TWI382272B - Satellite optical lens - Google Patents

Description

衛星光學鏡頭校焦器

本發明係關於一種衛星光學鏡頭的結構，特別是一種可以在太空中調整成像焦距之衛星光學鏡頭的結構。

遙測衛星(remote sensing satellite)中，遙測儀器(remote sensing instrument camera)的鏡頭(telescope)係應用牛頓光學定律，如圖1所示係習知遙測儀器成像原理示意圖，地面目標11的光線透過光學鏡頭12，成像於感光元件13，例如是電荷耦合元件影像感測器(Charge Coupled Device，CCD)上。因為地面目標到鏡頭與鏡頭到感測器之距離成一定關係，但地面目標與遙測儀器之間的距離太遠因此，地面目標與遙測儀器之間的焦距可以視為無限遠，所以衛星所搭載的遙測儀器已事先設為無限遠的定焦距狀態。

因為地面目標到鏡頭的距離很長，但受限於衛星的空間不能容納很長鏡頭，如圖2所示係習知遙測儀器的鏡頭結構示意圖，利用反射將焦距折成三段，即利用二個分設於前後的曲面鏡121,122，使地面目標的光影經過兩次反射後，投射在感光元件上。因此需要調好各鏡面之間的相對位置，包括：前後、左右、上下等各相對關係，使使焦點正好在 感光元件上。因為，要將鏡頭焦距的調整(alignment)到百分之百正確無誤十分困難，最後還是會存在細微誤差，且此一細微的誤差往往是在系統完成組裝，甚至是衛星進入軌道操作後，才會知道確實精度的誤差狀況，但此時已經十分難以修正。

再者，遙測儀器鏡頭亦可能因為衛星發射過程中火箭振動；入軌後失去重力(gravity release)；及太空中真空使得結構的複合材料變形等原因造成細微焦距偏差(micro setting)，都會造成雖然製作過程中已經調好的焦距，但最後成像焦點還不是正好在感光元件上，而造成影像不清晰。因此，衛星遙測儀器在升空前的調整與設計目標必需估計焦距值與最後軌道上實際狀況，才能使得遙測儀器進入太空後，焦距的誤差受到控制。但實際上，衛星鏡頭最後在軌道上時，焦距的誤差雖然可能只是幾個微米(micron meter，μm)以內，但加上誤差可能在x軸、y軸與z軸等三個軸向都會有，因此會讓誤差的情況變的十分複雜。

傳統遙測酬載的鏡頭校焦器是利用調整結構體溫度，利用熱漲冷縮原理，結構長度可以有變化，來微調焦距，但是如此需要很多電力，同時硬體較複雜。另方面，有用微小步進馬達(micro step motor)，但是製造如此微小步進馬達，能忍受太空和火箭發射過程的環境很困難。

本發明之一目的在於提供一種衛星光學鏡頭的結構，在衛星遙測儀器在升空且進入軌道操作後，可以在太空中調整成像焦距。

本發明之又一目的在於提供一種衛星光學鏡頭的結構，具有結構簡單、低本低廉且容易控制的校焦器。

本發明之又一目的在於提供一種衛星光學鏡頭的結構，包括第一光學鏡片，支撐第一光學鏡片的第一固定架，以及置於該光學鏡片後方的感光元件，在第一光學鏡片與第一固定架之間具有第一校焦器，可以依第一控制訊號，至少於一軸方向產生一形變，而使得第一光學鏡片同時於該軸方向產生一位移。

本發明之又一目的在於提供一種衛星光學鏡頭的結構，包括第一光學鏡片，支撐第一光學鏡片的第一固定架，以及置於該光學鏡片後方的感光元件，且感光元件連接於可依控制訊號，至少於一軸方向產生一形變的校焦器，而使得感光元件同時於該軸方向產生一位移。

本發明之又一目的在於提供一種衛星光學鏡頭的結構，包括第一光學鏡片與第一固定架；第二光學鏡片與第二固定架以及可以是電荷耦合元件影像感測器或互補式金屬氧化半導體影像感測器的感光元件。其中第一光學鏡片、第二光學鏡片與感 光元件可分別連接於具有可控制x、y、z等三個方向的校焦器。

本發明之又一目的在於提供一種衛星光學鏡頭的結構，校焦器係具有可控制x、y、z等三個方向的夾片，且夾片係為以鈮酸鋰、鉭酸鋰、氮化鋁、氧化鋅、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、聚偏氟乙烯等壓電材料以積層式結構所形成的壓電材料。

以下係以不同實施例說明本發明，所述之組成、排列及步驟等，用以說明實施之內容，僅為例示而非用以限制本發明。另外，所揭露之內容中使用”及/或”是為了簡要；”覆蓋”或”之上”的敘述，則可包含該直接接觸以及沒有直接觸等二種。

本發明的遙測儀器的鏡頭結構如圖2所示，係包括二個曲面鏡121,122以及感光元件13，其中感光元件13，可以是電荷耦合元件影像感測器(Charge Coupled Device，CCD)或互補式金屬氧化半導體影像感測器(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)，且每個曲面鏡121,122皆包括光學鏡片21、固定架22以及校焦器23，如圖3所示，固定架22係置於光學鏡片21之後方，用以支撐光學鏡片21，在本發明光學鏡片21與固定架22的連接處有校焦器(refocusing)23夾置於光學鏡片21與固定架22之間，因此可以依光學鏡片21與固 定架22的連接處的數量與形式，設計不同的校焦器23，讓校焦器23接收到控制訊號後，依其設計具大在x、y、z等三個軸方向中，選擇至少在一個軸方向產生形變的夾片(shim)，參照圖4之俯視圖及側視圖，藉由夾片25的形變，直接推動光學鏡片21，使得光學鏡片21在此一軸方向產生位移。在較佳實施例中，校焦器23應具有分別可以在x、y、z等三個軸方向產生形變的夾片，例如在X軸方向設置一對第一夾片、在z軸方向設置一對第二夾片，以及在y方向設置一第三夾片，因此可以在x、y、z等三個軸方向皆可以控制調整光學鏡片21。

如上所述之夾片係利用可以受訊號控制的智慧材料(smart material)所做成，例如是利用鈮酸鋰(LiNbO₃)、鉭酸鋰(LiTaO₃)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鈦酸鋇(BaTiO₃)、鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate Titanate，PZT)或聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)等材料以積層式結構(multilayer)形成的一種壓電材料(piezo electrical material)，依照壓電材料的材料特性會因為通電的電壓而產生形變，而且可依形壓電材料的材料、方法與積層結構不同，使得壓電材料可以擁有不同的特性。但在本發明中壓電材料夾片為很多層材料的薄層壓製而成，而夾片較佳為厚度約0.7公分、能產生變形大小量±5微米、支撐重量為0.3kg/個、維持穩定變形狀態至少10 min、5年的使用壽命、及\或能耐 輻射及溫度0~80℃。

本發明之校焦器23亦可設於感光元件13上，因此可以依實際使用的需要，選擇二個曲面鏡121,122及感光元件13的其中之一來設置外，亦可同使設於二個曲面鏡121,122及感光元件13上，因此當遙測儀器鏡頭進入太空後，仍可利用對校焦器提供適當的電壓，移動二個曲面鏡121,122及/或感光元件13，以調整遙測儀器鏡頭的焦距。另外，需注意的是，本發明之實施例的遙測儀器鏡頭雖是用二個曲面鏡121,122的結構設計，但本發明仍可用於單曲面鏡或是更多曲面鏡的鏡頭結構設計，且感光元件13的種類為可，亦不拘束本發明之校焦器23的使用。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發之精神和範圍內，可做各種變動、修改及潤飾，因此本發明之保護管圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11‧‧‧地面目標

12‧‧‧光學鏡頭

121‧‧‧曲面鏡

122‧‧‧曲面鏡

13‧‧‧感光元件

21‧‧‧光學鏡片

22‧‧‧固定架

23‧‧‧校焦器

25‧‧‧夾片

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：

圖1係習知遙測儀器成像原理示意圖。

圖2係習知遙測儀器的鏡頭結構示意圖。

圖3係本發明實施例之衛星光學鏡頭的結構的曲 面鏡結構。

圖4係係根據本發明實施例之俯視圖及側視圖。

21‧‧‧光學鏡片

22‧‧‧固定架

23‧‧‧校焦器

Claims (14)

1. 一種衛星光學鏡頭的結構，包括：一第一光學鏡片；一第一固定架，係用以支撐該光學鏡片；一第一校焦器，夾置於該第一光學鏡片及該第一固定架之間；以及一感光元件，置於該光學鏡片之後方，感應穿透該光學鏡片的光學影像；其中該第一校焦器接收一第一控制訊號後，至少於一軸方向產生一形變，該第一光學鏡片同時於該軸方向產生一位移。
2. 如申請專利範圍第1項所述之衛星光學鏡頭的結構，該感光元件係為一電荷耦合元件影像感測器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之衛星光學鏡頭的結構，該感光元件係為一互補式金屬氧化半導體影像感測器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之衛星光學鏡頭的結構，該第一校焦器係包括：一對第一夾片，形變產生於x軸方向；一對第二夾片，形變產生於z軸方向；以及一第三夾片，形變產生於y軸方向。
5. 如申請專利範圍第1項所述之衛星光學鏡頭的結構，更包括一第二光學鏡片，置於該第一光學鏡片及該感光元件之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之衛星光學鏡頭的結構，更包括一第二固定架，該第二固定架係用以支撐該第二光學鏡片。
7. 如申請專利範圍第6項所述之衛星光學鏡頭的結構，更包括一第二校焦器，夾置於該第二光學鏡片及該第二固定架之間，該第二校焦器接收一第二控制訊號後，至少於一軸方向產生一形變，該第二光學鏡片同時於該軸方向產生一位移。
8. 如申請專利範圍第7項所述之衛星光學鏡頭的結構，該第二校焦器係包括：一對第一夾片，形變產生於x軸方向；一對第二夾片，形變產生於z軸方向；以及一第三夾片，形變產生於y軸方向。
9. 如申請專利範圍第1項所述之衛星光學鏡頭的結構，更包括一第三校焦器，夾置於該感光元件之側邊，該第三校焦器接收一第三控制訊號後，至少於一軸方向產生一形變，該感光元件同時於該軸方向產生一位移。
10. 如申請專利範圍第8項所述之衛星光學鏡頭的結構，該第三校焦器係包括：一對第一夾片，形變產生於x軸方向；一對第二夾片，形變產生於z軸方向；以及一第三夾片，形變產生於y軸方向。
11. 如申請專利範圍第4項、第8項或第10項所述之衛星光學鏡頭的結構，其中該些夾片係為一壓電材料。
12. 如申請專利範圍第11項所述之衛星光學鏡頭的結構，其中該壓電材料係為一積層式結構。
13. 如申請專利範圍第11項所述之衛星光學鏡頭的結構，其中該壓電材料係可選自石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰、氮化鋁、氧化鋅、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、聚偏氟乙烯所組成之群組。
14. 一種衛星光學鏡頭的結構，包括：一第一光學鏡片；一第一固定架，係用以支撐該光學鏡片；一感光元件，置於該光學鏡片之後方，感應穿透該光學鏡片的光學影像；一校焦器，設於該感光元件之邊緣；以及其中該校焦器接收一控制訊號後，至少於一軸方向產生一形變，該感光元件同時於該軸方向產生一位移。