Малогабаритный катадиоптрический телескоп высокого разрешения Российский патент 2024 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к зеркально-линзовым телескопам высокого разрешения, и может быть использовано на малых космических аппаратах дистанционного зондирования Земли.

Широкое распространение получили катадиоптрические телескопы, построенные по схеме Максутова-Кассегрена, описанные в https://www.telescope-optics.net/maksutov_cassegrain_telescope.htm, и их разновидности, поскольку они являются компактными, имеют высокое качество изображения, и все поверхности оптических элементов телескопа сферические.

Известен зеркально-линзовый телескоп, описанный в патенте №2680656, МПК G02B17/08, опубл. 25.02.2019. Оптическая схема указанного аналога состоит из линзового мениска, вогнутого главного зеркала в виде зеркала Манжена с отверстием в центральной зоне, выпуклого вторичного зеркала и двухлинзового компенсатора, расположенного вблизи вершины главного зеркала, причем линзовый мениск и вторичное зеркало являются единым элементом. Плоскость изображения вынесена за вершину главного зеркала. Но у данного аналога возникают сложности в изготовлении телескопа ввиду наличия сразу двух сложных оптических элементов - зеркала Манжена и выполненного в виде единого элемента мениска с выпуклым вторичным зеркалом в центральной зоне. Кроме того, телескоп имеет малое угловое поле зрения - 1,24°.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является зеркально-линзовый телескоп для космического аппарата микрокласса "Flock", также реализованный по схеме Максутова-Кассегрена и описанный в Бакланов А.И., Новые горизонты космических систем оптико-электронного наблюдения Земли высокого разрешения, (часть II), Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2018. - Т. 5, №4. - С.16. DOI 10.30894/issn2409-0239.2018.5.4.14.27. Оптическая схема указанного телескопа состоит из расположенных по ходу луча осесимметричного линзового мениска, отрицательного по оптической силе, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, главного зеркала, выполненного в виде вогнутого осесимметричного сферического зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов, и имеющего отверстие в центральной части, вторичного зеркала, напыленного на центральную часть линзового мениска, и линзового компенсатора, расположенного на оптической оси за вершиной главного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов и выполненного в виде осесимметричной вогнуто-плоской предфокальной линзы Пиацци Смита, отрицательной по оптической силе, обращенной вогнутостью к пространству предметов. Но в данной схеме линзовый мениск и вторичное зеркало выполнены в виде единого элемента, а это означает отсутствие раздельной юстировки мениска и вторичного зеркала, что усложняет сборку телескопа и может привести к потере качества изображения при несоблюдении жестких требований по изготовлению и по точности позиционирования данного элемента в телескопе. Другим недостатком 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 малогабаритного катадиоптрического телескопа высокого разрешения, осуществляющего высококачественную съемку земной поверхности из космоса, с повышенной технологичностью, а также с предусмотренной возможностью независимой юстировки каждого из элементов телескопа.

Технический результат - создание малогабаритного зеркально-линзового телескопа с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-900 нм по всему полю зрения при его размещении на борту малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.

Это достигается тем, что в малогабаритном катадиоптрическом телескопе высокого разрешения, состоящем из последовательно установленных по ходу луча оптических элементов, лежащих на одной оптической оси линзового мениска, выполненного в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, главного зеркала, выполненного в виде вогнутого осесимметричного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов и имеющего отверстие в центральной зоне, вторичного зеркала, выполненного в виде выпуклого осесимметричного зеркала, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, и осесимметричной отрицательной по оптической силе предфокальной линзы, расположенной за вершиной главного зеркала, в отличие от известного, линзовый мениск выполнен с конусообразным отверстием в центральной зоне, имеющим сужение на первой по ходу луча поверхности и расширение на второй по ходу луча поверхности линзового мениска, а предфокальная линза выполнена в виде двояковогнутой линзы, причем для линзового мениска и предфокальной линзы использованы одинаковые марки оптического стекла, а линзовый мениск и вторичное зеркало реализованы в виде раздельных элементов, и вторичное зеркало расположено между линзовым мениском и главным зеркалом.

На фиг.1 представлена принципиальная схема малогабаритного катадиоптрического телескопа, на фиг.2 - его полихроматическая модуляционная функция (МПФ) в спектральном диапазоне 500-900 нм для точки на оси, для зоны и края углового поля. На фиг.3 представлена точечная диаграмма пятна рассеяния телескопа (в мкм) в спектральном диапазоне 500-900 нм для точки на оси, для зоны и края углового поля при расположении изображения в плоскости Гаусса.

Малогабаритный катадиоптрический телескоп (фиг.1) состоит из установленных последовательно по ходу луча линзового мениска 1, выполненного из оптического бесцветного стекла группы «крон» в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе мениска и обращенного выпуклостью к плоскости изображения, причем обе его рабочие поверхности сферические. Кроме того, линзовый мениск 1 выполнен с конусообразным отверстием в центральной зоне, имеющим сужение на первой по ходу луча поверхности и расширение на второй по ходу луча поверхности. Главного зеркала 2, обращенного вогнутостью к пространству предметов и выполненного в виде осесимметричного вогнутого по ходу луча сферического зеркала, имеющего отверстие в центральной зоне. Вторичного зеркала 3, выполненного в виде осесимметричного выпуклого сферического зеркала, обращенного выпуклостью к плоскости изображения и расположенного по ходу луча между линзовым мениском 1 и главным зеркалом 2. Двояковогнутой предфокальной линзы 4, выполненной из оптического бесцветного стекла группы «крон», в виде осесимметричной отрицательной по оптической силе линзы, причем обе ее рабочие поверхности сферические, и расположенной по ходу луча за вершиной главного зеркала 2 близ фокальной плоскости. Центры кривизны зеркал находятся на оптической оси малогабаритного катадиоптрического телескопа, центры кривизны линзового мениска 1 и предфокальной линзы 4 находятся на общей оси, которая совпадает с оптической осью малогабаритного катадиоптрического телескопа. Апертурная диафрагма расположена на первой по ходу луча поверхности линзового мениска 1.

Малогабаритный катадиоптрический телескоп работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на линзовый мениск 1, проходит через обе сферические поверхности линзового мениска 1, попадает на главное зеркало 2, отражается от зеркальной сферической поверхности главного зеркала 2, затем попадает на вторичное зеркало 3, отражается от зеркальной сферической поверхности вторичного зеркала 3, после чего попадает на двояковогнутую предфокальную линзу 4, проходит через обе сферические поверхности предфокальной линзы 4 и фокусируется в плоскости изображения за вершиной главного зеркала 1.

По данному техническому решению рассчитан малогабаритный катадиоптрический телескоп, конструктивные параметры которого приведены в табл. 1.

Значения величин, представленные в табл. 1, соответствуют зеркально-линзовому телескопу со следующими характеристиками:

- Фокусное расстояние: 2600 мм;

- Относительное отверстие: 1:10;

- Угловое поле зрения: 2,6°;

- Коэффициент центрального экранирования главного зеркала: 0,4;

- Продольная длина оптической системы телескопа: 800 мм.

Оптическая система телескопа имеет следующие аберрации для длины волны λ=632,8 нм и для положения изображения в плоскости Гаусса:

- Продольная сферическая аберрация не более 0,4 мм.

- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,3 мм.

- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,35 мм.

- Дисторсия не более 0,1%.

- Хроматизм положения в спектральном диапазоне 500-900 нм не более 0,15 мм.

Повышение технологичности достигается за счет того, что: использованы одинаковые марки оптического стекла для линзового мениска 1 и двояковогнутой предфокальной линзы 4; значения радиусов кривизны сферических поверхностей приведены к ГОСТ 1807-75, значения осевых толщин ограничены одним знаком после запятой; линзовый мениск 1 и вторичное зеркало 3 являются раздельными самостоятельными элементами телескопа, это дает больше возможностей для его сборки и юстировки; в линзовом мениске 1 предусмотрено отверстие в центральной зоне, благодаря чему через отверстие возможно размещение подвижного манипулятора для вторичного зеркала 3, обеспечивающего сохранение номинального положения вторичного зеркала 3 при терморасстраиваемости; конусообразное отверстие в центральной зоне линзового мениска 1 служит в роли дополнительной защиты оптической системы телескопа от попадания паразитных засветок и для облегчения массы линзового мениска 1. Для обеспечения условия функционирования телескопа в ограниченном пространстве малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли длина оптической системы ограничивается до 800 мм, а диаметр входного зрачка - до 260 мм.

Таким образом, достигнут технический результат, а именно создан малогабаритный зеркально-линзовый телескоп с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-900 нм по всему полю зрения при его размещении на борту малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к зеркально-линзовым телескопам высокого разрешения, и может быть использовано на малых космических аппаратах дистанционного зондирования Земли. Телескоп состоит из последовательно установленных по ходу луча линзового мениска, выполненного в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, главного зеркала, выполненного в виде вогнутого осесимметричного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов и имеющего отверстие в центральной зоне, вторичного зеркала, выполненного в виде выпуклого осесимметричного зеркала, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, и осесимметричной отрицательной по оптической силе предфокальной линзы, расположенной за вершиной главного зеркала. Мениск выполнен с конусообразным отверстием в центральной зоне, имеющим сужение на первой по ходу луча поверхности и расширение на второй по ходу луча поверхности линзового мениска. Предфокальная линза выполнена в виде двояковогнутой линзы. Для линзового мениска и предфокальной линзы использованы одинаковые марки оптического стекла, а линзовый мениск и вторичное зеркало реализованы в виде раздельных элементов, причем вторичное зеркало расположено между линзовым мениском и главным зеркалом. Технический результат – уменьшение габаритов, улучшение технологических характеристик. 3 ил.

Малогабаритный катадиоптрический телескоп высокого разрешения, состоящий из последовательно установленных по ходу луча оптических элементов, лежащих на одной оптической оси линзового мениска, выполненного в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, главного зеркала, выполненного в виде вогнутого осесимметричного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов и имеющего отверстие в центральной зоне, вторичного зеркала, выполненного в виде выпуклого осесимметричного зеркала, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, и осесимметричной отрицательной по оптической силе предфокальной линзы, расположенной за вершиной главного зеркала, отличающийся тем, что линзовый мениск выполнен с конусообразным отверстием в центральной зоне, имеющим сужение на первой по ходу луча поверхности и расширение на второй по ходу луча поверхности линзового мениска, а предфокальная линза выполнена в виде двояковогнутой линзы, причем для линзового мениска и предфокальной линзы использованы одинаковые марки оптического стекла, а линзовый мениск и вторичное зеркало реализованы в виде раздельных элементов, причем вторичное зеркало расположено между линзовым мениском и главным зеркалом.