Оптический телескоп дистанционного зондирования Земли высокого разрешения для космических аппаратов микро-класса
OPTICAL TELESCOPE OF REMOTE SENSING OF EARTH HIGH RESOLUTION FOR SPACE OF MICRO CLASS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к оптике и к космической технике, а именно к электронно-оптическим телескопам дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), пригодным для применения на космических аппаратах (КА) микрокласса.
Уровень техники
К оптике космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) предъявляются противоречивые требования: высокое угловое разрешение, значительное фокусное расстояние с широким полем зрения, работа в широком диапазоне температур, и одновременно - максимальная компактность и малый вес.
Обычно в аппаратах дистанционного зондирования Земли используются телескопы системы Ричи-Кретьена с линзовым корректором (с полем зрения до 1 градуса), либо тяжелые линзовые объективы (с широким полем зрения) [Геотон-Л1 для Ресурс-П]. Многозеркальные асферические системы (Three-Mirror-Anastigmat, [http://www.telescope-optics.net/three-mirror.htm] могут обладать широким полем зрения (до 5-7 градусов), но они занимают значительный объем и очень дороги в изготовлении и отладке.
Известны варианты зеркально-линзовых схем с двумя зеркалами и полноапертурным корректором (Максутов-Кассегрен, Шмидт-Кассегрен, Busack-Honders) [http://www.telescope-optics.net/SCT.htm]. Достоинство этих схем - сферическая форма всех или большинства поверхностей и относительно широкое поле зрения (до 1 градуса); однако такое поле зрения недостаточно для современных спутников Д33. Другие недостатки - значительная длина этих схем и недостаточное качество изображения (они ориентированы на визуальное наблюдение, а не на высокодетальную фотосъемку).
Известны варианты зеркально-линзовых оптических схем с полноапертурным корректором (Хоугтона, Рихтера-Слефогта, Волосова) [http://www.telescope-optics.net/Houghton.htm], способные обеспечить поле зрения более 3 градусов при F/D~3. [см, например, усовершенствованный вариант В. Теребижа WF-01 http://www.terebizh.ru/V.Yu.T/publications%5C2007_03r.pdf; Широкоугольные оптические телескопы В.Ю. Теребиж, Астрономия 2006: традиции, настоящее и будущее Санкт-Петербург июнь 2006 2w 1. - презентация. Все они состоят из главного зеркала, вторичного зеркала, двухлинзового полноапертурного корректора и линзового предфокального корректора. Все поверхности оптических элементов - сферические, что значительно удешевляет их изготовление. Недостатком этих схем является их значительная длина (близкая к фокусному расстоянию главного зеркала), а также значительный вес двухлинзового полноапертурного корректора.
Этот недостаток сокращен в варианте WF-03 в той же публикации В. Теребижа путем совмещения второй линзы корректора и главного зеркала в единое зеркало Манжена. Этот вариант рассматривается нами как прототип.
Недостатками прототипа является все еще чрезмерная для микроспутника длина телескопа (отношение длины к апертуре более 2), а также недостаточное угловое разрешение.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является осуществление высокодетальной съемки земной поверхности из космоса в оптическом спектре частот с длинами волн в диапазоне 450-900 нм при поле зрения оптического телескопа в 3 угловых градуса с угловым разрешением лучше 1''; размещение оптического телескопа Д33 и обеспечение его функционирования в условиях ограниченного пространства микроспутника формата CubeSat 16U.
Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении высокодетальной космической съемки поверхности Земли при помощи оптического телескопа при его размещении на борту КА микрокласса формата CubeSat 16U.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что телескоп содержит оптические элементы, составляющие оптическую схему зеркально-линзового осевого объектива с некруглой апертурой, включающие в себя собирающую входную линзу, вогнутое главное зеркало-линзу, выпуклое вторичное зеркало и предфокальный двухлинзовый корректор, при этом вторичное выпуклое зеркало размещено непосредственно в центре входной линзы таким образом, чтобы плоскость изображения находилась вблизи от задней поверхности крепежной системы главного зеркала, а предфокальный двухлинзовый корректор размещен в центре главного зеркала-линзы, при этом в главном зеркале-линзе и вторичном зеркале установлены внутренние бленды; оптомеханическую конструкцию, состоящую из боковых стоек, шпангоута, размещенного на нем держателя главного зеркала-линзы, предфокального двухлинзового корректора и бленды главного зеркала-линзы, причем внутри держателя размещен предфокальный двухлинзовый корректор, а на внешней стороне держателя закреплены главное зеркало-линза и бленда главного зеркала-линзы, причем на внешнем торце держателя в фокусе оптической схемы размещен фотоприемник электронного сенсора, при этом сборка входной линзы со вторичным зеркалом и сборка главного зеркала-линзы с предфокальным корректором соединены боковыми стойками, причем со стороны главного зеркала-линзы боковые стойки закреплены на шпангоуте, а со стороны входной линзы закреплены на держателе входной линзы, при этом вторичное зеркало закреплено к входной линзе посредством держателя вторичного зеркала и бленды вторичного зеркала и фотоприемник электронного сенсора, размещенный на держатели главного зеркала-линзы непосредственно за предфокальным корректором в фокусе оптической схемы.
В частном случае реализации заявленного технического решения эквивалентный диаметр апертуры составляет 241 мм, а линзы выполнены квадратной формы со скругленными углами, при этом габариты оптической части системы составляют 222×222 мм с размещенными входной линзой и главным зеркалом-линзой, обрезанными от диаметра 258 мм.
В частном случае реализации заявленного технического решения главное зеркало-линза выполнена в виде зеркала-линзы Манжена.
В частном случае реализации заявленного технического решения оптические элементы выполнены сферическими.
В частном случае реализации заявленного технического решения оптические элементы выполнены из плавленого кварца.
В частном случае реализации заявленного технического решения боковые стойки и оправы линз выполнены из сплава прецизионного 32НКД.
В частном случае реализации заявленного технического решения фокусное расстояние оптической схемы составляет 745 мм.
В частном случае реализации заявленного технического решения кривизна вторичного зеркала выполнена таким образом, что плоскость изображения находится вблизи от задней поверхности крепежной системы главного зеркала-линзы.
В частном случае реализации заявленного технического решения шпангоут выполнен с возможностью крепления телескопа к конструкции космического аппарата.
В частном случае реализации заявленного технического решения на главном зеркале-линзе и вторичном зеркале установлены внутренние бленды.
В частном случае реализации заявленного технического решения бленды выполнены трубчатыми в форме конической поверхности одинарной кривизны.
В частном случае реализации заявленного технического решения бленды выполнены из алюминиевого сплава.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - Принципиальная оптическая схема предлагаемого объектива.
Фиг. 2 - Внешний вид и относительное расположение оптических элементов предлагаемого объектива.
Фиг. 3 - Форма и размеры входной линзы объектива телескопа.
Фиг. 4 - Общий вид конструкции телескопа со стороны главного зеркала-линзы.
Фиг. 5 - Общий вид конструкции телескопа со стороны входной линзы.
Фиг. 6 - Внешний вид и относительное расположение оптических элементов предлагаемого объектива с внутренними блендами.
Фиг. 7 - Диаграммы пятна рассеяния по положениям в плоском поле зрения.
Фиг. 8 - График функции передачи модуляции предлагаемого телескопа.
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 - входная линза (полноапертурный корректор), 2 - главное зеркало-линза Манжена, 3 - вторичное зеркало, 4 - предфокальный двухлинзовый корректор, 5 - фотоприемник сенсора, 6 - бленда вторичного зеркала, 7 - бленда главного зеркала-линзы, 8 - шпангоут, 9 - держатель главного зеркала-линзы, предфокального двухлинзового корректора и бленды главного зеркала-линзы, 10 - боковые стойки, 11 - держатель входной линзы, 12 - держатель вторичного зеркала и бленды вторичного зеркала; L и L1 - длина сторон оптической части системы; D - диаметр закругления углов входной линзы и главного зеркала-линзы.
Раскрытие изобретения
Оптический телескоп дистанционного зондирования Земли (Д33) включает в свой состав следующие укрупненные элементы: оптические элементы; оптомеханическая конструкция; сенсор с фотоприемником.
Оптический телескоп представляет собой компактный зеркально-линзовый осевой объектив, состоящий из входной линзы (полноаппертурного корректора), главного вогнутого зеркала-линзы Манженовского типа, выпуклого вторичного зеркала (размещенного в центре входной линзы) и предфокального двухлинзового корректора, размещенного в центре главного зеркала и формирующего высококачественное изображение на плоском фотоприемнике сенсора, размещенном на внешнем торце держателя главного зеркала-линзы непосредственно за двухлинзовым корректором. При этом все оптические поверхности являются сферическими. Вторичное выпуклое зеркало размещено непосредственно в центре входной линзы таким образом, чтобы плоскость изображения находилась вблизи от задней поверхности крепежной системы главного зеркала, тем самым обеспечивая компактность всей оптической схемы.
Применение главного вогнутого зеркала-линзы Манженовского типа также обеспечивает компактность оптической схемы. Для увеличения светосилы объектива (эквивалентного диаметра апертуры системы) входная линза и главное зеркало выполнены в диаметре, большем поперечных габаритов системы, и обрезаны по краям до требуемого размера. Данное техническое решение позволило увеличить разрешение и количество собираемого объективом света до уровня, примерно соответствующего объективу с круглой эквивалентной апертурой диаметром 241 мм при габаритных ограничениях оптических элементов 222×222 мм.
Для минимизации паразитной засветки чувствительного фотоприемника сенсора на главном зеркале-линзе и вторичном зеркале установлены внутренние бленды. Бленды выполнены трубчатыми в форме конической поверхности одинарной кривизны, за счет чего обеспечивается технологичность их изготовления и сборки, и оптимизированы для некруглой апертуры объектива и фотоприемника сенсора прямоугольной формы, что позволило уменьшить центральное экранирование и повысить характеристики объектива. Бленды изготавливаются путем гибки развертки из листового металла, в частном случае из алюминиевого сплава. Такие бленды обеспечивают невеньетированное поле, соответствующее размерам выбранного сенсора
Более детально оптический телескоп Д33 состоит из:
- оптических элементов, составляющих оптическую схему зеркально-линзового осевого объектива, включающих в себя входную линзу (полноапертурный корректор) (1), вогнутое главное зеркало-линзу Маженовского типа (2), выпуклое вторичное зеркало (3) и предфокальный двухлинзовый корректор (4). Все оптические элементы являются сферическими. При этом вторичное выпуклое зеркало (3) размещено непосредственно в центре входной линзы (1) таким образом, чтобы плоскость изображения находилась вблизи от задней поверхности крепежной системы главного зеркала (2), тем самым обеспечивая компактность всей оптической схемы. Кроме того, применение главного вогнутого зеркала-линзы Манженовского типа (2) также обеспечивает компактность оптической схемы. Предфокальный двухлинзовый корректор (4) размещен в центре главного зеркала-линзы (2). Фотоприемник электронного сенсора (5) размещен непосредственно за предфокальным корректором (4) в фокусе оптической схемы, чье фокусное расстояние составляет 745 мм;
- оптомеханическая конструкция состоит из шпангоута (8), через который телескоп крепится к конструкции КА, размещенного на нем держателя (9) главного зеркала-линзы, предфокального двухлинзового корректора и бленды главного зеркала-линзы, причем внутри держателя (9) размещен предфокальный двухлинзовый корректор (4), а на внешней стороне держателя (9) закреплены главное зеркало-линза (2) и бленда (7) главного зеркала-линзы.
Боковые стойки (10) соединяют сборку входной линзы (1) со вторичным зеркалом (3) и сборку главного зеркала-линзы (2) с предфокальным корректором (4), задавая расстояние между ними. Со стороны главного зеркала-линзы (2) боковые стойки (10) крепятся к шпангоуту (8), а со стороны входной линзы (1) - к держателю входной линзы (11). Вторичное зеркало (3) крепится к входной линзе (1) через держатель вторичного зеркала и бленды вторичного зеркала (12), где также закреплена бленда вторичного зеркала (6). Общий вид конструкции телескопа представлен на Фиг. 4, 5.
В процессе орбитальной съемки оптическим телескопом свет от земных объектов фотосъемки поступает на собирающую сферическую входную линзу (полноапертурный корректор) (1). Полученный слабо сходящийся пучок лучей поступает на главное зеркало Манжена (2), выполненное, как зеркальное покрытие второй линзы-корректора (на дальней от входной линзы стороне). Таким образом, пучок лучей проходит через вторую линзу-корректор, отражается от вогнутой сферической поверхности главного зеркала, повторно проходит через вторую линзу и направляется к вторичному зеркалу (3).
После отражения от вторичного зеркала (3) пучок лучей проходит предфокальный корректор (4), размещенный в трубке держателя (9) в центре главного зеркала-линзы (2). Этот корректор (из двух сферических линз) исправляет остаточные аберрации и формирует изображение на плоской поверхности фотоприемника сенсора (5), размещенного на внешнем торце держателя главного зеркала-линзы (9). В сенсоре (5) осуществляется оцифровка и квантование принятого аналогового оптического сигнала, после чего данные отправляются на дальнейшее сохранение и обработку.
Минимизация габаритов объектива достигается размещением вторичного выпуклого зеркала (3) в отверстии в центре входной линзы (1), причем крепеж производится непосредственно к входной линзе (1), без использования дополнительных растяжек или распорок.
Применение главного вогнутого зеркала-линзы Манженовского типа (2) также обеспечивает компактность оптической схемы.
Кривизна вторичного зеркала (3) рассчитана таким образом, что плоскость изображения находится вблизи от задней поверхности крепежной системы главного зеркала-линзы (2).
Использование в сумме 4-х линз для коррекции аберраций позволяет достичь высокого качества изображения по всему полю зрения (площади сенсора), необходимого для задач Д33 (Фиг. 7, 8).
Использование собирающей входной линзы (1), дающей слабо сходящийся пучок лучей, позволяет не увеличивать диаметр главного зеркала-линзы (2) по сравнению со входной апертурой (в отличие от большинства прототипов).
Использование зеркала-линзы Манжена в качестве главного зеркала (2) обеспечивает хорошую защиту алюминиевого отражающего слоя телом линзы.
Для увеличения эквивалентного диаметра объектива (дифракционного диаметра и общей площади) используются линзы квадратной формы со скругленными углами (Фиг. 3), вписанные в жестко ограниченный габарит КА микрокласса стандарта CubeSat 16U. Таким образом, в габаритах оптической части системы 222×222 мм размещены входная линза (1) и главное зеркало-линза (2), обрезанные от диаметра 258 мм, что дает эквивалентный диаметр апертуры в 241 мм.
Для минимизации паразитной засветки чувствительного фотоприемника сенсора (5) на главном зеркале-линзе (2) и вторичном зеркале (3) установлены внутренние бленды (7 и 6 соответственно). Бленды выполнены трубчатыми в форме конической поверхности одинарной кривизны, за счет чего обеспечивается технологичность их изготовления и сборки, и оптимизированы для некруглой апертуры объектива и фотоприемника сенсора прямоугольной формы, что позволило уменьшить центральное экранирование и повысить характеристики объектива. Бленды изготавливаются путем гибки развертки из листового металла, в частном случае из алюминиевого сплава. Такие бленды обеспечивают невеньетированное поле, соответствующее размерам выбранного сенсора.
-6
Все оптические элементы схемы изготавливаются из плавленого кварца (fused silica), имеющего очень низкий коэффициент теплового расширения (КТР), равный 0.6*10/ K. Оптомеханические элементы (боковые стойки (10), задающие расстояние между сборкой входной линзы (1) со вторичным зеркалом (3), и сборкой главного зеркала (2) с предфокальным корректором (4) и сенсором (5)), а также оправы линз, изготавливаются из СуперИнвара (32НКД) - сплава с таким же низким КТР, как и плавленый кварц. Такая конструкция позволяет минимизировать термодеформации при работе в широком диапазоне температур (-40…+60°С) и больших градиентов температуры в условиях спутника микрокласса на околоземной орбите.
Расчетная масса оптических элементов менее 3 кг, общая масса оптического телескопа менее 8 кг.