Проблемы создания и юстировки оптических систем в многоспектральных оптико-электронных комплексах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ И ЮСТИРОВКИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПЛЕКСАХ

Архипова Л.Н., Ершов А.Г., Иозеп Е.А., Мирзоева Л.А.

«ГОИ им. С И. Вавилова», Санкт-Петербург

Многоспектральные оптико-электронных комплексы широко используются во всех средах: на земле, на воде, в воздухе и в космосе. В современных наземных системах мониторинга околоземного пространства, расположенные на земле используются как многопунктовые, когда приёмные системы разнесены от локационных (лазерных) систем, так и однопунктовые, когда пассивные и активные системы совмещены в одной установке. Такие стационарные системы нужны как для наблюдения за воздушными объектами (самолёты, беспилотные летательные аппараты) [1], так и за космическими (спутники, ракеты) [2]. Одной из особенностей наземных стационарных комплексов является отсутствие влияния вибраций носителя. Для оптико-электронных комплексов на подвижном носителе (автомобиль, поезд, корабль, самолёт) вибрации и качка от передвижения и от двигателей носителя приводят к необходимости введения в оптико-электронный комплекс системы стабилизации линии визирования. В меньшей степени влиянию вибрации и качки носителя подвержены оптико-электронные комплексы космического базирования. Многоспектральность оптико-электронных комплексов вызвана необходимостью наблюдения объектов в различных диапазонах спектра (ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном). Это позволяет выделять дополнительные признаки с целью идентификации объекта и получения дополнительной информации о его свойствах. При разработке многоспектральных ОЭП необходимо решить значительное количество задач, зачастую с противоречивыми требованиями, как в области расчёта, так и в проектировании конструкции, технологии изготовления, сборки и юстировки. Кратко перечислим основные проблемы: - оптимизация аберраций для единого входного зрачка для широкого спектрального интервала при ограниченном выборе оптического материала, - сопряжение выходного зрачка ИК-объектива с плоскостью охлаждаемой диафрагмы ИК-ФПУ с целью минимизации фоновой засветки, - выбор конструкционных материалов для обеспечения стабильности системы в широком температурном диапазоне. Вследствие отсутствия измеренных термооптических характеристик материалов, в случае линзовой оптики, возникает проблема непредсказуемости поведения и влияния на качество оптической системы. - изготовление оптических деталей, особенно асферических (осесимметричных и внеосевых) с требуемой точностью формы для обеспечения конечного качества оптической системы, также представляет сложную технологическую задачу. В оптической системе, содержащей более десяти компонентов, для обеспечения требуемой концентрации энергии в кружке рассеивания не менее чем, на 10% от расчётного, необходимо, чтобы СКО волнового фронта было бы не более чем 0,03 от контрольной длины волны при конечном требовании 0,1. - точное формирование асферических оптических поверхностей различных порядков, а также «free-form» неразрывно связано с расчётом и изготовлением схем контроля, допуски на взаимное расположение и форму оптических поверхностей, в которых на порядок выше, чем в контролируемой поверхности. Отдельного внимания требуют схемы с синтезированными голограммными компонентами, где допуски на взаимное расположение могут достигать 1-2 микрометра, а на топологию голограмм - сотых долей микрометра, что требует разработки и изготовления специального оборудования, - расчёт и изготовление многослойных (до нескольких сотен) интерференционных покрытий с высокой механической прочностью в широком спектральном диапазоне и требуемыми фотометрическими характеристиками. Основное требование, предъявляемое к ОЭП авиационного базирования, это оптимизация массо-габаритных характеристик при сохранении функциональности всего комплекса при работе в температурном диапазоне от -40…-50 до +50…+60 С. Это требование приводит к тщательному выбору конструкционных материалов, из которых должны быть изготовлены оптические детали и конструкция ОЭП в целом. Например, при выборе материала для главного зеркала (световой диаметр 2,7 м, 1:1,3) объектива проекта SOFIA [3], внимание специалистов было сфокусировано на карбиде кремния и на церодуре. Окончательный выбор пал на церодур, как материал с минимальным коэффициентом температурного расширения и с отработанной технологией изготовления. Вторичное зеркало для SOFIA было изготовлено из карбида кремния. При изготовлении отечественных оптико-электронных комплексов авиационного и космического базирования, этот материал рассматривается как основной, ввиду его высокого отношения модуля упругости к плотности (E/г=12,6Ч10⁶м) и минимальному отношению линейного коэффициента термического расширения к теплопроводности (б/л=1,3Ч10^-8м/Вт) [4]. Проблемы изготовления крупногабаритных заготовок (около 1 м в диаметре) из карбида кремния, проблемы асферизации оптических поверхностей и требование компактности оптической системы приводит к более крутым зеркалам и к большим отступлениям от ближайшей сферы. Проблема изготовления формы оптических поверхностей органически связана с микроструктурой данной поверхности, которая описывается двунаправленной функцией распределения рассеивания (BSDF), принятой в англоязычной технической литературе, или коэффициентом яркости, традиционным для русской оптической литературы. Эта функция, заложенная в модель оптической системы, позволяет рассчитать в известных оптических программах методом трассировки лучей фоновую засветку в фокальной плоскости (на МФПУ) и спрогнозировать ухудшения качества изображения или отношения сигнал/шум. Для этого необходимо знать измеренные значения шероховатости (RMS), полного интегрального рассеивания (TIS) или BSDF. Измерение этих величин на крупногабаритных зеркалах при значении RMS менее 20Е несёт определённые трудности: 1.необходима уверенность, что измеренные значения можно экстраполировать на всю поверхность зеркала; 2.необходимо иметь высокочувствительное, метрологически аттестованное, фотометрическое оборудование; 3.необходимо обладать опытом и навыками для интерпретации полученных результатов. Ухудшение качества изображения или отношения сигнал/шум также зависит от ошибок при изготовлении формы оптических поверхностей. Интерферограммы, полученные при контроле асферических поверхностей зависят также от качества изготовленных оптических компенсаторов и юстировки контрольной установки. По своей сути эта контрольная установка представляет собой более высокоточную оптическую систему, чем контролируемая асферическая поверхность. Допуски на форму волнового фронта могут достигать 1/20 от контрольной длины волны, которые не всегда могут быть выдержаны при производстве. Тогда возникает вопрос о возможности отступления от требований. Обработанная интерферограмма даёт топологию оптической поверхности, которая, в свою очередь, может быть описана с помощью полиномов Цернике. В компьютерной модели оптической системы полиномы Цернике накладываются на идеальную оптическую поверхность. К этим ошибкам добавляют возможные децентрировки и наклоны оптических поверхностей. Если заложить перечисленные ошибки в компьютерную модель оптической системы, то можно в результате моделирования определить падение концентрации энергии в пятне рассеивания в плоскости наилучшей установки, в сравнении с идеальной системой. Выбор критерия качества и бюджетирование вышеуказанных ошибок должны сопровождать весь технологический цикл от изготовления оптических деталей до процесса юстировки. Однако критерий качества оптической системы не является главенствующим, так как далее следует обработка пятна рассеивания МФПУ с привязкой к системе стабилизации линии визирования, которая включает электронные блоки обработки, механические системы и датчики положения приводов зеркал стабилизации и коллиматора стабилизации. По типу компоновки многоспектральных оптико-электронных приборов (ОЭП) условно можно выделить два класса: многоапертурные многоспектральные ОЭП, одноапертурные многоспектральные ОЭП, в которых деление по спектральным каналам происходит внутри прибора (рис.1).

Рис. 1. Пример многоапертурного ОЭП (слева) и одноапертурного (справа).

Первый класс представлен в основном приборами специального гражданского и военного назначения. Например, на рис.1 (слева) представлена мобильная однопунктовая система для внешнетраекторных измерений «Сажень-ТА» производства научно-производственной корпорации «СИСТЕМЫ ПРЕЦИЗИОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ» [1], а справа представлена оптическая схема авиационный телескопа «SOFIA» [3], которая представляет второй класс, в состав которого входят различные разновидности научных приборов. На рис.2 представлен один из вариантов оптической системы для самолётного многоспектрального оптико-электронного комплекса для прецизионного наведения линии визирования разработки ОАО «ГОИ им. С.И. Вавилова». Работоспособность данной системы на самолёте, который испытывает разнообразные угловые перемещения и вибрации, требует наличия автоматической системы стабилизации линии визирования. Оптимальным решением в нашем случае является стабилизация с помощью системы, состоящей из коллиматора стабилизации, двух плоских зеркал и многоэлементного фотоприёмного устройства с высокой частотой обработки кадров. На входе оптической системы расположен телескоп с относительно большим (0,5…1 м) входным зрачком (4), а далее деление происходит на отдельные спектральные каналы, оснащённые каждый своей оптической системой (9, 10). Излучение от коллиматора стабилизации (КС) (1), при помощи зеркально-призменного мостика, представляющего уголковый отражатель с боковым переносом (2) направляется на вход главного телескопа (3), а далее на зеркала стабилизации (4,5), которые оснащены приводами, управляемые системой стабилизации положения линии визирования. Спектроделитель (6) разделяет инфракрасное излучение, проходящее через фокусирующий объектив (9) и воспринимаемое ИК приёмником (10) и излучение видимого диапазона, отклоняемое зеркалом (7) и падающее на объектив видимого канала (8) и воспринимаемое матричным фотоприёмным устройством (МФПУ) (11).

Рис.2. Пример оптической системы гибридного класса ОЭП авиационного базирования.

многоспектральный оптический электронный юстировка

Параллельный пучок света, исходящий от КС, в фокальной плоскости которого находится светодиод, проходя последовательно через тот же оптический тракт, что и излучение, полностью заполняющее апертуру телескопа (4), разделяется светоделительной призмой (12) и направляется на МФПУ (13) обладающее высокой частотой кадров (до нескольких тысяч кадров в секунду). Обработка этих кадров в реальном времени позволяет управлять зеркалами стабилизации (4) и (5) для обеспечения неподвижности изображения на МФПУ (11). Такую относительно сложную систему можно разделить на отдельные узлы, создание и юстировка которых будет происходить раздельно: 1. Узел КС. 2. Узел зеркально-призменного мостика (ЗПМ). 3. Узел телескопа. 4. Узлы зеркал стабилизации. 5. Узел спектроделителя, разделяющий видимый и ИК каналы. 6. Узел зеркала (7). 7. Узел зеркально-линзового объектива (8) с призмой (12) и узлами МФПУ (11) и (13). 8. Узел линзового ИК объектива (9) с узлом ИК ФПУ (10). Рассмотрим проблемы создания и юстировки этих узлов в следующем разделе. Юстировка оптической системы, представленной на рис.2, начинается с установки в состав объектива (8) светоделительной призмы (12). Эта призма состоит из трёх склеенных между собой призм АР-90, на гипотенузной грани первой из них нанесено зеркальное пятно для отражения излучения от КС. Задача юстировщика состоит в том, чтобы с помощью юстировочного коллиматора выставить в плоскость наилучшей установки фоточувствительные плоскости МФПУ (11) и (13), при этом светоделительная призма (12) должна быть расположена таким образом, чтобы её внешние грани были параллельны фоточувствительным плоскостям МФПУ, а проекции зеркальных пятен, с целью согласования линейных апертур, на входе объектива должны быть выставлены относительно пилонов оправы, на которой крепится вторичное зеркало объектива. При выборе коллиматора для юстировки надо ориентироваться на один из критериев качества: волновой фронт, кружок рассеяния или ЧКХ, в нашем случае, предпочтительным является концентрация энергии в пятне рассеивания. Собранный и съюстированный узел объектива (8) вместе с узлом телескопа (3) являются ключевыми элементами для дальнейшей юстировки. Сборка и юстировка телескопа (3) производится известными методами: интерферометрическим, автоколлимационным или с помощью коллиматора. Контроль качества телескопа проводится интерферометрическим методом. Обработанная интерферограмма, переведённая в полиномы Цернике, позволяет сопоставить в компьютерной модели влияние ошибок изготовления и юстировки телескопа. Зеркала стабилизации (4) и (5) представляют плоские оптические поверхности, расположенные под углами 45 градусов к падающим пучкам. Именно поэтому их допустимая сферичность должна быть минимальна, чтобы не вносить астигматизм. Эти зеркала заключены в оправы, качающиеся во взаимоперпендикулярных осях при помощи электромагнитных приводов. При установке этих узлов в общую сборку необходимо выдержать воздушные промежутки между зеркалами с неопределённостью менее 2 мм. Допускаемая взаимная неперпендикулярность осей прокачки должна оцениваться в компьютерной модели. Сборка и юстировка узла ИК объектива (9) с ИК ФПУ (10) не представляет особой трудности, если есть соответствующее оборудование и навык персонала. Коллиматор стабилизации (КС) (1) сконструирован как зеркальный коллиматор со световым диаметром 60 мм и относительным отверстием 1:26 с дифракционным качеством волнового фронта на его выходе. Коллиматор закреплён в двухосевом активно стабилизированном подвесе, имеющем датчики угловых скоростей. С точки зрения оптики, сложности изготовления такого коллиматора минимальны. Особого внимания заслуживает узел зеркально-призменного мостика, задача которого возвратить строго в обратном направлении излучение от коллиматора. Конструкция данного мостика представляет один из вариантов уголкового отражателя с боковым переносом. Общие требования к данному узлу предполагают, что углы между гранями воображаемого уголкового отражателя должны быть в пределах 2…3 угловых секунд. Однако, исходя из принципа работы системы стабилизации положения линии визирования, которая включает в себя узел КС, узел ЗПМ, узел зеркал стабилизации и узел объектива (8) с МФПУ (13), можно понизить требования к перпендикулярности граней ЗПМ в несколько раз. ЗПМ состоит из плоского зеркала и призмы АкР-90, отнесённой на расстояние более 100 мм от зеркала. Задача юстировщика ЗПМ состоит в том, чтобы подвижками зеркала в двух взаимноперпендикулярных осях выставить плоскость зеркала перпендикулярно граням крыши призмы АкР-90. Способ контроля и установка для юстировки описаны в [5] и запатентованы [6]. Прохождение многоспектрального потока в компьютерной модели оптической системы, с учётом ошибок изготовления и юстировки оптической системы, позволяет получить на выходе функцию распределения точки (ФРТ), которая характеризует качество оптической системы. Сравнение промоделированной и расчётной ФРТ позволяет сделать вывод о допустимости тех или иных ошибок изготовления и юстировки. Если свернуть ФРТ оптической системы (рис.2) с МФПУ (11), то коэффициенты концентрации энергии в площадке 32Ч32 мкм будут для расчётной системы 95%, для система с ошибками изготовления телескопа (3) составляет 90%, системы с ошибками изготовления зеркал стабилизации (4) и (5) 25%, системы с ошибками изготовления спектроделителя (6) и зеркала (7) 30% и системы со всеми перечисленными ошибками 23%. Из этого следует, что в первом варианте, наибольшее влияние на ухудшение качества изображения оказывают ошибки изготовления зеркал стабилизации. После изготовления всех узлов необходимо произвести их сборку и юстировку внутри ограниченного, замкнутого объёма корпуса прибора. Укрупнённые этапы юстировки могут быть следующие: 1. Установка узла зеркально-линзового объектива. 2. Установка узла телескопа и юстировка соосности с узлом зеркально-линзового объектива. 3. Установка зеркал стабилизации, узла спектроделителя и узла зеркала (7). 4. Юстировка их взаимного расположения. 5. Установка узла КС и узла ЗПМ. Юстировка их взаимного расположения. 6. Установка узла ИК объектива с ИК ФПУ. \

Для тестирования качества сборки и юстировки необходимо создать зеркальный коллиматор с выходным зрачком более чем тестируемая оптическая система. Эта задача может оказаться как финансово затратной так и трудоёмкой. Альтернативой лабораторному тестированию является полунатурное (на открытом полигоне) и натурное тестирование (на самолёте), что может быть по затратам значительно большим. Качество волнового фронта на его выходе не должно приводить к изменению качества тестируемой оптической системы. Традиционный подход предполагает выбор коллиматора с фокусным расстоянием более, чем в пять раз большим, чем тестируемая оптическая система. Данный подход может быть экономически не оправдан при тестировании длиннофокусных (более 1500 мм) оптических систем, так как требует создание коллиматора с фокусным расстоянием более 7500 мм, что может быть очень трудоёмким процессом. Целесообразно проанализировать в компьютерной модели установку, состоящую из коллиматора и тестируемой оптической системы для прогнозирования суммарного качества на выходе. Данный подход позволяет выбрать схему оптимального коллиматора. Для тестирования многоспектральных оптических систем на выходе коллиматора должен быть широкий по спектральному составу оптический поток. Например, коллиматор для тестирования оптической системы показанной на рис.2 должен иметь осветитель, излучающий в диапазоне 0,35…3 мкм. Необходимым требованием к нему является стабильность излучения за время тестирования. Это связано с определением пороговых характеристик оптико-электронного прибора в каждом из его каналов. Обязательным условием при создании установок для тестирования многоспектральных ОЭП является метрологическая аттестация оптотехнических параметров: облучённости на выходном зрачке коллиматора (во всех спектральных диапазонах), углов поля зрения (для всех каналов). Этот минимальный перечень расширяется при тестировании систем автоматической стабилизации линии визирования и систем дальнометрирования.

Заключение

Описанные технические проблемы при создании оптических систем многоспектральных оптико-электронных комплексов имеют многогранный характер и затрагивают области как технологии изготовления оптических поверхностей, сборки и юстировки оптических систем так и метрологии при их тестировании и испытании.

Литература

1. Ссылка на электронный ресурс от 26.09.2014 г.: http://www.npk-spp.ru/deyatelnost/dlya-poligonov/136-sagen-ta.html.

2. Ссылка на электронный ресурс от 29.09.2014 г.: http://structure.mil.ru /structure/forces/ cosmic/weapons/more.htm?id=10342893@morfMilitaryModel

3. Alfred Krabbe./ The SOFIA telescope.// Proceedings of SPIE, Vol.4014(2000), 0277-786X.

4. T.Petrovsky, M.N.Tolstoy, S.V.Ljubarsky, Y.P.Khimich / A 2.7-meter-diameter silicon carbide primary mirror for the SOFIA telescope // Proceedings of SPIE Vol. 2199 / 263.

5. Alexandr G.Ershov / A new method for adjusting the lateral transfer hollow retroreflector. // Proceedings of SPIE Vol. 8789, 878910.

6. Ершов А.Г. / Способ юстировки составного полого уголкового отражателя // Патент РФ №2503045.

Размещено на Allbest.ru