基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導星鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導星鏡，其技術方案是，基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導星鏡，在導星鏡聚焦鏡頭前或后的導星光軸中心處安裝瞳孔遮擋。利用基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導星鏡，免除了分割鏡面或四光楔加工安裝調整，裝配和調試極為方便。
【專利說明】基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導星鏡

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電儀器領域，具體設計一種基于遮擋瞳孔并在導星光路的離焦像面 上成像的太陽望遠鏡導星鏡。

【背景技術】
[0002] 太陽望遠鏡是一種專門觀測太陽的天文望遠鏡，這與夜晚恒星望遠鏡的區(qū)別根本 上在于觀測目標源分別是低對比度擴展源的太陽和夜間天文高對比度的目標，而為了實現(xiàn) 望遠鏡跟蹤穩(wěn)像，天文望遠鏡的導星必不可少。太陽作為高亮度的擴展觀測目標源，其角直 徑約為32角分，而且是太陽像上的擴展目標特征呈現(xiàn)低對比度，比如體現(xiàn)太陽活動的光球 上的太陽黑子直徑大約是太陽的1/194 (直徑可達80000公里)，亮度約3000至4500K，比 光球溫度5780K稍低，看上去呈現(xiàn)一些深暗的斑點，而且太陽黑子是一種太陽活動，并不穩(wěn) 定呈現(xiàn)在太陽某個位置，分布也很不均勻規(guī)律，在太陽表面橫越移動時，其大小也會膨脹和 收縮，而是成群出現(xiàn)活動。因此通過人工或者計算機來實現(xiàn)對太陽的閉環(huán)導星，使得太陽望 遠鏡高精度地指向并跟蹤太陽，需要檢測太陽像在望遠鏡的位置變化，相比于其它天文觀 測目標而言，更困難。通常在太陽望遠鏡機架上安裝一個口徑較小的導星鏡或者主鏡焦前 折射，利用這導星鏡或折射鏡后的全日面太陽成像的位置測量，并反饋給計算機執(zhí)行望遠 鏡指向跟蹤的校正，從而實現(xiàn)太陽導星和穩(wěn)像的目的。
[0003] 目前的太陽望遠鏡的自動導星，大約有如下幾種方法： 1、 光電管自動導星，非常不穩(wěn)定，對太陽的亮度、云量、天光等十分敏感，從而精度很 低，基本被淘汰； 2、 線陣CCD或者條形CCD自動導星，接受的太陽信息太少，精度也低，抗干擾能力低； 3、 利用大靶面面形C⑶或者CMOS等相機，對太陽全日面成像，自動導星精度高，但需 要大相機，成本很高； 4、 拼接導星方，通過分割導星物鏡，把太陽像分成四個，并偏折后拼接成像，比如中國 發(fā)明專利2007 1 0020041. 7 :-種天文望遠鏡視頻(XD自動導星方法，步驟如下：在導星鏡 筒或主鏡筒上安裝視頻(XD，通過(XD圖像處理，得到天體的圖像，旋轉(XD，使天體像的移 動在X方向與赤經或赤緯平行，用視頻CCD對天體成像，計算機用視頻捕捉卡得到視頻圖 像，根據該圖像及其變化進行導星；計算機通過視頻捕捉卡得到視頻圖像后，進行導星的處 理流程。循環(huán)執(zhí)行上述過程直至導星結束。C⑶對準中央區(qū)域，采集的圖像中包含了太陽的 四個方向的運動量，計算機分析圖像的偏移量，即能實現(xiàn)用小靶面CCD，實現(xiàn)高分辨得太陽 的太陽導星，但物鏡分割及偏折的裝配很復雜。
[0004] 5、利用光楔為折光元件的太陽望遠鏡導星鏡，中國專利號：CN102928972A::以 光楔為折光元件的太陽望遠鏡導星鏡，在導星鏡筒或主鏡筒上安裝有視頻CCD，在導行物鏡 前面，安裝有四只光楔，四只光楔的楔角和形狀相同；四只光楔的安裝位置是：圍繞導行物 鏡的中軸，成90度均勻分布；四只光楔的彼此的方向是：各成90度設置。四個光楔的參數 是：光楔楔角α為32角分-40角分，光線偏轉角度β為16角分-20角分，玻璃折射率η 為1. 4-1. 6。通過上述光楔折光，即可在C⑶上實現(xiàn)高精度地太陽導星，但是光楔的選材、力口 工、檢測、安裝定位和粗細調整均比較困難和復雜； 6、其它基于相關跟蹤器的太陽導星，利用小靶面相機對太陽的局部進行低對比度成 像，通過太陽上低對比度目標特征圖像在時間序列方向上的相關處理，獲得低對比度特征 的偏移，從而實現(xiàn)太陽的導星，本方法因為特征圖像對比度很低，甚至沒有特征，無法實現(xiàn) 高精度的導星測量和校正。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的技術解決問題：針對現(xiàn)有技術的各種不足，本發(fā)明提出了一種新型的太 陽望遠鏡導星鏡，能克服現(xiàn)有技術精度低、抗干擾能力低、成本高昂、物鏡分割以及偏折的 裝配比較復雜、安裝和加工調整困難等不足，利用遮擋瞳孔并在導星光路的離焦像面上使 用小靶面相機和計算機，即可實現(xiàn)太陽成像和導星檢測及其反饋校正，免除了分割鏡面和 光楔元件的選材加工、安裝和調整，除了瞳孔遮擋和一個可以增加的調節(jié)焦點的鏡頭元件 夕卜，不再對導星鏡筒或者主鏡鏡筒的折射鏡之后續(xù)的導星光路上添加任何其它元件，結構 非常簡單、使用非常方便、成本也非常低、便于批量生產。
[0006] 完成上述發(fā)明任務的技術方案是，基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導星鏡，在 導星鏡聚焦鏡頭前或后的導星光軸中心處安裝瞳孔遮擋，以在離焦的成像像面上獲得外圍 亮、亮暗過渡區(qū)和暗核(相對于常規(guī)望遠鏡焦面上的亮核)，其中暗核用于導星測量及校正 的反饋，即可實現(xiàn)導星。
[0007] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述導星鏡還包括導星鏡筒，所述導星聚焦鏡頭和瞳 孔遮擋設置在導星鏡筒內。
[0008] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述導星鏡還包括主鏡鏡筒和設置在主鏡鏡筒的焦前 的折射鏡，所述折射鏡、導星聚焦鏡頭和瞳孔遮擋設置在主鏡鏡筒內。
[0009] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述導星鏡還包括設置在主鏡鏡筒的焦前的折射鏡， 所述聚焦鏡頭設置在導星偏折光路中主焦點的共軛點后。
[0010] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述導星鏡還包括設置在主鏡鏡筒的焦前的折射鏡， 所述導星聚焦鏡頭設置在導星偏折光路中主焦點的共軛點前，所述聚焦鏡頭為可選的調節(jié) 焦距的鏡頭。其中可選的調節(jié)焦距的鏡頭，是根據主鏡導星光路的焦距是否足夠長來選擇， 避免瞳孔遮擋和成像像面距離太短，使得導星精度下降。
[0011] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述瞳孔遮擋可以是圓形或其它對稱結構。
[0012] 本發(fā)明的工作原理是：太陽望遠鏡與其它望遠鏡或者光學系統(tǒng)類似，在離焦足夠 多的位置上成像為瞳孔像，其瞳孔像的重心仍然能代表望遠鏡的指向或者跟蹤目標的位 置。而通過在導星光路上增加瞳孔遮擋，在合適的離焦位置上得到的應該是中心有亮暗過 渡區(qū)和暗核的瞳孔加遮擋的像結構，這個中心暗核，與常規(guī)望遠鏡的亮核導星正好相似，可 以代表望遠鏡的指向跟蹤的位置，可以被用來在相機上采集獲取，并在計算機內完成位置 的精確的暗核中心位置計算，并與正確的導星位置比較后，執(zhí)行跟蹤誤差的調節(jié)，從而實現(xiàn) 望遠鏡的導星穩(wěn)像。其中合適的離焦位置選擇，應該選擇在黑區(qū)、漸暈區(qū)、明亮區(qū)中的從光 軸上漸暈區(qū)剛剛進入黑區(qū)的地方，明亮區(qū)是擴展目標成像充分的地區(qū)，成像得到的是一個 亮區(qū)域，減暈區(qū)是視場光線受到部分遮擋，成像不均勻的地區(qū)，內暗外亮的區(qū)域，而黑區(qū)則 是光軸上成像因為完全遮擋而完全沒有光線的區(qū)域。
[0013] 當然太陽望遠鏡觀測的是擴展目標，因此需要更多的離焦量，方可實現(xiàn)上述導星 中所需實現(xiàn)的中心暗區(qū)。而同時為了不影響導星的精度或者靈敏度，通常需要選擇更長的 導星鏡焦距或者在主鏡導星光路上設置調節(jié)焦點位置、設置焦距的透鏡鏡頭，從而保證在 離焦位置上仍然獲得各種常規(guī)導星望遠鏡的一樣的高精度導星。此外，瞳孔遮擋的大小選 擇，正好可以調節(jié)導星相機上太陽光強的強弱，獲得高對比度的中央暗區(qū)或陰影區(qū)的成像， 供導星檢測和校正；為了在導星相機上選擇合適的成像暗核或亮暗過渡區(qū)的大小，可以選 擇不同的離焦位置來獲得。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點是： 克服了的現(xiàn)有技術精度低、抗干擾能力差、或成本高昂、或聚焦鏡頭分割及偏折的裝配 比較復雜、或光楔元件選材加工、檢測、安裝調整困難等等不足，利用基于瞳孔遮擋的離焦 的太陽望遠鏡導星鏡，免除了分割鏡面或四光楔加工安裝調整，裝配和調試極為方便。同時 本發(fā)明結構簡單，制作和裝配容易，成本低，便于批量生產。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明實施實例1的基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導星鏡的結構示意 圖； 圖2為本發(fā)明實施實例2的基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導星鏡的結構示意圖； 圖3為本發(fā)明實施實例3的基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導星鏡的結構示意圖； 圖4為本發(fā)明在離焦位置上獲得導星成像像面示意圖。
[0016]

【具體實施方式】： 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附 圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0017] 實施例1 本實施例為在基于導星鏡筒導星，如圖1所示，基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導 星鏡100,由導星聚焦鏡頭3和設置在導星聚焦鏡頭3之后，導星光路光軸30中心處的圓形 瞳孔遮擋5組成。
[0018] 主鏡物鏡1與主鏡焦點2之間形成主鏡光路光軸20,導星聚焦鏡頭3安裝在與主 鏡光路光軸20平行的導星鏡筒上，導星光路光軸30與主鏡光路光軸20平行。在導星光路 光軸30上，導星鏡聚焦鏡頭3、瞳孔遮擋5、黑區(qū)7、漸暈區(qū)8、離焦像機成像位置6、明亮區(qū)9 和導星聚焦鏡頭焦點4依次排列。在離焦像機成像位置6處的離焦成像像面10如圖4所 示，在遠離導星焦點4的離焦像機成像位置6上獲得有高對比度的暗核18的成像10,用于 導星測量及校正的反饋，即可實現(xiàn)導星鏡筒的導星。
[0019] 如圖4,在遠離導星光路理論焦點的離焦像機成像位置6上獲得有高對比度的暗 核的成像像面10,由對應于明亮區(qū)9、漸暈區(qū)8和黑區(qū)7的離焦位置上亮區(qū)16、亮暗過渡區(qū) 17和暗核18組成。
[0020] 實施例2 本實施例中導星鏡的光路由主鏡折射產生。如圖2所示，主鏡光路光軸20上設有折射 鏡11，導星光路31由折射產生，導星光路31上主焦點的共軛點14后設置導星鏡頭導星， 在主鏡光路光軸20上主鏡聚焦鏡頭1、折射鏡11和主鏡焦點2依次排列。在導星光路光 軸30上，折射鏡11、主焦點的共軛點14、導星鏡聚焦鏡頭3、瞳孔遮擋5、黑區(qū)7、漸暈區(qū)8、 離焦像機成像位置6、明亮區(qū)9和導星聚焦鏡頭焦點4依次排列。在離焦像機成像位置6處 的離焦成像像面10如圖4所示。
[0021] 在主鏡鏡筒的物鏡1的主焦點2前安裝折射鏡11，形成導星光路，在對偏折的導星 光路中主焦點2的共軛點14后插入導星鏡聚焦鏡頭3和瞳孔遮擋5,在遠離導星光路理論 焦點4的成像位置6上獲得有高對比度的暗核的成像10,用于導星測量及校正的反饋，即可 實現(xiàn)基于主鏡鏡筒的導星。
[0022] 實施例3 本實施例中導星鏡的光路由主鏡折射產生，本實施例與上例的不同之處在于，導星光 路31上主焦點的共軛點14前設置導星鏡頭導星。如圖3所示，主鏡光路光軸20上設有折 射鏡11，導星光路31由折射產生，導星光路31上主焦點的共軛點14后設置導星鏡頭導星， 在主鏡光路光軸20上主鏡物鏡1、折射鏡11和主鏡焦點2依次排列。在導星光路光軸30 上，折射鏡11、可選調節(jié)焦距的導星鏡聚焦鏡頭3、瞳孔遮擋5、黑區(qū)7、漸暈區(qū)8、離焦像機成 像位置6、明亮區(qū)9和導星聚焦鏡頭焦點4依次排列。在離焦像機成像位置6處的離焦成像 像面10如圖4所示。
[0023] 在主鏡鏡筒的物鏡1的主焦點2前安裝折射鏡11，形成導星光路21，在對偏折的 導星光路中主焦點2的共軛點前插入可選的調節(jié)焦距的鏡頭15和瞳孔遮擋5,在遠離導星 光路理論焦點4的離焦像機成像位置6上獲得有高對比度的暗核18的成像10,用于導星測 量及校正的反饋，即可實現(xiàn)基于主鏡鏡筒的導星；其中可選的調節(jié)焦距的導星鏡聚焦鏡頭 3,是根據主鏡導星光路的焦距是否足夠長來選擇，避免瞳孔遮擋5和離焦成像像面10距離 太短，使得導星精度下降。
[0024] 實際上述導星實現(xiàn)實例1、2、3中，需要注意旋轉相機，使得太陽像的移動在X方向 與赤經或者赤緯平行，利用計算機視頻捕獲卡得到視頻圖像，根據該圖像及其變化進行導 星，計算機通過該視頻捕捉卡得到視頻圖像后，進行導星的處理流程。
[0025] 本發(fā)明未詳細闡述的屬于本領域公知技術。
【權利要求】
1. 基于瞳孔遮擋的離焦的太陽望遠鏡導星鏡，其特征是，在導星鏡聚焦鏡頭前或后的 導星光軸中心處安裝瞳孔遮擋。
2. 根據權利要求1所述的導星鏡，其特征是，所述的導星鏡還包括導星鏡筒，所述導星 聚焦鏡頭和瞳孔遮擋設置在導星鏡筒內。
3. 根據權利要求1所述的導星鏡，其特征是，所述導星鏡還包括主鏡鏡筒和設置在主 鏡鏡筒的焦前的折射鏡，所述折射鏡、導星聚焦鏡頭和瞳孔遮擋設置在主鏡鏡筒內。
4. 根據權利要求1所述的導星鏡，其特征是，所述導星鏡還包括設置在主鏡鏡筒的焦 前的折射鏡，所述聚焦鏡頭設置在導星偏折光路中主焦點的共軛點后。
5. 根據權利要求1所述的導星鏡，其特征是，所述導星鏡還包括設置在主鏡鏡筒的焦 前的折射鏡，所述導星聚焦鏡頭設置在導星偏折光路中主焦點的共軛點前，所述聚焦鏡頭 為可選的調節(jié)焦距的鏡頭。
6. 根據權利要求1所述的導星鏡，其特征是，所述瞳孔遮擋是圓形。
【文檔編號】G02B23/00GK104049353SQ201410316091
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權日:2014年7月4日
【發(fā)明者】張勇, 李燁平, 曾裔中 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所