Устройство для определения коорди-HAT и эНЕРгии иСТОчНиКА излучЕНия Советский патент 1981 года по МПК G01J1/04 

и ЭНЕРГИИ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ вестного 5 тройства является зависимость точности определения крординат от энергии источника. При избыточной экспоз51ции изображение точечного источника распыливается, появляются ореолы, и точность определения коорккн г значительно ухудшается. Таким образом,.известное устройст во не позволяет одновременно определять координаты и энергию источника излучения в широком поле зрения, в большом динамическом диапазоне, и с необходимой точностью. Цель изобретения - повышение точности одновременного определения координат и энергии источника излучения. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения координат и энергии источника излучения, содержащем систему форми рования изображения, координатночувствительный приемник и анализато изображения, включающий фильтр прост ранственных частот, введен рассеива тель с плоской индикатриссой рассея ния, расположенный на оптической ос систе.Тл1 формирования изображения та что его плоскость рассеяния перпендикулярна оси координатно-чувствительного приемника, вдоль которой определяют координату. При этом рассеиватель выполнен в виде прозрачной для излучения пластины, на поверхности которой располо жены взаимопараллельные рассеивающи риски, и установлен так, что риски параллельны определяемой координате. При этом рассеиватель выполнен в виде зеркально отражающей пластины, на поверхности которой расположены взаимно параллельные рассеивающие риски. При этом, с целью одновременного определения двух координат, рассеиватель снабжен механизмом поьорота вокруг оптической оси системы форми рования изображения. Кроме того, с целью расширения динамического диапазона регистрируе мых энергий, в устройство введен оп тический клин, установленный перед координатно-чувствительным приемником так, что направление изменения его оптической плотности перпендику лярно оси координатно-чувствительно го приемника, вдоль которой определ ют координату. Кроме того, с целью устранения зависимости результатов измерения энергии источника от его спектра,параллельные рассеивающие риски распределены по поверхности рассеивателя на разном расстоянии друг от друга с постоянной средней плотностью. При этом, с целью обеспечения неравномерного по углам плоского ра сеяния, параллельные рассеивающие риски имеют различную глубину, а величина средней плотности распределения рассеивающих рисок в зависимости от их- глубины выбирают из соотно- tlN(cl) Ае где N(d) - средняя статистическая плотность распределения рисок в зависимости от. глубины профиля d, мм ; - дпина волны излучения источника, мкм; d - глубина профиля рассеивающих рисок, мкм; А - коэффициент, выбираемый в пределах , коэффициент, выбираемый в пределах 10-20. Кроме того, рассеиватель выполнен многослойным с различными показателями преломления материалов слоев, а рассеивающие риски нанесены на поверхности раздела указанных слоев. Кроме того, с целью повышения надежности выделения изображения источника на фоне посторонней засветки фильтр пространственных частот анализатора изображения устройства имеет- верхнюю граничную частоту про,пусканйя в 1,5-10 раз меньшую по оси, перпендикулярной определяемой координате, чем верхняя граничная частота вдоль определяемой координаты. На фиг.1 изображена оптическая схема устройства, выполненного с рассеивателем в виде прозрачной для излучения пластины; на фиг.2 - принцип работы устройства. Устройство состоит из рассеивате ля 1 с плоской индикатриссой рассеяния, системы 2 формирования изображения, оптического клина 3, координатно-чувствительного приемника 4 и анализатора 5 изображения. Источник 6 излучения представляет собой звезду или иной точечный источник. Рассеиватель 1 выполнен в виде прозрачной для излучения пластины с параллельными рассеивающими рисками, причем он повернут таким образом, что рассеивающие риски параллельны оси X координатно-чувствительного приемника 4, вдоль которой определяют координату.. При этом плоскость рассеяния перпендикулярна зтой оси. , Рассеиватель 1 выполняют так же в виде зеркёшьно отражающей пластинЫ(На поверхности которой нанесены параллельные рассеивамщие риски. При этом система 2 формирования изображения, оптический клин 3 и координатно-чувствитальный приемник 4 расположены по ходу излучения, . отраженного от плоскости зеркальноотражающей пластины. Лля наиболее точного определения координат ярких источников рассеиватель располаггиот на расстоянии h от системы формирования изображения, выбираемого из соотношения

, для /S/ /s/ , для /SA/S/ , (2) где S - расстояние от системы формирования изображения источника излучения, находящегося в области отрицательных зна чен«;й расстояний S - расстояние от системы форми. рования.изображения до изображения источника.

Для получения меньших по длине трансформированных изображений источника рассеиватель располагают ближе к координатно-чувствительному приемнику.

Параллельные рассеивающие риски распределены на поверхности рассеивателя на разных расстояниях случайным некоррелированным образом с постоянной средней плотностью, т.е. на любом отрезке, параллельном плоскости рассеивания и имеющем, единичную длину, среднестатистическое Число рисок одинаково.

Случайный характер распределения рассеивак)щих рисок на поверхности рассеивателя необходим для подавления интерференции рассеянных волн, что практически обеспечивает независимость индикатрйссы плоского рассеяния от спектрального состава излучения, в отличие от дифракционной решетки, в которой параллельные штрихи, расположенные на одинаковых расстояниях друг от друга, обуславливают ее дисперсионные свойства.

Отношение ширины профиля рассеивающих рисок к среднестатистическому расстоянию между ними, выбирают в пределах 0,1-0,5. Чем больше это отношение, тем выше эффективность рассеяния.

Глубину профиля рассеивающих рисок выбирают для различных длин волн излучения в пределах от долей миллиметра до долей микрона. При этом для получения более узкой индикатрйссы глубину профиля рассеивающих рисок выбирают меньшей. Для более коротковолнового излучения глубину профиля рассеивающих рисок также выбирают меньшей.

Длина рассеивающих рисок значительно превосходит длину .волны излучения источника. Для этого необходимо, чтобы поверхность рисок была гладкой. Рассеивающие риски с ука- . занными свойствами получают/ например, продольным шлифованием. При этом выбирая абразивные частицы различных pa3MepOBj получают различную глубину и ширину профиля рассеивёиощих рисок.

Система 2 формирования изображения выполнена, например,в виде лин3si(, или в виде комбинаций линз, сферических зеркал, поворотных призм и

т.д. Оптический клин 3 - в виде пластины с переменной оптической плотностью, например;в виде напыленного на плоскопараллельной пластине поглощающего слоя, или пластины из поглощающего материала переменной толщины. Диапазон изменения оптической плотности соответствует диапазону возможных энергий, принимаемых от источника.Координатно-чувствительный приемник 4 выполнен в виде фотоплас0тины, видикона, или комбинации фотопластины, видикона с электронно-оптической, системой усиления яркости. Координатно-чувствительный приемник . 4 выполнен также в виде, устройства

5 для запоминания изображения.Анализатор изображения выполнен в виде оптического устройства, в котором в качестве фильтра пространственных частот использована сканирующая щель,

0 растр, годограмма. Например, сканирующая щель имеет длину, превышающую ее ширину в 1,2--10 раз и ориентированную вдолв оси У координатно-чувствительного приемника, перпендикуляр5ной определяемой координате X. При этом размеры -трансформированного изображения совпадают с размерами щели, для наиболее эффективного выделения изображени.я источника на фоне посторонней засветки.

0

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника S, проходя через рассеиватель 1, рассеивается в плоскости, параллельной направле5нию падающего излучения. После прохождения системы 2 формирования изображения на поверхности координатночувствительного приемника 4 падающее излучение образует трансформирован0нре изображение источника. При этом за счет введенного рассеивателя с плоской индикатриссой рассеяния изображение точечного источника излучения s преобразуется в линию АС,перпендикулярную определяемой коорди5нате X (фиг.1). Искомую координату X определяют, например,многократно сканируя трансформированное изображение истбчника (линия АС, фиг.1) в различных участках вдоль координаты

0 X. При этом за счет многократного

L сканирЛания трансформированного изображения производят многократные независимые измерения искомой координаты X источника. По сравнению с

5 единичным измерением координаты, имеющим место в известном устройстве , точность определения координаты возрастает в -/N , где N - число независимых сканирований трансформи0рованного изображения источника. Число N определяется длиной трансформированного изображения источника и разрешающей способностью коор-динатно-чувствительного приемника. Если разрешающая способность системы

5 Формирова1б1я изображения хуже, чем разрешающая способность координатночувствительного приемника, то число N лимитируется разрешающей способностью системы формирования изображения. Т-ак, например, при использовании в качестве координатно-чувствительного приемника фотопластинки размером 100 х 100 мм и разрешением 100 ЛИН/ММ число сканирований поперек трансформированного изрбр.ажения источника, представляющего собой ли нию длиной 100 мм доводят до lof . Выигрыш в точности определения координаты составит /Го 100 раз. Выигрыш в точности определения энергии для известных координатночувствительных приемников обычно меньше указанного предельного числа вследствие того, что чувствительнос ти отдельных участков координатночувствительных приемников скорелли рованы между собой. С целью расширения динамического диапазона регистрируемых энергий в устройство вводят оптический клин 3, установленный перед координатно-чувствител ным приемником 4. Ослабляя излучение в зависимости от координаты У, оптический клин обеспечивает непрерывное рангирование чувствительности участков трансформированного изоб ражения АС. Энергию источника W определяют по формуле ) где К(У) Коэффициент пропускания оптического клина для участка трансформированного изображения, имеющего координату У; величина фотоотклика на участке трансформированного изображения, имеюще го координату У (для фотопленки - степень почернения); функция, связывающая величину фоаоотклика с величиной плотности поглощенной энергии (приводит ся в справочниках для каждого конкретного типа координатно-чувстзительного приемника в виде световой характеристики) коэффициент передачи сие темы формирования изобра жения и рассеивателя, т.е. отношение энергии источника к поглощенной плотности энергии на участке с координатой У Если рассеиватель имеет равномерную индикатриссу, то коэффициент М одинаков ма всех участках трансформироваино о и зоОрл--енл я . Для большинства координатмо-чувствительных типов Р(0„) - нелинейная функция при больших поглощенных энергиях, поэтому определение поглощенной энергии по этой функции возможно Лишь в неболыиом динамическом диапазфне (1-2 порядка). За счет того, что коэффициент пропускания оптического клина К(У) дпя различных участков трансформированного изображения меняется в большом динамическом диапазоне (5-6 порядков), поглощенная энергия на различных участках трйнсформированного изображения меняется в том,же диапазоне. При этом выбирают отрезок трансформированного изображения в котором поглощенная энергия находится на рабочем участке функции P(Q,). На остальных отрезках поглощенная энергия или слишком мала или слишком велика для точного определения энергии источника. Расширить диа-; пазон регистрируемых энергий можно также используя рассеиватель с неравномерной по углам плоской инди- катриссой рассеяния. При этом энергия W источника определяется по формуле М-К2 (У-УО) и P(Q) - те же,что где величины Q (3) ; К (у-Уо ) коэффициент ослабления излучения рассеянного на участок трансформированного изображения с координатой У} координата нетрансформированного изображения источника; коэффициент передачи системы формирования изображения, т.е. отношение энергии источника к энергии нетрансформированного изображения. Коэффициент рангирования чувствительности участков трансформированного изображения в формуле (4) К2( не зависит от положения источни.ка S , в отличие от К (У) в формуле (3), имеющей место для оптического клина. Коэффициент К (у-у) зависит лишь от расстояния (у-Уо) между участком трансформированного изображения и местоположением нетрансформированного изображения. Примерный вид зависимости Kj(у-Уц) показан линией (эпюрой) ABC на фиг.1. вследствие неравномерного распределения энергии излучения вдоль трансформированного изображения находятся участки на нем, плотность поглощенной энергии в которых оптимальна для определения энергии по величине фотоотклика в более широком л-л.; атоне энергий излучения чем в известном устройстве. В данном устройстве динамический диапазон регистрируемых энергий ограничивается только коэффициентом рассеяния в системе2 формирования изображения. За счет этого рассеяния на поверхности координатно-чувствительного приемника создается фоновая освещенность, уровень которой состав ляет 10-10 ° от величины освещенности в местоположении изображения источника. Контраст этих освещенностей колеблется в указанных пределах в зависимости от качества оптики. В предлагаемом устройстве реализует ся динамический диапазон регистрируе мых энергией источника 6-10 порядков по сравнению с 1-2 порядками в известном устройстве. Координаты более мощных источников определяются с меньшей точностью из-за ореолов во круг их изображения, в предлагаемом устройстве точность определения коор динат и энергии практически не зависит от избыточной энергии источник При измерении координат источника с повышенной точностью, особенно при большом поле обзора, следует учитывать реальную форму линии, являющейся трансформированным изображением источника. На фиг.2 в утрированном виде показаны фррмы этих линий для источников S ,S,Sj,видных под различными углами к оптической оси ОО устройства . Полное поле обзор.а равно V 0 Трансформированное изображение источника представЛЯет собой прямую линию только для источн-иков, находящихся на оптической пси устройства (источник S). Для источников, расположенных не на оптическо оси устройства и видных под углом f/2 (где f - определяемая угловая координата) рассеянное излучение лежит не на ПЛОСКОЙ, а на конической поверхности и трансформированные изоб ражения этих источников представляют собой гиперболы А S В и A,Sj В .Причем вершинами этих гипербол являются изображения источников S 5 (фиг.2, источники Si, 5i, ) . Относительная вели чина отклонения от линейности оценивается по формуле S- (1-00 где Vf - определяемая угловая координата;0 - угол обзора по другой угло вой координате. В частности для квадратного поля обзора размером величина сГ не превышает 0,4% от размеров рабоче го поля координатно-чувствительного приемника. Надежность выдел-ения изображения источника на фоне посторонней засвет ки заключается в том, что при повышенном уровне посторонней засветки на поверхности координатно-чувствительного приемника появляются большие флуктуации посторонней засветки, величина которых на малой, анализируемой площади превышает уровень гтлотности энергии, насыщающий чувствительный слой координатно-чувствительного приемника. Для того чтобы выделить изображение источника на фоне этих пятен флуктуации Необходимо расширить анализируемую площадь координатно-чувствительного приемника, так как даже изображения источника ;имеющие большую, чем флуктуационная плотность энергии не могут выделяться на фоне этих пятен флуктуации из-за насыщения координатно-чувствительного приемника. Увеличение анализируемой площади устраняет насыщение координатно-чувствитёльного приемника (при этом площадь изображения источника также увеличивается) . За счет трансформации с помощью pacceивaтeл изображения источника (удпнинение) и уменьшения верхней граничной частоты пропускания фильтра пространственных частот анализатора изображения только по одной координате (перпендикулярной определяемой) , происходит увеличение анализируемой площади координатно-чувствительного приемника и насыщение координатно-чувствительного приемника устраняется . Таким образом, происходит повышение надежности выделения изображения источника на фоне посторонней засветки без ухудшения точности определения координаты (верхняя граничная частота фильтра пространственных частот понижена только по координате. пад)пендикулярной определяемой), Получение четких нетрансформированных изображений требует высокой точности экспозиции, тогда как трансформированные изображения получаются достаточно четкими в 10 раз большем интервале. Предлагаемое устройство может найти широкое применение в астрономических измерениях и в топографии, а также в устройствах для Д11станционного опре ;еления местоположения и энергии импульсных источников излучения, в частности лазерных источников, а также как составная часть спектрографа. Такой спектрограф отличается от известного наличием рассеивателя с плоской индикатриссой рассеяния, установленного между коллиматорным объективом и диспергирующим элементом. При этом распределение излуче.ния в спектральную линию не зависит от длины входной щели, что позволяет значительно сократить потери излучения/связанные с освещением длинной входной щели от точечных источников. Применение данного устройства,как.сосогавной части спектрографа позволяет повысить коэффициент использования излучения источника в 10-30 раз. Формула изобретения 1.Устройство для определения координат и энергии источника излучения, содержащее систему формировани изображения, координатно-чувствител ный приемник и анализатор изображени включающий фильтр пространственных частот, отличающееся тем, что, с целью повышения точности одновременного определения коорди нат и энергии источника излучения, в него введен рассеиватель с плоской индикатриссой рассеяния, расположенный на оптической, оси системы форми рования изображения так, что его плоскость рассеяния перпендикулярна оси координатно-чувствительного приемника, вдоль которой определяют ко ординату. 2.Устройство по П.1, отлич ю щ е е с я тем, что рассеиватель выполнен в виде прозрачной для излу -чения пластины, на поверхности кото рой расположены взаимно параллельные рассеиваюпцие риски, и установлен так что риски параллельны определяемой координате. 3.Устройство по П.1, отлич ющееся тем, что рассеиватель выполнен в виде зеркально отражающей пластины, на поверхности которо расположены взаимно параллельные рассеивающие риски. 4.Устройство по П.1, отлич ающе е с я тем, что, с целью одновременного определения двух координат,,, рассеиватель снабжен механизмом поворота вокруг оптиче.ской оси системы формирования изображени 5.Устройство по П.1, от личающееся тем, что, с целью расширения динамического диапазона регистрируемых энергий, в него введ оптический клин, установленный пере координатно-чувствительным приемником так, что направление изменения его оптической плотности перпендику лярно оси координатно-чувствительно го приемника, вдоль которой определяют координату. 6.Устройство по П.1, отличающееся тем, что, с целью устранения зависимости результатов измерения энергии источника от его спектра, параллельные рассеивающие риски распределены по поверхности рассеивателя на разном расстоянии друг от друга с постоянной средней плотностью. 7. -Устройство по пп.1,2 и 3, о т личающееся тем, что, с целью обеспечения неравномерного по углам плоского рассеяния, параллельные рассеивающие риски имеют различную глубину, а величина среднейплотности распределения рассеивающих рисок в зависимости от их глубины выбрана из соотношения N{d)Ae ., где N(d) - средняя статистическая плотность распределения рисок в . зависимости от/ глубины профиля d, мм; - длина волны излучения источника, мкм; d - глубина профиля рассеивающих рисок, мкм; А - коэффициент, выбираемый в пределах -10 -10, В - коэффициент, выбираемый в пределах 10-20. 8.Устройство по пп.1,2, о т л ичающееся тем, что рассеиватель выполнен многослойным с различными показателями преломления материалов слоев, а рассеивающие риски нанесены на поверхности раздела указанных слоев. 9.Устройство по п,, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности выделения изображения источника на фоне посторонней эасветки фильтр пространственных частот анализатора изображения устройства имеет верхнюю граничную частоту пропускания в 1,5-10 раз меньшую по оси, перпендикулярной определяемой координате, чем. верхняя граничная частота вдоль определяемой координаты. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Калинчук В.Н. Анализатор для измерения угловых координат И1 ульсного источника излучения. Сб.- , научных трудов аспирантов. Ленинградский институт точной механики и оптики, 1974, с.25-31. 2.Яворский Б.И. и др. Основы физики. М., Наука, т.2, 1972, с.368-375 (прототип).