Зеркальный объектив для малогабаритного космического телескопа

Полезная модель относится к области космического приборостроения и предназначена для установки на малогабаритных космических аппаратах (МКА) в составе современных космических систем мониторинга околоземного пространства и дистанционного зондирования Земли с использованием зеркальных телескопов, обеспечивающих многоспектральный режим наблюдения.
В последние годы космическими державами уделяется все большее внимание обнаружению, изучению и каталогизации космического мусора путем «оптического зондирования» околоземного космического пространства. Для обеспечения многоспектрального диапазона работы в качестве входного объектива телескопа в последних разработках современных космических систем применяется, как правило, зеркальный объектив. Зеркальные объективы, во-первых, могут быть использованы в широком спектральном диапазоне и, во-вторых, оптические элементы зеркальных объективов могут быть изготовлены из нестандартных (не стеклообразных) оптических материалов, масса которых существенно меньше используемых стеклянных оптических материалов. Зеркальная схема позволяет осуществить одновременную работу аппаратуры наблюдения в нескольких спектральных диапазонах.
Широкий рабочий спектральный диапазон и жесткие ограничения по массогабаритным параметрам аппаратуры определяют тип оптической схемы объектива - схема должна быть зеркальной. Зеркальная схема, в которой практически отсутствует хроматизм, позволяет осуществить одновременную работу аппаратуры наблюдения в нескольких спектральных диапазонах. Угловое поле зрения зеркальных объективов невелико (в предлагаемой схеме составляет 0,68°), однако поле обзора может быть расширено за счет системы сканирования.
Для существенного снижения габаритных характеристик телескопа, устанавливаемого на МКА, необходимо, чтобы телескоп имел компактную схему и, соответственно, компактные внешние продольные и поперечные габариты.
Известны зеркальные оптические системы с двумя и тремя отражениями, которые отличаются габаритами и степенью коррекции аберраций. Трехзеркальные схемы обладают более широкими аберрационными возможностями; отличаются хорошими габаритными соотношениями, но неудобным расположением приемника изображения.
Известны зеркальные объективы, реализующие хорошее качество изображения и обладающие хорошими габаритными соотношениями.
Так, в патенте на изобретение RU №2010272, опубликованном 30.03.1994 по индексу МКП G02B 17/06, описан зеркальный объектив телескопа, содержащий первичное вогнутое и вторичное выпуклое гиперболоидальные зеркала, третье вогнутое зеркало, рабочая поверхность которого расположена на общей подложке с первичным зеркалом. В данном устройстве в пределах угла поля зрения 2ω=2° обеспечиваются размеры геометрического кружка рассеяния в угловой мере 2-2,5'. Однако фокальная плоскость при этом находится перед объективом, т.е. конструктивные параметры объектива не позволяют организовать более одного канала наблюдения.
В патенте на полезную модель RU №106967, опубликованном 27.07.2011 по индексу МПК G02B 23/00, описан зеркальный объектив космического телескопа, содержащий последовательно установленные по ходу луча главное вогнутое эллиптическое зеркало, вторичное выпуклое гиперболическое зеркало, третье вогнутое зеркало эллиптической формы и два плоских поворотных зеркала, где одно из плоских поворотных зеркал расположено в плоскости действительного изображения входного зрачка, соотношение сил в объективе удовлетворяет условию: ϕ1,2≅ϕэкв, β3=(-1,8…-2)х и продольный габарит объектива определяется соотношением: d2⋅ϕэкв=(0,14-0,16), где ϕ1,2 - оптическая сила главного и вторичного зеркал, ϕэкв - эквивалентная оптическая сила объектива, β3 - увеличение третьего зеркала, d2 - расстояние между вторичным и третьим зеркалами.
Расположение одного из плоских поворотных зеркал в плоскости действительного изображения входного зрачка позволило не только сократить габариты, но и использовать его в качестве корректора волнового фронта для компенсации ошибок изготовления зеркал и сборки зеркального объектива и для удобства размещения приемников изображения в фокальной плоскости зеркального объектива.
Однако положение фокальной плоскости не позволяет разместить на выходе объектива более одного канала наблюдения. Кроме того, фокальная плоскость расположена за пределами максимального поперечного габарита оптической системы, что приводит к увеличению поперечного размера телескопа.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемой полезной модели является зеркальный объектив, описанный в патенте на полезную модель BY №4518, опубликованном 30.08.2008 по индексу МПК G02B 17/00. В прототипе описан зеркальный объектив, содержащий первое и третье вогнутые эллиптические зеркала с промежуточным изображением, расположенным между вторым и третьим зеркалами, дополнительно содержит плоское зеркало, расположенное относительно третьего зеркала на расстоянии, равном фокусному расстоянию объектива, кроме того, второе зеркало выполнено выпуклым гиперболическим и центрированным по отношению к первому и третьему зеркалам, радиусы которых в 1,4-1,6 раз превышают фокусное расстояние объектива.
Недостатками этого объектива являются небольшое угловое поле зрения, большое центральное экранирование: величина линейного коэффициента порядка h=0,5. Такая конструкция объектива позволяет уменьшить осевые габариты объектива, однако положение фокальной плоскости не позволяет разместить на выходе объектива более одного канала наблюдения.
Основной задачей полезной модели является обеспечение одновременной работы на борту МКА многоканальной многоспектральной аппаратуры наблюдения широкого спектрального диапазона при жестких ограничениях по массогабаритным параметрам. В отличие от прототипа обеспечивается возможность создания на выходе объектива нескольких каналов одновременного наблюдения.
Решение поставленной задачи обеспечивается использованием оптической системы высокого разрешения на базе одного зеркального объектива, позволяющего организовать в ограниченных габаритах системы одновременную работу двух спектральных каналов наблюдения.
Задача решается в конструкции полезной модели, представлющей собой зеркальный объектив для малогабаритного космического телескопа, включающий три силовых зеркала, два из которых выполнены эллиптическими, и плоское зеркало, отличающийся тем, что дополнительно содержит спектроделительную пластину, установленную между силовыми эллиптическими зеркалами под углом 45° к оптической оси объектива, при этом спектроделительная пластина выполнена со специальным покрытием, позволяющим разделить световой пучок на два различных спектральных канала, третье силовое зеркало выполнено сферическим, по ходу луча поочередно установлены первое силовое эллиптическое зеркало, плоское зеркало, второе силовое эллиптическое зеркало, силовое сферическое зеркало.
Кроме того, за счет смены положения плоской спектроделительной пластины в результате вращения пластины вокруг оптической оси объектива, можно организовать смену бокового работающего канала, направляя рабочий пучок последовательно на дополнительные фотоприемные устройства (ФПУ), установленные в пределах зоны между главным входным и вторым силовым зеркалами. Узлы ФПУ с соответствующей спектральной чувствительностью (Δλ) развернуты относительно оптической оси объектива. Таким образом можно осуществлять последовательное наблюдение в нескольких спектральных диапазонах с высоким качеством, ограниченным только дифракцией.
С целью уменьшения продольных габаритов объектива между первым и вторым силовыми зеркалами в схеме присутствует плоское зеркало. Схема откорректирована таким образом, чтобы минимизировать центральное экранирование входящих оптических лучей элементами конструкции узла плоского зеркала объектива, что облегчается наличием промежуточного изображения. Возможно в ограниченных габаритах объектива обеспечить работы двух и более спектральных каналов наблюдения.
Техническим результатом, обеспечиваемым конструкцией полезной модели, является возможность одновременной работы двух спектральных каналов наблюдения одного и того же участка пространства предмета в двух спектральных диапазонах одновременно при использовании одного зеркального объектива за счет введения спектроделительной пластины на выходе объектива (в промежутке между первым и вторым силовым зеркалами).
Спектроделительная пластина, установленная под углом 45° к оси объектива, позволяет разделить рабочий пучок широкого спектрального диапазона на два спектральных канала - ПК и видимого диапазона спектра. При этом фокальная плоскость видимого канала будет находиться под углом 90° к оптической оси объектива, вне хода световых лучей внутри объектива, но не будет выходить за пределы габаритов главного зеркала, диаметр которого определяет максимальный поперечный размер объектива. Фокальная плоскость второго ИК канала расположена в заднем отрезке по оптической оси объектива.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На Фиг. 1 представлена принципиальная схема композиционного построения зеркального объектива, где обозначены следующие элементы конструкции объектива: 1 - входное первое (главное) силовое эллиптическое зеркало - вогнутое, 2 - плоское зеркало, 3 - второе силовое эллиптическое зеркало - вогнутое, 4 - силовое сферическое зеркало - выпуклое, 5 - спектроделительная пластина; цифрой 6 обозначена плоскость изображения инфракрасного канала (ИК), цифрой 7 обозначена плоскость изображения видимого канала.
На Фиг. 2 для рассчитанного варианта схемы объектива представлен график зависимости частоты объекта наблюдения (N, л/мм) от рабочего спектрального диапазона (пространственная частота объекта наблюдения N [л/мм] при фиксированном значении частотно-контрастной характеристики с учетом дифракции (ДЧКХ) в зависимости от рабочей длины волны в мкм), где цифрой 8 обозначена кривая при ДЧКХ=0,4; цифрой 9 обозначена кривая при ДЧКХ=0,2.
На Фиг. 3 представлен график зависимости углового разрешения в рассчитанном варианте схемы объектива Δα'' от рабочего спектрального диапазона (угловое разрешение в зависимости от рабочей длины волны в мкм), где цифрой 10 обозначена кривая при ДЧКХ=0,4; цифрой 11 обозначена кривая при ДЧКХ=0,2.
В зеркальном объективе по ходу луча поочередно установлены первое силовое эллиптическое зеркало 1, плоское зеркало 2, второе силовое эллиптическое зеркало 3, силовое сферическое зеркало 4. Спектроделительная пластина 5 установлена между эллиптическими зеркалами 1 и 3 под углом 45° к оптической оси объектива.
Спектроделительная пластина 5 выполнена со специальным покрытием, позволяющим разделить световой пучок на два различных спектральных канала. Предпочтительно спектроделительная пластина 5 выполнена из германия толщиной 3 мм, на которую нанесено спектроделительное покрытие, что позволяет обеспечить одновременную работу двух спектральных каналов наблюдения.
По данной принципиальной схеме рассчитан зеркальный объектив с техническими характеристиками: фокусным расстоянием f'=2354 мм, относительным отверстием D/f=1:16; угловым полем 2ω=0,68°, коэффициентом центрального экранирования по площади η=0,15. Асферические поверхности силовых зеркал 1 и 3 описываются уравнениями второго порядка. При относительном отверстии D/F=1:16 длина схемы составляет величину 1,5D, где D - диаметр входного главного силового зеркала 1; центральное экранирование по площади составляет 0,85 от площади входного зрачка, находящегося на зеркале 1.
Значение ДЧКХ при фиксированной пространственной частоте деталей в изображаемом объекте (л/мм) падает с увеличением длины волны. Для представленной оптической схемы значение ДЧКХ не менее 0,4 реализуется в видимом диапазоне спектра: при частоте 40 л/мм - до 0,5 мкм; при частоте 20 л/мм - до 1,1 мкм.
С применением последующей обработки выходных сигналов возможно ограничиться меньшим значением ДЧКХ, но не менее 0,2.
ДЧКХ=0,2 для частоты 40 л/мм реализуется в диапазоне спектра от УФ до 0,9 мкм; для частоты 20 л/мм - до 2,3 мкм.
На графике (Фиг. 2) приведена зависимость частоты объекта наблюдения (N, л/мм) от рабочего спектрального диапазона при ДЧКХ = 0,2 и 0,4. Такие значения пространственных частот, разрешаемые данной оптической схемой (с фокусным расстоянием f'=2354 мм), соответствуют угловому разрешению (Δα''), величина которого зависит от рабочего спектрального диапазона.
Диаграмма, наглядно показывающая зависимость углового разрешения в рассчитанной схеме объектива от рабочего спектрального диапазона, приведена на Фиг. 3.
Использование предлагаемой полезной модели зеркального объектива для малогабаритного космического телескопа обеспечивает возможность одновременного наблюдения одного и того же участка земной поверхности или околоземного пространства в двух спектральных диапазонах при уменьшенных габаритах и массе системы без подфокусировки положения чувствительной плоскости ФПУ каждого канала (так как объектив общий). Кроме того, использования одного объектива, нацеленного на определенный участок земной поверхности, позволяет организовать совмещение информации по пространственным координатам и спектральным характеристикам наблюдаемого участка поверхности Земли или околоземного пространства.