BR112016021953B1

BR112016021953B1 - Telescópio e matriz de telescópios para uso em espaçonave

Info

Publication number: BR112016021953B1
Application number: BR112016021953-8A
Authority: BR
Inventors: Bo Zhao; Rafael Guzman
Original assignee: University Of Florida Research Foundation, Incorporated
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2022-04-05
Also published as: IL248024A0; KR20160147743A; US20180067291A1; CA2943950C; IL248024B; CN106575031A; RU2683820C2; MX2016012413A; EP3123229A4; IL248024B2; CN106575031B; AU2015236361B2; KR102046217B1; ES2920385T3; JP6765743B2; RU2016138032A; US9846299B2; BR112016021953A2; EP3123229A1; WO2015148371A1

Abstract

telescópio e matriz de telescópios para uso em espaçonave. telescópio catadióptrico é uma versão modificada de um telescópio óptico maksutov-cassegrain convencional. de acordo com a invenção, as superfícies reflexivas do espelho primário e do espelho local secundário estão sobre as segundas superfícies do espelho primário e lente de correção, respectivamente. ainda de acordo com a invenção, dois desses telescópios podem ser unidos para formar uma matriz de telescópios binocular. a matriz pode ser facilmente customizada para se adequar a diferentes aplicações de satélite/sensoreação remota.

Description

[001] Fundamentos da invenção

[002] A invenção se refere a telescópios, e mais particularmente se refere a telescópios ópticos que são capazes de operação nas porções visíveis e do infravermelho próximo do espectro eletromagnético. Em seu sentido mais imediato, a invenção se refere a telescópios ópticos e matrizes de telescópios ópticos que são adequados para uso em espaçonave (tal como satélites) e outras aplicações de sensoreação remota.

[003] Universidades usam nanossatélites para pesquisa em astronomia, climatologia e geociências. Além disso, o uso de nanossatélites para fins comerciais e governamentais tem sido contemplado. Por exemplo, uma rede de nanossatélites poderia ser usada para monitorar o comprimento inteiro de um oleoduto a fim de evitar roubos de óleo ou gasolina detectando pessoas que trazem veículos do tamanho de caminhões não autorizados para os arredores do oleoduto. Alternativamente, nanossatélites podem ser usados para, por exemplo, controle de fronteiras (monitorar aeronaves que podem estar transportando drogas, monitorar movimentos de guerrilhas) ou prevenção de desastres ambientais (como incêndios internacionais em grandes extensões de florestas protegidas).

[004] Um telescópio óptico destinado a uso em uma espaçonave como um nanossatélite deve atender a restrições exigentes. Deve ser pequeno, leve, bem- equilibrado e mecanicamente robusto. Deve também ser facilmente customizável; algumas aplicações de nanossatélites exigirão um amplo campo de visão, enquanto outros exigirão imagens em alta resolução, e ainda outros exigirão a capacidade de adquirir dados espectroscópicos ou dados de polarimetria.

[005] Portanto, os objetivos da invenção são prover um telescópio óptico e uma matriz de telescópios ópticos para uso em espaçonave e aplicações de sensoreação remota como nanossatélites, cujo telescópio e matriz são pequenos, leves, bem-equilibrados, mecanicamente robustos e facilmente customizáveis.

[006] Telescópios ópticos catadióptricos convencionais do tipo Maksutov- Cassegrain têm recursos mecânicos excelentes; são pequenos, leves, bem- equilibrados e mecanicamente robustos. No entanto, quando usados em comprimentos de onda de entre 400 e 1.000 nm (visível à radiação de infravermelho próximo, que é exigida para aplicações de nanossatélite), apresentam níveis inaceitáveis de astigmatismo, coma e aberrações esféricas de cor. Além disso, customizar um telescópio Maksutov-Cassegrain convencional para atender às exigências de diferentes aplicações de nanossatélite seria bem difícil.

[007] A invenção procede de duas realizações. A primeira delas é a realização de que se um projeto de telescópio Maksutov-Cassegrain convencional é modificado para empregar reflexão da segunda superfície para o espelho primário e o espelho local secundário (em vez de reflexão da primeira superfície, que é convencional), as aberrações ópticas do projeto original podem ser trazidas dentro de limites aceitáveis enquanto ainda se preservam seus recursos vantajosos desde que tamanho, peso, equilíbrio e caráter robusto sejam considerados.

[008] A segunda realização é que usando uma matriz binocular feita de dois telescópios tendo tal projeto modificado, a customização pode ser obtida facilmente e de modo barato. Isso pode ser feito mudando a orientação dos telescópios em relação um ao outro, mudando os revestimentos nas lentes, e mudando os filtros que são usados. Se, por exemplo, os telescópios são paralelos um ao outro de modo que seus campos de visão coincidam sendo os mesmos à distância pretendida do satélite, uma imagem em alta resolução pode ser obtida. Alternativamente, se uma imagem de uma grande área é desejada, os telescópios podem ser precisamente desinclinados de modo que os campos de visão à distância pretendida não se sobreponham. A aquisição de dados espectroscópicos e de polarimetria pode ser obtida usando revestimentos adequados nas lentes e filtros adequados, e é possível adquirir tantos dados de imagem quanto dados espectroscópicos ou de polarimetria configurando um telescópio para adquirir uma imagem enquanto se configura o outro para adquirir os dados que não são de imagem desejados.

[009] Breve descrição dos desenhos

[010] A invenção será mais bem entendida com referência aos seguintes desenhos ilustrativos e não limitantes, em que:

[011] Fig. 1 é uma representação esquemática da operação de um telescópio óptico Maksutov-Cassegrain catadióptrico convencional;

[012] Fig. 2 é uma representação esquemática de um telescópio óptico catadióptrico de acordo com a invenção;

[013] Fig. 3 é um diagrama esquemático de um telescópio de acordo com uma modalidade exemplificativa da invenção;

[014] Fig. 4 é um diagrama esquemático de uma matriz de telescópios binocular de acordo com a invenção;

[015] Fig. 5A é uma ilustração esquemática da operação de uma primeira modalidade exemplificativa de uma matriz de telescópios binocular de acordo com a invenção; e

[016] Fig. 5B é uma ilustração esquemática da operação de uma primeira modalidade exemplificativa de uma matriz de telescópios binocular de acordo com a invenção.

[017] Descrição detalhada de várias modalidades

[018] Em todas as Figuras, cada elemento é sempre identificado pelo mesmo numeral de referência, e elementos correspondentes são identificados usando numerais de referência distinguidos por (’). As Figuras não estão em escala; as dimensões foram aumentadas ou reduzidas para clareza.

[019] A Fig. 1 mostra uma representação esquemática de como um telescópio óptico Maksutov-Cassegrain convencional opera na faixa de comprimento de onda de 400 nm a 1.000 nm. Raios de chegada 2, 4, 6 e 8 entram na extremidade de entrada 200 do telescópio através de sua lente de correção de menisco esférica 10, que é feita de vidro óptico e dispersa-os radialmente para fora. Eles então atingem a superfície reflexiva esférica do espelho primário 12 (que tem um orifício 16 em seu centro) e são refletidos de volta em direção à lente de correção 10, onde incidem sobre um espelho “local” secundário 14. Após reflexão a partir do espelho local secundário 14, os raios 2, 4, 6 e 8 são direcionados para um orifício circular 16 que está localizado no centro do espelho primário 12.

[020] Cada um dos espelhos 12 e 14 é formado por uma camada de material reflexivo localizado na primeira superfície do espelho. (O termo “primeira superfície” é usado porque o raio de luz é refletido a partir da primeira superfície que encontra.) Como resultado, quando os raios 2, 4, 6 e 8 tiverem sido refletidos do espelho local secundário 14, a imagem formada por aqueles raios sofre aberrações, que incluem distorção, astigmatismo, coma e aberração esférica de cor. Lentes de correção 18 são usadas para corrigir essas aberrações, e os raios 2, 4, 6 e 8 então passam por uma lente niveladora de campo 20 para se tornarem incidentes sobre um sensor 22 (como um sensor de CMOS) na extremidade de saída 210 do telescópio.

[021] A Fig. 2 é uma ilustração esquemática da operação de um telescópio de acordo com a invenção. Aqui, os raios 2, 4, 6 e 8 são dispersos radialmente para fora por uma lente de correção de menisco esférica 10’ na extremidade de entrada 200’ do telescópio e são incidentes sobre o espelho primário 12’. O espelho primário 12’ é do tipo Mangin; é uma lente de menisco negativa com um orifício circular 16’ em seu centro. Aqui, a reflexão é a partir da segunda superfície do espelho primário 12’; o espelho primário 12’ é feito de vidro óptico e os raios 2, 4, 6 e 8 passam através de sua primeira superfície e são refletidos apenas quando alcançam sua segunda superfície. O espelho primário 12’ assim atua não só como um espelho, mas também como uma lente tripla (porque os raios de luz são defletidos duas vezes, uma quando entram no espelho primário 12’ e uma quando saem).

[022] Após reflexão a partir da segunda superfície do espelho primário 12’, os raios 2, 4, 6 e 8 incidem sobre um espelho local secundário 14’ que está localizado na segunda superfície da lente de correção 10’. Como no caso do espelho primário 12’, o espelho local secundário 14’ também funciona como uma lente, porque a lente de correção 10’ é uma lente de menisco esférica.

[023] Como pode ser visto comparando as Fig. 1 e Fig. 2, um telescópio de acordo com a invenção não requer lentes de correção localizadas entre a lente de correção 10 ou 10’ e o espelho primário 12 ou 12’. Requer somente uma lente niveladora de campo 20’, que está localizada à frente do sensor de CMOS 22 na extremidade de saída 210’ do telescópio.

[024] A Fig. 3 é um diagrama ilustrando esquematicamente as dimensões de uma modalidade exemplificativa de um telescópio de acordo com a invenção. Nessa modalidade exemplificativa:

[025] um defletor cilíndrico 30 está localizado na frente da lente de correção 10’;

[026] um outro defletor cilíndrico 32 está localizado na frente do espelho primário 12’;

[027] um defletor cônico 34 está localizado atrás da lente de correção 10’; e

[028] um filtro 24 é interposto entre a lente niveladora de campo 20’ e o detector 22.

[029] Defletores como 30, 32 e 34 são convencionalmente usados em telescópios ópticos Maksutov-Cassegrain; os defletores são feitos de alumínio e bloqueiam luz difusa. Como será discutido abaixo, o filtro 24 é selecionado de acordo com os dados a serem capturados pelo detector 22.

[030] O vidro usado na modalidade exemplificativa mostrada na Fig. 3 é N- BK7, que tem um índice refrativo n=1,5168. O comprimento focal dessa modalidade exemplificativa é 1.500 nm e sua velocidade é f/10. A uma distância de observação pretendida de 700 km (isto é, a distância entre um microssatélite em uma órbita de 700 km e na Terra) a modalidade exemplificativa tem um campo de visão que é de 20 km em diâmetro.

[031] De acordo com a invenção, uma matriz binocular de telescópios ópticos catadióptricos é construída. Vantajosamente, cada um dos telescópios é a modalidade exemplificativa discutida acima de um telescópio de acordo com a invenção. Como se tornará evidente abaixo, isso permite que a matriz seja customizada facilmente e de modo barato para aplicações particulares.

[032] Uma matriz de acordo com a modalidade especifica é feita de até dois telescópios como descritos acima. Os telescópios 100 e 110 são montados em um alojamento 120 (Fig. 4) feito de uma cerâmica que tem o mesmo coeficiente térmico que o vidro nas lentes de correção 10’ e nos espelhos primários 12’. O alojamento 120 tem uma extremidade de entrada 120A onde as lentes de correção 10’ são localizadas e uma extremidade de saída 120B onde os sensores de CMOS 22 são localizados.

[033] Se uma aplicação particular exigir uma imagem visual em alta definição, o alojamento 120 pode ser construído com os eixos geométricos dos telescópios 100 e 110 sendo não paralelos, pelos quais os telescópios 100 e 110 têm o mesmo campo de visão de aproximadamente 20 km a uma distância de observação pretendida de 700 km (Fig. 5A). A essa distância, uma matriz de acordo com a modalidade exemplificativa pode produzir uma imagem tendo uma resolução de aproximadamente 3 m. Alternativamente, se for mais importante ter um campo de visão maior, o alojamento 120’ pode ser construído com os eixos geométricos dos telescópios 100 e 110 sendo paralelos, pelos quais a matriz tem um campo de visão que é de aproximadamente 40 km de largura (Fig. 5B).

[034] Um telescópio de acordo com a modalidade exemplificativa pode operar nas porções visíveis e do infravermelho próximo do espectro eletromagnético, entre comprimentos de onda de 400 nm e 1.000 nm. Para customizar um telescópio e uma matriz de telescópios de acordo com a invenção, os revestimentos nas várias lentes e os filtros 24 são escolhidos para corresponder à otimização do desempenho do telescópio e matriz na(s) porção(ões) do espectro eletromagnético que é ou são de interesse. Vantajosamente, revestimento antirreflexo BBAR é usado em superfícies de lentes que transmitem luz, e prata protegida é usada para superfícies que refletem luz. Filtros 24 típicos são filtros passa-banda de precisão funcionando em diferentes bandas de comprimento de onda, como 400 nm a 700 nm e 700 nm a 1.000 nm. Adicionalmente, uma matriz de acordo com a invenção pode ser customizada de tal maneira que um dos telescópios é otimizado para operar na porção visual do espectro eletromagnético enquanto o outro é otimizado para operar no infravermelho próximo de modo a coletar dados espectroscópicos ou de polarimetria. Alternativamente, a matriz pode ser customizada de tal maneira que um dos telescópios é otimizado para coletar dados espectroscópicos enquanto o outro é otimizado para coletar dados polarimétricos. Em tais casos, os dois telescópios geralmente compartilharão o mesmo campo de visão, de modo que os dados de imagem adquiridos se correlacionam com os dados de infravermelho próximo adquiridos e de modo que os dados adquiridos de uma porção do espectro eletromagnético se correlacionam com os dados adquiridos de uma outra porção.

Claims

1. Telescópio óptico catadióptrico, que tem uma estrutura óptica Maksutov-Cassegrain modificada, caracterizado por compreender: a. um alojamento axialmente alongado tendo um interior geralmente cilíndrico e extremidades de entrada e saída; b. uma lente de correção esférica montada na extremidade de entrada do alojamento, a lente de correção compreendendo: i. primeira e segunda superfícies da lente de correção, e ii. um revestimento reflexivo localizado centralmente localizado na segunda superfície da lente de correção, e c. um espelho primário montado na extremidade de saída do alojamento, o espelho primário compreendendo: i. um orifício central, ii. primeira e segunda superfícies do espelho primário, e iii. um revestimento reflexivo localizado na segunda superfície do espelho primário; em que a lente de correção esférica que compreende o revestimento reflexivo localizado centralmente é o elemento óptico mais avançado da estrutura óptica, a lente de correção e o espelho primário sendo axialmente alinhados e tendo suas respectivas primeiras superfícies voltadas uma para a outra dentro do interior do alojamento, e um volume definido coletivamente pelo compartimento, a primeira superfície da lente de correção e a primeira superfície do espelho primário está livre de componentes ópticos.

2. Telescópio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente uma lente niveladora de campo localizada dentro do orifício central do espelho primário e sendo axialmente alinhada com a lente de correção e o espelho primário.

3. Telescópio, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender adicionalmente um sensor de CMOS que está em alinhamento axial com a lente niveladora de campo e está localizado na parte de trás da mesma.

4. Telescópio, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender adicionalmente um filtro que está em alinhamento axial com a lente niveladora de campo e está localizado na parte de trás da mesma.

5. Telescópio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o alojamento, a lente de correção, o espelho primário e os revestimentos reflexivos serem escolhidos para otimizar o telescópio para uso com radiação tendo comprimentos de onda de aproximadamente 400 nm a 1.000 nm.

6. Telescópio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente: a. um defletor cônico localizado adjacente à primeira superfície da lente de correção; b. um defletor cilíndrico localizado adjacente à primeira superfície do espelho primário; e c. um defletor cilíndrico localizado adjacente à segunda superfície da lente de correção.

7. Telescópio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a primeira e a segunda superfícies do espelho primário serem superfícies esféricas.

8. Telescópio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por (a) o espelho primário ser um espelho de Mangin, (b) a lente de correção esférica ser uma lente de correção de menisco esférica ou (c) o espelho primário ser um espelho de Mangin e a lente de correção esférica ser uma lente de correção de menisco esférica.

9. Telescópio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a lente corretora ser construída de um primeiro material, o compartimento ser construído de um segundo material e o segundo material ser diferente do primeiro material.

10. Matriz de telescópios binocular para uso em uma espaçonave, caracterizada por compreender: um alojamento axialmente alongado com duas câmaras, cada câmara tendo um interior geralmente cilíndrico, o alojamento alongado tendo uma extremidade de entrada e uma extremidade de saída e as duas câmaras tendo uma orientação fixa em relação uma à outra; dois telescópios ópticos catadióptricos, cada telescópio estando dentro de uma das câmaras e cada um tendo uma estrutura óptica Maksutov- Cassegrain modificada que compreende: a. uma lente de correção esférica montada na extremidade de entrada do alojamento, a lente de correção compreendendo: i. primeira e segunda superfícies da lente de correção, e ii. um revestimento reflexivo localizado centralmente localizado na segunda superfície; b. um espelho primário montado na extremidade de saída do alojamento, o espelho primário compreendendo: i. um orifício central, ii. primeira e segunda superfícies do espelho primário, e iii. um revestimento reflexivo localizado na segunda superfície do espelho primário; em que a lente de correção esférica que compreende o revestimento reflexivo localizado centralmente é o elemento óptico mais avançado da estrutura óptica, a lente de correção e o espelho primário sendo axialmente alinhados e tendo suas respectivas primeiras superfícies voltadas uma para a outra dentro do interior do alojamento, e um volume definido coletivamente pelo compartimento, a primeira superfície da lente de correção e a primeira superfície do espelho primário está livre de componentes ópticos.

11. Matriz de telescópios, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por ambos os telescópios serem orientados para terem o mesmo campo de visão a uma distância de observação pretendida.

12. Matriz de telescópios, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por ambos os telescópios serem orientados para terem diferentes campos de visão a uma distância de observação pretendida.

13. Matriz de telescópios, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por um dos telescópios ser configurado para emitir dados de imagem e outro dos telescópios ser configurado para emitir dados de espectroscopia.

14. Matriz de telescópios, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por um dos telescópios ser configurado para emitir dados de imagem e outro dos telescópios é configurado para emitir dados de polarimetria.

15. Matriz de telescópios, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por os telescópios serem configurados para observar diferentes porções do espectro eletromagnético.

16. Matriz de telescópio, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por a lente de correção ser uma lente de correção de menisco esférica.

17. Matriz de telescópio, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por o espelho primário ser um espelho de Mangin.

18. Matriz de telescópio, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por cada um dos dois telescópios ópticos catadióptricos compreender ainda uma lente niveladora de campo localizada dentro da abertura central do espelho primário do telescópio correspondente e sendo axialmente alinhado com a lente de correção e espelho primário do telescópio correspondente.

19. Matriz de telescópios, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada por cada um dos dois telescópios ópticos catadióptricos compreender ainda um sensor CMOS que está em alinhamento axial com a lente niveladora de campo do telescópio correspondente e está localizado na parte de trás do mesmo.