ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ КАМЕРА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ Российский патент 2001 года по МПК G02B23/12 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, в частности, к области космических зеркально- линзовых телескопов и электронно-оптических камер и может быть использовано для улучшения их технических характеристик и расширения функциональных возможностей, а именно для уменьшения их габаритных размеров и массы при одновременном высоком линейном разрешении в панхроматическом канале и высоком отношении сигнал/шум в мультиспектральных каналах.

Известны аналогичные электронно-оптические камеры, имеющие в своем составе по два телескопа: один, выполненный по схеме Ричи-Кретьена (панхроматический канал), линзовый телескоп в многоспектральном канале на основе несканирующей ПЗС-матрицы [1]. Однако наличие двух телескопов в одной электронно-оптической камере делает их более крупногабаритными и увеличивает массу, что очень нежелательно при разработке малых космических аппаратов.

Часто используют для панхроматического (черно-белого) и многоспектрального каналов единый телескоп [2]. Однако это также приводит к увеличению массы и габаритов электронно-оптической камеры, т.к. в мультиспектральном канале, как правило, не требуется высокого разрешения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является космический зеркально-линзовый телескоп, содержащий установленные последовательно главное зеркало, вторичное зеркало, линзовый корректор поля, коллектив, преобразователь фокусного расстояния (ПФР), удлиняющий последнее, и находящиеся в фокальной плоскости оптико-электронные преобразователи, выполненные в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств [3]. Однако наличие только удлиняющего фокусное расстояние преобразователя усложняет и увеличивает массу телескопа при организации мультиспектрального канала.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей электронно-оптической камеры, а именно введение дополнительного мультиспектрального канала, а также уменьшение ее габаритов и массы.

Для решения поставленной задачи предложена электронно-оптическая камера, имеющая единый зеркально-линзовый объектив как для панхроматического, так и для мультиспектрального каналов. Объектив состоит из главного и вторичного зеркал, а также линзового корректора поля. В фокальной плоскости объектива установлены оптико-электронные преобразователи, выполненные в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств. Камера также снабжена преобразователем фокусного расстояния, удлиняющим последнее.

В отличие от прототипа в предложенной электронно-оптической камере используются два коллектива, имеющие форму сегмента и расположенные симметрично относительно оптической оси по ходу оптических лучей после линзового корректора поля. Кроме ПФР, удлиняющего фокусное расстояние, камера снабжена укорачивающим фокусное расстояние ПФР и установленным за ним цветоделительным блоком, имеющим несколько каналов, на выходе которых расположены дополнительные оптико-электронные преобразователи.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Введение цветоделительного блока и дополнительных оптико-электронных преобразователей позволяет создать в данной камере дополнительный мультиспектральный канал, что расширяет ее функциональные возможности. Для организации и панхроматического и мультиспектрального каналов в электронно-оптической камере используется один и тот же зеркально-линзовый объектив, выполненный, например, по схеме Ричи-Кретьена, но затем с помощью двух коллективов и расположенных за ними преобразователей фокусного расстояния (в виде, например, линзовых проекционных объективов) в панхроматическом канале увеличивают фокусное расстояние, а в мультиспектральном уменьшают.

В результате достигается различное требуемое линейное разрешение на местности: высокое в панхроматическом и более низкое в мультиспектральном. При этом оптическая схема всей камеры получается компактной, размеры оптико-электронных преобразователей при одном и том же угловом поле в каналах оптимальными, вся камера имеет лучшие массогабаритные характеристики. При этом в мультиспектральном канале обеспечивается большое относительное отверстие, что определяет высокое отношение сигнал/шум. Необходимо отметить, что коллективы строят промежуточное изображение входного зрачка, что дает возможность, устанавливая в этой плоскости диафрагмы, обходиться без бленд, что также существенно упрощает конструкцию всей электронно-оптической камеры и уменьшает ее массу.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на чертеже, где дана принципиальная схема построения электронно-оптической камеры. Электронно-оптическая камера содержит установленные последовательно вогнутое главное зеркало 1, выпуклое вторичное зеркало 2, линзовый корректор поля 3; далее в панхроматическом канале: коллектив 4, плоское зеркало 5, удлиняющий фокусное расстояние ПФР 6 (например, проекционный объектив), плоское зеркало 7 и оптико-электронный преобразователь 8, фоточувствительные элементы которого установлены в фокальной плоскости, а в мультиспектральном канале: коллектив 9, плоское зеркало 10, плоское зеркало 11, ПФР 12, укорачивающий фокусное расстояние (например, проекционный объектив), цветоделительный блок 13, имеющий, например, четыре канала, на выходе которых установлены оптико-электронные преобразователи 14, фоточувствительные элементы которых расположены в сопряженных друг с другом фокальных плоскостях.

Работа электронно-оптической камеры осуществляется следующим образом.

На космическом аппарате электронно-оптическая камера в исходном положении располагается таким образом, что ось X направлена к Земле, ось Z совпадает с направлением полета, а ось Y перпендикулярна вектору скорости бега изображения. Изображение беспрерывно "бежит" и сканируется оптико-электронными преобразователями.

Главное зеркало 1, вторичное зеркало 2 и линзовый корректор поля 3 строят промежуточное изображение поверхности Земли в плоскости АА (например, в виде "полос" I и II), в которой устанавливаются два коллектива, имеющие форму сегмента и расположенные симметрично относительно оптической оси. Обычно линейное разрешение в панхроматическом канале выше, чем в мультиспектральном в несколько раз [4], что требует соответствующей разницы в фокусных расстояниях двух каналов, а именно в панхроматическом канале фокусное расстояние должно быть больше, чем в мультиспектральном. В связи с этим в панхроматическом канале промежуточное изображение I перепроецируется с помощью плоского зеркала 5, преобразователя фокусного расстояния 6, имеющего увеличение V_пк > 1, плоского зеркала 7 в плоскость фоточувствительных элементов оптико-электронного преобразователя 8. В мультиспектральном же канале промежуточное изображение II перепроецируется с помощью плоских зеркал 10 и 11, преобразователя фокусного расстояния 12, имеющего увеличение V_пк < 1, и цветоделительного блока 13 в плоскость фоточувствительных элементов оптико-электронных преобразователей 14. В результате в панхроматическом канале общее фокусное расстояние f_пк= f_1-3 • V_пк, а в мультиспектральном f_мк = f_1-3 • V_мк, где f_1-3 - промежуточное фокусное расстояние системы, образованной главным зеркалом 1, вторичным зеркалом 2 и линзовым корректором поля 3. Таким образом, получаем, что f_пк/f_мк = V_пк/V_мк. Например, если необходимо обеспечить линейное разрешение в панхроматическом канале, равное 1 м, а в мультиспектральном - 4 м (что отвечает современным требованиям), то наиболее оптимально, чтобы V_пк = 2, а V_мк = 0,5. При этом промежуточное фокусное расстояние f_1-3 = f_пк/2, что обеспечивает меньшее почти в два раза расстояние между вторичным зеркалом и промежуточной плоскостью изображения I-I по отношению к зеркально-линзовому объективу, проектируемому сразу с фокусным расстоянием f_пк [5] . При этом необходимо учесть, что ввести какие-либо зеркала в промежуток между главным и вторичным зеркалами с целью как-то "сложить" схему для уменьшения общих габаритов зеркально-линзового телескопа практически невозможно. После же промежуточной плоскости изображения световые пучки являются широкими только в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа (их ширина определяется длиной линейки фоточувствительной зоны оптико-электронных преобразователей), а в плоскости чертежа они достаточно узкие (их ширина определяется апертурой объектива и практически нулевым угловым полем в этой плоскости). Это дает возможность оптимально "сложить" оптическую схему плоскими зеркалами. В результате получаем электронно-оптическую камеру с уменьшенными габаритами и массой. С другой стороны, узкие спектральные диапазоны требуют больших относительных отверстий, что и имеет место в данном техническом решении. А это автоматически приводит к увеличению отношения сигнал/шум. Таким образом, в предложенном техническом решении расширение функциональных возможностей, а именно создание дополнительного мультиспектрального канала, достигается за счет введения цветоделительного блока и дополнительных оптико-электронных преобразователей. Использование одного объектива в обоих каналах позволяет сделать схему электронно-оптической камеры с относительно небольшими габаритами и массой.

Источники информации
1. "Оптический журнал", 1996 г., N 1, с.9, первый абзац.

2. "Оптический журнал", 1996 г., N 1, с.9, второй абзац.

3. "Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета", Н.И. Михельсон, М. : Физико-математическая литература, 1995 г., с. 328-331 - прототип.

4. "Оптический журнал", 1996 г., N 1, с. 9.

5. "Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета", Н.И. Михельсон, М. : Физико-математическая литература, 1995 г., с. 224, формула (6.15).

Использование: на космических летательных аппаратах для исследования земной поверхности в интересах народного хозяйства и для решения специальных задач. Электронно-оптическая камера имеет единый объектив как для панхроматического, так и для мультиспектрального каналов. Зеркально-линзовый объектив состоит из главного и вторичного зеркал, а также линзового корректора поля. В фокальной плоскости объектива установлены оптико-электронные преобразователи, выполненные в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств. Камера также снабжена преобразователем фокусного расстояния (ПФР), удлиняющим последнее, двумя коллективами, имеющими форму сегмента и расположенными симметрично относительно оптической оси по ходу оптических лучей после линзового корректора поля, укорачивающим фокусное расстояние ПФР и установленным за ним цветоделительным блоком, имеющим несколько каналов, на выходе которых расположены дополнительные оптико-электронные преобразователи. Технический результат: расширение функциональных возможностей камеры, уменьшение ее габаритных размеров и массы. 1 ил.

Электронно-оптическая камера для дистанционного зондирования Земли, содержащая последовательно установленные главное зеркало, вторичное зеркало, линзовый корректор поля, преобразователь фокусного расстояния и находящийся в фокальной плоскости оптико-электронный преобразователь, выполненный в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств, отличающаяся тем, что она снабжена двумя коллективами, имеющими форму сегмента и расположенными по ходу лучей после линзового корректора поля симметрично относительно оптической оси, дополнительным преобразователем фокусного расстояния и установленным за ним цветоделительным блоком, имеющим несколько каналов, на выходе которых расположены дополнительные оптико-электронные преобразователи.