Автореферат (1025531), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Диссертация состоит из введения, пятиглав, общих выводов и списка литературы, содержащего 155 наименований.Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 62рисунка и 17 таблиц.2. Содержание работыВо введении показана актуальность темы диссертации, сформулированыцель и задачи, определены научная новизна и практическая ценность работы,3изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.Первая глава посвящена обзору и анализу современной и перспективнойГСА ДЗЗ.
Показано, что во многих странах предпринимаются усилия посозданию новой ГСА ДЗЗ с высокими оптическими характеристиками, а такжемалыми габаритами и массой для установки на МКА. С этой целью былиразработаны принципиально новые схемные и технические решения, однакоотсутствие, либо несовершенство технологий изготовления, юстировки иконтроля привело к задержкам производства и запуска в космос новойгиперспектральной аппаратуры на десять и более лет. Обнаружено, что внастоящее время все большее применение находят зеркальные и зеркальнолинзовые оптические схемы, некоторые из них, например схема Оффнера,хорошо изучены и применяются чаще всего, однако большинство изучены малои в единичных случаях применяются при проектировании гиперспектральнойаппаратуры.Во второй главе предложена и исследована оптическая схема зеркальногоавтоколлимационного спектрометра на основе трехзеркального объектива,представляющая особый интерес с точки зрения обеспечения компактности икоррекции аберраций (Рисунок 1).Рисунок 1.
Оптическая схема зеркального автоколлимационного спектрометраВ литературе известно использование трехзеркальных объективов сэксцентрично расположенным полем изображения в оптических системахспектрометров. Однако отсутствие методик рационального выбораконструктивных параметров объектива и коррекции аберраций в целом, непозволило авторам исправить кривизну спектральных линий менее чем до 1,39мм, что неприемлемо при использовании матричных приемников. Из-за этогосхема зеркального автоколлимационного спектрометра в настоящее время неиспользуется для создания ГСА.Исследованы варианты диспергирующего устройства (УД) спектрометрана основе призменных систем с отдельным зеркалом или зеркальной последнейгранью и дифракционных решеток.4Простейшим вариантом призменного УД для автоколлимационногоспектрометра является автоколлимационная одиночная призма.
В качествеавтоколлимационного устройства используется зеркальное покрытие,нанесенное на заднюю грань призмы. Для некоторой длины волны λ призмабудет находиться в положении минимума отклонения. Прямая входная щельспектрометра при этом изображается в виде дуги с уравнением:1x 2 n − ξ линn(1)y ( x) = dn ,2f ′ ⋅2dλгде x – координата вдоль входной щели, ξ лин – линейная дисперсия.Воспользовавшись формулой (1), задав удовлетворительные значениястрелки прогиба и линейной дисперсии, можно найти фокусное расстояниеобъектива спектрометра.
С точки зрения конструктивных параметров,одиночная призма полностью описывается величиной преломляющего угла Апри вершине и углом падения лучей на первую поверхность:A 1sin = sin α 0 ,(2)2 ny⋅ f ′tgα 0 =(3)1 .2x ⋅ (1 − 2 )nФормулами (1-3) можно пользоваться для предварительных расчетовосновных характеристик и конструктивных параметров, учитывая, что призмаустанавливается максимально близко к положению минимума отклонения дляснижения потерь на отражение и уменьшения габаритов объектива испектрометра.В схемах УД ГСА могут использоваться различные типы призменныхсистем: одно-, двух- и много призменные, а также с двойным прохождениемлучей. При автоколлимационной схеме спектрометра (Рисунок 2) в системеприсутствует плоское зеркало, либо отдельно стоящее, либо в виде нанесенногона последней поверхности призменной системы зеркального покрытия.Рисунок 2.
Схема автоколлимационного спектрометра с призменным УД5При проектировании таких УД производится расчет хода лучей через всюсистему. Направляющий вектор пучка лучей от произвольной точки входнойщели на входе призменной системы и вектор нормали Ni к поверхности разделасред призмы имеют координаты: sin χ 0 Aвх = 0 , N i = − sin qi , cos χ cos q i гдеtgχ =−x,f′x – координата луча на входной щели, qi – угол наклонаплоскости раздела сред.Координаты (X, Y) пересечения луча с плоскостью изображениявычисляются по формуламAвых ( y )A ( x)X = f ′ ⋅ вых, Y = f ′⋅,Aвых ( z )Aвых ( z )зная которые достаточно произвести расчет нескольких лучей, чтобывычислить искажения, вносимые УД в конечное изображение.Для повышения быстродействия и обеспечения минимального наборатребований необходимо выполнить расчет векторов Aцентр λM , Aцентр λM −δλ ,Aцентр λср , Aцентр λср +δλ , Aцентр λm и Aцентр λm +δλ для вычисления спектральногоразрешения у границ и посередине спектрального диапазона, и дополнительноеще векторов Aкрай λm , Aкрай λср и Aкрай λM для оценки величины дисторсииспектральных линий.
При решении обратной задачи формируется наборкомбинаций марок стекол, определяют допустимые соотношения междувекторами исходя из заданных требований к спектрометру и рассчитываютуглы наклона поверхностей раздела сред qi для каждой комбинации, с учетомконструктивных ограничений.
Затем из них выбирают оптимальный вариант покритерию минимального угла наклона первой поверхности q1.Рассмотрен случай, когда в спектрометре в качестве диспергирующегоустройства используется эшелетт. С целью минимизации габаритовспектрометра примем условие, что угол падения и угол дифракции эшелетта надлине волны «блеска» равны. Задавшись требованием по допустимомузначению стрелки прогиба, можно оценить фокусное расстояние объективаспектрометраz 2 λблξ линf′=,2∆y′где z – координата предметной точки вдоль спектральной линии, ∆y′ –величина стрелки прогиба спектральной линии, λбл – длина волны «блеска».Число штрихов на единицу длины решетки вычисляется по формулеN≈6ξ линf′.Окончательное определение конструктивных параметров УД происходитпри совместной оптимизации с объективом в составе спектрометра.
Такимобразом, получены формулы, по которым определяются исходные параметрыУД и объектива спектрометра для дальнейшего расчета.Для формирования изображения в спектрометре применяетсятрехзеркальный объектив с эксцентрично расположенным полем изображения.Эквивалентная схема объектива приведена на Рисунке 3.Рисунок 3. Эквивалентная оптическая схема объективаПроизведен расчет данной схемы на основе теории аберраций третьихпорядков.
На начальном этапе расчета принято, что первое и третье зеркаланаходятся на одинаковом расстоянии от второго зеркала, то есть d 1 = − d 2 = − d .Выведенызависимостимежду параметрамипервогоивтороговспомогательных лучей и радиусами и толщинами ОС:d r12dH1 =h2 = 1 +,,r1r1 + 2d2 2 4dα3 = − +,r2 r1 r1r2r3 =4d 2d 4d 2h3 = 1 +−−,r1r2r1r22h3r r + 4d r2 − 2d r1 − 4d 2=2 12,α3 − 14d + 2r1 − 2r2 − r1r2H3 = −d r1.r1 + 2dгде α k , β k , hk , H k - углы и высоты первого и второго вспомогательных лучейдля приведенной к f ʹ = −1 системы.Использование асферических поверхностей (АП) на зеркалах объективапредоставляет дополнительный набор варьируемых параметров для коррекцииаберраций.
Проведен анализ влияния введения асферики второго порядка накаждой поверхности объектива. Показано, что введение АП на второйповерхности малоэффективно из-за ограниченных возможностей коррекции7аберраций. Комбинация АП на первой и третьей поверхностях эффективна длякоррекции сферической аберрации, комы, астигматизма и дисторсии.Составив уравнения сумм аберраций третьих порядков, вычисляютсяприведенныеконструктивныепараметрыобъектива.Полученныеконструктивные параметры пересчитываются и оптимизируются дляконкретных значений фокусного расстояния и углового поля объектива.В оптических системах с эксцентрично расположенным полемизображения объектив работает краем поля, поэтому изображение строится впределах некоторой кольцевой области.
Согласно схеме на Рисунке 4 в системес кольцевым полем имеем вписанное прямоугольное поле с размерами а × в.Минимальный и максимальный рабочие углы поля объектива по схеме будутсоответственно ω1 и ω3 .Рисунок 4. Схема углового и линейного поля объективаСделан расчет углового поля объектива, получены уравнения:вtgω 2 =+ tgω1 ,f′1 a2tgω3 =+ в 2 + 2 f ′ в tgω1 + ( f ′ tgω1 ) 2 .f′ 4Минимальный рабочий угол поля объектива ω1 определяется по формуле:D r1 + dtgω1 =⋅,2d r1 − s pгде D – диаметр входного зрачка, sp – расстояние от вершины первого зеркаладо входного зрачка.8Методика габаритного и аберрационного расчетов зеркального объектива сэксцентрично расположенным полем изображения может быть использованадля разработки входного объектива ГСА.
При расчете оптической системызеркального автоколлимационного спектрометра окончательная оптимизацияобъектива производится совместно с диспергирующим устройством.Таким образом, разработана методика расчета конструктивных параметровоптических систем зеркального автоколлимационного спектрометра изеркального объектива с эксцентрично расположенным полем изображения соптимальнымвыборомасферическихповерхностей,формирующихвысококачественное изображение для гиперспектральной аппаратуры.В третьей главе изложена методика юстировки и контроля зеркальногоавтоколлимационного спектрометра.
Первый этап – юстировка объективаспектрометра. Юстировка положения зеркал объектива осуществляется спомощью интерферометра, путем его точного позиционирования в базовойсистеме координат сборки с погрешностью не более 1 мкм. Зеркала объективаюстируют на основе анализа интерференционной картины, получаемойинтерферометром в автоколлимационных схемах контроля. Сначалавыставляют и фиксируют положение первого и третьего зеркал, затемюстируют второе зеркало.Дополнительно тонкая юстировка второго зеркала осуществляется, принеобходимости, в процессе контроля качества объектива по анализуформируемого изображения. На Рисунке 5 представлена схема контролязеркальных объективов с эксцентрично расположенным полем, в которойколлиматор и объектив при контроле на крайних углах поля остаютсянеподвижными, исключая ошибки механических перемещений.Рисунок 5. Схема контроля зеркального объектива с эксцентричнорасположенным полем изображения9В схеме используются два плоских поворотных зеркала междуколлиматором и объективом – одно зеркало уводит, а второе возвращает пучокколлимированных лучей в центр входного зрачка контролируемого объективапод необходимым углом.
В исходном положении зеркала стоят вертикально сразворотом вокруг вертикальной оси на углы φ1 и φ2. Произведен расчет пучкалучей через систему зеркал с заданными угловыми координатами на входе вобъектив и выведены формулы расчета углов разворота плоских зеркал (α1, β1)и (α2, β2): cos ω1 sin(ψ 1 + 2ϕ1 ) − ϕ1 ,α 1 = −arctg − cos ω1 cos(ψ 1 + 2ϕ1 ) − 1 sin ω1, 2 + 2 cos ω cos(ψ + 2ϕ ) 111 β1 = arcsin − cos ω 2 sin(ψ 2 − 2ϕ1 + 2ϕ 2 ) − cos ω1 sin(ψ 1 + 2ϕ1 ) − ϕ 2 ,ωψϕϕωψϕcoscos(−2+2)+coscos(+2)2212111 α 2 = −arctg sin ω 2 − sin ω1, 2 − 2 sin ω sin ω + 2 cos ω cos ω cos(ψ − ψ + 4ϕ − 2ϕ ) 12121212 где (ψ1, ω1) – углы разворота пучка лучей от начального положения послеотражения от первого поворотного зеркала, (ψ2, ω2) – углы разворота пучкалучей от начального положения на выходе системы зеркал, которыесоответствуют задаваемым значениям поля контролируемого объектива.С использованием современных прецизионных углоизмерительныхприборов углы (α1, β1) и (α2, β2) контролируются с погрешностью не более 0,5угл.с., при этом общая погрешность задания угловых координат во входномзрачке объектива составит не более 2 угл.с.Второй этап – юстировка приемника и диспергирующего устройства.Юстировка положения приемника осуществляется по анализу изображения,формируемого на фоточувствительной поверхности, засвечивая входную щельмонохроматическим источником на нескольких длинах волн, распределенныхпо рабочему спектральному диапазону, выставлением монохроматическихлиний заданных длин волн на требуемые расчетные номера строк (Рисунок 6).β 2 = arcsin Рисунок 6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
