DE102016100478A1

DE102016100478A1 - Camera for a spacecraft

Info

Publication number: DE102016100478A1
Application number: DE102016100478.2A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schmidt; Steffen Kirschstein; Paul Petruck
Original assignee: Jena Optronik GmbH
Current assignee: Jena Optronik GmbH
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-07-13
Anticipated expiration: 2036-01-14
Also published as: DE102016100478B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kamera (1) für einen Raumflugkörper mit einem Detektor (3) mit einer Bilderfassungsebene (4) und einem die Strahlung (17) eines vorgegebenen Gesichtsfelds auf die Bilderfassungsebene (4) abbildenden Objektiv. Um eine kompakte Kamera (1) im Wesentlichen ohne Abbildungsfehler vorzuschlagen, ist das Objektiv als linsenloses, koaxial um eine senkrecht auf der Bilderfassungsebene (4) aufgerichtete optische Achse (Z) angeordnetes Spiegelobjektiv (2) mit einer ringförmigen Apertur (14) ausgebildet, wobei im Innendurchmesser der Apertur (14) zumindest ein Wölbspiegel (M2, M4) und hierzu entlang der optischen Achse (Z) beabstandet zumindest ein Hohlspiegel (M1, M3) mit einer um die optische Achse (Z) angeordneten Öffnung (6) für die dahinter liegende Bilderfassungsebene (4) vorgesehen sind.The invention relates to a camera (1) for a spacecraft with a detector (3) having an image capture plane (4) and a lens imaging the radiation (17) of a given field of view onto the image capture plane (4). In order to propose a compact camera (1) essentially without aberrations, the objective is designed as a lens-free mirror lens (2) arranged coaxially about an optical axis (Z) erected vertically on the image acquisition plane (4) with an annular aperture (14) at least one bulging mirror (M2, M4) in the inner diameter of the aperture (14) and at least one concave mirror (M1, M3) spaced along the optical axis (Z) with an opening (6) arranged behind the optical axis (Z) for the one behind lying image capture level (4) are provided.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kamera für einen Raumflugkörper mit einem Detektor mit einer Bilderfassungsebene und einem die Strahlung eines vorgegebenen Gesichtsfelds auf die Bilderfassungsebene abbildenden Objektiv.The invention relates to a camera for a spacecraft with a detector having an image capture plane and a lens imaging the radiation of a given field of view onto the image capture plane.

Eine Kamera für Raumflugkörper ist beispielsweise aus der DE 10 2011 001 968 A1 mit zwei Teilobjektiven, nämlich einem ersten rein refraktiven Teilobjektiv und einem zweiten, um dieses angeordneten Spiegellinsenobjektiv mit refraktiven Linsen bekannt. Derartige Kameras dienen beispielsweise der Navigation von Raumflugkörpern anhand von Himmelskörpern, indem ein Sternausschnitt erfasst und mit einem gespeicherten Sternkatalog verglichen wird, der Erdbeobachtung, der Fernerkundung des Planetensystems und des Universums und dergleichen. Insbesondere für die Navigation von Raumflugkörpern, beispielsweise Satelliten, Raumstationen oder anderen Raumfahrzeugen ist eine Kamera von Vorteil, die Sterne, Planeten, Monde und andere Himmelskörper auf einer Bilderfassungsebene eines Detektors erfassen kann. Dabei weisen die bekannten Kameras eine große Baugröße entlang ihrer optischen Achse abhängig von der geforderten Brennweite auf. Hierbei sind im Weltraum aufgrund der hohen Entfernungen zum Zielobjekt sehr hohe Brennweiten und damit große Baugrößen erforderlich. Bei derartigen Kameras liegt damit der Schwerpunkt weit außerhalb einer Aufnahmeschnittstelle der Kamera an dem Raumflugkörper, so dass zudem große Belastungen an dieser auftreten. A spacecraft camera, for example, is from the DE 10 2011 001 968 A1 with two partial lenses, namely a first purely refractive partial objective and a second refractive lens objective arranged around this one. Such cameras are used for example for the navigation of spacecraft based on celestial bodies by a star clipping is detected and compared with a stored star catalog, Earth observation, remote sensing of the planetary system and the universe and the like. In particular, for the navigation of spacecraft, such as satellites, space stations or other spacecraft, a camera is advantageous that can detect stars, planets, moons and other celestial bodies on an image capture plane of a detector. The known cameras have a large size along their optical axis depending on the required focal length. Due to the high distances to the target object, very high focal lengths and thus large sizes are required in space. In the case of such cameras, the center of gravity is thus located far outside a receiving interface of the camera on the spacecraft, so that, in addition, great loads occur there.

Durch die Verwendung von optisch brechender (refraktiver) Linsen zur Abbildung der Strahlung des erfassten Gesichtsfelds auf der Bilderfassungsebene treten Abbildungsfehler auf, die selbst bei Verwendung von asphärischen Linsen weitere Korrekturlinsen erfordern, so dass das Objektiv derartiger Kameras ein hohes Gewicht aufweist. Desweiteren führt eine Erfassung breitbandiger Strahlung zu Farbfehlern, welche die erreichbare Genauigkeit bei der Lagebestimmung limitiert. Desweiteren sind refraktiv arbeitende und aufgrund der geforderten optischen Eigenschaften aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehende Objektive aufgrund der großen Temperaturunterschiede im Weltraum mit großem Aufwand thermisch zu kompensieren. Through the use of refractive lenses for imaging the radiation of the detected field of view on the image acquisition plane, aberrations occur which require further correction lenses even when using aspherical lenses, so that the objective of such cameras has a high weight. Furthermore, a detection of broadband radiation leads to chromatic aberrations, which limits the achievable accuracy in determining the position. Furthermore, due to the large temperature differences in space refractively working and due to the required optical properties of different materials with different coefficients of thermal expansion existing lenses due to the large temperature differences in space with great effort to compensate thermally.

Aufgabe der Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung einer Kamera für Raumflugkörper. Insbesondere ist eine Teilaufgabe der Erfindung eine universelle, kompakte, leichte und/oder klein bauende Kamera vorzuschlagen. Insbesondere ist eine Teilaufgabe der Erfindung, eine Kamera mit hoher Genauigkeit vorzuschlagen. Insbesondere ist eine Teilaufgabe der Erfindung eine Kamera mit verminderter thermischer Abhängigkeit vorzuschlagen. Insbesondere ist eine Teilaufgabe der Erfindung, eine Kamera vorzuschlagen, welche mehrere der vorgenannten Teilaufgaben löst. The object of the invention is the advantageous development of a camera for spacecraft. In particular, a subtask of the invention is to propose a universal, compact, lightweight and / or small-sized camera. In particular, a subtask of the invention is to propose a camera with high accuracy. In particular, a subtask of the invention is to propose a camera with reduced thermal dependence. In particular, a subtask of the invention is to propose a camera which solves several of the aforementioned subtasks.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder. Desweiteren wird die Aufgabe durch die Verwendung der vorgeschlagenen Kamera als Navigationskamera, Erkundungskamera oder zur Verwendung in einem Sternsensor gelöst.The object is solved by the subject matter of claim 1. The dependent claims give advantageous embodiments of the subject matter of claim 1 again. Furthermore, the problem is solved by the use of the proposed camera as a navigation camera, reconnaissance camera or for use in a star sensor.

Die vorgeschlagene Kamera ist für einen Raumflugkörper, beispielsweise einen Satelliten, eine Raumstation, eine Raumkapsel oder dergleichen vorgesehen. Die Kamera enthält einen Detektor, beispielsweise einen CCD-Chip oder dergleichen mit einer Bilderfassungsebene und ein als Spiegelobjektiv ausgebildetes, die Strahlung wie Licht eines vorgegebenen Gesichtsfelds auf die Bilderfassungsebene abbildendes Objektiv. Das Spiegelobjektiv ist linsenlos, das heißt, ohne refraktive Linsen ausgebildet, so dass chromatische Abbildungsfehler weitestgehend vermieden werden und die Genauigkeit gegenüber Objektiven mit refraktiven Linsen gesteigert werden kann. Das Spiegelobjektiv ist koaxial um eine senkrecht auf der Bilderfassungsebene aufgerichtete optische Achse angeordnet und weist einen gefalteten Strahlengang auf, so dass bei großen erzielbaren Brennweiten die Baulänge entlang der optischen Achse kurzgehalten werden kann. Hierdurch kann der Schwerpunkt der Kamera näher an die Aufnahmeschnittstelle der Kamera an dem Raumflugkörper gebracht und diese entlastet werden. Desweiteren kann durch eine linsenlose Ausbildung des Spiegelobjektivs das Gewicht der Linsen eingespart werden und damit das Gewicht der vorgeschlagenen Kamera gesenkt werden. The proposed camera is intended for a spacecraft such as a satellite, a space station, a spacecraft or the like. The camera includes a detector, such as a CCD chip or the like with an image capture plane and a designed as a mirror lens, the radiation such as light of a given field of view on the image capture plane imaging lens. The mirror objective is lens-less, that is, formed without refractive lenses, so that chromatic aberrations can be largely avoided and the accuracy can be increased over lenses with refractive lenses. The mirror objective is arranged coaxially about an optical axis erected perpendicularly on the image acquisition plane and has a folded beam path, so that the installation length along the optical axis can be kept short for large achievable focal lengths. As a result, the focus of the camera can be brought closer to the receiving interface of the camera on the spacecraft and this relieved. Furthermore, by a lensless design of the mirror lens, the weight of the lenses can be saved and thus the weight of the proposed camera can be lowered.

Das Spiegelobjektiv besitzt eine ringförmige, bevorzugt kreisringförmige Apertur, von der die Strahlenführung über zumindest einen Wölbspiegel und zumindest einen im Verlauf des Strahlengangs dem zumindest einen nachgeschalteten, entlang der optischen Achse beabstandeten Hohlspiegel erfolgt. Hierdurch entstehen Spiegelsysteme mit einem oder mehreren Paaren von hintereinander geschalteten Wölb- und Hohlspiegeln, beispielsweise bei einem Paar ein Zweispiegler-System und bei zwei Paaren ein Vierspiegler-System. Hierbei ist zumindest ein Wölbspiegel im Innendurchmesser der Apertur angeordnet. Der letzte beziehungsweise im Zweispiegler-System der einzige Hohlspiegel weist eine zentrale Öffnung auf, hinter der der Detektor mit der Bilderfassungsebene angeordnet ist. Hierdurch wird von der Apertur auf den ersten oder einzigen Hohlspiegel eingestrahlt und von diesem auf den zugehörigen, beispielsweise einzigen Wölbspiegel umgelenkt, der über die Öffnung auf die Bilderfassungsebene einstrahlt. Bei mehreren Paaren sind diese jeweils im Strahlengang dazwischengeschaltet und verlängern die Brennweite. The mirror objective has an annular, preferably annular aperture, from which the beam guidance takes place via at least one convex mirror and at least one concave mirror spaced apart along the optical axis in the course of the beam path. This results in mirror systems with one or more pairs of cambered and concave mirrors connected in series, for example, a pair of a two-mirror system and two pairs of a four-mirror system. In this case, at least one bulging mirror is arranged in the inner diameter of the aperture. The last or in the double mirror system of the single concave mirror has a central opening, behind which the detector is arranged with the image detection plane. In this way is irradiated by the aperture on the first or only concave mirror and deflected by this on the associated, for example, single camber mirror, the irradiated through the opening on the image capture level. With several pairs, these are each interposed in the beam path and extend the focal length.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorgeschlagenen Kamera können der oder die Wölbspiegel auf einem ersten Trägerteil und der oder die Hohlspiegel auf einem zweiten Trägerteil aufgenommen sein. Die beiden Trägerteile können mittels eines radial außerhalb der Spiegel vorgesehenen Abstandshalters auf einem vorgegebenen oder vorgebbaren Abstand miteinander verbunden sein. Um an dem ersten Trägerteil Strahlungsflächen für die Apertur freizuhalten, weist das Trägerteil des zumindest einen Wölbspiegels über den Umfang verteilt Durchbrüche auf. Dies bedeutet, dass radial außerhalb des oder der Wölbspiegel über den Umfang verteilt eine vorgegebene Anzahl, bevorzugt drei radial nach außen gerichtete, schmale Stege vorgesehen sind, die mit dem Abstandshalter verbunden sind. Die Stege können in einem Ringteil münden, welches mit dem bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildeten Abstandshalter auf demselben Radius verbunden ist.According to an advantageous embodiment of the proposed camera, the mirror or bulbs may be accommodated on a first carrier part and the concave mirror or on a second carrier part. The two carrier parts can be connected to one another at a predetermined or predefinable distance by means of a spacer provided radially outside the mirror. In order to keep free radiation surfaces for the aperture on the first carrier part, the carrier part of the at least one camber mirror has apertures distributed over the circumference. This means that a predetermined number, preferably three radially outwardly directed, narrow webs are provided radially outside of the or the bulging mirror distributed over the circumference, which are connected to the spacer. The webs can open into a ring member, which is connected to the preferably hollow cylindrical spacer formed on the same radius.

Auf diese Weise kann in besonders vorteilhafter Weise ein Vierspiegler-System vorgesehen werden, indem aus dem ersten Trägerteil zwei konzentrisch angeordnete Wölbspiegel angeordnet sind. Dabei ist ein Wölbspiegel auf einer gewölbten Kreisfläche bevorzugt mit einem auf der optischen Achse liegenden Mittelpunkt angeordnet. Der andere Wölbspiegel umgibt diesen radial außen und ist aus einer gewölbten Ringfläche gebildet. Auf dem zweiten Trägerteil sind zwei konzentrisch um die Öffnung, hinter der sich der Detektor befindet, angeordnete, ringförmige Hohlspiegel angeordnet. Hierdurch sind auf jedem Trägerteil zwei unabhängige Spiegelflächen gebildet. Die Spiegelflächen können durch Beschichtung oder Polieren des Materials der Trägerteile erzeugt werden.In this way, a four-mirror system can be provided in a particularly advantageous manner by two concentrically arranged bulging mirror are arranged from the first support member. In this case, a curvature mirror is preferably arranged on a curved circular surface with a center lying on the optical axis. The other arching mirror surrounds this radially on the outside and is formed from a curved annular surface. On the second carrier part are two concentrically arranged around the opening, behind which the detector is arranged annular concave mirrors. As a result, two independent mirror surfaces are formed on each support part. The mirror surfaces can be produced by coating or polishing the material of the carrier parts.

Zur Ausbildung einer Abbildung der über die Apertur eingestrahlten Strahlung des vorgegebenen Gesichtsfelds der Kamera auf der Bilderfassungsebene des Detektors weisen die Spiegel – Wölbspiegel und Hohlspiegel – unter Berücksichtigung deren Anordnung im Spiegelobjektiv, der vorgegebenen wie erwünschten Brennweite und dergleichen vorgegebene Oberflächen auf, die sphärisch, in bevorzugter Weise asphärisch oder in Freiform ausgebildet sein können.To form an image of the irradiated via the aperture radiation of the given field of view of the camera on the image acquisition level of the detector, the mirror - bulging mirrors and concave - taking into account their arrangement in the mirror lens, the predetermined as desired focal length and the like predetermined surfaces, the spherical, in may preferably be formed aspherical or in free form.

Zumindest eines der beiden Trägerteile, bevorzugt beide Trägerteile sind monolithisch hergestellt, das heißt einteilig hergestellt. Je nach Art des verwendeten Materials kann die monolithische Herstellung über entsprechende Herstellverfahren, beispielsweise Gießen, Spanen, Pressen, Stanzen oder dergleichen erfolgen, wobei eine Nachbearbeitung durch Schleifen, Polieren, Elektropolieren, Beschichten, Erodieren oder dergleichen erfolgen kann. In bevorzugter Weise sind zumindest die Trägerteile und der Abstandshalter aus demselben Material hergestellt. Als vorteilhaft haben sich Materialien mit einem geringem Ausdehnungskoeffizienten wie Wärmeausdehnungskoeffizient erwiesen. Beispielsweise sind Materialien mit Ausdehnungskoeffizienten kleiner 1,5 ppm, bevorzugt kleiner 1,0 ppm/K besonders bevorzugt 0,6 ppm/K vorteilhaft. Als Materialien haben sich beispielsweise Invar, Zerodur^® (Marke der Schott AG, Mainz) oder ähnliche Glaskeramiksubstrate mit ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten oder dergleichen erwiesen.At least one of the two carrier parts, preferably both carrier parts are produced monolithically, that is, produced in one piece. Depending on the nature of the material used, the monolithic production can take place via corresponding production processes, for example casting, machining, pressing, stamping or the like, with post-processing being able to take place by grinding, polishing, electropolishing, coating, erosion or the like. Preferably, at least the carrier parts and the spacer are made of the same material. Materials with a low coefficient of expansion, such as coefficients of thermal expansion, have proven to be advantageous. For example, materials with expansion coefficients of less than 1.5 ppm, preferably less than 1.0 ppm / K, particularly preferably 0.6 ppm / K, are advantageous. Suitable materials are for example Invar, Zerodur ^® (trademark of Schott AG, Mainz) or similar ceramic substrates have been found with similar expansion coefficient or the like.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Kamera kann die Apertur nach außen mittels einer planen, lichtdurchlässigen Abdeckplatte geschlossen sein. Die Abdeckplatte bildet bevorzugt eine geschlossene optische Kammer und ist im Wesentlichen nicht refraktiv wirksam. Eine Einstellung der Lichtempfindlichkeit des Spiegelobjektivs kann beispielsweise mittels einer Lichtdurchlässigkeit der Abdeckplatte vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Einstellung der Lichtempfindlichkeit mittels eines in und/oder auf der Abdeckplatte vorgesehenen Graufilters erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Einstellung der Lichtempfindlichkeit mittels zumindest einer eine effektive Eintrittsfläche der Strahlung vorgebenden Ringblende auf der Abdeckplatte vorgesehen sein. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich eine Einstellung von empfindlichen Wellenlängenbereichen der Kamera mittels zumindest eines Spektralfilters vorgesehen sein.According to an advantageous development of the camera, the aperture can be closed to the outside by means of a flat, translucent cover plate. The cover plate preferably forms a closed optical chamber and is substantially non-refractive effect. An adjustment of the photosensitivity of the mirror objective can be provided, for example, by means of a light transmission of the cover plate. For example, the setting of the photosensitivity can be effected by means of a gray filter provided in and / or on the cover plate. Alternatively or additionally, the setting of the photosensitivity can be provided on the cover plate by means of at least one annular diaphragm which predetermines an effective entrance surface of the radiation. Furthermore, alternatively or additionally, an adjustment of sensitive wavelength ranges of the camera by means of at least one spectral filter can be provided.

Die Montage der beiden Trägerteile aufeinander erfolgt unter Zwischenlage des Abstandshalters. Hierbei kann eine Vorjustierung des zumindest einen Wölbspiegels gegenüber dem zumindest einen Hohlspiegel, also gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Trägerteile gegeneinander mittels einer Längen- und/oder Neigungseinstellung des Abstandshalters vorgesehen sein. Dies bedeutet, dass zu einer Vorjustierung zur Vermeidung einer Neigung der Trägerteile gegeneinander der Abstandshalter leicht keilförmig mit zueinander verdrehten Keilflächen ausgebildet sein kann, so dass eine parallele Anordnung der Spiegel beziehungsweise Trägerteile durch Verdrehen gegeneinander erzielt werden kann. Eine Feinjustierung der Trägerteile gegenüber dem Abstandshalter beziehungsweise schließlich gegeneinander kann vorgesehen sein, indem die Trägerteile jeweils mittels einer Dreipunktauflage justierbar an dem Abstandshalter aufgenommen sind.The assembly of the two carrier parts to each other takes place with the spacer. In this case, a pre-adjustment of the at least one arching mirror relative to the at least one concave mirror, that is to say according to the preferred embodiment of the carrier parts, can be provided by means of a length and / or inclination adjustment of the spacer. This means that the spacer may be slightly wedge-shaped with mutually twisted wedge surfaces to a pre-adjustment to avoid inclination of the support members against each other, so that a parallel arrangement of the mirror or support members by twisting against each other can be achieved. A fine adjustment of the support members relative to the spacer or finally against each other can be provided by the support members are each received by means of a three-point support adjustable on the spacer.

Der Detektor der vorgeschlagenen Kamera kann mittels eines Detektorträgers an dem zweiten Trägerteil aufgenommen sein. Beispielsweise können Detektorträger und zweites Trägerteil miteinander form- oder stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verschraubt, vernietet, verschweißt, verrastet, verpresst und/oder in ähnlicher Weise verbunden sein. Hierbei kann der Detektor auf beziehungsweise gegenüber dem Detektorträger thermisch kompensiert aufgenommen sein. Beispielsweise kann eine Halterung des Detektors gegenüber dem Detektorträger mittels thermisch variabler Materialien, beispielsweise Piezo-Elementen, vorgenommen sein, welche durch Anlage einer Kompensationsspannung einen thermischen Ausgleich vornehmen. Alternativ oder zusätzlich kann eine thermische Kompensation durch gegenläufige Ausdehnung von Materialien oder Materialien mit negativem Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Zirkoniumwolframat erzielt werden. The detector of the proposed camera can be accommodated by means of a detector carrier on the second carrier part. For example, the detector carrier and the second carrier part can be connected to one another in a form-fitting or cohesive manner, for example, screwed, riveted, welded, locked, pressed and / or connected in a similar manner. In this case, the detector can be recorded thermally compensated on or opposite the detector carrier. For example, a holder of the detector relative to the detector carrier by means of thermally variable materials, such as piezo elements, be made, which make a thermal compensation by applying a compensation voltage. Alternatively or additionally, thermal compensation can be achieved by oppositely extending materials or materials having a negative coefficient of expansion, for example zirconium tungstate.

Durch zumindest einen Teil der vorgenannten Ausführungsformen kann eine Kamera vorgeschlagen werden, die eine Baulänge kleiner als das 0,5-fache der Brennweite des Spiegelobjektivs aufweist. Weiterhin kann die Kamera eine effektive F-Zahl von kleiner 2,5 aufweisen. Die vorgeschlagene Kamera kann beispielsweise eine Genauigkeit aufweisen, deren Standardabweichung (1 × sigma) kleiner als 0,5 Bogensekunden beträgt. Hierbei kann eine gleichzeitige Abbildung und Auswertung von nahen Objekten, beispielsweise Planeten, Monden, beispielsweise im Anflug oder Vorbeiflug beziehungsweise im Orbit um dieselben und fernen Himmelskörpern, beispielsweise Sternen erfolgen. Beispielsweise kann dabei eine Abbildung der Strahlung defokussiert einstellbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Detektor zur scharfen Abbildung der Strahlung im Brennpunkt der Spiegeloptik positioniert sein. Hierzu kann eine Festeinstellung des Detektors gegenüber der Spiegeloptik vorgesehen sein. Alternativ kann der Detektor gegenüber der Spiegeloptik mittels einer Aktuatorik verschwenkbar angeordnet sein. Alternativ können mehrere Detektoren für eine scharfe und eine defokussierte Abbildung der Strahlung vorgesehen sein. By at least a part of the aforementioned embodiments, a camera may be proposed which has a length less than 0.5 times the focal length of the mirror objective. Furthermore, the camera can have an effective F-number of less than 2.5. For example, the proposed camera may have an accuracy whose standard deviation (1 × sigma) is less than 0.5 arc seconds. This can be a simultaneous mapping and evaluation of nearby objects, such as planets, moons, for example, in approach or flyby or in orbit around the same and distant celestial bodies, such as stars done. For example, an image of the radiation can be adjusted defocused. Alternatively or additionally, the detector may be positioned for sharply imaging the radiation at the focal point of the mirror optics. For this purpose, a fixed adjustment of the detector relative to the mirror optics can be provided. Alternatively, the detector can be arranged pivotably relative to the mirror optics by means of an actuator. Alternatively, a plurality of detectors for a sharp and a defocused image of the radiation may be provided.

Insbesondere zur Verhinderung von Streulicht und/oder direkter Einstrahlung von Sonnenlicht hoher Intensität oder dergleichen kann der Apertur eine Lichtblende (baffle) vorgeschaltet sein, welche in vorteilhafter Weise mit einem Außentubus und einem Innentubus versehen ist. Derartige Lichtblenden verhindern unter anderem auch, dass Innen- und Außentubusflächen einen direkten Lichtpfad zum Eingang der Spiegeloptik ermöglichen. Beispielsweise ist der Innentubus gegenüber dem Außentubus verkürzt ausgebildet und weist beispielsweise zwei bis drei Blenden auf. Dabei kann die vorderste, das heißt dem Gesichtsfeld zugewandte Blende so ausgebildet sein, dass die auftreffende Strahlung im Wesentlichen reflektiert wird. Hierzu kann die vordere Fläche der Blende spiegelnde gekrümmte oder konische Flächen aufweisen, beispielsweise als Hohlspiegel ausgebildet sein, so dass beispielsweise eine thermische Last reflektiert wird. Die Lichtblende kann hierbei im Innen- und/oder im Außentubus scharfe Blendenschneiden enthalten.In particular for preventing stray light and / or direct irradiation of high-intensity sunlight or the like, the aperture may be preceded by a light baffle, which is advantageously provided with an outer tube and an inner tube. Among other things, such light curtains also prevent the inner and outer tube surfaces from allowing a direct light path to the entrance of the mirror optics. For example, the inner tube is shortened in relation to the outer tube and has, for example, two to three diaphragms. In this case, the foremost, that is to say the field of view, facing diaphragm can be designed such that the incident radiation is substantially reflected. For this purpose, the front surface of the diaphragm may have reflective curved or conical surfaces, for example as a concave mirror, so that, for example, a thermal load is reflected. The light aperture can contain sharp aperture blades in the inner and / or outer tube.

Die Aufgabe wird ebenfalls durch die Verwendung der vorgeschlagenen Kamera für einen Raumflugkörper gelöst. Hierbei kann die Kamera für eine Verwendung als Navigationskamera vorgesehen sein. In Verbindung mit einer entsprechenden, bevorzugt an der Kamera aufgenommenen Recheneinheit wie Auswerteeinheit kann ein Sternsensor ausgebildet sein, der anhand eines in der Recheneinheit oder in einer Speichereinheit abgelegten Sternkatalogs und eines Vergleichs mit einem von der Kamera erfassten Sternbildausschnitt die Lage des Raumflugkörpers beispielsweise anhand von Quaternionen ermittelt und an eine Recheneinheit des Raumflugkörpers ermittelt. Mehrere Sternsensoren können unter sich als autarke Lageermittlungseinheit verbunden sein und damit eine höhere Zuverlässigkeit der ermittelten Lage gewährleisten. Es versteht sich, dass ein derartiger Sternsensor beziehungsweise eine derartige Lageermittlungseinheit von der Erfindung umfasst ist. Alternativ oder zusätzlich können neben Sternen beliebige Himmelskörper wie Planeten, Monde, Planetoiden oder dergleichen erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Verwendung der vorgeschlagenen Kamera zur terrestrischen Beobachtung oder zur Beobachtung des Weltraums vorgesehen sein.The problem is also solved by the use of the proposed camera for a spacecraft. In this case, the camera may be provided for use as a navigation camera. In conjunction with a corresponding, preferably recorded on the camera arithmetic unit such as evaluation, a star sensor may be formed based on a stored in the arithmetic unit or in a storage unit star catalog and a comparison with a captured by the camera constellation the position of the spacecraft, for example, based on quaternions determined and determined to a computing unit of the spacecraft. Several star sensors can be connected as a self-sufficient position determining unit and thus ensure a higher reliability of the determined position. It is understood that such a star sensor or such a position detection unit is included in the invention. Alternatively or additionally, any celestial bodies such as planets, moons, planetoids or the like can be detected in addition to stars. Alternatively or additionally, use of the proposed camera for terrestrial observation or observation of space may be provided.

Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is based on the in the 1 to 4 illustrated embodiment illustrated. Showing:

1 eine geschnittene 3D-Ansicht einer Kamera für Raumflugkörper, 1 a 3D cutaway view of a spacecraft camera,

2 das erste Trägerteil der Kamera der 1 in 3D-Ansicht, 2 the first carrier part of the camera 1 in 3D view,

3 das zweite Trägerteil der Kamera der 1 in 3D-Ansicht
und 3 the second carrier part of the camera 1 in 3D view
and

4 eine Lichtblende der Kamera der 1 im Schnitt. 4 a light aperture of the camera 1 on average.

Die 1 zeigt eine geschnittene 3D-Ansicht der für einen Raumflugkörper vorgesehenen Kamera 1. Die Kamera 1 enthält das ohne Linsen ausgebaute Spiegelobjektiv 2 und den an diesem befestigten Detektor 3 mit der Bilderfassungsebene 4. Das Spiegelobjektiv 2 ist koaxial um die senkrecht zur Bilderfassungsebene aufgerichtete optische Achse Z angeordnet und bildet in dem gezeigten Ausführungsbeispiel das Vierspiegler-System 5 mit den beiden Wölbspiegeln M2, M4 und den beiden Hohlspiegeln M1, M3. The 1 shows a sectional 3D view of the spacecraft intended for a camera 1 , The camera 1 contains the mirror lens without lenses 2 and the detector attached thereto 3 with the image capture layer 4 , The mirror lens 2 is arranged coaxially about the erected perpendicular to the image acquisition plane optical axis Z and forms in the embodiment shown, the four-mirror system 5 with the two arched mirrors M2, M4 and the two concave mirrors M1, M3.

Die Hohlspiegel M1, M3 sind kreisringförmig konzentrisch um die Öffnung 6 angeordnet, hinter der der Detektor 3 mit der Bilderfassungsebene 4 angeordnet ist. Die Hohlspiegel M1, M3 sind auf einem gemeinsamen Trägerteil 7 aufgenommen, welches monolithisch ausgebildet ist und radial außen den Randbereich 8 aufweist, an dem der hohlzylindrisch ausgebildete Abstandshalter 9 aufgenommen ist. The concave mirrors M1, M3 are annular concentrically around the opening 6 behind which the detector is located 3 with the image capture layer 4 is arranged. The concave mirrors M1, M3 are on a common carrier part 7 taken, which is monolithic and radially outside the edge region 8th has, on which the hollow cylindrical spacer formed 9 is included.

Entsprechend der Längenerstreckung des Abstandshalters 9 ist entlang der optischen Achse Z beabstandet das Trägerteil 10 an dem Abstandshalter 9 aufgenommen. Das Trägerteil 10 ist monolithisch ausgebildet und weist radial innen den um die optische Achse Z angeordneten, kreisförmigen Wölbspiegel M4 und radial außen den konzentrisch zu diesem angeordneten kreisringförmigen Wölbspiegel M2 auf. Das Trägerteil 10 ist mittels seines Randbereichs 11 an dem Abstandshalter 9 befestigt. Radial zwischen dem Wölbspiegel M2 und dem Randbereich 11 sind durch drei gleichmäßig und damit im Abstand von 120° über den Umfang verteilt angeordnete Stege 12 getrennte kreissegmentförmige Durchbrüche 13 vorgesehen, die die ringförmige Apertur 14 des Spiegelobjektivs 2 freigeben. According to the length of the spacer 9 is along the optical axis Z spaced the carrier part 10 on the spacer 9 added. The carrier part 10 is formed monolithic and has radially inside the arranged around the optical axis Z, circular camber mirror M4 and radially outside the concentric with this arranged annular camber M2. The carrier part 10 is by means of its border area 11 on the spacer 9 attached. Radial between the mirror M2 and the edge area 11 are arranged by three evenly distributed and thus at intervals of 120 ° around the circumference arranged webs 12 separate circular segment breakthroughs 13 provided the ring-shaped aperture 14 of the mirror lens 2 release.

Die Trägerteile 7, 10 und der Abstandshalter 9 sind aus demselben Material, beispielsweise Invar oder Zerodur^® und verhalten sich aufgrund ihrer geringen thermischen Ausdehnung weitgehend temperaturunabhängig und sind damit besonders geeignet für Anwendungen in Raumflugkörpern mit den im Weltraum stark wechselnden Temperaturen.The carrier parts 7 . 10 and the spacer 9 are made of the same material, such as Invar or Zerodur ^® and behave largely independent of temperature due to their low thermal expansion and are therefore particularly suitable for applications in spacecraft with the strongly changing in space temperatures.

Auf der den Hohlspiegeln M1, M3 abgewandten Seite ist der Detektor 3 mittels des Detektorträgers 15 an dem Trägerteil 10 aufgenommen. Der Detektor 3 ist gegenüber dem Detektorträger thermisch kompensiert aufgenommen. Hierzu kann der Detektorträger 15 über den Wärmefluss begrenzende Einschnitte zwischen den Aufnahmen am Trägerteil 10 und den Aufnahmen des Detektors 3 oder dergleichen verfügen.On the side facing away from the concave mirrors M1, M3 is the detector 3 by means of the detector carrier 15 on the support part 10 added. The detector 3 is recorded compared to the detector carrier thermally compensated. For this purpose, the detector carrier 15 on the heat flow limiting incisions between the recordings on the support part 10 and the recordings of the detector 3 or the like.

Die Apertur 14 ist nach außen mittels der plan ausgebildeten Abdeckplatte 16 verschlossen. Die Abdeckplatte 16 bildet eine geschlossene optische Kammer. Zur Einstellung der Lichtempfindlichkeit der Kamera 1 kann die Abdeckplatte 16 als Graufilter dienen oder auf der Abdeckplatte 16 oder in diese integriert entsprechende Graufilter vorgesehen sein. Desweiteren können auf der Abdeckplatte die Lichtdurchlässigkeit vermindernde Blenden vorgesehen sein. The aperture 14 is outward by means of the plan formed cover plate 16 locked. The cover plate 16 forms a closed optical chamber. For adjusting the light sensitivity of the camera 1 can the cover plate 16 serve as a gray filter or on the cover plate 16 or integrated into this appropriate gray filter can be provided. Furthermore, on the cover plate, the light permeability-reducing aperture can be provided.

An dem Abstandshalter 9, der als Gehäuse der Kamera 1 dienen kann, kann eine entlang der optischen Achse Z erstreckte Lichtblende (baffle), siehe 4, angeordnet sein.At the spacer 9 as the housing of the camera 1 can serve, can be a along the optical axis Z extended light aperture (baffle), see 4 be arranged.

Die in die ringförmige Apertur 14 eingestrahlte Strahlung 17 wird in einem gefalteten Strahlungsgang auf der Bilderfassungsebene 4 des Detektors abgebildet. Hierzu wird die Strahlung 17 von dem äußeren Hohlspiegel M1 auf den äußeren Wölbspiegel M2 reflektiert. Von dort wird die Strahlung 17 auf den inneren Hohlspiegel M3 reflektiert. Der Hohlspiegel M3 reflektiert die Strahlung 17 auf den inneren Wölbspiegel M4, der die Strahlung 17 durch die Öffnung 6 auf der Bilderfassungsebene 4 fokussiert oder defokussiert abbildet. Die dem Detektor 3 nachgeschaltete Bilderfassungssoftware verarbeitet die im Detektor 3 erfasste und in elektrische Signale umgewandelte Strahlung 17.The in the annular aperture 14 irradiated radiation 17 is in a folded radiation path on the image capture plane 4 imaged by the detector. This is the radiation 17 from the outer concave mirror M1 to the outer concavity mirror M2. From there is the radiation 17 reflected on the inner concave mirror M3. The concave mirror M3 reflects the radiation 17 on the inner mirror M4, the radiation 17 through the opening 6 on the image capture level 4 focused or defocused images. The detector 3 Downstream image acquisition software processes those in the detector 3 detected and converted into electrical signals radiation 17 ,

Die 2 zeigt das monolithisch ausgebildete Trägerteil 10 der Kamera 1 der 1 in 3D-Darstellung. Im Kern 18 enthält das Trägerteil die beiden konzentrisch zueinander angeordneten Wölbspiegel M2, M4. Der Kern 18 ist mittels der Stege 12 von dem Randbereich 11 getrennt. Die zwischen den Stegen 12 angeordneten Durchbrüche 13 bilden insgesamt die ringförmige Apertur 14.The 2 shows the monolithically formed carrier part 10 the camera 1 of the 1 in 3D. At the core 18 the support part contains the two concentric to each other arranged Wölbspiegel M2, M4. The core 18 is by means of the webs 12 from the edge area 11 separated. The between the webs 12 arranged breakthroughs 13 together form the annular aperture 14 ,

Die 3 zeigt das monolithisch ausgebildete Trägerteil 7 der Kamera 1 der 1 in 3D-Ansicht. Die beiden Hohlspiegel M1, M3 sind konzentrisch um die Öffnung 6 angeordnet. Radial außerhalb des Hohlspiegels M1 ist der Randbereich 8 ausgebildet.The 3 shows the monolithically formed carrier part 7 the camera 1 of the 1 in 3D view. The two concave mirrors M1, M3 are concentric around the opening 6 arranged. Radially outside the concave mirror M1 is the edge region 8th educated.

Die 4 zeigt die für die Kamera 1 der 1 vorgesehene Lichtblende 19 (baffle) im Schnitt. Die Lichtblende 19 kann im Wesentlichen mechanisch entkoppelt zu der Kamera 1 mit ihrer Achse Z‘ koaxial zur optischen Achse Z angeordnet sein. Die Lichtblende 19 enthält den Außentubus 20 und den Innentubus 21, so dass ein der Apertur der Kamera im Wesentlichen entsprechender hohlzylindrischer Bestrahlungsraum gebildet wird, so dass nur im Wesentlichen parallel zur optischen Achse eingestrahlte Strahlung die Apertur erreicht. Hierzu sind an dem Außentubus in dem gezeigten Ausführungsbeispiel fünf entlang der Achse Z‘ beabstandet angeordnete Ringblenden 22 und an dem Innentubus 21 zwei Kreisblenden 23, 24 angeordnet. Die dem Gesichtsfeld zugeordnete vordere Kreisblende 23 ist zudem hohlspiegelförmig ausgebildet, so dass nicht winkelselektive Störstrahlung, beispielsweise die Sonneneinstrahlung und von den Zylinderwänden des Außentubus 20 reflektierte Strahlung wieder in den Weltraum abgestrahlt wird und eine thermische Last gering gehalten werden kann.The 4 shows the for the camera 1 of the 1 provided light aperture 19 (baffle) on average. The light aperture 19 can be essentially mechanically decoupled to the camera 1 be arranged with its axis Z 'coaxial with the optical axis Z. The light aperture 19 contains the outer tube 20 and the inner tube 21 such that a hollow-cylindrical irradiation space substantially corresponding to the aperture of the camera is formed, so that radiation irradiated only substantially parallel to the optical axis reaches the aperture. For this purpose, on the outer tube in the embodiment shown, five along the axis Z 'arranged spaced annular apertures 22 and on the inner tube 21 two circular apertures 23 . 24 arranged. The front bezel associated with the field of view 23 is also a hollow mirror-shaped, so that not angle-selective interference, such as sunlight and the cylinder walls of the outer tube 20 reflected radiation is emitted back into space and a thermal load can be kept low.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Kamera camera
22: Spiegelobjektiv mirror lens
33: Detektor detector
44: Bilderfassungsebene Image sensing plane
5 5: Vierspiegler-System Four Spiegler system
66: Öffnung opening
77: Trägerteil support part
88th: Randbereich border area
99: Abstandshalter spacer
1010: Trägerteil support part
1111: Randbereich border area
1212: Steg web
1313: Durchbruch breakthrough
1414: Apertur aperture
1515: Detektorträger detector support
1616: Abdeckplatte cover
1717: Strahlung radiation
1818: Kern core
1919: Lichtblende Lens hood
2020: Außentubus outer tube
2121: Innentubus inner tube
2222: Ringblende ring diaphragm
2323: Kreisblende circular aperture
2424: Kreisblende circular aperture
M1M1: Hohlspiegel concave mirror
M2M2: Wölbspiegel convex mirror
M3M3: Hohlspiegel concave mirror
M4M4: Wölbspiegel convex mirror
ZZ: optische Achse optical axis
Z‘Z ': Achse axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011001968 A1 [0002]

Claims

Camera ( 1 ) for a spacecraft with a detector ( 3 ) with an image capture layer ( 4 ) and one the radiation ( 17 ) of a given field of view to the image capture level ( 4 ) imaging lens, characterized in that the lens as a lens-less, coaxial about a perpendicular to the image capture plane ( 4 ) upright optical axis (Z) arranged mirror objective ( 2 ) with an annular aperture ( 14 ), wherein in the inner diameter of the aperture ( 14 ) at least one bulging mirror (M2, M4) and for this purpose along the optical axis (Z) spaced at least one concave mirror (M1, M3) with an about the optical axis (Z) arranged opening ( 6 ) for the image capture level ( 4 ) are provided.

Camera ( 1 ) according to claim 1, characterized in that arching mirrors (M2, M4) and concave mirrors (M1, M3) each on a first and second support part ( 7 . 10 ) and by means of a on the outer periphery of the mirror lens ( 2 ) spacer ( 9 ) are spaced from each other along the optical axis (Z), wherein the support part ( 10 ) of the at least one arching mirror (M2, M4) distributed over the circumference breakthroughs ( 13 ) for the aperture ( 14 ) having.

Camera ( 1 ) according to claim 2, characterized in that on a first carrier part ( 10 ) two concentrically arranged arching mirrors (M2, M4) and on a second carrier part ( 7 ) two concentrically around the opening ( 6 ), annular concave mirrors (M1, M3) to form a four-mirror system ( 5 ) are arranged in a folded beam path.

Camera ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that hollow and / or bulging mirrors (M1, M2, M3, M4) are formed spherically, aspherically or in free form.

Camera ( 1 ) according to claim 3 or 4, characterized in that at least one of the two carrier parts ( 7 . 10 ) is produced monolithically.

Camera ( 1 ) according to one of claims 2 to 5, characterized in that at least the support parts ( 7 . 10 ) and the spacer ( 9 ) Are made of the same material with a low thermal expansion coefficient, particularly Invar or Zerodur ^®.

Camera ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the aperture ( 14 ) to the outside by means of a flat, translucent cover plate ( 16 ) closed is.

Camera ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that a photosensitivity of the camera ( 1 ) by means of a gray filter and / or an aperture on and / or in the cover plate ( 16 ) and / or a setting of sensitive wavelength ranges of the camera ( 1 ) is provided by means of at least one spectral filter.

Camera ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that a pre-adjustment of the at least one arching mirror (M2, M4) relative to the at least one concave mirror (M1, M3) by means of a length and / or inclination adjustment of the spacer ( 9 ) is provided.

Camera ( 1 ) according to one of claims 2 to 9, characterized in that the carrier parts ( 7 . 10 ) each adjustable by means of a three-point support on the spacer ( 9 ) are included.

Camera ( 1 ) according to one of claims 2 to 10, characterized in that the detector ( 3 ) by means of a detector carrier ( 15 ) on the second carrier part ( 7 ) is recorded.

Camera ( 1 ) according to claim 11, characterized in that the detector ( 3 ) on the detector carrier ( 15 ) is absorbed thermally compensated.

Camera ( 1 ) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the aperture ( 14 ) a light aperture ( 19 ) with an outer tube ( 20 ) and an inner tube ( 21 ) is connected upstream.

Camera ( 1 ) according to one of claims 1 to 13, characterized in that an image of the radiation can be adjusted defocused and / or the detector ( 3 ) for sharply imaging the radiation ( 17 ) in the focal point of the mirror objective ( 2 ) is positioned.

Using the camera ( 1 ) according to one of claims 1 to 14 as a navigation camera, in particular for a star sensor and / or for terrestrial use and / or use in space for observing celestial bodies.