RU2168752C2

RU2168752C2 - Optoelectronic camera for remote earth sounding

Info

Publication number: RU2168752C2
Application number: RU98108779A
Authority: RU
Inventors: Б.Я. Герловин; Е.Р. Маламед; А.Г. Никандров; Ю.Н. Петров; М.Н. Сокольский
Original assignee: Открытое акционерное общество "ЛОМО"
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: space flight vehicles for research of the earth surface in the interests of the national economy and for solution of special problems. SUBSTANCE: the optoelectronic camera has a common objective lens both for the panchromatic and multi-spectral channels. The catadioptric lens consists of the main and secondary mirrors, as well as of a lens field corrector. Optoelectronic transducers made in the form of a set of linear or matrix photodetectors are installed in the focal plane of the objective lens. The camera is also provided with a focal distance transducer, lengthening the focal distance, two collecting lenses, having the shape of a segment and located symmetrically relative to the optical axis in the direction of travel of optical rays past the lens field corrector, shortening the focal distance of the focal distance transducer, and a color separation unit installed past the focal distance transducer and having several channels, connected to whose outputs are additional optoelectronic transducers. EFFECT: enhanced functional capabilities of the chamber, reduced overall dimensions and mass of it. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, в частности, к области космических зеркально- линзовых телескопов и электронно-оптических камер и может быть использовано для улучшения их технических характеристик и расширения функциональных возможностей, а именно для уменьшения их габаритных размеров и массы при одновременном высоком линейном разрешении в панхроматическом канале и высоком отношении сигнал/шум в мультиспектральных каналах. The invention relates to the field of optical-electronic instrumentation, in particular, to the field of space mirror-lens telescopes and electron-optical cameras and can be used to improve their technical characteristics and expand functional capabilities, namely to reduce their overall dimensions and mass while high linear resolution in the panchromatic channel and a high signal to noise ratio in multispectral channels.

Известны аналогичные электронно-оптические камеры, имеющие в своем составе по два телескопа: один, выполненный по схеме Ричи-Кретьена (панхроматический канал), линзовый телескоп в многоспектральном канале на основе несканирующей ПЗС-матрицы [1]. Однако наличие двух телескопов в одной электронно-оптической камере делает их более крупногабаритными и увеличивает массу, что очень нежелательно при разработке малых космических аппаратов. Similar electron-optical cameras with two telescopes are known: one made according to the Ritchie-Chretien scheme (panchromatic channel), a lens telescope in a multispectral channel based on a non-scanning CCD matrix [1]. However, the presence of two telescopes in one electron-optical camera makes them larger and increases mass, which is very undesirable when developing small spacecraft.

Часто используют для панхроматического (черно-белого) и многоспектрального каналов единый телескоп [2]. Однако это также приводит к увеличению массы и габаритов электронно-оптической камеры, т.к. в мультиспектральном канале, как правило, не требуется высокого разрешения. Often use a single telescope for panchromatic (black and white) and multispectral channels [2]. However, this also leads to an increase in the mass and dimensions of the electron-optical camera, because in the multispectral channel, as a rule, high resolution is not required.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является космический зеркально-линзовый телескоп, содержащий установленные последовательно главное зеркало, вторичное зеркало, линзовый корректор поля, коллектив, преобразователь фокусного расстояния (ПФР), удлиняющий последнее, и находящиеся в фокальной плоскости оптико-электронные преобразователи, выполненные в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств [3]. Однако наличие только удлиняющего фокусное расстояние преобразователя усложняет и увеличивает массу телескопа при организации мультиспектрального канала. Closest to the invention in technical essence is a space mirror-lens telescope containing a main mirror, a secondary mirror, a lens field corrector, a collective, a focal length converter (PFR) extending the latter, and optical-electronic converters located in the focal plane, made in series in the form of a set of linear or matrix photodetectors [3]. However, the presence of only a converter lengthening the focal length complicates and increases the mass of the telescope when organizing a multispectral channel.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей электронно-оптической камеры, а именно введение дополнительного мультиспектрального канала, а также уменьшение ее габаритов и массы. The task of the invention is to expand the functionality of the electron-optical camera, namely the introduction of an additional multispectral channel, as well as reducing its dimensions and mass.

Для решения поставленной задачи предложена электронно-оптическая камера, имеющая единый зеркально-линзовый объектив как для панхроматического, так и для мультиспектрального каналов. Объектив состоит из главного и вторичного зеркал, а также линзового корректора поля. В фокальной плоскости объектива установлены оптико-электронные преобразователи, выполненные в виде набора линейных или матричных фотоприемных устройств. Камера также снабжена преобразователем фокусного расстояния, удлиняющим последнее. To solve this problem, an electron-optical camera has been proposed, which has a single mirror-lens lens for both panchromatic and multispectral channels. The lens consists of a primary and secondary mirror, as well as a lens field corrector. Optical-electronic converters are installed in the focal plane of the lens, made in the form of a set of linear or matrix photodetector devices. The camera is also equipped with a focal length converter that extends the latter.

В отличие от прототипа в предложенной электронно-оптической камере используются два коллектива, имеющие форму сегмента и расположенные симметрично относительно оптической оси по ходу оптических лучей после линзового корректора поля. Кроме ПФР, удлиняющего фокусное расстояние, камера снабжена укорачивающим фокусное расстояние ПФР и установленным за ним цветоделительным блоком, имеющим несколько каналов, на выходе которых расположены дополнительные оптико-электронные преобразователи. In contrast to the prototype, the proposed electron-optical camera uses two teams having a segment shape and located symmetrically relative to the optical axis along the optical rays after the lens field corrector. In addition to the PFR extending the focal length, the camera is equipped with a shortening focal length PFR and a color separation unit installed behind it, which has several channels at the output of which additional optoelectronic converters are located.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Введение цветоделительного блока и дополнительных оптико-электронных преобразователей позволяет создать в данной камере дополнительный мультиспектральный канал, что расширяет ее функциональные возможности. Для организации и панхроматического и мультиспектрального каналов в электронно-оптической камере используется один и тот же зеркально-линзовый объектив, выполненный, например, по схеме Ричи-Кретьена, но затем с помощью двух коллективов и расположенных за ними преобразователей фокусного расстояния (в виде, например, линзовых проекционных объективов) в панхроматическом канале увеличивают фокусное расстояние, а в мультиспектральном уменьшают. The essence of the invention is as follows. The introduction of a color separation unit and additional optoelectronic converters allows you to create an additional multispectral channel in this camera, which expands its functionality. To organize both the panchromatic and multispectral channels in the electron-optical camera, the same mirror-lens lens is used, made, for example, according to the Ritchie-Chretien scheme, but then using two teams and the focal length transducers located behind them (in the form, for example , lens projection lenses) in the panchromatic channel increase the focal length, and in the multispectral decrease.

В результате достигается различное требуемое линейное разрешение на местности: высокое в панхроматическом и более низкое в мультиспектральном. При этом оптическая схема всей камеры получается компактной, размеры оптико-электронных преобразователей при одном и том же угловом поле в каналах оптимальными, вся камера имеет лучшие массогабаритные характеристики. При этом в мультиспектральном канале обеспечивается большое относительное отверстие, что определяет высокое отношение сигнал/шум. Необходимо отметить, что коллективы строят промежуточное изображение входного зрачка, что дает возможность, устанавливая в этой плоскости диафрагмы, обходиться без бленд, что также существенно упрощает конструкцию всей электронно-оптической камеры и уменьшает ее массу. As a result, a different required linear resolution is achieved on the ground: high in panchromatic and lower in multispectral. At the same time, the optical design of the entire camera is compact, the dimensions of the optoelectronic converters are optimal for the same angular field in the channels, and the entire camera has the best overall dimensions. At the same time, a large relative aperture is provided in the multispectral channel, which determines a high signal to noise ratio. It should be noted that the teams are building an intermediate image of the entrance pupil, which makes it possible to do without hoods by installing aperture in this plane of the aperture, which also greatly simplifies the design of the entire electron-optical camera and reduces its mass.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на чертеже, где дана принципиальная схема построения электронно-оптической камеры. Электронно-оптическая камера содержит установленные последовательно вогнутое главное зеркало 1, выпуклое вторичное зеркало 2, линзовый корректор поля 3; далее в панхроматическом канале: коллектив 4, плоское зеркало 5, удлиняющий фокусное расстояние ПФР 6 (например, проекционный объектив), плоское зеркало 7 и оптико-электронный преобразователь 8, фоточувствительные элементы которого установлены в фокальной плоскости, а в мультиспектральном канале: коллектив 9, плоское зеркало 10, плоское зеркало 11, ПФР 12, укорачивающий фокусное расстояние (например, проекционный объектив), цветоделительный блок 13, имеющий, например, четыре канала, на выходе которых установлены оптико-электронные преобразователи 14, фоточувствительные элементы которых расположены в сопряженных друг с другом фокальных плоскостях. The essence of the invention is illustrated in the drawing, which gives a schematic diagram of the construction of an electron-optical camera. The electron-optical camera contains a sequentially concave main mirror 1, a convex secondary mirror 2, a lens field corrector 3; further in the panchromatic channel: team 4, a flat mirror 5 that lengthens the focal length of the PFR 6 (for example, a projection lens), a flat mirror 7 and an optoelectronic converter 8, the photosensitive elements of which are installed in the focal plane, and in the multispectral channel: team 9, a flat mirror 10, a flat mirror 11, PFR 12, shortening the focal length (for example, a projection lens), a color separation unit 13, having, for example, four channels, the output of which are optoelectronic converters and 14, the photosensitive elements are disposed in conjugate with each other focal planes.

Работа электронно-оптической камеры осуществляется следующим образом. The operation of the electron-optical camera is as follows.

На космическом аппарате электронно-оптическая камера в исходном положении располагается таким образом, что ось X направлена к Земле, ось Z совпадает с направлением полета, а ось Y перпендикулярна вектору скорости бега изображения. Изображение беспрерывно "бежит" и сканируется оптико-электронными преобразователями. On the spacecraft, the electron-optical camera is in the initial position in such a way that the X axis is directed to the Earth, the Z axis coincides with the direction of flight, and the Y axis is perpendicular to the image's running speed vector. The image continuously runs and is scanned by optoelectronic converters.

Главное зеркало 1, вторичное зеркало 2 и линзовый корректор поля 3 строят промежуточное изображение поверхности Земли в плоскости АА (например, в виде "полос" I и II), в которой устанавливаются два коллектива, имеющие форму сегмента и расположенные симметрично относительно оптической оси. Обычно линейное разрешение в панхроматическом канале выше, чем в мультиспектральном в несколько раз [4], что требует соответствующей разницы в фокусных расстояниях двух каналов, а именно в панхроматическом канале фокусное расстояние должно быть больше, чем в мультиспектральном. В связи с этим в панхроматическом канале промежуточное изображение I перепроецируется с помощью плоского зеркала 5, преобразователя фокусного расстояния 6, имеющего увеличение V_пк > 1, плоского зеркала 7 в плоскость фоточувствительных элементов оптико-электронного преобразователя 8. В мультиспектральном же канале промежуточное изображение II перепроецируется с помощью плоских зеркал 10 и 11, преобразователя фокусного расстояния 12, имеющего увеличение V_пк < 1, и цветоделительного блока 13 в плоскость фоточувствительных элементов оптико-электронных преобразователей 14. В результате в панхроматическом канале общее фокусное расстояние f_пк= f_1-3 • V_пк, а в мультиспектральном f_мк = f_1-3 • V_мк, где f_1-3 - промежуточное фокусное расстояние системы, образованной главным зеркалом 1, вторичным зеркалом 2 и линзовым корректором поля 3. Таким образом, получаем, что f_пк/f_мк = V_пк/V_мк. Например, если необходимо обеспечить линейное разрешение в панхроматическом канале, равное 1 м, а в мультиспектральном - 4 м (что отвечает современным требованиям), то наиболее оптимально, чтобы V_пк = 2, а V_мк = 0,5. При этом промежуточное фокусное расстояние f_1-3 = f_пк/2, что обеспечивает меньшее почти в два раза расстояние между вторичным зеркалом и промежуточной плоскостью изображения I-I по отношению к зеркально-линзовому объективу, проектируемому сразу с фокусным расстоянием f_пк [5] . При этом необходимо учесть, что ввести какие-либо зеркала в промежуток между главным и вторичным зеркалами с целью как-то "сложить" схему для уменьшения общих габаритов зеркально-линзового телескопа практически невозможно. После же промежуточной плоскости изображения световые пучки являются широкими только в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа (их ширина определяется длиной линейки фоточувствительной зоны оптико-электронных преобразователей), а в плоскости чертежа они достаточно узкие (их ширина определяется апертурой объектива и практически нулевым угловым полем в этой плоскости). Это дает возможность оптимально "сложить" оптическую схему плоскими зеркалами. В результате получаем электронно-оптическую камеру с уменьшенными габаритами и массой. С другой стороны, узкие спектральные диапазоны требуют больших относительных отверстий, что и имеет место в данном техническом решении. А это автоматически приводит к увеличению отношения сигнал/шум. Таким образом, в предложенном техническом решении расширение функциональных возможностей, а именно создание дополнительного мультиспектрального канала, достигается за счет введения цветоделительного блока и дополнительных оптико-электронных преобразователей. Использование одного объектива в обоих каналах позволяет сделать схему электронно-оптической камеры с относительно небольшими габаритами и массой.The main mirror 1, the secondary mirror 2, and the lens corrector of field 3 build an intermediate image of the Earth’s surface in the AA plane (for example, in the form of “bands” I and II), in which two teams are installed, having the shape of a segment and located symmetrically relative to the optical axis. Typically, the linear resolution in the panchromatic channel is several times higher than in the multispectral channel [4], which requires a corresponding difference in the focal lengths of the two channels, namely in the panchromatic channel, the focal length should be greater than in the multispectral one. In this regard, in the panchromatic channel, the intermediate image I is re-projected using a flat mirror 5, a focal length converter 6 having an increase in V _pc > 1, a flat mirror 7 into the plane of the photosensitive elements of the optoelectronic converter 8. In the multispectral channel, the intermediate image II is re-projected via plane mirrors 10 and 11, the focal length of transducer 12 having an increase in V _pc <1, and color separation unit 13 in the plane of photosensitive elements of the electron-optical onnyh converters 14. As a result, the panchromatic channel total focal distance f _pc = f _pc _1-3 • V, and multispectral f _u = _1-3 f • V _n, where f _1-3 - an intermediate focal length of the system formed by the main mirror 1, secondary mirror 2 and lens field corrector 3. Thus, we obtain that f _pc / f _mk = V _pc / V _mk . For example, if it is necessary to provide a linear resolution in the panchromatic channel equal to 1 m, and in the multispectral channel - 4 m (which meets modern requirements), then it is most optimal that V _pc = 2, and V _mk = 0.5. In this case, the intermediate focal length f _1-3 = f _pc / 2, which provides almost two times less distance between the secondary mirror and the intermediate plane of image II with respect to the mirror-lens lens designed immediately with a focal length f _pc [5]. It should be borne in mind that it is practically impossible to introduce any mirrors between the primary and secondary mirrors in order to somehow “fold” the circuit to reduce the overall dimensions of the mirror-lens telescope. After the intermediate plane of the image, the light beams are wide only in the plane perpendicular to the plane of the drawing (their width is determined by the length of the line of the photosensitive zone of the optoelectronic converters), and in the plane of the drawing they are quite narrow (their width is determined by the aperture of the lens and almost zero angular field in this plane). This makes it possible to optimally "fold" the optical scheme with flat mirrors. As a result, we obtain an electron-optical camera with reduced dimensions and weight. On the other hand, narrow spectral ranges require large relative apertures, which is the case in this technical solution. And this automatically leads to an increase in signal-to-noise ratio. Thus, in the proposed technical solution, the expansion of functionality, namely the creation of an additional multispectral channel, is achieved through the introduction of a color separation unit and additional optoelectronic converters. The use of a single lens in both channels allows you to make a diagram of an electron-optical camera with relatively small dimensions and weight.

Источники информации
1. "Оптический журнал", 1996 г., N 1, с.9, первый абзац.Sources of information
1. "Optical Journal", 1996, N 1, p. 9, first paragraph.

2. "Оптический журнал", 1996 г., N 1, с.9, второй абзац. 2. "Optical Journal", 1996, N 1, p. 9, second paragraph.

3. "Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета", Н.И. Михельсон, М. : Физико-математическая литература, 1995 г., с. 328-331 - прототип. 3. "Optics of astronomical telescopes and methods for its calculation", N.I. Michelson, M.: Physics and Mathematics, 1995, p. 328-331 is a prototype.

4. "Оптический журнал", 1996 г., N 1, с. 9. 4. "Optical Journal", 1996, N 1, p. 9.

5. "Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета", Н.И. Михельсон, М. : Физико-математическая литература, 1995 г., с. 224, формула (6.15). 5. "Optics of astronomical telescopes and methods for its calculation", N.I. Michelson, M.: Physics and Mathematics, 1995, p. 224, formula (6.15).

Claims

An electron-optical camera for remote sensing of the Earth, containing a series-mounted main mirror, a secondary mirror, a lens field corrector, a focal length transducer and an optical-electronic transducer located in the focal plane, made in the form of a set of linear or matrix photodetector devices, characterized in that it equipped with two teams having the shape of a segment and located along the rays after the lens field corrector symmetrically with respect to the optical axis, an additional focal length transducer and a color separation unit installed behind it, having several channels, at the output of which additional optoelectronic converters are located.