RU2830958C1 - High-aperture mirror lens of high-resolution space telescope - Google Patents
High-aperture mirror lens of high-resolution space telescope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2830958C1 RU2830958C1 RU2024108552A RU2024108552A RU2830958C1 RU 2830958 C1 RU2830958 C1 RU 2830958C1 RU 2024108552 A RU2024108552 A RU 2024108552A RU 2024108552 A RU2024108552 A RU 2024108552A RU 2830958 C1 RU2830958 C1 RU 2830958C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- mirror
- meniscus
- aperture
- main
- Prior art date
Links
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 claims abstract description 43
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 32
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 2
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к зеркально-линзовым объективам, и может быть использовано в качестве объектива для космического телескопа дистанционного зондирования Земли высокого разрешения.The invention relates to optical instrumentation, namely to mirror-lens objectives, and can be used as an objective for a high-resolution space telescope for remote sensing of the Earth.
Отдельным направлением развития зеркально-линзовых объективов телескопов, построенных по схеме Максутова-Кассегрена, стали менисковые системы Клевцова-Кассегрена, описанные в Михельсон Н.Н., Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. - М.: Физматлит, 1995. -333 с. Характерными особенностями данных зеркально-линзовых систем с менисковым корректором в сходящемся пучке является наличие в схемах зеркала Манжена и то, что менисковый корректор имеет размер, близкий к размеру вторичного зеркала, а не главного, или, по-другому, является так называемым малоапертурным мениском.A separate direction in the development of mirror-lens objectives for telescopes built according to the Maksutov-Cassegrain scheme was the Klevtsov-Cassegrain meniscus systems, described in Mikhelson N.N., Optics of Astronomical Telescopes and Methods of Its Calculation. - M.: Fizmatlit, 1995. - 333 p. The characteristic features of these mirror-lens systems with a meniscus corrector in a converging beam are the presence of a Mangin mirror in the schemes and the fact that the meniscus corrector has a size close to the size of the secondary mirror, and not the main one, or, in other words, is a so-called small-aperture meniscus.
Известен зеркально-линзовый объектив телескопа, описанный в патенте РФ №2248024, МПК G02B 23/06, G02B 17/08, опубликованном 10.03.2005. Оптическая схема указанного аналога состоит из установленных по ходу луча элементов: главного вогнутого сферического зеркала, имеющего отверстие в центральной зоне; двухлинзового корректора, включающего две одиночные линзы, первая из которых отрицательный малоапертурный мениск, а вторая линза - отрицательная, имеющая зеркальную отражающую поверхность, представляет собой зеркало Манжена; трехлинзового компенсатора внеосевых аберраций, вынесенного за вершину главного зеркала. Плоскость формирования изображения также вынесена за вершину главного зеркала объектива и расположена за трехлинзовым компенсатором. Но у данного аналога в его схеме присутствует сложный оптический элемент в виде зеркала Манжена, обладающего повышенными требованиями к качеству изготовления. При этом, у него малое угловое поле зрения - до 1,3°. Кроме того, отказ от менискового корректора с полной апертурой в пользу малоапертурного влечет за собой наложение дополнительного ограничения на размер последнего, который не должен превышать размер вторичного зеркала, что, как следствие, усложняет синтез оптической схемы объектива.A catadioptric telescope objective lens is known, described in Russian Federation Patent No. 2248024, IPC G02B 23/06, G02B 17/08, published on 10.03.2005. The optical scheme of the specified analogue consists of elements installed along the beam: the main concave spherical mirror having an opening in the central zone; a two-lens corrector including two single lenses, the first of which is a negative small-aperture meniscus, and the second lens is negative, having a mirror reflecting surface, is a Mangin mirror; a three-lens compensator for off-axis aberrations, located beyond the top of the main mirror. The image formation plane is also located beyond the top of the main mirror of the objective and is located behind the three-lens compensator. But this analogue has a complex optical element in its scheme in the form of a Mangin mirror, which has increased requirements for the quality of manufacture. At the same time, it has a small angular field of view - up to 1.3°. In addition, the rejection of a meniscus corrector with a full aperture in favor of a small-aperture one entails the imposition of an additional limitation on the size of the latter, which should not exceed the size of the secondary mirror, which, as a consequence, complicates the synthesis of the optical scheme of the lens.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является зеркально-линзовый объектив телескопа, описанный в патенте РФ №2683820, МПК G02B 23/06, G02B 17/08, опубликованном 02.04.2019 г. Оптическая схема данного объектива состоит из: полноапертурного мениска, выполненного в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе линзового мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения; главного вогнутого осесимметричного зеркала с отверстием в центральной зоне, обращенного вогнутостью к пространству предметов и выполненного в виде отрицательной по оптической силе линзы, имеющей отражающую сферическую поверхность, представляющей собой зеркало Манжена; вторичного выпуклого зеркала, обращенного выпуклостью к плоскости изображения и закрепленного на центральную часть полноапертурного мениска с тыльной стороны так, что полноапертурный мениск и вторичное зеркало образуют единый оптический элемент; линзового компенсатора, расположенного на оптической оси за вершиной главного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов и выполненного в виде осесимметричной вогнуто-плоской предфокальной линзы. Плоскость изображения находится вблизи задней поверхности крепежной системы главного зеркала. Но у данного объектива полноапертурный мениск и вторичное зеркало выполнены в виде единого элемента, а это означает отсутствие раздельной юстировки мениска и вторичного зеркала, что усложняет сборку объектива и может привести к потере качества изображения при несоблюдении жестких требований по изготовлению и по точности позиционирования данного элемента в оптической системе, и у данного объектива малое угловое поле зрения ~ 1,64°.The closest analogue to the proposed invention is a mirror-lens telescope objective described in Russian Federation Patent No. 2683820, IPC G02B 23/06, G02B 17/08, published on 02.04.2019. The optical scheme of this objective consists of: a full-aperture meniscus made in the form of an axially symmetric negative optical power lens meniscus, with its convexity facing the image plane; a main concave axially symmetric mirror with an opening in the central zone, with its concavity facing the space of objects and made in the form of a negative optical power lens having a reflective spherical surface, which is a Mangin mirror; a secondary convex mirror, with its convexity facing the image plane and fixed to the central part of the full-aperture meniscus from the back side so that the full-aperture meniscus and the secondary mirror form a single optical element; a lens compensator located on the optical axis behind the top of the main mirror, facing the object space with its concave side and made in the form of an axisymmetric concave-flat prefocal lens. The image plane is located near the rear surface of the main mirror mounting system. But this lens has a full-aperture meniscus and a secondary mirror made as a single element, which means that there is no separate adjustment of the meniscus and secondary mirror, which complicates the assembly of the lens and can lead to a loss of image quality if strict requirements for the manufacture and positioning accuracy of this element in the optical system are not met, and this lens has a small angular field of view of ~ 1.64°.
Задачей данного изобретения является создание зеркально-линзового объектива с относительным отверстием не менее 1:4,5 и угловым полем не менее 3° для телескопа дистанционного зондирования Земли высокого разрешения, осуществляющего высококачественную съемку земной поверхности из космоса, и с повышенной технологичностью.The objective of this invention is to create a mirror-lens objective with a relative aperture of at least 1:4.5 and an angular field of at least 3° for a high-resolution Earth remote sensing telescope that performs high-quality photography of the Earth's surface from space, and with increased technological efficiency.
Технический результат - создание светосильного зеркально-линзового объектива космического телескопа высокого разрешения с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-900 нм по всему полю зрения.The technical result is the creation of a high-aperture mirror-lens objective for a high-resolution space telescope with improved technological characteristics to ensure highly detailed imaging of the Earth's surface in the spectral range of 500-900 nm across the entire field of view.
Это достигается тем, что в светосильном зеркально-линзовом объективе космического телескопа высокого разрешения, состоящем из последовательно установленных по ходу луча оптических элементов, лежащих на одной оптической оси, а именно, полноапертурного мениска, выполненного в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе линзового мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, главного зеркала, выполненного в виде вогнутого осесимметричного зеркала с отверстием в центральной зоне, обращенного вогнутостью к пространству предметов, вторичного зеркала, выполненного в виде выпуклого осесимметричного зеркала, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, линзового компенсатора, расположенного за вершиной главного зеркала и выполненного, по крайней мере, в виде одиночной линзы, в отличие от известного, главное и вторичное зеркала выполнены в виде отдельных сферических зеркал, кроме того, вторичное зеркало и полноапертурный мениск реализованы в виде самостоятельных раздельных элементов, причем последний расположен между главным и вторичным зеркалами, а линзовый компенсатор дополнен последовательно установленными по ходу луча тремя одиночными линзовыми менисками, выполненными в виде осесимметричных отрицательных по оптической силе менисков, обращенных вогнутостью к плоскости изображения и расположенных перед одиночной линзой, выполненной в виде осесимметричной двояковыпуклой линзы.This is achieved by the fact that in the high-aperture mirror-lens objective of a high-resolution space telescope, consisting of optical elements sequentially installed along the beam path and lying on the same optical axis, namely, a full-aperture meniscus made in the form of an axially symmetric negative-optical-power lens meniscus, with its convexity facing the image plane, a main mirror made in the form of a concave axially symmetric mirror with an opening in the central zone, with its concavity facing the object space, a secondary mirror made in the form of a convex axially symmetric mirror with its convexity facing the image plane, a lens compensator located behind the top of the main mirror and made, at least, in the form of a single lens, in contrast to the known one, the main and secondary mirrors are made in the form of separate spherical mirrors, in addition, the secondary mirror and the full-aperture meniscus are implemented in the form of independent separate elements, the latter being located between the main and secondary mirrors, and the lens compensator supplemented by three single lens meniscuses installed sequentially along the beam path, made in the form of axially symmetrical meniscuses with negative optical power, facing concavity toward the image plane and located in front of a single lens made in the form of an axially symmetrical biconvex lens.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема светосильного зеркально-линзового объектива, на фиг.2 - его полихроматическая модуляционная функция (МПФ) в спектральном диапазоне 500-900 нм для точки на оси, для зоны и края углового поля. На фиг. 3 представлена диаграмма пятна рассеяния объектива (в мкм) в спектральном диапазоне 500-900 нм для точки на оси, для зоны и края углового поля при расположении изображения в плоскости Гаусса. В качестве критерия оценки качества изображения на фиг. 3 также приведены величины среднеквадратических значений (СКЗ) радиуса пятна рассеяния (в мкм) для точки на оси, для зоны и края углового поля.Fig. 1 shows the basic diagram of a high-aperture mirror-lens objective, Fig. 2 shows its polychromatic modulation function (PMF) in the spectral range of 500-900 nm for a point on the axis, for the zone and the edge of the angular field. Fig. 3 shows the diagram of the lens scattering spot (in µm) in the spectral range of 500-900 nm for a point on the axis, for the zone and the edge of the angular field when the image is located in the Gaussian plane. As a criterion for assessing the image quality, Fig. 3 also shows the values of the root-mean-square (RMS) values of the scattering spot radius (in µm) for a point on the axis, for the zone and the edge of the angular field.
Светосильный зеркально-линзовый объектив (фиг. 1) состоит из установленных последовательно по ходу луча полноапертурного мениска 1, главного зеркала 2, вторичного зеркала 3 и линзового компенсатора, в состав которого входят одиночные мениски 4, 5, 6 и одиночная линза 7. Полноапертурный мениск 1 выполнен в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе линзового мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения и расположенного между главным зеркалом 2 и вторичным зеркалом 3. Главное зеркало 2 выполнено в виде вогнутого осесимметричного зеркала, имеющего отверстие в центральной зоне, и обращенного вогнутостью к пространству предметов. Вторичное зеркало 3 выполнено в виде осесимметричного выпуклого по ходу луча сферического зеркала и обращено выпуклостью к плоскости изображения. Линзовый компенсатор находится за вершиной главного зеркала 2 и состоит из расположенных на общей оси трех одиночных линзовых менисков 4, 5, 6 и одиночной линзы 7, причем все их рабочие поверхности сферические. Линзовый мениск 4 выполнен из оптического бесцветного стекла группы «крон» в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Линзовый мениск 5 выполнен из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Линзовый мениск 6 выполнен из оптического бесцветного стекла группы «крон» в виде осесимметричного отрицательного по оптической силе мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Линза 7 выполнена из оптического бесцветного стекла группы «флинт» в виде осесимметричной положительной по оптической силе двояковыпуклой линзы. Центры кривизны зеркал и полноапертурного мениска находятся на оптической оси зеркально-линзового объектива, центры кривизны линз линзового компенсатора находятся на общей оси, которая совпадает с оптической осью зеркально-линзового объектива.The high-aperture mirror-lens objective (Fig. 1) consists of a full-aperture meniscus 1, a primary mirror 2, a secondary mirror 3 and a lens compensator, which are installed sequentially along the beam path, consisting of single menisci 4, 5, 6 and a single lens 7. The full-aperture meniscus 1 is made in the form of an axially symmetric lens meniscus with a negative optical power, with its convexity facing the image plane and located between the primary mirror 2 and the secondary mirror 3. The primary mirror 2 is made in the form of a concave axially symmetric mirror with an opening in the central zone and with its concavity facing the object space. The secondary mirror 3 is made in the form of an axially symmetric spherical mirror, convex along the beam path and with its convexity facing the image plane. The lens compensator is located behind the top of the main mirror 2 and consists of three single lens meniscuses 4, 5, 6 and a single lens 7 located on a common axis, with all their working surfaces being spherical. The lens meniscus 4 is made of optical colorless glass of the "crown" group in the form of an axially symmetric meniscus with negative optical power, with its concavity facing the image plane. The lens meniscus 5 is made of optical colorless glass of the "flint" group in the form of an axially symmetric meniscus with negative optical power, with its concavity facing the image plane. The lens meniscus 6 is made of optical colorless glass of the "crown" group in the form of an axially symmetric meniscus with negative optical power, with its concavity facing the image plane. Lens 7 is made of optical colorless glass of the "flint" group in the form of an axially symmetric biconvex lens with positive optical power. The centers of curvature of the mirrors and the full-aperture meniscus are located on the optical axis of the mirror-lens objective, the centers of curvature of the lenses of the lens compensator are located 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 полноапертурный мениск 1, проходит через него, затем попадает на главное зеркало 2, отражается от сферической поверхности главного зеркала 2, затем снова попадает на полноапертурный мениск 1, проходит через полноапертурный мениск 1 и попадает на вторичное зеркало 3, после чего отражается от зеркальной сферической поверхности вторичного зеркала 3, снова попадает на полноапертурный мениск 1, проходит через полноапертурный мениск 1, далее попадает на линзовый компенсатор и проходит последовательно одиночные отрицательные мениски 4, 5, 6 и одиночную двояковыпуклую линзу 7, и затем фокусируется в вынесенной за вершину главного зеркала 2 плоскости изображения.The mirror-lens objective operates as follows. Light from the radiation source hits the full-aperture meniscus 1, passes through it, then hits the main mirror 2, is reflected from the spherical surface of the main mirror 2, then hits the full-aperture meniscus 1 again, passes through the full-aperture meniscus 1 and hits the secondary mirror 3, after which it is reflected from the mirror spherical surface of the secondary mirror 3, hits the full-aperture meniscus 1 again, passes through the full-aperture meniscus 1, then hits the lens compensator and successively passes through single negative menisci 4, 5, 6 and a single biconvex lens 7, and is then focused in the image plane extended beyond the top of the main mirror 2.
По данному техническому решению рассчитан светосильный зеркально-линзовый объектив для космического телескопа, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.Based on this technical solution, a high-aperture mirror-lens objective for a space telescope was designed, the design parameters of which are given in Table 1.
* - Для длины волны λ=632,8 нм.* - For wavelength λ=632.8 nm.
** - Положение апертурной диафрагмы.** - Position of the aperture diaphragm.
*** - Каталог оптического стекла LZOS (АО «Лыткаринский завод оптического стекла»).*** - Catalog of optical glass LZOS (JSC "Lytkarinsky optical glass plant").
**** - Положение плоскости Гаусса.**** - Position of the Gauss plane.
Значения величин, представленные в таблице 1, соответствуют зеркально-линзовому объективу со следующими характеристиками:The values of the quantities presented in Table 1 correspond to a catadioptric lens with the following characteristics:
- Фокусное расстояние: 2600 мм;- Focal length: 2600 mm;
- Диаметр входного зрачка: 620 мм;- Entrance pupil diameter: 620 mm;
- Угловое поле зрения: 4°;- Angular field of view: 4°;
- Коэффициент центрального экранирования: 0,5;- Central shielding coefficient: 0.5;
- Продольная длина объектива телескопа: 1800 мм.- Longitudinal length of the telescope lens: 1800 mm.
Объектив имеет следующие аберрации для длины волны λ=632,8 нм и для положения изображения в плоскости Гаусса:The lens has the following aberrations for the wavelength λ=632.8 nm and for the image position in the Gaussian plane:
- Продольная сферическая аберрация не более 0,15 мм.- Longitudinal spherical aberration no more than 0.15 mm.
- Меридиональный астигматический отрезок не более 0,035 мм.- Meridional astigmatic segment no more than 0.035 mm.
- Сагиттальный астигматический отрезок не более 0,055 мм.- Sagittal astigmatic segment no more than 0.055 mm.
- Дисторсия не более 0,5%.- Distortion no more than 0.5%.
- Хроматизм положения в спектральном диапазоне 500-900 нм не более 0,15 мм.- Chromatism of position in the spectral range of 500-900 nm is no more than 0.15 mm.
Повышение технологичности достигается за счет того, что значения радиусов кривизны сферических поверхностей приведены к ГОСТ 1807-75, значения осевых толщин ограничены одним знаком после запятой, полноапертурный мениск 1 и вторичное зеркало 3 являются раздельными самостоятельными элементами объектива, это дает больше возможностей для его сборки и юстировки. Для обеспечения условия функционирования объектива в ограниченном пространстве космического телескопа продольная длина оптической системы ограничивается до 1800 мм, а диаметр входного зрачка до 620 мм.The increase in manufacturability is achieved due to the fact that the values of the spherical surface curvature radii are reduced to GOST 1807-75, the values of the axial thicknesses are limited to one decimal place, the full-aperture meniscus 1 and the secondary mirror 3 are separate independent elements of the objective, this provides more opportunities for its assembly and adjustment. To ensure the condition of the objective functioning in the limited space of the space telescope, the longitudinal length of the optical system is limited to 1800 mm, and the diameter of the entrance pupil to 620 mm.
Таким образом, достигнут технический результат, а именно, создан светосильный зеркально-линзовый объектив космического телескопа высокого разрешения с улучшенными технологическими характеристиками для обеспечения высокодетальной съемки поверхности Земли в спектральном диапазоне 500-900 нм по всему полю зрения.Thus, a technical result has been achieved, namely, a high-aperture mirror-lens objective for a high-resolution space telescope with improved technological characteristics has been created to ensure highly detailed imaging of the Earth’s surface in the spectral range of 500-900 nm across the entire field of view.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2830958C1 true RU2830958C1 (en) | 2024-11-27 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2475788C1 (en) * | 2012-04-06 | 2013-02-20 | Открытое акционерное общество "Производственное объединение "Новосибирский приборостроительный завод" (ОАО "ПО "НПЗ") | Catadioptric telescope |
| US10416423B2 (en) * | 2013-04-05 | 2019-09-17 | University Of Florida Research Foundation, Incorporated | Telescope and telescope array for use in spacecraft |
| CN116699827A (en) * | 2023-07-19 | 2023-09-05 | 清华大学 | Optical System for Medium and Large Aperture Spectral Survey Telescope |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2475788C1 (en) * | 2012-04-06 | 2013-02-20 | Открытое акционерное общество "Производственное объединение "Новосибирский приборостроительный завод" (ОАО "ПО "НПЗ") | Catadioptric telescope |
| US10416423B2 (en) * | 2013-04-05 | 2019-09-17 | University Of Florida Research Foundation, Incorporated | Telescope and telescope array for use in spacecraft |
| CN116699827A (en) * | 2023-07-19 | 2023-09-05 | 清华大学 | Optical System for Medium and Large Aperture Spectral Survey Telescope |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| C1. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9377612B2 (en) | IR microscope with image field curvature compensation, in particular with additional illumination optimization | |
| US3515461A (en) | Catadioptric objective of the cassegrain type | |
| CN114236798A (en) | Catadioptric Afocal Optical System | |
| RU2443005C2 (en) | Catadioptric telescope | |
| CN114236796B (en) | Visible light-medium wave infrared afocal optical system | |
| RU2475788C1 (en) | Catadioptric telescope | |
| US2817270A (en) | Telescope objective systems | |
| RU2368924C2 (en) | High-aperture catadioptric lens | |
| RU2830958C1 (en) | High-aperture mirror lens of high-resolution space telescope | |
| RU2650055C1 (en) | Catadioptric telescope | |
| RU2461030C1 (en) | Catadioptric lens (versions) | |
| RU2830995C1 (en) | Small-size high-resolution catadioptric telescope | |
| JP2018537708A (en) | Broadband catadioptric microscope objective with a small central shield | |
| GB2426077A (en) | Optical element acting as corrector plate, field flattener and mirror | |
| RU2798769C1 (en) | Mirror-lens telescope lens for a micro-class spacecraft | |
| US2683393A (en) | Reflecting objective for microscopes | |
| RU2248024C2 (en) | Katadioptrical telescope | |
| RU2769088C1 (en) | Catadioptric lens | |
| RU2842491C1 (en) | Pancratic reflex lens | |
| RU2820282C1 (en) | Lens with remote entrance pupil for near infrared region (versions) | |
| RU182711U1 (en) | OPTICAL SYSTEM OF OPTICAL ELECTRONIC COORDINATOR | |
| RU2472190C1 (en) | Catadioptric telescope | |
| RU222247U1 (en) | Mirror-lens binoculars | |
| SU1800432A1 (en) | Microscope ocular | |
| Klevtsov | Prospects for developing Cassegrain telescopes with a corrector in convergent beams |