Прибор для регистрации электромагнитного излучения от астрономических объектов

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована при создании приборов для регистрации электромагнитного излучения, в частности, спектрографов для получения спектров высокого и низкого разрешения от астрономических объектов (звезд, туманностей, галактик, квазаров, планет Солнечной системы и их спутников, комет) в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитного излучения. В этих приборах в качестве светоприемника используют  матричный приемник излучения (ПЗС-матрицу).
Чувствительность матричного приемника излучения различна из-за неоднородностей в процессе его изготовления. Как правило, необходимые параметры матричного приемника излучения определяют путем проведения его лабораторного исследования (патент RU 2315965, публик. 27.01.2008) или путем получения специальных изображений перед началом выполнения научных наблюдений (патент RU 2442109, публик. 10.02.2012), при этом корректировка изображения не требуется.
Оптическая система приборов для регистрации электромагнитного излучения от астрономических объектов также вносит неоднородности в получаемое изображение за счет виньетирования, пылинок и т.п. При проведении исследований в течение  длительного времени стоит задача корректировки изображения, т.к. применение нескорректированного изображения приведет к появлению существенных систематических ошибок, которые, в конечном счете, снизят точность получения изображений исследуемых астрономических объектов. Для учета неоднородностей используют калибровочные кадры.
Известен матричный приемник телевизионной камеры с устройством для компенсации неравномерности видеосигнала (патент RU 1314800, публик. 20.10.1995), который используют в системах астроориентации и астронавигации. Калибровку матричного приемника осуществляют при работе с точечным или локальным объектом путем определения коэффициента коррекции чувствительности каждого калибруемого элемента разложения, запоминая его, чтобы в режиме компенсации сигнал i-го элемента усилить с соответствующим коэффициентом компенсации. Калибровку производят либо с помощью калибровочного осветителя - эталонного источника излучения, либо с помощью информационного светового потока от исследуемого объекта, что приводит к повышению точности компенсации. Устройство для компенсации неравномерности видеосигнала матричного приемника включает устройство перемещения, блок согласования, блок памяти, регистр  последовательных приближений, два цифровых коммутатора, три компаратора,  датчик кода опорного уровня, аналого-цифровой преобразователь, дискретный измеритель координат, блок умножения и счетчик.
Известен также прибор для регистрации электромагнитного излучения от астрономических объектов, в частности, спектрограф, предназначенный для астрофизических исследований при анализе спектров звезд (патент RU 2572460, публик. 10.01.2016), в конструкцию которого для калибровки матричного приемника на земле включен калибровочный осветитель и устройство для выравнивания интенсивности линий в спектре калибровки. Свет от калибровочного осветителя разлагают в линейчатый спектр, фокусируют изображение спектра на маске, посредством которой вырезают из спектра определенные длины волн, после оставшийся свет калибровочного  осветителя направляют в основной астрономический спектрограф, в котором собственно и производят сравнение спектра исследуемой звезды со спектром калибровки.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является прибор для регистрации электромагнитного излучения от астрономических объектов, в частности – датчик космического аппарата ориентации по звездам (патент RU 2585179, публик. 27.05.2016). В корпусе датчика установлена оптическая система, через которую осуществляют проецирование изображения звезд на матричный приемник излучения, также размещен калибровочный осветитель для проведения измерений в режимах освещения матричного приемника излучения калибровочным осветителем. В конструкцию также входит блок управления (блок электроники), снабженный вычислительным устройством (микропроцессором) с объемом постоянной памяти, содержащей бортовой каталог навигационных звезд и полученные при калибровки индивидуальные характеристики пикселей матричного приемника излучения. К этим характеристикам относятся темновые (тепловые) токи пикселей и отношение светочувствительности пикселя к среднему (номинальному) значению. Калибровочный осветитель снабжен светонепроницаемым затвором для проведения калибровок в режимах, при которых свет от оптической системы перекрыт светонепроницаемым затвором при помощи устройства управления затвором и осветителем. Для поддержания точности определения ориентации по звездам в эксплуатационном полете регулярно определяют индивидуальные характеристики пикселей матричного приемника излучения и сохраняют их в объеме постоянной памяти датчика. Данные о характеристиках индивидуальных пикселей матричного приемника излучения время от времени обновляют с помощью самого датчика путем проведения измерений. Для измерения коэффициентов чувствительности пикселей матричный приемник излучения освещается однородным потоком излучения от калибровочного осветителя. Для получения однородного потока излучения используют его рассеяние на внутренней поверхности закрытого светонепроницаемого затвора. Затвор состоит из качалки на оси, которая выполнена в виде экранирующего апертуру лепестка с заделанным в качалку, по меньшей мере, одним постоянным магнитом и, по меньшей мере, одного исполнительного соленоида, взаимодействующих с постоянным магнитом качалки таким образом, чтобы при подаче напряжения на соленоид его полярность была противоположна полярности постоянного магнита. Магнит отталкивается от соленоида, и затвор перекрывает апертуру, а при незапитанном соленоиде магнит притягивается к сердечнику соленоида и затвор все время остается «нормально открытым». Важным требованием к затвору является возврат его в открытое положение при сбоях в функционировании датчика (например, при выключении питания). Датчик с открытым, но не работающим затвором будет продолжать функционировать, хотя через некоторое время его точность снизится из-за невозможности проведения летных калибровок. При закрытом затворе датчик функционировать не может.
Недостатком ближайшего аналога является то, что при выходе из строя калибровочного осветителя невозможно проводить дальнейшую калибровку матричного приемника, что снижает точность прибора и уменьшает его ресурс работы. Кроме того, размещение светонепроницаемого затвора между оптической системой и светочувствительной поверхностью матричного приемника и обеспечение равномерности облучения светочувствительной поверхности матричного приемника излучением калибровочного источника за счет рассеяния исходящего потока на внутренней поверхности закрытого затвора накладывает ограничение на конструкции затвора и осветителя, а также на компоновочную схему прибора.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение длительности поддержания повышенной точности получаемых изображений.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в приборе для регистрации электромагнитного излучения от астрономических объектов, включающем корпус, в котором расположены оптическая  система, матричный приемник излучения, блок управления с объемом памяти для хранения индивидуальных характеристик пикселей матричного приемника излучения, калибровочный осветитель, обеспечивающий равномерность облучения светочувствительной поверхности матричного приемника при калибровочном режиме, устройство управления калибровочным осветителем и светонепроницаемый затвор, перекрывающий излучение от астрономических объектов при калибровочном режиме, новым является то, что  светонепроницаемый затвор расположен перед оптической системой, калибровочный осветитель размещен перед светочувствительной поверхностью матричного приемника со смещением его оптической оси относительно оптической оси прибора и выполнен из двух ламп накаливания – основной и дублирующей, каждая из которых выполнена в кварцевой колбе с вольфрамовой нитью накаливания и вакуумированным объемом, лампы соединены с вилкой, обеспечивающей их подключение к источнику питания, с возможностью переключения устройством управления в случае выхода из строя основной лампы на дублирующую, лампы объединены единым корпусом, который установлен на кронштейне, прикрепленном к корпусу прибора, в едином корпусе выполнены отверстия для откачки воздуха, а на выходе из него установлен коллиматор, при этом между лампами и коллиматором размещены светозащитные стекла, ослабляющие световой поток и матовое стекло, обеспечивающее однородность излучения.
Размещение светонепроницаемого затвора перед оптической системой, позволяет исключить попадание отражающего излучения от элементов прибора на светочувствительную поверхность ПЗС-детектора, что обеспечивает точность получаемого изображения. Дополнительно такое размещение позволяет оптимизировать компоновку прибора.
Размещение калибровочного осветителя непосредственно перед светочувствительной поверхностью матричного приемника со смещением его оптической оси относительно оптической оси прибора позволяет получить более однородную засветку светочувствительной поверхности ПЗС-детектора.
Выполнение калибровочного осветителя из двух ламп накаливания – основной и дублирующей позволяет увеличить срок службы осветителя и продлить повышенную точность обработки спектров.
Выполнение ламп в кварцевой колбе с вольфрамовой нитью накаливания и вакуумированным объемом позволяет исключить наводки, возникающие в следствии воздействия радиационных поле (эффект тлеющего разряда).
Лампы соединены с вилкой, обеспечивающей их подключение к источнику питания, с возможностью переключения устройством управления в случае выхода из строя основной лампы на дублирующую, позволяет исключить промежуточные элементы соединения, обеспечивая надежность работы.
Объединение ламп единым корпусом позволяет использовать единую систему линз для получения однородности излучения.
Установка корпуса на кронштейне, прикрепленном к корпусу прибора, позволяет разместить осветитель внутри корпуса прибора в непосредственной близости от светочувствительной поверхности ПЗС-детектора, вне его оптической оси.
Выполнение в корпусе осветителя, отверстий для откачки воздуха позволяет провести дегазацию осветителя для исключения влияния газов на получаемое изображение.
Установка на выходе корпуса осветителя коллиматора позволяет обеспечить точность наводки излучения на светочувствительную поверхность ПЗС-детектора.
Размещение между лампами и коллиматором светозащитных стекол позволяет ослабить световой поток для обеспечения требуемых режимов засветки.
Применение матового стекла, обеспечивающего однородность излучения, позволяет получать кадры плоского поля, которые используются как индивидуальные характеристики пикселей ПЗС-детектора.
На Фиг. 1 представлена схема засветки светочувствительной поверхности матричного приемника излучения, который входит в конструкцию прибора для регистрации электромагнитного излучения от астрономических объектов, на фиг.2  –  калибровочный  осветитель светочувствительной поверхности матричного приемника, где:
1 –щель спектрографа;
2 – светонепроницаемый затвор электромеханический (ЗЭМ);
3 – калибровочный осветитель;
4 – ПЗС-детектор;
5 – объем постоянной памяти, содержащий бортовой каталог калибровочных кадров;
6 – микропроцессор;
7 – дополнительный объем постоянной памяти, содержащей характеристики индивидуальных пикселей ПЗС-детектора;
8 – корпус осветителя;
9 – вилка;
10 – кронштейн;
11 – лампа накаливания;
12 – фланец;
13 – стекло светозащитное;
14 – прокладка;
15 – стекло матовое;
16 – кольцо пружинное;
17 – кольцо резьбовое;
18 – коллиматор.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить один из спектрографов, входящих в блок спектрографов (БС) для получения спектров высокого разрешения и спектров низкого разрешения с длинной щелью от наблюдаемых космических объектов в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитного излучения (УФ-спектрографы). Спектрограф включает корпус, с расположенными в нем оптической  системой, в которую через щель проходит излучение от наблюдаемого объекта, матричным приемником излучения, в который входит ПЗС-детектор, блоком управления, снабженным микропроцессором, объем постоянной памяти которого содержит бортовой каталог калибровочных кадров, а дополнительный  объем - индивидуальные характеристики  пикселей ПЗС-детектора, калибровочным осветителем, обеспечивающим равномерность облучения светочувствительной поверхности ПЗС-детектора при калибровочном режиме, устройством управления калибровочным осветителем и светонепроницаемым затвором, перекрывающим излучение от наблюдаемых объектов при калибровочном режиме. В качестве светонепроницаемого затвора используют электромеханический затвор (ЗЭМ), который расположен перед оптической системой. Калибровочный осветитель размещен перед светочувствительной поверхностью ПЗС-детектора со смещением его оптической оси относительно оптической оси спектрографа и выполнен из двух ламп накаливания – основной и дублирующей, каждая из которых выполнена в кварцевой колбе с вольфрамовой нитью накаливания и вакуумированным объемом. Лампы размещены в едином корпусе (корпус осветителя) и соединены с вилкой, обеспечивающей их подключение к источнику питания, с возможностью переключения устройством управления в случае выхода из строя основной лампы на дублирующую. Выводы ламп подпаиваются проводами к контактам вилки и закрепляются на фланце. Свет от работающей лампы проходит через два светозащитных стекла и матовое стекло, установленных в корпусе через прокладки и поджатые резьбовым кольцом через пружинное кольцо. На выходе светового потока  стоит коллиматор. Для работы в условиях вакуума необходима откачка воздуха (проведение дегазации) осветителя. Для этого стекла и прокладки сделаны с радиальными зазорами для пропуска воздуха, а в корпусе и деталях крепления ламп сделаны отверстия. В буртике корпуса осветителя, в который упирается одно из светозащитных стекол,  сделаны с той же целью пазы. Корпус осветителя установлен на кронштейне, прикрепленном к корпусу спектрографа.
Работа заявляемого прибора осуществляется следующим образом.
При настройке ПЗС-детектора 4 на земле определяют индивидуальные характеристики пикселей ПЗС-детектора 4, которые представляют собой чувствительность, темновой ток в пикселях, коэффициент усиления, шум считывания и др. Вариации чувствительности пикселей ПЗС-детектора 4 условно можно назвать «высокочастотным кадром плоского поля». Для получения данного типа кадров плоского поля необходима относительно равномерная засветка светочувствительной поверхности ПЗС-детектора 4. Для этих целей в конструкцию введен калибровочный осветитель. Наземные кадры плоского поля вносят в объем постоянной памяти 5 микропроцессора 6, формируя бортовой каталог калибровочных кадров.
В полете излучение от наблюдаемого объекта через щель 1 спектрографа и открытый ЗЭМ 2 попадает на светочувствительную поверхность ПЗС-детектора 4. В результате чего с помощью блока управления получают спектр наблюдаемого объекта, применяя методику коррекции изображений спектров, полученных на ПЗС-детекторе 4 при проведении сеансов наблюдений космических объектов. Используя кадры плоского поля из бортового каталога калибровочных кадров, хранящихся  в объеме постоянной памяти 5 микропроцессора 6, осуществляют корректировку спектра. В длительном полете для повышения и длительного поддержания точности обработки спектров в области ближнего и дальнего ультрафиолета необходимо получать новые индивидуальные характеристики пикселей ПЗС-матрицы 4, для чего осуществляют корректировку кадров плоского поля с сохранением их в дополнительном объеме постоянной памяти 7. Для этого осуществляют засветку светочувствительной поверхности ПЗС-детектора 4 , при этом излучение от наблюдаемого объекта перекрывает ЗЭМ 2. Засветку светочувствительной поверхности ПЗС-детектора 4 осуществляют в следующих режимах:
- засветка  на уровне 10 фотоэлектрон/ пиксель перед началом экспозиции для заполнения ловушек заряда ПЗС-детектора и улучшения коэффициента переноса заряда;
- засветка на уровне 8000 фотоэлектрон/ пиксель предназначена для получения калибровочных кадров плоского поля высокочастотной составляющей.
В применяемом калибровочном осветителе использованы лампы накаливания 11 относительно большой мощности. Ослабление светового потока до величин 10 и 8000 фотоэлектрон/пиксель и обеспечение равномерности засветки достигается использованием светозащитных стекол 13, матового стекла 15, коллиматора 18 и подбором времени засветки. Поскольку осветитель выполнен с двумя лампами накаливания 11- основной и дублирующей, то в случае выхода из строя основной лампы устройство управления обеспечит переключение на дублирующую. Кадры плоского поля время от времени обновляют.
Таким образом, использование заявляемой конструкции позволит обеспечить длительное функционирование прибора в условиях космоса и точность обработки получаемых изображений. По заявляемой конструкции были выпущено КД, планируется изготовление макета для конструкторско-доводочных испытаний.