Способ юстировки сегментированного зеркала и устройство для его осуществления Российский патент 2020 года по МПК G02B7/185 G01B11/24 H01Q15/16 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для контроля формы поверхности сегментированных рефлекторов.

Известен развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата и способ его изготовления, включающий настройку и контроль формы рабочей поверхности рефлектора при положениях его раскрывом вверх или раскрывом вниз путем определения отклонений вертикальных координат точек рабочей поверхности сетеполотна в результате измерения с помощью лазерного сканера и осуществления изменения положения этих точек с помощью стяжных нитей до требуемого приближения их с положениями теоретических точек, принадлежащих расчетной поверхности требуемой формы, отличающийся тем, что вышеуказанные операции осуществляют с использованием измерительной системы с лазерным сканером, который прикрепляют к плоской цилиндрической плите, затем прикрепляемой к одному из двух взаимно симметрично расположенных горизонтированных плоских оснований технологического приспособления рабочего места, причем в исходном положении оптическую ось вертикального лазерного луча сканера и продольную ось цилиндрической плиты совмещают с продольной осью рефлектора, определяют погрешность измерения измерительной системы, измерительную систему периодически контролируют по точности функционирования. Развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата, включающий в себя центральный узел в виде сооснорасположенных основания и фланца с центром, находящимся вблизи вершины рефлектора, а также силовой каркас, выполненный в виде спиц, соединенных с основанием, механически связанный через формообразующую структуру с сетеполотном, при этом формообразующая структура содержит узлы, в осевом направлении соединенные стяжными нитями со спицами, реперные точки на рабочей поверхности сетеполотна, расположенные напротив соответствующих узлов формообразующей структуры, и на поверхности ячеек сетеполотна в центре, телескопическую мачту, прикрепленную к основанию, единым центром соединенную с гибкими оттяжками, связанными с указанными спицами, отличающийся тем, что на поверхности фланца на максимально возможном одинаковом удалении от его центра по направлениям осей симметрии раскрыва рефлектора нанесены реперные точки, а к центру фланца на период настройки и контроля формы рабочей поверхности рефлектора прикреплен размеростабильный, например, изготовленный из инвара, стержень эталонной длины, например, с длиной, равной 25% глубины рефлектора, продольная ось которого совпадает с осью рефлектора, проходящей через его вершину, а на свободном торце стержня нанесена реперная точка в его центре, через которую проходят продольные оси стержня и рефлектора (патент РФ №2449437, H01Q 15/16, опубл. 27.04.2012).

Устройство содержит лазерный сканер, включающий электромеханическое устройство развертки по углу сканирования. Такие устройства являются устройствами точной механики. Поэтому дороги в изготовлении и могут не обеспечивать долговременную стабильность параметров измерения в процессе эксплуатации. Неточность определения расстояний до опорных точек контролируемой поверхности лазерным сканером будет в основном определяться его подвижными элементами, что ограничивает класс точности настройки формы поверхности рефлектора космического аппарата.

Известен датчик волнового фронта, который содержит модуль (212) сканирования светового пучка, линзу (220) фокусирования фронта парциальной волны, детектор (222) с несколькими светочувствительными участками и процессор для вычисления последовательно получаемых центроидов множества фокусируемых световых пятен от фронтов парциальных волн, чтобы определить аберрацию поступающего волнового фронта. Способ автофокусирования и/или автокоррекции астигматизма содержит этапы последовательного проецирования множества фронтов парциальных волн по эпициклу волнового фронта на линзу фокусирования фронта парциальной волны и детектор; вычисления центроида светового пятна от каждого фронта парциальной волны, фокусируемого на изображение вне следа центроида и, следовательно, дефокусирования и/или астигматизма; регулирования фокуса и/или астигматизма оптической системы формирования изображения перед датчиком волнового фронта таким образом, чтобы дефокусирование и/или астигматизм сводились к минимуму. Изобретение позволяет упростить конструкцию датчика (патент РФ №2431813, G01J 9/00, опубл. 20.11.2011).

Недостатком датчика является то, что он содержит устройство сканирования волнового фронта для последовательного сдвига падающего волнового фронта в поперечном направлении. Такие устройства являются устройствами точной механики. Поэтому дороги в изготовлении, обладают большим весом и могут не обеспечивать долговременную стабильность параметров измерения в процессе эксплуатации. Устройства механического сканирования так же не обладают высоким быстродействием.

В основу изобретения положена задача создания простого и удобного способа юстировки сегментированного зеркала и устройства для его осуществления, которое позволяет производить полную юстировку зеркала за счет настройки каждого сегмента зеркала и по продольному перемещению, и по наклону.

Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что в способе юстировки сегментированного зеркала, включающем подачу излучения от излучателя, на сегмент зеркала и регистрацию спроецированного сегментом излучения матричным фотоприемником, и определение координаты и площади проецируемого светового пятна, в качестве излучателя используют блок жестко скрепленных между собой излучателей, число которых совпадает с числом сегментов зеркала, диаграмма направленности каждого излучателя жестко фиксирована в пространстве и обеспечивает подачу излучения от каждого i элемента на i сегмент зеркала, расположенный на расстоянии двойного фокуса от зеркала, при этом вышеупомянутый блок выполнен с возможностью управления каждым элементом излучателя; проецируемые световые пятна от i сегмента зеркала регистрируют матричным фотоприемником, расположенным также на расстоянии двойного фокуса от зеркала, при этом дополнительно определяют распределение интенсивности и координаты центров тяжести проецируемых световых пятен, затем определяют отклонения отображаемых на матричном фотоприемнике световых пятен от размеров и координат центров тяжести световых пятен, соответствующих идеальной взаимной юстировке сегментов зеркала, затем формируют сигналы, управляющие положениями сегментов по перемещению и по наклону, приводящие к минимуму отклонения размеров и координат световых пятен от размеров и координат, соответствующих идеальной взаимной юстировке сегментов зеркала.

Для осуществления этого способа предлагается устройство для юстировки сегментированного зеркала, которое включает излучатель и матричный фотоприемник для определения координат и площадей проецируемых световых пятен, при этом в качестве излучателя использован блок жестко скрепленных между собой излучателей, число которых совпадает с числом сегментов зеркала, диаграмма направленности каждого излучателя жестко фиксирована в пространстве и обеспечивает подачу излучения от каждого i элемента на i сегмент зеркала, блок жестко скрепленных между собой излучателей и матричный фотоприемник размещены на расстоянии двойного фокуса от зеркала, при этом с блоком жестко скрепленных между собой излучателей связано устройство связи блока жестко скрепленных между собой излучателей с ЭВМ, выполненное с возможностью включения, выключения и временной модуляции каждого элемента блока жестко скрепленных между собой излучателей, а матричный фотоприемник связан через устройство связи матричного фотоприемника с ЭВМ, при этом в ЭВМ, связанной с сегментами сегментированного зеркала устройством управления сегментированным зеркалом, установлено программное обеспечение, выполненное с возможностью управления наклонами и продольными перемещениями сегментов сегментированного зеркала.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом изобретении используется блок жестко скрепленных между собой излучателей, число которых совпадает с числом сегментов зеркала, диаграмма направленности каждого излучателя жестко фиксирована в пространстве и обеспечивает подачу излучения от каждого i элемента на i сегмент зеркала с возможностью управления его функциями при помощи ЭВМ и матричный фотоприемник. Оба эти устройства имеют небольшие габариты и вес, могут быть выполнены как единое устройство с высокой стабильностью их взаимного расположения. Эти свойства и простота технического исполнения позволяют использовать предлагаемое изобретение для разработки телескопов космического и наземного базирования. В качестве излучателя может быть использована матрица излучателей.

Изобретение поясняется фиг. 1, на которой показана схема устройства юстировки сегментированного зеркала.

Устройство для юстировки сегментированного зеркала 3 включает блок жестко скрепленных между собой излучателей, число которых совпадает с числом сегментов зеркала, диаграмма направленности каждого излучателя жестко фиксирована в пространстве и обеспечивает подачу излучения от каждого i элемента на i сегмент зеркала 1 и матричный фотоприемник 2 для определения координат и площадей проецируемых световых пятен. Каждый i элемент блока жестко скрепленных между собой излучателей 1, диаграмма направленности каждого излучателя жестко фиксирована в пространстве и обеспечивает подачу излучения от каждого i элемента на i сегмент зеркала 3 связан с областью элементов матричного фотоприемника 2. блок жестко скрепленных между собой излучателей 1, и матричный фотоприемник 2 размещены на расстоянии двойного фокусного расстояния от зеркала 3. С блоком жестко скрепленных между собой излучателей 1 связано устройство связи 5 с ЭВМ 8 блока жестко скрепленных между собой излучателей, выполненное с возможностью включения, выключения и временной модуляции каждого элемента блока жестко скрепленных между собой излучателей 1. Матричный фотоприемник 2 связан через устройство связи матричного фотоприемника 6 с ЭВМ 8. ЭВМ 8 связана с сегментами 4 сегментированного зеркала 3 устройством управления сегментированным зеркалом 7, установлено программное обеспечение, и выполнено с возможностью управления наклонами и продольными перемещениями сегментов сегментированного зеркала. Блок жестко скрепленных между собой излучателей может быть выполнен в виде прямоугольной матрицы излучателей.

Блок жестко скрепленных между собой излучателей 1, число которых совпадает с числом сегментов настраиваемого зеркала 3, диаграмма направленности каждого излучателя жестко фиксирована в пространстве и обеспечивает подачу излучения от каждого i элемента на i сегмент зеркала. Блок жестко скрепленных между собой излучателей помещается на двойном фокусном расстоянии от зеркала. Управление блоком жестко скрепленных между собой излучателей 1 (включение, выключение, временная модуляция) осуществляется блоком 5, осуществляющим связь с ЭВМ 8. i-й излучатель жестко скрепленных между собой излучателей 1 с координатами (X1, Y1) освещает i-й сегмент 4 настраиваемого зеркала 3, который на матричном фотоприемнике 2 формирует изображение i-го излучателя с координатами (X2, Y2). Таким образом, на матричном фотоприемнике 2 формируются изображения всех излучателей 1. Каждое изображение связано со своим сегментом 4 зеркала 3. Матричный фотоприемник 2 через устройство связи с матричным фотоприемником 6 связан с ЭВМ 8. Координаты, форма и размеры изображений при помощи устройства связи с матричным фотоприемником 6 и ЭВМ 8 с использованием вычислительных алгоритмов выполняемых ЭВМ 8 и устройства управления 7 сегментами сегментированного зеркала 3 преобразуется в сигналы управления наклонами и продольными перемещениями сегментов зеркала 3. В качестве методов обработки сигналов для определения координат центров тяжести, формы и размеров изображений, формируемых сегментами зеркала 3, могут быть использованы методы вычисления основных моментов изображений. Критерием оптимальной настройки зеркала будет ориентация всех сегментов зеркала 3, приводящая к минимальным площадям световых пятен, формируемых каждым сегментом и координатам их центров тяжести соответствующих идеальной взаимной юстировке сегментов зеркала.

Изобретение может быть использовано для контроля формы поверхности сегментированных рефлекторов телескопов космического и наземного базирования. Юстировка сегментированного зеркала включает подачу излучения от излучателя в виде блока жестко скрепленных между собой излучателей, число которых совпадает с числом сегментов зеркала, а диаграмма направленности каждого излучателя жестко фиксирована в пространстве и обеспечивает подачу излучения от каждого i элемента на i сегмент зеркала, расположенный на расстоянии двойного фокуса от зеркала. Блок выполняют с возможностью управления каждым элементом излучателя. Проецируемые световые пятна от i сегмента зеркала регистрируют матричным фотоприемником, расположенным также на расстоянии двойного фокуса от зеркала. Определяют распределение интенсивности и координаты центров тяжести проецируемых световых пятен и их отклонения от размеров и координат центров тяжести световых пятен, соответствующих идеальной взаимной юстировке сегментов зеркала, и формируют сигналы, управляющие положениями сегментов по перемещению и по наклону. Технический результат - простота и удобство полной юстировки сегментированного зеркала за счет настройки каждого сегмента зеркала по продольному перемещению и по наклону. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ юстировки сегментированного зеркала, включающий подачу излучения от излучателя на сегмент зеркала, регистрацию спроецированного сегментом излучения матричным фотоприемником и определение координаты и площади проецируемого светового пятна, отличающийся тем, что в качестве излучателя используют блок жестко скрепленных между собой излучателей, число которых совпадает с числом сегментов зеркала, диаграмма направленности каждого излучателя жестко фиксирована в пространстве и обеспечивает подачу излучения от каждого i элемента на i сегмент зеркала, расположенный на расстоянии двойного фокуса от зеркала; при этом вышеупомянутый блок выполняют с возможностью управления каждым элементом излучателя; проецируемые световые пятна от i сегмента зеркала регистрируют матричным фотоприемником, расположенным также на расстоянии двойного фокуса от зеркала, при этом дополнительно определяют распределение интенсивности и координаты центров тяжести проецируемых световых пятен, затем определяют отклонения отображаемых на матричном фотоприемнике световых пятен от размеров и координат центров тяжести световых пятен, соответствующих идеальной взаимной юстировке сегментов зеркала, затем формируют сигналы, управляющие положениями сегментов по перемещению и по наклону, приводящие к минимуму отклонения размеров и координат световых пятен от размеров и координат, соответствующих идеальной взаимной юстировке сегментов зеркала.

2. Устройство для юстировки сегментированного зеркала, включающее излучатель и матричный фотоприемник для определения координат проецируемых световых пятен, отличающееся тем, что в качестве излучателя использован блок жестко скрепленных между собой излучателей, число которых совпадает с числом сегментов зеркала, диаграмма направленности каждого излучателя жестко фиксирована в пространстве и обеспечивает подачу излучения от каждого i элемента на i сегмент зеркала, блок жестко скрепленных между собой излучателей и матричный фотоприемник размещены на расстоянии двойного фокуса от зеркала, при этом с блоком жестко скрепленных между собой излучателей связано устройство связи блока жестко скрепленных между собой излучателей с ЭВМ, выполненное с возможностью включения, выключения и временной модуляции каждого элемента блока жестко скрепленных между собой излучателей, а матричный фотоприемник связан через устройство связи матричного фотоприемника с ЭВМ, при этом в ЭВМ, связанной с сегментами сегментированного зеркала устройством управления сегментированным зеркалом, установлено программное обеспечение, выполненное с возможностью управления наклонами и продольными перемещениями сегментов сегментированного зеркала.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве излучателя использована матрица излучателей.