Телескоп и группа телескопов для использования на космическом аппарате

Катадиоптрический оптический телескоп, имеющий модифицированную оптическую структуру Максутова-Кассегрена, содержит удлиненный в осевом направлении корпус, имеющий в целом цилиндрическую внутреннюю часть и входной и выходной концы; сферическую менисковую корректирующую линзу, установленную на входном конце корпуса и содержащую первую и вторую поверхности и центрально расположенное отражающее покрытие, расположенное на второй поверхности; главное зеркало, установленное на выходном конце корпуса, представляющее собой зеркало Манжена и содержащее центральную апертуру, первую и вторую поверхности и отражающее покрытие, расположенное на второй поверхности. В центральной апертуре главного зеркала расположена полеспрямляющая линза, выровненная по оси относительно корректирующей линзы и главного зеркала. Корректирующая линза и главное зеркало имеют первые поверхности, обращенные друг к другу во внутренней части корпуса. Технический результат – обеспечение небольших размеров, малого веса, механической устойчивости при сохранении высокого качества изображения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к телескопам, а более конкретно, относится к оптическим телескопам, которые способны работать в видимой и ближней инфракрасной областях спектра электромагнитного излучения. В самом непосредственном смысле изобретение относится к оптическим телескопам и группам (array) оптических телескопов, пригодным для использования на космических аппаратах (например, спутники) и для других дистанционных измерительных применений.

Университеты используют наноспутники для исследований в области астрономии, климатологии и землеведении. К тому же, предполагается использование наноспутников для решения как коммерческих, так и государственных задач. Например, сеть наноспутников можно использовать для мониторинга трубопровода по всей длине, для предотвращения хищения нефти или бензина путем обнаружения людей, привозящих неизвестные грузовые транспортные средства в район трубопровода. В ином случае наноспутники можно использовать, например, для пограничного контроля (мониторинга летательного аппарата, который может транспортировать наркотики, мониторинга перемещений диверсионных формирований) или предотвращения экологических катастроф (таких как лесные пожары в международном масштабе при больших протяженностях защищаемых лесов).

Оптический телескоп, предназначенный для использования на космическом аппарате, таком как наноспутник, должен удовлетворять жестким требованиям. Он должен быть небольшим, легким, хорошо сбалансированным и механически устойчивым. Кроме того, он должен быть легко приспосабливаемым под требования заказчика; при некоторых наноспутниковых применениях требуется широкое поле зрения, тогда как при других требуются высокоразрешающие изображения, а при иных требуется возможность регистрации спектроскопических данных или данных поляриметрии.

Поэтому задачи изобретения заключаются в создании оптического телескопа и группы оптических телескопов для использования на космическом аппарате и при дистанционных измерительных применениях, например, на наноспутниках, и эти телескоп и группа должны быть небольшими, легкими, хорошо сбалансированными, механически устойчивыми и легко приспосабливаемыми под требования заказчика.

Обычные катадиоптрические оптические телескопы типа Максутова-Кассегрена имеют хорошие механические характеристики; они являются небольшими, легкими, хорошо сбалансированными и механически устойчивыми. Однако при использовании на длинах волн от 400 до 1000 нм (от области видимого до ближнего инфракрасного излучения, которые необходимы при наноспутниковых применениях) они имеют неприемлемые уровни астигматизма, комы и хроматических сферических аберраций. К тому же, приспособление обычного телескопа Максутова-Кассегрена до соответствия требованиям, предъявляемым при различных наноспутниковых применениях, является очень трудным.

Изобретение исходит из двух реализаций. Первая из них заключается в том, что, если конструкцию обычного телескопа Максутова-Кассегрена модифицировать, чтобы использовать отражение от второй поверхности для главного зеркала и вторичного, образованного покрытием зеркала (вместо отражения от первой поверхности, которое является обычным), оптические аберрации первоначальной конструкции могут быть доведены до приемлемых пределов при все же сохранении благоприятных характеристик в части, касающейся размера, веса, баланса и характера устойчивости.

Вторая реализация заключается в том, что при использовании группы бинокулярных телескопов, выполненной из двух телескопов, имеющих такую модифицированную конструкцию, приспособление под требования заказчика может быть осуществлено легко и без значительных затрат. Это может быть сделано изменением ориентации телескопов относительно друг друга, изменением покрытий на линзах и изменением фильтров, которые используются. Например, если телескопы параллельны друг другу, так что их поля зрения совпадают и являются одинаковыми на заданном расстоянии от спутника, можно получать высокоразрешающее изображение. В ином случае, если желательно изображение большой площади, телескопы можно точно отклонить друг от друга, чтобы поля зрения на заданном расстоянии не перекрывались. Регистрацию спектроскопических и поляриметрических данных можно выполнять при использовании подходящих покрытий на линзах и подходящих фильтров, и можно регистрировать как данные изображения, так и спектроскопические или поляриметрические данные при выполнении одного телескопа с возможностью регистрации изображения наряду с выполнением другого с возможностью регистрации заданных данных, не связанных с изображением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение станет более понятным при обращении к нижеследующим иллюстративным и не ограничивающим чертежам, на которых:

фиг. 1 - схематичное представление работы обычного катадиоптрического оптического телескопа Максутова-Кассегрена;

фиг. 2 - схематичное представление работы катадиоптрического оптического телескопа согласно настоящему изобретению;

фиг. 3 - принципиальная схема телескопа согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг. 4 - принципиальная схема группы бинокулярных телескопов

согласно настоящему изобретению;

фиг. 5А - схематичная иллюстрация работы группы бинокулярных телескопов согласно первому примеру варианта осуществления изобретения; и

фиг. 5В - схематичная иллюстрация работы группы бинокулярных телескопов согласно первому примеру варианта осуществления изобретения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На всех чертежах каждый элемент всегда обозначается одной и той же позицией, а соответствующие элементы обозначаются с использованием первоначальных позиций. Чертежи выполнены не в масштабе; для ясности размеры увеличены или уменьшены.

На фиг. 1 показано схематичное представление работы обычного катадиоптрического оптического телескопа Максутова-Кассегрена в диапазоне длин волн от 400 нм до 1000 нм. Входящие лучи 2, 4, 6 и 8 входят во входной конец 200 телескопа через его сферическую менисковую корректирующую линзу 10, которая изготовлена из оптического стекла и рассеивает их радиально наружу. Далее они попадают на сферическую отражающую поверхность главного зеркала 12 (которое имеет в центре апертуру 16) и отражаются обратно к корректирующей линзе 10, где они падают на вторичное, образованное покрытием зеркало 14. После отражения от вторичного, образованного покрытием зеркала 14 лучи 2, 4, 6 и 8 направляются к круговой апертуре 16, которая расположена в центре главного зеркала 12.

Каждое из зеркал 12 и 14 образовано слоем отражающего материала, расположенного на первой поверхности зеркала. (Термин «первая поверхность» используется потому, что луч света отражается от первой поверхности, на которую он попадает.) В результате, к моменту, когда лучи 2, 4, 6 и 8 отражаются от вторичного, образованного

покрытием зеркала 14, изображению, образуемому этими лучами, будут присущи аберрации, которые включают в себя дисторсию, астигматизм, кому и хроматическую сферическую аберрацию. Корректирующие линзы 18 используются для коррекции этих аберраций, а лучи 2, 4, 6 и 8 далее проходят через полеспрямляющую линзу 20, чтобы стать падающими на датчик 22 (такой, как датчик на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП-датчик)) на выходном конце 210 телескопа.

На фиг. 2 представлена схематичная иллюстрация работы телескопа согласно настоящему изобретению. В данном случае лучи 2, 4, 6 и 8 рассеиваются радиально наружу сферической менисковой корректирующей линзой 10' на входном конце 200' телескопа и падают на главное зеркало 12'. Главное зеркало 12' представляет собой зеркало Манжена; оно представляет собой отрицательную менисковую линзу с круговой апертурой 16' в центре. В данном случае отражение происходит от второй поверхности главного зеркала 12'; главное зеркало 12' изготовлено из оптического стекла и лучи 2, 4, 6 и 8 проходят через его первую поверхность и отражаются только, когда они достигают второй поверхности. Поэтому главное зеркало 12' действует не только как зеркало, но также как триплетная линза (поскольку световые лучи отклоняются дважды, как только они попадают на главное зеркало 12' и как только они покидают его).

После отражения от второй поверхности главного зеркала 12' лучи 2, 4, 6 и 8 падают на вторичное, образованное покрытием зеркало 14', которое расположено на второй поверхности корректирующей линзы 10'. Как и в случае главного зеркала 12', вторичное, образованное покрытием зеркало 14' также функционирует как линза, поскольку корректирующая линза 10' представляет собой сферическую менисковую линзу.

Как можно понять при сравнении фиг. 1 и фиг. 2, для телескопа

согласно изобретению, не требуются корректирующие линзы, расположенные между корректирующей линзой 10 или 10' и главным зеркалом 12 или 12'. Необходима только полеспрямляющая линза 20', которая расположена перед КМОП-датчиком 22 на выходном конце 210' телескопа.

На фиг. 3 представлена принципиальная схема, на которой схематично показаны размеры телескопа согласно примеру варианта осуществления изобретения. Согласно этому примеру варианта осуществления:

цилиндрический отражатель 30 расположен перед корректирующей линзой 10';

еще один цилиндрический отражатель 32 расположен перед главным зеркалом 12';

конический отражатель 34 расположен позади корректирующей линзы 10' и

фильтр 24 расположен между полеспрямляющей линзой 20' и детектором 22.

Отражатели, такие как 30, 32 и 34, представляют собой отражатели, обычно используемые в оптических телескопах Максутова-Кассегрена; отражатели изготовлены из алюминия, и они блокируют рассеянный свет. Как будет рассмотрено ниже, фильтр 24 выбирают в соответствии с данными, захватываемыми детектором 22.

Стекло, используемое в примере варианта осуществления, показанном на фиг. 3, представляет собой стекло N-BK-7 (боросиликатный крон), которое имеет показатель преломления n=1,5168. Фокусное расстояние этого варианта осуществления составляет 1500 мм и его светосила составляет f/10. На заданном расстоянии наблюдения 700 км (то есть расстоянии между микроспутником на 700-километровой орбите и землей) пример варианта осуществления имеет поле зрения, которое составляет в диаметре 20 км.

В соответствии с изобретением разработана конструкция группы бинокулярных катадиоптрических оптических телескопов. Предпочтительно, чтобы каждый из телескопов был телескопом из рассмотренного выше примера варианта осуществления согласно изобретению. Как станет ясно ниже, это позволит легко и недорого изготавливать группу телескопов для конкретных применений с учетом требования заказчика.

Группа телескопов согласно примеру варианта осуществления изготовлена из двух телескопов, описанных выше. Телескопы 100 и 110 установлены в корпусе 120 (фиг. 4), изготовленном из керамики, имеющей такой же термический коэффициент, какой имеют стекло корректирующих линз 10' и главных зеркал 12'. Корпус 120 имеет входной конец 120А, на котором расположены корректирующие линзы 10', и выходной конец 120В, на котором расположены КМОП-датчики 22.

Если для конкретного применения требуется визуальное изображение с высоким разрешением, можно сконструировать корпус 120, в котором оси телескопов 100 и 110 не параллельны, вследствие чего телескопы 100 и 110 будут иметь приблизительно такое же поле зрения 20 км на заданном расстоянии наблюдения 700 км (фиг. 5А). На этом расстоянии группа телескопов согласно примеру варианта осуществления может создавать изображение, имеющее разрешение приблизительно 3 м. В ином случае, если более важно иметь большее поле зрения, можно сконструировать корпус 120', в котором оси телескопов 100 и 110 параллельны, вследствие чего группа телескопов будет иметь поле зрения, которое имеет ширину приблизительно 40 км (фиг. 5В).

Телескоп согласно примеру варианта осуществления может работать в видимой и ближней инфракрасной областях спектра электромагнитного излучения между длинами волн 400 нм и 1000 нм.

Для изготовления по индивидуальному заказу телескопа и группы телескопов согласно изобретению покрытия на различных линзах и фильтры 24 выбирают соответственно оптимизации характеристик телескопа и группы телескопов в области (областях) спектра электромагнитного излучения, которая представляет (которые представляют) интерес. Предпочтительно использовать широкополосное просветляющее антиотражающее покрытие на поверхностях линз, которые пропускают свет, и использовать защитное серебро для поверхностей, которые отражают свет. Типичные фильтры 24 представляют собой точные полосовые фильтры, работающие в различных полосах длин волн, таких как 400-700 нм и 700-1000 нм. Кроме того, группу телескопов согласно изобретению можно изготавливать по индивидуальному заказу так, чтобы один из телескопов был оптимизирован для работы в видимой области спектра электромагнитного излучения, тогда как другой оптимизирован для работы в ближней инфракрасной области, с тем, чтобы собирать спектроскопические или поляриметрические данные. В ином случае, группы телескопов можно изготавливать по индивидуальному заказу так, чтобы один из телескопов был оптимизирован для сбора спектроскопических данных, тогда как другой телескоп оптимизирован для сбора поляриметрических данных. В таких случаях в двух телескопах обычно будет совместно использоваться одно и то же поле зрения, так что регистрируемые данные изображений будут коррелированными с регистрируемыми инфракрасными данными и поэтому регистрируемые данные из одной области спектра электромагнитного излучения будут коррелированными с регистрируемыми данными из другой области.

1. Катадиоптрический оптический телескоп, имеющий модифицированную оптическую структуру Максутова-Кассегрена, содержащий:

a) удлиненный в осевом направлении корпус, имеющий в целом цилиндрическую внутреннюю часть и входной и выходной концы;

b) сферическую менисковую корректирующую линзу, установленную на входном конце корпуса и содержащую:

i) первую и вторую поверхности и

ii) центрально расположенное отражающее покрытие, расположенное на второй поверхности;

c) главное зеркало, установленное на выходном конце корпуса, при этом главное зеркало представляет собой зеркало Манжена и содержит:

i) центральную апертуру,

ii) первую и вторую поверхности и

iii) отражающее покрытие, расположенное на второй поверхности;

d) полеспрямляющую линзу, расположенную в центральной апертуре главного зеркала и выровненную по оси относительно корректирующей линзы и главного зеркала;

причем корректирующая линза и главное зеркало выровнены по оси и имеют первые поверхности, обращенные друг к другу во внутренней части корпуса.

2. Телескоп по п. 1, также содержащий датчик на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник, который выровнен по оси относительно полеспрямляющей линзы и расположен позади нее.

3. Телескоп по п. 1, также содержащий фильтр, который выровнен по оси относительно полеспрямляющей линзы и расположен позади нее.

4. Телескоп по п. 1, в котором корпус, корректирующая линза, главное зеркало и отражающие покрытия выбраны так, чтобы оптимизировать телескоп для использования при излучении, имеющем длины волн от приблизительно 400 до 1000 нм.

5. Телескоп по п. 1, в котором корпус выполнен из керамики, линзы выполнены из стекла, причем термический коэффициент керамики является таким же, как термический коэффициент стекла.

6. Телескоп по п. 1, также содержащий:

a) конический отражатель, расположенный с прилеганием к первой поверхности корректирующей линзы;

b) цилиндрический отражатель, расположенный с прилеганием к первой поверхности главного зеркала; и

c) цилиндрический отражатель, расположенный с прилеганием к второй поверхности корректирующей линзы.

7. Группа бинокулярных телескопов для использования в космическом аппарате, содержащая:

два катадиоптрических оптических телескопа по п. 1.

8. Группа телескопов по п. 7, в которой оба телескопа ориентированы для получения одинаковых полей зрения на заданном расстоянии наблюдения.

9. Группа телескопов по п. 7, в которой оба телескопа ориентированы для получения различных полей зрения на заданном расстоянии наблюдения.

10. Группа телескопов по п. 8, в которой один из телескопов выполнен с возможностью вывода данных изображения, а другой из телескопов выполнен с возможностью вывода данных спектроскопии.

11. Группа телескопов по п. 8, в которой один из телескопов выполнен с возможностью вывода данных изображения, а другой из телескопов выполнен с возможностью вывода данных поляриметрии.

12. Группа телескопов по п. 8, в которой телескопы выполнены с возможностью наблюдения в различных областях спектра электромагнитного излучения.