Космический телескоп, комплексируемый с гиперспектральным блоком

Область применения
Оптическое спектральное приборостроение, в частности бортовые космические спектральные системы.
Устройство предназначено в первую очередь для применения на малогабаритных космических аппаратах (МКА) в составе современных космических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с использованием зеркальных телескопов и обеспечивающих многоспектральный режим наблюдения земной поверхности при помощи гиперспектрального блока. Наиболее известная оптическая схема телескопа, используемая в системах ДЗЗ - это схема Корша.
Уровень техники
Для обеспечения многоспектрального диапазона работы гиперспектрального блока в качестве входного объектива в последних разработках применяется, как правило, зеркальный объектив. Наиболее приемлем для схем с гиперспектральным блоком объектив, построенный по схеме Кука, т.е. объектив без центрального экранирования. Однако практическое использование этого объектива при диаметре главного зеркала более 0,3 м затруднено ввиду сложности его изготовления.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемой полезной модели является космический телескоп [патент на изобретение RU 2529052, кл. С2, опубл. 27.09.2014], который может быть использован в оптико-электронных космических телескопах для дистанционного зондирования Земли. Телескоп содержит объектив, установленные в фокальной плоскости оптико-электронные приемники изображения и спектрометр, содержащий входную щель, установленную в фокальной плоскости объектива, и фокусирующую диспергирующую систему. Объектив телескопа выполнен из вогнутого главного зеркала, выпуклого вторичного зеркала и предфокального линзового корректора полевых аберраций.
Недостатком данного решения является наличие в объективе телескопа линзового оптического элемента - предфокального корректора полевых аберраций, существенно затрудняющего использование космического телескопа в многоспектральном диапазоне.
Раскрытие сущности
Основной задачей полезной модели является использование зеркального объектива сверхвысокого разрешения, построенного по схеме Корша, скорректированного с целью уменьшения искажений волнового фронта падающего излучения, уменьшения рассеянного излучения от элементов конструкции и снижения потерь площади рабочего светового пучка на входе в объектив, обусловленного экранированием элементами крепления и деталями крепления узла плоского поворотного зеркала, для обеспечения одновременной работы многоспектрального телескопа и космического гиперспектрального блока.
На данный момент применяется оптико-электронный многоспектральный комплекс, состоящий из двух приборов: многоспектрального телескопа с объективом № 1 (фиг. 1) и многоспектрального гиперспектрометра с объективом № 2 (фиг. 2).
В фокальной плоскости объектива № 1 и объектива № 2 устанавливаются щели, через которые проецируются сфокусированные «щелевые» изображения наблюдаемой поверхности Земли, далее направляемые поворотными зеркалами:
в многоспектральном телескопе - на фотоприемное устройство (ФПУ) с соответствующей спектральной чувствительностью (Δλ);
в многоканальном гиперспектрометре (гиперспектральном блоке) - на вход многоканального интерферометра и далее на ФПУ с соответствующей спектральной чувствительностью (Δλ).
В оптической схеме телескопа результаты наблюдений при необходимости совмещаются (по спектральным диапазонам и по координатам проецируемого изображения).
На выходе гиперспектрометра получают интерферограммы для каждой «точки» и области земной поверхности, проецируемой объективом на вход интерферометра, для каждого спектрального диапазона.
Совмещение пространственного изображения (на выходе телескопа) и спектрального (на выходе гиперспектрального блока) для одной и той же области пространства достаточно сложно, требуется постоянная союстировка фокальных плоскостей обоих объективов и ее сохранность в полете.
Для устранения этого недостатка предлагается телескоп комплексируемый с гиперспектральным блоком, в котором используется только один объектив, а именно, объектив телескопа.
Описание чертежей
Фиг. 1 - блок-схема телескопа со своим зеркальным объективом (объектив №1) с несколькими спектральными каналами.
Фиг. 2 - блок-схема гиперспектрометра со своим зеркальным объективом (объектив №2) на несколько спектральных каналов.
Фиг. 3 - блок-схема совмещенных телескопа и гиперспектрометра с одним зеркальным объективом от телескопа.
Фиг. 4 - схема композиционного построения объектива, содержащая силовые зеркала (1, 2 и 4), два плоских вспомогательных зеркала (3 и 5), осесимметричный непрозрачный экран (6), две щели (7).
Фиг. 5 - элементы конструкции, обеспечивающие крепление вторичного зеркала (2) - это спицы (8).
Фиг. 6 - вид схемы объектива в плоскости разреза В-В, где 1 и 2 - силовые зеркала, 3 - вспомогательное зеркало, 9 - рабочий световой пучок.
Осуществление полезной модели.
Объектив, построенный по схеме Кука, т.е. объектив без центрального экранирования, наиболее приемлемый для предлагаемой схемы, но затруднительно и нерационально использовать при диаметре главного зеркала более 0,3 м ввиду сложности его изготовления.
В качестве общего входного объектива космического телескопа, комплексируемого с гиперспектральным блоком, предлагается использовать зеркальный объектив, построенный по схеме Корша.
Однако при этом зеркальный объектив Корша в общей схеме (телескоп плюс гиперспектральный блок) должен быть откорректирован таким образом, чтобы в нем отсутствовало экранирование входящих оптических лучей элементами конструкции объектива по мере их прохождения через объектив и обеспечить минимальное рассеяние на элементах конструкции, находящихся в пределах рабочих световых пучков. Особенности предлагаемого комплекса.
1) Предлагается использование одного объектива № 1 (фиг. 1) телескопа, что автоматически приведет к уменьшению массы на 15-20 кг.
2) Возможность одновременного наблюдения одного и того же участка земной поверхности обоими приборами комплекса без подфокусировки каждого прибора (так как объектив общий).
3) Совмещение информации по пространственным координатам (от телескопа) и спектральным характеристикам (от гиперспектрального блока) наблюдаемой поверхности Земли.
4) В предлагаемом комплексе обеспечивается использование единой схемы управления двумя целевыми приборами (телескоп и гиперспектрометр).
5) В фокальной плоскости объектива расположены две щели 7 (см. фиг. 4). В первую щель проецируется изображение, формируемое телескопом, во вторую - изображение, направляемое далее в интерферометр. Щели расположены перпендикулярно вектору скорости КА (вектор скорости на фиг. 4 направлен вдоль оси X). Для использования на входе гиперспектрального блока объектива, используемого в телескопе (по схеме Корша), необходимо, в первую очередь, максимально убрать из внутреннего объема объектива световые лучи (рабочие пучки), экранируемые конструкционными элементами объектива с тем, чтобы остаточное рассеяние на элементах конструкции, находящихся в пределах рабочих световых пучков, составляло менее 0,2% от общего светового потока, проецируемого на фокальную плоскость.
Схема композиционного построения основного объектива космического телескопа, комплексируемого с гиперспектральным блоком (пространственное расположение зеркал в схеме Корша), представлена на фиг. 4. Оптическая система основного объектива зеркальная, «двухкаскадная» содержит 3 силовых зеркала (1, 2 и 4) и два плоских вспомогательных зеркала (3 и 5).
Первый каскад объектива включает в себя вогнутое асферическое зеркало 1 и выпуклое гиперболическое зеркало 2. Промежуточное изображение строится вблизи плоского поворотного зеркала 3.
Второй каскад построен на вогнутом эллипсоиде 4, который корректирует качество промежуточного изображения.
Для обеспечения одновременной работы двух приборов (телескопа и гиперспектрального блока) в общем объективе выполнена коррекция отдельных элементов конструкции с целью уменьшения искажений волнового фронта падающего излучения и снижения уровня рассеянного излучения, а именно:
1) поворотное плоское зеркало 3 устанавливается вблизи плоскости промежуточного изображения, создаваемого первым каскадом схемы (двумя первыми силовыми зеркалами - главным 1 и вторичным 2). Это обеспечивает минимальные геометрические размеры поворотного зеркала 3, что позволяет исключить попадание на элементы его конструкции:
рабочих лучей, засвечивающих входное зеркало 1 объектива;
рабочих лучей, отраженных от входного зеркала 1 в сторону вторичного зеркала 2.
2) в плоскости оправы вторичного зеркала 2 на входе в объектив размещается осесимметричный непрозрачный экран 6 с диаметром, превышающим поперечные размеры вторичного зеркала настолько, чтобы обеспечить полную защиту элементов конструкции поворотного зеркала 3 от засветки рабочим пучком, отраженным от силового зеркала 4;
3) элементы конструкции (спицы), обеспечивающие крепление вторичного зеркала 2, находящиеся в пределах рабочего пучка, изготавливаются из композитного материала (углепластика), характеризующегося высокой жесткостью. Это позволяет использовать спицы (поз. 8 на фиг. 5) малой толщины при значительной их длине и обеспечивает минимальное экранирование площади входного зрачка.
По конструктивным требованиям при использовании композитного материала отношение ширины спицы к ее длине возможно принять равным 1:80. При этом потери площади рабочего светового пучка на входе в объектив, обусловленные экранированием 4-мя спицами, составят не более 1%.
4. Элементы конструкции узла крепления поворотного зеркала 3 к центральной теневой зоне входного (главного) зеркала 1, которые находятся в пределах рабочего светового пучка 9, отраженного от силового зеркала 4 (на фиг. 6 - зона ΔL), изготавливаются из композитного материала высокой жесткости (углепластика), что позволяет снизить поперечные размеры детали крепления на проблемном участке и обеспечивает минимальное экранирование рабочего светового пучка.
При ширине штанги крепления поворотного зеркала на участке ΔL (в пределах светового пучка), равной 0,04 от длины отрезка штанги на этом участке, потери площади светового пучка составят не более 0,4%.
Узлы крепления вторичного 2 и малого плоского поворотного зеркал 3, находящиеся в пределах рабочего пучка, имеют форму и светотехнические характеристики поверхностей, которые обеспечивают минимальное рассеяние в направлении плоскости изображения. В результате на выходе объектива формируется поле изображения с равномерной освещенностью по всему полю и уровнем «паразитной» освещенности, обусловленной рассеянием на элементах конструкции, не превышающим 0,1% от освещенности изображения.
Ввиду того, что схема объектива чисто зеркальная, аппаратура может быть реализована как многоспектральная и многоканальная:
1. Телескоп, работающий в нескольких спектральных диапазонах (например, состоящий из 3-х каналов - УФ-канал, канал видимого диапазона и канал ИК-диапазона 3-5 мкм);
2. Гиперспектральный блок (на несколько спектральных каналов - в зависимости от поставленной задачи):
1 канал – УФ-диапазон - 0,2-0,3 и 0,3-0,4 мкм,
2 канал - видимый + ближний ИК-диапазоны - 0,4-1,0 и 1,0-2,5 мкм.
В результате предлагаемая модель объектива сверхвысокого разрешения, построенного по схеме Корша, обеспечивает работу двух приборов: многоспектрального телескопа и гиперспектрального блока.