Широкопольный солнечный датчик

Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники, а более конкретно к широкоугольным оптическим солнечным датчикам и может быть использована для определения углового положения космического аппарата (КА) относительно астроориентира, в т.ч. Солнца.
1
2
3
1
2
3
Из уровня техники известны датчики углового положения источника излучения, выполненные на матричном фотоприемном устройстве (МФПУ), например, датчик углового положения Солнца (патент РФ на изобретение №2308005), содержащий входную и выходную склеенные плосковыпуклые линзы, между которыми расположена диафрагма, снабженная оптическим элементом, узкополосный светофильтр для ослабления солнечного излучения и устранения влияния хроматизма, МФПУ, расположенное в фокальной плоскости датчика, подключенное ко входу блока обработки информации и вычисления угловых координат. При этом коэффициенты преломления n, n, n, входной линзы, оптического элемента и выходной линзы выбираются исходя из соотношения n<n<n.
На фиг. 1 приведено вышеописанное устройство, работающее следующим образом. Излучение от Солнца проходит через плосковыпуклую линзу 1, диафрагму 2, в отверстии которой установлен оптический стеклянный элемент 2', выходную плосковыпуклую линзу 3, узкополосный светофильтр 4 и фокусируется на МФПУ 5. Далее сигнал с МФПУ поступает на блок обработки информации и вычисления угловых координат Солнца 6.
Недостатком данного устройства является невозможность при сохранении углового поля порядка 180° использовать одну и ту же оптическую систему с матрицами разных размеров. При необходимости такого перехода требуется создание нового объектива с другим фокусным расстоянием, конструктивными параметрами (радиусами кривизны, толщиной и т.д.) и, соответственно, конструкцией, что связано с большими стоимостными затратами.
Также недостатком устройства является изменение изображения Солнца по полю на МФПУ, вызванное неустранимой кривизной изображения объектива и приводящее к снижению точности определения координат Солнца.
Кроме того, в данном устройстве имеется значительное отклонение от линейной зависимости смещения Δy' энергетического центра изображения Солнца от его углового положения на чувствительной площадке МФПУ (порядка 8%), которая имеет следующий вид , где  - фокусное расстояние объектива, ω - угловое положение Солнца в пространстве предметов объектива датчика. В этом случае при нарушении указанной зависимости происходит изменение угловой чувствительности по полю, снижающей точность прибора. Реализация линейной зависимости  в широкопольных оптико-электронных угломерах, оптическая система которых состоит из дисторзирующего объектива и МФПУ, является оптимальной (Гебгарт А.Я. Особенности проектирования некоторых типов особоширокоугольных объективов. // Оптический журнал, 77, 9, 2010. С. 17-21).
К недостаткам датчика следует отнести сложность перехода к матрицам малых размеров (при создании малогабаритных датчиков). Это обусловлено уменьшением фокусного расстояния объектива и, соответственно, заднего отрезка, что, в свою очередь, практически не позволяет разместить узкополосный светофильтр из-за того, что в МФПУ имеется защитное стекло (входное окно), расположенное перед матрицей пикселей (чувствительной площадкой).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому объекту является оптический солнечный датчик (патент РФ на изобретение №2517979), включающий в себя широкопольный входной оптический элемент 1, кодовую маску 2, светофильтр 3, состоящий из верхней и нижней оптических пластин, последняя из которых установлена на защитном стекле 3', и МФПУ 4 с входным окном (фиг. 2), выход которого подключен к блоку обработки информации и вычислений угловых координат 5. Широкопольный входной оптический элемент выполнен в виде составного моноблока и имеет форму четырехугольной призмы. Центральная призма представляет собой четырехугольную усеченную правильную пирамиду, боковые грани которой имеют поглощающее покрытие. Боковые призмы выполнены в форме четырехугольных неправильных пирамид. Широкопольный входной оптический элемент опирается на поверхность кодовой маски, в которой имеются пять прозрачных идентификационных маркеров (отверстий), расположенных под соответствующими призмами моноблока, а кодовая маска опирается на поверхность светофильтра, который установлен на поверхности входного окна МФПУ.
Устройство работает следующим образом: при прохождении излучения Солнца через соответствующие элементы, т.е. призму широкопольного входного оптического элемента 1, идентификационный маркер кодовой маски 2, а также светофильтр 3, оно попадает через защитное стекло 3' на чувствительную площадку МФПУ 4, где формируется изображение, по линейным координатам энергетического центра которого в блоке 5 происходит вычисление угловых координат положения Солнца.
Поля зрения центральной и боковых призм перекрываются и образуют составное угловое поле зрения.
В отличие от аналога, в датчике-прототипе обеспечивается постоянство угловой чувствительности по полю за счет использования конструкции без воздушных зазоров между широкопольным входным оптическим элементом и кодовой маской со светофильтром и входным окном МФПУ, а также минимального воздушного зазора между входным окном МФПУ и его чувствительной площадкой, что обеспечивает практически линейную зависимость (функцию) смещения изображения кодовой маски от угла падения излучения Солнца Δy'=f(ω).
Также, в отличие от аналога, в датчике-прототипе отсутствуют геометрические изменения изображения Солнца, благодаря чему обеспечивается более высокая точность определения его энергетического центра по всему угловому полю зрения.
Недостатками данного прототипа являются:
- невозможность использования одной и той же оптической системы с матрицами разных размеров при обеспечении углового поля порядка 180° и выше. Использование МФПУ малого размера (например, 1/4'') обусловлено необходимостью создания малогабаритных датчиков, а использование МФПУ большого размера (например, со стороной 35 мм при сохранении или уменьшении размера пикселя) связано с необходимостью повышения точности датчика;
- необходимость разработки в случае использования МФПУ малого размера новой кодовой маски с малым расстоянием маркеров друг относительно друга и меньшей толщиной светофильтра. Однако при этом призмы оптического элемента, расположенные над маркерами, технологически невозможно изготовить ввиду их очень малых размеров;
- необходимость разработки в случае использования МФПУ большого размера новых цветных светофильтров с существенно большей толщиной (для обеспечения указанной линейной зависимости смещения изображения маски), что приводит к увеличению массы прибора;
- необходимость изготовления специализированного МФПУ с минимальным расстоянием от чувствительного слоя до поверхности входного окна, что требуется для обеспечения линейной зависимости смещения изображения маски. При этом в таком МФПУ должна быть обеспечена возможность крепления (приклеивания) светофильтра непосредственно к защитному стеклу в жестких условиях эксплуатации датчика. Разработка такого датчика является достаточно сложной технической проблемой и приводит к его существенному удорожанию;
- существенное падение освещенности в изображении на краю поля из-за ее косинусной зависимости при углах падения излучения на чувствительную площадку МФПУ, составляющих величину порядка 66°. Кроме того, при таких углах падения пучка для ряда матриц наблюдается снижение чувствительности, в свою очередь, приводит к снижению отношения сигнал/шум и снижению точности прибора (Р.В. Бессонов, Е.С. Караваева, Я.Д. Эльяшев Исследование характеристик КМОП-матрицы датчика изображения CMOSIS CMV-4000. // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов. Сборник трудов. 8-11 сентября 2014 года, Россия, Таруса. С. 148-158).
Задачей предлагаемого технического решения является создание широкопольного солнечного датчика, в том числе и малогабаритного, с линейной зависимостью смещения энергетического центра изображения Солнца от его углового положения на чувствительной площадке МФПУ, в котором может использоваться МФПУ любых размеров при неизменной оптической системе, и он обладает малыми массогабаритными параметрами.
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в широкопольном солнечном датчике, содержащем широкопольный входной оптический элемент, светофильтр, кодовую маску и МФПУ, выходом подключенное к блоку обработки информации и вычисления угловых координат, широкопольный входной оптический элемент выполнен в виде набора соосно установленных отрицательных менисков, центры кривизны которых обращены в сторону МФПУ, светофильтр расположен перед кодовой маской, а МФПУ размещено с возможностью перемещения вдоль оптической оси.
Приведенные сведения о заявленной полезной модели показывают, что указанные признаки в сравнении с техническими решениями, известными из источников информации, являются новыми и достаточными для обеспечения технического эффекта, и характеризуются:
- количественным составом, формой и расположением оптических элементов составного моноблока;
- расположением светофильтра перед кодовой маской;
- размещением МФПУ с возможностью перемещения вдоль оптической оси.
Благодаря использованию всей совокупности существенных признаков, в т.ч. функциональных связей, обеспечивается создание широкопольных малогабаритных солнечных датчиков с линейной зависимостью смещения изображения, обладающих новыми свойствами:
- возможностью использования матриц любого размера (в том числе и малого) при неизменной оптической системе за счет их установки в свободное пространство за кодовой маской с возможностью перемещения вдоль оптической оси;
- использованием оптической системы упрощенной конструкции, благодаря которой не требуется применять специализированные матрицы с минимальным воздушным зазором между входным окном и чувствительной площадкой, габаритную сложную призменную систему, а также заполнять пространство между приемником и кодовой маской цветными светофильтрами с минимальным воздушным зазором в МФПУ;
- уменьшением углов падения пучка на чувствительную площадку МФПУ до 30°, что повышает равномерность чувствительности МФПУ.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является упрощение конструкции и уменьшение массогабаритных параметров датчика.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показана схема аналога предлагаемого устройства,
на фиг. 2 приведена схема ближайшего аналога - прототипа,
на фиг. 3 изображена схема предлагаемого устройства,
на фиг. 4 дана диаграмма пятен рассеяния примера выполнения предлагаемого устройства.
На представленном чертеже предлагаемого устройства (фиг. 3.) показаны: широкопольный входной оптический элемент 1, представляющий собой отрицательные мениски, светофильтр 2, кодовая маска 3 и МФПУ 4, выход которого подключен к блоку обработки информации и вычисления угловых координат 5.
Все оптические элементы могут быть выполнены из радиационно-стойкого оптического стекла, например, марки К208.
Отрицательные линзовые мениски могут быть выполнены как со сферическими, так и с асферическими поверхностями.
Светофильтр может быть выполнен путем нанесения специальных интерференционных покрытий на подложку из радиационно-стойкого оптического стекла, например, марки К208.
Кодовая маска имеет вид прозрачного отверстия малого размера и может быть выполнена как на стеклянной подложке, так и на металлической, например, путем фотолитографии или механическим способом.
Предлагаемые примеры реализации подтверждают осуществимость заявленного технического решения.
Устройство работает следующим образом.
Излучение Солнца проходит через входной оптический элемент 1, светофильтр 2, ослабляющий излучение Солнца, идентификационный маркер кодовой маски 3 в виде прозрачного отверстия и попадает на чувствительную площадку МФПУ 4, где формируется изображение. По линейным координатам энергетического центра изображения в блоке 5 производят вычисление угловых координат положения Солнца.
Наличие во входном оптическом элементе 1 менисков уменьшает углы падения на МФПУ 4 по полю до величин порядка 30° и менее (в отличие от прототипа, где углы падения более 60°), что обеспечивает меньшее падение освещенности по полю и, как следствие, более равномерный регистрируемый сигнал с МФПУ 4. Излучение Солнца при прохождении оптического элемента 1, светофильтра 2 и прозрачной диафрагмы кодовой маски 3 (в прототипе их пять) на МФПУ 4 формируется как одно изображение Солнца, практически постоянное в пределах поля, при этом для устранения влияния хроматических аберраций (особенно при использования матриц больших размеров) светофильтр выполняется с узкой полосой пропускания.
Расчет отрицательных менисков может быть произведен с помощью специализированных программы расчета оптических систем, например, Zemax.
Отрицательные мениски, образующие широкопольный входной оптический элемент 1, с центрами кривизны, обращенными к МФПУ 4, обеспечивают реализацию углового поля в пространстве предметов более 180° при обеспечении линейной зависимости величины смещения падающего светового излучения на МФПУ от углового положения Солнца (Тарабукин В.В. О расчете особоширокоугольных фотографических систем. // ОМП. 1971. №11. С. 27-29; Тарабукин В.В. Расчет особоширокоугольных фотографических систем // ОМП. 1974. №3. С. 29-31, Гебгарт А.Я. Особенности проектирования некоторых типов особоширокоугольных объективов. // Оптический журнал, 77, 9, 2010. С. 17-21).
Вследствие этого, а также вследствие расположения светофильтра 2 перед кодовой маской 3, пространство между МФПУ 4 и кодовой маской 3 остается свободным (в отличие от прототипа, в котором для обеспечения линейной характеристики требуется заполнение пространства стеклом). Это позволяет использовать МФПУ любого размера путем смещения его вдоль оптической оси. При этом по существу нет ограничений на расстояние от матрицы пикселей МФПУ до его защитного стекла.
В качестве примера на фиг. 3 приведена система солнечного датчика с двумя менисками, обладающая угловым полем 180° и максимальными углами падения излучения на МФПУ 30°. Отклонение от линейной характеристики не более 0,2%. Диаграмма пятен рассеяния по полю матрицы размером 1/4'' приведена на фиг. 4.
Таким образом, предлагаемое устройство при наличии широкого углового поля зрения (не менее 180°) и линейной зависимости величины смещения изображения кодовой маски от углового положения Солнца:
- позволяет применять единую оптическую систему при использовании как малогабаритных, так и крупногабаритных МФПУ;
- обладает более высокой равномерностью распределения сигнала с МФПУ;
- имеет малые массогабаритные параметры.