包括第一平凹透镜7以及嵌套在第一平凹透镜7的凹形光学面中的第一凸透镜6,第二复消 色差透镜包括第二平凹透镜4以及嵌套在第二平凹透镜4的凹形光学面中的第二凸透镜5， 第一平凹透镜7和第二平凹透镜4均位于外侧，第一凸透镜6和第二凸透镜5均位于内侧。
[0048] 进一步地，所述机壳1内的成像靶面上安装有CMOS图像传感器。
[0049] 进一步地，所述镜筒2上的内螺纹的公称直径小于等于40毫米，镜筒2上的内螺纹 的牙距小于等于0.75毫米。
[0050] 如图3和图4所示的具有上述调焦相机8的调焦装置，包括安装在望远镜主体9与分 光镜12之间的调焦相机8、安装在在成像系统11的物方焦面位置10上的小孔板15、安装在光 谱仪14后端的白光光源，以及安装在成像系统11与小孔板15之间的白光光源；
[0051] 所述小孔板15垂直于成像系统11的光轴方向，小孔板15上设置有若干个通孔。
[0052] 采用上述调焦相机8来调整天文望远镜系统共焦的方法，包括以下顺序步骤：
[0053] 步骤1:在望远镜主体9与分光镜12之间安装所述调焦相机8,使调焦相机8的光轴 与光谱仪14的光轴位于同一条直线上;如图3所示，在光谱仪14后端设置白光光源，通过白 光光源照亮光谱仪14的狭缝13,白光透过狭缝13,经过分光镜12透射后进入调焦相机8中， 然后通过旋转调焦相机8的镜筒2来调整调焦相机8的焦距，使得光谱仪14的狭缝13在调焦 相机8中成清晰像，然后将光谱仪14后端的白光光源撤去；上述白光光源作为辅助设备，来 照亮狭缝13的目的，是为了使狭缝13在调焦相机8中的像更清晰，即使像的信噪比更高；
[0054] 步骤2:保持调焦相机8的安装位置不变，在成像系统11的物方焦面位置10安装小 孔板15;如图4所示，在成像系统11与小孔板15之间设置白光光源，通过白光光源照亮小孔 板15,白光透过小孔板15,经过分光镜12反射后进入调焦相机8中，沿成像系统11的光轴方 向调整小孔板15的位置，直到小孔板15在调焦相机8中成清晰像，然后将成像系统11与小孔 板15之间设置的白光光源撤去;此时小孔板15与狭缝13在调焦相机8中同时成清晰像，成像 系统11的焦面位置与光谱仪14的焦面位置有了共同的参照物；上述白光光源作为辅助设 备，来照亮小孔板15的目的，是为了使小孔板15在调焦相机8中的像更清晰，即使像的信噪 比更尚；
[0055] 步骤3:保持小孔板15的安装位置不变，沿成像系统11的光轴方向调整成像系统11 的位置，直到小孔板15在成像系统11中成清晰像；
[0056] 步骤4:撤去小孔板15和调焦相机8,启动望远镜主体9,指向观测目标，沿望远镜主 体9的光轴方向调整望远镜主体9的位置，直至观测目标在成像系统11中成清晰像，完成天 文望远镜系统共焦调整过程，此时望远镜主体9与成像系统11共焦面，望远镜主体9与光谱 仪14共焦面，换言之，通过本实用新型调整后，望远镜主体9在成像系统11光轴方向上的理 论设计焦面与成像系统11的物方焦面重合，望远镜主体9在其光轴方向上的理论设计焦面 与光谱仪14中的狭缝13的安装位置重合。
[0057]进一步地，所述小孔板15为标定板；
[0058]进一步地，如图6所示，所述光谱仪14还包括沿着狭缝13处出射的光束的传播方向 依次设置的场镜16、准直镜17、光栅18、成像镜19、CXD探测器20，从狭缝13处出射的光束通 过场镜16后到达准直镜17,经过一次反射变成平行光进入光栅18进行色散，然后到达成像 镜19,经成像镜19二次反射后被CXD探测器20接收。
[0059] 进一步地，所述小孔板15上的通孔的直径为100微米；
[0060] 所述狭缝13的缝宽为60微米；
[0061] 进一步地，如图6所示，所述成像系统11由位于同一光轴上的依次设置的准直镜 21、滤光器22、成像镜23和CMOS探测器24构成。
[0062] 如图5所示为采用本实用新型调焦相机8拍摄的狭缝像和小孔板图像。
[0063] 如图6所示的结构是本实用新型调焦装置的一个具体应用实例，其是云南天文台 抚仙湖太阳观测站的"一米新真空太阳望远镜"，简称NVST，的成像终端与光谱仪的齐焦示 意图。NVST是一台主镜有效口径980mm的真空望远镜，整个望远镜系统共有三个焦点，分别 是主焦点，格里高利焦点和库德焦点。其中前两个焦点都在真空室中，无法作为参考焦面使 用。必须采用本实用新型调焦装置对光谱仪和成像终端进行共焦。图6给出了 NVST终端系统 的典型光学结构，即从望远镜出射的光束经过分光镜分别进入成像系统和光谱仪。其中成 像系统有准直镜，滤光器，成像镜，以及CMOS探测器组成。光谱仪由狭缝，场镜，准直镜反射 镜，反射式光栅，成像反射镜，以及CCD探测器组成。由于光谱仪狭缝位置是固定不可调的， 我们使用光谱仪的狭缝位置作为参考焦面位置，根据本实用新型调焦装置将望远镜与终端 各个仪器调整到共焦面。
【主权项】
1. 用于调整天文望远镜系统共焦的调焦相机(8)，包括机壳（1)，机壳（1)前端安装有镜 头，所述镜头包括圆筒状的镜筒(2)以及安装在镜筒(2 )内的圆筒状的镜室(3 )，镜室(3 )的 外周面上设置有外螺纹，镜筒(2)的内周面上设置有内螺纹，镜室(3)上的外螺纹螺纹连接 在镜筒(2)上的内螺纹上，其特征在于： 所述镜筒（2)内安装有第一复消色差透镜和第二复消色差透镜，第一复消色差透镜包 括第一平凹透镜（7)以及嵌套在第一平凹透镜（7)的凹形光学面中的第一凸透镜(6)，第二 复消色差透镜包括第二平凹透镜(4)以及嵌套在第二平凹透镜(4)的凹形光学面中的第二 凸透镜（5)，第一平凹透镜(7)和第二平凹透镜(4)均位于外侧，第一凸透镜(6)和第二凸透 镜(5)均位于内侧。2. 根据权利要求1所述的用于调整天文望远镜系统共焦的调焦相机(8)，其特征在于： 所述机壳（1)内的成像靶面上安装有CMOS图像传感器。3. 根据权利要求2所述的用于调整天文望远镜系统共焦的调焦相机(8)，其特征在于： 所述镜筒（2)上的内螺纹的公称直径小于等于40毫米，镜筒(2)上的内螺纹的牙距小于 等于0.75毫米。4. 具有权利要求1、2或3所述的调焦相机(8)的调焦装置，其用于调整天文望远镜系统 共焦，所述天文望远镜系统包括望远镜主体（9)及其终端仪器，所述终端仪器包括光谱仪 (14)和成像系统（11)，其中望远镜主体(9)位于光谱仪(14)的前端，成像系统（11)位于光谱 仪（14)的前端左侧或前端右侧，光谱仪（14)的光轴与望远镜主体(9)的光轴位于同一条直 线上，成像系统（11)的光轴垂直于望远镜主体(9)的光轴，光谱仪（14)与望远镜主体(9)之 间设置有分光镜（12)，分光镜（12)位于成像系统（11)的光轴方向与望远镜主体(9)的光轴 方向相交处，分光镜（12)的镜面与望远镜主体(9)的光轴之间具有45度的夹角，经望远镜主 体(9)后进入分光镜（12)的入射光束被分光镜（12)分为透射光束和反射光束，其中透射光 束进入光谱仪(14)，反射光束进入成像系统（11); 其特征在于： 包括安装在望远镜主体(9)与分光镜（12)之间的所述调焦相机(8)、安装在在成像系统 (11)的物方焦面位置（10)上的小孔板（15)、安装在光谱仪（14)后端的白光光源，以及安装 在成像系统（11)与小孔板(15)之间的白光光源； 所述小孔板(15)垂直于成像系统（11)的光轴方向，小孔板(15)上设置有若干个通孔。5. 根据权利要求4所述的调焦装置，其特征在于： 所述小孔板(15)为标定板； 所述光谱仪(14)还包括沿着狭缝（13)处出射的光束的传播方向依次设置的场镜（16)、 准直镜（17)、光栅（18)、成像镜（19)、(XD探测器(20)，从狭缝（13)处出射的光束通过场镜 (16)后到达准直镜（17)，经过一次反射变成平行光进入光栅（18)进行色散，然后到达成像 镜（19)，经成像镜（19)二次反射后被(XD探测器(20)接收。6. 根据权利要求5所述的调焦装置，其特征在于： 所述小孔板(15)上的通孔的直径为100微米； 所述狭缝(13)的缝宽为60微米； 所述成像系统（11)由位于同一光轴上的依次设置的准直镜(21)、滤光器(22)、成像镜 (23)和CMOS探测器(24)构成。
【文档编号】G02B7/04GK205427305SQ201620105320
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年2月3日
【发明人】付玉, 袁沭, 许方宇, 李正刚
【申请人】中国科学院云南天文台