Телескоп

(51) 02 23/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ диагональным зеркалом, дополнительно содержит по меньшей мере один оптико-механический поворот. В состав оптико-механического поворота входит кольцевой подшипник, одно из колец которого закреплено неподвижно на корпусе телескопа, а на подвижном кольце установлено диагональное зеркало. Кольцевой подшипник выполнен с возможностью свободного прохождения световых лучей сквозь его центральную часть и вращения его подвижного кольца вокруг оптической оси телескопа. Кольцевой подшипник может представлять собой подшипник качения,скольжения, а также кольцевое резьбовое соединение. Оптико-механический поворот может быть выполнен с возможностью нахождения,фиксации и ведения объекта наблюдения по одной из координат. В телескопе может использоваться блок из двух оптико-механических поворотов,который может быть выполнен съемным.(56) Сикорук Л.Л. Телескопы для любителей астрономии. -М. Наука, 1990, с. 156-297(57) Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к астрономическим приборам, и может быть использовано для наблюдения удаленных объектов. Технический результат - улучшение качества изображения,оборачивание изображения,повышение компактности, расширение зоны применения, экономия ресурсов и энергии. Технический результат достигается тем, что закрепленный на монтировке оптический телескоп,содержащий корпус с объективом, окуляром и Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к астрономическим приборам, и может быть использовано для наблюдения удаленных объектов. В источнике (Л.Л.Сикорук, Телескопы для любителей астрономии, Москва Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1990,с. 156-297) освещаются некоторые вопросы астрономии,а также рассказывается о конструировании и постройке любительских телескопов. Телескопы делятся на две большие группы - рефракторы и рефлекторы. В рефракторах изображение удаленного объекта формируется при помощи объектива, в рефлекторах - при помощи сферического,параболического или гиперболического зеркал. Существуют также телескопы смешанного типа,в которых используются как зеркала, так и линзы. В состав телескопов входят также устройства для наведения на резкость (фокусировка) и окуляр. Все устройства собраны в корпусе, как правило, имеющем форму трубы. Для повышения удобства использования в состав окуляра также могут входить диагональные зеркала или же призмы полного внутреннего отражения. Для наведения телескопа на объект наблюдения используется механическое устройство,т.н. монтировка. Таким образом, эти два устройства - телескоп и монтировка, фактически образуют единый прибор, который желательно устанавливать в обсерватории - специальном здании с открывающимся куполом. Монтировки для небольших телескопов представляют собой обычно штатив (треногу) с азимутальной или экваториальной системой наведения. В азимутальной монтировке наведение на объект осуществляется посредством изменения двух координат - азимута и высоты. В экваториальной монтировке одна из осей вращения наводится на полюс мира (в северном полушарии на Полярную звезду) и ведение объекта осуществляется изменением лишь одной из координат. Современные монтировки обеспечивают нахождение,фиксацию,ведение объекта наблюдения, причем часто все эти операции осуществляются при помощи компьютера. К монтировкам предъявляются очень серьезные требования по обеспечению необходимой жесткости конструкции, так как малейшие паразитные вибрации приводят к размыванию изображения. Монтировки для крупных телескопов представляют собой гигантские сооружения, и их изготовление находится на грани возможностей современного машиностроения. Обсерватории также представляют собой крупные здания, обычно с поворотным открывающимся куполом. Строительство этих сооружений очень затратно и материалоемко,эксплуатация также дорого обходится, так как тратится много энергии на питание устройств и термостатирование корпуса обсерватории. В процессе наведения телескопа на объект при помощи монтировки его положение относительно Земли меняется, вследствие этого меняется картина 2 сил гравитации, действующих на главное зеркало,что приводит к его деформации. В крупных рефлекторах используются сложные устройства,включающие сервисные механизмы, автоматически устраняющие эти деформации. В последнее время создаются многосегментные главные зеркала, в которых также применяются подобные устройства. Известны космические телескопы, в частности,автоматический телескоп Хаббл(го//Хаббл(телескоп. Он работает на орбите Земли и по сравнению с наземными телескопами обладает рядом преимуществ. Для наведения телескопа на космический объект приходится разворачивать весь спутник. Для этого используются силовые гироскопы и реактивные двигатели ориентации. Это приводит к непроизводительному расходованию рабочего времени и энергии. Необходимо также отметить, что главное зеркало телескопа и другие оптические системы подвергаются опасности повреждения микрометеоритами и космическим мусором. В качестве прототипа выбран телескоп 90 фирмы(/). Это классический линзовый телескоп с диаметром объектива 90 мм. Телескоп отличается простотой конструкции, качественной просветленной оптикой,надежной механикой. Инструмент установлен на легкую и простую азимутальную монтировку с микрометрической подводкой по обеим осям,удобную для наблюдений, как за небесными, так и за земными объектами. Жесткий стальной штатив телескопа регулируется по высоте. Инструмент укомплектован всем необходимым. В комплект входят также искатель, диагональное зеркало и полочка для аксессуаров. Однако в такой системе с одним диагональным зеркалом изображение остается перевернутым, что мешает наблюдениям. При работе с этим телескопом пользователям часто приходится принимать неудобные позы - наклоняться,приседать, выворачивать шею, т.е., перемещаться вслед за окуляром. Это создает значительные трудности, особенно для людей с ограниченными физическими возможностями. Задача изобретения - разработка модели оптического телескопа с повышенным удобством использования. Технический результат - улучшение качества изображения,оборачивание изображения,повышение компактности, расширение зоны применения, экономия ресурсов и энергии. Технический результат достигается тем, что закрепленный на монтировке оптический телескоп,содержащий корпус с объективом, окуляром и диагональным зеркалом, дополнительно содержит по меньшей мере один оптико-механический поворот. В состав оптико-механического поворота входит кольцевой подшипник, одно из колец которого закреплено неподвижно на корпусе телескопа, а на подвижном кольце установлено диагональное зеркало. Кольцевой подшипник выполнен с возможностью свободного прохождения световых лучей сквозь его центральную часть и вращения его подвижного кольца вокруг оптической оси телескопа. Кольцевой подшипник может представлять собой подшипник качения,скольжения, а также кольцевое резьбовое соединение. Оптико-механический поворот может быть выполнен с возможностью нахождения,фиксации и ведения объекта наблюдения по одной из координат. В телескопе может использоваться блок из двух оптико-механических поворотов,который может быть выполнен съемным. Сущность изобретения поясняется чертежами,где на фиг.1. Виды телескопа сбоку и сверху на фиг.2. Принципиальная оптическая схема телескопа на фиг.3. Разрез оптико-механического поворота на фиг.4. Разрез блока оптико-механических поворотов на фиг.5. Схема наземной обсерватории с блоком оптико-механических поворотов на фиг.6. Схема космического телескопа с блоком оптико-механических поворотов на фиг.7. Виды телескопа сбоку и сверху в азимутальном режиме на фиг.8. Схема телескопа в экваториальном режиме на фиг.9. Схема телескопа в перископном режиме. На фиг.1 приведены виды телескопа сбоку и сверху. Телескоп установлен на координатнике с одной вращательной степенью свободы. Координатник состоит из неподвижного основания 1, которое может содержать регулируемые ножки для горизонтирования(не показаны). На неподвижном основании 1 при помощи шарикоподшипника установлена подвижная платформа 2, выполненная с возможностью вращения во всем диапазоне углов. Платформа 2 может содержать лимб с нанесенными градусными делениями, пузырьковые уровни и компас (не показаны). На подвижной платформе 2 неподвижно установлена пара осевых опор 3 с отверстиями. На платформе 2 также симметрично закреплена пара силовых лимбов 4, на которых нанесены градусные деления. На осевых опорах 3 при помощи оси 5 установлен корпус телескопа 6 с возможностью качания в пределах 90 градусов. На корпусе 6 неподвижно и симметрично установлены два узла фиксации 7, содержащие две стрелки и два барашка 8. Устройство фиксации выполнено с возможностью установки корпуса 6 на необходимый угол относительно горизонта посредством затягивания барашков 8 на силовых лимбах 4. На корпусе 6 также закреплен окулярный узел 9. Его изображение условно и он может содержать известные из телескопии устройства например, устройство фокусировки, устройство для смены окуляров,поворотные призмы, бинокулярные насадки. Также на окулярном узле могут устанавливаться устройство регистрации,включающее светоделительный кубик, ПЗС - матрицу или цифровой фотоаппарат. На боковом торце корпуса 6 установлен подвижный корпус 10 при помощи кольцевого подшипника 11. Кольцевой подшипник состоит из неподвижного кольца 12, закрепленного на корпусе 6, и подвижного кольца 13, на котором закреплен подвижный корпус 10. На боковом торце подвижного корпуса 10 установлен объектив 14, а внутри подвижного корпуса 10 установлено диагональное зеркало (не видно). Объектив 14 уравновешен при помощи закрепленного на консоли противовеса 15. Механизм управления подвижным кольцом 13 укреплен на верхней части корпуса 6 и служит для контролируемого поворота подвижного корпуса 10 на необходимый угол. Он выполнен с возможностью поиска, наведения, фиксации и ведения объекта наблюдения по одной вращательной степени свободы. Корпус 16 механизма управления оптико-механическим поворотом установлен на корпусе телескопа 6 при помощи плоской пружины 17 и содержит внутри редуктор, в простейшем случае в виде червячной передачи или передачи в виде двух конических шестерен. В верхней части на валу первой шестерни установлен барашек 18,а в нижней,перпендикулярно ей, на валу 19 второй шестерни,установлен резиновый валик 20, выполненный с возможностью вращения подвижного кольца 13 подшипника 11. Пружина 17 работает на прижим валика 20 к подвижному кольцу 13. Фиксатор 21 содержит уступ, он также подпружинен и выполнен с возможностью отсоединения резинового валика 20 от кольца 13 на время поиска объекта. Описанная конструкция не исключает и не ограничивает использования в ней всех современных широко распространенных сервисных компьютерных систем наведения на объект, его фокусирования, фиксации,ведения, фотографирования и т.п. На фиг.2 приведена принципиальная оптическая схема телескопа, на которой обозначены детали, не видимые на фиг. 1. Здесь также 1 - неподвижное основание, 2 - подвижная платформа, 6 - корпус, 9 окулярный узел, 10 - подвижный корпус, 11 кольцевой подшипник, 14 - объектив. Из новых элементов - неподвижное диагональное зеркало 22 и подвижное диагональное зеркало 23. Видно, что оптическая ось окуляра лежит на одной прямой с осью вращения подвижной платформы 2, при вращении которой окулярный узел остается неподвижным. Первое диагональное зеркало 22 ломает оптическую ось на 90 градусов, второе подвижное диагональное зеркало 23 еще раз ломает оптическую ось на 90 градусов. Объектив 14 установлен неподвижно на подвижном корпусе 10 и служит для формирования основного изображения объекта наблюдения. Эта схема обеспечивает наведение на любой объект наблюдения по двум координатам. В данной конструкции диагональное зеркало 23 находится близко к объективу 14, т.е., находится вблизи зоны максимальной расфокусировки, поэтому мелкие дефекты (пыль, царапины) диагонального зеркала 23 не будут оказывать существенного влияния на качество изображения. Вследствие большей компактности всего устройства в отличие от схемы 3 телескопа с традиционной монтировкой паразитные вибрации значительно снижены. Это приводит к улучшению качества изображения. Также данная система вследствие двойного зеркального отражения обеспечивает оборачивание изображения, что приводит к увеличению удобства использования. На фиг.3 приведен разрез оптико-механического поворота. Здесь кольцевой шарикоподшипник 11 состоит из неподвижного кольца 12 и подвижного кольца 13. Плоское зеркало 23 имеет наружное напыление, может иметь прямоугольную или эллипсовидную форму, оно неподвижно закреплено на подвижном кольце 13 и может содержать элементы юстировки (не показаны). В плане зеркало представляет собой прямую линию. Вместо диагонального зеркала может использоваться призма полного внутреннего отражения,функционально ему идентичная. Вся конструкция может иметь систему контролируемого управления углом поворота подвижного кольца 13, в состав которой могут входить шаговые электродвигатели с компьютерным управлением. Неподвижное кольцо 12 имеет крепление к корпусу телескопа, которое может быть выполнено с возможностью быстрого снятия оптико-механического поворота с корпуса телескопа. Наружная поверхность подвижного кольца 13 может содержать элементы для взаимодействия с сервисными механизмами(шестеренчатые зубья, накатку, поверхность с повышенным трением, резиновое покрытие и т.п.). Подобные системы управления углом поворота известны и широко применяются в традиционных монтировках и подобных им кординатниках. Оптико-механический поворот может устанавливаться как внутри телескопа, за объективом, так и снаружи, перед ним. Возможна также совместная установка двух оптикомеханических поворотов - один внутри корпуса телескопа, перед объективом, а второй снаружи - за ним. Оптико-механический поворот может иметь кожухи и бленды, защищающие его от повреждения и попадания постороннего света. Возможно составление двух оптикомеханических поворотов в блок. На фиг.4 изображен разрез блока оптико-механических поворотов. Такой блок может устанавливаться в верхней части телескопа непосредственно перед объективом. В этом устройстве условно неподвижное кольцо одного оптико-механического поворота крепится под углом девяноста градусов к подвижному кольцу другого оптико-механического поворота (место крепления обозначено жирной стрелкой). Тонкими стрелками обозначен ход световых лучей. Оба оптико-механических поворота могут иметь сервисные механизмы управления. Питание левого из них и управление им может осуществляться посредством скользящих контактов,либо с помощью гибких проводников. В телескопах- рефракторах возможна установка такого блока как внутри корпуса телескопа, так и снаружи,непосредственно перед объективом. В рефлекторных схемах возможна только наружная 4 установка такого блока. Поскольку такая система имеет две вращательные степени свободы и обеспечивает наведение телескопа на любую точку пространства, она может играть роль азимутальной монтировки. Ниже приводятся варианты исполнения телескопов с внешними блоками оптикомеханических поворотов. На фиг. 5 приведена схема наземного телескопа системы Ньютона с использованием блока оптико-механических поворотов. Здесь также 6 - корпус телескопа, 9 окулярный узел, 11 - кольцевой подшипник, 23 диагональное зеркало. Из новых элементов 24 главное зеркало телескопа системы Ньютона, 25 диагональное зеркало телескопа системы Ньютона. Телескоп установлен на фундаменте 26, здание обсерватории 27 имеет открывающийся купол 28. В данной конструкции главное зеркало остается неподвижным, что уменьшает его вибрацию,искажение формы под действием сил гравитации в процессе изменения положения и упрощает задачу его термостатирования. Это приводит к улучшению качества изображения. Кроме того, отпадает необходимость в традиционной монтировке, что позволяет строить здание обсерватории, и, в частности, ее купола, значительно более скромных размеров. По самым скромным оценкам, размеры открывающегося купола уменьшаются как минимум на порядок. Это значительно снижает затраты на его строительство, обслуживание и термостатирование,что приводит к экономии ресурсов и энергии. Возможно создание подземной обсерватории, в которой на поверхности будет находиться только ее купол. Блок оптико-механических поворотов может использоваться с оптическим телескопом любой конструкции, в частности, с рефрактором. На фиг.6 приведена схема космического телескопа, в котором также может быть использован блок оптико-механических поворотов. Здесь 27 отсек спутника для вспомогательных устройств, 28 раскрывающаяся солнечная батарея. Наружное диагональное зеркало может быть выполнено откидывающимся (указано стрелками) и служить в качестве крышки. Поскольку аппаратура будет действовать в условиях невесомости, диагональные зеркала и их несущие конструкции могут быть выполнены облегченными. Данная конструкция хороша также и тем, что главное зеркало телескопа защищено от повреждения микрометеоритами. Плоское же диагональное наружное зеркало гораздо менее ценно и более ремонтопригодно, чем главное. Устройства работают следующим образом Основным режимом работы телескопа является азимутальный режим (см. фиг.1, 7). В этом режиме корпус телескопа 6 фиксируют при помощи силовых лимбов 4 путем затягивания барашков 8 в положении нуля градусов. Телескоп устанавливают на горизонтальной жесткой поверхности. Верхнюю платформу горизонтируют при помощи регулируемых ножек, ее положение контролируют при помощи пузырьковых уровней и ориентируют по сторонам света при помощи компаса. После этого производят поиск объекта наблюдения вращением подвижного корпуса 10 в вертикальной плоскости посредством барашка 18 и вращением подвижной платформы 2 в горизонтальной плоскости. Для более оперативного нахождения объекта наблюдения механизм управления оптикомеханическим поворотом отключают (см. фиг.7). Для этого прилагают усилие к корпусу 16,преодолевая сопротивление пружины 17. При этом подпружиненный уступ фиксатора 21 соскальзывает, упирается в нижнюю плоскость корпуса 16 и удерживает его в этом положении. Резиновый валик 20 выходит из контакта с подвижным кольцом 13 подшипника 11. После нахождения объекта наблюдения механизм управления оптико-механическим поворотом возвращают в исходное состояние, приложив усилие к фиксатору 21. Его уступ выходит из контакта с нижней плоскостью корпуса 16, а резиновый валик 20 опять входит в контакт с подвижным кольцом 13 подшипника 11 (см. фиг.1). Нетрудно убедиться, что для полного охвата всей небесной полусферы достаточно вращать как верхнюю платформу 2, так и корпус 10 соответственно в пределах 180 градусов. После нахождения объекта производят его фокусировку при помощи окулярного узла 9,наблюдение, а в случае необходимости ведение и фотографирование. Все рукоятки управления и барашки находятся в пределах досягаемости рук пользователя. Манипуляции с телескопом производят с одного места, не перемещаясь вслед за окуляром, что приходится делать при эксплуатации телескопа, выполненного по традиционной схеме. При установке на окулярный узел поворотной 45 градусной призмы эти операции удобно производить, сидя на стуле. Это приводит к увеличению удобства использования данной модели телескопа, особенно людьми с ограниченными физическими возможностями. Конструкцией телескопа предусмотрен также экваториальный режим работы. Для этого к объективу 14 прикрепляют дополнительный внешний оптико-механический поворот (см. фиг.8). Он состоит из подшипника 29 и диагонального зеркала 30, его схема приведена на фиг.3. В более простом варианте изготовления внешний оптикомеханический поворот вместо шарикоподшипника может содержать кольцевую оправу с резьбой,соответствующей резьбе оправы объектива 14. Внешний оптико-механический поворот уравновешивают при помощи противовеса 15,перемещая его по консоли на большее расстояние от корпуса 10. После этого корпус телескопа 6 устанавливают под углом, соответствующим географической широте места. Для этого прилагают усилие к корпусу 6 и поворачивают его на необходимый угол. Значение угла, обозначенное на силовых лимбах 4, контролируют при помощи стрелки, а фиксацию корпуса 6 осуществляют путем затягивания барашков 8 на силовых лимбах 4. Вращением подвижной платформы 2 корпус телескопа 6 выставляют в направлении полюса мира. Платформу 2 фиксируют в этом положении. Затем производят поиск объекта наблюдения путем вращения подвижного корпуса 10 (для этого механизм управления им может быть отсоединен так, как это описано выше) и независимого вращения диагонального зеркала внешнего оптико механического поворота либо путем вращения его шарикоподшипника, либо путем сдвига резьбы. После нахождения объекта наблюдения фиксируют внешний оптико-механический поворот, а также подвижный корпус 10 путем опускания резинового валика 20. В дальнейшем ведение объекта проводят только по одной вращательной степени свободы путем вращения барашка 18. Конструкция данной модели телескопа предусматривает возможность расширения области применения. Например,при необходимости скрытного наблюдения за объектом (фиг.9) возможна работа телескопа в перископном режиме. В этом случае корпус телескопа 6 устанавливают под углом 90 градусов посредством затягивания барашков 8 на силовых лимбах 4. В случае необходимости нижнюю часть телескопа маскируют, при этом снаружи остается только подвижный корпус 10 с объективом 14. Вращение объектива по азимуту осуществляют посредством вращения барашка 18. Наблюдение ведут через окулярный узел 9. Наземный телескоп (фиг.5) работает следующим образом Купол 28 снимают, либо откидывают, либо сдвигают. После этого путем вращения подшипников 11 находят такое положение диагональных зеркал 23, при котором световые лучи от объекта наблюдения перенаправляются на главное зеркало телескопа 24, которое и строит его изображение. В случае необходимости производят ведение объекта наблюдения посредством равномерного вращения обоих подшипников 11 по двум координатам. Космический телескоп (фиг.6) выводят на орбиту в штатном режиме. Откидывают наружное диагональное зеркало и фиксируют. Телескоп устанавливают при помощи реактивных двигателей ориентации и силовых гироскопов в нужном направлении. В зависимости от поставленной задачи телескоп наводят в нужную точку пространства путем вращения подшипников 11 и соответствующего ему наведения зеркал 23. Нетрудно видеть, что для охвата всего пространства достаточно поворачивать кольцевой подшипник 11 всего на 180 градусов, поэтому солнечная батарея 28 не будет мешать наблюдениям. В данной конструкции отпадает необходимость в развороте всего телескопа в направлении объекта наблюдения,что приводит к экономии энергии и времени. Безусловно, введение дополнительных зеркал несколько ухудшает качество получаемого изображения, и конструкторы должны принимать это во внимание. Однако это ухудшение с лихвой компенсируется комплексом заявленных положительных технических результатов. При конструировании необходимо руководствоваться соображениями разумного компромисса между преимуществами, которые сулит использование предложенного устройства, и присущими ему 5 недостатками. Блоки оптико-механических поворотов могут быть сконструированы в виде отдельных унифицированных устройств, пригодных для большого класса однотипных телескопов. Такой блок может стать альтернативой традиционной монтировке или служить дополнением к ней, также он может быть полезен в полевых условиях, т. к. блок значительно легче и компактнее. Использование блока оптико-механических поворотов вместо традиционной монтировки становится тем более выгодным, чем больше фокусное расстояние основного объектива телескопа и чем меньше его светосила. Можно использовать блоки оптикомеханических поворотов и в других устройствах,работающих не только на прием, но и на излучение. Их можно использовать для перенаправления узконаправленного электромагнитного излучения, частота которого выходит за рамки видимого диапазона. Например,можно перенаправлять микроволновые или инфракрасные электромагнитные волны, только в этом случае вместо диагональных зеркал можно поставить отражающие эти волны плоские поверхности. При использования таких блоков в лазерных системах они могут быть выполнены очень миниатюрными и малоинерционными вследствие малости сечения лазерного пучка. Это позволит оперативно перенаправлять лазерный луч без вращения корпуса лазера. Для выяснения работоспособности предложенного телескопа был изготовлен действующий макет,в общих чертах воспроизводящий его схему (фиг.1,2). В качестве основного объектива использовался объектив типа индустар с фокусным расстоянием 0,45 м, который мог быть заменен на объектив с фокусным расстоянием 0,6 м. В окулярном узле использовались окуляры от микроскопа, а также бинокулярная приставка. Фокусировка была выполнена по схеме кремальеры (зубчатая рейка с шестерней). Внешний оптико-механический поворот крепился посредством кольцевой резьбы на Необходимости в его фиксации не было, т.к. сила трения была достаточной. Макет использовался в составе комплекса, включающего также светоделительный кубик, цифровой фотоаппарат и подключенный к нему монитор. На макете была отработана методика работы в азимутальном и экваториальном режимах. Были получены качественные изображения Луны, а также Солнца после установки теневого светофильтра. Было выяснено, что при боковом положении наблюдателя по направлению к наблюдаемому объекту данная конструкция действительно обеспечивает полное оборачивание изображения. Внешне работа за данным макетом практически неотличима от работы за оптическим микроскопом. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Оптический телескоп,содержащий закрепленный на монтировке корпус с объективом,диагональным зеркалом, фокусировкой и окуляром,отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один оптикомеханический поворот в виде кольцевого подшипника, одно из колец которого закреплено неподвижно на корпусе, а подвижное кольцо выполнено с возможностью контролируемого поворота на необходимый угол, причем на подвижном кольце установлено диагональное зеркало.