CN106575031B - 用于航天器的望远镜和望远镜阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种折反射望远镜，其为传统的马克苏托夫‑卡塞格林光学望远镜的改进版本。根据本发明，主镜和副点镜的反射表面分别在主镜和校正透镜的第二表面上。进一步根据本发明，这些望远镜中的两个可结合在一起以形成双目望远镜阵列。该阵列可以容易地定制以适合不同的遥感/卫星应用。

Description

用于航天器的望远镜和望远镜阵列

背景技术

本发明涉及望远镜，并且更具体涉及能够在电磁波谱的可见光和近红外部分操作的光学望远镜。在其最直接的意义上，本发明涉及适用于航天器(诸如卫星)和其它遥感应用的光学望远镜和光学望远镜阵列。

大学使用纳星用于研究天文学、气候学和地球科学。并且，已考虑使用纳星用于商业和政府用途。例如，纳星网络可用来监测整个长度的管道以便通过检测将未授权的卡车大小的车辆带到管道附近的人来防止石油或天然气盗窃。可替换地，纳星可用于例如边界控制(监测可能运输毒品的飞行器、检测游击队移动)或防止环境灾难(诸如在大范围受保护森林中的国际火灾)。

旨在用于航天器诸如纳星的光学望远镜必须符合要求的约束。其必须是小、轻、均衡且机械鲁棒的。其还必须容易可定制；一些纳星应用将需要宽视场，而其它纳星应用将需要高分辨率图像，以及其它纳星应用将需要获取光谱数据或偏振数据的能力。

因此，本发明的目标是提供用于航天器和遥感应用诸如纳星的光学望远镜和光学望远镜阵列，该望远镜和阵列是小、轻、均衡、机械鲁棒且容易可定制的。

传统的马克苏托夫-卡塞格林型折反射光学望远镜具有优秀的机械特征；它们是小、轻、均衡和机械鲁棒的。然而，当在400nm和1000nm之间的波长(纳星应用所需要的可见到近红外辐射)使用时，它们具有不可接受的水平的像散、彗形像差和彩色球面像差。并且定制传统的马克苏托夫-卡塞格林望远镜以满足不同纳星应用的需求是非常困难的。

本发明从两个实现中进行。这些实现中的第一个是如果传统的马克苏托夫-卡塞格林望远镜设计被修改成采用用于主面镜和副点面镜的第二表面反射(而不是常规的第一表面反射)，则可使原设计的光学像差进入可接受的限制内，同时仍在考虑大小、重量、平衡和鲁棒性质的范围内保留其有利特征。

第二实现是通过使用由具有此修改设计的两个望远镜组成的双目阵列，可以容易且便宜地实现定制。这可通过改变望远镜相对于彼此的取向、改变透镜上的涂层，以及改变使用的滤光器来完成。如果例如望远镜彼此平行，使得它们的视场距卫星的预期距离完全相同，则可获得高分辨率图像。可替换地，如果希望得到大面积图像，则望远镜可精确地不倾斜以使得在期望距离的视场不重叠。获取光谱和偏振数据可通过使用透镜上的合适涂层与合适滤光器实现，并且能够通过配置一个望远镜获取图像同时配置另一个望远镜获取希望的非图像数据，来获取图像数据与光谱或偏振数据两者。

附图说明

参考以下例示性和非限制性附图更好地理解本发明，其中：

图1是传统的折反射马克苏托夫-卡塞格林光学望远镜的操作的示意表示；

图2是根据本发明的折反射光学望远镜的操作的示意表示；

图3是根据示例性实施例的望远镜的示意图；

图4是根据本发明的双目望远镜阵列的示意图；

图5A是根据本发明的双目望远镜阵列的第一示例性实施例的操作的示意图；以及

图5B是根据本发明的双目望远镜阵列的第一示例性实施例的操作的示意图。

具体实施例

在所有图中，每个元件总是由同一参考号标示，并且对应元件使用最初的参考号标示。附图不按比例绘制；尺寸为了清晰已放大或减小。

图1示出传统的折反射马克苏托夫-卡塞格林光学望远镜在400nm到1000nm的波长范围内如何操作的示意表示。入射光线2、4、6和8通过望远镜的球面凹凸校正透镜10进入望远镜的入口端200，球面凹凸校正器透镜10由光学玻璃制成并将该光线径向向外分散。它们然后来到主镜12(在其中心中具有光圈16)的球形反射表面，并且反射回校正透镜10，在校正透镜10使得它们入射在副“点”镜14上。在从副点镜14反射后，光线2、4、6和8指向位于主镜12的中心中的圆孔16。

面镜12和14中的每个由位于镜第一表面上的反射材料的层形成。(使用术语“第一表面”，是因为光线从其遇到的第一表面反射)。结果，当光线2、4、6和8反射离开副点镜14时，由这些光线形成的图像受到像差，其包括失真、像散、彗形像差和彩色球面像差。校正透镜18用来校正这些像差，并且光线2、4、6和8然后经过平场透镜20以在位于望远镜出口端210的传感器22(诸如CMOS传感器)上入射。

图2是根据本发明的望远镜的操作的示意图。这里，光线2、4、6和8由在望远镜入口端200’的球面凹凸校正透镜10’径向向外分散，并在主镜12’上入射。主镜12’为曼金型的主面镜；其为在其中心中具有光圈16’的负凹凸透镜。这里，反射来自主镜12’的第二表面；主镜12’由光学玻璃制成，并且光线2、4、6和8经过其第一表面并仅在它们到达其第二表面时反射。主镜12’因此不仅充当面镜，而且充当三合透镜(因为光线偏转两次，一次在它们进入主镜12’时并且另一次在它们离开主镜12’时)。

在从主镜12’的第二表面反射后，使得光线2、4、6和8入射在位于校正透镜10’的第二表面上的副点镜14’上。与主镜12’的情况相同，副点面镜14’也充当透镜，因为校正透镜10’是球面凹凸透镜。

通过比较图1和图2可见，根据本发明的望远镜不需要位于校正透镜10或10’和主镜12或12’之间的校正透镜。其仅需要位于在望远镜出口端210’的CMOS传感器22前面的平场透镜20’。

图3是示意性地示出根据本发明的望远镜的示例性实施例的尺寸的图示。在该示例性实施例中：

圆柱形挡板30位于校正器透镜10’前面；

另一圆柱形挡板32位于主镜12’前面；

圆锥形挡板34位于校正透镜10’后面；以及

滤光器24插入在平场透镜20’和检测器22之间。挡板诸如30、32和34传统上用于马克苏托夫-卡塞格林光学望远镜；挡板由铝制成并且它们阻挡漫射光。如将在下面论述，根据将要检测器22捕获的数据选择滤光器24。

用于图3所示的示例性实施例的玻璃为N-BK7，其具有折射率n＝1.5168。该示例性实施例的焦距为1500mm并且其速度为f/10。在700km的期望观察距离(即，在700km轨道上的微型卫星和地球之间的距离)，示例性实施例具有直径20km的视场。

根据本发明，构建折反射光学望远镜的双目阵列。有利地，望远镜中的每个为根据本发明的望远镜的上面论述的示例性实施例。如将在下面明显，这容许该阵列容易且便宜地为具体应用而定制。

根据示例性实施例的阵列由如上所述的两个望远镜组成。望远镜100和110安装在由具有与校正透镜10’和主镜12’中的玻璃相同的热系数的陶瓷制成的外壳120(图4)中。外壳120具有校正透镜10’位于其中的入口端120A和CMOS传感器22位于其中的出口端120B。

如果具体应用需要高清晰度视觉图像，则外壳120可被构建成望远镜100和110的轴线不平行，由此望远镜100和110具有在700km的期望观察距离的相同的约20km视场(图5A)。在该距离，根据示例性实施例的阵列可产生具有约3m的分辨率的图像。可替换地，如果具有更大视场是更重要的，则外壳120’可被构建成望远镜100和110的轴线平行，由此阵列具有约40km宽的视场(图5B)。

根据示例性实施例的望远镜可在电磁波谱的可见和近红外部分中在400nm和1000nm的波长之间操作。为定制根据本发明的望远镜和望远镜阵列，在各透镜和滤光器24上的涂层经挑选以对应于最优化望远镜和阵列在所关注的一个或多个电磁波谱部分中的性能。有利地，BBAR抗反射涂层用在透射光的透镜表面上，并且受保护的银用于反射光的表面。典型的滤光器24为在不同波段诸如400nm-700nm和700nm-1000nm工作的精密带通滤光器。此外，根据本发明的阵列可以以最优化望远镜中的一个以在电磁波谱的可见部分中操作，同时最优化另一个以在近红外部分中操作以便收集光谱或偏振数据的方式定制。可替换地，阵列可以以最优化望远镜中的一个以收集光谱数据同时最优化另一个以收集偏振数据的方式定制。在此类实例中，两个望远镜将通常共享相同视场，因此所获取的图像数据与所获取的红外数据相关，并因此来自电磁波谱的一部分的所获取的数据与来自另一部分的所获取的数据相关。

Claims (12)

1.一种具有改进的马克苏托夫-卡塞格林光学结构的折反射光学望远镜，包括：

a.轴向伸长的外壳，其具有大体圆柱形的内部与入口端和出口端；

b.安装在所述外壳的所述入口端的球面凹凸校正透镜，所述球面凹凸校正透镜包括：

i.第一表面和第二表面，以及

ii.位于所述第二表面上的中心定位的反射涂层；

c.安装在所述外壳的所述出口端的主镜，所述主镜为曼金镜并包括

i.中心光圈，

ii.第一表面和第二表面，以及

iii.位于所述第二表面上的反射涂层；以及

e.位于所述主镜的所述中心光圈之内并与所述球面凹凸校正透镜和主镜轴向对齐的平场透镜；

所述球面凹凸校正透镜和主镜轴向对齐并具有它们的在所述外壳的所述内部之内彼此面向的第一表面。

2.根据权利要求1所述的望远镜，进一步包括与所述平场透镜轴向对齐并位于其后面的CMOS传感器。

3.根据权利要求1所述的望远镜，进一步包括与所述平场透镜轴向对齐并位于其后面的滤光器。

4.根据权利要求1所述的望远镜，其中所述外壳、球面凹凸校正透镜、主镜和反射涂层经挑选最优化所述望远镜以用于与具有从约400nm至1000nm的波长的辐射一起使用。

5.根据权利要求1所述的望远镜，其中所述外壳是陶瓷的外壳，所述透镜是玻璃的透镜，并且其中所述陶瓷的热系数与所述玻璃的热系数相同。

6.根据权利要求1所述的望远镜，进一步包括：

a.邻近所述球面凹凸校正透镜的所述第一表面定位的圆锥形挡板；

b.邻近所述主镜的所述第一表面定位的圆柱形挡板；以及

c.邻近所述球面凹凸校正透镜的所述第二表面定位的圆柱形挡板。

7.一种用于航天器的双目望远镜阵列，包括：

两个根据权利要求1所述的折反射光学望远镜。

8.根据权利要求7所述的望远镜阵列，其中两个望远镜均被取向为在期望的观察距离具有相同视场。

9.根据权利要求7所述的望远镜阵列，其中两个望远镜均被取向为在期望的观察距离具有不同视场。

10.根据权利要求8所述的望远镜阵列，其中所述望远镜中的一个经配置输出图像数据，并且所述望远镜中的另一个经配置输出光谱数据。

11.根据权利要求8所述的望远镜阵列，其中所述望远镜中的一个经配置输出图像数据，并且所述望远镜中的另一个经配置输出偏振数据。

12.根据权利要求8所述的望远镜阵列，其中所述望远镜经配置观察电磁波谱的不同部分。