RU2470258C1

RU2470258C1 - Angle measurement device

Info

Publication number: RU2470258C1
Application number: RU2011124937/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Янович Гебгарт; Михаил Петрович Колосов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Геофизика-Космос"
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-12-20

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: angle measurement device comprises a lens hood, a channel of a non-detuned geometric reference in the form of a lighting unit, a unit of a beam divider, a flat mirror installed on a basic plane and a non-detuned mirror-prism unit, a lens, a photodetector and a computing unit. The beam divider unit - an optical element glued from a lens and mirror-lens system, in the area of gluing producing an inclined beam-dividing face, in which: the first input surface is arranged in the lens system and is arranged as flat with a dot diaphragm applied on it; the second output surface is arranged in the mirror-lens system is arranged as flat with an adhered plano-convex lens with a mirror spherical surface, at the same time the second surface is input for radiation reflected with the mirror spherical surface; the third output surface is arranged in the mirror-lens system, is arranged in the form of a concave spherical surface, the front focus point of which is matched with the image of the dot diaphragm from the mirror spherical surface, at the same time the third surface is also an input surface for radiation reflected with a flat mirror; the fourth output surface in the lens system is a convex spherical surface. For radiation reflected with a flat mirror, the third and fourth surfaces operate as a telescopic system with angular magnitude of 0.5^x.

EFFECT: higher accuracy of a device without complication of its design.

5 dwg

Description

Изобретение относится к оптико-электронным системам и может быть использовано в углоизмерительных приборах ориентации космических аппаратов.The invention relates to optoelectronic systems and can be used in angle measuring instruments for orienting spacecraft.

Известен углоизмерительный прибор ориентации и навигации космического аппарата (например, звездный прибор, фиг.1 настоящего описания), содержащий бленду 1, объектив 2 с фотоприемным устройством 3 (ФПУ) и канал геометрического эталона (КГЭ), выполненный в виде моноблока коллиматора 6 с точечной диафрагмой 5, установленного на базовой плоскости, осветительной системы 4, расположенной перед точечной диафрагмой и нерасстраиваемой зеркально-призменной системы, осуществляющего ввод излучения в объектив; склеенной из призм АР- 90° 8 и БкР - 180° 9 (см., например, Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов: - М.: Логос, 2007. - 247 с.).A known angle-measuring device for orienting and navigating a spacecraft (for example, a stellar device, Fig. 1 of the present description) comprising a lens hood 1, a lens 2 with a photodetector 3 (FPU) and a geometric reference channel (CGE), made in the form of a monoblock collimator 6 with a point a diaphragm 5 mounted on a basal plane, a lighting system 4 located in front of the point diaphragm and a non-tuneable prism-mirror system that inputs radiation into the lens; glued from the prisms AR-90 ° 8 and BkR - 180 ° 9 (see, for example, Fedoseev V.I., Kolosov MP Optoelectronic devices for orienting and navigating spacecraft: - M .: Logos, 2007. - 247 p.).

В этом устройстве измерение положения изображения звезды на ФПУ матричного типа 3 производится относительно полученного изображения точечной диафрагмы КГЭ 5, формирующего на матрице центр опорной системы координат. Это позволяет исключить погрешности определения координат звезды, связанные, например, с микросмещениями ФПУ 3 в направлениях, перпендикулярных оптической оси объектива 2.In this device, the measurement of the position of the image of a star on an FPU of matrix type 3 is performed relative to the received image of the point diaphragm of the CGE 5, which forms the center of the reference coordinate system on the matrix. This allows us to exclude errors in determining the coordinates of the star, associated, for example, with micro displacements of FPU 3 in directions perpendicular to the optical axis of lens 2.

Однако жесткое соединение коллиматора с базовой плоскостью не отличается высокой стабильностью. Это обусловлено различием физико-технических свойств стекла и металла, характеризуемыми коэффициентом линейного расширения, модулем упругости, коэффициентом теплопроводности и т.д., что при значительных температурных, вибрационных и ударных воздействиях приводит к возникновению деформаций. Эти деформации вызывают разворот коллиматора относительно посадочной плоскости, приводящий к отклонению пучка от первоначального направления и, следовательно, приводит к снижению точности прибора. Устранение указанного недостатка возможно, например, с помощью усложнения конструкции крепления, специального термообогрева корпуса и т.д., что в свою очередь ухудшает габаритно-массовые характеристики прибора.However, the rigid connection of the collimator with the base plane is not very stable. This is due to the difference in the physical and technical properties of glass and metal, characterized by a linear expansion coefficient, an elastic modulus, a thermal conductivity coefficient, etc., which, under significant temperature, vibration, and shock effects, leads to deformations. These deformations cause the collimator to rotate relative to the landing plane, which leads to a deviation of the beam from the original direction and, therefore, reduces the accuracy of the device. The elimination of this drawback is possible, for example, by complicating the design of the mount, special thermal heating of the housing, etc., which in turn worsens the overall mass characteristics of the device.

Наиболее близким по технической сущности является углоизмерительный звездный прибор ориентации и навигации космического аппарата, содержащий бленду, канал нерасстраиваемого геометрического эталона, выполненный в виде осветительного блока, светоделительного блока в виде жестко связанных объектива, наклонного светоделителя и точечной диафрагмы, мнимое изображение которой через светоделитель расположено в задней главной точке объектива моноблока, а также плоского автоколлимационного зеркала, установленного на базовой поверхности на половине фокусного расстояния объектива и нерасстраиваемого зеркально-призменного блока, осуществляющего ввод излучения в объектив,The closest in technical essence is the angle-measuring star device for orienting and navigating a spacecraft containing a hood, a channel of a non-upset geometric standard made in the form of a lighting unit, a beam splitter in the form of a rigidly connected lens, an inclined beam splitter and a pinhole, an imaginary image of which is located through the beam splitter in the rear main point of the monoblock lens, as well as a flat autocollimation mirror mounted on the base surface n and half the focal length of the lens and the non-tuneable mirror-prism unit that implements radiation into the lens,

- объектив,- lens

- фотоприемное устройство,- photodetector,

- и вычислительный блок- and computing unit

(см., например, Колосов М.П. Оптика адаптивных угломеров. - М.: ООО СКАН-1, 1997. - 412 с.).(see, for example, Kolosov MP Optics of adaptive goniometers. - M.: SKAN-1 LLC, 1997. - 412 p.).

В этом устройстве (фиг.2) излучение от визируемой звезды, пройдя бленду 1, зеркально-призменный моноблок 9, 10 на проход, представляющий плоскопараллельную пластину, склеенную из призм БкР - 180° и АР - 90°, фокусируется объективом 2 на ФПУ 3.In this device (Fig. 2), radiation from the sighting star, passing through lens hood 1, a mirror-prismatic monoblock 9, 10 into the passage, representing a plane-parallel plate glued from BkR prisms - 180 ° and AP - 90 °, is focused by lens 2 on FPU 3 .

В канале КГЭ излучение от осветителя 4, пройдя точечную диафрагму 5 и отразившись от наклонного светоделителя 6, падает на плоское зеркало 7, жестко установленное на базовой плоскости. Положение точечной диафрагмы 5 выбирается из условия совмещения мнимого изображения диафрагмы 5, образуемого после отражения от светоделителя 6, с задней главной точкой Г' объектива 8, выполненного в виде плосковыпуклой линзы. Плоское зеркало 7 расположено на половине ее фокусного расстояния от главной плоскости Н' от объектива 8. При таком положении оптических элементов отраженный от зеркала 7 пучок лучей строит мнимое изображение диафрагмы 5 в фокусе объектива 8 и при прохождении последнего становится коллимированным. Направление оси коллимированного пучка всегда параллельно нормали к зеркалу 7. Это свойство поясняется геометрическими построениями, представленными на фиг.3. Главные плоскости Н и Н' на фиг.3 совмещены. При микронаклоне светоделительного моноблока относительно плоского зеркала 7 на угол β мнимое изображение точечной диафрагмы 5 (Г'') располагается в фокальной плоскости объектива 8 на расстоянии у=f' tg β от его оси, где f' - фокусное расстояние. Вышедший из светоделительного моноблока коллимированный пучок лучей будет составлять с его осью угол β, и, следовательно, всегда параллелен нормали к плоскому зеркалу 7. Очевидно, что линейные микросмещения светоделительного блока в направлениях, параллельных плоскости зеркала 7, не влияют на угловое положение коллимированного пучка.In the CGE channel, the radiation from the illuminator 4, having passed the pinhole 5 and reflected from the inclined beam splitter 6, falls on a flat mirror 7, rigidly mounted on the base plane. The position of the point diaphragm 5 is selected from the condition of combining the imaginary image of the diaphragm 5, formed after reflection from the beam splitter 6, with the rear main point G 'of the lens 8, made in the form of a plano-convex lens. A flat mirror 7 is located at half its focal length from the main plane H ′ from the lens 8. At this position of the optical elements, a beam of rays reflected from the mirror 7 builds an imaginary image of the diaphragm 5 at the focus of the lens 8 and becomes collimated when it passes through. The direction of the axis of the collimated beam is always parallel to the normal to the mirror 7. This property is illustrated by the geometric constructions shown in Fig.3. The main planes H and H 'in figure 3 are combined. When the beamsplit monoblock is micronoil relative to a flat mirror 7 by an angle β, the imaginary image of the pinhole 5 (G``) is located in the focal plane of the lens 8 at a distance y = f 'tg β from its axis, where f' is the focal length. A collimated beam of rays emerging from a beam splitting monoblock will make an angle β with its axis, and, therefore, will always be parallel to the normal to a planar mirror 7. It is obvious that linear microdisplacements of a beam splitter in directions parallel to the plane of mirror 7 do not affect the angular position of the collimated beam.

Далее пучок лучей, последовательно отразившись от зеркал нерасстраиваемого зеркально-призменного моноблока 9, 10, попадает в объектив 2 и фокусируется им на ФПУ 3.Next, the beam of rays, successively reflected from the mirrors of the non-tunable mirror-prismatic monoblock 9, 10, enters the lens 2 and focuses it on the FPU 3.

Таким образом, в объектив 2 попадает пучок лучей, ось которого параллельна нормали к плоскому зеркалу 7. Далее, пройдя объектив 2, пучок фокусируется на матрице ФПУ 3. Полученное изображение точки определяет центр опорной системы координат на ФПУ 3, соответствующий нормали к плоскости зеркала 7, установленного на базовой поверхности. Все это позволяет производить с помощью вычислительного блока (на фиг.2, 3 не показан) 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.Thus, a beam of rays whose axis is parallel to the normal to the plane mirror 7 enters the lens 2. Then, after passing through the lens 2, the beam is focused on the FPU 3 matrix. The resulting image of the point determines the center of the reference coordinate system on the FPU 3 corresponding to the normal to the plane of the mirror 7 mounted on a base surface. All this allows using the computing unit (figure 2, 3 not shown) to measure the angular position of the image of the star relative to the image of the diaphragm 5 and, therefore, to exclude errors in determining the coordinates of the star, associated, for example, with micro displacements of FPU 3 in directions perpendicular to the optical lens axis 2.

Однако в ряде случаев возможно изменение положения прибора относительно плоского зеркала 7 в направлении, параллельном оптической оси объектива 8. Например, вследствие установки прибора на другой объект с другим конструктивным исполнением, или в случае изменяющегося положения прибора относительно базовой плоскости в процессе работы. Тогда расстояние между узловой точкой Г'' и плоским зеркалом 7 уже не будет составлять величину 0,5 f'. В этом случае:However, in some cases, it is possible to change the position of the device relative to the flat mirror 7 in the direction parallel to the optical axis of the lens 8. For example, due to the installation of the device on another object with a different design, or in the case of a changing position of the device relative to the base plane during operation. Then the distance between the nodal point G '' and the flat mirror 7 will no longer be 0.5 f '. In this case:

- возникает дефокусировка изображения точки на матрице ФПУ 3, что приводит к существенному снижению уровню сигнала на матрице ФПУ и, следовательно, к потере точности определения его энергетического центра;- there is a defocusing of the image of the point on the FPU 3 matrix, which leads to a significant decrease in the signal level on the FPU matrix and, consequently, to a loss in the accuracy of determining its energy center;

- нарушается условие нерасстраиваемости светоделительного блока 5…6, 8. При микронаклонах светоделительного блока 5…6, 8 относительно плоского зеркала 7 ось выходящего из указанного блока коллимированного пучка отклоняется от направления нормали к зеркалу 7. Это приводит к смещению положения центра полученного на ФПУ 3 изображения диафрагмы 5, определяющего центр опорной системы координат на ФПУ 3 и, следовательно, к дополнительной погрешности определения координат визируемых звезд;- the condition of non-alignment of the beam splitting unit 5 ... 6, 8 is violated. With microno-slopes of the beam splitting unit 5 ... 6, 8 relative to a flat mirror 7, the axis of the collimated beam emerging from the specified unit deviates from the direction of the normal to mirror 7. This leads to a displacement of the center position obtained by FPU 3 image of the diaphragm 5, which determines the center of the reference coordinate system on FPU 3 and, therefore, to the additional error in determining the coordinates of the sighted stars;

- нарушается условия нерасстраиваемости зеркально-призменной системы ввода изображения в объектив прибора, так как зеркально-призменная система уже не будет работать в параллельных пучках лучей и ее микронаклоны и микросмещения будут влиять на положение изображения диафрагмы на матрице ФПУ 3, что приводит к снижению точности определения координат визируемых звезд.- the conditions of non-alignment of the mirror-prismatic system for inputting the image into the lens of the device are violated, since the mirror-prism system will no longer work in parallel beams of rays and its micro-inclinations and micro-displacements will affect the position of the image of the diaphragm on the FPU 3 matrix, which leads to a decrease in the accuracy of determination coordinates of sighted stars.

Для устранения указанных недостатков возможно, например, использование классической автоколлимационной системы, формирующей параллельный пучок лучей, падающий на плоское зеркало. Однако такая система является расстраиваемой в отношении термодеформаций, вибраций и т.д. и требует усложнение конструкции крепления автоколлиматора, специальной термостабилизации корпуса и т.д., что также приводит к ухудшению габаритно-массовых характеристик прибора.To eliminate these drawbacks, it is possible, for example, to use a classical autocollimation system forming a parallel beam of rays incident on a flat mirror. However, such a system is frustrating with respect to thermal deformations, vibrations, etc. and requires a complication of the mounting design of the autocollimator, special thermal stabilization of the housing, etc., which also leads to a deterioration of the overall mass characteristics of the device.

Целью изобретения является повышение точности прибора без усложнения его конструкции.The aim of the invention is to improve the accuracy of the device without complicating its design.

Цель достигается тем, что в углоизмерительном приборе, содержащем бленду, канал нерасстраиваемого геометрического эталона, выполненный в виде осветительного блока, блока светоделителя, плоского зеркала, установленного на базовой плоскости, а также нерасстраиваемого зеркально-призменного блока, осуществляющего ввод излучения в объектив, объектив, фотоприемное устройство и вычислительный блок, блок светоделителя выполнен в виде оптического элемента, склеенного из линзовой и зеркально-линзовой систем, в месте склейки образующих наклонную светоделительную грань, у которого:The goal is achieved by the fact that in the angle measuring device containing a hood, the channel of the non-upset geometric standard, made in the form of a lighting unit, a beam splitter unit, a flat mirror mounted on the base plane, as well as a non-upset mirror-prism unit that implements radiation into the lens, objective, the photodetector and the computing unit, the beam splitter unit is made in the form of an optical element glued from a lens and mirror-lens systems, in the place of gluing forming a slope th beam-splitting face which:

- первая входная поверхность расположена в линзовой системе и выполнена плоской с нанесенной на нее точечной диафрагмой;- the first input surface is located in the lens system and is made flat with a spotted diaphragm applied to it;

- вторая выходная поверхность расположена в зеркально-линзовой системе и выполнена плоской с приклеенной к ней плосковыпуклой линзой с зеркальной сферической поверхностью, при этом вторая поверхность является входной для отраженного зеркальной сферической поверхностью излучения;- the second output surface is located in the mirror-lens system and is made flat with a plano-convex lens glued to it with a mirror spherical surface, the second surface being the input to the radiation reflected by the mirror spherical surface;

- третья выходная поверхность расположена в зеркально-линзовой системе и выполнена в виде вогнутой сферической поверхности, точка переднего фокуса которой совмещена с изображением точечной диафрагмы от зеркальной сферической поверхности, при этом третья поверхность также является входной поверхностью для отраженного излучения плоским зеркалом;- the third output surface is located in the mirror-lens system and is made in the form of a concave spherical surface, the front focus point of which is aligned with the image of the pinhole diaphragm from the mirror spherical surface, while the third surface is also the input surface for reflected radiation by a flat mirror;

- четвертая выходная поверхность в линзовой системе выполнена в виде выпуклой сферической поверхности, при этом для отраженного излучения плоским зеркалом блок светоделителя за счет третьей и четвертой поверхности работает как телескопическая система с угловым увеличением 0,5^х.- the fourth exit surface in the lens system is made in the form of a convex spherical surface, while for the reflected radiation by a flat mirror, the beam splitter unit due to the third and fourth surfaces acts as a telescopic system with an angular magnification of 0.5 ^x .

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 нерасстраиваемого геометрического эталона с блоком светоделителя для привязки к плоскому зеркалу известно.Thus, the proposed technical solution is a combination of essential features that, in comparison with the prototype, have novelty. The use of non-tuneable geometric standard channels with a beam splitter unit for linking to a flat mirror in optical-electronic angle-measuring star devices is known.

Однако использование в углоизмерительном приборе блока светоделителя, представляющего собой оптический элемент, склеенный из линзовой и зеркально-линзовой систем, в месте склейки образующих наклонную светоделительную грань, у которого:However, the use of a beam splitter unit in an angle measuring device, which is an optical element glued from a lens and mirror-lens systems, at the point of gluing forming an inclined beam splitting face, in which:

- первая входная поверхность расположена в зеркально-линзовой системе и выполнена плоской с нанесенной на нее точечной диафрагмой;- the first input surface is located in the mirror-lens system and is made flat with a spotted diaphragm applied to it;

- четвертая выходная поверхность в линзовой системе выполнена в виде выпуклой сферической поверхности, при этом для отраженного излучения плоским зеркалом блок светоделителя за счет третьей и четвертой поверхности работает как телескопическая система с угловым увеличением 0,5^х, является неизвестным техническим решением, так как придает ему новое свойство - реализацию привязки прибора к базовому зеркалу, расположенному на любых расстояниях от светоделителя при жестких условиях эксплуатации, что обеспечивает повышение точности прибора без усложнения конструкции, ухудшения габаритно-массовых характеристик и при сохранении свойства нерасстраиваемости КГЭ. Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.- the fourth exit surface in the lens system is made in the form of a convex spherical surface, while the beam splitter for the reflected radiation by a flat mirror acts as a telescopic system with an angular magnification of 0.5 ^x due to the third and fourth surfaces, since it gives it a new property is the implementation of the instrument’s binding to a base mirror located at any distance from the beam splitter under harsh operating conditions, which improves the accuracy of the device without complicating the structure, deterioration of the dimensions and mass characteristics, while maintaining the properties nerasstraivaemosti CGE. Thus, the claimed technical solution has significant differences.

Предлагаемая совокупность существенных признаков по сравнению с прототипом позволяет обеспечить практическую неизменность углового положения выходящего из КГЭ пучка, параллельного нормали к плоскости зеркала, расположенного на любом расстоянии от прибора, и, следовательно, повысить точность устройства.The proposed set of essential features in comparison with the prototype allows us to ensure the practical invariance of the angular position of the beam emerging from the CGE, parallel to the normal to the plane of the mirror located at any distance from the device, and, therefore, to improve the accuracy of the device.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить новый положительный эффект.Thus, the proposed technical solution allows you to get a new positive effect.

На фиг.4 приведена оптическая схема предлагаемого устройства, на фиг.5 - ход лучей в системе блока светоделителя КГЭ с плоским зеркалом.Figure 4 shows the optical diagram of the proposed device, figure 5 - the path of the rays in the system of the block beam splitter KGE with a flat mirror.

Предлагаемое устройство содержит:The proposed device contains:

бленду 1, канал нерасстраиваемого геометрического эталона 4…11, выполненный в виде осветительного блока 4, блока светоделителя 5…8, 10, состоящего из линзовой системы 5, 6, 10 и зеркально-линзовой системы 7, 8, плоского зеркала 9, установленного на базовой плоскости, а также нерасстраиваемого зеркально-призменного блока 11 в виде склеенных призм БкР - 180° и АР - 90°, осуществляющего ввод излучения в объектив, объектив 2, ФПУ с вычислительным блоком 3.lens hood 1, the channel of the non-tuneable geometric standard 4 ... 11, made in the form of a lighting unit 4, a beam splitter 5 ... 8, 10, consisting of a lens system 5, 6, 10 and a mirror-lens system 7, 8, a flat mirror 9 mounted on the base plane, as well as the non-tuneable mirror-prism block 11 in the form of glued prisms BkR - 180 ° and AR - 90 °, introducing radiation into the lens, lens 2, FPU with computing unit 3.

В предлагаемом устройстве осветитель 4 выполнен, например, в виде светодиода, светоделительный блок выполнен в виде единой склеенной детали, в которой:In the proposed device, the illuminator 4 is made, for example, in the form of an LED, the beam splitting unit is made in the form of a single glued part, in which:

- точечная прозрачная диафрагма 5 выполнена путем фотолитографии на боковой поверхности линзовой системы 5, 6, 10;- point transparent diaphragm 5 is made by photolithography on the side surface of the lens system 5, 6, 10;

- светоделитель 6 нанесен на плоской грани в месте склейки линзовой 5, 6, 10 и зеркально-линзовой 7, 8 систем;- the beam splitter 6 is applied on a flat face in the place of gluing the lens 5, 6, 10 and mirror-lens 7, 8 systems;

- сферическое зеркало 8 представляет собой плосковыпуклую линзу с зеркальной сферической поверхностью, приклеенную к боковой поверхности зеркально-линзовой системы 7, 8;- spherical mirror 8 is a plano-convex lens with a mirror spherical surface, glued to the side surface of the mirror-lens system 7, 8;

- телескопическая система галилеевского типа выполнена в виде вогнутой 7 и выпуклой 10 сферических преломляющих поверхностей.- the telescopic system of the Galilean type is made in the form of a concave 7 and convex 10 spherical refractive surfaces.

Плоское зеркало может быть выполнено металлическим непосредственно на базовой плоскости.A flat mirror can be made of metal directly on the base plane.

Нерасстраиваемый зеркально-призменный блок 5 может быть выполнен в виде единой оптической детали, склеенной из призм АР - 90° и БкР - 180°, с зеркальными и светоделительными в месте склейки наклонными гранями.The non-tuneable mirror-prism block 5 can be made in the form of a single optical part glued from the prisms AR - 90 ° and BkR - 180 °, with mirror and beam splitting in the place of gluing inclined faces.

ФПУ 3 может быть выполнено в виде матрицы ПЗС или фотодиодной матрицы с активными пикселями, подключенной к вычислительному блоку (на фигурах не показано).FPU 3 can be made in the form of a CCD matrix or a photodiode matrix with active pixels connected to a computing unit (not shown in the figures).

Таким образом, предлагаемые примеры реализации подтверждают осуществимость заявленного технического решения.Thus, the proposed implementation examples confirm the feasibility of the claimed technical solution.

Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:

излучение от визируемой звезды (фиг.4), пройдя бленду 1, предназначенную для подавления паразитных засветок, зеркально-призменный блок КГЭ 11 на проход, попадает во входной зрачок объектива 2 и фокусируется на ФПУ 3. Зеркально-призменный блок 11 в данном направлении является плоскопараллельной пластиной, работающей в параллельных пучках и, следовательно, не чувствителен к микронаклонам и микросмещениям.the radiation from the sighting star (Fig. 4), having passed through a lens hood 1 designed to suppress spurious flare, the KGE 11 prismatic mirror block passes into the entrance pupil of the lens 2 and focuses on the FPU 3. The prismatic mirror block 11 in this direction is a plane-parallel plate operating in parallel beams and, therefore, is not sensitive to micro-inclinations and micro-displacements.

В канале КГЭ излучение от осветителя 4, пройдя точечную прозрачную диафрагму 5 и светоделитель 6, отразившись от сферического зеркала 8 и светоделителя 6, преломляется на вогнутой сферической поверхности 7 и выходит из светоделительного блока в направлении плоского зеркала 9. Сферическое зеркало 8 проецирует изображение точечной диафрагмы 5 в переднюю фокальную плоскость вогнутой сферической поверхности 7, вследствие чего вышедший в направление плоского зеркала 9 пучок лучей становится коллимированным. Далее параллельный пучок лучей отражается от плоского зеркала 9, установленного на базовой плоскости, и проходит телескопическую систему 7, 10, имеющей угловое увеличение γ=0,5^х.In the CGE channel, the radiation from the illuminator 4, passing through a transparent point diaphragm 5 and a beam splitter 6, reflected from the spherical mirror 8 and the beam splitter 6, is refracted on the concave spherical surface 7 and leaves the beam splitter in the direction of the flat mirror 9. The spherical mirror 8 projects the image of the point diaphragm 5 to the front focal plane of the concave spherical surface 7, as a result of which the beam of rays emerging in the direction of the flat mirror 9 becomes collimated. Next, a parallel beam of rays is reflected from a flat mirror 9 mounted on the base plane and passes through a telescopic system 7, 10, with an angular magnification of γ = 0.5 ^x .

Угловое увеличение γ телескоптической системы 7, 10 обеспечивается следующими конструктивными параметрами: радиусами кривизны R₇ R₁₀ поверхностей 7 и 10, а также толщиной d и показателем преломления стекла n. Определение параметров R, n и d производится на основе следующих зависимостей:The angular increase γ of the telescopic system 7, 10 is ensured by the following design parameters: the radii of curvature R ₇ R _{10 of} surfaces 7 and 10, as well as the thickness d and the refractive index of glass n. The determination of the parameters R, n and d is based on the following dependencies:

(n-1)(1/R₇-1/R₁₀)+(n-1)²d/n R₇ R₁₀=Ф=0 - условие афокальности, где Ф - оптическая сила системы 7, 10;(n-1) (1 / R ₇ -1 / R ₁₀ ) + (n-1) ² d / n R ₇ R ₁₀ = Ф = 0 - the condition of afocality, where Ф is the optical power of the system 7, 10;

γ=f'₇/f₁₀=0,5,γ = f ' ₇ / f ₁₀ = 0.5,

f'₇= nR₇ (n-1), где f'₇ - задний фокус поверхности 7,f ' ₇ = nR ₇ (n-1), where f' ₇ is the back focus of surface 7,

f₁₀=n R₁₀ (n-1), где f₁₀ - передний фокус поверхности 10.f ₁₀ = n R ₁₀ (n-1), where f ₁₀ is the front focus of surface 10.

Так, например, телескопическая система 7, 10, у которой d=25 мм, R₇=17,068 мм, R₁₀=8,534 мм, n_е=1,5183 (стекло К8) имеет угловое увеличение γ=0,5.So, for example, a telescopic system 7, 10, in which d = 25 mm, R ₇ = 17,068 mm, R ₁₀ = 8.534 mm, n _e = 1.5183 (glass K8) has an angular increase of γ = 0.5.

В светоделительном блоке направление оси вышедшего из телескопической системы параллельного пучка всегда параллельно нормали к зеркалу 8. Это свойство сохраняется при микронаклонах светоделительного блока и поясняется геометрическими построениями, представленными на фиг.5. При микронаклоне светоделительного блока 5…8, 10 относительно плоского зеркала 9 на угол β угол падения оси пучка с нормалью к зеркалу тоже составит угол β. При отражении от зеркала 8 направление оси пучка составит с нормалью угол β, а с падающим пучком угол 2β. Таким образом, на телескопическую систему 7, 10 падает отраженный от плоского зеркала 9 пучок параллельных лучей под углом 2β к его оптической оси. При прохождении телескопической системы с угловым увеличением γ=0,5 угол вышедшего пучка с осью будет составлять α=2βγ=2β0,5=β. Следовательно, ось вышедшего пучка всегда параллельна нормали к поверхности зеркала 8.In the beam splitting unit, the direction of the axis of the parallel beam emerging from the telescopic system is always parallel to the normal to the mirror 8. This property is preserved with the microno-slopes of the beam splitting unit and is explained by the geometric constructions shown in Fig. 5. With a microclope of the beam splitting unit 5 ... 8, 10 with respect to the plane mirror 9 at an angle β, the angle of incidence of the beam axis with the normal to the mirror will also be angle β. When reflected from mirror 8, the direction of the beam axis will be angle β with the normal, and angle 2β with the incident beam. Thus, a beam of parallel beams reflected from a plane mirror 9 is incident on a telescopic system 7, 10 at an angle of 2β to its optical axis. When passing through a telescopic system with an angular increase of γ = 0.5, the angle of the emerging beam with the axis will be α = 2βγ = 2β0.5 = β. Therefore, the axis of the emerging beam is always parallel to the normal to the surface of the mirror 8.

Далее, пучок параллельных лучей, последовательно отразившись от зеркал и светоделителя нерасстраиваемого зеркально-призменного моноблока 11, попадает в объектив 2 и фокусируется им на ФПУ 3.Further, a beam of parallel rays, successively reflected from the mirrors and the beam splitter of the non-tuning mirror-prismatic monoblock 11, enters the lens 2 and focuses it on the FPU 3.

Микронаклоны и микросмещения призменного блока КГЭ не влияют на угловое положение пучков лучей, входящих в объектив 2 из КГЭ, и, следовательно, на положение изображения диафрагмы 5 на ФПУ 3, так как призма БкР - 180° (уголковый отражатель) работает в параллельных пучках.Micron tilts and micro-offsets of the prismatic block of the CGE do not affect the angular position of the beams of rays entering the lens 2 from the CGE, and, therefore, the position of the image of the diaphragm 5 on the FPU 3, since the BkR prism - 180 ° (corner reflector) works in parallel beams.

Следовательно, в объектив 2 попадает пучок лучей, ось которого параллельна нормали к плоскому зеркалу 9. Полученное изображение точки определяет центр опорной системы координат на ФПУ 3, соответствующий нормали к плоскости зеркала 9, установленного на базовой поверхности. Все это позволяет производить с помощью вычислительного блока, подключенного к ФПУ, 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 осуществляется вдоль оптической оси объектива 2, что обеспечивает сохранение положения указанного изображения, а следовательно, и положение центра опорной системы координат на ФПУ при дефокусировке изображения, вызванной, например, термодеформациями.Consequently, a beam of rays whose axis is parallel to the normal to the flat mirror 9 enters the lens 2. The resulting image of the point determines the center of the reference coordinate system on the FPU 3, corresponding to the normal to the plane of the mirror 9 mounted on the base surface. All this allows using the computing unit connected to the FPU to measure the angular position of the image of the star relative to the image of the diaphragm 5 and, therefore, to exclude errors in determining the coordinates of the star, associated, for example, with micro displacements of the FPU 3 in directions perpendicular to the optical axis of lens 2. Input image points from the CGE in this system is carried out along the optical axis of the lens 2, which ensures the preservation of the position of the specified image, and therefore the center position of ornoy coordinate system on the FPU when the image defocusing caused by, e.g., thermal deformations.

Пучок лучей от осветителя 4, прошедший точечную прозрачную диафрагму 5 и отраженный от светоделителя 6 в направлении зеркально-призменного блока 11, после преломления на поверхности 10 становится расходящимся, так как точечная диафрагма находится существенно ближе точки фокуса поверхности 9. Пройдя зеркально-призменный блок 11 и объектив 2, пучок лучей, в виду большой дефокусировки, создает на ФПУ 3 незначительный фон, не влияющий на работу устройства.The beam of rays from the illuminator 4, which passed the transparent point diaphragm 5 and reflected from the beam splitter 6 in the direction of the mirror-prism block 11, after refraction on the surface 10 becomes divergent, since the point diaphragm is much closer to the focal point of the surface 9. After passing the mirror-prism block 11 and lens 2, the beam of rays, in view of the large defocusing, creates an insignificant background on the FPU 3, which does not affect the operation of the device.

Выполнение светоделительного блока в виде единой оптической детали, соединяющей в себе коллиматор и телескопическую систему с угловым увеличением γ=0,5^х, позволяет обеспечить практическую неизменность углового положения выходящего из КГЭ пучка, параллельного нормали к плоскости зеркала, расположенного на базовой плоскости на любом расстоянии от прибора, и, следовательно, повысить его точность.The implementation of the beam splitting unit in the form of a single optical part that combines a collimator and a telescopic system with an angular magnification of γ = 0.5 ^x allows us to ensure that the angular position of the beam emerging from the CGE is almost constant, parallel to the normal to the plane of the mirror, located on the reference plane at any distance from the device, and therefore increase its accuracy.

Claims

An angle measuring device comprising:
a hood;
a channel of a non-upset geometric standard made in the form of a lighting unit, a beam splitter unit, a flat mirror mounted on the base plane, as well as a non-upset mirror-prism unit that introduces radiation into the lens;
lens;
photodetector;
computing unit;
characterized in that the beam splitter block is an optical element glued from the lens and mirror-lens systems, at the place of gluing forming an inclined beam splitting face, in which:
the first entrance surface is located in the lens system and is made flat with a spotted diaphragm applied thereon;
the second output surface is located in the mirror-lens system and is made flat with a plano-convex lens adhered to it with a mirror spherical surface, the second surface being the input to the radiation reflected by the mirror spherical surface;
the third output surface is located in the mirror-lens system, made in the form of a concave spherical surface, the front focus point of which is aligned with the image of the pinhole diaphragm from the mirror spherical surface, while the third surface is also the input surface for reflected radiation by a flat mirror;
the fourth output surface of the lens system is made in the form of a convex spherical surface, while for the reflected radiation by a flat mirror, the beam splitter unit acts as a telescopic system with an angular magnification of 0.5 ^x due to the third and fourth surfaces.