Зеркально-линзовый объектив телескопа для космического аппарата микрокласса Российский патент 2023 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к оптико-электронной технике, а именно к электронно-оптическим телескопам дистанционного зондирования Земли, пригодным для применения на космических аппаратах микрокласса, в том числе формата CubeSat.

Известен оптический телескоп дистанционного зондирования Земли высокого разрешения для космических аппаратов микрокласса формата CubeSat, описанный в патенте РФ №2646418, МПК G02B 23/06, G02B 17/08, G02B 7/182, опубликованном 05.03.2018. Оптическая схема указанного телескопа состоит из зеркально-линзового осевого объектива с некруглой апертурой, включающего собирающую входную линзу, в центре которой расположено выпуклое вторичное зеркало, вогнутое главное зеркало-линза и предфокальный двухлинзовый корректор. Плоскость изображения находится вблизи задней поверхности крепежной системы главного зеркала. Однако, в данной конструкции присутствует большое количество линзовых компонентов, а также проходящих через них многократно отраженных лучей, что отрицательно сказывается на светопропускании всей системы, и, как следствие, приводит к повышенным требованиям к качеству оптического стекла и к покрытиям.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является зеркально-линзовый телескоп космического аппарата микрокласса формата CubeSat "Flock", опубликованный на сайте «https://scharapow-w.livejournal.com/502959.html?ysclid=195jg9hsfl857444134» (см. Приложение). Оптическая схема указанного телескопа состоит из: линзового мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, главного зеркала, выполненного в виде вогнутого осесимметричного сферического зеркала, обращенного вогнутостью к линзовому мениску, вторичного зеркала, напыленного на центральную часть линзового мениска, и линзового компенсатора, расположенного на оптической оси и выполненного в виде вогнуто-плоской отрицательной по оптической силе линзы Пиацци-Смита, расположенного за главным зеркалом и обращенного вогнутостью к пространству предметов. Однако, данное схемное решение имеет ряд недостатков, главным из которых является использование линзы Пиацци-Смита, применение которой эффективно лишь в том случае, когда выдержаны требования к точности изготовления характерно крутого радиуса кривизны первой поверхности, зависящего напрямую от показателя преломления линзы.

Задачей данного изобретения является создание зеркально-линзового объектива телескопа в условиях ограниченного пространства спутника микрокласса формата CubeSat, осуществляющего высококачественную съемку земной поверхности из космоса при повышенной технологичности.

Технический результат - создание зеркально-линзового объектива телескопа с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-890 нм при его размещении на борту космического аппарата микрокласса формата CubeSat.

Это достигается тем, что зеркально-линзовый объектив телескопа для космического аппарата микрокласса, состоящий из последовательно установленных по ходу луча двух оптических элементов, лежащих на одной оптической оси, один из которых главное зеркало, выполненное в виде вогнутого осесимметричного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов и имеющее отверстие в центральной зоне, другой элемент выполнен в виде выпуклого осесимметричного зеркала, обращенного выпуклостью к главному зеркалу, кроме того, объектив реализован с линзовым компенсатором, расположенным на оптической оси, совпадающей с оптической осью зеркал, и выполненным в виде вогнуто-плоской отрицательной по оптической силе линзы, обращенной вогнутостью к пространству предметов, в отличие от известного, поверхности обоих зеркал являются гиперболическими, а линзовый компенсатор дополнен первой линзой - мениском, положительным по оптической силе, обращенным вогнутостью к пространству предметов, второй линзой - мениском, положительным по оптической силе, обращенным вогнутостью к плоскости изображения и расположенными перед вогнуто-плоской отрицательной по оптической силе линзой, обращенной вогнутостью к пространству предметов, причем линзовый компенсатор расположен между вторичным и главным зеркалами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема зеркально-линзового объектива, на фиг. 2 - его полихроматическая модуляционная функция (МПФ) в спектральном диапазоне 500-890 нм для края углового поля. На фиг. 3 представлена диаграмма пятна рассеяния объектива (в мкм) в спектральном диапазоне 500-890 нм для края углового поля при расположении изображения в плоскости Гаусса.

Зеркально-линзовый объектив (фиг. 1) состоит из установленных последовательно по ходу луча главного зеркала 1, вторичного зеркала 2, линзового компенсатора 3, причем в состав линзового компенсатора 3 входят линзы 4, 5, 6. Главное зеркало 1 выполнено в виде осесимметричного вогнутого по ходу луча гиперболического зеркала, имеющего отверстие в центральной зоне, вторичное зеркало 2 выполнено в виде осесимметричного выпуклого по ходу луча гиперболического зеркала. Главное зеркало 1 обращено вогнутостью к пространству предметов, а вторичное зеркало 2 обращено выпуклостью к плоскости изображения.

Осесимметричные асферические поверхности главного зеркала 1 и вторичного зеркала 2 описываются следующей формулой:

где r=√(x²+y²), (х, у, z) - координаты точки на поверхности зеркала относительно центра О на оси симметрии Oz; с=1/R - кривизна поверхности, R - радиус при вершине асферической поверхности, который может быть и положительным, и отрицательным в соответствии с направлением относительно оси z положения центра кривизны асферической поверхности; k=-е² - коническая константа, причем k<-1 для гиперболической поверхности, е - эксцентриситет.Линзовый компенсатор 3 состоит из трех расположенных на общей оси одиночных линз: 4, 5, 6. Оптическая сила линзового компенсатора составляет 0,1…0,2 от оптической силы зеркально-линзового объектива по абсолютному значению. Линзовый компенсатор 3 расположен по ходу луча между вторичным зеркалом 2 и главным зеркалом 1 и состоит из: первой линзы 4, выполненной из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричного положительного по оптической силе мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, причем обе его рабочие поверхности сферические; второй линзы 5, выполненной из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричного положительного по оптической силе мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, причем обе его рабочие поверхности сферические; третьей линзы 6, выполненной из оптического бесцветного стекла группы «крон» в виде осесимметричной вогнуто-плоской отрицательной по оптической силе линзы, обращенной вогнутостью к пространству предметов, причем вогнутая поверхность является сферической. Центры кривизны зеркал находятся на оптической оси зеркально-линзового объектива, центры кривизны линз линзового компенсатора 3 находятся на общей оси, которая совпадает с оптической осью зеркально-линзового объектива.

Зеркально-линзовый объектив работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на главное зеркало 1, отражается от зеркальной гиперболической поверхности главного зеркала 1, затем попадает на вторичное зеркало 2, отражается от зеркальной гиперболической поверхности вторичного зеркала 2, после чего попадает на линзовый компенсатор 3, проходит последовательно линзы 4, 5, 6 и фокусируется в плоскости изображения.

По данному техническому решению рассчитан зеркально-линзовый объектив, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.

Значения величин, представленные в таблице 1, соответствуют зеркально-линзовому объективу со следующими характеристиками:

- Фокусное расстояние: 900 мм;

- Относительное отверстие: 1:10;

- Угловое поле в меридиональном направлении 2ω_у=1,16°;

- Угловое поле в сагиттальном направлении 2ω_х=0,6°;

- Коэффициент центрального экранирования 0,3;

- Продольная длина оптической системы объектива телескопа: 161 мм.

Объектив имеет следующие аберрации для длины волны λ=700 нм и для положения изображения в плоскости Гаусса:

- Поперечная сферическая аберрация широких наклонных пучков в пределах всего углового поля не более 0,0045 мм.

- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,012 мм.

- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,044 мм.

- Дисторсия не более 0,1%.

- Хроматизм положения в спектральном диапазоне 500-890 нм не более 2,05 мкм.

Повышение технологичности достигается за счет использования асферических поверхностей только второго порядка со значениями конических констант, ограниченными двумя знаками после запятой; значения радиусов кривизны поверхностей приведены к ГОСТ 1807-75, значения осевых толщин также ограничены двумя знаками после запятой. Для обеспечения условия функционирования объектива в ограниченном пространстве спутника микрокласса продольная длина оптической системы ограничивается двумя юнитами (2U) формата CubeSat, то есть до 200 мм, а световой диаметр главного зеркала - до 90 мм.

Таким образом, достигнут технический результат, а именно, создан зеркально-линзовый объектив телескопа с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-890 нм при его размещении на борту космического аппарата микрокласса формата CubeSat.

Изобретение может использоваться в электронно-оптических телескопах дистанционного зондирования Земли. Зеркально-линзовый объектив состоит из главного осесимметричного вогнутого гиперболического зеркала, имеющего отверстие в центральной зоне, вторичного осесимметричного выпуклого гиперболического зеркала и линзового компенсатора, расположенного между вторичным и главным зеркалами и состоящего из положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения; второго положительного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения; и вогнуто-плоской отрицательной линзы, обращенной вогнутостью к пространству предметов. Технический результат - улучшение технологических характеристик для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-890 нм при его размещении на борту космического аппарата микрокласса. 3 ил., 1 табл.

Зеркально-линзовый объектив телескопа для космического аппарата микрокласса, состоящий из последовательно установленных по ходу луча двух оптических элементов, лежащих на одной оптической оси, один из которых главное зеркало, выполненное в виде вогнутого осесимметричного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов, и имеющее отверстие в центральной зоне, другой элемент выполнен в виде выпуклого осесимметричного зеркала, обращенного выпуклостью к главному зеркалу, кроме того, объектив реализован с линзовым компенсатором, расположенным на оптической оси, совпадающей с оптической осью зеркал, и выполненным в виде вогнуто-плоской отрицательной по оптической силе линзы, обращенной вогнутостью к пространству предметов, отличающийся тем, что поверхности обоих зеркал являются гиперболическими, а линзовый компенсатор дополнен первой линзой - мениском, положительным по оптической силе, обращенным вогнутостью к пространству предметов, второй линзой - мениском, положительным по оптической силе, обращенным вогнутостью к плоскости изображения, расположенными перед вогнуто-плоской отрицательной по оптической силе линзой, обращенной вогнутостью к пространству предметов, причем линзовый компенсатор расположен между вторичным и главным зеркалами.