Введение к работе
Актуальность темы. При разработке оптических и оптико-электронных угломерных приборов с использованием оптико-механических сканирующих систем для достижения требуемой точности этих приборов необходимо обеспечить формирование высокого качества изображения в широком спектральном диапазоне и высокую стабильность углового положения сканирующего пучка. К указанным приборам относятся и приборы космической техники как бортового, так и наземного назначения: построители местной вертикали, стенды для проверки точности звездных приборов и т.д.
Среди оптико-механических сканирующих систем достаточно распространенными являются афокальные сканеры, работающие в параллельных пучках лучей. Общие принципы построения таких сканеров изложены в известных монографиях Г.П. Катыса, М.М. Мирошникова и др. Новый подход к проектированию афокальных сканирующих систем, основанный на использовании самокалибрующихся и нерасстраи-ваемых сканеров, предложен в работах М.П. Колосова.
Для афокальных сканеров существует несколько путей обеспечения высокого качества изображения в широком спектральном диапазоне и высокой стабильности углового положения сканирующего пучка.
Один из них заключается в повышении стабильности геометрической схемы безаберрационных сканеров на основе плоского зеркала при помощи, например, использования высокоточных осевых систем. Однако такой путь ограничен технологическими и конструктивными возможностями.
Еще один путь - калибровка погрешностей геометрической схемы сканера на основе плоского зеркала, возникающих при ее нарушениях, для последующего учета влияния указанных погрешностей на угловое положение сканирующего пучка.
Под погрешностями геометрической схемы сканера в данной работе понимаются изменения номинального положения его оптических элементов в виде микросмещений и микронаклонов, вызываемых, например, биением осей вращения. Афокальные сканеры при работе в параллельных пучках свободны от влияния микросмещений оптических элементов на угловое положение сканирующего пучка.
Однако калибровка погрешностей, производимая перед началом эксплуатации прибора, требует использования высокоточного метрологического оборудования и позволяет учитывать влияние только систематических погрешностей. Для обеспечения калибровки погрешностей в процессе работы сканера (самокалибровки) необходима разработка дополнительных устройств, например, встроенных автоколлиматоров, приводящих к усложнению конструкции прибора.
Нерасстраиваемые сканеры, т.е. сканеры, нечувствительные к нарушениям геометрической схемы, обеспечивают высокостабильное угловое положение сканирующего пучка при углах его отклонения порядка нескольких градусов. В этом случае не требуется использования высокоточных осевых систем, методов калибровки и систем самокалибровки и т.д., что значительно упрощает конструкцию сканеров и не требует применения высокоточного метрологического оборудования.
Среди нерасстраиваемых сканеров сканеры на основе преломляющего клина при широком спектральном диапазоне имеют хроматические аберрации, снижающие качество изображения.
Поэтому наиболее оптимальным путем обеспечения высокого качества изображения в широком спектральном диапазоне и высокой стабильности углового положения сканирующего пучка является разработка зеркальных и зеркально-призменных афокальных нерасстраиваемых ' безаберрационных сканеров. К классу указанных сканеров относится известная сканирующая система на основе призмы типа БС-0.
Однако в настоящее время не разработаны такие вопросы теории построения нерасстраиваемых безаберрационных сканирующих систем, как: условия практической нерасстраиваемости и удовлетворяющие им схемы построения безаберрационных сканеров, оценка стабильности углового положения сканирующего пучка нерасстраиваемых безаберрационных сканеров в зависимости от величины углового поля. Это затрудняет разработку, анализ и внедрение нерасстраиваемых безаберрационных сканеров в практику проектирования и эксплуатации разнообразных оптических и оптико-электронных приборов. Необходимость решения указанных задач определяет актуальность темы диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является разработка принципов построения афокальных нерасстраиваемых безаберрационных оптико-механических сканирующих систем и их практическая реализация.
Достижение указанной цели потребовало решения следующих основных задач:
разработки модели погрешностей геометрической схемы двухзер-кального сканера, обеспечивающей уменьшение влияний микронаклонов зеркал на угловое положение сканирующего пучка за счет их взаимной компенсации;
определения условий практической нерасстраиваемости двухзеркаль-ного сканера, разработки схем построения нерасстраиваемого двухзер-кального сканера, получения аналитических выражений для оценки стабильности углового положения сканирующего пучка в зависимости от величины углового поля, проведения сравнительного анализа стабильности схем нерасстраиваемого двухзеркального сканера и преломляющего клина;
разработки нерасстраиваемых безаберрационных сканирующих систем с конической траекторией сканирования (в том числе и с опорным
пучком) и с произвольной траекторией сканирования;
разработки стенда для проверки точности звездных приборов с использованием нерасстраиваемой безаберрационной сканирующей системы;
проведения экспериментальных исследований образца нерасстраиваемой безаберрационной сканирующей системы.
Методы исследований. При решении указанных задач применялись методы векторной алгебры, численные методы расчета с использованием компьютерной техники, а также экспериментальные исследования.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
- определены условия нерасстраиваемости и получены соответст
вующие этим условиям схемы построения нерасстраиваемого безабер
рационного двухзеркального сканера;
- получены аналитические выражения для оценки стабильности уг
лового положения сканирующего пучка в схемах нерасстраиваемых без-
аберрационных двухзеркальных сканеров в зависимости от величины
углового поля.
Практическая ценность. В результате выполнения работы:
разработаны оптические схемы нерасстраиваемых безаберрационных сканирующих систем для оптико-электронных приборов повышенной точности.
разработан и изготовлен стенд с использованием нерасстраиваемой безаберрационной сканирующей системы, предназначенный для проверки точности звездных приборов.
Основные защищаемые положения:
- условия нерасстраиваемости, схемы построения и аналитические вы
ражения для оценки стабильности углового положения сканирующего
пучка нерасстраиваемого двухзеркального сканера;
- оптические схемы нерасстраиваемых безаберрационных сканирующих систем, созданные на основе нерасстраиваемого двухзеркального ска-
нера.
Публикации и апробация работы. Основные положения работы
изложены в 6 статьях и 1 авторском свидетельстве на изобретение. На основании теоретических положений диссертационной работы на предприятии ФГУП НПП "Геофизика-Космос" разработан и изготовлен стенд для проверки точности звездного прибора.
Экспериментальные исследования нерасстраиваемой безаберрационной сканирующей системы, входящей в состав указанного стенда, подтверждают возможность одновременного получения высокого качества изображения (на уровне дифракционного) и высокой стабильности углового положения сканирующего пучка.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 42 наименований. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 4 таблицы.
