УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР
ANGLE MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к оптико-электронным системам и может быть использовано в углоизмерительных приборах ориентации космических аппаратов.
Известен углоизмерительный прибор ориентации и навигации космического аппарата (например, звездный прибор, фиг.1 настоящего описания), содержащий бленду 1, объектив 2 с фотоприемным устройством 3 (ФПУ) и канал геометрического эталона (КГЭ), выполненный в виде моноблока коллиматора 6 с точечной диафрагмой 5, установленного на базовой плоскости, осветительной системы 4, расположенной перед точечной диафрагмой и нерасстраиваемой зеркально-призменной системы, осуществляющего ввод излучения в объектив; склеенной из призм АР- 90° 8 и БкР - 180° 9 (см., например, Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов: - М.: Логос, 2007. - 247 с.).
В этом устройстве измерение положения изображения звезды на ФПУ матричного типа 3 производится относительно полученного изображения точечной диафрагмы КГЭ 5, формирующего на матрице центр опорной системы координат. Это позволяет исключить погрешности определения координат звезды, связанные, например, с микросмещениями ФПУ 3 в направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива 2.
Однако жесткое соединение коллиматора с базовой плоскостью не отличается высокой стабильностью. Это обусловлено различием физико-технических свойств стекла и металла, характеризуемыми коэффициентом линейного расширения, модулем упругости, коэффициентом теплопроводности и т.д., что при значительных температурных, вибрационных и ударных воздействиях приводит к возникновению деформаций. Эти деформации вызывают разворот коллиматора относительно посадочной плоскости, приводящий к отклонению пучка от первоначального направления и, следовательно, приводит к снижению точности прибора. Устранение указанного недостатка возможно, например, с помощью усложнения конструкции крепления, специального термообогрева корпуса и т.д., что в свою очередь ухудшает габаритно-массовые характеристики прибора.
Наиболее близким по технической сущности является углоизмерительный звездный прибор ориентации и навигации космического аппарата, содержащий бленду, канал нерасстраиваемого геометрического эталона, выполненный в виде осветительного блока, светоделительного блока в виде жестко связанных объектива, наклонного светоделителя и точечной диафрагмы, мнимое изображение которой через светоделитель расположено в задней главной точке объектива моноблока, а также плоского автоколлимационного зеркала, установленного на базовой поверхности на половине фокусного расстояния объектива и нерасстраиваемого зеркально-призменного блока, осуществляющего ввод излучения в объектив,
- объектив,
- фотоприемное устройство,
- и вычислительный блок
(см., например, Колосов М.П. Оптика адаптивных угломеров. - М.: ООО СКАН-1, 1997. - 412 с.).
В этом устройстве (фиг.2) излучение от визируемой звезды, пройдя бленду 1, зеркально-призменный моноблок 9, 10 на проход, представляющий плоскопараллельную пластину, склеенную из призм БкР - 180° и АР - 90°, фокусируется объективом 2 на ФПУ 3.
В канале КГЭ излучение от осветителя 4, пройдя точечную диафрагму 5 и отразившись от наклонного светоделителя 6, падает на плоское зеркало 7, жестко установленное на базовой плоскости. Положение точечной диафрагмы 5 выбирается из условия совмещения мнимого изображения диафрагмы 5, образуемого после отражения от светоделителя 6, с задней главной точкой Г' объектива 8, выполненного в виде плосковыпуклой линзы. Плоское зеркало 7 расположено на половине ее фокусного расстояния от главной плоскости Н' от объектива 8. При таком положении оптических элементов отраженный от зеркала 7 пучок лучей строит мнимое изображение диафрагмы 5 в фокусе объектива 8 и при прохождении последнего становится коллимированным. Направление оси коллимированного пучка всегда параллельно нормали к зеркалу 7. Это свойство поясняется геометрическими построениями, представленными на фиг.3. Главные плоскости Н и Н' на фиг.3 совмещены. При микронаклоне светоделительного моноблока относительно плоского зеркала 7 на угол β мнимое изображение точечной диафрагмы 5 (Г'') располагается в фокальной плоскости объектива 8 на расстоянии у=f' tg β от его оси, где f' - фокусное расстояние. Вышедший из светоделительного моноблока коллимированный пучок лучей будет составлять с его осью угол β, и, следовательно, всегда параллелен нормали к плоскому зеркалу 7. Очевидно, что линейные микросмещения светоделительного блока в направлениях, параллельных плоскости зеркала 7, не влияют на угловое положение коллимированного пучка.
Далее пучок лучей, последовательно отразившись от зеркал нерасстраиваемого зеркально-призменного моноблока 9, 10, попадает в объектив 2 и фокусируется им на ФПУ 3.
Таким образом, в объектив 2 попадает пучок лучей, ось которого параллельна нормали к плоскому зеркалу 7. Далее, пройдя объектив 2, пучок фокусируется на матрице ФПУ 3. Полученное изображение точки определяет центр опорной системы координат на ФПУ 3, соответствующий нормали к плоскости зеркала 7, установленного на базовой поверхности. Все это позволяет производить с помощью вычислительного блока (на фиг.2, 3 не показан) измерения углового положения изображения звезды относительно изображения диафрагмы 5 и, следовательно, исключить погрешности определения координат звезды, связанные, например, с микросмещениями ФПУ 3 в направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива 2.
Однако в ряде случаев возможно изменение положения прибора относительно плоского зеркала 7 в направлении, параллельном оптической оси объектива 8. Например, вследствие установки прибора на другой объект с другим конструктивным исполнением, или в случае изменяющегося положения прибора относительно базовой плоскости в процессе работы. Тогда расстояние между узловой точкой Г'' и плоским зеркалом 7 уже не будет составлять величину 0,5 f'. В этом случае:
- возникает дефокусировка изображения точки на матрице ФПУ 3, что приводит к существенному снижению уровню сигнала на матрице ФПУ и, следовательно, к потере точности определения его энергетического центра;
- нарушается условие нерасстраиваемости светоделительного блока 5…6, 8. При микронаклонах светоделительного блока 5…6, 8 относительно плоского зеркала 7 ось выходящего из указанного блока коллимированного пучка отклоняется от направления нормали к зеркалу 7. Это приводит к смещению положения центра полученного на ФПУ 3 изображения диафрагмы 5, определяющего центр опорной системы координат на ФПУ 3 и, следовательно, к дополнительной погрешности определения координат визируемых звезд;
- нарушается условия нерасстраиваемости зеркально-призменной системы ввода изображения в объектив прибора, так как зеркально-призменная система уже не будет работать в параллельных пучках лучей и ее микронаклоны и микросмещения будут влиять на положение изображения диафрагмы на матрице ФПУ 3, что приводит к снижению точности определения координат визируемых звезд.
Для устранения указанных недостатков возможно, например, использование классической автоколлимационной системы, формирующей параллельный пучок лучей, падающий на плоское зеркало. Однако такая система является расстраиваемой в отношении термодеформаций, вибраций и т.д. и требует усложнение конструкции крепления автоколлиматора, специальной термостабилизации корпуса и т.д., что также приводит к ухудшению габаритно-массовых характеристик прибора.
Целью изобретения является повышение точности прибора без усложнения его конструкции.
Цель достигается тем, что в углоизмерительном приборе, содержащем бленду, канал нерасстраиваемого геометрического эталона, выполненный в виде осветительного блока, блока светоделителя, плоского зеркала, установленного на базовой плоскости, а также нерасстраиваемого зеркально-призменного блока, осуществляющего ввод излучения в объектив, объектив, фотоприемное устройство и вычислительный блок, блок светоделителя выполнен в виде оптического элемента, склеенного из линзовой и зеркально-линзовой систем, в месте склейки образующих наклонную светоделительную грань, у которого:
- первая входная поверхность расположена в линзовой системе и выполнена плоской с нанесенной на нее точечной диафрагмой;
- вторая выходная поверхность расположена в зеркально-линзовой системе и выполнена плоской с приклеенной к ней плосковыпуклой линзой с зеркальной сферической поверхностью, при этом вторая поверхность является входной для отраженного зеркальной сферической поверхностью излучения;
- третья выходная поверхность расположена в зеркально-линзовой системе и выполнена в виде вогнутой сферической поверхности, точка переднего фокуса которой совмещена с изображением точечной диафрагмы от зеркальной сферической поверхности, при этом третья поверхность также является входной поверхностью для отраженного излучения плоским зеркалом;
х
- четвертая выходная поверхность в линзовой системе выполнена в виде выпуклой сферической поверхности, при этом для отраженного излучения плоским зеркалом блок светоделителя за счет третьей и четвертой поверхности работает как телескопическая система с угловым увеличением 0,5.
Таким образом, предлагаемое техническое решение представляет собой совокупность существенных признаков, которые в сравнении с прототипом обладают новизной. Использование в оптико-электронных углоизмерительных звездных приборах каналов нерасстраиваемого геометрического эталона с блоком светоделителя для привязки к плоскому зеркалу известно.
Однако использование в углоизмерительном приборе блока светоделителя, представляющего собой оптический элемент, склеенный из линзовой и зеркально-линзовой систем, в месте склейки образующих наклонную светоделительную грань, у которого:
- первая входная поверхность расположена в зеркально-линзовой системе и выполнена плоской с нанесенной на нее точечной диафрагмой;
- вторая выходная поверхность расположена в зеркально-линзовой системе и выполнена плоской с приклеенной к ней плосковыпуклой линзой с зеркальной сферической поверхностью, при этом вторая поверхность является входной для отраженного зеркальной сферической поверхностью излучения;
- третья выходная поверхность расположена в зеркально-линзовой системе и выполнена в виде вогнутой сферической поверхности, точка переднего фокуса которой совмещена с изображением точечной диафрагмы от зеркальной сферической поверхности, при этом третья поверхность также является входной поверхностью для отраженного излучения плоским зеркалом;
х
- четвертая выходная поверхность в линзовой системе выполнена в виде выпуклой сферической поверхности, при этом для отраженного излучения плоским зеркалом блок светоделителя за счет третьей и четвертой поверхности работает как телескопическая система с угловым увеличением 0,5, является неизвестным техническим решением, так как придает ему новое свойство - реализацию привязки прибора к базовому зеркалу, расположенному на любых расстояниях от светоделителя при жестких условиях эксплуатации, что обеспечивает повышение точности прибора без усложнения конструкции, ухудшения габаритно-массовых характеристик и при сохранении свойства нерасстраиваемости КГЭ. Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемая совокупность существенных признаков по сравнению с прототипом позволяет обеспечить практическую неизменность углового положения выходящего из КГЭ пучка, параллельного нормали к плоскости зеркала, расположенного на любом расстоянии от прибора, и, следовательно, повысить точность устройства.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить новый положительный эффект.
На фиг.4 приведена оптическая схема предлагаемого устройства, на фиг.5 - ход лучей в системе блока светоделителя КГЭ с плоским зеркалом.
Предлагаемое устройство содержит:
бленду 1, канал нерасстраиваемого геометрического эталона 4…11, выполненный в виде осветительного блока 4, блока светоделителя 5…8, 10, состоящего из линзовой системы 5, 6, 10 и зеркально-линзовой системы 7, 8, плоского зеркала 9, установленного на базовой плоскости, а также нерасстраиваемого зеркально-призменного блока 11 в виде склеенных призм БкР - 180° и АР - 90°, осуществляющего ввод излучения в объектив, объектив 2, ФПУ с вычислительным блоком 3.
В предлагаемом устройстве осветитель 4 выполнен, например, в виде светодиода, светоделительный блок выполнен в виде единой склеенной детали, в которой:
- точечная прозрачная диафрагма 5 выполнена путем фотолитографии на боковой поверхности линзовой системы 5, 6, 10;
- светоделитель 6 нанесен на плоской грани в месте склейки линзовой 5, 6, 10 и зеркально-линзовой 7, 8 систем;
- сферическое зеркало 8 представляет собой плосковыпуклую линзу с зеркальной сферической поверхностью, приклеенную к боковой поверхности зеркально-линзовой системы 7, 8;
- телескопическая система галилеевского типа выполнена в виде вогнутой 7 и выпуклой 10 сферических преломляющих поверхностей.
Плоское зеркало может быть выполнено металлическим непосредственно на базовой плоскости.
Нерасстраиваемый зеркально-призменный блок 5 может быть выполнен в виде единой оптической детали, склеенной из призм АР - 90° и БкР - 180°, с зеркальными и светоделительными в месте склейки наклонными гранями.
ФПУ 3 может быть выполнено в виде матрицы ПЗС или фотодиодной матрицы с активными пикселями, подключенной к вычислительному блоку (на фигурах не показано).
Таким образом, предлагаемые примеры реализации подтверждают осуществимость заявленного технического решения.
Устройство работает следующим образом:
излучение от визируемой звезды (фиг.4), пройдя бленду 1, предназначенную для подавления паразитных засветок, зеркально-призменный блок КГЭ 11 на проход, попадает во входной зрачок объектива 2 и фокусируется на ФПУ 3. Зеркально-призменный блок 11 в данном направлении является плоскопараллельной пластиной, работающей в параллельных пучках и, следовательно, не чувствителен к микронаклонам и микросмещениям.
х
В канале КГЭ излучение от осветителя 4, пройдя точечную прозрачную диафрагму 5 и светоделитель 6, отразившись от сферического зеркала 8 и светоделителя 6, преломляется на вогнутой сферической поверхности 7 и выходит из светоделительного блока в направлении плоского зеркала 9. Сферическое зеркало 8 проецирует изображение точечной диафрагмы 5 в переднюю фокальную плоскость вогнутой сферической поверхности 7, вследствие чего вышедший в направление плоского зеркала 9 пучок лучей становится коллимированным. Далее параллельный пучок лучей отражается от плоского зеркала 9, установленного на базовой плоскости, и проходит телескопическую систему 7, 10, имеющей угловое увеличение γ=0,5.
7
10
Угловое увеличение γ телескоптической системы 7, 10 обеспечивается следующими конструктивными параметрами: радиусами кривизны R R поверхностей 7 и 10, а также толщиной d и показателем преломления стекла n. Определение параметров R, n и d производится на основе следующих зависимостей:
7
10
7
10
2
(n-1)(1/R-1/R)+(n-1)d/n R R=Ф=0 - условие афокальности, где Ф - оптическая сила системы 7, 10;
7
10
γ=f'/f=0,5,
7
7
7
f'= nR (n-1), где f' - задний фокус поверхности 7,
10
10
10
f=n R (n-1), где f - передний фокус поверхности 10.
7
10
е
Так, например, телескопическая система 7, 10, у которой d=25 мм, R=17,068 мм, R=8,534 мм, n=1,5183 (стекло К8) имеет угловое увеличение γ=0,5.
В светоделительном блоке направление оси вышедшего из телескопической системы параллельного пучка всегда параллельно нормали к зеркалу 8. Это свойство сохраняется при микронаклонах светоделительного блока и поясняется геометрическими построениями, представленными на фиг.5. При микронаклоне светоделительного блока 5…8, 10 относительно плоского зеркала 9 на угол β угол падения оси пучка с нормалью к зеркалу тоже составит угол β. При отражении от зеркала 8 направление оси пучка составит с нормалью угол β, а с падающим пучком угол 2β. Таким образом, на телескопическую систему 7, 10 падает отраженный от плоского зеркала 9 пучок параллельных лучей под углом 2β к его оптической оси. При прохождении телескопической системы с угловым увеличением γ=0,5 угол вышедшего пучка с осью будет составлять α=2βγ=2β0,5=β. Следовательно, ось вышедшего пучка всегда параллельна нормали к поверхности зеркала 8.
Далее, пучок параллельных лучей, последовательно отразившись от зеркал и светоделителя нерасстраиваемого зеркально-призменного моноблока 11, попадает в объектив 2 и фокусируется им на ФПУ 3.
Микронаклоны и микросмещения призменного блока КГЭ не влияют на угловое положение пучков лучей, входящих в объектив 2 из КГЭ, и, следовательно, на положение изображения диафрагмы 5 на ФПУ 3, так как призма БкР - 180° (уголковый отражатель) работает в параллельных пучках.
Следовательно, в объектив 2 попадает пучок лучей, ось которого параллельна нормали к плоскому зеркалу 9. Полученное изображение точки определяет центр опорной системы координат на ФПУ 3, соответствующий нормали к плоскости зеркала 9, установленного на базовой поверхности. Все это позволяет производить с помощью вычислительного блока, подключенного к ФПУ, измерения углового положения изображения звезды относительно изображения диафрагмы 5 и, следовательно, исключить погрешности определения координат звезды, связанные, например, с микросмещениями ФПУ 3 в направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива 2. Ввод изображения точки из КГЭ в данной системе осуществляется вдоль оптической оси объектива 2, что обеспечивает сохранение положения указанного изображения, а следовательно, и положение центра опорной системы координат на ФПУ при дефокусировке изображения, вызванной, например, термодеформациями.
Пучок лучей от осветителя 4, прошедший точечную прозрачную диафрагму 5 и отраженный от светоделителя 6 в направлении зеркально-призменного блока 11, после преломления на поверхности 10 становится расходящимся, так как точечная диафрагма находится существенно ближе точки фокуса поверхности 9. Пройдя зеркально-призменный блок 11 и объектив 2, пучок лучей, в виду большой дефокусировки, создает на ФПУ 3 незначительный фон, не влияющий на работу устройства.
х
Выполнение светоделительного блока в виде единой оптической детали, соединяющей в себе коллиматор и телескопическую систему с угловым увеличением γ=0,5, позволяет обеспечить практическую неизменность углового положения выходящего из КГЭ пучка, параллельного нормали к плоскости зеркала, расположенного на базовой плоскости на любом расстоянии от прибора, и, следовательно, повысить его точность.