RU2554599C1

RU2554599C1 - Angle measurement device

Info

Publication number: RU2554599C1
Application number: RU2013154510/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Янович Гебгарт; Михаил Петрович Колосов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Геофизика-Космос" (АО "НПП "Геофизика-Космос")
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-06-27
Also published as: RU2013154510A

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: angle measuring device contains lens, matrix radiation receiver with calculating unit, and geometrical reference channel (GRC) containing lighting unit optically connected with the lens, having thee lighting sources with spacing 120°, collimator unit containing three input and three output pinhole apertures, and mirror-prism block creating with the applied on it collimator diaphragms the monoblock rigidly connected with the supporting surface of the angle measuring device and made in form of a isosceles hexagon truncated pyramid, which adjacent ribs are located at angle 120° to each other, and one of bases looks on the lens; in it input and output pinhole apertures are located on the side surfaces of the mirror-prism block, additionally provided with three angle-bar reflectors installed after the appropriate output pinhole aperture ensuring radiation input to the input lens aperture by means of reflection from the looking on it smaller base of the mirror-prism block, at that specified pinhole apertures are arranged such that axis of the output beam is directed at right angle to the side surface of the mirror-prism block.

EFFECT: increased accuracy of the device at simultaneous simplification of the lens optical system and decreasing of its weight and size.

8 dwg

Description

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.The invention relates to the field of optoelectronics, and more particularly to optoelectronic systems, and can be used in angle measuring devices, preferably in spacecraft orientation devices.

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.).Known angle measuring devices containing a lens, a matrix radiation receiver with a computing unit (MPI) and a geometric reference channel (CGE), made in the form of a mirror-prism unit glued from prisms AR-90 ° and BkR-180 °, a collimator unit, rigidly mounted on the reference plane and the lighting unit, while the inclined flat reflecting face of the BkR-180 ° prism at the gluing site is made in the form of a beam splitter (see Fedoseev V.I., Kolosov M.P. Optoelectronic devices for orienting and navigating spacecraft. - M .: OCRP, 2007. - 247 c)..

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.In this device (Fig. 1), radiation from a sighted point source, for example, a star, passing to the passage of the refracting faces of the mirror-prism unit, including prisms 1 ′ (AP-90 °) and 1 (BkR-180 °), is focused by lens 2 on MPI 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.In the CGE channel, the radiation from illuminator 4, having passed through the point diaphragm 5 located in the focal plane of the collimator 6, which is rigidly mounted on the reference plane, is collimated last and, subsequently reflected from the mirrors of prism 1, enters the lens 2 and focuses on MPI 3. The resulting image the point is determined by the center of the reference coordinate system on MPI 3. This allows using the computing unit to measure the angular position of the image of the star relative to the image of the diaphragm 5 and, therefore, exclude reshnosti coordinate determination star, such as those associated with microdisplacements IIP 3 in directions perpendicular to the optical axis of the lens 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.Microno-inclinations and micro-displacements of elements 1, 6 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 images of the marks on the MPI 3, since the prism 1 BkR-180 ° (corner reflector) works in parallel beams, and the collimator 6 is rigidly connected with the reference plane. Hereinafter, the reference plane is either rigidly connected to the landing plane of the device, or directly is it.

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.In this device, the angular position of the beam from the sighting star passing through prisms 1 ′ and 1 to the passage in the area of their adhesive connection is not stable, which reduces the accuracy of the device. This is due to the difference in the physical and technical properties of glue and glass, which with significant temperature, vibration and shock influences leads to deformations. These deformations cause micro-rotation of prisms 1 ′ and 1 relative to each other and, as a result, lead to the formation of an additional wedge in the zone of the specified connection. When passing the specified wedge, part of the beam of rays deviates from the original direction, which is unacceptable for high-precision instruments.

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).The closest in technical essence is an angle measuring device containing a lens, a matrix radiation receiver with a computing unit (MPI) and a geometric standard channel (CGE), consisting of a collimator unit and a mirror-prism unit optically paired with a lens, which are a single monoblock, as well as the lighting unit, while the lighting unit includes three light sources located at an angle of 120 ° to each other, a collimator unit - three input and three output point apertures, located laid on a mirror-prismatic monoblock, made in the form of an isosceles hexagonal truncated pyramid, the adjacent edges of which are located at an angle of 120 ° to each other, and the larger of the bases of which are facing the lens, while the mirror-prismatic monoblock is rigidly connected to the reference plane of the angle measuring device ( patent for the invention of the Russian Federation No. 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.In the prototype, the radiation from the sighted point object, for example, a star (Fig. 2, Fig. 3), passing the mirror-prism block 1 of the CGE into the passage, enters the entrance pupil of the lens 2 and focuses on the MPI 3. The mirror-prism block 1 is made without glue compounds, which in comparison with the analogue provides higher stability of the angular position of the transmitted beam.

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.The radiation from the illuminator 4, having passed the point transparent diaphragm 5, successively reflected from the inclined mirrors of the mirror-prism unit 1 and passing the point transparent diaphragm 5 ′, leaves the CGE. Aperture 5 ′ works like a pinhole camera. Apertures 5 and 5 ′ are deposited by photolithography on a larger surface of the mirror-prism block 1. In this case, three input diaphragms 5 (one is shown in the drawing) and three output diaphragms 5 ′ (one is shown in the drawing) located on the mirror-prism monoblock 1, constitute a collimator unit 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).The presence of two point diaphragms spaced along the beam forms a filamentous beam of rays. The corresponding location of the point diaphragms 5 and 5 ′ on the larger surface of the mirror-prism block 1 allows you to provide the necessary angular deviation of the beam α from the axis of the block (figure 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.Thus, at the output of the CGE three beams of rays are formed, the axes of which make up the same angle α with the axis of the block, and make an angle of 120 ° between them. The angular position of the normal to the reference plane is determined by the orthocenter of an equilateral triangle, at the vertices of which the symmetry axes of the three working beams are located.

Необходимое угловое отклонение осей вышедших пучков реализуется также за счет изменения углов наклона зеркальных граней, расположенных напротив выходных диафрагм 5′.The necessary angular deviation of the axes of the emerged beams is also realized by changing the angles of inclination of the mirror faces opposite the output diaphragms 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.Next, the beams, passing outside the zone of the entrance pupil of the lens 2, are focused by the lens on the MPI 3 in the form of an image of three points (Fig. 4) located at the vertices of an equilateral triangle. The presence of the image of three points determines the reference coordinate system of the device on MPI 3, relative to which using the computing unit the angular position of the sighted star is measured. The origin is in the orthocenter of the specified triangle, coinciding with the optical axis. All this allows us to measure the position of the sighted star relative to the obtained image of the marks and, therefore, to exclude errors in the determination of coordinates associated, for example, with micro displacements of MPI 3 in directions perpendicular to the optical axis of lens 2. Using these images of points from the CGE, the errors of determination are also excluded coordinates of the sighting star associated with the possible rotation of the MPI 3 relative to the optical axis and with its defocusing.

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.To ensure optimal accuracy of the device by taking into account the MPI turn and its defocusing, the beams of the CGE beams should be split to the maximum possible angle α relative to the optical axis, i.e., the value of this angle should be comparable with the angular field of the device.

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.).When defocusing MPI 3 (Fig. 5), caused, for example, by thermal deformations of the lens, the newly formed triangle (image plane b), at the vertices of which are located the image of marks, retains its similarity to the original (image plane a), while the orthocenter of the triangle remains on the optical axis. Changing the linear dimensions of a triangle compared to its certified dimensions under normal conditions allows determining the image scale change during operation of the device and making a corresponding correction to the determination of the angular coordinates of the sighted object (Kolosov M.P. Optics of adaptive goniometers: - M .: Logos, 2011. - 256 p.).

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.The implementation of the mirror-prismatic block KGE 1 in the form of a single optical part without the use of adhesive joints, a rigidly installed refractive face on the reference (landing) plane, provides, in comparison with the analogue, higher stability of the angular position of the beams emerging from the KGE 1 relative to the reference plane and passed CGE of 1 beams from the sighted star under significant temperature, vibration and shock effects, which increases the accuracy of the device. Moreover, the thickness of the CGE along the optical axis of the lens can be extremely small, which improves the overall mass characteristics of the entire device.

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.However, when changing the temperature of the mirror-prism block, images of the CGE marks will shift to MPI 3 due to the influence of a change in the refractive index of the material of the mirror-prismatic block CGE 1 on the deviation of the beams emerging from the CGE (angles α). That is, there will be a change in the size of the triangle, at the vertices of which there are images of the CGE marks. At the same time, the energy centers of the images of sighted stars on MPI 3 will not change their position. This is due to the fact that the beams of parallel rays during passage of the QGE 1 to the passage do not change their angular position with a change in the temperature of the QGE, since in this case the QGE is a plane-parallel plate. Changing the dimensions of this triangle is perceived in image processing as defocusing MPI 3 and leads to the introduction of an appropriate correction in determining the angular coordinates of sighted stars. This correction will in fact be an additional error in determining the coordinates of the stars, which reduces the accuracy of the instrument.

В качестве примера, подтверждающего положение об изменении от температуры углового положения пучков лучей, вышедших из КГЭ, рассмотрим его действие при температурах t₁=20°C и t₂=-20°C (фиг.6). Преломляющим материалом зеркально-призменного блока для этого примера выбрано стекло К8. Рабочая длина волны λ=0,54607 мкм.As an example, confirming the position of the change in temperature of the angular position of the beams of rays emerging from the CGE, we consider its effect at temperatures t ₁ = 20 ° C and t ₂ = -20 ° C (Fig.6). For this example, K8 glass was selected as the refractive material of the mirror-prism block. Operating wavelength λ = 0.54607 μm.

Пусть данный КГЭ обеспечивает отклонение вышедших из КГЭ пучков от оси объектива на угол α_t1=45° при нормальных условиях (t₁=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_t1=45°, в соответствии с известным законом преломления Снеллиуса, определяется выражением:Let this CGE ensure the deviation of the outgoing CGE beams from the axis of the lens by an angle α _t1 = 45 ° under normal conditions (t ₁ = 20 °). In this case, the angle of incidence α ′ of the beam axis on the rear surface of the CGE 1 inside the glass, providing the deflection angle at the exit from the diaphragm 5 ′ in the air α _t1 = 45 °, in accordance with the well-known Snell's law of refraction, is determined by the expression:

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.α ′ = arcsin (sin α / n) = arcsin (sin45 ° / n), where n is the refractive index of the CGE. At n = 1.518294 for a wavelength of λ = 0.54607 μm and a temperature of t = 20 ° C (GOST 13659-78 “Optical colorless glass.” Physical and chemical characteristics. Main parameters) angle α ′ = 27 °, 757123.

Указанный угол α′ не меняется при изменении температуры зеркально-призменного блока, так как определяется геометрией КГЭ, сохраняющей свое подобие. При t₂=-20°C показатель преломления n пластины составит n=1,518022 (ГОСТ 13659-78), и вышедший пучок в соответствии с законом преломления отклонится на α_t2=44°,989736. Таким образом, изменение угла α относительно нормальных условий составляет Δα=36″,948, что существенно снижает точность прибора.The indicated angle α ′ does not change when the temperature of the mirror-prism block changes, since it is determined by the CGE geometry, which retains its similarity. At t ₂ = -20 ° C, the refractive index n of the plate will be n = 1.518022 (GOST 13659-78), and the output beam, in accordance with the law of refraction, will deviate by α _t2 = 44 °, 989736. Thus, the change in the angle α relative to normal conditions is Δα = 36 ″, 948, which significantly reduces the accuracy of the device.

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_t1=10° и тех же условиях работы КГЭ изменение угла α составит Δα=6,5″. Однако и эта величина в ряде случаев недопустима.This example corresponds to wide-angle goniometers with angular fields greater than 90 °. Obviously, in goniometers with smaller angular fields, where the deviation angles α are not so large, Δα will be significantly smaller. For example, at Δ _t1 = 10 ° and the same conditions of operation of the CGE, the change in the angle α will be Δα = 6.5 ″. However, this value is also unacceptable in some cases.

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.One way to solve this problem is the thermal stabilization of the CGE in the form of maintaining its constant temperature. However, this path leads to a significant complication of the design of the device and to the deterioration of its overall mass characteristics.

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.Another disadvantage of this protractor is the introduction of light beams from the KGE 1 into the lens through a pinhole, located outside the area of its entrance pupil. To implement such an introduction of CGE beams, it is necessary not only to increase the light diameters of the lenses of the lens, but also to ensure high image quality of the CGE marks on the MPI 3 for these zones. This leads to a complication of the optical system of the lens and deterioration of its overall mass characteristics.

Целью изобретения является повышение точности прибора при одновременном упрощении оптической системы объектива и уменьшении его габаритно-массовых характеристик.The aim of the invention is to increase the accuracy of the device while simplifying the optical system of the lens and reducing its overall mass characteristics.

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.The goal is achieved in that in an angle measuring device containing a lens, a matrix radiation detector with a computing unit (MPI) and a geometric reference channel (CGE), consisting of a lighting unit optically coupled to the lens, having three light sources located at an angle of 120 ° to each other to a friend, a collimator block, which includes three input and three output point apertures, and a mirror-prism block, which forms a monoblock with the diaphragms of the collimator deposited on it and is rigidly connected to the reference plane angle measuring device and made in the form of an isosceles hexagonal truncated pyramid, the adjacent edges of which are located at an angle of 120 ° to each other, and one of the bases of which is facing the lens, in it the input and output point diaphragms are located on the side surfaces of the mirror-prism unit, additionally equipped three angular reflectors mounted behind the corresponding output pinhole diaphragm with the input of radiation into the entrance pupil of the lens by reflection from facing to less than the base of the mirror-prism block, while the indicated point diaphragms are placed so that the axis of the output beam is directed at right angles to the side surface of the mirror-prism block.

Таким образом, предлагаемое техническое решение представляет собой совокупность существенных признаков, которые в сравнении с прототипом обладают новизной.Thus, the proposed technical solution is a combination of essential features that, in comparison with the prototype, have novelty.

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.).The use of geometric standard channels in optical-electronic angle-measuring star devices is known (see, for example, Fedoseev V.I., Kolosov M.P. Optoelectronic devices for orienting and navigating spacecraft: - M .: Logos, 2007. - 247 p. )

Однако использование в углоизмерительном приборе, содержащем указанную совокупность признаков, является неизвестным техническим решением, так как придает угломеру новые свойства:However, the use in an angle measuring device containing the specified set of features is an unknown technical solution, as it gives the goniometer new properties:

- 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;- the axis of each beam of rays emerging from the prismatic-prismatic block of the CGE is perpendicular to the corresponding side surface of the block, which excludes the influence of a change in the refractive index of the block material on the angular position of these beams due to temperature changes;

- 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.- the introduction of beams of rays from the CGE into the lens is made directly through the center of its entrance pupil, which reduces the light diameters of the lenses, simplifies the optical system of the lens, in which the required image quality for the CGE marks is automatically ensured by the corresponding image quality of the lens, calculated only for the entrance pupil area .

Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.Thus, the claimed technical solution has significant differences.

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:The proposed set of essential features in comparison with the prototype due to the input and output point apertures located on the side surfaces of the prism-mirror unit, additionally equipped with three angular reflectors installed behind the corresponding output point aperture, providing radiation input into the entrance pupil of the lens by reflection from facing to smaller base of the mirror-prism block, while the indicated point diaphragms are placed so that the axis of the output beam and is directed at right angles to the side surface of the mirror-prism unit, allows:

- обеспечить практическую неизменность углового положения выходящих из КГЭ пучков лучей при значительных температурных воздействиях и, следовательно, повысить точность устройства;- to ensure the practical invariability of the angular position of the beam of rays emerging from the CGE at significant temperature effects and, therefore, to improve the accuracy of the device;

- упростить оптическую систему объектива и уменьшить его габаритно-массовые характеристики.- to simplify the optical system of the lens and reduce its overall mass characteristics.

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

На фиг.1 приведена оптическая схема аналога, известного из уровня техники.Figure 1 shows the optical circuit of an analogue known from the prior art.

На фиг.2 приведена оптическая схема ближайшего аналога -прототипа.Figure 2 shows the optical scheme of the closest analogue of the prototype.

На фиг.3 приведен вид задней плоскости КГЭ прототипа.Figure 3 shows a view of the rear plane of the CGE of the prototype.

На фиг.4 показано положение изображения марок КГЭ прототипа на МПИ.Figure 4 shows the position of the image of the KGE prototype marks on the MPI.

На фиг.5 показано положение изображения марок КГЭ прототипа на МПИ при дефокусировке.Figure 5 shows the position of the image of the KGE brands of the prototype on the MPI during defocusing.

На фиг.6 приведен ход лучей в КГЭ прототипа при изменении температуры.Figure 6 shows the path of the rays in the CGE of the prototype when the temperature changes.

На фиг.7 приведена оптическая схема предлагаемого устройства.Figure 7 shows the optical diagram of the proposed device.

На фиг.8 приведен вид задней плоскости КГЭ предлагаемого устройства.On Fig is a view of the rear plane of the CGE of the proposed device.

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.The proposed device (Fig.7, Fig.8) contains: CGE 1, 4 ... 7, lens 2, MPI with computing unit 3. Also, to reduce the effect of scattered light at the input of the device, a hood can be installed.

КГЭ состоит из:CGE consists of:

- зеркально-призменного блока 1;- mirror prism unit 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;- a collimator 6, which includes three input point diaphragms (holes) 5 (one is shown in FIG. 7) and three output point diaphragms (holes) 5 ′ (one is also shown in FIG. 7) located on the side surfaces of the prism-mirror block 1;

- осветительного блока, выполненного в виде трех источников излучения 4 (на фиг.7 показан один);- a lighting unit made in the form of three radiation sources 4 (one is shown in Fig. 7);

- трех уголковых отражателей 7, расположенных за соответствующими выходными точечными диафрагмами (на фиг.7 показан один).- three corner reflectors 7 located behind the corresponding output point diaphragms (one is shown in Fig. 7).

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.The mirror-prism block 1 is made in the form of a hexagonal truncated pyramid, the adjacent edges of which are located at an angle of 120 ° to each other, installed so that its bases are perpendicular to the optical axis of the lens. Apertures 5 and 5 ′ are applied to the side surfaces of the mirror-prism block 1 by photolithography. Thus, the mirror-prism block 1 and the collimator 6, including the diaphragms 5 and 5 ′, form a mirror-prism monoblock, which is a single optical part without the use of adhesive joints.

В качестве уголковых отражателей 7 используется призмы БкР-180°, а осветителей 4 - например, светодиоды.As angular reflectors 7, BkR-180 ° prisms are used, and illuminators 4, for example, LEDs.

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 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.The radiation from the sighted point object, for example, a star, passing through the passage of the mirror-prism unit 1, rigidly connected to the reference plane of the device, enters the entrance pupil of the lens 2 and focuses on the MPI 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.The radiation from the illuminator 4, having passed the transparent point diaphragm 5, successively reflected from the bases of the mirror-prism block 1 and passing the point diaphragm 5 ′, leaves the mirror-prism block 1 perpendicular to the side surface. The indicated reflection from the bases of the mirror-prism block 1 is based either on the effect of total internal reflection or by means of a beam splitting coating applied to the bases.

Наличие двух разнесенных по ходу луча точечных диафрагм 5, 5′ формирует нитевидный пучок лучей с геометрической расходимостью, определяемой, как и в прототипе, выражениемThe presence of two spaced apart along the beam of point diaphragms 5, 5 ′ forms a filamentous beam of rays with geometric divergence, defined, as in the prototype, by the expression

2ω=2arcsin{nsin[(arctg(D₁+D₂)/L]}, где D_1, D₂ - 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.2ω = 2arcsin {nsin [(arctan (D ₁ + D ₂ ) / L]}, where D _1, D ₂ are the diameters of the diaphragms 5 and 5 ′, L is the length of the mirror-prism block 1 deployed into a plane-parallel plate, n is the indicator its refraction. Aperture 5 ′ works like a pinhole camera.

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.Further, the beam of rays emerging from the mirror-prism block 1 through the diaphragm 5 ′, reflected from the corner reflector 7 (prism BkR-180 °), falls on the smaller (rear) base of the mirror-prism block 1 from the lens side. In this case, the axes of the beam incident on the corner reflector 7 and reflected from it are always parallel. The parallelism of these axes is ensured by the property of the corner reflector to return the beam along the original direction. Then reflected from the smaller base of the mirror-prism unit 1, the beam of rays enters the center of the entrance pupil of the lens 2 at an angle α to the optical axis of the lens. Reflection from a smaller base is ensured either by means of a beam splitting coating deposited on the base, or by creating on the basis of unenlightened areas.

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.Micron tilts and microdisplacements of the CGE elements do not affect the angular position of the beams of rays entering the lens 2 from the CGE, and, therefore, the position of the images of the marks on the MPI 3, since the mirror-prism block 1 with the diaphragms 5, 5 ′ (monoblock) is rigidly connected with a reference (landing) plane, and the corner reflector 7 (prism BkR-180 °) always returns a reflected beam of rays in a direction parallel to the beam that fell on it.

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.The necessary angular deviation α of the axes of the emerged beams from the mirror-prism block 1 from the axis of the lens is realized due to the corresponding arrangement of the input 5 and output 5 ′ diaphragms on the side surfaces (Fig. 7, Fig. 8), as well as due to the dimensions of the mirror-prism block 1, realizing the required number of beam reflections from the front and rear bases. The position of the input 5 and output 5 ′ diaphragms on the lateral surfaces of the prism mirror unit 1 is determined from the condition of the perpendicularity of the axial beam passing through the centers of the diaphragms 5 and 5 ′ to the indicated side surfaces.

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.Similarly, the other two identical channels work, located at an angle of 120 ° to each other. Thus, at the output of the CGE, three beams of rays are formed, the axes of which make up the same angle α with the axis of the block and the optical axis of the lens, and make an angle of 120 ° between them. The angular position of the normal to the reference plane is determined by the orthocenter of an equilateral triangle, at the vertices of which the symmetry axes of the three working beams are located.

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.It should be specially noted that the beam of rays leaves the exit diaphragm 5 ′ perpendicular to the side surface of the mirror-prism block 1. This makes it possible, in comparison with the prototype, to exclude the influence of a change in the refractive index of the material of the mirror-prism block 1 due to a change in temperature on the angular position KGE beams relative to the reference plane. This provision follows from Snell's law, according to which the angle of deviation of the axis of the outgoing beam from the mirror-prism block 1 relative to the normal to the side surface is determined by the expression β = arcsin (nsinβ ′), where n is the refractive index of the glass of the mirror-prism block 1; β ′ is the angle of incidence of the beam axis inside the block relative to the normal to the side face. At β ′ = 0 ° (the beam falls inside the mirror-prism block 1 along the normal to the side surface) β = 0 ° regardless of the refractive index, that is, the beam also emerges along the normal to the side surface.

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.Next, the beams enter the lens 2 through the center of the entrance pupil and focus on MPI 3 in the form of an image of three points (Fig. 9) located, as in the prototype (Fig. 4), at the vertices of an equilateral triangle.

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.The possibility of introducing beams from the CGE through the entrance pupil of the lens 2 allows, in contrast to the prototype (where the introduction of beams from the CGE is performed outside the pupil area), to reduce the light diameters of the lenses and, therefore, to simplify the optical system of the lens 2 with high quality images on MPI 3 both for the sighted object and for the KGE marks. This is explained by the fact that when introducing beams from the CGE through the entrance pupil of the lens, it is no longer necessary, as in the prototype, to specifically calculate the lens with large lens diameters and to ensure high quality image of the CGE marks at MPI for the CGE zones located outside the entrance pupil 3. High image quality for the KGE marks in the proposed device is ensured automatically due to the corresponding image quality of the lens, calculated only for the entrance pupil area.

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.The presence of the image of three points determines the reference coordinate system of the device on MPI 3, relative to which, using the computing unit, the position of the sighted point object is measured. The origin is in the orthocenter of the specified triangle, coinciding with the optical axis. All this allows you to measure the position of the sighted object relative to the received image marks and, therefore, to exclude errors in the determination of coordinates associated, for example, with micro displacements MPI 3 in directions perpendicular to the optical axis of the lens 2. Also excluded are errors in the determination of coordinates of the sighted object associated with a possible turn MPI 3 relative to the optical axis of the lens, and the effect of defocusing MPI along the optical axis of the lens.

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.When defocusing MPI 3, caused, for example, by thermal deformations of the lens, the newly formed triangle, at the tops of which the images of the marks are located, retains, like in the prototype (Fig. 5), its similarity to the original one. Changing the linear dimensions of the triangle compared to its certified dimensions under normal conditions allows you to determine during the operation of the device the change in image scale and make the appropriate correction in determining the angular coordinates of the sighted object.

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.However, unlike the prototype, the proposed device does not change the size of this triangle (additional displacement of the image of the CGE marks) with a change in the temperature of the CGE. This is due to the high stability of the angular position of the QGE beams relative to the reference plane, which are independent of the refractive index of the QGE material and, therefore, from a change in its temperature. The exclusion of this error increases the accuracy of determining the angular coordinates of the sighted stars.

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:Thus, the use of a mirror-prism block 1 with input and output diaphragms 5, 5 ′ located on the lateral surfaces, providing a right angle between the axes of the outgoing CGE beams and the corresponding side surfaces, as well as the introduction of angle reflectors 7 for introducing the beam of rays through the entrance pupil lens 2:

- повышает точность угломера за счет обеспечения нечувствительности углового положения вышедших из КГЭ пучков лучей к температурным воздействиям;- improves the accuracy of the protractor by ensuring the insensitivity of the angular position of the beam of rays emerging from the CGE to temperature influences;

- 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.- improves the overall mass characteristics of the goniometer lens by reducing the light diameters of the lenses and the consequent possibility of using simpler optical lens systems while maintaining high image quality of sighted point objects and KGE marks on MPI 3.

Claims

An angle measuring device containing a lens, a matrix radiation detector with a computing unit, and a geometric standard channel, consisting of a lighting unit optically conjugated to the lens, having three light sources located at an angle of 120 ° to each other, a collimator unit that includes three input and three output point diaphragms, and a mirror-prism block, forming a monoblock with the diaphragms of the collimator deposited on it, rigidly connected to the reference plane of the angle measuring device and shaped in the form of a hexagonal truncated pyramid, adjacent edges of which are located at an angle of 120 ° to each other, and one of the bases of which is facing the lens, characterized in that the input and output point diaphragms are located on the side surfaces of the mirror-prism block, additionally equipped with three corner reflectors mounted behind the corresponding output pinhole diaphragm with the input of radiation into the entrance pupil of the lens by reflection from the smaller base facing it a variable block, while the indicated point diaphragms are placed so that the axis of the output beam is directed at right angles to the side surface of the mirror-prism block.