УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР
ANGLE MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к области оптоэлектроники, а более конкретно к оптико-электронным системам, и может быть использовано в углоизмерительных приборах, предпочтительно в приборах ориентации космических аппаратов.
Известны углоизмерительные приборы, содержащие объектив, матричный приемник излучения с вычислительным блоком (МПИ) и канал геометрического эталона (КГЭ), 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.).
В этом устройстве (фиг.1) излучение от визируемого точечного источника, например звезды, пройдя на проход преломляющих граней зеркально-призменного блока, включающего призмы 1′ (АР-90°) и 1 (БкР-180°), фокусируется объективом 2 на МПИ 3.
В канале КГЭ излучение от осветителя 4, пройдя точечную диафрагму 5, расположенную в фокальной плоскости коллиматора 6, жестко установленного на опорной плоскости, коллимируется последним и, последовательно отразившись от зеркал призмы 1, попадает в объектив 2 и фокусируется им на МПИ 3. Полученное изображение точки определяет центр опорной системы координат на МПИ 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 МПИ 3 в направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива 2.
Микронаклоны и микросмещения элементов 1, 6 КГЭ не влияют на угловое положение пучков лучей, входящих в объектив 2 из КГЭ, и, следовательно, на положение изображений марок на МПИ 3, так как призма 1 БкР-180° (уголковый отражатель) работает в параллельных пучках, а коллиматор 6 жестко связан с опорной плоскостью. Здесь и далее опорная плоскость либо жестко связана с посадочной плоскостью прибора, либо непосредственно является ею.
В этом устройстве угловое положение пучка от визируемой звезды, прошедшего через призмы 1′ и 1 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 микроразворот призм 1′ и 1 и друг относительно друга и, как следствие, приводят к образованию дополнительного клина в зоне указанного соединения. При прохождении указанного клина часть пучка лучей отклоняется от первоначального направления, что для высокоточных приборов недопустимо.
Наиболее близким по технической сущности является углоизмерительный прибор, содержащий объектив, матричный приемник излучения с вычислительным блоком (МПИ) и канал геометрического эталона (КГЭ), состоящий из оптически сопряженных с объективом коллиматорного блока и зеркально-призменного блока, представляющих собой единый моноблок, а также осветительного блока, при этом осветительный блок включает в себя три источника света, расположенных под углом 120° друг к другу, коллиматорный блок - три входные и три выходные точечные диафрагмы, расположенные на зеркально-призменном моноблоке, выполненном в виде равнобедренной шестигранной усеченной пирамиды, соседние ребра которой расположены под углом 120° друг к другу, а большее из оснований которой обращено к объективу, при этом зеркально-призменный моноблок жестко соединен с опорной плоскостью углоизмерительного прибора (патент на изобретение РФ №2399871).
В прототипе излучение от визируемого точечного объекта, например звезды (фиг.2, фиг.3), пройдя зеркально-призменный блок 1 КГЭ на проход, попадает во входной зрачок объектива 2 и фокусируется на МПИ 3. Зеркально-призменный блок 1 выполнен без клеевых соединений, что по сравнению с аналогом обеспечивает более высокую стабильность углового положения проходящего пучка.
Излучение от осветителя 4, пройдя точечную прозрачную диафрагму 5, последовательно отразившись от наклонных зеркал зеркально-призменного блока 1 и пройдя точечную прозрачную диафрагму 5′, выходит из КГЭ. Диафрагма 5′ работает как камера-обскура. Диафрагмы 5 и 5′ нанесены методом фотолитографии на большей поверхности зеркально-призменного блока 1. При этом три входные диафрагмы 5 (на чертеже показана одна) и три выходные диафрагмы 5′ (на чертеже показана одна), расположенные на зеркально-призменном моноблоке 1, представляют собой коллиматорный блок 6.
Наличие двух разнесенных по ходу луча точечных диафрагм формирует нитевидный пучок лучей. Соответствующее расположение точечных диафрагм 5 и 5′ на большей поверхности зеркально-призменного блока 1 позволяет обеспечить необходимое угловое отклонение пучка α от оси блока (фиг.2).
Таким образом, на выходе КГЭ образуется три пучка лучей, оси которых составляют одинаковый угол α 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 реализуется также за счет изменения углов наклона зеркальных граней, расположенных напротив выходных диафрагм 5′.
Далее пучки, пройдя вне зоны входного зрачка объектива 2, фокусируются объективом на МПИ 3 в виде изображения трех точек (фиг.4), расположенных в вершинах равностороннего треугольника. Наличие изображения трех точек определяет опорную систему координат прибора на МПИ 3, относительно которой с помощью вычислительного блока производится измерение углового положения визируемой звезды. Начало координат находится в ортоцентре указанного треугольника, совпадающего с оптической осью. Все это позволяет производить измерения положения визируемой звезды относительно полученного изображения марок и, следовательно, исключить погрешности определения координат, связанные, например, с микросмещениями МПИ 3 в направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива 2. С помощью указанных изображений точек от КГЭ исключаются также и погрешности определения координат визируемой звезды, связанные с возможным разворотом МПИ 3 относительно оптической оси и с его дефокусировкой.
Для обеспечения оптимальной точности прибора за счет учета разворота МПИ и его дефокусировки пучки лучей КГЭ должны быть разведены на максимально возможный угол α относительно оптической оси, то есть величина этого угла должна быть соизмерима с угловым полем прибора.
При дефокусировке МПИ 3 (фиг.5), вызванной, например, термодеформациями объектива, вновь образованный треугольник (плоскость изображений б), в вершинах которого расположены изображения марок, сохраняет свое подобие первоначальному (плоскость изображений а), при этом ортоцентр треугольника остается на оптической оси. Изменение линейных размеров треугольника по сравнению с его паспортизованными размерами в нормальных условиях позволяет определять в процессе эксплуатации прибора изменение масштаба изображения и вносить соответствующую поправку в определение угловых координат визируемого объекта (Колосов М.П. Оптика адаптивных угломеров: - М.: Логос, 2011. - 256 с.).
Выполнение зеркально-призменного блока КГЭ 1 в виде единой оптической детали без использования клеевых соединений, жестко установленной преломляющей гранью на опорной (посадочной) плоскости, обеспечивает, по сравнению с аналогом, более высокую стабильность углового положения вышедших из КГЭ 1 пучков относительно опорной плоскости и прошедших КГЭ 1 пучков от 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.
Однако изображения марок КГЭ при изменении температуры зеркально-призменного блока будут смещаться на МПИ 3 из-за влияния изменения показателя преломления материала зеркально-призменного блока КГЭ 1 на отклонение вышедших из КГЭ пучков (углы α). То есть произойдет изменение размеров треугольника, в вершинах которого находятся изображения марок КГЭ. В то же время энергетические центры изображений визируемых звезд на МПИ 3 не изменят своего положения. Это обусловлено тем, что пучки параллельных лучей при прохождении КГЭ 1 на проход не изменяют своего углового положения при изменении температуры КГЭ, так как в этом случае КГЭ является плоскопараллельной пластиной. Изменение же размеров указанного треугольника воспринимается при обработке изображений как дефокусировка МПИ 3 и приводит к введению соответствующей поправки в определение угловых координат визируемых звезд. Эта поправка в действительности будет являться дополнительной погрешностью в определении координат звезд, снижающей точность прибора.
1
2
В качестве примера, подтверждающего положение об изменении от температуры углового положения пучков лучей, вышедших из КГЭ, рассмотрим его действие при температурах t=20°C и t=-20°C (фиг.6). Преломляющим материалом зеркально-призменного блока для этого примера выбрано стекло К8. Рабочая длина волны λ=0,54607 мкм.
t1
1
t1
Пусть данный КГЭ обеспечивает отклонение вышедших из КГЭ пучков от оси объектива на угол α=45° при нормальных условиях (t=20°). В этом случае угол падения α′ оси пучка на заднюю поверхность КГЭ 1 внутри стекла, обеспечивающий угол отклонения на выходе из диафрагмы 5′ в воздухе α=45°, в соответствии с известным законом преломления Снеллиуса, определяется выражением:
α′=arcsin(sin α/n)=arcsin(sin45°/n), где n - показатель преломления КГЭ. При n=1,518294 для длины волны λ=0,54607 мкм и температуры t=20°C (ГОСТ 13659-78 «Стекло оптическое бесцветное». Физико-химические характеристики. Основные параметры) угол α′=27°,757123.
2
t2
Указанный угол α′ не меняется при изменении температуры зеркально-призменного блока, так как определяется геометрией КГЭ, сохраняющей свое подобие. При t=-20°C показатель преломления n пластины составит n=1,518022 (ГОСТ 13659-78), и вышедший пучок в соответствии с законом преломления отклонится на α=44°,989736. Таким образом, изменение угла α относительно нормальных условий составляет Δα=36″,948, что существенно снижает точность прибора.
t1
Данный пример соответствует широкоугольным угломерам с угловыми полями более 90°. Очевидно, что в угломерах с меньшими угловыми полями, где углы отклонения α не так велики, величина Δα будет существенно меньше. Например, при Δ=10° и тех же условиях работы КГЭ изменение угла α составит Δα=6,5″. Однако и эта величина в ряде случаев недопустима.
Одним из путей решения этой проблемы является термостабилизация КГЭ в виде поддержания его постоянной температуры. Однако этот путь приводит к существенному усложнению конструкции прибора и к ухудшению его габаритно-массовых характеристик.
Еще одним недостатком указанного угломера является ввод световых пучков от КГЭ 1 в объектив через точечные диафрагмы, расположенные вне зоны его входного зрачка. Для реализации такого ввода пучков КГЭ необходимо не только увеличивать световые диаметры линз объектива, но и обеспечивать для указанных зон высокое качество изображения марок КГЭ на МПИ 3. Это приводит к усложнению оптической системы объектива и ухудшению его габаритно-массовых характеристик.
Целью изобретения является повышение точности прибора при одновременном упрощении оптической системы объектива и уменьшении его габаритно-массовых характеристик.
Цель достигается тем, что в углоизмерительном приборе, содержащем объектив, матричный приемник излучения с вычислительным блоком (МПИ) и канал геометрического эталона (КГЭ), состоящий из оптически сопряженных с объективом осветительного блока, имеющего три источника света, расположенных под углом 120° друг к другу, коллиматорного блока, включающего в себя три входные и три выходные точечные диафрагмы, и зеркально-призменного блока, образующего с нанесенными на него диафрагмами коллиматора моноблок, жестко соединенный с опорной плоскостью углоизмерительного прибора и выполненный в виде равнобедренной шестигранной усеченной пирамиды, соседние ребра которой расположены под углом 120° друг к другу, а одно из оснований которой обращено к объективу, в нем входные и выходные точечные диафрагмы расположены на боковых поверхностях зеркально-призменного блока, дополнительно снабженного тремя уголковыми отражателями, установленными за соответствующей выходной точечной диафрагмой с обеспечением ввода излучения во входной зрачок объектива посредством отражения от обращенного к нему меньшего основания зеркально-призменного блока, при этом указанные точечные диафрагмы размещены так, что ось выходного пучка направлена под прямым углом к боковой поверхности зеркально-призменного блока.
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, Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов: - М.: Логос, 2007. - 247 с.).
Однако использование в углоизмерительном приборе, содержащем указанную совокупность признаков, является неизвестным техническим решением, так как придает угломеру новые свойства:
- ось каждого вышедшего из зеркально-призменного блока КГЭ пучка лучей перпендикулярна соответствующей боковой поверхности блока, что исключает влияние изменения показателя преломления материала блока на угловое положение указанных пучков из-за изменения температуры;
- ввод пучков лучей от КГЭ в объектив производится непосредственно через центр его входного зрачка, что уменьшает световые диаметры линз, упрощает оптическую систему объектива, в которой требуемое качество изображения для марок КГЭ обеспечивается автоматически за счет соответствующего качества изображения объектива, рассчитанного только для зоны входного зрачка.
Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемая совокупность существенных признаков по сравнению с прототипом за счет входных и выходных точечных диафрагм, расположенных на боковых поверхностях зеркально-призменного блока, дополнительно снабженного тремя уголковыми отражателями, установленными за соответствующей выходной точечной диафрагмой с обеспечением ввода излучения во входной зрачок объектива посредством отражения от обращенного к нему меньшего основания зеркально-призменного блока, при этом указанные точечные диафрагмы размещены так, что ось выходного пучка направлена под прямым углом к боковой поверхности зеркально-призменного блока, позволяет:
- обеспечить практическую неизменность углового положения выходящих из КГЭ пучков лучей при значительных температурных воздействиях и, следовательно, повысить точность устройства;
- упростить оптическую систему объектива и уменьшить его габаритно-массовые характеристики.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить новый положительный эффект.
На фиг.1 приведена оптическая схема аналога, известного из уровня техники.
На фиг.2 приведена оптическая схема ближайшего аналога -прототипа.
На фиг.3 приведен вид задней плоскости КГЭ прототипа.
На фиг.4 показано положение изображения марок КГЭ прототипа на МПИ.
На фиг.5 показано положение изображения марок КГЭ прототипа на МПИ при дефокусировке.
На фиг.6 приведен ход лучей в КГЭ прототипа при изменении температуры.
На фиг.7 приведена оптическая схема предлагаемого устройства.
На фиг.8 приведен вид задней плоскости КГЭ предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство (фиг.7, фиг.8) содержит: КГЭ 1, 4…7, объектив 2, МПИ с вычислительным блоком 3. Также для уменьшения влияния рассеянного света на входе устройства может быть установлена бленда.
КГЭ состоит из:
- зеркально-призменного блока 1;
- коллиматора 6, включающего в себя три входные точечные диафрагмы (отверстия) 5 (на фиг.7 показана одна) и три выходные точечные диафрагмы (отверстия) 5′ (на фиг.7 также показана одна), расположенные на боковых поверхностях зеркально-призменного блока 1;
- осветительного блока, выполненного в виде трех источников излучения 4 (на фиг.7 показан один);
- трех уголковых отражателей 7, расположенных за соответствующими выходными точечными диафрагмами (на фиг.7 показан один).
Зеркально-призменный блок 1 выполнен в виде шестигранной усеченной пирамиды, соседние ребра которой расположены под углом 120° друг к другу, установленной так, что ее основания перпендикулярны оптической оси объектива. Диафрагмы 5 и 5′ нанесены на боковые поверхности зеркально-призменного блока 1 методом фотолитографии. Таким образом, зеркально-призменный блок 1 и коллиматор 6, включающий диафрагмы 5 и 5′, образуют зеркально-призменный моноблок, представляющий собой единую оптическую деталь без использования клеевых соединений.
В качестве уголковых отражателей 7 используется призмы БкР-180°, а осветителей 4 - например, светодиоды.
Таким образом, предлагаемые примеры реализации подтверждают осуществимость заявленного технического решения.
Устройство работает следующим образом.
Излучение от визируемого точечного объекта, например звезды, пройдя на проход зеркально-призменный блок 1, жестко соединенный с опорной плоскостью прибора, попадает во входной зрачок объектива 2 и фокусируется на МПИ 3.
Излучение от осветителя 4, пройдя точечную прозрачную диафрагму 5, последовательно отразившись от оснований зеркально-призменного блока 1 и пройдя точечную диафрагму 5′, выходит из зеркально-призменного блока 1 перпендикулярно боковой поверхности. Указанное отражение от оснований зеркально-призменного блока 1 основано либо на эффекте полного внутреннего отражения, либо с помощью нанесенного на основания светоделительного покрытия.
Наличие двух разнесенных по ходу луча точечных диафрагм 5, 5′ формирует нитевидный пучок лучей с геометрической расходимостью, определяемой, как и в прототипе, выражением
1
2
1,
2
2ω=2arcsin{nsin[(arctg(D+D)/L]}, где D D - диаметры диафрагм 5 и 5′, L - длина развернутого в плоскопараллельную пластину зеркально-призменного блока 1, n - показатель его преломления. Диафрагма 5′ работает как камера-обскура.
Далее пучок лучей, вышедший из зеркально-призменного блока 1 через диафрагму 5′, отразившись от уголкового отражателя 7 (призмы БкР-180°), падает на меньшее (заднее) основание зеркально-призменного блока 1 со стороны объектива. При этом оси пучка, падающего на уголковый отражатель 7 и отраженного от него, всегда параллельны. Параллельность данных осей обеспечивается свойством уголкового отражателя возвращать пучок вдоль первоначального направления. Отразившись затем от меньшего основания зеркально-призменного блока 1, пучок лучей попадает в центр входного зрачка объектива 2 под углом α к оптической оси объектива. Отражение от меньшего основания обеспечивается либо с помощью нанесенного на основание светоделительного покрытия, либо с помощью создания на основании непросветленных участков.
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 МПИ 3, так как зеркально-призменный блок 1 с диафрагмами 5, 5′ (моноблок) жестко связан с опорной (посадочной) плоскостью, а уголковый отражатель 7 (призма БкР-180°) всегда возвращает отраженный пучок лучей в направлении, параллельном упавшему на нее пучка.
Необходимое угловое отклонение α осей вышедших пучков из зеркально-призменного блока 1 от оси объектива реализуется за счет соответствующего расположения входных 5 и выходных 5′ диафрагм на боковых поверхностях (фиг.7, фиг.8), а также за счет габаритов зеркально-призменного блока 1, реализующих необходимое число отражений пучков от переднего и заднего оснований. Положение входной 5 и выходной 5′ диафрагм на боковых поверхностях зеркально-призменного блока 1 определяется из условия перпендикулярности осевого пучка, проходящего через центры диафрагм 5 и 5′, к указанным боковым поверхностям.
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 α с осью блока и оптической осью объектива, 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.
Следует особо отметить, что пучок лучей выходит из выходной диафрагмы 5′ перпендикулярно боковой поверхности зеркально-призменного блока 1. Это дает возможность, по сравнению с прототипом, исключить влияние изменения показателя преломления материала зеркально-призменного блока 1 из-за изменения температуры на угловое положение пучков КГЭ относительно опорной плоскости. Данное положение вытекает из закона Снеллиуса, в соответствие с которым угол отклонения оси вышедшего пучка из зеркально-призменного блока 1 относительно нормали к боковой поверхности определится выражением β=arcsin (nsinβ′), где n - показатель преломления стекла зеркально-призменного блока 1; β′ - угол падения оси пучка внутри блока относительно нормали к боковой грани. При β′=0° (луч падает внутри зеркально-призменного блока 1 по нормали к боковой поверхности) β=0° вне зависимости от показателя преломления, то есть луч выходит также по нормали к боковой поверхности.
Далее пучки поступают в объектив 2 через центр входного зрачка и фокусируются на МПИ 3 в виде изображения трех точек (фиг.9), расположенных, как и в прототипе (фиг.4), в вершинах равностороннего треугольника.
Возможность ввода пучков лучей от КГЭ через входной зрачок объектива 2 позволяет, в отличие от прототипа (где ввод пучков от КГЭ производится вне зоны зрачка), уменьшить световые диаметры линз и, следовательно, упростить оптическую систему объектива 2 с обеспечением высокого качество изображения на МПИ 3 как для визируемого объекта, так и для марок КГЭ. Это объясняется тем, что при введении пучков от КГЭ через входной зрачок объектива уже не требуется, как в прототипе, специально рассчитывать объектив с большими диаметрами линз и обеспечивать для зон КГЭ, расположенных вне входного зрачка, высокое качество изображения марок КГЭ на МПИ 3. Высокое качество изображения для марок КГЭ в предлагаемом устройстве обеспечивается автоматически за счет соответствующего качества изображения объектива, рассчитанного только для зоны входного зрачка.
Наличие изображения трех точек определяет опорную систему координат прибора на МПИ 3, относительно которой с помощью вычислительного блока производится измерение положения визируемого точечного объекта. Начало координат находится в ортоцентре указанного треугольника, совпадающего с оптической осью. Все это позволяет производить измерения положения визируемого объекта относительно полученного изображения марок и, следовательно, исключить погрешности определения координат, связанные, например, с микросмещениями МПИ 3 в направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива 2. Также исключаются погрешности определения координат визируемого объекта, связанные с возможным разворотом МПИ 3 относительно оптической оси объектива, и влияние дефокусировок МПИ вдоль оптической оси объектива.
При дефокусировке МПИ 3, вызванной, например, термодеформациями объектива, вновь образованный треугольник, в вершинах которого расположены изображения марок, сохраняет, как и в прототипе (фиг.5), свое подобие первоначальному. Изменение линейных размеров треугольника по сравнению с его паспортизованными размерами в нормальных условиях позволяет определять в процессе эксплуатации прибора изменение масштаба изображения и вносить соответствующую поправку в определение угловых координат визируемого объекта.
Однако в отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве не происходит изменения размеров данного треугольника (дополнительного смещения изображения марок КГЭ) при изменении температуры КГЭ. Это обусловлено высокой стабильностью углового положения пучков КГЭ относительно опорной плоскости, не зависящих от показателя преломления материала КГЭ и, следовательно, от изменения его температуры. Исключение указанной погрешности повышает точность определения угловых координат визируемых звезд.
Таким образом, использование зеркально-призменного блока 1 с расположенными на боковых поверхностях входных и выходных диафрагмами 5, 5′, обеспечивающего прямой угол между осями выходящих из КГЭ пучков и соответствующими боковыми поверхностями, а также введение уголковых отражателей 7 для ввода пучков лучей через входной зрачок объектива 2:
- повышает точность угломера за счет обеспечения нечувствительности углового положения вышедших из КГЭ пучков лучей к температурным воздействиям;
- улучшает габаритно-массовые характеристики объектива угломера за счет уменьшения световых диаметров линз и вытекающей отсюда возможности использования более простых оптических систем объективов при сохранении высокого качества изображения визируемых точечных объектов и марок КГЭ на МПИ 3.