Космический зеркально-линзовый телескоп

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к космическим зеркально-линзовым телескопам, и может быть использовано для улучшения их технических характеристик: для получения малых габаритов, большого углового поля и одновременно высокого линейного разрешения на местности. Космический зеркально-линзовый телескоп, объектив которого содержит зеркальные компоненты - главное и вторичное зеркала, преобразователь фокусного расстояния, проецирующий промежуточное изображение в плоскость фоточувствительных элементов оптико-электронных преобразователей; преобразователь фокусного расстояния содержит сферическое или плоское зеркало и установленный перед ним линзовый компонент, включающий коллектив. Между тыльной стороной главного зеркала и зеркалом преобразователя фокусного расстояния установлен отклоняющий оптическую ось телескопа элемент. Кроме того, коллектив может быть выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к вторичному зеркалу, и положительной линзы, оптическая сила которой больше оптической силы мениска, линзовый компонент содержит обращенную вогнутостью к вторичному зеркалу первую менисковую линзу, а сферическое зеркало представляет собой отражающий слой, нанесенный на ее выпуклую поверхность. Линзовый компонент снабжен второй менисковой линзой, установленной по ходу оптического луча перед первой менисковой линзой и обращенной к ней вогнутостью, причем их оптические силы удовлетворяют условию ϕ₂< 0,02ϕ₁, где ϕ₁ - оптическая сила первого мениска, ϕ₂ - оптическая сила второго мениска. Технический результат - упрощение конструкции при сохранении большого углового поля и высокого линейного разрешения по местности. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к космическим зеркально-линзовым телескопам, и может быть использовано для улучшения их технических характеристик, а именно для получения малых габаритов, 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, коллектив, преобразователи фокусного расстояния, удлиняющие последнее [1]. Однако недостатками таких зеркально-линзовых объективов являются большие габаритные размеры (длина системы), сложность конструкции преобразователя фокусного расстояния, представляющего собой многолинзовый компонент.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является космический зеркально-линзовый телескоп, содержащий последовательно установленные главное зеркало, вторичное зеркало, линзовый корректор поля, коллектив, преобразователь фокусного расстояния, удлиняющий последнее, находящиеся в фокальной плоскости оптико-электронные преобразователи (ОЭП), выполненные в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств [2]. Однако такой зеркально-линзовый объектив сложен по конструкции. Действительно, преобразователь фокусного расстояния (ПФР) выполнен в виде установленных в шахматном порядке матрицы объективов с оптическими осями, параллельными оптической оси телескопа. Такая конструкция преобразователя фокусного расстояния требует чрезвычайно высокого качества изображения зеркально-линзовой части телескопа, т.к. ее полевые аберрации не могут быть скорректированы проекционным объективом ПФР. Это обусловлено тем, что оптические оси объективов ПФР (за исключением центрального) пересекают промежуточную плоскость изображения, даваемого зеркально-линзовой частью телескопа в точках, отстоящих от оптической оси телескопа. Поэтому в части телескопа, состоящей из главного и вторичного зеркал и линзового корректора, должны быть самостоятельно скорректированы аберрации, особенно полевые. Это делает ее достаточно сложной по конструкции, а в совокупности с объективом ПФР труднореализуемой. Кроме того, такая конструкция телескопа требует наличия блока синхронизации изображений, входы которого соединены с выходами оптико-электронных преобразователей.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции при сохранении большого углового поля и высокого линейного разрешения на местности.

Для решения поставленной задачи предложен космический зеркально-линзовый телескоп, объектив которого содержит зеркальные компоненты: главное и вторичное зеркала, а также коллектив и преобразователь фокусного расстояния, проецирующий промежуточное изображение в плоскость фоточувствительных элементов оптико-электронных преобразователей. В отличие от прототипа в предложенном телескопе преобразователь фокусного расстояния выполнен в виде сферического или плоского зеркала и установленного перед ним линзового компонента, включающего коллектив. Между тыльной стороной главного зеркала и зеркалом преобразователя фокусного расстояния установлен отклоняющий оптическую ось телескопа элемент.

Кроме того, по п.2 коллектив может быть выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к вторичному зеркалу, и положительной линзы, оптическая сила которой больше оптической силы мениска. Линзовый компонент ПФР содержит обращенную вогнутостью к вторичному зеркалу первую менисковую линзу, а сферическое зеркало представляет собой отражающий слой, нанесенный на ее выпуклую поверхность. По п.3 линзовый компонент снабжен второй менисковой линзой, установленной по ходу оптического луча перед первой менисковой линзой и обращенной к ней вогнутостью, причем их оптические силы удовлетворяют условию ϕ₁ < 0,02ϕ₂, где ϕ₁ - оптическая сила первой менисковой линзы; ϕ₂ - оптическая сила второй менисковой линзы.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что промежуточное изображение, даваемое зеркальным или зеркально-линзовым объективом, проектируется в плоскость фоточувствительных элементов оптико-электронных преобразователей преобразователем фокусного расстояния, выполненным в виде сферического или плоского зеркала и линзового компонента, установленного перед ним, который позволяет скорректировать полевые аберрации зеркальной части. Возможность более оптимальной компoновки схемы с помощью отклоняющего элемента делает конструкцию объектива компактной, простой, надежной и высококачественной.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 приведены варианты схемы космического зеркально-линзового телескопа для дистанционного зондирования Земли по п.1; на фиг. 3 и 4 - варианты схемы телескопа в соответствии с пп.2 и 3 соответственно.

Космический зеркально-линзовый телескоп на фиг. 1 содержит установленные последовательно вогнутое главное зеркало 1, выпуклое вторичное зеркало 2, коллектив 3, отклоняющий элемент, в данном случае плоское зеркало 4, сферическое зеркало 5 и установленный перед ним двухлинзовый компонент 6, а также оптико-электронный преобразователь 7, выполненный в виде линейных или матричных фотоприемных устройств, фоточувствительные элементы которого расположены в фокальной плоскости телескопа. Коллектив 3 совместно со сферическим зеркалом 5 и компонентом 6 представляют собой преобразователь 8 фокусного расстояния зеркального объектива, состоящего из главного и вторичного зеркал.

На фиг. 2, сохраняя нумерацию фиг. 1, преобразователь 8 фокусного расстояния содержит коллектив 3, плоское зеркало 5 и трехлинзовый компонент 6.

На фиг. 3 ПФР 8 содержит коллектив 3, линзу 6 менискообразной формы и вогнутое зеркало 5, выполненное в виде отражающего покрытия, нанесенного на выпуклую поверхность линзы 6. Коллектив 3 состоит из положительного мениска 9, обращенного выпуклостью к вторичному зеркалу, и положительной линзы 10, оптическая сила которой больше оптической силы мениска.

На фиг. 4 ПФР 8 космического телескопа содержит коллектив 3, состоящий из двух положительных менисков 9 и 10, сферическое зеркало 5, менисковые линзы 6 и 11, обращенные вогнутостью друг к другу, причем их оптические силы удовлетворяют условию ϕ₂ < 0,02ϕ₁, где ϕ₁ - оптическая сила первого мениска; ϕ₂ - оптическая сила второго мениска.

Вогнутое зеркало 5 выполнено в виде зеркального слоя, нанесенного на выпуклую поверхность менисковой линзы 6.

Для всех схем, представленных на фиг. 1-4, ПФР выполняет две функции: изменяет (преобразовывает) фокусное расстояние зеркально-линзового телескопа таким образом, что эквивалентное фокусное расстояние зеркально-линзового телескопа равно произведению фокусного расстояния зеркального объектива на увеличение ПФР, и выполняет функции корректора полевых аберраций зеркального объектива.

Принцип построения корректора полевых аберраций (фиг. 3,4) сводится к следующему. В зеркальном объективе 1,2 за счет применения асферических поверхностей с эксцентриситетами е1 и е2 соответственно исправляются только две аберрации - сферическая и кома. При этом астигматизм и кривизна изображения не коррегируются и имеют большие значения положительного знака.

Сферическое вогнутое силовое зеркало 5 обеспечивает требуемое увеличение V ПФР 8. Оно вносит большие положительный астигматизм и отрицательную кривизну изображения. Таким образом, зеркало 5 может компенсировать кривизну изображения объектива 1, 2, но при этом астигматизм суммируется.

Для компенсации астигматизма коллектив выполнен из двух положительных линз. Промежуточное изображение, даваемое зеркальным объективом 1, 2, т.е. его фокальная плоскость, располагается в промежутке между первой и последней поверхностями коллектива 3 и изображается коллективом с увеличением, близким к единице. Кроме того, линзы коллектива выполнены из материалов флинта и крона. Такое построение позволяет исправить хроматизм положения и увеличения самого коллектива.

Выполнение первой линзы коллектива 3 в виде положительного мениска 9 позволяет внести отрицательный астигматизм и незначительную кривизну. В совокупности со второй положительной линзой он компенсирует астигматизм зеркальных систем 1, 2 и 5.

Введение мениска 6 перед зеркалом 5 (фиг. 3,4) позволяет внести дополнительно отрицательную кривизну изображения. Поэтому оптическая сила вогнутого зеркала выбирается из условия получения требуемого увеличения V при заданных габаритах, а декомпенсация кривизны изображения осуществляется мениском 6.

Введение второго мениска 11 (фиг. 4) позволяет, не внося кривизны, изображения компенсировать астигматизм высших порядков. Его оптическая сила незначительна и не превышает 0,02 оптической силы мениска 6.

Работа космического зеркально-линзового телескопа на фиг. 1 осуществляется следующим образом. При полете по орбите ось Х космического телескопа направлена к Земле, а изображение участка земной поверхности в виде полосы строится зеркальным объективом, состоящим из главного 1 и вторичного 2 зеркал, в его фокальной плоскости параллельно оси Y (перпендикулярно плоскости чертежа), смещенным от оптической оси на l' (в точке А на фиг. 1). Коллектив 3 проецирует входной зрачок телескопа - поверхность главного зеркала 1 - на отражающую поверхность зеркала 5 преобразователя 8 фокусного расстояния. Плоское зеркало 4 отклоняет лучи. Смещение промежуточного изображения на l' и введение плоского зеркала 4 позволяет исключить виньетирование лучей в прямом и отраженном от зеркала 5 пучках. При полете по орбите изображение Земли "бежит" в плоскости фоточувствительных элементов оптико-электронных преобразователей 7, т.е. происходит сканирование по объекту и обеспечивается съемка полосы, ширина которой на поверхности Земли равна 2y'H/f, где 2y' - длина фоточувствительной зоны оптико-электронного преобразователя, H - высота орбиты, f - эквивалентное фокусное расстояние объектива телескопа.

Работа космических телескопов на фиг. 2, 3 и 4 аналогична работе телескопа на фиг. 1.

В приложении приведены оптическая схема, конструктивные параметры, остаточные аберрации и частотно-контрастная характеристика объектива, выполненного по схеме на фиг. 4 Фокусное расстояние телескопа f = 6165 мм, диаметр главного зеркала 600 мм, расстояние между главным 1 и вторичным 2 зеркалами составляет 750 мм. Максимальная длина телескопа от зеркала 2 (пов.3 оптической схемы Приложения) составляет 1102 мм. Коэффициент центрального экранирования 0,31, рабочее угловое поле в пространстве предметов 1 3.

Преобразователь 8 фокусного расстояния, содержащий коллектив 3 (пов. 5-8), линзу 6 менискообразной формы с зеркальным слоем 5, нанесенным на выпуклую поверхность (пов. 13-14 в прямом ходе лучей) и мениск 9 (пов.11, 12), обеспечивает линейное увеличение V = 1,8145 и дает эквивалентное фокусное расстояние f = V · f = 1,8145 · 3397,23 = 6165 мм.

В соответствии с теорией аберраций оптических систем каждая аберрация III порядка характеризуется коэффициентом аберрации Зейдея: S_I - сферическая аберрация, S_II - кома,
S_III - астигматизм,
S_IV - кривизна изображения.

В таблице приведены значения коэффициентов аберраций, из которой видна роль каждого из рассмотренных элементов схемы, описанных выше.

Из таблицы видно, что коллектив вносит отрицательный астигматизм и компенсирует положительный астигматизм всего ПФР, а кривизна изображения зеркальной системы и частично коллектива компенсируется зеркалом 5 и мениском 6.

Приведенный в приложении вариант оптической схемы обладает высоким качеством изображения, необходимым для такого класса телескопов. Астигматизм на краю поля зрения исправлен, на зоне он не превышает 0,06 мм, средняя кривизна на краю поля 0,03 мм, а на зоне - 0,06 мм, хроматизм увеличения 0,004%, дисторсия 0,5%, меридиональная кома на краю поля - 0,005 мм. Контраст на частоте 42 мм составляет 0,51.

Применение менискообразной линзы 6 с отражающей поверхностью 5 и линзового компонента перед ней, состоящего из коллектива 3 и мениска 12, позволяет, во-первых, реализовать преобразователь фокусного расстояния с увеличением V = 1,8145 и эквивалентное фокусное расстояние телескопа 6165 мм, во-вторых, расположить выходной зрачок на зеркальной поверхности 5, что значительно уменьшает габаритные размеры и вес линз 6,9 и, в-третьих, обеспечивает высококачественную коррекцию полевых аберраций зеркальной системы 1, 2.

Таким образом, в результате описанного построения космического телескопа для дистанционного зондирования Земли при достаточно большом угловом поле и эквивалентном фокусном расстоянии можно получить простую, надежную, малогабаритную конструкцию, длина которой составляет 1,8 D, где D - диаметр главного зеркала телескопа.

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

2. Патент по заявке РФ N 96121579 от 06.11.96, G 02 В 23/00, 23/12.

Формула изобретения

1. Космический зеркально-линзовый телескоп для дистанционного зондирования Земли, содержащий последовательно установленные зеркальный объектив, включающий главное и вторичное зеркала, преобразователь фокусного расстояния и находящиеся в фокальной плоскости оптико-электронные преобразователи, отличающийся тем, что преобразователь фокусного расстояния содержит сферическое или плоское зеркало и установленный перед ним линзовый компонент, включающий коллектив, зеркальный объектив выполнен с возможностью построения изображения участка земной поверхности смещенным от оптической оси, при этом телескоп снабжен отклоняющим его оптическую ось элементом, установленным между тыльной стороной главного зеркала и зеркалом преобразователя фокусного расстояния.

2. Телескоп по п. 1, отличающийся тем, что коллектив выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к вторичному зеркалу, и положительной линзы, оптическая сила которой больше оптической силы мениска, линзовый компонент содержит обращенную вогнутостью к вторичному зеркалу первую менисковую линзу, а сферическое зеркало представляет собой отражающий слой, нанесенный на ее выпуклую поверхность.

3. Телескоп по п. 2, отличающийся тем, что линзовый компонент снабжен второй менисковой линзой, установленной по ходу оптического луча перед первой менисковой линзой и обращенной к ней вогнутостью, причем их оптические силы удовлетворяют условию
ϕ₂ < 0,02ϕ₁,
где ϕ₁ - оптическая сила первого мениска;
ϕ₂ - оптическая сила второго мениска.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9