Патент на изобретение №2308005

(54) ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ СОЛНЦА

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения угловых координат Солнца в системе координат космического аппарата. Датчик углового положения Солнца содержит оптическую систему, выполненную в виде широкоугольного объектива, включающую входную и выходную плосковыпуклые линзы, между которыми расположена диафрагма, в отверстии которой размещен оптический элемент, матричное фотоприемное устройство и блок обработки информации и вычисления координат. При этом коэффициенты преломления оптических компонентов выбраны исходя из соотношения n₁23, где n₁ – коэффициент преломления входной плоско-выпуклой линзы; n₂ – коэффициент преломления оптического элемента; n₃ – коэффициент преломления выходной плоско-выпуклой линзы. Технический результат: получение информации в широком угловом поле с высокой точностью. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения угловых координат светящегося ориентира и, в частности, для определения направления на Солнце в системе координат космического аппарата.

Из уровня техники известны устройства оптического слежения за тем или иным астрономическим объектом, в т.ч. за Солнцем, которые определяют отклонение его координат относительно базовой системы координат, такие как: патент США №3638621 А, НПК 250-203R, публ. 25.01.77 г., а.с. №1779931, кл. G01C 21/24, публ. 92 г., патент RU №2104493 С1, кл. G01C 21/24, публ. 10.02.98 г., патент RU №2131587 С1, кл. G01C 21/24, публ. 10.06.99 г. Эти устройства в основном содержат оптическую систему, фотоприемное устройство, сканирующий узел, вычислительное устройство и исполнительный блок.

Недостатком данных датчиков является низкая надежность и точность, обусловленные наличием подвижных элементов в звеньях карданного подвеса, и, как следствие, возникновение ошибок из-за трения, люфтов, неточного считывания информации с датчиков углов и т.п., вносимых этими элементами в работу устройства.

Указанный недостаток устранен в датчиках положения излучения, выполненных на матричном приемнике излучения, путем исключения подвижных элементов следящих систем по измерительным осям, которые описаны в источниках: патент FR №9601813, кл. G01J 1/20, публ. 02.14.96 г., патент US №4792245, кл. G01J 1/20, (НПК 250/203), публ. 27.12.88 г., патент US №6853445 В2, кл. G01J 1/00 (НПК 356/121), публ. 02.08.05. Эти устройства обеспечивают контроль ориентации орбитального спутника Земли (космического аппарата) и состоят из камеры, выполненной с входным окном, например, в виде щели/или щелей или с входным окном, в котором установлен простейший оптический элемент, матричного приемника излучения и электронного блока, вырабатывающего сигналы, представляющие угол, под которым излучение падает на датчик.

Недостатком этих датчиков является ограниченность поля обзора, связанная с конструкцией входного окна и оптическими свойствами матрицы. При больших углах (более 68°) фотоматрица теряет чувствительность и перестает работать.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности является датчик по патенту RU №2020419, кл. G01C 21/24, публ. 30.09.94 г. Датчик содержит оптическую систему, выполненную в виде широкоугольного объектива типа «рыбий глаз», включающую входную и выходную плосковыпуклые линзы, с размещенной между ними полевой диафрагмой, матричное фотоприемное устройство (МФПУ), закрепленное на внешней поверхности выходной линзы, и блок обработки информации и вычисления угловых координат.

Недостатком прототипа является ограниченная информативность, связанная с тем, что лучи светового потока при больших углах падения, пройдя через входную линзу, попадают на диафрагму, выполненную в виде воздушной прослойки, например, в доли микрона, в результате чего происходит их полное внутреннее отражение и лучи не попадают на выходную линзу и, как следствие, – отсутствует информация об угловом положении Солнца. Кроме того, форма матричного приемника повторяет форму выходной линзы и жестко закреплена на ней, что делает невозможным установить оптический фильтр перед фотоприемником и уменьшить хроматические аберрации, которые приводят к ухудшению точности, а изготовление такого типа фотоприемника дорого и нетехнологично.

Задачей изобретения является создание датчика углового положения Солнца, обеспечивающего получение информации в широком угловом поле обзора с высокой точностью для определения угловых координат источника излучения.

Технический результат изобретения выражается в увеличении объема получаемой информации при больших углах падения светового потока за счет устранения эффекта полного внутреннего отражения, в получении высоких точностных характеристик и технологичности прибора.

Указанный результат заявляемого решения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем оптическую систему, выполненную в виде широкоугольного объектива, включающую входную и выходную плосковыпуклые линзы, с расположенной между ними диафрагмой, матричное фотоприемное устройство и блок обработки информации и вычисления угловых координат, в отверстии диафрагмы размещен оптический элемент, а коэффициенты преломления входной плосковыпуклой линзы n₁ оптического элемента n₂ и выходной плосковыпуклой линзы n₃ выбраны исходя из соотношения

n₁n₂3.

При этом перед матричным фотоприемным устройством установлен светофильтр, а в отверстии диафрагмы размещен оптический элемент. Он расположен на оптической оси в центре кривизны выходной плосковыпуклой линзы, выполненной в виде полусферы.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым результатом заключается в том, что дополнительно введенный оптический элемент, установленный в отверстии диафрагмы, и соотношение коэффициентов преломления обеспечивают поступление сигнала от источника излучения (Солнца) на МФПУ в пределах более чем 180° без искажений и больших потерь светового потока, т.к. исключается эффект полного внутреннего отражения. К тому же при необходимости уменьшить хроматические аберрации устанавливается светофильтр, а использование МФПУ плоского типа делает прибор дешевым и технологичным.

Устройство предлагаемого датчика поясняется чертежом.

На представленном чертеже показаны: входная плосковыпуклая линза 1, оптически сопряженная через оптический элемент 2′, размещенный в отверстии диафрагмы 2, выходную плосковыпуклую линзу 3 и светофильтр 4 с МФПУ 5, выход которого подключен ко входу блока обработки информации и вычисления угловых координат 6. Между линзами 1 и 3 размещена диафрагма 2, выполненная в виде светонепроницаемого покрытия с отверстием в центре.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Световой поток от Солнца S₁ или S₂ (в зависимости от положения источника излучения) проходит через плосковыпуклую линзу 1 оптический элемент 2′, установленный в диафрагме 2, линзу 3, светофильтр 4 и проецируется на поверхности МФПУ 5. Если Солнце расположено на оптической оси датчика (см. S₁), то излучение фокусируется в центре МФПУ 5, при отклонении Солнца от вертикали (см. S₂), например оно расположено под углом 90° к оптической оси прибора, излучение фокусируется на чувствительном элементе МФПУ 5, расположенном на его краю, при этом угловая координата Солнца оказывается связанной с номером освещенного чувствительного элемента МФПУ 5, сигнал с которого поступает в блок обработки информации и вычисления угловых координат 6. Все вычисления осуществляются по заранее заложенным алгоритмам, определяемым в соответствие с программой работы датчика. Полученная информация поступает в исполнительную систему, с которой жестко связано заявляемое устройство.

При реализации заявляемого датчика линзы могут быть изготовлены, например, из оптического материала типа ТФ и ЛК, в качестве МФПУ целесообразно использовать многоэлементный матричный фотоприемник типа LM 9638, диафрагма изготавливается путем нанесения на плоскую поверхность одной из линз хрома с последующим вытравливанием необходимого отверстия (объема). В качестве оптического элемента, размещаемого в объеме диафрагмы, можно использовать полимеры или композиции на их основе (оптический клей), а блок обработки информации и вычисления угловых координат может быть реализован на базе микропроцессоров, например, “В lack Fin” фирмы Analong Devices.

Таким образом, предлагаемое техническое решение отвечает всем необходимым требованиям, предъявляемым к данному виду приборов, а именно:

– имеет большое поле обзора ( и более);

– высокую точность определения координат при всех условиях эксплуатации;

– малые массогабаритные характеристики;

– высокую надежность;

– сравнительно низкую стоимость;

– технологично при изготовлении.

Формула изобретения

1. Датчик углового положения Солнца, содержащий входную и выходную плосковыпуклые линзы, с расположенной между ними диафрагмой, матричное фотоприемное устройство и блок обработки информации и вычисления угловых координат, отличающийся тем, что в отверстии диафрагмы размещен оптический элемент; при этом коэффициенты преломления входной плосковыпуклой линзы n₁, оптического элемента n₂ и выходной плосковыпуклой линзы n₃ выбраны исходя из соотношения

n₁23.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что перед матричным фотоприемным устройством установлен светофильтр.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что отверстие диафрагмы размещено соосно с оптической осью в центре кривизны выходной плосковыпуклой линзы, выполненной в виде полусферы.

РИСУНКИ