RU2798769C1

RU2798769C1 - Mirror-lens telescope lens for a micro-class spacecraft

Info

Publication number: RU2798769C1
Application number: RU2022130480A
Authority: RU
Inventors: Иван Михайлович Зайцев; Станислав Владимирович Якубовский
Original assignee: Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева", ПАО КМЗ
Filing date: 2022-11-24
Publication date: 2023-06-27

Abstract

FIELD: telescopes.

SUBSTANCE: used in electron-optical telescopes for remote sensing of the Earth. The mirror-lens objective consists of a main axisymmetric concave hyperbolic mirror having a hole in the central zone, a secondary axisymmetric convex hyperbolic mirror and a lens compensator located between the secondary and primary mirrors and consisting of a positive meniscus convexly facing the image plane; the second positive meniscus, concavity facing the image plane; and a concave-flat negative lens with its concavity facing the space of objects.

EFFECT: improved process characteristics for providing highly detailed survey of the Earth's surface in the spectral range of 500-890 nm when placed on board a micro-class spacecraft.

1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к оптико-электронной технике, а именно к электронно-оптическим телескопам дистанционного зондирования Земли, пригодным для применения на космических аппаратах микрокласса, в том числе формата CubeSat.The invention relates to optoelectronic engineering, namely to electron-optical telescopes for remote sensing of the Earth, suitable for use on microclass spacecraft, including the CubeSat format.

Известен оптический телескоп дистанционного зондирования Земли высокого разрешения для космических аппаратов микрокласса формата CubeSat, описанный в патенте РФ №2646418, МПК G02B 23/06, G02B 17/08, G02B 7/182, опубликованном 05.03.2018. Оптическая схема указанного телескопа состоит из зеркально-линзового осевого объектива с некруглой апертурой, включающего собирающую входную линзу, в центре которой расположено выпуклое вторичное зеркало, вогнутое главное зеркало-линза и предфокальный двухлинзовый корректор. Плоскость изображения находится вблизи задней поверхности крепежной системы главного зеркала. Однако, в данной конструкции присутствует большое количество линзовых компонентов, а также проходящих через них многократно отраженных лучей, что отрицательно сказывается на светопропускании всей системы, и, как следствие, приводит к повышенным требованиям к качеству оптического стекла и к покрытиям.A high-resolution optical telescope for remote sensing of the Earth is known for spacecraft of the microclass of the CubeSat format, described in the patent of the Russian Federation No. The optical scheme of the specified telescope consists of a mirror-lens axial objective with a non-circular aperture, including a converging entrance lens, in the center of which there is a convex secondary mirror, a concave primary mirror-lens and a prefocal two-lens corrector. The image plane is near the rear surface of the primary mirror mounting system. However, this design contains a large number of lens components, as well as multiple reflected rays passing through them, which adversely affects the light transmission of the entire system, and, as a result, leads to increased requirements for the quality of optical glass and coatings.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является зеркально-линзовый телескоп космического аппарата микрокласса формата CubeSat "Flock", опубликованный на сайте «https://scharapow-w.livejournal.com/502959.html?ysclid=195jg9hsfl857444134» (см. Приложение). Оптическая схема указанного телескопа состоит из: линзового мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, главного зеркала, выполненного в виде вогнутого осесимметричного сферического зеркала, обращенного вогнутостью к линзовому мениску, вторичного зеркала, напыленного на центральную часть линзового мениска, и линзового компенсатора, расположенного на оптической оси и выполненного в виде вогнуто-плоской отрицательной по оптической силе линзы Пиацци-Смита, расположенного за главным зеркалом и обращенного вогнутостью к пространству предметов. Однако, данное схемное решение имеет ряд недостатков, главным из которых является использование линзы Пиацци-Смита, применение которой эффективно лишь в том случае, когда выдержаны требования к точности изготовления характерно крутого радиуса кривизны первой поверхности, зависящего напрямую от показателя преломления линзы.Closest to the proposed invention is a mirror-lens telescope of a spacecraft microclass CubeSat "Flock" format, published on the website "https://scharapow-w.livejournal.com/502959.html?ysclid=195jg9hsfl857444134" (see Appendix). The optical scheme of the specified telescope consists of: a lens meniscus, concavity facing the space of objects, a primary mirror made in the form of a concave axisymmetric spherical mirror, concavity facing the lens meniscus, a secondary mirror deposited on the central part of the lens meniscus, and a lens compensator located on the optical axis and made in the form of a concave-flat Piazzi-Smith lens, negative in terms of optical power, located behind the main mirror and facing the space of objects with its concavity. However, this circuit solution has a number of disadvantages, the main of which is the use of the Piazzi-Smith lens, the use of which is effective only if the requirements for manufacturing accuracy of the characteristically steep radius of curvature of the first surface, which depends directly on the refractive index of the lens, are met.

Задачей данного изобретения является создание зеркально-линзового объектива телескопа в условиях ограниченного пространства спутника микрокласса формата CubeSat, осуществляющего высококачественную съемку земной поверхности из космоса при повышенной технологичности.The objective of this invention is to create a mirror-lens telescope lens in a limited space satellite microclass CubeSat format, carrying out high-quality imaging of the earth's surface from space with increased manufacturability.

Технический результат - создание зеркально-линзового объектива телескопа с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-890 нм при его размещении на борту космического аппарата микрокласса формата CubeSat.EFFECT: creation of a mirror-lens telescope lens with improved technological characteristics to provide highly detailed survey of the Earth's surface in the spectral range of 500-890 nm when placed on board a micro-class CubeSat spacecraft.

Это достигается тем, что зеркально-линзовый объектив телескопа для космического аппарата микрокласса, состоящий из последовательно установленных по ходу луча двух оптических элементов, лежащих на одной оптической оси, один из которых главное зеркало, выполненное в виде вогнутого осесимметричного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов и имеющее отверстие в центральной зоне, другой элемент выполнен в виде выпуклого осесимметричного зеркала, обращенного выпуклостью к главному зеркалу, кроме того, объектив реализован с линзовым компенсатором, расположенным на оптической оси, совпадающей с оптической осью зеркал, и выполненным в виде вогнуто-плоской отрицательной по оптической силе линзы, обращенной вогнутостью к пространству предметов, в отличие от известного, поверхности обоих зеркал являются гиперболическими, а линзовый компенсатор дополнен первой линзой - мениском, положительным по оптической силе, обращенным вогнутостью к пространству предметов, второй линзой - мениском, положительным по оптической силе, обращенным вогнутостью к плоскости изображения и расположенными перед вогнуто-плоской отрицательной по оптической силе линзой, обращенной вогнутостью к пространству предметов, причем линзовый компенсатор расположен между вторичным и главным зеркалами.This is achieved by the fact that the mirror-lens objective of a telescope for a microclass spacecraft, consisting of two optical elements installed in series along the beam, lying on the same optical axis, one of which is the main mirror, made in the form of a concave axisymmetric mirror, facing the space of objects with its concavity and having a hole in the central zone, the other element is made in the form of a convex axisymmetric mirror, convexly facing the main mirror, in addition, the lens is implemented with a lens compensator located on the optical axis coinciding with the optical axis of the mirrors, and made in the form of a concave-flat negative according to the optical power of the lens, concavity facing the space of objects, unlike the known one, the surfaces of both mirrors are hyperbolic, and the lens compensator is supplemented with the first lens - a meniscus, positive in optical power, facing the concavity to the space of objects, the second lens - a meniscus, positive in optical force, facing the concavity to the image plane and located in front of a concave-flat negative optical power lens, facing the concavity to the space of objects, and the lens compensator is located between the secondary and primary mirrors.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема зеркально-линзового объектива, на фиг. 2 - его полихроматическая модуляционная функция (МПФ) в спектральном диапазоне 500-890 нм для края углового поля. На фиг. 3 представлена диаграмма пятна рассеяния объектива (в мкм) в спектральном диапазоне 500-890 нм для края углового поля при расположении изображения в плоскости Гаусса.In FIG. 1 shows a schematic diagram of a mirror-lens objective, in Fig. 2 - its polychromatic modulation function (MPF) in the spectral range 500-890 nm for the edge of the angular field. In FIG. Figure 3 shows a diagram of the lens scattering spot (in µm) in the spectral range 500-890 nm for the edge of the angular field when the image is located in the Gaussian plane.

Зеркально-линзовый объектив (фиг. 1) состоит из установленных последовательно по ходу луча главного зеркала 1, вторичного зеркала 2, линзового компенсатора 3, причем в состав линзового компенсатора 3 входят линзы 4, 5, 6. Главное зеркало 1 выполнено в виде осесимметричного вогнутого по ходу луча гиперболического зеркала, имеющего отверстие в центральной зоне, вторичное зеркало 2 выполнено в виде осесимметричного выпуклого по ходу луча гиперболического зеркала. Главное зеркало 1 обращено вогнутостью к пространству предметов, а вторичное зеркало 2 обращено выпуклостью к плоскости изображения.The mirror-lens objective (Fig. 1) consists of the main mirror 1, the secondary mirror 2, the lens compensator 3 installed in series along the beam, and the lens compensator 3 includes lenses 4, 5, 6. The main mirror 1 is made in the form of an axisymmetric concave along the beam of the hyperbolic mirror having a hole in the central zone, the secondary mirror 2 is made in the form of an axisymmetric hyperbolic mirror convex along the beam. The main mirror 1 is concave towards the space of objects, and the secondary mirror 2 is convex towards the image plane.

Осесимметричные асферические поверхности главного зеркала 1 и вторичного зеркала 2 описываются следующей формулой:The axisymmetric aspherical surfaces of the primary mirror 1 and secondary mirror 2 are described by the following formula:

где r=√(x²+y²), (х, у, z) - координаты точки на поверхности зеркала относительно центра О на оси симметрии Oz; с=1/R - кривизна поверхности, R - радиус при вершине асферической поверхности, который может быть и положительным, и отрицательным в соответствии с направлением относительно оси z положения центра кривизны асферической поверхности; k=-е² - коническая константа, причем k<-1 для гиперболической поверхности, е - эксцентриситет.Линзовый компенсатор 3 состоит из трех расположенных на общей оси одиночных линз: 4, 5, 6. Оптическая сила линзового компенсатора составляет 0,1…0,2 от оптической силы зеркально-линзового объектива по абсолютному значению. Линзовый компенсатор 3 расположен по ходу луча между вторичным зеркалом 2 и главным зеркалом 1 и состоит из: первой линзы 4, выполненной из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричного положительного по оптической силе мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, причем обе его рабочие поверхности сферические; второй линзы 5, выполненной из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричного положительного по оптической силе мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, причем обе его рабочие поверхности сферические; третьей линзы 6, выполненной из оптического бесцветного стекла группы «крон» в виде осесимметричной вогнуто-плоской отрицательной по оптической силе линзы, обращенной вогнутостью к пространству предметов, причем вогнутая поверхность является сферической. Центры кривизны зеркал находятся на оптической оси зеркально-линзового объектива, центры кривизны линз линзового компенсатора 3 находятся на общей оси, которая совпадает с оптической осью зеркально-линзового объектива.where r=√(x ² +y ² ), (x, y, z) are the coordinates of a point on the surface of the mirror relative to the center O on the axis of symmetry Oz; с=1/R - curvature of the surface, R - radius at the top of the aspherical surface, which can be both positive and negative in accordance with the direction relative to the z-axis of the position of the center of curvature of the aspherical surface; k=-e ² - conical constant, and k<-1 for a hyperbolic surface, e - eccentricity. The lens compensator 3 consists of three single lenses located on a common axis: 4, 5, 6. The optical power of the lens compensator is 0.1 ... 0.2 of the optical power of a mirror-lens objective in absolute value. The lens compensator 3 is located along the beam between the secondary mirror 2 and the main mirror 1 and consists of: the first lens 4, made of optical colorless glass of the "flint" group in the form of an axisymmetric meniscus positive in terms of optical power, convexly facing the image plane, and both of them working surfaces are spherical; the second lens 5, made of optical colorless glass of the "flint" group in the form of an axisymmetric meniscus positive in terms of optical power, concave facing the image plane, both of its working surfaces being spherical; the third lens 6, made of optical colorless glass of the "crown" group in the form of an axisymmetric concave-flat negative lens in terms of optical power, the concavity facing the space of objects, and the concave surface is spherical. The centers of curvature of the mirrors are located on the optical axis of the mirror-lens objective, the centers of curvature of the lenses of the lens compensator 3 are on a common axis, which coincides with the optical axis of the mirror-lens objective.

Зеркально-линзовый объектив работает следующим образом. Свет от источника излучения попадает на главное зеркало 1, отражается от зеркальной гиперболической поверхности главного зеркала 1, затем попадает на вторичное зеркало 2, отражается от зеркальной гиперболической поверхности вторичного зеркала 2, после чего попадает на линзовый компенсатор 3, проходит последовательно линзы 4, 5, 6 и фокусируется в плоскости изображения.Mirror-lens lens works as follows. Light from the radiation source hits the main mirror 1, is reflected from the mirror hyperbolic surface of the main mirror 1, then hits the secondary mirror 2, is reflected from the mirror hyperbolic surface of the secondary mirror 2, then hits the lens compensator 3, passes through lenses 4, 5 in succession, 6 and focuses in the image plane.

По данному техническому решению рассчитан зеркально-линзовый объектив, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.According to this technical solution, a mirror-lens objective is designed, the design parameters of which are given in Table 1.

Значения величин, представленные в таблице 1, соответствуют зеркально-линзовому объективу со следующими характеристиками:The values given in Table 1 correspond to a reflex lens with the following specifications:

- Фокусное расстояние: 900 мм;- Focal length: 900 mm;

- Относительное отверстие: 1:10;- Relative aperture: 1:10;

- Угловое поле в меридиональном направлении 2ω_у=1,16°;- Angular field in the meridional direction 2ω _y =1.16°;

- Угловое поле в сагиттальном направлении 2ω_х=0,6°;- Angular field in the sagittal direction 2ω _x =0.6°;

- Коэффициент центрального экранирования 0,3;- Central screening coefficient 0.3;

- Продольная длина оптической системы объектива телескопа: 161 мм.- Longitudinal length of the optical system of the telescope lens: 161 mm.

Объектив имеет следующие аберрации для длины волны λ=700 нм и для положения изображения в плоскости Гаусса:The lens has the following aberrations for the wavelength λ=700 nm and for the image position in the Gaussian plane:

- Поперечная сферическая аберрация широких наклонных пучков в пределах всего углового поля не более 0,0045 мм.- Transverse spherical aberration of wide inclined beams within the entire angular field is not more than 0.0045 mm.

- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,012 мм.- Meridional astigmatic segment no more than 0.012 mm.

- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,044 мм.- Sagittal astigmatic segment no more than 0.044 mm.

- Дисторсия не более 0,1%.- Distortion no more than 0.1%.

- Хроматизм положения в спектральном диапазоне 500-890 нм не более 2,05 мкм.- Position chromatism in the spectral range 500-890 nm is not more than 2.05 µm.

Повышение технологичности достигается за счет использования асферических поверхностей только второго порядка со значениями конических констант, ограниченными двумя знаками после запятой; значения радиусов кривизны поверхностей приведены к ГОСТ 1807-75, значения осевых толщин также ограничены двумя знаками после запятой. Для обеспечения условия функционирования объектива в ограниченном пространстве спутника микрокласса продольная длина оптической системы ограничивается двумя юнитами (2U) формата CubeSat, то есть до 200 мм, а световой диаметр главного зеркала - до 90 мм.The increase in manufacturability is achieved through the use of aspherical surfaces of only the second order with the values of the conical constants, limited to two decimal places; the values of the radii of curvature of the surfaces are given to GOST 1807-75, the values of the axial thicknesses are also limited to two decimal places. To ensure the conditions for the operation of the lens in the limited space of a microclass satellite, the longitudinal length of the optical system is limited to two units (2U) of the CubeSat format, that is, up to 200 mm, and the light diameter of the primary mirror is up to 90 mm.

Таким образом, достигнут технический результат, а именно, создан зеркально-линзовый объектив телескопа с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-890 нм при его размещении на борту космического аппарата микрокласса формата CubeSat.Thus, a technical result has been achieved, namely, a mirror-lens telescope lens with improved technological characteristics has been created to provide highly detailed imaging of the Earth's surface in the spectral range of 500-890 nm when placed on board a CubeSat microclass spacecraft.

Claims

Mirror-lens telescope objective for a micro-class spacecraft, consisting of two optical elements installed in series along the beam, lying on the same optical axis, one of which is the main mirror, made in the form of a concave axisymmetric mirror, concavity facing the space of objects, and having a hole in the central zone, the other element is made in the form of a convex axisymmetric mirror, convexly facing the main mirror, in addition, the lens is implemented with a lens compensator located on the optical axis coinciding with the optical axis of the mirrors, and made in the form of a concave-flat lens negative in optical power , the concavity facing the space of objects, characterized in that the surfaces of both mirrors are hyperbolic, and the lens compensator is supplemented by the first lens - the meniscus, positive in optical power, facing the concavity of the objects space, the second lens - the meniscus, positive in optical power, facing the concavity to image planes located in front of a concave-flat negative lens in terms of optical power, the concavity facing the space of objects, and the lens compensator is located between the secondary and primary mirrors.