Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Требования к системам мини-, микро-, нано-, и пико- спутников б
1.1. Цели и задачи, решаемые оптическими системами особо компактных разведывательных спутников и спутников инспекции космических платформ . 9
1.2. Технико-экономические характеристики спутниковых систем 10
1.3. Зарубежные аналоги и тенденции развития малогабаритных спутниковых систем.
14
Список литературы к Главе 1 18
Глава 2. Обзор по патентно-библиографическому поиску по направлению "особо компактные и сверх светосильные оптические системы" 19
2.1. Зеркально-линзовые системы П.П. Аргунова и Ю.А. Клевцова 19
2.1.1. Зеркально-линзовые системы П.П. Аргунова 19
2.1.2. Зеркально-линзовые системы Ю.А. Клевцова 23
2.2. Зеркальные телескопические системы Г.М. Попова 24
1. Анаберрационные корректоры, основанные на выполнении требования Ферма. 25
2.3. Зеркальные системы Д. Пуряева и А. Гончарова 27
2.4. Двух зеркальные оптические системы Г.С. Мельникова и А.С. Попова.ЗО
2.4.3. Сравнение результатов построения схем двух-зеркальных анаберрационных систем, предложенных в Патенте №2155979 [23], с известными аналогами.33
2.5. Тенденции развития схемотехнических решений по существующим перспективным разработкам оптической промышленности 34
2.5.1. Наблюдательные приборы 34
Выводы по разделу 2.5 42
Список литературы к Главе 2 42
Глава 3. Разработка особо компактных, сверх малогабаритных, сверх светосильных оптических систем 44
3.1. Перечень технических условий, закладываемых в разрабатываемые системы. 44
3.1.1. Описание программы расчета двух-зеркальных оптических систем.. 45
3.2. Расчеты сверх светосильных зеркальных объективов приемных каналов. 53
3.2.1. Расчет двухзеркального объектива при его сочленении с плоской приемной ПЗС матрицей 53
3.2.2. Расчет двухзеркального объектива при его сочленении со сферической приемной ПЗС матрицей 56
3.2.3. Вариант построения светосильной системы с увеличенным фокусным расстоянием 60
Список литературы к Главе 3 63
Глава 4. Разработка универсальных объективов для использования их в наблюдательных системах мини-, микро-, нано- и пикоспутников 66
4.1. Из описания заявки на патент [1] 66
Список литературы к Главе 4 77
Выводы к главе 4 78
Заключение 79
- Технико-экономические характеристики спутниковых систем
- Зеркально-линзовые системы П.П. Аргунова
- Описание программы расчета двух-зеркальных оптических систем..
- Расчет двухзеркального объектива при его сочленении со сферической приемной ПЗС матрицей
Введение к работе
Под космическими системами военного назначения принято понимать [В1] любую спутниковую систему, полностью, либо преимущественно предназначенную для обеспечения функционирования вооруженных сил в мирное время и/или в боевых условиях.
По характеру выполняемых функций космические системы военного назначения можно разделить на 3 основные группы: боевые, разведывательные и вспомогательные.
— Боевые системы предназначены непосредственно для поражения целей в космосе
или на Земле. Именно эти системы имеются в виду, когда речь идет о космическом
оружии или милитаризации космоса.
— Разведывательные системы обеспечивают наблюдение за военной или около
военной деятельностью противостоящей стороны, позволяя отслеживать как постепенные
изменения общего стратегического потенциала, так и оперативные локальные
перегруппировки сил.
— Вспомогательные системы предназначены для инспекционного контроля
космических станций, обеспечения связи, навигации и тому подобных функций, не
являющихся специфически военными, но, тем не менее, жизненно важных для
выполнения вооруженными силами своих боевых задач.
В диссертационной работе рассматриваются аспекты построения
оптических системам для перспективных спутников предназначенных для разведывательных целей.
Космическая разведка, как и всякая другая, предназначена для получения легально недоступной информации о деятельности иных государств, от других видов технической разведки она отличается только способом размещения средств сбора данных.
Космическое базирование технических средств наблюдения обладает уникальными преимуществами, делающими космическую разведку во многом незаменимой. Поскольку международно признаваемый суверенитет государств распространяется только на атмосферное пространство над их территорией [В1], разведывательные спутники могут вполне законно приближаться к любому объекту на этой территории на расстояние около 100 километров, как бы он ни был удален от государственных границ. Кроме того, трасса движения спутника периодически проходит над всеми точками поверхности Земли в определяемой наклонением рабочей орбиты полосе широты, что позволяет обеспечить глобальное наблюдение с помощью небольшого числа одновременно функционирующих аппаратов.
Преимущества использования космического пространства для слежения за поверхностью Земли были осознаны еще до запуска первых спутников, и с начала космической эры разведывательные спутники заняли одно из главных мест в космических программах, как США, так и СССР. Космическая разведка разделяется на оптическую и радиотехническую разведки.
Оптические спутниковые изображения служат, прежде всего, для определения стратегического потенциала противника, изучения расположения его военных и промышленных объектов, таких как военные базы, командные центры, полигоны, оборонные предприятия и т.д. Помимо стратегического планирования данные космического наблюдения принципиально важны для контроля действующих международных соглашений по ограничению вооружений.
Первым направлением космической разведки стали системы оптического наблюдения, явившиеся логическим развитием аэрофотосъемки. Первый снимок земной поверхности с высоты 200-220 км был получен в 1957 году с борта геофизической ракеты типа Р2А специально приспособленным аэро-фотоаппаратом АФА-39, изготовленным Красногорским Механическим Заводом.
Первым советским фоторазведчиком стал «Космос-4», выведенный на орбиту 26 апреля 1962 г. и через 3 суток совершивший объявленную посадку в заданном районе.
С июля по декабрь 1962 г. еще 4 спутника «Космос» были запущены с Байконура носителями А-1 на орбиты, аналогичные орбитам пилотируемых «Востоков». Все они были возвращены по прошествии 4 или 8 суток, но в отличие от «Космоса-4» о посадках этих, как и сотен последовавших за ними возвращаемых спутников официально не объявлялось.
Созданные на базе кораблей «Восток» автоматические аппараты, получившие название «Зенит», на несколько десятилетий стали основой систем космической фоторазведки. За это время они неоднократно модернизировались и приспосабливались к конкретным задачам, таким, как обзорная съемка больших площадей, детальное фотографирование районов особого интереса, стереоскопическая съемка, однако, базовая конструкция сохранилась на протяжении более 30 лет.
В настоящее время остро стоит вопрос о кардинальном изменении как стратегии построения спутниковых систем разведки и наблюдения, так и приборных комплексов, устанавливаемых на космические платформы.
Речь идет о создании системы оперативной разведки поля боя, которая должна соединять преимущества космических аппаратов (недосягаемость для средств ПВО противника и глобальность разведки) с достоинствами воздушных беспилотных летательных аппаратов (большая продолжительность наблюдения и высокая оперативность доклада данных).
В качестве прототипа много спутниковой системы рассматривается система США из 24 космических аппаратов (КА), размещенная на низких круговых орбитах высотой 770 км, которая должна обеспечить высокую частоту просмотра театра военных действий (10-15 мин), что не позволит противнику осуществлять незаметную передислокацию. Проект получил наименование "Дискавери-2" (считается, что первая система, "Дискавери-1", положила начало в 60-х годах созданию космических средств фотографической разведки).
Сочетание режимов работы РЛС и оптических средств позволит оператору-дешифровщику изображений последовательно решать весь цикл задач, связанных с поиском, обнаружением и распознаванием целей, определением их координат для дальнейшей выдачи целеуказаний средствам поражения.
В диссертационной работе рассматриваются новые аспекты построения
оптических систем для перспективных спутников, предназначенных для
разведывательных целей.
Список литературы к введению:
В. 1. Максим Тарасенко Военные аспекты советской космонавтики.
В. 2. Сергей Деревяшкин, Самый северный космодром планеты, журнал "Воздушно-космическая оборона", №1, 2002г
Технико-экономические характеристики спутниковых систем
По оценке П.П. Аргунова [1], не смотря на все различие в размерах и конструкции, важнейшими требованиями, предъявляемыми в настоящее время практически к каждому телескопу, являются высокие оптические качества, компактность, точность, простота изготовления, удобство в работе и возможная универсальность. К сожалению, ни одну из существующих систем телескопов нельзя признать удовлетворяющей всем этим требованиям.
К числу достоинств рефракторов относятся простота ухода и надежность, но хорошее исправление аберрации достигается за счет малой светосилы, что приводит к большой длине и громоздкости телескопа. Связанные с этим большие прогибы трубы отрицательно сказываются на точности инструмента. При изготовлении механической части и особенно объектива для крупного рефрактора возникают весьма большие трудности. Серьезными недостатками далее являются неустранимый остаточный хроматизм и поглощение света в толще стекла, особенно значительные у крупных инструментов, а также непригодность рефракторов для работы в ультрафиолетовых и далеких инфракрасных лучах.
Рефлекторы не имеют хроматизма, пригодны для лучей всех длин волн и могут иметь значительную светосилу, благодаря этому их размеры значительно меньше; изготовление крупных зеркал проще, чем линзовых объективов. Светосильные рефлекторы обычных систем, имеющие главное зеркало с параболоидальной поверхностью, обладают очень малым полезным полем изображения, что связано с наличием большой аберрации комы. Существенным недостатком является также необходимость применения зеркал с несферическими поверхностями, автоматизация изготовления которых и контроль правильности формы затруднителен. Это особенно относится к технологии построения приборов с асферическими поверхностями, задаваемыми апраксимационными зависимостями. Поэтому хорошее исправление сферической аберрации практически трудно достижимо, особенно у крупных светосильных зеркал.
Некоторые авторы - Шварцшильд, Кретьен, Прихт, Максутов и другие - предлагали для исправления комы строить рефлекторы с двумя или тремя зеркалами, отшлифованными, согласно специальным расчетам, по сложным несферическим поверхностям. Изготовление таких зеркал значительно труднее, чем изготовление параболоидальных зеркал для рефлекторов "классических" систем. Кроме того, эти апланатические рефлекторы, как правило, обладали большой кривизной поля и астигматизмом. Комбинирование зеркальных и линзовых элементов в оптической части телескопа позволяет получить большую светосилу при лучшем исправлении аберраций, чем это возможно у рефрактора или рефлектора. Нужно, однако, отметить, что почти во всех предложенных до сего времени катадиоптрических системах, среди которых наибольшее применение получили телескопы Шмидта и Максутова, используются преломляющие элементы, помещаемые перед главным зеркалом на пути лучей, идущих от объекта. Это вынуждает делать преломляющие элементы с диаметром, равным отверстию инструмента, что сильно усложняет изготовление крупных телескопов и затрудняет их использование для работы в невидимых спектральных участках. При таком расположении линз требования к качеству стекла и точности обработки их поверхностей оказываются значительно более высокими, чем для объектива рефрактора. Необходимо также отметить, что хроматизм, вносимый корректирующей пластиной Шмидта, довольно значителен; например, в инструменте, установленном на Абастуманской обсерватории, хроматическая разность достигает 5 10"4 от фокусного расстояния для узкого интервала длин волн от 400 до 500 нм, т. е. больше, чем в фотографическом рефракторе. Неудобствами являются также значительная кривизна поля и расположение фокуса внутри трубы.
П.П. Аргунов задался целью разработать, возможно простую и светосильную апланатическую систему, содержащую минимальное число оптических элементов, имеющих только сферические поверхности. Несомненно, что катадиоптрические телескопы последней из рассмотренных нами групп имеют ряд принципиальных преимуществ, связанных со сравнительно малыми размерами линз, но система Слюсарева представляется все же слишком сложной, а светосила ее недостаточной.
Проведенные предварительные исследования показали, что для хорошего исправления основных аберраций телескопа достаточно корректирующего элемента, состоящего всего из двух разделенных воздушным промежутком линз 2 и 3 (рис. 2), помещенных в сходящемся от главного зеркала 1 пучке лучей. Линза 3 имеет зеркальную заднюю поверхность; отраженный от нее световой пучок проходит, как в рефлекторе Кассегрена, через центральное отверстие в главном зеркале к окуляру 4. Для выяснения возможностей, даваемых выбранной схемой, были выполнены расчеты, которые показали, что можно одновременно исправить в пределах аберраций третьего порядка сферическую аберрацию и кому, а также хроматизм для двух длин волн. Этот результат подтвердил целесообразность выбранной схемы корректирующего элемента, так как для подобного исправления в общем случае требуется как минимум именно четыре преломляющие поверхности с независимой кривизной
С целью анализа путей построения компактных телескопических систем с малым остаточным хроматизмом П.П. Аргуновым были выполнены сравнительные расчеты показавшие следующие результаты:
На рис. 3 дан график, характеризующий остаточный хроматизм положения nSk. Здесь приведены кривые как для комбинаций № 2, 4 и 7 табл. 1, так и для рефракторов с различными объективами: ахроматом Фраунгофера класса Е, полуапохроматом Зоннефельда AS и апохроматом Цейсса класса А. Можно видеть, что даже наиболее простая комбинация № 2 с обычными сортами стекол приближается по совершенству коррекции к апохромату; две же другие значительно превосходят последний. Нужно отметить, что в нашем инструменте остаточный хроматизм имеет обратный знак по сравнению с хроматизмом рефрактора; это благоприятно в отношении использования остаточного хроматизма окуляра для компенсации. корректирующего элемента. Данное обстоятельство во избежание нарушения наглядности сравнения не учтено на рис. 3.
Им было рассмотрено большое число вариантов, различающихся кривизной поверхностей. Сопоставляя их со значениями, определенными по теории аберраций третьего порядка, можно видеть малую точность последней. Очевидно, что ее значение ограничивается предварительным анализом коррекционных возможностей выбранной оптической схемы и примерным подбором ее конструктивных данных.
Исходя из реальных возможностей изготовления опытного образца, была выбрана комбинация стекол ТФЗ, ТК4. На рис. 4 приведена полученная зависимость продольной сферической аберрации dSc от высоты входа луча h для нескольких из рассчитанных вариантов, относящихся к этой комбинации. На графике по осям координат отложены отношения dSc и h соответственно к фокусным расстояниям f и fo. Все кривые относятся к вариантам с исправленной комой и визуально исправленным хроматизмом. Кривизна поверхностей линзы 3 одинакова для всех вариантов: сз =-2.6615, С4=0.2679. Положительная кривизна соответствует вогнутости поверхности в левую сторону на схеме рис. 1. Осевая толщина линзы 2 равна 0.012, линзы 3 - 0.008, расстояние между ними 0.001, расстояние между вершинами линзы 2 и главного зеркала - 0.688. Эквивалентное фокусное расстояние f = 3. сферическая аберрация Как показало исследование, основанное на катадиоптрического телескопа построении каустических поверхностей, наименьшая с различными вариантами величина кружка рассеяния сферической аберрации будет корректирующего элемента, достигнута в случае, если принять радиус входного зрачка равным 0.89 ho, где ho - высота входа луча, соответствующая dSc = 0. На рис. 3 эти высоты для каждого варианта отмечены кружочками.
Зеркально-линзовые системы П.П. Аргунова
Известна, также группа оптических систем кассегреновского типа являющаяся логическим развитием систем Аргунова-Акмех [2,3,4], достоинством которых, как отмечено выше, является сферическая оптика и сравнительно небольшой размер корректирующих линз, а недостатком - большой вторичный спектр, сопоставимый по величине с вторичным спектром рефрактора полу апохромата, и паразитные блики.
К настоящему моменту в группу входят три оптические системы (рис.6), корректор которых по диаметру не превышает трети действующего отверстия и состоит из двух-трех элементов, включающих линзы типа максутовских менисков. Какова логика построения этих систем и в чем их смысл?
Исправление в чисто зеркальной системе Кассегрена сферической аберрации и комы, как известно (системы Ричи-Кретьена с гиперболическими зеркалами), требует асферизации как главного, так и вторичного зеркал. Отказ от асферизации немедленно ставит вопрос о том, где взять два свободных параметра, которыми можно исправить сферическую аберрацию и кому системы?
Учитывая эти недостатки выше аннотированных катодиоптрических систем, Ю.А. Клевцов [6, 9...11] рассмотрел, теоретически обосновал и экспериментально получил другой класс катодиоптрических систем с улучшенными характеристиками. Системы с корректором из разных сортов стекла. Исследование вторичного спектра систем (Рис.6 а.) с близкими по дисперсии стеклами показало (рис.6), что для отражательной линзы можно подобрать марку стекла с близким к стеклу мениска ходом дисперсии. Такую, что появляется возможность компенсации вторичного спектра системы в весьма широкой области длин волн. Но и это еще не все, оказывается, что при особом выборе материала линз, удается исправить как остаточную сферическую аберрацию, так и сферо хроматизм и то же в исключительно широком диапазоне спектра.
Пользуясь разработанной методикой выбора пар стекла [11] Клевцов Ю.А. подобрал для системы с относительным отверстием 1:7 уникальную по хроматическим свойствам пару стекол корректора СТК12 и КФ6, способную обеспечить высокое качество коррекции остаточных аберраций схемы на оси в диапазоне спектра 365-1530 нм при действующем отверстии до 500 мм. Вне оси конечно работать в таком широком диапазоне спектра нельзя: остаточная хроматическая кома и хроматизм увеличения сужают спектральный диапазон до 405-768 нм. Однако, и такой области спектра вполне достаточно для работы телескопа с современными фотоматериалами и ПЗС-матрицами.
Для сопоставления своей системы с зеркальными Клевцов Ю.А. рассчитал другую оптическую систему [10] с действующим отверстием 500 мм (1:6) со стеклами корректора СТК10 и ТК21 для области спектра F-C.
В настоящее время Новосибирским приборостроительным заводом освоен в производстве 200 мм телескоп (1:10) системы Клевцов Ю.А. с одинаковым материалом линз корректора. Начат выпуск таких телескопов малыми сериями рис.7.
Однако применение вышеописанных оптических схем зеркально-линзовых телескопов возможно лишь для спутниковых систем средних спутников (1000 - 1500 кг) и малых спутников (500 - 1000 кг). Для выбора схемных решений для разведывательных спутников меньшего класса необходимо обратиться к задаче построения чисто зеркальных апланатических систем. Этот выбор обусловливается возможностью существенного уменьшения веса оптических блоков систем наблюдения моно диапазонного типа, и, кроме того, возможностью построения на их базе комплексированных много спектральных систем наблюдения.
Интерес к построению зеркальных оптических систем не ослабевал на протяжении всех периодов развития оптики. Зеркальные элементы обнаруживаются в раскопках ранних цивилизаций как зажигательные элементы, концентрирующие солнечное излучение. С развитием телескопостроения и установлением Исааком Ньютоном того факта, что хроматические аберрации во много раз превышают сферические аберрации (а как известно зеркальные объективы не создают хроматических аберраций) в оптическом приборостроении постоянно ведутся поиски путей решения дилеммы «высокая светосила - слишком малое поле зрения систем». Второй проблемой построения приемлемых катодиоптрических схем является центральное виньетирование светового потока. Но и этот недостаток, как оказалось [7], можно обратить в существенное достоинство.
Сравнение известных схемных решений с классическими схемами Кассегрена [5], Шмидта, Шварцшильда, Кретьена, Прихта, Максутова и других авторов - предлагавших для исправления комы строить рефлекторы с двумя или тремя зеркалами позволили выработать требования по построению высокотехнологичного объектива согласующегося с современными многоэлементными кремниевыми ПЗС матрицами.
При первом рассмотрении И. Ньютоном оптических систем с главным зеркалом сферической формы было доказано, что однозеркальные схемы будут всегда иметь сферические аберрации. Все последующие годы оптики искали конструктивные решения по введению в отраженные потоки от главного зеркала линзовых или зеркальных корректоров.
В двух зеркальных системах с исправленной сферической аберрацией поле зрения ограничено в первую очередь комой; астигматизм играет второстепенную роль. При дальнейшем рассмотрении главным зеркалом будем называть первое по ходу луча зеркало; второе будем называть вторичным зеркалом или корректором. Системы с анаберрационной коррекцией, т.е. оптические системы, формирующие безаберрационную коррекцию потока излучения поступающего на главное зеркало в фокусе на оптической оси.
В соответствии с подходом Г.М. Попова [5] рассмотрим общие принципы описания двух-зеркальных систем. Поместим начало декартовой системы координат (х,у) и полюс
Предфокальная система из двух зеркал кассегреновского типа; М— нейтральная точкаполярной системы (р, о ) в фокусе F системы; угол а отсчитывается от оси х по часовой стрелке для предфокальной системы и против часовой стрелки для зафокальной системы; границы изменения а — от 0 до 180.
Заметим, что q 0, если фокус F находится справа от главного зеркала, и q 0, если он расположен слева; d 0 всегда (рис.1). Примем Р = 1; тогда получим у = sincr + (cr )sincr . (1)
Принцип Ферма позволяет написать условие получения безаберрационного изображения на оси x4:l + p = i2d, (2) где х — абсцисса точки пересечения А луча с главным зеркалом, / =АВ, р — расстояние от точки пересечения луча со вторичным зеркалом до фокуса F1 системы.
Г.М. Попов при описании способов построения анаберрационных систем из двух зеркал рассматривает только случай, когда предмет находится в бесконечности, (т.е. описывает аналитические способы построения анаберрационных и апланатических телескопов). Из геометрических построений по вышеописанной схеме Г.М. Попов образует систему из восьми дифференциальных уравнений, описывающих конструктивные элементы оптической системы. Эта система уравнений учитывает отступление от условий синусов (для частного случая), общий принцип Ферма для построения анаберрационных поверхностей и дифференциальный метод определения касательной кривой, заданной в полярных координатах.
Описание программы расчета двух-зеркальных оптических систем..
По результатам патентно-библиографических исследований, изложенным в разделах 2.1 ... 2.5 в диссертационной работе были предусмотрены работы по выработке предложений по совершенствованию программы расчета фокусирующих оптических систем, разработанной А.С. Поповым [1]. Им написана и отлажена подпрограмма расчета двух зеркальных систем, построенных на двух зеркальных элементах в соответствии с Патентом № №2155979.
Программа позволяет осуществить трассировку геометрического хода лучей с отражениями от главного зеркала как в режиме однократных, так и в режиме многократных отражений. Далее геометрический ход лучей направляется на асферические контр-отражатели (анаберрационные корректоры), форма которых определяется как объемная фигура вращения плоских кривых, задаваемых точными параметрическими уравнениями (8... 10), Раздела 2.4. в соответствии с Патентом № №2155979.
В качестве исходных параметров в подпрограмме используются: -радиус главного сферического зеркала -координата Хим. — источника излучения, которая варьируется в пределах Хии,є[-со...0... + со] -координата Хпм - плоскости изображения, которая также может варьироваться в пределах Х„и є[-со...0... + со] -эксцентриситет (постоянная С, обеспечивающая возможность выбора любой конструктивно пригодной конфигурации контр отражателя) Во всех выбранных вариантах систем автоматически обеспечивается условие анаберрционной фокусировки на оси (в точке у=0, х=Хпм).
Постановка задачи выбора из бесконечного числа возможных анаберрационных корректоров- корректоров с требуемыми апланатическими характеристиками по утверждению авторов может быть решена с привлечением критериев Девила и Сахи [2], которые в частном случае при /о =1 имеет вид 2g— у- (13) i+/VT где t- параметр, определяющий величину комы, о - последний угол (половинный угол встречи крайних лучей в точке Хю). При t=0 это выражение принимает вид г У = 2 tg — (14)
Из бесконечного числа анаберрационных корректоров (для заданных параметров) подпрограмма должна была обеспечивать возможность выбора апланатических систем (т. е. систем обеспечивающих создание изображения с заданными пределами изображения) и оценивать качество по стандартным тестам программы VOB.
Трассировки лучей для различных двух зеркальных систем с однократным отражением и ЗБ-объемное представление взаимного расположения главного сферического зеркала и анаберрационных корректоров были приведены ранее в табл. 15.
Примечание: Объемное представление корректоров и главного зеркала выполнены в усовершенствованной программе VOB.
В программе VOB А. С. Поповым, также выполнен пример расчета фокусаторов на асферических элементах (Рис. 9.)
В качестве примера на рис. 9. представлен ход лучей и основные таблицы оптического выпуска фокусирующей системы на плоско-гиперболической линзе. VOB ++ - VOB с синтезом изображения от испытательных объектов, мультипликация с трассировкой лучей в оптической системе. VOB PRO + Plug-in - VOB PRO с добавлением растровых оптических элементов В программе используется последовательный способ задания поверхностей оптической системы в таблице параметров. Трассировка лучей, так же - последовательная. Программа имеет - 2-х и 3-х мерные отображения конструкции оптической системы и лучей
Программа имеет дружественный пользовательский интерфейс, позволяющий достаточно легко осуществить ввод сложных оптических систем. Редактирование системы может осуществляться в табличном виде и непосредственно на экране монитора с использованием манипулятора "мышь".
В ходе анализа рассматривались варианты построения короткофокусных систем, которые бы могли конкурировать с длиннофокусными объективами.
Однако как показали результаты расчета и моделирования зеркальных систем с анаберрационными корректорами, выполненными по формулам (8 и 10.) схемные решения обеспечивали возможность построения компактных и сверх светосильных оптических систем, но они не обеспечивали приемлемые поля зрения для создания разведывательных систем. В частности был рассмотрен вариант сверх-светосильной системы с главным зеркалом выполненным в виде глубокого сегмента выпуклой сферы. Контр-отражательный корректор в этой схеме выполнен в виде внешней анаберрационной поверхности, как это представлено на Рис. 10 и в Табл. 16.
Автором диссертационной работы на основе публикаций [3.. .9] были сделаны предложения по использованию этого схемного решения с учетом предложенной технологии для ее использования в качестве концентраторов энергии для технологических лазеров ( =3,2...14 мкм) [11].
Автором диссертации также предложено ввести в существующую расчетную программу режим оптимизации исправления найденного анаберрационного корректора до корректора с заданным апланатизмом.
Нахождение численных значений параметров системы может быть осуществлено двумя принципиально различными путями [3]. Во-первых, могут использоваться методы универсального характера, основанные на различных способах постепенных приближений и применимые к системам любого типа и любой степени сложности. Такие методы, хорошо известные и при неавтоматическом выполнении работ, носят название методов проб. При использовании таких методов необходимо иметь некоторые числовые значение конструктивных параметров оптической системы, принимаемой за исходную. Эти значение могут быть выбраны более или менее произвольно, либо определены на основании предварительных расчетов, например расчетов в области аберраций третьего порядка. Во-вторых, могут использоваться методы, основанные на решении систем уравнений, связывающих конструктивные параметры системы с аберрацией. Такого рода уравнения удается составить, к сожалению, только для области третьих порядков и далеко не для всех систем. Поэтому такие методы применимы для сравнительно небольшого круга задач. На практике чаще всего используется сочетание методов первой и второй групп. Среди автоматических методов расчета методы первой группы занимают ведущее место.
Также, в программах универсального характера, предназначенных для расчета оптических систем любых типов, используются методы, которые при неавтоматическом выполнении работ не применяются. Это объясняется тем, что действия конструктора, рассчитывающего методом проб сложную оптическую систему, зачастую основывается на личном опыте и интуиции, и поэтому не поддаются формализации. Методы, используемые при автоматическом выполнении аналогичной работы, требуют значительно большего объема вычислений. Выигрыш от их применения достигается только благодаря высокой скорости работы ЭВМ.
Существующие методы автоматического расчета являются по сути дела развитием традиционного метода проб. Напомним сущность этого метода. В некоторую исходную оптическую систему, заданную численными значениями конструктивных параметров, последовательно вносятся некоторые изменения, в результате чего-либо находят значение параметров, при которых система отвечает поставленным требованиям, либо устанавливают, что данный тип оптической системы непригоден для решения задачи. Изменения конструктивных параметров вносятся в оптическую систему на основании изучения таблицы влияния изменений параметров на аберрации и другие величины, характеризующие свойства оптической системы.
Расчет двухзеркального объектива при его сочленении со сферической приемной ПЗС матрицей
Способ создания семейства универсальных объективов для малогабаритных комплексированных систем наблюдения и прицеливания, основанный на принципе раздельного приема излучений в каналах обнаружения и распознавания (прицеливания), при котором объектив канала обнаружения размещается внутри теневой зоны объектива канала распознавания, отличающийся тем, что теневая зона для объектива канала обнаружения формируется в пустотелой области переноса потока излучения двухзеркальным объективом канала распознавания, выполненным в виде кольцевого сегмента главного зеркала с выпуклой асферической поверхностью, а его корректор представляет собой внешний кольцевой сегмент со сферическим профилем, которые в сборке формируют апланатический узкопольный прием излучения на матричные приемники излучения под большими углами (числовая апертура 0,5); в свою очередь, объектив канала обнаружения может быть выбран любым, удовлетворяющим требованиям по энергетическим и массогабаритным характеристикам с соблюдением условий, при которых диаметр его первой линзы с оправами не должен превышать внутреннего диаметра кольцевого сегмента главного зеркала объектива канала распознавания (прицеливания), при этом задний отрезок объектива канала обнаружения должен обеспечивать возможность размещения электро-механического барабана с круговыми и кольцевыми диафрагмами, так же как, и наклонными зеркалами, обеспечивающими разнесения потоков излучения по матрицам приемников излучения, размещаемым в пространстве формирования изображений.
1. Схемные решение по способу создания универсальных объективов [1 ] для построения приемных устройств комплексированных систем наблюдения, слежения, распознавания и прицеливания открывают возможность оснащения всех мини-, микро-, нано- и пикоспутников оптическими комплексами.
2. Особая компактная конструкция универсальных объективов состоит из несущей конструкции двух-зеркальных светосильных объективов канала распознавания в теневую полость которых размещаются различные широкоугольные и вариообъективы каналов обнаружения и слежения за целями.
3. В силу того, что в объективе канала распознавания используется кольцевой сегмент глубокой вогнутой сферы, эта особенность конструкции объектива позволяет объединять профиль зеркального корректора с несущей конструкцией спутников, которые предпочтительно выполнять в виде шаровой.
4. Защитное окно универсальных объективов, так же может быть выполнено сферической формы, гармонически продолжающей конструкцию корректора зеркального объектива канала распознавания или что, то же самое, внешнюю конструкции малого спутника.
5. Как отмечалось в главе 3, общий объем универсального объектива не превысит 1/8 общего объема шаровой конструкции малых спутников, что обеспечивает возможность в оставшиеся части спутника - шара размещать силовые, гиростабилизационные, навигационное и приемо-передающее оборудование.
6. Высокое качество вариообъективов видимого ИК каналов, УФ канала возможность построения высококачественного вариообъектива на область спектра 3...5 мкм (имеется аналог разработки фирмы Thales Optics) и самое главное — сверхвысокое качество канала распознавания при высоком относительном отверстии Оэфф// = 1/0,8, позволяют утверждать, что диссертантом найдена общая компоновка универсальных объективов на основании заявки на патент РФ исх. №БОИП/22 от 18.06.2003, которая позволяет обеспечить создание типоряда приемных систем разведки, обнаружения локальных объектов экологических бедствий, спектрометрического контроля земной поверхности и атмосферы.
7. Наличие в составе универсального объектива вариообъективов с широкими диапазонами перестройки углов наблюдения позволяют дополнительно решать задачи астроориентации и дистанционного осмотра внешнего вида космических станций, больших и средних спутников. Для решения этих задач несущие малые спутники должны обеспечивать возможность наведения объектива (его защитного окна) в заданную область 3D пространства в процессе его перемещения по орбите Земли.
Не вызывает сомнения необходимость использования нано- и пико- спутников для отработки новых технологий и проведения экспериментов в космосе. В частности, пико-спутники с миниатюрными камерами использовались в качестве спутников-инспекторов для съемки внешних конструктивных элементов пилотируемых станций и кораблей.
Все вышесказанное делает чрезвычайно актуальной задачу анализа возможных схемных решений для создания аппаратуры на спутники такого класса и, самое главное -технологической проработки возможности реализации этих решений оптической промышленностью.
Насущные задачи и тенденции развития спутниковых конструкций малых спутников требуют новых подходов к созданию оптических бортовых комплексов. Традиционная тенденция создания спутниковых зеркальных систем с фокусным растоянием до 10 м и более абсолютно не согласуется с тенденцией последовательного уменьшения размеров спутников от метровых до нанометровых размеров.
Создание универсальных объективов с двумя каналами обнаружения и распознавания с безпараллаксным осмотром, обеспечит решение многих задач возлагаемых на малые спутники.
Сверхвысокое разрешение двухзеркального канала распознавания D /f = 1/0,8, сочленяемого с матрицами большего числа элементов разрешения 1000x1000 эл. позволяет разорвать противоречивые требования: малые габариты спутников большое разрешение каналов распознавания
В диссертационной работе, обоснована идеология построения, разработаны требования и даны технические предложения по созданию нового класса приборов аэрокосмического наблюдения, устанавливаемых на малогабаритные носители аппаратуры. Выполнены: аналитический обзор по техническим и экономическим предпосылкам, обеспечивающим актуальность создания аппаратуры наблюдения и измерения характеристик излучения земной и водной поверхностей, а, также, оптических данных по космическим объектам наблюдения, аналитический обзор по техническим решениям, обеспечивающим возможность создания аппаратуры наблюдения, устанавливаемой на малые космические спутники Земли - приведены расчеты и технологический анализ компоновок элементов конструкций двух- зеркального объектива канала распознавания и технические предложения по построению универсальных объективов для комплексированных систем, - даны технические и технологические предложения, обеспечивающие возможность применения новых решений по созданию сверх малогабаритных особо светосильных оптических систем наблюдения.
Сущность предложений состоит в создании малогабаритных комплексированных систем работающих с одной или несколькими 2/3 дюймовыми ПЗС матрицами, с широким диапазоном длин волн (от 0,2 до 1,1 мкм). Поставленные цели достигаются путем размещения различных вариообъективов в диапазонах длин волн 0,23...0,4 мкм /0,4...1,1 мкм /3...5 мкм в теневой зоне двухзеркальных объективов канала распознавания.
В диссертации приведены расчеты и конечные результаты по объективу распознавания и двум вариантам вариообъективов на области спектра УФ и видимая -ИК.
