СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО БЛОКА ИМИТАТОРА УДАЛЕННОГО ИСТОЧНИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к физической оптике, конкретно - к измерению оптических спектральных характеристик длиннофокусных ИК-оптических систем, работающих в наземных условиях. Оно может найти применение при разработке и калибровке телескопов, в том числе размещаемых в космосе.

В настоящее время аттестация космических телескопов по светотехническим характеристикам ведется на лабораторных установках (имитаторах), что существенно удешевляет по сравнению с космическими калибровками такие работы, с одной стороны, и повышает надежность космических приборов, с другой [1]. Отказ от таких поверок приводит к необходимости осуществления ремонтных работ непосредственно на орбите, что подтверждают недавние неполадки с телескопом Хабла.

Значительная часть наземных оптических имитаторов удаленных источников излучения работает в атмосфере лабораторного помещения, и при испытаниях длиннофокусных систем становится существенным учет поглощения атмосферных газов и паров воды в ИК-области спектра, флуктуации которых могут существенно исказить результаты измерений в случае больших оптических путей. Следует отметить и другую сложность - необходимость измерения малых оптических сигналов на упомянутых узкопольных оптических системах. Поэтому поиск путей повышения точности измерений оптических характеристик имитаторов является весьма актуальной задачей.

Известен способ измерения коэффициента пропускания оптического блока имитатора удаленного источника [2], включающий направление коллимированного излучения в оптический блок имитатора и измерение потоков излучения на входе и выходе оптического блока. Устройство для реализации способа содержит оптически связанные излучатель, оптический фильтр, объектив и радиометр.

Целью изобретения является повышение точности измерений длиннофокусных оптических систем.

Цель достигается тем, что в способе измерения коэффициента пропускания оптического блока имитатора удаленного источника, включающем направление коллимированного излучения в оптический блок имитатора и измерение потоков излучения на входе и выходе оптического блока, используют поток коллимированного излучения, направляемого в оптический блок имитатора, больший по величине потока излучения собственно имитатора удаленного источника, а по распределению значений спектральной плотности превосходящий последний на постоянную составляющую.

Устройство для реализации данного способа содержит оптически связанные излучатель, оптический фильтр, объектив и радиометр, при этом излучатель выполнен высокояркостным, а оптический фильтр выполнен из полосового интерференционного фильтра, нанесенного на прозрачную пластину со стороны излучателя и нанесенного с противоположной стороны пластины фильтра со спектральным пропусканием, обеспечивающим совпадение распределения спектральной плотности потока, используемого для измерения коэффициента пропускания, и потока излучения собственно имитатора при его использовании, с точностью до постоянной составляющей. Фильтр, нанесенный на прозрачную пластину со стороны, противоположной излучателю, может быть фильтром Христиансена.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема осуществления способа, содержащая источник 1 (1') излучения, корригирующую систему 2, объектив 3 коллиматора, зеркало 4 (4') телескопического радиометра, входной зрачок 5 длиннофокусного имитатора удаленного источника излучения, оптическую систему 6 имитатора, условно обозначенную зеркальным объективом, фокальную плоскость 7 имитатора, приемник 8 (8') радиометра, усилительную систему 9 (9'), регистратор 10 (10'), спектральный прибор 11 (11'), источник 12 излучения, имитирующий удаленный источник излучения.

Фиг.2 поясняет действие способа.

На фиг. 2 по оси ординат отложена яркость в относительных единицах и пропускание атмосферы (условная кривая 3). По оси абсцисс отложена длина волны в ИК-области спектра. Кривая 1 - спектральный ход яркости источника 1 в области спектра λ₁... λ₂ , то же 2 для источника 12, а пропускание атмосферы условно изображено кривой 3. Скорригированная функция высокояркостного источника представлена кривой 1'.

Принцип работы способа и реализующего устройства состоит в измерении сигнала за источником 1 излучения в параллельном пучке, создаваемом объективом коллиматора, и сигнала на выходе (в работе самого имитатора - входе) длиннофокусной системы 6. Для повышения точности измерений применяется источник 1 с возможно большой яркостью в ИК-области спектра. Высокотемпературными источниками (источника высокой яркости) называют источники с температурой выше 1200^оС и коэффициентом излучения более 0,9 см. Но увеличение яркости с существующими источниками, например нагреваемыми твердыми телами, приводит к изменению спектрального состава зондирующего излучения относительно спектрального состава, создаваемого удаленным источником 12. Это изменение при наличии полос поглощения в атмосфере паров воды или углекислого газа вызывает вопреки устоявшемуся мнению существенную ошибку в спектральном коэффициенте пропускания имитатора 6, когда фокусные расстояния составляют 10...15 и более метров. Измерительная ситуация представлена на фиг.2.

Коэффициенты пропускания оптической длиннофокусной системы при поглощении атмосферой κ в области λ₁ ... λ ₂ для случая зондирующего источника и удаленного источника равны
=
=
Из этих соотношений ясно, что τ_ст1≠τ_ст2 , поскольку свертки функций В₁ и В₂ с функцией κ заведомо различны. Игнорирование этого обстоятельства приводит к значительным ошибкам, величина которых зависит от ширины спектрального интервала λ₁ ... λ ₂, его положения на оси длин волн и значений яркости В₁ и В₂.

Это подтверждено экспериментально. Погрешность измерения пропускания длиннофокусных имитаторов по общепринятой методике в широкой области спектра и с произвольным спектральным составом зондирующего излучения может достигать 20...30% (а в сильных полосах поглощения атмосферы до 50 - 70%).

Изобретение сводится к корректировке хода яркости В1. С этой целью измеряются с помощью спектрального прибора 11 яркости зондирующего источника и удаленного источника излучения, что условно отмечено на фиг.1 позициями 1' - 11 и 12 - 11. Затем находится корригирующая функция как В₁/В₂, физическое осуществление которой позволяет привести спектральный ход кривой яркости зондирующего излучения к кривой яркости излучения удаленного источника (кривая 1 на фиг.2). Такая реализация корригирующей функции в ИК-области спектра может быть выполнена различными способами, в том числе с помощью набора пропускающих пластин из щелочно-галоидных и других ИК-материалов, изготовления многослойного интерференционного фильтра.

Применение в качестве источника 1 платино-керамического источника с температурой 1700 К, дающего высокую яркость излучения в ИК-области спектра и описанной корригирующей системы, позволило получить высокое отношение сигнал/шум в пределах 120...140 и достичь точностей излучения коэффициента пропускания длиннофокусного имитатора с погрешностью 5 - 7%.

Пример конкретной реализации устройства. В качестве источника излучения взят платино-керамический излучатель с рабочей температурой 1700 К. Зеркало 3 - сфера Ф = 200 мм, f' = 400 мм, зеркало 4 - парабола с Ф = 120 мм и f' = 750 мм, приемник оптико-акустический ОАП-7 с усилителем В6-9, регистратор - цифровой вольтметр Щ 300.

Рабочая область спектра содержит два канала. Корригирующая функция реализована с помощью фильтра Христиансена.

Корригирующая система 2 выполнена на двух германиевых пластинах толщиной 4 мм, последовательно вводимых в пучок, на которых нанесены с одной стороны интерференционные фильтры полосового типа, вырезающие области 3...6 мкм и 8...14 мкм (рабочие каналы). С другой стороны пластины нанесены слои щелочно-галоидных солей и других материалов, которые задают спектральный ход корригирующей функции, операции нахождения которой приведены при описании способа. При этом для создания корригирующего покрытия могут использоваться смеси из разных пар.

Для области 3...6 мкм нами использована композиция из BaSO₄-NaCl, а 8.. .14 мкм - PbF₂ - KBr.

Размер дисперсных частиц 5 мкм и 12 мкм для указанных каналов.

Как можно видеть из приведенного примера, в устройстве используется коротковолновое крыло фильтра Христиансена. Технология получения этих фильтров хорошо отработана и фильтры широко используются в спектральных исследованиях во многих областях знаний.

Предложенные способ и устройство для измерения коэффициента спектрального пропускания длиннофокусных оптических систем имеют ряд преимуществ. Повышение точности измерений в 2 - 4 раза в зависимости от области спектра и спектральной ширины канала повышает качество аттестации телескопов и даст в разработке возможность повысить качество работ с ними. Далее измерение рабочих потоков осуществляется с устройствами, которые могут быть легко введены в пучок в процессе измерений с телескопом или перед (после) измерений, и таким образом повышена надежность калибровок, так как атмосферные условия могут изменяться в течение рабочего дня. Осуществление корригирующего устройства на основе фильтров Христиансена доступно любой квалифицированной фотометрической лаборатории и применение способа не затрудняется разработкой и изготовлением уникальных элементов измерительной схемы.

Использование: физическая оптика. Сущность изобретения: для измерения коэффициента пропускания оптического блока имитатора удаленного источника направляют коллимированное излучение в оптический блок имитатора и измеряют потоки излучения на входе и выходе оптического блока. Поток излучения направляют в оптический блок имитатора больше по величине потока излучения собственно имитатора удаленного источника при его использовании, а по рапределению значений спектральной плотности отличается на постоянную составляющую. Устройство измерения коэффициента пропускания оптического блока имитатора удаленного источника включает оптически связанные высокояркостный излучатель, оптический фильтр, объектив и радиометр. Оптический фильтр выполнен в виде прозрачной пластины, с одной стороны которой выполнен полосовой интерференционный фильтр, а с другой - фильтр Христиансена со спектральным пропусканием, обеспечивающим совпадение распределения спектральной плотности потока, используемого для измерения коэффициента пропускания, и потока излучения собственного имитатора, при его использовании с точностью до постоянной составляющей. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО БЛОКА ИМИТАТОРА УДАЛЕННОГО ИСТОЧНИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.