ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОБЪЕКТИВОВ ДЛЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
УДК 535.317.2 ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОБЪЕКТИВОВ ДЛЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
© 2009 г. А. М. Савицкий; М. Н.Сокольский, доктор техн. наук
ОАО “ЛОМО”, Санкт-Петербург
Рассмотрены оптические схемы разработанных на ОАО “ЛОМО” объективов оптикоэлектронных камер с диаметрами входных зрачков 200–350 мм для мини-космических аппаратов и 500–750 мм для малых космических аппаратов с угловыми полями 2°–4,5°, минимизированные по массам и габаритам за счет выбора оптимальных оптических систем объективов. Объективы построены по двухзеркальным схемам с линзовыми, однозеркальными и зеркально-линзовыми корректорами полевых аберраций и преобразователями фокусного расстояния. Приведены варианты построения оптических схем и их параметры.
Ключевые слова: космические объективы.
Коды OCIS: 230.0230, 120.4640, 350.6090.
Поступила в редакцию 15.06.2009.
В последнее время большое внимание уделяют созданию малых космических аппаратов (МКА), на которых устанавливаются оптикоэлектронные камеры (ОЭК) для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Основные технические характеристики современных спутников для ДЗЗ приведены в табл. 1.
Масса целевой аппаратуры (ЦА ) в основном определяется массой ОЭК, которая состоит из объектива космического телескопа (КТ) и системы приема и преобразования информации (СППИ). Ориентировочно можно принять, что массы объектива и СППИ составляют соответственно 2/3 и 1/3 от массы ЦА.
Массогабаритные характеристики КТ во многом определяются оптической схемой и технологическими возможностями ее реализации. Поэтому выбор оптимальной оптической схемы является важной и достаточно сложной задачей создания ОЭК. В работе [1] рассмотрены общие принципы построения и оптические системы объективов крупногабаритных космических телескопов, предназначенных главным образом для больших спутников. В настоящей статье рассматриваются оптические схемы ОЭК, разрабатываемых и изготавливаемых на “ЛОМО”, для МКА, устанавливаемых на мини и малые спутники,
Основные оптические параметры ОЭК приведены в табл. 2.
В таблице указаны спектральные диапазоны: панхроматический (ПХ), мультиспектральный
(МС), средний инфракрасный (СИК), дальний инфракрасный (ДИК). Системная функция передачи модуляции определяется как произведение функций передачи модуляции (ФПМ) объектива и СППИ.
Оптические схемы объективов КТ можно разделить на линзовые, зеркальные и зеркальнолинзовые.
В линзовых объективах несложно реализовать большие угловые поля 2ω > 4°. К недостаткам линзовых схем, ограничивающих их использование в ОЭК, относятся большие длины оптической системы, близкие к значению фокусного расстояния f′, терморасстраиваемость, высокая чувствительность к влиянию эксплуатационных воздействий, особые жесткие требования к обеспечению теплового режима.
Зеркальные и зеркально-линзовые системы строятся по схеме зеркального телеобъектива (рис. 1). Они состоят из главного зеркала (ГЗ) – 1, вторичного зеркала (ВЗ) – 2 и корректора поле-
Таблица 1. Основные характеристики современных спутников
Класс КА ДЗЗ
Диапазоны масс КА ДЗЗ, кг
Масса ЦА, % от массы
КА
Микроспутники
< 100
34–42
Мини-спутники
100–500
30–42
Малые спутники
500–1000
26–36,5
Большие спутники
≥ 1000
16–35,5
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
83
Таблица 2. Основные параметры ОЭК Наименование параметра
Диаметр входного зрачка D, мм Угловое поле 2ω, град Полоса обзора с высоты орбиты Н = 600 км, км Фокусное расстояние, мм Спектральный диапазон, мкм
Системная функция передачи модуляции (ФПМ) на зачетной частоте (μН) в панхроматическом диапазоне Наличие системы автоматической фокусировки (САФ) Масса, кг
Мини-КА 200–350 2,5–4,5
25–45 600–3000 ПХ: 0,5–0,8 МС: 0,48–0,52
0,54–0,59 0,63–0,69 0,75–0,95
—
0,1–0,2 30
Малые КА
500–700 2–3
20–30 8000–12000 ПХ: 0,5–0,8
СИК: 3–5 ДИК: 8–12,5 МС: 0,48–0,52
0,54–0,59 0,63–0,69 0,75–0,95
0,1–0,2
+ < 150
(а)
1
3 2 F′
(б) 1
2
3 F′
1 (в) F′
23
Рис. 1. Принципиальные оптические схемы космических объективов (пояснения в тексте).
вых аберраций (КПА) – 3. Малые угловые поля и относительные отверстия объективов упрощают коррекцию аберраций, главным образом аберрации III порядка: сферическую, кому, астигматизм, кривизну изображения и дисторсию (для топографических ОЭК).
Обычно для коррекции сферической аберрации и комы вводится асферизация ГЗ и ВЗ, а для коррекции астигматизма и кривизны поля – КПА. Применяются линзовые, зеркальные или зеркально-линзовые КПА.
Оптическую схему КТ можно разделить на два компонента: 1) зеркальный, состоящий из ГЗ и ВЗ, и 2) КПА. КПА с увеличением β переносит промежуточное изображение объекта, создаваемое зеркальным компонентом, в фокальную плоскость всего КТ.
В схеме по рис. 1а зеркальный компонент дает действительное промежуточное изображение, которое КПА переносит в плоскость Fэ′кв с отрицательным увеличением β.
В схеме по рис. 1б КПА переносит в плоскость F′экв изображение с положительным увеличением β, т. е. схема не имеет действительного изображения зеркального компонента.
Схема по рис. 1б известна как схема Ричи– Кретьена с КПА. Она состоит из гиперболических ГЗ и ВЗ и линзового КПА. В зависимости от относительного отверстия 1:10–1:3 длина l оптической схемы – расстояние от ВЗ до F′экв – лежит в интервале (0,25–0,35)f′экв. В схеме минимальное количество зеркальных поверхностей – две, причем она центрированная, осесимметричная, что облегчает построение системы обеспечения температурного режима (СОТР),
84 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
и технологична с точки зрения изготовления и нерасстраиваемости в условиях эксплуатации.
Основной проблемой применения схемы Ричи–Кретьена является защита фокальной плоскости от прямого попадания лучей через отверстие в ГЗ, минуя отражения от ГЗ и ВЗ (“паразитная” засветка изображения), на фотоприемник. Проблема усугубляется для широкоугольных систем и для систем, длина которых в несколько раз меньше их фокусного расстояния.
Эта схема требует применения длинной бленды, установленной перед объективом.
Для защиты фокальной плоскости от “паразитных” засветок предложена система внутренних конических светозащитных бленд [2].
Суть светозащитных бленд на примере двухзеркального объектива видна из рис. 2. Между ГЗ (1), ВЗ (2) и фокальной плоскостью (3) установлены конические бленды (4). Бленды представляют собой кольцевые конусы, выполненные из тонкого материала, толщиной t. Вершины конусов, частью которых являются кольцевые конусы, совпадают с фокусом ГЗ (F). Конические бленды устанавливаются в цилиндрической зоне, ограниченной отверстием D1 в ГЗ и диаметром ВЗ (DВЗ). Высота каждого k-го усеченного кольцевого конуса h –
h = (D1− DÂÇ )/2.
Длина k-го конуса dk определяется как
dk = h/tgαk,
где tgαk = DÂÇ /(f ′−d + lk), lk – расстояние от ВЗ до переднего торца бленды k.
Как видно из рис. 2, образующие “скользят” по пучкам лучей, отраженных от ГЗ, создавая дополнительное кольцевое экранирование на входном зрачке толщиной tЗ
tÇ = tfÃ′Ç /(fÃ′Ç −d + lk ).
Таким образом, входной зрачок объектива представляет собой круг с центральным экраном диа-
56
1
2 Fn
4
3
t D1
dk lk d
f
Рис. 2. Схема светозащитных бленд в двухзеркальном объективе (пояснения в тексте).
Таблица 3. Оптические параметры объективов КТ для космических мини-спутников
Наименование параметров
Оптические схемы по рисункам 3a 3б 3в
Диаметр входного зрачка D, мм
200
200
280
Фокусное расстояние fэ′кв, мм Угловое поле 2ω, град
700
2000
2800
3,8 4
3
Длина оптической системы l, мм Относительная длина l/fэ′кв Спектральный диапазон, мкм
340 0,485
570 0,285
775 0.27
ПХ
0,4–0,8
0,48–0,9
0,4–0,9
МС 0,48–0,52;
0,54–0,59;
0,63–0,69;
0,75–0,95
Расчетные значения ФПМ (лин/мм)
в ПХ диапазоне на частоте μ
120 60 60
центр поля
0,4 0,3 0,29
край поля
0,3
0,21
0,20/0,25
Масса, кг
24
16,6
26,2
3г 350 1670 4,4 600 0,36
0,48–0,77 0,48–0,52; 0,54–0,59; 0,63–0,69; 0,75–0,95
72 0,42 0,37 30
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
85
метром DВЗ и k кольцами по числу кольцевых конусов 4. Как видно из рис. 2, наличие внутренних светозащитных конических и цилиндрических бленд защищает фокальную плоскость от прямых лучей 5, максимально пропуская рабочие лучи 6. Наличие конических бленд вносит дополнительное экранирование, зависящее от толщин бленд t и их количества k. В случае полного исключения головной бленды дополнительное экранирование не превышает 3–5% от площади зрачка и снижает значение ФПМ на зачетной частоте не более чем на 10%. В табл. 3 и на рис. 3 приведены оптические параметры и схемы четырех объективов КТ, разработанных на “ЛОМО” и построенных по схемам Максутова (рис. 3a, 3б) и Ричи–Кретьена с линзовыми КПА (рис. 3в, 3г). Для уменьшения массы объективов применены облегченные зеркала и углепластиковые конструкции. В таблице указаны значения масс всего объектива в целом. В оптические системы введены конические бленды, позволившие сократить длины головных бленд с 4D до 2D в схеме по рис. 3а, с (4–5)D до 0,5D в схемах по рис. 3б, 3в, 3г.
Для МКА на “ЛОМО” разработаны объективы КТ с диаметром входного зрачка D = 500–750 мм. Такие объективы могут быть построены по схеме Ричи–Кретьена с линзовым КПА или по схеме с однозеркальным или зеркально-линзовым КПА. Оптическая схема с зеркальным КПА показана на рис. 1в [3]. Особенностью схемы является наличие действительного промежуточного изображения после зеркального компонента, состоящего из ГЗ (1) и ВЗ (2). Третье зеркало (3) перепроецирует промежуточное изображение в эквивалентную фокальную плоскость, в которой установлены приемники. В схеме ГЗ – асферическое эллиптическое зеркало, ВЗ – гиперболическое, третье зеркало (КПА) – эллиптическое, позволяющее скорригировать астигматизм, вносимый зеркальным компонентом. Для коррекции кривизны изображения радиусы зеркал выбираются из условия, чтобы алгебраическая сумма их обратных величин равнялась нулю.
Достоинством схемы является отсутствие необходимости установки сложных светозащитных бленд, хорошая возможность реализации широкого спектрального диапазона, в частности видимого и инфракрасных – 3–5 и 8–12 мкм. С другой стороны, достижение больших угловых полей, более 3°, достаточно проблематично. Кроме того, необходимость установки в схему светофильтров, защитных стекол требует введения дополнительных линзовых элементов (для
(а) 4 52
4 13
ФП
5 2
2
(б) 1
3 4
F′
ФП
(в) 1 43
F′
ФП
1 24
(г) 3
F′
ФП
Рис. 3. Оптические схемы объективов для мини-спутников. 1 – ГЗ, 2 – ВЗ, 3 – КПА, 4 – светозащитные бленды, 5 – компенсатор аберраций, ФП – фокальная плоскость.
коррекции главным образом хроматических аберраций увеличения) либо линзовых компонентов (для изменения фокусного расстояния того или иного спектрального канала).
Особенностью трехзеркальных схем с промежуточным изображением после ГЗ и ВЗ является расположение выходного зрачка в пространстве изображения между третьим зеркалом и плоскостью изображения. При больших полях изображения угол ω′ главного луча для крайних точек поля становится весьма значительным,
86 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
что приводит к появлению полевых аберраций: комы, астигматизма, кривизны изображения, хроматизма увеличения, вносимых защитным стеклом 4.
Монохроматические аберрации могут быть исправлены незначительным изменением эксцентриситетов зеркал, а для исправления хроматизма увеличения необходимо ввести дополнительный линзовый компонент.
Оценим влияние хроматизма увеличения на качество изображения. Хроматизм увеличения Δу′λ1λ2 для плоскопараллельной пластинки определяется как [4]
Δyλ′ 1λ2
=
(n
−1)ω′ n2ν
d,
(1)
где d – толщина пластинки, n – показатель пре-
ломления
материала
пластинки
ν
=
nλ0 −1 nλ1 −nλ2
–
коэффициент дисперсии, ω′ – угол главного луча.
Наличие хроматизма увеличения, или по-
перечного хроматизма, снижает ФПМ системы
в Tхр(μ) раз, где Tхр(μ) – ФПМ поперечного хроматизма [5], определяемая как
Tõð (μ)
=
sinc ⎢⎢⎣⎡2πμΔyλ′1λ2
Δλ λ1 − λ2
⎥⎦⎥⎤
≈
≈ sinc ⎣⎢⎡πμΔyλ′1λ2 ⎥⎦⎤.
(2)
Например, если принять μÍ =1/(2à) – частота Найквиста, где a – размер пиксела, и Δуλ′ 1λ2 = a, то Tхр(μН) = 0,66, а при Δуλ′ 1λ2 = 2a получим Tхр(μН) = 0.
Для коррекции хроматизма увеличения пло-
скопараллельной пластинки вблизи выходного
зрачка можно установить однолинзовый ком-
пенсатор [6], вносящий хроматизм увеличения Δу′λ1λ2, равный по величине и обратный по знаку. Таким компенсатором хроматизма может быть
длиннофокусный отрицательный мениск с вогну-
тостью, обращенной к плоскости изображения,
показанный на рис. 4.
В табл. 4 приведены параметры оптических
систем, а на рис. 4 – оптические схемы для МКА.
Для упрощения рисунка показан ход лучей от
плоскости промежуточного изображения, соз-
даваемого ГЗ и ВЗ, до фокальной плоскости.
Объектив на рис. 4a построен по трехзеркальной
схеме, в которой КПА – эллиптическое зеркало,
ПХ и ИК каналы имеют одинаковые значения
фокусных расстояний. В схеме на рис. 4б ПХ и
ИК каналы построены по трехзеркальной схеме,
но в канал ИК введен линзовый преобразователь
фокусного расстояния (ЛПФР), уменьшающий
1200
(а)
17
ФЧЗ ИК канала
2
43
7 760
ФЧЗ ПХ канала
1200
(б) 17
ФЧЗ 5 ИК канала
2
43
760 7
ФЧЗ
ПХ канала
(в) 1
ФЧЗ
ИК канала
5 26
47
3
ФЧЗ 760 7 ПХ канала
Рис. 4. Оптические схемы объективов для МКА. 1 – ГЗ, 2 – ВЗ, 3 – КПА – эллиптическое зеркало, 4 – корректор хроматических аберраций, 5 – линзовый преобразователь фокусного расстояния, 6 – коллектив, ФЧЗ – фоточувствительная зона приемников, 7 – плоские отклоняющие зеркала (пояснения
в тексте).
фокусное расстояние f′ до 3800 мм и тем самым увеличивающий относительное отверстие до 1:5. ЛПФР установлен вблизи выходного зрачка оптической системы.
Объектив по схеме на рис. 4в состоит из двух каналов: панхроматический построен по трехзеркальной схеме, состоящей из ГЗ (1), ВЗ (2), КПА (3) и дополнительного корректора хроматических аберраций, а ИК канал – по двухзеркальной схеме, состоящей из ГЗ (1), ВЗ (2) и линзового компонента (3), выполняющего функции преобразователя фокусного расстояния и КПА.
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
87
Таблица 4. Параметры оптических систем для МКА
Тип оптической схемы
Наименование параметров
Ричи–Кретьена Трех-
Трехзеркальная
с трехлинз. зеркальная
(рис. 4б)
КПА
(рис. 4a)
без ЛПФР с ЛПФР
Трехзеркальная
Двухзеркальная
с ЛКПА
(рис. 4в)
Диаметр входного зрачка D, мм
500
750
750
600
Фокусное расстояние fэ′ кв, мм Угловое поле 2ω, град
4700 2,66
6000 1,8
6000
3800
1,8
4285
1670
1,827
Длина оптической системы l, мм
1200
1200
1200
1100
Относительная длина l/f′экв Спектральный диапазон, мкм
0,25
0,20
0,20
0,257
ПХ
0,5–0,8
0,5–0,8 0,5–0,8
0,5–0,8
МС 0,45–0,52
0,52–0,60
0,63–0,69
0,76–0,90
ИК
8–12
3–5
3–5,2
Расчетные значения ФПМ (лин/мм) на частоте μ, в ПХ в диапазоне
55,6 0,28
83 > 0,3
83 > 0,3
15 > 0,35
83 0,13
25 0,123
Масса, кг (без СППИ)
130,4
120 79
Все ОЭК для МКА снабжены системами автоматической фокусировки (САФ), не показанной на рисунках, которая совместно с СОТР гарантирует требуемое качество изображения в условиях эксплуатации. Учитывая высокие требования к стабильности положения оптических элементов объектива КТ, силовые несущие конструкции объектива изготавливаются из композиционного материала КМУ-4Л со следующими физикохимическими характеристиками: плотность 1,45×103 кг/м3, модуль упругости при растяжении 1,37×1011 Нм–2, модуль упругости при изгибе 1,23×1011 Нм–2, коэффициент термического линейного расширения 1,2×10–6 K–1.
Крупногабаритные асферические зеркала имеют облегченную конструкцию с коэффициентом облегчения более 0,7. Все вышеизложенное позволило создать ОЭК с малыми массами и “форсированными” оптическими характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лысенко А.И., Маламед Е.Р., Сокольский М.Н., Пименов Ю.Д., Путилов И.Е. Оптические схемы объективов космических телескопов // Оптический журнал. 2002. № 9. С. 21–25.
2. Данилов В.А., Путилов И.Е., Савицкий А.М., Сокольский М.Н. Космический телескоп // Патент РФ № 78957. 2008.
3. Korsch D. Anastigmatic three – mirror telescope // Appl. Opt. 1977. V. 8. P. 2074–2077.
4. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975. 640 с.
5. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1989.
6. Маламед Е.Р., Сокольский М.Н., Воронова М.В., Лапо Л.М. Объектив космического телескопа // Патент РФ № 35446. 2003.
88 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
© 2009 г. А. М. Савицкий; М. Н.Сокольский, доктор техн. наук
ОАО “ЛОМО”, Санкт-Петербург
Рассмотрены оптические схемы разработанных на ОАО “ЛОМО” объективов оптикоэлектронных камер с диаметрами входных зрачков 200–350 мм для мини-космических аппаратов и 500–750 мм для малых космических аппаратов с угловыми полями 2°–4,5°, минимизированные по массам и габаритам за счет выбора оптимальных оптических систем объективов. Объективы построены по двухзеркальным схемам с линзовыми, однозеркальными и зеркально-линзовыми корректорами полевых аберраций и преобразователями фокусного расстояния. Приведены варианты построения оптических схем и их параметры.
Ключевые слова: космические объективы.
Коды OCIS: 230.0230, 120.4640, 350.6090.
Поступила в редакцию 15.06.2009.
В последнее время большое внимание уделяют созданию малых космических аппаратов (МКА), на которых устанавливаются оптикоэлектронные камеры (ОЭК) для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Основные технические характеристики современных спутников для ДЗЗ приведены в табл. 1.
Масса целевой аппаратуры (ЦА ) в основном определяется массой ОЭК, которая состоит из объектива космического телескопа (КТ) и системы приема и преобразования информации (СППИ). Ориентировочно можно принять, что массы объектива и СППИ составляют соответственно 2/3 и 1/3 от массы ЦА.
Массогабаритные характеристики КТ во многом определяются оптической схемой и технологическими возможностями ее реализации. Поэтому выбор оптимальной оптической схемы является важной и достаточно сложной задачей создания ОЭК. В работе [1] рассмотрены общие принципы построения и оптические системы объективов крупногабаритных космических телескопов, предназначенных главным образом для больших спутников. В настоящей статье рассматриваются оптические схемы ОЭК, разрабатываемых и изготавливаемых на “ЛОМО”, для МКА, устанавливаемых на мини и малые спутники,
Основные оптические параметры ОЭК приведены в табл. 2.
В таблице указаны спектральные диапазоны: панхроматический (ПХ), мультиспектральный
(МС), средний инфракрасный (СИК), дальний инфракрасный (ДИК). Системная функция передачи модуляции определяется как произведение функций передачи модуляции (ФПМ) объектива и СППИ.
Оптические схемы объективов КТ можно разделить на линзовые, зеркальные и зеркальнолинзовые.
В линзовых объективах несложно реализовать большие угловые поля 2ω > 4°. К недостаткам линзовых схем, ограничивающих их использование в ОЭК, относятся большие длины оптической системы, близкие к значению фокусного расстояния f′, терморасстраиваемость, высокая чувствительность к влиянию эксплуатационных воздействий, особые жесткие требования к обеспечению теплового режима.
Зеркальные и зеркально-линзовые системы строятся по схеме зеркального телеобъектива (рис. 1). Они состоят из главного зеркала (ГЗ) – 1, вторичного зеркала (ВЗ) – 2 и корректора поле-
Таблица 1. Основные характеристики современных спутников
Класс КА ДЗЗ
Диапазоны масс КА ДЗЗ, кг
Масса ЦА, % от массы
КА
Микроспутники
< 100
34–42
Мини-спутники
100–500
30–42
Малые спутники
500–1000
26–36,5
Большие спутники
≥ 1000
16–35,5
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
83
Таблица 2. Основные параметры ОЭК Наименование параметра
Диаметр входного зрачка D, мм Угловое поле 2ω, град Полоса обзора с высоты орбиты Н = 600 км, км Фокусное расстояние, мм Спектральный диапазон, мкм
Системная функция передачи модуляции (ФПМ) на зачетной частоте (μН) в панхроматическом диапазоне Наличие системы автоматической фокусировки (САФ) Масса, кг
Мини-КА 200–350 2,5–4,5
25–45 600–3000 ПХ: 0,5–0,8 МС: 0,48–0,52
0,54–0,59 0,63–0,69 0,75–0,95
—
0,1–0,2 30
Малые КА
500–700 2–3
20–30 8000–12000 ПХ: 0,5–0,8
СИК: 3–5 ДИК: 8–12,5 МС: 0,48–0,52
0,54–0,59 0,63–0,69 0,75–0,95
0,1–0,2
+ < 150
(а)
1
3 2 F′
(б) 1
2
3 F′
1 (в) F′
23
Рис. 1. Принципиальные оптические схемы космических объективов (пояснения в тексте).
вых аберраций (КПА) – 3. Малые угловые поля и относительные отверстия объективов упрощают коррекцию аберраций, главным образом аберрации III порядка: сферическую, кому, астигматизм, кривизну изображения и дисторсию (для топографических ОЭК).
Обычно для коррекции сферической аберрации и комы вводится асферизация ГЗ и ВЗ, а для коррекции астигматизма и кривизны поля – КПА. Применяются линзовые, зеркальные или зеркально-линзовые КПА.
Оптическую схему КТ можно разделить на два компонента: 1) зеркальный, состоящий из ГЗ и ВЗ, и 2) КПА. КПА с увеличением β переносит промежуточное изображение объекта, создаваемое зеркальным компонентом, в фокальную плоскость всего КТ.
В схеме по рис. 1а зеркальный компонент дает действительное промежуточное изображение, которое КПА переносит в плоскость Fэ′кв с отрицательным увеличением β.
В схеме по рис. 1б КПА переносит в плоскость F′экв изображение с положительным увеличением β, т. е. схема не имеет действительного изображения зеркального компонента.
Схема по рис. 1б известна как схема Ричи– Кретьена с КПА. Она состоит из гиперболических ГЗ и ВЗ и линзового КПА. В зависимости от относительного отверстия 1:10–1:3 длина l оптической схемы – расстояние от ВЗ до F′экв – лежит в интервале (0,25–0,35)f′экв. В схеме минимальное количество зеркальных поверхностей – две, причем она центрированная, осесимметричная, что облегчает построение системы обеспечения температурного режима (СОТР),
84 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
и технологична с точки зрения изготовления и нерасстраиваемости в условиях эксплуатации.
Основной проблемой применения схемы Ричи–Кретьена является защита фокальной плоскости от прямого попадания лучей через отверстие в ГЗ, минуя отражения от ГЗ и ВЗ (“паразитная” засветка изображения), на фотоприемник. Проблема усугубляется для широкоугольных систем и для систем, длина которых в несколько раз меньше их фокусного расстояния.
Эта схема требует применения длинной бленды, установленной перед объективом.
Для защиты фокальной плоскости от “паразитных” засветок предложена система внутренних конических светозащитных бленд [2].
Суть светозащитных бленд на примере двухзеркального объектива видна из рис. 2. Между ГЗ (1), ВЗ (2) и фокальной плоскостью (3) установлены конические бленды (4). Бленды представляют собой кольцевые конусы, выполненные из тонкого материала, толщиной t. Вершины конусов, частью которых являются кольцевые конусы, совпадают с фокусом ГЗ (F). Конические бленды устанавливаются в цилиндрической зоне, ограниченной отверстием D1 в ГЗ и диаметром ВЗ (DВЗ). Высота каждого k-го усеченного кольцевого конуса h –
h = (D1− DÂÇ )/2.
Длина k-го конуса dk определяется как
dk = h/tgαk,
где tgαk = DÂÇ /(f ′−d + lk), lk – расстояние от ВЗ до переднего торца бленды k.
Как видно из рис. 2, образующие “скользят” по пучкам лучей, отраженных от ГЗ, создавая дополнительное кольцевое экранирование на входном зрачке толщиной tЗ
tÇ = tfÃ′Ç /(fÃ′Ç −d + lk ).
Таким образом, входной зрачок объектива представляет собой круг с центральным экраном диа-
56
1
2 Fn
4
3
t D1
dk lk d
f
Рис. 2. Схема светозащитных бленд в двухзеркальном объективе (пояснения в тексте).
Таблица 3. Оптические параметры объективов КТ для космических мини-спутников
Наименование параметров
Оптические схемы по рисункам 3a 3б 3в
Диаметр входного зрачка D, мм
200
200
280
Фокусное расстояние fэ′кв, мм Угловое поле 2ω, град
700
2000
2800
3,8 4
3
Длина оптической системы l, мм Относительная длина l/fэ′кв Спектральный диапазон, мкм
340 0,485
570 0,285
775 0.27
ПХ
0,4–0,8
0,48–0,9
0,4–0,9
МС 0,48–0,52;
0,54–0,59;
0,63–0,69;
0,75–0,95
Расчетные значения ФПМ (лин/мм)
в ПХ диапазоне на частоте μ
120 60 60
центр поля
0,4 0,3 0,29
край поля
0,3
0,21
0,20/0,25
Масса, кг
24
16,6
26,2
3г 350 1670 4,4 600 0,36
0,48–0,77 0,48–0,52; 0,54–0,59; 0,63–0,69; 0,75–0,95
72 0,42 0,37 30
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
85
метром DВЗ и k кольцами по числу кольцевых конусов 4. Как видно из рис. 2, наличие внутренних светозащитных конических и цилиндрических бленд защищает фокальную плоскость от прямых лучей 5, максимально пропуская рабочие лучи 6. Наличие конических бленд вносит дополнительное экранирование, зависящее от толщин бленд t и их количества k. В случае полного исключения головной бленды дополнительное экранирование не превышает 3–5% от площади зрачка и снижает значение ФПМ на зачетной частоте не более чем на 10%. В табл. 3 и на рис. 3 приведены оптические параметры и схемы четырех объективов КТ, разработанных на “ЛОМО” и построенных по схемам Максутова (рис. 3a, 3б) и Ричи–Кретьена с линзовыми КПА (рис. 3в, 3г). Для уменьшения массы объективов применены облегченные зеркала и углепластиковые конструкции. В таблице указаны значения масс всего объектива в целом. В оптические системы введены конические бленды, позволившие сократить длины головных бленд с 4D до 2D в схеме по рис. 3а, с (4–5)D до 0,5D в схемах по рис. 3б, 3в, 3г.
Для МКА на “ЛОМО” разработаны объективы КТ с диаметром входного зрачка D = 500–750 мм. Такие объективы могут быть построены по схеме Ричи–Кретьена с линзовым КПА или по схеме с однозеркальным или зеркально-линзовым КПА. Оптическая схема с зеркальным КПА показана на рис. 1в [3]. Особенностью схемы является наличие действительного промежуточного изображения после зеркального компонента, состоящего из ГЗ (1) и ВЗ (2). Третье зеркало (3) перепроецирует промежуточное изображение в эквивалентную фокальную плоскость, в которой установлены приемники. В схеме ГЗ – асферическое эллиптическое зеркало, ВЗ – гиперболическое, третье зеркало (КПА) – эллиптическое, позволяющее скорригировать астигматизм, вносимый зеркальным компонентом. Для коррекции кривизны изображения радиусы зеркал выбираются из условия, чтобы алгебраическая сумма их обратных величин равнялась нулю.
Достоинством схемы является отсутствие необходимости установки сложных светозащитных бленд, хорошая возможность реализации широкого спектрального диапазона, в частности видимого и инфракрасных – 3–5 и 8–12 мкм. С другой стороны, достижение больших угловых полей, более 3°, достаточно проблематично. Кроме того, необходимость установки в схему светофильтров, защитных стекол требует введения дополнительных линзовых элементов (для
(а) 4 52
4 13
ФП
5 2
2
(б) 1
3 4
F′
ФП
(в) 1 43
F′
ФП
1 24
(г) 3
F′
ФП
Рис. 3. Оптические схемы объективов для мини-спутников. 1 – ГЗ, 2 – ВЗ, 3 – КПА, 4 – светозащитные бленды, 5 – компенсатор аберраций, ФП – фокальная плоскость.
коррекции главным образом хроматических аберраций увеличения) либо линзовых компонентов (для изменения фокусного расстояния того или иного спектрального канала).
Особенностью трехзеркальных схем с промежуточным изображением после ГЗ и ВЗ является расположение выходного зрачка в пространстве изображения между третьим зеркалом и плоскостью изображения. При больших полях изображения угол ω′ главного луча для крайних точек поля становится весьма значительным,
86 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
что приводит к появлению полевых аберраций: комы, астигматизма, кривизны изображения, хроматизма увеличения, вносимых защитным стеклом 4.
Монохроматические аберрации могут быть исправлены незначительным изменением эксцентриситетов зеркал, а для исправления хроматизма увеличения необходимо ввести дополнительный линзовый компонент.
Оценим влияние хроматизма увеличения на качество изображения. Хроматизм увеличения Δу′λ1λ2 для плоскопараллельной пластинки определяется как [4]
Δyλ′ 1λ2
=
(n
−1)ω′ n2ν
d,
(1)
где d – толщина пластинки, n – показатель пре-
ломления
материала
пластинки
ν
=
nλ0 −1 nλ1 −nλ2
–
коэффициент дисперсии, ω′ – угол главного луча.
Наличие хроматизма увеличения, или по-
перечного хроматизма, снижает ФПМ системы
в Tхр(μ) раз, где Tхр(μ) – ФПМ поперечного хроматизма [5], определяемая как
Tõð (μ)
=
sinc ⎢⎢⎣⎡2πμΔyλ′1λ2
Δλ λ1 − λ2
⎥⎦⎥⎤
≈
≈ sinc ⎣⎢⎡πμΔyλ′1λ2 ⎥⎦⎤.
(2)
Например, если принять μÍ =1/(2à) – частота Найквиста, где a – размер пиксела, и Δуλ′ 1λ2 = a, то Tхр(μН) = 0,66, а при Δуλ′ 1λ2 = 2a получим Tхр(μН) = 0.
Для коррекции хроматизма увеличения пло-
скопараллельной пластинки вблизи выходного
зрачка можно установить однолинзовый ком-
пенсатор [6], вносящий хроматизм увеличения Δу′λ1λ2, равный по величине и обратный по знаку. Таким компенсатором хроматизма может быть
длиннофокусный отрицательный мениск с вогну-
тостью, обращенной к плоскости изображения,
показанный на рис. 4.
В табл. 4 приведены параметры оптических
систем, а на рис. 4 – оптические схемы для МКА.
Для упрощения рисунка показан ход лучей от
плоскости промежуточного изображения, соз-
даваемого ГЗ и ВЗ, до фокальной плоскости.
Объектив на рис. 4a построен по трехзеркальной
схеме, в которой КПА – эллиптическое зеркало,
ПХ и ИК каналы имеют одинаковые значения
фокусных расстояний. В схеме на рис. 4б ПХ и
ИК каналы построены по трехзеркальной схеме,
но в канал ИК введен линзовый преобразователь
фокусного расстояния (ЛПФР), уменьшающий
1200
(а)
17
ФЧЗ ИК канала
2
43
7 760
ФЧЗ ПХ канала
1200
(б) 17
ФЧЗ 5 ИК канала
2
43
760 7
ФЧЗ
ПХ канала
(в) 1
ФЧЗ
ИК канала
5 26
47
3
ФЧЗ 760 7 ПХ канала
Рис. 4. Оптические схемы объективов для МКА. 1 – ГЗ, 2 – ВЗ, 3 – КПА – эллиптическое зеркало, 4 – корректор хроматических аберраций, 5 – линзовый преобразователь фокусного расстояния, 6 – коллектив, ФЧЗ – фоточувствительная зона приемников, 7 – плоские отклоняющие зеркала (пояснения
в тексте).
фокусное расстояние f′ до 3800 мм и тем самым увеличивающий относительное отверстие до 1:5. ЛПФР установлен вблизи выходного зрачка оптической системы.
Объектив по схеме на рис. 4в состоит из двух каналов: панхроматический построен по трехзеркальной схеме, состоящей из ГЗ (1), ВЗ (2), КПА (3) и дополнительного корректора хроматических аберраций, а ИК канал – по двухзеркальной схеме, состоящей из ГЗ (1), ВЗ (2) и линзового компонента (3), выполняющего функции преобразователя фокусного расстояния и КПА.
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
87
Таблица 4. Параметры оптических систем для МКА
Тип оптической схемы
Наименование параметров
Ричи–Кретьена Трех-
Трехзеркальная
с трехлинз. зеркальная
(рис. 4б)
КПА
(рис. 4a)
без ЛПФР с ЛПФР
Трехзеркальная
Двухзеркальная
с ЛКПА
(рис. 4в)
Диаметр входного зрачка D, мм
500
750
750
600
Фокусное расстояние fэ′ кв, мм Угловое поле 2ω, град
4700 2,66
6000 1,8
6000
3800
1,8
4285
1670
1,827
Длина оптической системы l, мм
1200
1200
1200
1100
Относительная длина l/f′экв Спектральный диапазон, мкм
0,25
0,20
0,20
0,257
ПХ
0,5–0,8
0,5–0,8 0,5–0,8
0,5–0,8
МС 0,45–0,52
0,52–0,60
0,63–0,69
0,76–0,90
ИК
8–12
3–5
3–5,2
Расчетные значения ФПМ (лин/мм) на частоте μ, в ПХ в диапазоне
55,6 0,28
83 > 0,3
83 > 0,3
15 > 0,35
83 0,13
25 0,123
Масса, кг (без СППИ)
130,4
120 79
Все ОЭК для МКА снабжены системами автоматической фокусировки (САФ), не показанной на рисунках, которая совместно с СОТР гарантирует требуемое качество изображения в условиях эксплуатации. Учитывая высокие требования к стабильности положения оптических элементов объектива КТ, силовые несущие конструкции объектива изготавливаются из композиционного материала КМУ-4Л со следующими физикохимическими характеристиками: плотность 1,45×103 кг/м3, модуль упругости при растяжении 1,37×1011 Нм–2, модуль упругости при изгибе 1,23×1011 Нм–2, коэффициент термического линейного расширения 1,2×10–6 K–1.
Крупногабаритные асферические зеркала имеют облегченную конструкцию с коэффициентом облегчения более 0,7. Все вышеизложенное позволило создать ОЭК с малыми массами и “форсированными” оптическими характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лысенко А.И., Маламед Е.Р., Сокольский М.Н., Пименов Ю.Д., Путилов И.Е. Оптические схемы объективов космических телескопов // Оптический журнал. 2002. № 9. С. 21–25.
2. Данилов В.А., Путилов И.Е., Савицкий А.М., Сокольский М.Н. Космический телескоп // Патент РФ № 78957. 2008.
3. Korsch D. Anastigmatic three – mirror telescope // Appl. Opt. 1977. V. 8. P. 2074–2077.
4. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975. 640 с.
5. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1989.
6. Маламед Е.Р., Сокольский М.Н., Воронова М.В., Лапо Л.М. Объектив космического телескопа // Патент РФ № 35446. 2003.
88 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009