CN113865518A - 一种大视场望远镜焦面与ccd靶面夹角的天文检测方法 - Google Patents

一种大视场望远镜焦面与ccd靶面夹角的天文检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大视场望远镜焦面与CCD靶面夹角的天文检测方法，能准确测量出CCD靶面与光学焦面的倾斜程度，然后用标准尺寸的垫片在CCD相机和光学望远镜安装法兰处对其进行修正，解决了天文观测中星像虚实同在的问题。

Description

一种大视场望远镜焦面与CCD靶面夹角的天文检测方法
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，尤其是涉及一种大视场望远镜焦面与CCD靶面夹角的天文检测方法。
背景技术
电荷耦合器件CCD问世于20世纪70年代，它能够将光信号转换成电信号，并实现电荷的存储和转移，在光电探测领域，尤其是天文学领域得到了广泛的应用。随着大视场巡天望远镜的发展，大靶面CCD（像元2048x2048以上）相机的需求不断增多。但由于CCD机械封装误差、CCD相机与望远镜安装法兰机械误差等因素的影响，使得CCD靶面与望远镜光学焦面存在夹角，特别是对于大视场望远镜，其焦距短、视场大，焦深通常小于几十微米，此夹角误差很难达到光学***的焦深要求，进而影响CCD全场星像成像质量。因此，检测CCD靶面和光学***焦面的夹角，并对其修正是非常必要的。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，提供一种大视场望远镜焦面与CCD靶面夹角的天文检测方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大视场望远镜焦面与CCD靶面夹角的天文检测方法，包括以下步骤：
S1. 以光学望远镜光学焦平面为基准，通过望远镜调焦***将CCD沿着光轴方向平移，从焦外移动到焦内，或从焦内移动到焦外，平移步长接近望远镜焦深长度，CCD平移过程中同时将光学望远镜对准密集星场，选取合适的曝光时间拍摄图像；
S2. 用天文方法测量图像中所有星像的半高全宽FWHM，再将图像等分为n2个天区，分别统计每个天区中星像半高全宽FWHM的平均值，得到n2个天区的FWHM；
S3. 随着望远镜焦距的移动，任何一个天区都将经过望远镜光学焦面，此时对应的FWHM最小，由于望远镜焦距与其对应的FWHM是一组离散数列，为得到某一天区准确的焦距值，以望远镜焦距作为横坐标， FWHM作为纵坐标进行二次多项式拟合，FWHM最小时对应的焦距值就是这一天区的最佳焦距；
S4. 得到所有天区的最佳焦距后，以CCD像元坐标为x坐标和y坐标，以最佳焦距为z坐标，做平面拟合，得到拟合平面方程，拟合平面与x, y坐标面的夹角即为CCD靶面与望远镜焦面的夹角。
作为一种优选的技术方案，S1中，CCD沿着光学望远镜光轴方向平移的步长接近的望远镜焦深长度为△δ=4λ(f/D)²。
作为一种优选的技术方案，S4中，CCD靶面与望远镜焦面的夹角为：tanθ=(Zmax-Zmin）/(a*√2*b/1000)，其中Zmax为最大焦距，Zmin为最小焦距，a为CCD单轴像元数，b为以μm 为单位的CCD像元尺寸。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
本发明通过天文检测方法，能准确测量出CCD靶面与光学焦面的倾斜程度，然后用标准尺寸的垫片在CCD相机和光学望远镜安装法兰处对其进行修正，解决了天文观测中星像虚实同在的问题。本发明解决了无法使用直接测量方法测量CCD靶面与望远镜焦面夹角的问题，且利用天文检测方法可以避免由于安装导致的误差，得到较为准确的测量结果，通用性较强。同时，此方法可为自动靶面校准提供参考。
附图说明
图1为CCD靶面与望远镜焦面夹角测量原理图；
图2为对同一子天区的望远镜焦距和恒星FWHM均值做多项式拟合的拟合点分布图；
图3为对测量的CCD子天区焦距值做平面拟合的拟合点分布图；
图4为CCD相机与望远镜安装法兰面的结构示意图；
图5为修正后CCD靶面与望远镜焦面的拟合点分布图；
图6为修正后CCD全场星像FWHM分布情况示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
主镜口径D=1m的反射式主焦点望远镜，其光学***焦距f=2200mm，波长λ=650nm处对应的焦深：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
因此，在0.013mm范围内，成像质量能满足光学***性能要求。
CCD为科学级芯片，4k×4k像素，像元尺寸为15μm，对应的像元比例尺为1.4”，CCD视场为1.6°x1.6°，大于望远镜光学***有效视场1.5°x1.5°，故CCD边缘及四个角的星像质量较差。
如图1所示，F点为望远镜焦点位置，xFy平面为望远镜焦面。实际测量过程中，将望远镜指向银河密集星场，保证全场区域有足够多的恒星。以0.02mm步长调整望远镜焦距从1.22mm至1.92mm，使得CCD从望远镜焦外移动到焦内（CCD上任何一块区域都要经过望远镜焦面），每移动一次拍摄一张20s曝光时间的图像，共36张图像，记录下每张图像对应的望远镜焦距值（相对于f=2200mm的值）。
首先，对36张图像进行全场测光，得到每张图像中所有恒星的半高全宽(FWHM)值。将图像20x20等分，共400个子天区，统计每个子天区中所有恒星FWHM的平均值。然后，先对36张图像中同一子天区的望远镜焦距和FWHM均值做3次多项式拟合，如图2所示，得到FWHM的最低点；然后，用最低点附近的数据点做2次多项式拟合，确定此子天区的最佳焦距值。可得到400个子天区对应的最佳焦距，以CCD像元坐标为x和y（x, y对应取0-20），以每个子天区的最佳焦距为z作图。最后，对此曲面做平面拟合，如图3所示为 400个子天区的最佳焦距以及拟合平面。最终，得到平面拟合方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
由此方程可知，（x, y）=(0, 0)时，焦距z最小；（x, y）=(20, 20)时，焦距z最大。故CCD靶面与望远镜焦面的夹角为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为CCD靶面与望远镜焦面的夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
=0.045719mm，4096为CCD单轴像元数，15为CCD像元尺寸（单位：μm），计算得出CCD靶面与望远镜焦面的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
为0.03015°。
通过天文定位，给图像添加WCS信息，即图像中同时有天文坐标（RA,DEC）和像元坐标（x, y）。通过望远镜地平坐标和天文坐标的关系，判断出CCD靶面的倾斜方向与CCD相机安装法兰面的对应关系。根据此对应关系，按照拟合平面方程，在CCD安装法兰面增加相应厚度的标准尺寸垫片，使得CCD靶面与望远镜焦面平行，如图4所示，最小垫片的厚度为0.02mm。
用同样的方法对修正后的CCD靶面与望远镜焦面的夹角进行测量，最终结果如图5所示。平面拟合方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
计算的最大焦距和最小焦距差为
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
=0.0139974mm，满足望远镜焦深要求。CCD靶面与望远镜焦面夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
为0.00016°。
修正后CCD全场星像FWHM的统计分布如图6所示，灰度梯度表示不同的FWHM值。可以看出全场80%的星像质量优于3”，满足天文观测需求。
除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (3)

1.一种大视场望远镜焦面与CCD靶面夹角的天文检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 以光学望远镜光学焦平面为基准，通过望远镜调焦***将CCD沿着光轴方向平移，从焦外移动到焦内，或从焦内移动到焦外，平移步长接近望远镜焦深长度，CCD平移过程中同时将光学望远镜对准密集星场，选取合适的曝光时间拍摄图像；
S2. 用天文方法测量图像中所有星像的半高全宽FWHM，再将图像等分为n2个天区，分别统计每个天区中星像半高全宽FWHM的平均值，得到n2个天区的FWHM；
S3. 随着望远镜焦距的移动，任何一个天区都将经过望远镜光学焦面，此时对应的FWHM最小，由于望远镜焦距与其对应的FWHM是一组离散数列，为得到某一天区准确的焦距值，以望远镜焦距作为横坐标，FWHM作为纵坐标进行二次多项式拟合，FWHM最小时对应的焦距值就是这一天区的最佳焦距；
S4. 得到所有天区的最佳焦距后，以CCD像元坐标为x坐标和y坐标，以最佳焦距为z坐标，做平面拟合，得到拟合平面方程，拟合平面与x, y坐标面的夹角即为CCD靶面与望远镜焦面的夹角。
2.如权利要求1所述的一种大视场望远镜焦面与CCD靶面夹角的天文检测方法，其特征在于，S1中，CCD沿着光学望远镜光轴方向平移的步长接近的望远镜焦深长度为△δ=4λ(f/D)²。
3.如权利要求1所述的一种大视场望远镜焦面与CCD靶面夹角的天文检测方法，其特征在于，S4中，CCD靶面与望远镜焦面的夹角为：tanθ=(Zmax-Zmin）/(a*√2*b/1000)，其中Zmax为最大焦距，Zmin为最小焦距，a为CCD单轴像元数，b为以μm 为单位的CCD像元尺寸。
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黄垒;辛立平;韩旭辉;魏建彦;: "广角天文望远镜的自动调焦", 光学精密工程, no. 01 *

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