КОСМИЧЕСКИЙ ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЙ ТЕЛЕСКОП Российский патент 1998 года по МПК G02B23/00 G02B23/12 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к области космических зеркально-линзовых телескопов, и может быть использовано для улучшения их технических характеристик, а именно для получения большого углового поля и одновременно высокого линейного разрешения на местности, что особенно актуально при разработке малых космических аппаратов.

Известны аналоги - зеркально-линзовые объективы, содержащие главное и вторичное зеркала, линзовые корректоры поля и преобразователь фокусного расстояния, применяемый в основном для укорачивания фокусного расстояния [1].

Однако существенным недостатком таких зеркально-линзовых объективов является (в случае установки их на космический аппарат) невозможность получения высокого линейного разрешения на местности. Действительно, короткофокусные объективы, обеспечивая достаточно большое угловое поле, не могут обеспечить высокого разрешения L_м на местности, которое пропорционально отношению размера l_п пиксела линейного или матричного ПЗС-приемников, расположенных в фокальной плоскости, к фокусному расстоянию f' объектива (L_м ~ l_п/f').

Известна телескопическая система [2], содержащая двухкомпонентный объектив, симметричную оборачивающую систему и двухкомпонентный окуляр, при этом объектив и окуляр выполнены из двояковыпуклой линзы, склеенной из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, и положительного мениска, обращенного вогнутостью к оборачивающей системе. Симметричная оборачивающая система выполнена в виде волоконно-оптического жгута для передачи изображения, на торцах которого с помощью оптического контакта установлены двояковыпуклые линзы.

Выполнение телескопической системы позволяет увеличить поле зрения, упростить конструкцию и увеличить диаметр выходного зрачка. Однако такая телескопическая система может быть использована только для визуальных наблюдений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является зеркально-линзовый объектив, содержащий установленные последовательно главное зеркало, вторичное зеркало, линзовый корректор поля, коллектив, преобразователь фокусного расстояния, удлиняющий последнее, и находящиеся в фокальной плоскости оптико-электронные преобразователи, выполненные в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств [3].

Однако такой зеркально-линзовый объектив не может обеспечить приемлемого углового поля, т.к. например, фокусное расстояние космического зеркально-линзового телескопа, предназначенного для дистанционного зондирования земли с линейным разрешением L_м на местности ≤ 1 м, измеряется несколькими метрами.

Действительно, особенностью схемы зеркально-линзового объектива является наличие центрального экранирования, величина которого не должна, как правило, превышать 0,4. Т.е. диаметр центрального отверстия в главном зеркале должен составлять не более 0,4 светового диаметра D главного зеркала. А т.к. плоскость изображения в зеркально-линзовом объективе находится вблизи центрального отверстия главного зеркала, то имеет место следующая зависимость:
2y′ = f′• tg2β ≤ 0,4D,
где 2y' - линейное поле зрения (в мм), 2β - угловое поле зрения (в радианах).

Угловое поле 2β космического телескопа для дистанционного зондирования Земли определяется требуемой полосой S обзора на местности и высотой H орбиты.

Увеличение углового поля обеспечивает автоматически и увеличение полосы обзора, что является важнейшей характеристикой телескопа для дистанционного зондирования Земли.

Задачей предлагаемого изобретения как раз и является получение большего, чем у прототипа, углового поля (а следовательно, и полосы обзора) при достаточно высоком линейном разрешении.

Для решения поставленной задачи предложен космический зеркально-линзовый телескоп, объектив которого содержит зеркальные компоненты - главное и вторичное зеркала, а также линзовый корректор поля, коллектив и преобразователь фокусного расстояния, проецирующий промежуточное изображение в плоскость фоточувствительных элементов оптико-электронных преобразователей, выполненных в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств.

В отличие от прототипа в предложенном телескопе для увеличения углового поля, с одной стороны, и фокусного расстояния, с другой стороны, преобразователь фокусного расстояния выполнен в виде установленных в шахматном порядке отдельных проекционных объективов, оптические оси которых параллельны главной оптической оси телескопа. При этом увеличение объективов равно числу рядов в матрице объективов. Кроме того, телескоп снабжен блоком синхронизации изображений, формируемых каждым оптико-электронным преобразователем.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что промежуточное изображение, даваемое зеркально-линзовым объективом, проецируется в плоскость фоточувствительных элементов оптико-электронных преобразователей, выполненных в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств, не одним проекционным объективом, а целой матрицей из n объективов, каждый из которых проецирует только часть плоскости изображения.

При движении по орбите космического аппарата изображение, даваемое космическим телескопом для дистанционного зондирования Земли, беспрерывно "бежит" и сканируется оптико-электронным преобразователем. В каждый момент времени производится съемка узкой полосы земной поверхности, размер которой равен размеру фоточувствительной зоны линейного или матричного фотоприемного устройства, умноженному на отношение H/f'_экв., где f'_экв. - эквивалентное фокусное расстояние телескопа, равное произведению f'•V, где V - увеличение преобразователя фокусного расстояния (проекционного объектива). Таким образом, можно снять участки земной поверхности, расположенные как бы в шахматном порядке (фиг. 3).

Снабжение телескопа блоком синхронизации изображений и соединение его входов с выходами оптико-электронных преобразователей позволяет получить единую полосу изображения земной поверхности, т.е. обеспечить правильное его "сшивание".

Суммарная длина L оптической системы преобразователя фокусного расстояния от объекта (изображения, даваемого зеркально-линзовым объективом) до изображения (плоскости фоточувствительных элементов оптико-электронных преобразователей) определяется соотношением

где f'_по - фокусное расстояние проекционного объектива.

Если принять, например, что f'_по = 2l', что соответствует достаточно широкопольной проекционной системе, то

и, например, при V = -2 и l' = 100 мм получим L = 9l'= 900 мм.

Если изображение, даваемое зеркально-линзовым объективом, "разбить" на n частей (2l'/n), каждую из которых перепроецировать в плоскость фоточувствительных элементов своим объективом, то суммарная длина оптической схемы преобразователя фокусного расстояния (проекционного объектива) уменьшится соответственно тоже в n раз.

Каждый из n объективов дает изображение, размер которого составляет и равен длине фоточувствительной зоны одного линейного или матричного фотоприемного устройства, входящего в состав оптико-электронного преобразователя. Поэтому в одном ряду можно установить K=n/V объективов, а количество рядов должно быть равно V.

Именно это дает возможность получить одновременно и большое угловое поле, и хорошее линейное разрешение на местности при значительно более короткой оптической системе.

Оси проекционных объективов располагаются параллельно главной оптической оси телескопа, что исключает искажение элементов изображения. Параллельность осей обеспечивается телецентричностью главного луча путем установки вблизи плоскости изображения зеркально-линзового объектива коллектива, передний фокус которого совпадает с центром выходного зрачка объектива.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого космического зеркально-линзового телескопа для дистанционного зондирования Земли; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1 в удвоенном по сравнению с фиг. 1 масштабе; на фиг. 3 - схематическое изображение снимаемых участков земной поверхности, расположенных как бы в шахматном порядке.

Космический зеркально-линзовый телескоп содержит установленные последовательно вогнутое главное зеркало 1, выпуклое вторичное зеркало 2, линзовый корректор поля 3, коллектив 4, преобразователь фокусного расстояния 5, оптико-электронные преобразователи 6 и блок синхронизации изображений 7.

Оптико-электронные преобразователи 6 выполнены в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств и расположены в фокальной плоскости.

Преобразователь фокусного расстояния 5 выполнен в виде матрицы объективов, расположенных в шахматном порядке (фиг. 2), при этом оси объективов параллельны главной оптической оси телескопа. Входы блока синхронизации изображений 7 соединены с выходами оптико-электронных преобразователей 6.

Работа космического зеркально-линзового телескопа осуществляется следующим образом.

При полете по орбите ось X космического телескопа направлена к Земле, а изображение участков l земной поверхности (фиг. 3), построенное зеркально-линзовым объективом (главное зеркало 1, вторичное зеркало 2, линзовый корректор поля 3), "бежит" вдоль оси Y в плоскости Б, вблизи которой находится коллектив 4, передний фокус которого совпадает с центром выходного зрачка объектива. Этим обеспечивается параллельность главной оси телескопа (X) оптических осей всех проекционных объективов 5 и отсутствие искажений в построенных ими элементах изображения земной поверхности. Объективы преобразователя фокусного расстояния 5 строят изображение с увеличением, например 2-кратным, на фоточувствительных элементах фотоприемных устройств оптико-электронных преобразователей 6.

В представленном на фиг. 2 примере показано разбиение линейного поля 2l' на 12 частей, каждая из которых 2l'/12 перепроецируется своим проекционным объективом, число которых соответственно тоже равно 12, в плоскость фоточувствительных элементов. В результате получаем две непрерывных строки O₁O₁ и O₂O₂ изображения земной поверхности.

Выходы оптико-электронных преобразователей 6 связаны со входом блока 7 синхронизации изображений, который обеспечивает правильное "сшивание" двух строк O₁O₁ и O₂O₂ в единое изображение земной поверхности, размер которого вдоль оси Z равен 2l' с линейным разрешением на местности, пропорциональным H/f'_экв..

Таким образом, в результате описанного построения космического зеркально-линзового телескопа для дистанционного зондирования Земли при данном диаметре D главного зеркала обеспечивается достаточно большое угловое поле, равное приблизительно 0,4D/f', высокое линейное разрешение на местности, пропорциональное H/f'_экв., где f'_экв. = f'•V, и меньшие габариты, а следовательно, и меньшая масса всего космического телескопа.

Источники информации
1. Михельсон Н.Н. Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. - Физико-математическая литература, 1995, с. 328-331.

2. Авторское свидетельство СССР N 1208528, кл. G 02 B 23/00, 1986.

3. Михельсон Н.Н. Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. - Физико-математическая литература, 1995, с. 328 (первые два образца) - прототип.

Изобретение используется на космических аппаратах для дистанционного зондирования Земли в интересах народного хозяйства и для решения специальных задач. Техническая задача - увеличение углового поля с целью получения более широкой полосы обзора при достаточно высоком линейном разрешении на местности. Космический зеркально-линзовый телескоп содержит главное и вторичное зеркала, линзовый корректор поля, коллектив, преобразователь фокусного расстояния и находящиеся в фокальной плоскости оптико-электронные преобразователи, выполненные в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств. Особенностью является то, что преобразователь фокусного расстояния выполнен в виде матрицы объективов, расположенных в шахматном порядке, при этом оси объективов параллельны главной оптической оси телескопа и их увеличение равно числу рядов в матрице; кроме того, телескоп снабжен блоком синхронизации изображений, входы которого соединены с выходами оптико-электронных преобразователей. Устройство позволяет уменьшить массу всего телескопа в целом. 3 ил.

Космический зеркально-линзовый телескоп для дистанционного зондирования Земли, содержащий установленные последовательно главное зеркало, вторичное зеркало, линзовый корректор поля, коллектив, преобразователь фокусного расстояния и находящиеся в фокальной плоскости оптико-электронные преобразователи, выполненные в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств, отличающийся тем, что преобразователь фокусного расстояния выполнен в виде матрицы объективов, расположенных в шахматном порядке, при этом оси объективов параллельны главной оптической оси телескопа и их увеличение равно числу рядов в матрице, а сам телескоп снабжен блоком синхронизаций изображений, входы которого соединены с выходами оптико-электронных преобразователей.