Устройство для определения коорди-hat и энергии источника излучения

 

0 П

Союз Советских

Социалистических

Республик

ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

«i>823895

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к ввт. сеид-ву (22) Заявлено 0%0 779 (21) 2 79 3 136/18-25 с присоединением заявки ¹ рцм, к.

G J 1/04 (23) Приоритет

Государствениый комитет

СССР.

IIo делам и зобретеиий и открытий

Опубликовано 23,0481. Бюллетень № 15 . Датаопубликованияописания 230481 (53) УДК 535.242.2 (088. 8) (72) Автор изобретения

А».И.Антонов (71) Заявитель м) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ

И ЭНЕРГИИ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам дпя определения координат и энергии источников излучения.

Известно устройство для определения координат источника излучения, состоящее из системы формирования изображения, растрового модуляторного диска, установленного в предметной плоскости системы формирования 30 изображения, фотоприемника и анализирующего электронного блока. Координату источника излучения определяют по фазе модулированного растровым диском сигнала с фотоприемника (1). 15

Однако в этом устройстве точность определения координат лимитирует точность определения, фазы сигнала электронным анализирующйм блоком и составляет 1% от величины угла об- 20 эора. Недостатком также является невозможность измерения координаты импульсного источника разового дЕйствия. Частота повторения импульсов излучения является достаточно высо- 25 кой., Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для определения координат и энергии источника,сос- 30 тоящее из системы формирования изображения (широкоугольной оптической системы), источника излучения и коо удинатно-чувствительного приемника параллельного действия. Определение координат и энергии быстроменяющегося источника излученйя, координаты которого неизвестны, в широком поле зрения, возможно только в устройстве с достаточно широкоугольной оптической системой с координатно-чувствительным приемником параллельного действия (2) .

Однако координатно-чувствительные приемники параллельного действия (т.е. фотоприемники, в которых регистрация излучения происходит одновременно на всем рабочем поле) обладают ограниченной разрешающей способностью и ограниченным диапазоном регистрируемых энергий. Предел разрешающей способности таких координатно-чувствительных приемников обусловлен случайными процессами рассеяния фотонов и диффуэией фотоэлектронов в чувствительном слое. Для таких фотоприемников, как фотопленка, случайный характер расположения и минимальные размеры зерен также ограничивают разрешение. Также недостатком иэ823895

50 вестного устройства является зависимость точности определения координат от энергии источника. При избыточной экспозиции изображение точеч- ного источника распыливается,появляются ореолы, Й точность определения координат значительно ухудшается.

Таким образом, известное устройство 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 излуч ени я.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения координат и энергии источника излучения, содержащем си ст ему формирования изображения, координатно- 20 чувствительный приемник и анализатор изображения, включающий фильтр пространственных частот, введен рассеиватель с плоской индикатриссой рассеяния, расположенный на оптической оси 5 системы формирования изображения так, 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 расположены взаимопараллельные рассеивающие риски, и установлен так, что риски пар аллельны опр едел яемой координате.

При этом рассеиватель выполнен в виде зеркально отражающей пластины, на поверхности которой расположены взаимно параллельные рассеивающие риски. 40

При этом, с целью одновременного определения двух координат, рассеиватель снабжен механизмом поьорота вокруг оптической оси системы формирования иэображения. 45

Кроме того, с целью расширения динамического диапазона регистрируемых энергий, в устройство введен оптический клин, установленный перед координатно-чувствительным приемником так, что направление изменения его оптической плотности перпендикулярно оси координатно-чувствительного приемника, вдоль которой определяют 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 дру- 60 га с постоянной средней плотностью.

При этом, с целью обеспечения неравномерного по углам плоского рассеяния, параллельные рассеивающие риски имеют различную глубину, а ве- 65 личина средней плотности распределения рассеивающих рисок в зависимости от их- глубины выбирают иэ соотношения,1 / ъ

N(d) =Ae (1) где N(d) — средняя статистическая плотност ь распределения рисок в зависимости от — М глубины профиля d, мм 1 — длина волны излучения источника, мкм;

d — глубина профиля рассеивающих рисок, мкм;

A — коэффициент, выбираемый в пределах 10 -10, мм ";

 — коэффициент, выбираемый в пределах 10-20.

Кроме того, рассеиватель выполнен многослойным с г безличными 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 иэображения устройства имеет. верхнюю граничную частоту про.пу..кания 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, координа но-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 Х координатно-чувствительного приемника 4, вдоль которой определяют координату. При этом плоскость рассеяния перпендикулярна этой оси.

1

Рассеиватель 1 выполняют так же в виде зеркально отражающей пластины на поверхности которой нанесены параллельные рассеивающие риски.

При этом система 2 формирования изображения, оптический клин 3 и координатно-чувствительный приемник

4 расположены по ходу излучения, отраженного от плоскости эеркальноотражающей пластины. Для наиболее точного определения координат ярких источников рассеиватель располагают на расстоянии h от системы формиро823895 вания изображения, ныбираемого из соотношения

$сЬ<0, для /S/У/S /

/S/ьh>O, для /S/с/S / (2) где S - расстояние от системы формирования иэображения источника излучения, находящегося

5 в области отрицательных значений расстояний;

S — расстояние от системы форми. рования иэображения до изображения источника.

1О

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

Параллельные рассеивающие риски распределены на поверхности рассеивателя на разных расстояниях случай ным некоррелированным образом с постоянной средней плотностью, т. е. 20 на любом отрезке, параллельном плоскости рассеивания и имеющем,единичную длину, среднестатистическое число рисок одинаково.

Случайный характер распределения .рассеивающих рисок на поверхности рассеивателя необходим для подавления интерференции рассеянных нолн, что практически обеспечивает независимость индикатриссы плоского рассеяния от спектрального состава излучения, в отличие от дифракционной решетки, в которой параллельные штрихи, расположенные на одинаковых расстоЯниЯХ друг от друга обуславлина 35 ют 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 рассея- 40 ния.

Глубину профиля рассеивающих рисок выбирают для различных длин волн излучения в пределах от долей миллиметра до долей микрона. При этом для 45 получения более узкой индикатриссы глубину профиля рассеивающих рисок выбирают меньшей. Для более коротко-. волнового 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 укаэанными свойствами получают, например, продольным шлифованием. При этом выбирая абразивные частицы различных размеров, получают различную глубину и ширину профиля рассеиваю- е0 щих рисок.

Система 2 формирования изображения выполнена, например, н виде линз, или в виде комбинаций линз, сферических зеркал, поворотных призм и 45 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-чунстнительный приемник 4 выполнен в виде фотопластины, видикона, или комбинации фотопластины, видикона с электронно-оптической системой усиления яркости.

Координатно-чувствительный приемник

4 выполнен также в виде устройства для запоминания изображения.Анализатор изображения выполнен в виде оптического устройства, в котором н качестве фильтра пространственных частот использована сканирующая щель, растр, годограмма. Например, сканирующая щель имеет длину, превышающую ее ширину н 1,2-10 раз и ориентированную вдолв оси У координатно-чувствительного приемника, перпендикулярной определяемой координате Х. При этом размеры -трансформированного изображения совпадают с размерами щели, для наиболее эффективного выделения иэображения источника на фоне посторонней засветки.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника S, проходя через рассеиватель 1, рассеивается в плоскости, параллельной направле- нию падающего излучения, После прохождения системы 2 формирования изображения на поверхности координатночувствительного приемника 4 падающее излучение образует трансформированное изображение источника. При этом. за счет введенного рассеивателя с плоской индикатриссой рассеяния изображение точечного источника излучения S преобразуется в линию АС,перпендикулярную определяемой координате Х (фиг.1) . Искомую координату

Х определяют, например, многократно сканируя трансформированное изображение истбчника (линия АС, фиг.1) в различных участках вдоль координаты

Х. При этом за счет многократного сканирования трансформированного изображения производят многократные независимые измерения искомой координаты Х источника. По сравнению с единичным измерением координаты, имеющим место в известном устройстве, точность определения координаты возрастает в WN, где и — число независимых сканиронаний трансформированного иэображения источника.

Число N определяется длиной трансформированного изображения источника и разрешающей способностью координатно-чувствительного приемника.

Если разрешающая способность систеьы

823895

Формирова йя изображения хуже, чем разрешающая способность координатночувствительного приемника, то число

N лимитируется разрешающей способностью системы формирования изображения. Так, например, при использовании в качестве координатно-чувствительного приемника фотопластинки размером 100 х 100 мм и разрешением

100 лин/мм число сканирований поперек трансформированного иэрбражения источника, представляющего собой линию длиной 100 мм доводят до 10.

Выигрыш в точности определения координаты составит 604 =100 раз.

Выигрыш в точности определения энергии для известных координатночувствительных приемников обычно меньше указанного предельного числа вследствие того, что чувствительности отдельных участков координатночувствительных приемников скореллированы между собой. С целью расширения динамического диапазона регистрируемых энергий в устройство вводят оптический клин 3, установленный перед координатно-чувствитель- >" ным прйемником 4. Ослабляя излучение в зависимости от координаты У, оптический клин обеспечивает непрерывное рангирование чувствительности участков трансформированного изоб- 39 ражения АС.

Энергию источника W определяют по формуле

W

Р(0м) (3) 35

И. К (Y) где К (У) — коэффициент пропускания

f оптического клина для участка т рансформированного изображения, имеющего координату У;

Q величина фотоотклика на

Ч участке трансформированного иэображения, имеющего координату У (для фотопленки — степень 45 почернения);

Р(Я)) — функция, связывающая величину фо оотклика с величиной плотности поглощенной энергии (приводит- 5п ся в справочниках для каждого конкретного типа координатно-чувствительного приемника в виде световой характеристики);

М коэффициент передачи системы формирования изображения и рассеивателя, т.е. отношение энергии источника к поглощенной плотности энергии на d0 участке с координатой У.

Если рассеиватель имеет равномерную индикатриссу, то коэффициент M одинаков на всех у Ià -тках трансформировани огo и эобра с. ни Я.

Для большинст ва координат по ÷óâствительных типов Р (Q ) — нелиней.М ная функция при больших поглощенных энергиях, поэтому определение поглощенной энергии по этой функции возможно лишь в небольшом динамическом диапазоне (1-2 порядка) . 3a счет того, что коэффициент пропускания оптического клина К (У) для различных участков трансформированного изображения меняется в большом динамическом диапазоне (5-6 порядков), поглощенная энергия на различных участках трансформированного иэображения меняется в том, же диапазоне. При Этом выбирают отрезок трансформированного изображения в котором поглощенная энергия находится на,рабочем участке функции

Р (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 плос кой инди- . катриссой рассеяния.

При этом энергия W источника определяется по формуле

w- =— — —

P(Q ) (4) м. к (у-v, ) где величины Q> и Р (Я„) — те же, что и в (3);

К (у-У ) — коэффициент ослабления излучения рассеянного на участок трансформированного изображения с координатой У координата нетрансформированного изображения источника; коэффициент передачи системы формирования изображения, т.е. отношение энергии и"точ-. ника к энергии нетрансформированного изображения.

Коэффициент рангирования чувствительности участков трансформированного изображения в формуле (4) К (уу ) не зависит от положения источнио .ка S, в отличие от К4 (У) в формуле (3), имеющей место для оптического клина. Коэффициент К (у-у) зависит лишь от расстояния (у-у ) между участком трансформированного изображения и местоположением нетрансформированного иэображения. Примерный вид зависимости K (у-у ) показан ли2 а нией (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 z;.niазоне

823895

10 энергий излучения чем в известном устройстве.

В данном устройстве динамический диапазон регистрируемых энергий ограничивается только коэффициентом рассеяния и системе 2 формирования изображения. За счет этого рассеяния на поверхности координатно-чувствительного приемника создается фоновая освещенность, уровень которой состав-Ь - о 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 реализуется динамический диапазон регистрируе- 15 мых э нер гией источника 6-10 пор ядкон по сравнению с 1-2 порядками в известном устройстве. Координаты более мощных источников определяются с меньшей точностью из-за ореолов во- 2() круг их иэображения, в предлагаемом устройстве точность определения координат и энергии практически не зависит от избыточной энергии источника.

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 формы этих .) ",) для HcT o (HH KGB Ь,(, Sg S ) BHQHblx под различными углами к оптической оси 00 устройства. Полное поле обзора равно Ч 9 . Трансформированное изображение источника представляет собой прямую линию только для источ- ников, находящихся на оптической оси устройства (источник Я ) . Для источникон, расположенных не на оптической оси устройства и видных под углом P/2 40 (где 4 — определяемая угловая координата) рассеянное излучение лежит не на плоской, а на конической поверхности и трансформированные изображения этих источников представляют 45 собой гиперболы A S„  и А S В .Причем вершинами этих гипербол являются . иэображения источников 5 „ 5 (фиг.2, источники Я„ 5 ).. Относительная неличина отклонения от линейности оценивается по формуле

Я = ()- cos )1 д

М где Q — определяемая угловая координата;

В - угол обзора по другой угло- 55 вой координате.

В частности для квадратного поля обзора размером 10 х10 величина d не превышает 0,4Ъ от размеров рабочего поля координатно-чувствительного щ приемника.

Надежность выделения изображения источника на фоне посторонней засветки заключается в том, что при повышенном уровне посторонней засветки 65 на понерхности координатно-чувствительного приемника появляются большие флуктуации посторонней засветки, величина которых на малой, анализируемой площади превышает уровень плотности энергии, насыщающий чувстнительный слой координатно-чувствительного приемника.

Для того чтобы выделить изображение источника на фоне этих пятен флуктуации необходимо расширить анализируемую площадь координатно -чувст— вительного приемника, так как даже изображения источника, имеющие большую. чем флуктуационная плотность энергии

1 не могут выделяться на фоне этих пятен флуктуации из-за насыщения координатно-чувствительного приемника.

Увеличение анализируемой площади устраняет насыщение координатно-чувствительного приемника (при этом площадь изображения источника также увеличивается) .

За счет трансформации с помощью рассеинателя изображения источника (удлнинение) 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. перпендикулярной 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 н топографии, а также в устройствах для дистанционного определения местоположения и энер г гии 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 излучения в спектральную линию не зависит от длины входной щели, что позноляет значительно сократить потери излучения,связанные с освещением длинной входной щели от точечных источников. Применение данного устройст823895

11

aa,êàê.ño<óàâíoé части спектрографа, позволяет повысить коэффициент использования излучения источника в

10-30 раэ.

ФОРМула изобретения

1 Устройство для определения координат и энергии источника излучения, содержащее систему формирования изображения, координатно-чувствительный приемник и анализатор изображения, включающий фильтр пространственных частот, о.т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности одновременного определения коорди- (5 нат и энергии источника излучения, в него введен рассеиватель с плоской индикатриссой рассеяния, расположенный на оптической оси системы формирования изображения так, что его 2() плоскость рассеяния перпендикулярна оси координатно-чувствительного приемника, вдоль которой определяют координату.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а в 5 ю щ е е с я тем, что рассеиватель выполнен в виде прозрачной для излу.чения пластины, на поверхности которой расположены взаимно параллельные рассеивающие риски, и установлен так, что риски параллельны определяемой

30 координате.

3. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что рассеиватель выполнен в виде зеркально отражаю- щей пластины, на поверхност и которой расположены взаимнО параллельные рассеивающие риски.

4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью одновременного определения двух ко- 40 ординат, рассеиватель снабжен механизмом поворота вокруг оптической оси системы формирования изображения.

Устройство по п.1, о т л и . ч а ю щ е е с я тем, что, с целью

Расширения динамического диапазона регистрируемых энергий, в него введен оптический. клин, установленный перед координатно-чувствительным приемни- 5О ком так, что направление изменения его оптической плотности перпендикулярно оси координатно-чувствительного приемника, вдоль которой определяют координату. б. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью

12 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 л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения неравномерного по углам плоского рассеяния, параллельные рассеивающие риски имеют различную глубину, а величина средней . плотности распределения рассеивающих рисок в зависимости от их глубины выбрана иэ соотношения

N(d)=.Ae где N(d) — средняя статистическая плотность распределения рисок в зависимости от, глубины профиля d мм

Л вЂ” длина волны излучения источника, мкм;

d — глубина профиля рассеивающих рисок, мкм;

А . — коэффициент, выбираемый в пределах 10 -3.0", мм >

 — коэффициент, выбираемый в пределах 10-20.

8. Устройство по пп.1,2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что рассеиватель выполнен многослойным с различными показателями преломления материалов слоев, а рассеивающие риски нанесены на поверхности раздела указанных слоев.

9. Устройство по п,1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью ïîâûшения надежности выделения изображения источника на фоне посторонней засветки фильтр пространственных частот анализатора изображения устройстjaa 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 импульсного 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).

Фиа l

Составитель Н.Гусева

Редактор Н.Рогулич Техред Ц.щайорош КоРректоР H.Бабинед

Закаэ 2088/56 Тираж 907 Подписное

ВНИИЧИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Е-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4