AUTOMATED DESIGN OF KORSCH ORTHOSCOPIC ASPHERICAL MIRROR TELESCOPES FOR NANOSATELLITES

ISSN (p) 0321-2211, ISSN (e) 2663-3450 Методи і системи оптично-електронної та цифрової обробки сигналів МЕТОДИ І СИСТЕМИ ОПТИЧНО-ЕЛЕКТРОННОЇ ТА ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ СИГНАЛІВ УДК 681.782 АВТОМАТИЗОВАНИЙ РОЗРАХУНОК ОРТОСКОПІЧНИХ АСФЕРИЧНИХ ДЗЕРКАЛЬНИХ ОБ’ЄКТИВІВ КОРША ДЛЯ НАНОСУПУТНИКІВ 1) Сокуренко В. М., 2)Сокуренко О. М. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна 2) ВСП «Оптико-механічний фаховий коледж Київського національного університету імені Тараса Шевченка», Київ, Україна E-mail: 1) У даній роботі представлено результати автоматизованого параметричного синтезу серії ортоскопічних асферичних оптичних систем дзеркальних об’єктивів з різною фокусною відстанню, побудованих за схемою Корша. З метою забезпечення компактності конструкції розглянуті об’єктиви містять по три дзеркала з асферичними поверхнями другого порядку та три нахилених пласких дзеркала. Отримані оптичні системи мають фокусну відстань від 480 мм до 960 мм, кутове поле зору від 1,2° до 2,4°, діафрагмове число від 6 до 12, вхідну апертуру діаметром 80 мм та осьову довжину не більшу за 170 мм, що не перевищує розмір CubeSat 2U. У всіх розглянутих системах максимальний лінійний розмір чутливої площадки приймача зображення дорівнює 20 мм. Синтезовані дзеркальні системи не мають хроматичних аберацій, що дозволяє отримувати зображення у видимому та декількох інфрачервоних піддіапазонах. Наведені результати абераційного аналізу свідчать про високу якість зображення отриманих оптичних систем. Зокрема, для довжини хвилі 0,546 мкм значення дифракційних модуляційних передавальних функцій в меридіональній та сагітальній площинах по всьому полю у всіх системах перевищують 0,53 для просторової частоти 30 мм-1 та 0,3 для просторової частоти 50 мм-1. Максимальне значення відносної дисторсії розрахованих об’єктивів становить 0,005 %, що в абсолютній мірі відповідає зміщенню 0,5 мкм. Представлені об’єктиви здатні охопити смугу спостереження земної поверхні з лінійним розміром від 12,6 до 25,1 км з висоти траси супутника 600 км. При використанні багатоелементного приймача випромінення з розміром пікселів 5 мкм та досягненні дифракційно-обмеженої якості зображення об’єктивів як геометрична, так і дифракційна межа розділення на земній поверхні не перевищуватимуть 10 м. Ключові слова: дзеркальний об’єктив; телескоп Корша;, наносупутник; CubeSat; дистанційне зондування Землі; дисторсія; аберації. Вступ Серед супутників для астрономічних досліджень і спостереження за Землею дедалі спостерігається все більший перехід від великих платформ надзвичайно великої вартості до значно менших за розмірами та принципово дешевших мікросупутників і наносупутників, побудованих із застосуванням передової мікроелектроніки, високоякісних оптичних систем та матеріалів [1 - 3]. Сучасні наносупутники будуються за стандартизованою конфігурацією. Зазвичай, вони містять 1, 2, 3, 6, 12 або навіть 16 модулів з розміром кожного 10×10×10 см3 (формат «U»). Однак, така компактна конструкція призводить до необхідності вирішення низки наукових та інженерних задач. Однією із найскладніших задач є розроблення надкомпактної оптичної системи для наносупутників з високою роздільною здатністю (1-2 кутові секунди) та широким полем огляду (в декілька градусів) [4]. Задача може ще більше ускладнюватися, якщо висувається додаткова вимога отримання зображень в різних спектральних діапазонах. Детальна спектральна інформація важлива для дистанційного зондування сільськогосподарських угідь, пошуку корисних копалин, моніторингу наслідків надзвичайних ситуацій тощо. Постановка задачі досліджень Основна мета даної роботи – перевірка потенційних можливостей асферичних тридзеркальних об’єктивів Корша з великою фокусною відстанню та повздовжнім розміром не більше двох модулів (2U). На відміну від більш складних оптичних систем, що містять поверхні довільної форми [5, 6], схеми з трьома осесиметричними асферичними поверхнями другого порядку є більш простими, технологічними та компактними, що важливо для наносупутників. Нижче засобами автоматизовано- Вісник КПІ. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ, Вип. 66(2), 2023. 15 ISSN (p) 0321-2211, ISSN (e) 2663-3450 Методи і системи оптично-електронної та цифрової обробки сигналів го проєктування буде здійснено параметричний синтез серії таких оптичних систем з різними функціональними параметрами без застосування будьяких попередніх абераційних розрахунків та використання якісних стартових систем. Загальна будова дзеркального об’єктива Корша для наносупутника В цій статті пропонується здійснити автоматизований параметричний синтез та дослідити абераційні властивості серії оптичних систем об’єктивів-рефлекторів з різною фокусною від- станню та відносним полем, побудованих за схемою Корша. Загальна будова асферичного дзеркального об’єктива Корша представлена схематично на рис 1. Оптична система об’єктива містить три асферичних дзеркала другого порядку і три нахилених пласких дзеркала для заломлення пучків та забезпечення компактності конструкції. Перше з пласких дзеркал має центральний отвір для проходження світлових пучків від попередньої оптичної підсистеми. Рис. 1. Структурна схема дзеркального об’єктива Корша. Червоним колом показані місця, в яких потрібно під час автоматизованого розрахунку додатково контролювати координати променів по вертикалі Перевагами розглянутої дзеркальної схеми є компактність конструкції, можливість досягнення великої фокусної відстані оптичної системи та відсутність хроматичних аберацій. Ці переваги сприяють можливості отримання зображень в різних спектральних діапазонах. Моніторинг та збір такої інформації дозволяє здійснювати аналіз сільськогосподарських угідь, оцінювати стан врожаю, виявляти лісові покриття, інспектувати вологість ґрунтів та відстежувати їх зміни. Супутники з таким функціоналом часто виявляються незамінним інструментом для пошуку корисних копалин, контролю кар'єрів та відслідковування наслідків надзвичайних ситуацій, що дозволяє оперативно реагувати на потенційні загрози та забезпечувати безпеку населення та довкілля [7 - 9]. Стандартизований габаритний розмір наносупутника є основним конструктивним обмеженням для оптичної системи телескопа-рефлектора. При використанні двох модулів (2U) максимальний розмір конструкції об’єктива не повинен перевищувати простір 90×90×190 мм. 16 Формування оптимізаційної моделі В даній роботі для параметричного синтезу оптичних систем був застосований еволюційний алгоритм глобальної оптимізації. Під час моделювання параметрами оптимізації (тобто оптимізаційними змінними) були вибрані радіуси кривизни трьох асферичних дзеркал, їх конічні коєфіцієнти та осьові відстані між оптичними поверхнями, включаючи положення зображення. Осьові відстані між пласкими дзеркалами не оптимізувалися, а встановлювалися фіксованими вже для синтезованих систем для найбільш компактного розташування дзеркал всередині корпусу наносупутника. У всіх розглянутих оптичних системах вхідна апертура дорівнювала 80 мм (...truncated)