УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ЗВЕЗДНЫЙ ПРИБОР
ANGLE-MEASURING STAR-SHAPED DEVICE

Изобретение относится к оптико-электронным системам и может быть использовано в углоизмерительных приборах, предпочтительно в приборах ориентации космических аппаратов.
Известны углоизмерительные звездные приборы, содержащие бленду, объектив с фотоприемным устройством (ФПУ) и вычислительным блоком и канал геометрического эталона (КГЭ) в виде коллиматорного блока, жестко установленного на опорной плоскости, осветителя и призмы БкР-180°, установленной перед объективом (Колосов М.П. Оптика адаптивных угломеров. - М.: ООО СКАН-1, 1997. - 412 с.).
В этом устройстве (фиг.1) излучение от визируемой звезды, пройдя бленду 1, фокусируется объективом 2 на ФПУ 3.
КГЭ обеспечивает формирование на матрице ФПУ 3 изображение точечной диафрагмы (марки) 5 коллиматора 6, подсвеченной осветителем 4. Коллимированный пучок лучей, вышедший из коллиматора 6, жестко установленного на опорной плоскости, заводится в объектив 2 через край входного зрачка с помощью призмы 7 - БкР-180°. Наличие такого изображения определяет центр опорной системы координат на ФПУ 3. Это позволяет производить с помощью вычислительного блока 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. Микронаклоны и микросмещения элементов КГЭ не влияют на угловое положение пучков лучей, входящих в объектив 2 из КГЭ и, следовательно, на положение изображения марки на ФПУ 2, так как коллиматор 6 жестко связан с опорной плоскостью, а призма БкР-180° (уголковый отражатель) работает в параллельных пучках.
Однако при дефокусировке (d) ФПУ, вызванной, например, термодеформациями, происходит смещение (Δ) изображения диафрагмы 6 на ФПУ 3. В этом случае погрешность определения координат звезды увеличивается, а точность прибора уменьшается. Эта проблема может быть решена путем завода изображения диафрагмы 6 на ФПУ 3 вдоль оптической оси объектива 2.
Наиболее близким по технической сущности является углоизмерительный звездный прибор ориентации и навигации космического аппарата, содержащий бленду, объектив с фотоприемным устройством и вычислительным блоком и канал геометрического эталона, выполненный в виде зеркально-призменного блока, склеенного из призм АР-90° и БкР-180°, коллиматорного блока, жестко установленного на опорной плоскости и осветительного блока, при этом наклонная плоская отражающая грань призмы БкР-180° в месте склейки выполнена в виде светоделителя (см. Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. - М.: Логос, 2007. - 247 с., с.71-87).
В этом устройстве (фиг.2, 3) излучение от визируемой звезды, пройдя бленду 1, передние и задние преломляющие грани призм 7 и 8, фокусируется объективом 2 на ФПУ 3.
В канале КГЭ излучение от осветителя 4, пройдя точечную диафрагму 5, расположенную в фокальной плоскости коллиматора 5, выполненного в виде линзового моноблока, жестко установленного на опорной плоскости, коллимируется последним и, последовательно отразившись от зеркал призмы БкР-180°, попадает в объектив 2 и фокусируется им на ФПУ 3. Полученное изображение точки определяет центр опорной системы координат на ФПУ 3. Это позволяет производить с помощью вычислительного блока 3 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, в отличие от предыдущей, осуществляется вдоль оптической оси объектива 2, что обеспечивает сохранение положения указанного изображения, а следовательно, и положение центра опорной системы координат на ФПУ 3 при дефокусировке, вызванной, например, термодеформациями.
Микронаклоны и микросмещения элементов КГЭ не влияют на угловое положение пучков лучей, входящих в объектив 2 из КГЭ, и, следовательно, на положение изображений марок на ФПУ 3, так как коллиматор 6 жестко связан с опорной плоскостью, а призма БкР-180° (уголковый отражатель) работает в параллельных пучках.
Возможны два варианта исполнения зеркально-призменного блока канала КГЭ.
В первом случае (фиг.2) склеенный зеркально-призменный блок для обеспечения оптимальных габаритно-массовых характеристик имеет минимально возможную толщину. Клеевое соединение призм АР-90° и БкР-180° занимает часть зрачка объектива 2. Каждая из этих призм имеет свою остаточную технологическую клиновидность. Слой клея между этими призмами также имеет свою технологическую клиновидность. Углы наклонов склеиваемых участков призм также выполнены с технологическими допуском. В результате при прохождении зеркально-призменной системы пучка лучей на проход (от звезды) в каждом из трех участков А, В и С возникает различная суммарная клиновидность, приводящая к троению изображения звезды на ФПУ 3 и, соответственно, к ухудшению точности угломера.
Во втором случае построения (фиг.3) за счет увеличения толщины зеркально-призменной системы КГЭ зона клеевого соединения призм 7 и 8 перекрывает входной зрачок объектива 2 и, следовательно, троение изображения звезды на матрице ФПУ 3 не происходит. Однако увеличение указанной толщины приводит к тому, что расстояние от входного зрачка объектива 2 до выходного окна бленды 1 также увеличивается. При этом вследствие определенной величины углового поля прибора увеличение расстояния между элементами 7 и 8 приводит увеличению выходного окна бленды D, а следовательно, к увеличению ее габаритов и, соответственно, к увеличению габаритно-массовых характеристик всего прибора (см. Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. - М.: Логос, 2007. - 247 с.).
И в первом, и во втором вариантах исполнения прибора угловое положение пучка от визируемой звезды, прошедшего через призмы 7 и 8 на проход в зоне их клеевого соединения, не отличается стабильностью, что снижает точность прибора. Это обусловлено различием физико-технических свойств клея и стекла, что при значительных температурных, вибрационных и ударных воздействиях приводит к возникновению деформаций. Эти деформации вызывают разворот призм 7 и 8 относительно друг друга и, как следствие, приводит к образованию дополнительного клина в зоне указанного соединения (фиг.4), приводящему к отклонению пучка от первоначального направления, что для высокоточных приборов недопустимо. Для устранения указанного недостатка возможно, например, усложнение конструкции крепления зеркально-призменного блока, специальный термообогрев корпуса и т.д. Однако этот путь приводит к усложнению конструкции и к ухудшению габаритно-массовых характеристик прибора.
Целью изобретения является повышение точности прибора без усложнения его конструкции и уменьшение габаритно-массовых характеристик.
Цель достигается тем, что в углоизмерительном звездном приборе, содержащем канал геометрического эталона (КГЭ), выполненный в виде осветительного блока, коллиматорного блока и зеркально-призменного блока, осуществляющего ввод излучения от осветительного блока в объектив, объектив, фотоприемное устройство и вычислительный блок, осветительный блок выполнен в виде трех источников света, установленных перед входными диафрагмами и расположенных под углом 120° друг к другу, коллиматорный блок выполнен в виде трех входных точечных диафрагм и трех выходных точечных диафрагм, расположенных на задней, обращенной к объективу, вне его входного зрачка, грани зеркально-призменного блока, а зеркально-призменный блок представляет собой единый моноблок, выполненный в виде параллельных меньшей передней и большей задней, обращенной к объективу, шестиугольных гранях, соседние ребра которых расположены под углом 120° друг к другу и образуют шесть боковых зеркальных граней между собой, которые наклонены под острым углом к задней грани, при этом зеркально-призменный блок своей задней гранью установлен на опорной (посадочной) плоскости углоизмерительного прибора.
Кроме того, предпочтительно, чтобы перед меньшей, передней гранью зеркально призменного блока дополнительно была установлена бленда.
Также предпочтительно, чтобы шесть боковых зеркальных граней были наклонены под углом 45° к задней грани.
Также предпочтительно, чтобы наклон боковых зеркальных граней, расположенных напротив выходных диафрагм выбирался таким образом, чтобы обеспечить на входе объектива необходимое отклонение пучка света от оси прибора для формирования на чувствительной площадке фотоприемного устройства опорной системы координат.
Также предпочтительно, чтобы расположение диафрагм было выбрано таким образом, чтобы обеспечить на входе объектива необходимое отклонение пучка света от оси прибора для формирования на чувствительной площадке фотоприемного устройства опорной системы координат.
Также предпочтительно, чтобы передняя и задняя грани представляли собой подобные шестиугольники, образованные из равносторонних треугольников с одинаково усеченными параллельно сторонам вершинами. Либо предпочтительно, чтобы передняя и задняя грани представляли собой подобные равносторонние шестиугольники.
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 геометрического эталона известно (см. например, Кузьмин B.C., Федосеев В.И. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов: опыт разработки, проблемы и тенденции // Оптический журнал. - 1996. - №7. - С.4-9.).
Однако использование в углоизмерительном звездном приборе, содержащем бленду, канал геометрического эталона, выполненный в виде осветительного блока, коллиматорного блока и зеркально-призменного блока, осуществляющего ввод излучения от осветительного блока в объектив, объектив, фотоприемное устройство и вычислительный блок, осветительного блока, выполненного в виде трех источников света, установленных перед входными диафрагмами и расположенных под углом 120° друг к другу, коллиматорного блока, выполненного в виде трех входных точечных диафрагм и трех выходных точечных диафрагм, расположенных на задней, обращенной к объективу, вне его входного зрачка, грани зеркально-призменного блока, а зеркально-призменный блок в виде единого моноблока, выполненного в виде параллельных меньшей передней и большей задней, обращенных к объективу шестиугольных граней, все ребра которых расположены под углом 120° друг к другу и образуют шесть боковых зеркальных граней между собой, которые наклонены под острым углом к задней грани, при этом зеркально-призменный блок своей задней гранью установлен на опорной плоскости углоизмерительного прибора, является неизвестным техническим решением, так как придает ему новое свойство - высокую стабильность оптических характеристик КГЭ и, следовательно, практическое устранение влияния жестких условий эксплуатации на прохождение рабочих пучков, что обеспечивает повышение точности прибора без усложнения конструкции и ухудшения габаритно-массовых характеристик. Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемая совокупность существенных признаков по сравнению с прототипом за счет единой моноблочности КГЭ без использования клеевых соединений, устанавливаемого на базовой опорной плоскости, позволяет обеспечить практическую неизменность углового положения выходящих из КГЭ пучков лучей как от визируемого объекта на проход, так и от марок КГЭ, то есть повысить точность устройства.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить новый положительный эффект.
На фиг.1 приведена оптическая схема аналога известного из уровня техники. На фиг.2, 3 приведена оптическая схема ближайшего аналога - прототипа. На фиг.4 приведена оптическая схема зеркально-призменного блока прототипа и ход лучей в нем.
На фиг.5, 6 приведена оптическая схема предлагаемого устройства. На фиг.7 показано объемное изображение зеркально-призменного блока КГЭ, используемого в предлагаемом устройстве. На фиг.8 приведена развертка зеркально-призменного блока КГЭ и ход лучей в нем, используемого в предлагаемом устройстве. На фиг.9 показано изображение марок, получаемое на ФПУ. На фиг.10 показано положение изображения марок на ФПУ при дефокусировке.
Предлагаемое устройство содержит: бленду 1, объектив 2, ФПУ с вычислительным блоком 3, три осветителя 4, зеркально-призменный блок 6 с шестью точечными прозрачными диафрагмами 5 и 7. Зеркально-призменный блок 6 выполнен в виде единой оптической детали с зеркальными наклонными гранями, диафрагмы 5 и 7 выполнены путем фотолитографии на задней поверхности зеркально-призменного блока 6, а осветители 3 - в виде, например, светодиодов. Фотоприемное устройство 3 может быть выполнено в виде матрицы ПЗС, подключенной к вычислительному блоку (на фигурах не показан). Таким образом, предлагаемые примеры реализации подтверждают осуществимость заявленного технического решения.
Устройство работает следующим образом:
излучение от визируемой звезды (фиг.5), пройдя бленду 1, предназначенную для подавления паразитных засветок, зеркально-призменный блок КГЭ 6 (фиг.8) на проход, попадает во входной зрачок объектива 2 и фокусируется на ФПУ 3. Излучение от каждого осветителя 4, пройдя точечную прозрачную диафрагму 5, последовательно отразившись от наклонных зеркал зеркально-призменного блока КГЭ 6 и пройдя точечную диафрагму 7, выходит из КГЭ. Наличие двух разнесенных по ходу луча точечных диафрагм формирует нитевидный пучок лучей с геометрической расходимостью, определяемой выражением (фиг.8):
1
2
1
2
2ω=2arcsin{n sin [(arctg(D+D)/L]}, где D, D - диаметры диафрагм 5 и 7, L - длина развернутого в плоскопараллельную пластину КГЭ, n - показатель его преломления. Диафрагма 7 работает как камера обскура.
Соответствующее расположение точечных диафрагм 5 и 7 на задней поверхности зеркально-призменного блока 6 позволяет обеспечить необходимое угловое отклонение пучка от оси блока. Угловое отклонение оси вышедшего пучка от оси блока β определится выражением:
β=arcsin{n sin [arctg(a-b)/L]}, где a и b - соответственно расстояния от центра диафрагм 7 и 5 до близлежащего края. Аналогичным образом работают и два остальных идентичных канала, расположенных под углом 120° друг к другу. Таким образом, на выходе КГЭ образуется три пучка лучей, оси которых составляют одинаковый угол β с осью блока, а между собой составляют угол 120°. Угловое положение нормали к опорной плоскости определяется ортоцентром равностороннего треугольника, в вершинах которого расположены оси симметрии трех рабочих пучков.
Необходимое угловое отклонение осей вышедших пучков (β) может быть реализовано также и за счет изменения углов наклона (γ) зеркальных граней, расположенных напротив выходных диафрагм 7 (фиг.8). В этом случае угловое отклонение оси каждого пучка определится выражением:
β=arcsin(n sin 2Δγ), где Δγ - изменение угла наклона зеркальной грани.
Далее пучки вне зоны входного зрачка фокусируются объективом 2 на ФПУ 3 в виде изображения трех точек (фиг.9), расположенных в вершинах равностороннего треугольника. Наличие изображения трех точек определяет опорную систему координат прибора на ФПУ 3, относительно которой производится измерение положения объекта, например, визируемой звезды. Начало координат находится в ортоцентре указанного треугольника, совпадающего с оптической осью. Все это позволяет производить измерения положения объекта, например, визируемой звезды относительно полученного изображения марок и, следовательно, исключить погрешности определения координат, связанные, например, с микросмещениями ФПУ 3 в направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива 2. Также исключаются погрешности определения координат визируемой звезды, связанные с возможным разворотом ФПУ 3 относительно оптической оси.
При дефокусировке ФПУ 3 (фиг.10), вновь образованный треугольник, в вершинах которого расположены изображения марок, созданных КГЭ, сохраняет свое подобие первоначальному, при этом ортоцентр треугольника остается на оптической оси. Следовательно, и в новой плоскости установки (плоскость изображения 2) определяется практически неизменное положение системы координат на ФПУ 3.
Выполнение зеркально-призменного блока КГЭ 6 в виде единой оптической детали без использования клеевых соединений, жестко установленного задней преломляющей гранью на опорной плоскости, обеспечивает высокую стабильность углового положения вышедших из КГЭ пучков относительно опорной плоскости и прошедших КГЭ пучков от объекта, например, визируемой звезды при значительных температурных, вибрационных и ударных воздействиях, что повышает точность прибора. При этом толщина КГЭ вдоль оптической оси объектива может быть предельно малой, что улучшает габаритно массовые характеристики всего прибора.