一种分形模块化的多孔径观测装置及其设计方法与流程

1.本发明属于望远镜技术领域，具体为一种分形模块化的多孔径观测装置及其设计方法。


背景技术：

2.望远镜是一种利用透镜或反射镜以及其他光学器件观测遥远物体的光学仪器。其利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到，又称“千里镜”。望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径(最大8毫米)粗得多的光束，送入人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。
3.而天文望远镜是观测天体、捕捉天体信息的主要工具。从1609年伽利略制作第一台望远镜开始，望远镜就开始不断发展，从光学波段到全波段，从地面到空间，望远镜观测能力越来越强，可捕捉的天体信息也越来越多。人类在电磁波段、中微子、引力波、宇宙射线等方面均有望远镜。
4.随着人们对高空远距离识别的探索需求，对于承担观测任务的望远系统的高分辨率提出了越来越高的要求。根据经典的瑞利判据：θ＝1.22λ/d，在工作波长确定时，如果要提高系统的角分辨率，则只能增加系统入瞳孔径，导致反射式望远镜的口径尺寸超大，超大口径的反射镜望远镜，需要制造超大尺寸的单镜面主反射镜，但是光学系统的重量、体积和制造检测的难度，也会随着口径的急剧增大而无法承受，因此设计一种分形模块化的多孔径观测装置及其设计方法来解决这种问题很有必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种分形模块化的多孔径观测装置及其设计方法。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种分形模块化的多孔径观测装置，包括两组子望远镜，每组所述子望远镜包括三个呈等间距环形阵列分布并用于接收光线的子望远镜，两组所述子望远镜的阵列中心点相同，且其中一组所述子望远镜位于另一组所述子望远镜内，每个位于外圈的所述子望远镜中轴线与相邻两个位于内圈的所述子望远镜中轴线之间形成有60
°
的夹角；反射镜组件，所述反射镜组件安装在多个子望远镜的底部，反射镜组件包括主镜和次镜，所述主镜能够将子望远镜接收到的光线传导至次镜上，所述次镜能够将光线反射为平行光射出；光束汇聚组件，所述光束汇聚组件安装在反射镜组件的底部，以用于接收平行光以进行等光程调节及汇聚；ccd相机，所述ccd相机安装在光束汇聚组件的底部，并能够实时接收经过光束汇聚组件的汇聚后的平行光以成像；二轴调节台，所述反射镜组件安装在二轴调节台上，所述二轴调节台能够控制反射镜组件进行x/y轴向的角度调节。
7.进一步的，每个所述子望远镜均设置有独立调节机构，以用于改变其通光孔径，使
得每个子望远镜的通光孔径可以独立调整，以达到合适观测范围。
8.进一步的，所述子望远镜采用卡塞格林式结构，且所述子望远镜为双面曲镜，这样的设计会更加的合理。
9.进一步的，所述主镜采用卡塞格林式结构，且所述主镜为中心处设有开孔的抛物面镜，所述双曲面镜的焦点与主镜抛物面焦点相重合，以使得子望远镜能够将光线传导至主镜上，且卡塞格林的结构设计较为普遍，因为球面的光学表面不仅比长焦距的折射式望远镜容易制做，虽然这类结构的望远镜比同口径的反射式望远镜价格要更昂贵，但是由于紧密的光学设计使它在依订设计的口径之内很容易携带，使它在严谨细致的天文爱好者中更受青睐。
10.进一步的，每组所述子望远镜中的三个所述子望远镜的填充因子均为golay-3结构，其范围为f，且所述f＜0.6并＞0.4，和单个子孔径相比来说合成孔径分辨率并没有增大，只是起到了增加光束能量采集度的效果。
11.进一步的，所述子望远镜与反射镜组件之间设置有快摆镜，所述快摆镜用于将子望远镜收集的外部光线，使其反射至反射镜组件并校正光轴抖动。
12.进一步的，所述反射镜组件上设置有用于调节主镜通光孔径的调节组件，且所述主镜的通光孔径为150-300mm，以能够配合子望远镜孔径的改变进行相应调节。
13.进一步的，所述二轴调节台包括底板，所述底板上设置有呈凹字型结构的支架，所述支架上通过轴承转动插接有两个呈水平轴向的转轴，且所述反射镜组件固定连接在两个转轴之间，所述底板上设置有用于驱动支架沿水平面进行转动的第一转动组件，所述支架上设置有用于驱动转轴沿垂直面进行转动的第二转动组件，通过第一转动组件与第二转动组件作用的配合，即可达到将多个子望远镜进行x/y轴调节的目的。
14.进一步的，所述第一转动组件包括固定安装在底板顶部且输出轴朝上的第一步进电机，且所述支架的底部与第一步进电机的输出轴末端固定连接，所述第二转动组件包括固定安装在支架一侧且输出轴轴向与转轴相同的第二步进电机，且其中一个所述转轴的一端固定连接在第二步进电机的输出轴末端，通过第一步进电机输出轴的转动，即可带动支架在底板上进行相应的转动，以调节子望远镜的水平角度，并且，当第二步进电机的输出轴转动时，即可带动转轴进行相应的转动，使反射镜组件上的多个子望远镜能够进行垂直角度的调节。
15.为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种分形模块化的多孔径观测装置的设计方法，包括s1，设置多个呈分形排布的子望远镜；s2，光线通过多个子望远镜接收，并射入至主镜；s3，主镜将光线传导至次镜，次镜能够将光反射成平型光射入至光束汇聚组件中；s4，光线通过光束汇聚组件进行汇聚并被ccd相机进行接收成像，使得望远镜的角分辨率得到极大的提升，并提高了成像的质量。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.本发明通过将子望远镜进行分形排布，极大的提高望远镜的角分辨率，且由于是通过多个子孔径有效排布形成合成孔径成像，可以在提高分辨率的同时节省大量成本，同时，该方案可以提高填充因子，也就是内外环的各自的三组阵列可以朝相反方向运动，在不同位置进行曝光获取影像，由于分形理论的加强，会让单体镜头在整个包络圆内部几乎完全覆盖所有位置，这使得填充因子(实际镜头成像的面积在整个包络圆的占比)极大提高，
且依照分形理论，设计层数可以逐步提高，这种利用分形理论的模块化镜头设计理论目前局限于科技水平和成本控制，未来的技术更加成熟，便可以在此理论基础框架下设计出分形层数更高的阵列排布方式，更进一步提高观测性能。
附图说明
18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
19.图1为本发明的立体结构示意图；
20.图2为本发明的结构俯视示意图；
21.图3为本发明的又一立体结构示意图；
22.图4为现有几何分形理论示意图；
23.图5为本发明的子望远镜结构阵列方式示意图；
24.图6为本发明的光线接收过程示意图；
25.图7为本发明的设计原理示意图；
26.图中：1、子望远镜；2、反射镜组件；3、光束汇聚组件；4、ccd相机；5、二轴调节台；51、底板；52、支架；53、转轴。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参阅图1-7，本具体实施方式提供的一种分形模块化的多孔径观测装置，包括两组子望远镜1，每组子望远镜1包括三个呈等间距环形阵列分布并用于接收光线的子望远镜1，两组子望远镜1的阵列中心点相同，且其中一组子望远镜1位于另一组子望远镜1内，每个位于外圈的子望远镜1中轴线与相邻两个位于内圈的子望远镜1中轴线之间形成有60
°
的夹角；反射镜组件2，反射镜组件2安装在多个子望远镜1的底部，反射镜组件2包括主镜和次镜，主镜能够将子望远镜1接收到的光线传导至次镜上，次镜能够将光线反射为平行光射出；光束汇聚组件3，光束汇聚组件3安装在反射镜组件2的底部，以用于接收平行光以进行等光程调节及汇聚；ccd相机4，ccd相机4安装在光束汇聚组件3的底部，并能够实时接收经过光束汇聚组件3的汇聚后的平行光以成像；二轴调节台5，反射镜组件2安装在二轴调节台5上，二轴调节台5能够控制反射镜组件2进行x/y轴向的角度调节，现有的几何分形理论请参照图4，将一般的单口径望远镜进行分形，在第三层分形理论下就会得到多孔径望远镜阵列排布方式如图5，该装置通过将子望远镜1进行分形排布，极大的提高望远镜的角分辨率，且由于是通过多个子孔径有效排布形成合成孔径成像，可以在提高分辨率的同时节省大量成本，同时，该方案可以提高填充因子，也就是内外环的各自的三组阵列可以朝相反方向运动，在不同位置进行曝光获取影像，由于分形理论的加强，会让单体镜头在整个包络圆内部几乎完全覆盖所有位置，这使得填充因子(实际镜头成像的面积在整个包络圆的占比)极大提高，且依照分形理论，设计层数可以逐步提高，这种利用分形理论的模块化镜头设计理论
目前局限于科技水平和成本控制，未来的技术更加成熟，便可以在此理论基础框架下设计出分形层数更高的阵列排布方式，更进一步提高观测性能。
29.优选的，每个子望远镜1均设置有独立调节机构，以用于改变其通光孔径，使得每个子望远镜1的通光空间可以孔径调整，会更加的合理。
30.在一些实施例中，子望远镜1采用卡塞格林式结构，且子望远镜1为双面曲镜。
31.同时，主镜采用卡塞格林式结构，且主镜为中心处设有开孔的抛物面镜，双曲面镜的焦点与主镜抛物面焦点相重合，以使得子望远镜1能够将光线传导至主镜上，这种设计在制造商提供给消费者的望远镜上非常普遍，因为球面的光学表面不仅比长焦距的折射式望远镜容易制做，虽然这类结构的望远镜比同口径的反射式望远镜价格要更昂贵，但是由于紧密的光学设计使它在依订设计的口径之内很容易携带，使它在严谨细致的天文爱好者中更受青睐。
32.而另外的，每组子望远镜1中的三个子望远镜1的填充因子均为golay-3结构，其范围为f，f＜0.6且＞0.4，子孔径阵列的排列随着填充因子变小越来越稀疏，也就是单孔径的分辨率，和单个子孔径相比来说合成孔径分辨率并没有增大，只是起到了增加光束能量采集度的效果。
33.优选的，子望远镜1与反射镜组件2之间设置有快摆镜，快摆镜用于将子望远镜1收集的外部光线，使其反射至反射镜组件2并校正光轴抖动。
34.具体的，反射镜组件2上设置有用于调节主镜通光孔径的调节组件，且主镜的通光孔径为150-300mm，以能够配合子望远镜1孔径的改变进行相应调节，这样的设计会更加的合理。
35.请参阅图1和图3，二轴调节台5包括底板51，底板51上设置有呈凹字型结构的支架52，支架52上通过轴承转动插接有两个呈水平轴向的转轴53，且反射镜组件2固定连接在两个转轴53之间，底板51上设置有用于驱动支架52沿水平面进行转动的第一转动组件，支架52上设置有用于驱动转轴53沿垂直面进行转动的第二转动组件，以达到将多个子望远镜1进行x/y轴调节的目的。
36.为了能够使得支架52沿水平面进行转动，在一些实施例中，提出，第一转动组件包括固定安装在底板51顶部且输出轴朝上的第一步进电机，且支架52的底部与第一步进电机的输出轴末端固定连接，这样，通过第一步进电机输出轴的转动，即可带动支架52在底板51上进行相应的转动，从而能够调节子望远镜1的水平角度，而为能够驱动转轴53沿垂直面进行转动，在一些实施例中，第二转动组件包括固定安装在支架52一侧且输出轴轴向与转轴53相同的第二步进电机，且其中一个转轴53的一端固定连接在第二步进电机的输出轴末端，当第二步进电机的输出轴转动时，即可带动转轴53进行相应的转动，从而达到驱动反射镜组件2进行转动的目的，使反射镜组件2上的多个子望远镜1能够进行垂直角度的调节。
37.同时，本具体实施方式还提供的一种分形模块化的多孔径观测装置的设计方法，包括s1，设置多个呈分形排布的子望远镜1；s2，光线通过多个子望远镜1接收，并射入至主镜；s3，主镜将光线传导至次镜，次镜能够将光反射成平型光射入至光束汇聚组件3中；s4，光线通过光束汇聚组件3进行汇聚并被ccd相机4进行接收成像，使得望远镜的角分辨率得到极大的提升，并提高了成像的质量，并且，依据分形理论，设计层数可以根据科技水平逐步提高。
38.在本装置空闲处，安置所有电器件与其相匹配的驱动器，并且通过本领域人员，将上述中所有驱动部件，其指代动力元件、电器件以及适配的电源通过导线进行连接，具体连接手段，应参考上述表述中，各电器件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术。
39.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
40.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种分形模块化的多孔径观测装置，其特征在于，包括：两组子望远镜(1)，每组所述子望远镜(1)包括三个呈等间距环形阵列分布并用于接收光线的子望远镜(1)，两组所述子望远镜(1)的阵列中心点相同，且其中一组所述子望远镜(1)位于另一组所述子望远镜(1)内，每个位于外圈的所述子望远镜(1)中轴线与相邻两个位于内圈的所述子望远镜(1)中轴线之间形成有60
°
的夹角；反射镜组件(2)，所述反射镜组件(2)安装在多个子望远镜(1)的底部，反射镜组件(2)包括主镜和次镜，所述主镜能够将子望远镜(1)接收到的光线传导至次镜上，所述次镜能够将光线反射为平行光射出；光束汇聚组件(3)，所述光束汇聚组件(3)安装在反射镜组件(2)的底部，以用于接收平行光以进行等光程调节及汇聚；ccd相机(4)，所述ccd相机(4)安装在光束汇聚组件(3)的底部，并能够实时接收经过光束汇聚组件(3)的汇聚后的平行光以成像；二轴调节台(5)，所述反射镜组件(2)安装在二轴调节台(5)上，所述二轴调节台(5)能够控制反射镜组件(2)进行x/y轴向的角度调节。2.根据权利要求1所述的一种分形模块化的多孔径观测装置，其特征在于，每个所述子望远镜(1)均设置有独立调节机构，以用于改变其通光孔径。3.根据权利要求1所述的一种分形模块化的多孔径观测装置，其特征在于，所述子望远镜(1)采用卡塞格林式结构，且所述子望远镜(1)为双面曲镜。4.根据权利要求3所述的一种分形模块化的多孔径观测装置，其特征在于，所述主镜采用卡塞格林式结构，且所述主镜为中心处设有开孔的抛物面镜，所述双曲面镜的焦点与主镜抛物面焦点相重合。5.根据权利要求1所述的一种分形模块化的多孔径观测装置，其特征在于，每组所述子望远镜(1)中的三个所述子望远镜(1)的填充因子均为golay-3结构，其范围为f，且所述f＜0.6并＞0.4。6.根据权利要求1所述的一种分形模块化的多孔径观测装置，其特征在于，所述子望远镜(1)与反射镜组件(2)之间设置有快摆镜，所述快摆镜用于将子望远镜(1)收集的外部光线，使其反射至反射镜组件(2)并校正光轴抖动。7.根据权利要求1所述的一种分形模块化的多孔径观测装置，其特征在于，所述反射镜组件(2)上设置有用于调节主镜通光孔径的调节组件，且所述主镜的通光孔径为150-300mm。8.根据权利要求1所述的一种分形模块化的多孔径观测装置，其特征在于，所述二轴调节台(5)包括底板(51)，所述底板(51)上设置有呈凹字型结构的支架(52)，所述支架(52)上通过轴承转动插接有两个呈水平轴向的转轴(53)，且所述反射镜组件(2)固定连接在两个转轴(53)之间，所述底板(51)上设置有用于驱动支架(52)沿水平面进行转动的第一转动组件，所述支架(52)上设置有用于驱动转轴(53)沿垂直面进行转动的第二转动组件。9.根据权利要求8所述的一种分形模块化的多孔径观测装置，其特征在于，所述第一转动组件包括固定安装在底板(51)顶部且输出轴朝上的第一步进电机，且所述支架(52)的底部与第一步进电机的输出轴末端固定连接，所述第二转动组件包括固定安装在支架(52)一侧且输出轴轴向与转轴(53)相同的第二步进电机，且其中一个所述转轴(53)的一端固定连
接在第二步进电机的输出轴末端。10.根据权利要求1-9任一种所述的分形模块化的多孔径观测装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，设置多个呈分形排布的子望远镜(1)；s2，光线通过多个子望远镜(1)接收，并射入至主镜；s3，主镜将光线传导至次镜，次镜能够将光反射成平型光射入至光束汇聚组件(3)中；s4，光线通过光束汇聚组件(3)进行汇聚并被ccd相机(4)进行接收成像。

技术总结
本发明涉及望远镜技术领域，且公开了一种分形模块化的多孔径观测装置及其设计方法，其包括两组子望远镜，每组所述子望远镜包括三个呈等间距环形阵列分布并用于接收光线的子望远镜，两组所述子望远镜的阵列中心点相同，且其中一组所述子望远镜位于另一组所述子望远镜内，每个位于外圈的所述子望远镜中轴线与相邻两个位于内圈的所述子望远镜中轴线之间形成有60


技术研发人员：赵佳晨
受保护的技术使用者：赵佳晨
技术研发日：2021.11.04
技术公布日：2022/1/28