用于调整天文望远镜系统共焦的调焦相机及其调焦方法
【专利说明】
[0001]
技术领域
[0002] 本发明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方法。
[0003]
【背景技术】
[0004] 现有的1米以上通光口径的天文光学望远镜通常具备多个终端观测仪器，如图1所 示，所述终端仪器包括光谱仪14和成像系统11，其中天文望远镜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的光轴与天文望远镜9的光轴位 于同一条直线上，光谱仪14中的狭缝13位于天文望远镜9的光轴方向上的理论设计焦面上， 成像系统11的光轴垂直于天文望远镜9的光轴，光谱仪14与天文望远镜9之间设置有分光镜 12,分光镜12位于成像系统11的光轴方向与天文望远镜9的光轴方向相交处，分光镜12的镜 面与天文望远镜9的光轴之间具有45度的夹角，经天文望远镜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，天文望远镜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 焦面位置位于与天文望远镜9在反射光束方向上的理论设计焦面上。
[0005] 然而，在实际观测使用中，成像系统11的物方焦面位置与天文望远镜9在反射光束 方向上的理论设计焦面往往并不重合，光谱仪14中的狭缝13的安装位置也不与天文望远镜 9的光轴方向上的理论设计焦面重合，也就是说上述终端仪器与前端望远镜并不共焦，从而 导致望远镜观测精度较差。
[0006] 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。
[0007]
【发明内容】
[0008] 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，本发明提供一种用于调整天文望远镜及其终端仪器共焦的调焦相机，其技术方 案如下： 用于调整天文望远镜及其终端仪器共焦的调焦相机，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； 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。
[0009] 优选地，所述机壳内的成像靶面上安装有CMOS图像传感器。所述CMOS图像传感器 构成CMOS探测器。
[0010] 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。
[0011] 本发明还提供一种采用上述调焦相机来调整安装在镜架上的天文望远镜及其终端仪 器共焦的方法，所述终端仪器包括光谱仪和成像系统，其中天文望远镜位于光谱仪的前端， 成像系统位于光谱仪的前端左侧或前端右侧，光谱仪的光轴与天文望远镜的光轴位于同一 条直线上，光谱仪中的狭缝位于天文望远镜的光轴方向上的焦面上，成像系统的光轴垂直 于天文望远镜的光轴，光谱仪与天文望远镜之间设置有分光镜，分光镜位于成像系统的光 轴方向与天文望远镜的光轴方向相交处，分光镜的镜面与天文望远镜的光轴之间具有度的 夹角，经天文望远镜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； 包括以下顺序步骤： 步骤1:将镜架上的天文望远镜撤去，在安装天文望远镜的位置安装所述调焦相机，通 过调整使调焦相机的光轴与光谱仪的光轴位于同一条直线上，然后通过旋转调焦相机的镜 筒来调整相机的焦距，使得光谱仪的狭缝在调焦相机中成清晰像； 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，小孔 板上设置有通孔，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，此时小孔板与狭缝像同时清晰，成像系统的焦面位置与光谱仪的焦面位置有了共 同的参照物； 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； 步骤4:撤去小孔板和调焦相机，重新安装天文望远镜，启动天文望远镜，指向观测目 标，沿天文望远镜的光轴方向调整天文望远镜的位置，直至观测目标在成像系统中成清晰 像，此时天文望远镜与成像系统共焦面，也与光谱仪共焦面。
[0012] 优选地，所述步骤1中，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，经过分光镜透射成像在调焦相机中，然后通过旋转调焦相机的镜筒来调整 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； 所述步骤2中，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，使小孔定标板在调焦相机中成像，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。
[0013] 优选地，所述小孔板为标定板； 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。
[0014] 优选地，所述小孔板上的通孔的直径为100微米； 所述狭缝的缝宽为60微米； 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。
[0015] 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共 焦，本发明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共 焦。
[0016] 根据几何光学理论，焦深Δ s的表达式为：
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。
[0017] 那么，只有当相机的调焦精度小于望远镜的焦深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： 物方焦比必须小于望远镜的出射焦比； 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； 镜头对焦时的机械运动分辨率必须远小于镜头的焦深。
[0018] 为此，本发明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。
[0019] 本发明中的调焦相机参数如表1所示： 表1:调焦相机的镜头光机结构参数
表2:调焦相机的CMOS探测器参数
本发明解决了光学望远镜非成像终端仪器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V4以内。
[0020]
【附图说明】
[0021] 图1为现有技术中的望远镜及终端结构示意图； 图2为本发明中的调焦相机光机结构示意图； 图3为本发明中的采用白光光源照亮光谱仪的狭缝时的示意图； 图4为本发明中的采用白光光源照亮小孔板时的示意图； 图5为本发明采用调焦相机拍摄的狭缝像与小孔板图像； 图6为本发明中的NVST终端仪器示意图。
[0022]
【具体实施方式】
[0023] 如图2所示为用于调整天文望远镜9及其终端仪器共焦的调焦相机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； 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。
[0024] 进一步地，所述机壳1内的成像革E1面上安装有CMOS图像传感器。
[0025] 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。
[0026] 采用上述调焦相机8来调整安装在镜架上的天文望远镜9及其终端仪器共焦的方 法，包括以下顺序步骤： 步骤1:将镜架上的天文望远镜9撤去，在安装天文望远镜9的位置安装所述调焦相机8， 通过调整使调焦相机8的光轴与光谱仪14的光轴位于同一条直线上，然后通过旋转调焦相 机8的镜筒来调整相机的焦距，使得光谱仪14的狭缝13在调焦相机8中成清晰像； 步骤2:保持调焦相机8的安装位置不变，在如图1所示的成像系统11的物方焦面位置10 安装小孔板15,小孔板15上设置有通孔，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，此时小孔板15与狭缝13像同时清晰，成像系统11的焦 面位置