Разработка афокальных нерасстраиваемых безаберрационных оптико-механических сканирующих систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Гебгарт, Андрей Янович

• Гебгарт, Андрей Янович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гебгарт, Андрей Янович

ВВЕДЕНИЕ.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ АФОКАЛЬНЫХ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СКАНИРУЮЩИХ СИСТЕМ И АНАЛИЗ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК.

1.1. Сканирующие системы на основе плоского зеркала.

1.2. Самокалибрующиеся сканирующие системы.

1.3. Нерасстраиваемые сканирующие системы.

1.3.1. Сканирующие системы на основе преломляющего клина.

1.3.2. Нерасстраиваемые безаберрационные сканирующие системы.

Выводы по первой главе.

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ НЕРАССТРАИВАЕМЫХ ДВУХЗЕРКАЛЬНЫХ СКАНЕРОВ.

2.1. Разработка модели погрешностей двухзеркального сканера, обеспечивающая уменьшение влияний микронаклонов зеркал на угловое положение сканирующего пучка за счет их взаимной компенсации.

2.2. Определение условий нерасстраиваемости двухзеркального сканера.

2.3. Анализ схем построения нерасстраиваемого двухзеркального сканера.

2.3.1. Схема нерасстраиваемого двухзеркального сканера с параллельным расположением осей вращения.

2.3.2. Схема нерасстраиваемого двухзеркального сканера с углом между осями вращения.

2.3.3. Сравнительная оценка стабильности углового положения сканирующего пучка схем нерасстраиваемого двухзеркального сканера.

2.3.4. Сравнительная оценка стабильности углового положения сканирующего пучка нерасстраиваемого двухзеркального сканера и преломляющего клина.

Выводы по второй главе.

3. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АФОКАЛЬНЫХ НЕРАС-СТРАИВАЕМЫХ БЕЗАБЕРРАЦИОННЫХ ОПТИКО

МЕХАНИЧЕСКИХ СКАНЕРОВ.

3.1. Сканирующие системы с конической траекторией сканирования.

3.1.1. Сканирующие системы, эквивалентные схеме нерасстраиваемого двухзеркального сканера с параллельным расположением осей вращения.

3.1.1.1. Сканирующие системы на основе призмы БС-0°.

3.1.1.2. Сканирующая система на основе двух светоделителей.

3.1.1.3. Сканирующая система на основе зеркального клина и триэдра.

3.1.1.4. Сканирующая система на основе зеркального клина и двух триэдров.

3.1.2. Сканирующая система на основе зеркального клина и двух неподвижных зеркал, эквивалентная схеме нерасстраива-емого двухзеркального сканера с углом между осями вращения.

3.2. Сканирующие системы с произвольными траекториями сканирования.

Выводы по третьей главе.

4. РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ПРОВЕРКИ ТОЧНОСТИ ЗВЕЗДНЫХ ПРИБОРОВ.

4.1. Анализ существующих стендов для проверки точности звездных приборов.

4.2. Стенд для проверки точности звездных приборов с использованием нерасстраиваемой безаберрационной отклоняющей системы на основе двух светоделителей.

4.3. Оценка точности стенда для проверки звездных приборов с использованием нерасстраиваемой безаберрационной отклоняющей системы на основе двух светоделителей.

Выводы по четвертой главе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка афокальных нерасстраиваемых безаберрационных оптико-механических сканирующих систем»

При разработке оптических и оптико-электронных угломерных приборов с использованием оптико-механических сканирующих систем для достижения требуемой точности этих приборов необходимо обеспечить формирование высокого качества изображения в широком спектральном диапазоне и высокую стабильность углового положения сканирующего пучка. К указанным приборам относятся и приборы космической техники как бортового, так и наземного назначения: построители местной вертикали, стенды для проверки точности звездных приборов и т.д.

Среди оптико-механических сканирующих систем достаточно распространенными являются афокальные сканеры, работающие в параллельных пучках лучей. Общие принципы построения таких сканеров изложены в известных монографиях Г.П. Катыса, М.М. Мирошникова и др. Новый подход к проектированию афокальных сканирующих систем, основанный на использовании самокалибрующихся и нерасстраиваемых сканеров, предложен в работах М.П. Колосова.

Для афокальных сканеров существует несколько путей обеспечения высокого качества изображения в широком спектральном диапазоне и высокой стабильности углового положения сканирующего пучка.

Один из них заключается в повышении стабильности геометрической схемы безаберрационных сканеров на основе плоского зеркала при помощи, например, использования высокоточных осевых систем. Однако такой путь ограничен технологическими и конструктивными возможностями.

Еще один путь - калибровка погрешностей геометрической схемы сканера на основе плоского зеркала, возникающих при ее нарушениях, для последующего учета влияния указанных погрешностей на угловое положение сканирующего пучка.

Под погрешностями геометрической схемы сканера в данной работе понимаются изменения номинального положения его оптических элементов в виде микросмещений и микронаклонов, вызываемых, например, биением осей вращения. Афокальные сканеры при работе в параллельных пучках свободны от влияния микросмещений оптических элементов на угловое положение сканирующего пучка.

Однако калибровка погрешностей, производимая перед началом эксплуатации прибора, требует использования высокоточного метрологического оборудования и позволяет учитывать влияние только систематических погрешностей. Для обеспечения калибровки погрешностей в процессе работы сканера (самокалибровки) необходима разработка дополнительных устройств, например, встроенных автоколлиматоров, приводящих к усложнению конструкции прибора.

Нерасстраиваемые, т.е. нечувствительные к нарушениям геометрической схемы, сканирующие системы обеспечивают высокостабильное угловое положение сканирующего пучка при углах его отклонения порядка нескольких градусов. В этом случае не требуется использования высокоточных осевых систем, методов калибровки и систем самокалибровки и т.д., что значительно упрощает конструкцию сканеров и не требует применения высокоточного метрологического оборудования.

Среди нерасстраиваемых сканеров сканеры на основе преломляющего клина при широком спектральном диапазоне имеют хроматические аберрации, снижающие качество изображения.

Поэтому наиболее оптимальным путем обеспечения высокого качества изображения в широком спектральном диапазоне и высокой стабильности углового положения сканирующего пучка является разработка зеркальных и зеркально-призменных афокальных нерасстраиваемых безаберрационных сканеров. К классу указанных сканеров относится известная сканирующая система на основе призмы типа БС-0°.

Однако в настоящее время не разработаны такие вопросы теории построения нерасстраиваемых безаберрационных сканирующих систем, как: условия практической нерасстраиваемости и удовлетворяющие им схемы построения безаберрационных сканеров, оценка стабильности углового положения сканирующего пучка нерасстраиваемых безаберрационных сканеров в зависимости от величины углового поля. Это затрудняет разработку, анализ и внедрение нерасстраиваемых безаберрационных сканеров в практику проектирования и эксплуатации разнообразных оптических и оптико-электронных приборов. Необходимость решения указанных задач определяет актуальность темы диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения афокальных нерасстраиваемых безаберрационных оптико-механических сканирующих систем и. их практическая реализация.

Достижение указанной цели потребовало решения следующих основных задач:

- разработки модели погрешностей геометрической схемы двухзеркального сканера, обеспечивающей уменьшение влияний микронаклонов зеркал на угловое положение сканирующего пучка за счет их взаимной компенсации; определения условий практической нерасстраиваемости двухзеркального сканера, разработки схем построения нерасстраиваемого двухзеркального сканера, получения аналитических выражений для оценки стабильности углового положения сканирующего пучка в зависимости от величины углового поля, проведения сравнительного анализа стабильности схем нерасстраиваемого двухзеркального сканера и преломляющего клина;

- разработки нерасстраиваемых безаберрационных сканирующих систем с конической траекторией сканирования (в том числе и с опорным пучком) и с произвольной траекторией сканирования;;

- разработки стенда для проверки точности звездных приборов с использованием нерасстраиваемой безаберрационной сканирующей системы, проведения экспериментальных исследований образца нерасстраиваемой безаберрационной сканирующей системы.

Методы исследований. При решении указанных задач применялись методы векторной алгебры, численные методы расчета с использованием компьютерной техники, а также экспериментальные исследования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

- определены условия нерасстраиваемости и получены соответствующие этим условиям схемы построения нерасстраиваемого безаберрационного двухзеркального сканера;

- получены аналитические выражения для оценки стабильности углового положения сканирующего пучка в схемах нерасстраиваемых безаберрационных двухзеркальных сканеров в зависимости от величины углового поля.

Практическая ценность. В результате выполнения работы:

- разработаны оптические схемы нерасстраиваемых безаберрационных сканирующих систем для оптико-электронных приборов повышенной точности.

- разработан и изготовлен стенд с использованием нерасстраиваемой безаберрационной сканирующей системы, предназначенный для проверки точности звездных приборов.

Основные защищаемые положения:

- условия нерасстраиваемости, схемы построения и аналитические выражения для оценки стабильности углового положения сканирующего пучка нерасстраиваемого двухзеркального сканера;

- оптические схемы нерасстраиваемых безаберрационных сканирующих систем, созданные на основе нерасстраиваемого двухзеркального сканера.

Публикации и апробация работы. Основные положения работы изложены в 6 статьях и 1 авторском свидетельстве на изобретение. На основании теоретических положений диссертационной работы на предприятии ФГУП НПП "Геофизика-Космос" разработан и изготовлен стенд для проверки точности звездного прибора.

Экспериментальные исследования нерасстраиваемой безаберрационной сканирующей системы, входящей в состав указанного стенда, подтверждают возможность одновременного получения высокого качества изображения (на уровне дифракционного) и высокой стабильности углового положения сканирующего пучка.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы и списка литературы из 42 наименований. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Гебгарт, Андрей Янович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано, что наиболее оптимальным путем совершенствования существующих оптико-механических сканирующих систем является разработка афокальных нерасстраиваемых безаберрационных сканеров, обладающих высокой стабильностью углового положения сканирующего пучка и высоким качеством формируемого изображения в широком спектральном диапазоне.

2. Разработана модель погрешностей геометрической схемы двухзеркального сканера с конической траекторией сканирования, обеспечивающая уменьшение влияний микронаклонов зеркал на угловое положение сканирующего пучка за счет их взаимной компенсации.

3. Определены условия практической нерасстраиваемости двухзеркального сканера в виде определенной совокупности погрешностей его геометрической схемы и углового положения элементов сканера. Получены схемы построения нерасстраиваемого двухзеркального сканера: с параллельным расположением осей вращения зеркал и с углом между указанными осями.

4: В процессе исследования схем построения нерасстраиваемого двухзеркального сканера для углов падения входного пучка с осью вращения <р1 = 0° и ф1 порядка нескольких десятков градусов: - получены аналитические выражения для оценки стабильности углового положения сканирующего пучка с учетом величины углового поля при нарушении геометрии указанных схем; -проведен сравнительный анализ стабильности углового положения сканирующего пучка схем нерасстраиваемого двухзеркального сканера и преломляющего клина и показано преимущество схемы с параллельным расположением осей вращения и оси падающего пучка

Ф1 = 0°).

5. Разработаны оптические системы нерасстраиваемых безаберрационных сканеров, являющиеся практической реализацией схем нерасстраиваемого двухзеркального сканера:

- сканирующие системы с конической траекторией сканирования на основе призмы БС-0°, на основе двух светоделителей, на основе зеркального клина и триэдра или призмы БкР-180°, на основе зеркального клина и двух триэдров или призм БкР-180°, на основе зеркального клина и двух неподвижных зеркал. Для вариантов с дополнительным (опорным) пучком показана возможность повышения точности измерений за счет исключения влияния нестабильности углового положения падающего пучка;

- сканирующие системы с произвольной траекторией сканирования на основе указанных выше нерасстраиваемых безаберрационных сканеров.

6. Разработан и изготовлен стенд для проверки точности звездных приборов с использованием сканирующей системы на, основе двух светоделителей, обеспечивающий высокую точность задания угловых положений имитируемой звезды.

7. Проведены экспериментальные исследования образца сканера с двумя светоделителями с углом отклонения 8=4°, которые подтвердили основные положения диссертационной работы об обеспечении в нерасстраиваемых безаберрационных сканерах высокого качества формируемого изображения в широком спектральном диапазоне и высокой стабильности углового положения сканирующего пучка.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гебгарт, Андрей Янович, 2004 год

1. АникстД.А., Константинович K.M., МеськинИ.В. и др. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Якушенкова Ю.Г. - М.: Машиностроение, 1987. - 480с.

2. 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.

3. Катыс Г.П. Оптико-электронная обработка информации / Под ред. Петрова Б.Н. М.: Машиностроение, 1973. - 447с.

4. Ллойд Д. Ж. Системы тепловидения: Пер. с англ. М.: Мир, 1978-414с.

5. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов.-М.: Логос, 1999. 479с.

6. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1966. -292с.

7. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983. — 696с.

8. Катыс Г.П. Информационные сканирующие системы / Под ред. Петрова Б.Н. М.: Машиностроение, 1965. - 448с.

9. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. -М.: Советское радио, 1978.-400с.

10. Справочник по инфракрасной технике / Под ред.У.Волф. Пер. с англ. М.: Мир, 1998. - 347с.

11. Ивандиков Я.М. Оптико-электронные приборы для ориентации и навигации космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1971.-200с.

12. Сафронов Ю.П., Андрианов Ю.Г. Инфракрасная техника и космос.- М.: Советское радио, 1978. 248с.

13. Левитин И.Б. Применение инфракрасной техники в народном хозяйстве. JL: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981. - 264с.

14. Бражник A.A. А.с.932447. Сканирующее устройство // Б.И. 1982, №20.

15. Гончаров А.И., Набирушкин В.Ф., Рытов М.А. A.c. 1064261. Сканирующее устройство // Б.И. 1983, № 48.

16. ХадсонР. Инфракрасные системы. Пер. с англ. М.: Мир, 1972-534с.

17. Мейтин В.А., Чернов B.C. Углоизмерительный инструмент с квазиидеальной системой координат// ОМП.- 1983. №12.- С. 45 - 48.

18. Антонов Е.И., Ткачев Л.А., Ридигер В.В. Расчет двухзеркального сканера с осями вращения, не лежащими в плоскости зеркал // ОМП. 1984.- №2.-0.29-31.

19. Колосов М.П. Оптика адаптивных угломеров. М.: ООО СКАН-1, 1997. - 412с.

20. Латыев С.М. Компенсация погрешностей в оптических приборах. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985. — 248с.

21. Елисеев C.B. Геодезические инструменты и приборы. М.: Недра, 1973. - 391с.

22. Колосов М.П. О стабильности характеристик оптических элементов угломерных приборов // ОМП. 1992. - № 4.- С.21-23.

23. Колосов М.П. Пространственный оптический шарнир // ОМП -1990.-С. 78-82.

24. Тудоровский А.И. Теория оптических приборов. М.: Изд. АН СССР, 1948.- 113 с.

25. Лазарев В.Л., Березин Г.Д. А.с.1115006. Сканирующее устройство// Б.И. 1984, № 35.

26. Шейнис H.B. Клинья с переменным преломляющим углом // ОМП.- 1971.-№3.- С. 23-26.

27. Куштанин К.И. A.c. 1062883. Клиновое устройство // Б.И. 1983, №47.

28. Uuno V. Helava. Wedge Prism Optical Scanner. Патент США №3881802.- 1975.

29. Голубовский Ю. М. Приближенная формула расчета угла отклонения клина // ОМП. 1978. - № 4. - С. 69 - 70.

30. Шейнис Н.В. Афокальные угломерные сканеры // ОМП. 1987. -№1.-С. 51-53.

31. Нефедов Б.Л. Методы решения задач по вычислительной оптике.-Л.: Машиностроение, 1966.-264с.

32. Колосов М.П. О математическом моделировании нарушения геометрии угломерных приборов // Оптический журнал . 1992. -№5.-С. 3-6.

33. Грейм И.А. Зеркально-призменные системы.-М.: Машиностроение, 1981.-125с.

34. Гебгарт А.Я., Колосов М.П. Анализ нерасстраиваемых оптических систем афокальных сканеров // Оптический журнал. 1998. - Т. 65, № 8. - С. 66-70.

35. ГебгартАЛ. Сканирующая система на основе зеркального клина и триэдра // Оптическая техника. -1997. -№1(12).- С. 11-13.

36. Гебгарт А.Я. Сканирующая система на основе зеркального клина и двух триэдров // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -1997. -№2-3.-С. 148-153.

37. Гебгарт А.Я., Колосов М.П. Сканирующая система на основе зеркального клина// Оптический журнал. 1996. - №7. - С. 64-65.

38. Гебгарт А. Я. Зеркально-призменная сканирующая система // Оптическая техника. 1997. - №1(12). - С. 9-10.

39. Гебгарт А.Я. Варианты афокальных нерасстраиваемых безаберрационных оптико-механических сканирующих систем // ВИМИ: Сб. реф. депонированных рукописей. 1995. - № Д08616.

40. Гебгарт А.Я., Колосов М.П. А.с. 1778740. Сканирующее устройство // Б.И. 1992, №44.

41. Gullapalli S.W. et al. ASTRA 1 solid star trackers for Martin -Marietta's modular attitude control system moduli. // Proc. SPIE. 1993. -v. 1949.

42. Карелин А.Ю. Повышение точности астроизмерительных широ-копольных приборов с ПЗС матрицей// Оптический журнал.-1998. № 8. - том 65. - С. 46-50.