KVWJIWlAfl!!'? ВД1ПР0ГГЛ 5МЛ
1ЛЯ П0.ад^сКАИ1ГП=1РЛ1^М ‘1МСЩЕГО OfPAJOBAHV J
ИФУЦДОЮ AlibHOiUJAWJlIAiDW -ЙЗООСОДЫ-»

ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА
ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОДДЕРЖКА ИНТЕГРАЦИИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
И ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ НА 1997 - 2000 ГОДЫ»
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ
Издание 2-е, переработанное и дополненное
Под редакцией проф. Ю.Г. Якушенкова
Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению «Оптотехника» и специальности
«Оптико-электронные приборы и системы»
Москва • «Логос» • 2000
УДК [621.383:681.7.013.6/.8+681.586.5] (075.8)
ББК 32.86-5-02я73
П79
Рецензенты:
Доктор технических наук профессор Г.М. Мосягии
(зав. кафедрой лазерных и оптико-электронных
приборов управления МГТУ им. Н.Э. Баумана), доктор
технических наук СИ. Бездидъко (главный инженер
Московского Дома оптики ВНЦ “Государственный
оптический институт им. С.И. Вавилова”)
Авторы:
Ю.Б. Парвулюсов, С.А. Родионов, В.П. Солдатов,
А.А. Шехонин, Ю Г. Якушенков
Проектирование оптико-электронных приборов: Учебник.
П79 Изд. 2-е, перераб. и доп./Ю. Б. Парвулюсов, С. А. Родионов,
В. П. Солдатов и др.; Под ред. Ю. Г. Якушенкова - М.: Логос,
2000.— 488 с.: ил.
ISBN 5-88439-144-7
Рассмотрены общие вопросы, методика и этапы проектирования
оптико-электронных приборов (ОЭП). Приведены методики расчета
и выбора основных параметров современных ОЭП. Изложены мето-
ды расчета и конструирования основных типовых узлов ОЭП. Осо-
бое внимание уделяется вопросам компоновки, испытаний ОЭП, их
метрологической аттестации. Содержит большое число примеров
расчета и конструкций.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по на-
правлению «Оптотехника» и специальности «Оптико-электронные
приборы и системы». Представляет интерес для широкого круга спе-
циалистов, работающих в области оптического приборостроения.
ББК 32.86-5-02я73
Издание осуществлено при финансовой поддержке Федеральной
целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего
образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг.»
ISBN 5-88439-144-7
© Центр “Интеграция”, 2000
ПРЕДИСЛОВИЕ
Оптико-электронными называются приборы, в которых ин-
формация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносит-
ся оптическим излучением (содержится в оптическом сигнале),
а ее первичная обработка сопровождается преобразованием это-
го излучения (оптического сигнала) в электрическую энергию (в
электрический сигнал).
Оптико-электронный прибор (ОЭП) является сложной систе-
мой, состоящей из оптических, механических и электронных
звеньев, поэтому часто его называют также оптико-электронной
системой (ОЭС). Различия в принципах работы звеньев ОЭП, в
способах обработки сигналов, проходящих через них, а также
разнообразие условий эксплуатации ОЭП обуславливают слож-
ность и многоступенчатость процесса проектирования этих при-
боров и требуют тщательного анализа как условий работы ОЭП,
так и состояния имеющейся в распоряжении разработчика эле-
ментной базы.
Разработкой оптико-электронных приборов (ОЭП) самого
различного назначения занимаются многие коллективы специа-
листов как в нашей стране, так и за рубежом. Однако в учебной
и научно-технической литературе по ОЭП отсутствует достаточ-
но полное и систематизированное изложение основ проектирова-
ния этих приборов. Большая часть литературы по ОЭП посвяще-
на их теоретическим основам и элементной базе. В определенной
части публикаций содержатся описания отдельных групп ОЭП
без сколько-нибудь обобщенных рекомендаций по их проектиро-
ванию.
Как известно, проектированием в технике называется «раз-
работка проектной, конструкторской и другой технической до-
кументации, предназначенной для создания новых видов и об-
разцов продукции промышленности» (БСЭ, 3-е изд. Т. 21, с. 39).
3
Проектирование оптико-электронных приборов
В учебном плане подготовки специалиста-оптика курс
♦Проектирование оптико-электронных приборов» занимает осо-
бое место. Это объясняется прежде всего тем, что постоянно воз-
растающие требования к ОЭП и конкретные решения по их обес-
печению в наибольшей степени воплощаются и реализуются при
проектировании ОЭП, т.е. должны быть рассмотрены именно в
этом курсе. Кроме того, этот курс как бы подытоживает всю
предшествующую подготовку будущего специалиста, так как
базируется на всех основных курсах общепрофессионального и
приборостроительного цикла и является логическим продолже-
нием курса «Оптические и оптико-электронные системы и при-
боры», ранее называвшегося «Теория и расчет оптико-электрон-
ных приборов».
Учитывая большое разнообразие ОЭП и их широкое приме-
нение в самых различных областях науки и техники, нецелесо-
образно в рамках одного курса и одного учебника пытаться при-
вести данные по всем типам ОЭП и частным методам их проек-
тирования. Поэтому авторы сделали попытку прежде всего рас-
смотреть общие для большинства ОЭП вопросы проектирования,
достаточно общие и часто используемые на практике методы
расчета и выбора основных параметров ОЭП, особенности конст-
рукции и методы расчета параметров типовых узлов ОЭП.
Материал книги является лишь введением в проектирова-
ние ОЭП различных групп, более подробно излагаемое в других,
специальных курсах. В то же время, стремясь наполнить дан-
ный курс достаточно конкретным содержанием и приводя при-
меры используемых на практике методик расчета, конструкций
отдельных узлов и т.п., авторы имели в виду наиболее распрос-
траненные на практике группы ОЭП, в первую очередь ОЭП,
используемые в системах извлечения информации из оптичес-
ких сигналов и в системах управления, измерения и слежения.
Все содержание книги можно разделить на три части. В пер-
вой части (гл. 1—5) излагаются общие вопросы проектирования,
носящие системотехнический характер. Во второй части (гл. 6—
9) описываются методы расчета и конструирования наиболее
типовых узлов ОЭП и ОЭС: оптико-механических систем, фото-
приемных устройств, электропривода. Третья часть (гл. 10—12)
посвящена сведениям о защите ОЭП и ОЭС от воздействия внеш-
ней среды, компоновке приборов, их испытаниях и поверках.
Ю.Б. Парвулюсовым написаны п.п. 1.2, 1.3, 2.2, 2.3, 3.1,
главы 4-5, п.п. 6.1.7, 6.2, 7.2, 7.5, 7.6, глава 11, приложение и
совместно с Ю.Г. Якушенковым — п.п. 1.1, 6.4; В.П. Солдато-
вым — п.п. 6.5, 7.1, 7.3, 7.4, главы 8—10, 12 и совместно с
Ю.Г. Якушенковым — п.п. 3.6 и 8.6; С.А. Родионовым и
4
Предисловие
А.А. Шехониным — п.п. 2.1, 2.4, 2.5, 3.2-3.5; Ю.Г. Якушенко-
вым — предисловие, п.п. 3.7, 6.1.1-6.1.6, 6.3, 7.7.
Настоящее издание переработано и дополнено по сравнению
с одноименным учебным пособием, вышедшим в 1990 г. в изда-
тельстве «Машиностроение». Изменена компоновка первой час-
ти книги. Переработаны и дополнены главы 2-4, 6-8; введен
ряд новых разделов: п.п. 2.3, 2.4, 3.7, 6.1.2, 7.3.8, 7.7, 8.7.
Авторы выражают признательность и глубокую благодар-
ность рецензентам за тщательное рассмотрение содержания учеб-
ника и высказанные предложения и замечания, которые были
учтены при подготовке окончательного варианта учебника, а
также сотрудникам УПП «Репрография» МИИГАиК Ю.А. Бой-
ко, Б.В. Кузнецову, Е.В. Мельниковой и С.Н. Мельникову за
неоценимую помощь в подготовке рукописи к изданию.
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ
1.1.	Краткая классификация оптико-электронных
приборов
Существуют разнообразные способы классификации ОЭП.
Так, по конкретному назначению их можно разделить на груп-
пы: ОЭП выделения, регистрации и передачи информации, ин-
формационно-измерительные и следящие ОЭП, приборы преоб-
разования информации. Все ОЭП предназначены для получения
информации об объектах окружающей среды, переносимой оп-
тическими сигналами. Хорошо известны ОЭП, используемые для
локации, исследования природных ресурсов, измерения оптичес-
ких свойств различных объектов и др. Многие ОЭП работают в
составе следящих систем, используемых в навигации и ориента-
ции, в системах технического зрения, устройствах автоматичес-
кого контроля и управления, системах управления летательны-
ми аппаратами, системах наведения и во многих других устрой-
ствах для измерения линейных, угловых величин и определения
координат объектов. Определенной спецификой обладают опти-
ко-электронные системы противодействия и подавления оптичес-
ких схем противника [39].
Другая классификация ОЭП возможна по широкому кругу
признаков в зависимости от принципов построения приборов и
характера их применения (рис. 1.1). К числу таких признаков
могут быть отнесены параметры оптического сигнала, метод из-
мерений, спектральный диапазон работы, режим работы, степень
автоматизации, вид измерений, назначение и область примене-
ния, условия эксплуатации и др.
Наиболее емким из приведенных признаков классификации
является назначение (область применения). Практически невоз-
6
Глава 1. Введение
Рис. 1.1. Классификация ОЭП
можно найти область техники, где бы в настоящее время не
применялись ОЭП. Поэтому в схеме классификации указаны
только некоторые области техники, в которых применение ОЭП
является решающим фактором их дальнейшего развития: нави-
гация, геодезия, астрофизика, робототехника, телевизионная
техника, медицина, контрольно-измерительная техника и т.п.
В заключение следует отметить, что ОЭП внутри каждой из
рассмотренных классификационных групп могут подразделять-
ся по конструктивным, функциональным и иным признакам.
Кроме того между всеми классификационными признаками су-
ществуют прямые и косвенные связи. Например, контрольно-
измерительные приборы могут быть угломерными, автоматичес-
кими, цеховыми и т.д.
7
Проектирование оптико-электронных приборов
1.2.	Основные критерии оценки качества оптико-
электронных приборов
Критерии качества — это комплекс показателей, ис-
пользуемых для оценки свойств прибора, а также решений, при-
нимаемых на различных этапах проектирования. Вследствие спе-
цифики ОЭП и разнообразия условий их производства оценка
качества связана с рассмотрением широкого круга показателей,
укрупненно представленных на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Схема оценки качества ОЭП
Всесторонняя оценка современных изделий может быть
выполнена лишь при комплексном учете всех указанных пока-
зателей. Вместе с тем при проектировании разработчики чаще
всего оценивают качество будущего прибора по показателям
функционирования, надежности и технологичности.
Показатели функционирования характеризуют техническую
сущность прибора, и именно поэтому они стоят на первом месте
в техническом задании.
Ввиду большого разнообразия ОЭП показатели функциони-
рования могут быть самыми различными. Достаточно обобщен-
ными являются информационные характеристики, к которым
относят [4]:
-	входной язык, посредством которого осуществляется связь
прибора с наблюдаемым или контролируемым объектом;
8
Глава 1. Введение
—	энергия, необходимая для формирования единицы ин-
формации;
-	функция преобразования, описывающая зависимость
информативного параметра выходного сигнала от информатив-
ного параметра входного сигнала при номинальных значениях
неинформативных параметров;
—	выходной язык, посредством которого осуществляется
связь прибора с потребителем информации;
—	скорость выдачи информации прибором и восприятия ее
потребителем;
—	потери информации.
В практике проектирования ОЭП в качестве этих показате-
лей часто используют параметры и характеристики оптического
сигнала (входной язык), чувствительность и КПД ОЭП
(энергетические критерии), статическую (дискриминационную)
характеристику, определяющую диапазон измерений и ряд дру-
гих параметров (функция преобразования), быстродействие и
другие динамические характеристики ОЭП (например, скорость
выдачи информации). Расчету и оценке этих критериев посвя-
щены курсы по теории ОЭП [19, 20, 23, 38], а также ряд после-
дующих разделов данной книги.
Наряду с перечисленными к показателям функционирова-
ния могут быть отнесены также вид потребляемой энергии и мощ-
ность потребления, габаритные размеры и масса прибора.
Показателями надежности работы ОЭП являются такие обще-
принятые параметры, как вероятность безотказной работы Р(0,
среднее время безотказной работы Тср, интенсивность отказов I
(см. §5.7).
К показателям технологичности ОЭП относятся, в частно-
сти, технологичность деталей и узлов, удобство сборки, рацио-
нальный выбор материалов, минимальная номенклатура элемен-
тов, материалов и полуфабрикатов, взаимозаменяемость деталей,
узлов и блоков и другие характеристики, более подробно рас-
смотренные в § 5.5.
Показатели стандартизации и унификации характеризуют
степень использования стандартных изделий, уровень унифика-
ции деталей, узлов, марок комплектующих изделий и материа-
лов, соответствие унифицированных и стандартизованных изде-
лий действующим стандартам, соответствие принятых методик
контроля и аттестации требованиям Государственной системы
измерений и т.п. (см. § 5.4).
Показатели технической эстетики характеризуют степень
обеспечения в приборе требований эргономики и всестороннего
учета человеческого фактора (см. § 5.3), а патентные показатели
9
Проектирование оптико-электронных приборов
— степень новизны заложенных в ОЭП технических решений, а
также вопросы патентно-правовой защиты (см. § 2.2).
Показатели техники безопасности включают оценку нали-
чия вредных воздействий при работе оборудования, надежность
защиты от указанных воздействий и др.
Экономические показатели выражаются прежде всего в сто-
имости прибора. К основным факторам, определяющим сто-
имость прибора, относятся область применения, условия эксп-
луатации, технологичность конструкции, требования по надеж-
ности, серийность выпуска, стоимость материалов и комплекту-
ющих изделий, простота и удобство обслуживания, юстировок и
ремонта.
Таким образом, в современных условиях проектировщику
приходится иметь дело с широким кругом требований, которые
находятся в тесном взаимодействии и часто противоречат друг
другу, что приводит к многовариантности проектных решений.
1.3.	Точностные критерии качества оптико-
электронных приборов
Остановимся более подробно на таком важнейшем крите-
рии качества ОЭП, как точность, определяемая потерями инфор-
мации, которые приводят к погрешностям средств измерений и
контроля.
Обеспечение заданной точности измерения или слежения —
одна из главных задач, встающих перед разработчиком уже на
первых этапах проектирования ОЭП. Решение ее достигается
путем расчета основных метрологических параметров ОЭП и
сопоставления их с требованиями технического задания (ТЗ).
Результаты точностных расчетов помогают определить требова-
ния к отдельным узлам прибора, допуски на погрешности их из-
готовления и сборки, допуски на параметры и характеристики
элементов ОЭП и многие другие.
Как правило, точность ОЭП определяется общей допустимой
погрешностью его работы, являющейся совокупностью ряда со-
ставляющих. Способы разделения общей погрешности на состав-
ляющие, т.е. классификация последних, могут быть различны-
ми. Часто в составе общей погрешности выделяют методичес-
кую и инструментальную (конструкторско-технологическую)
составляющие.
Методические погрешности обусловлены, в частности, неточ-
ностью сведений о ряде физических факторов, например скоро-
10
Глава 1. Введение
сти распространения излучения в среде, а также несовершенством
выбранной методики измерений или принятыми допущениями.
Инструментальная погрешность, в свою очередь, содержит
ряд составляющих, к которым относятся:
1)	погрешность, вызванная неидеальностью отдельных зве-
ньев ОЭП, например наличием шумов, люфтов, дрейфов пара-
метров, что приводит к отличию реальной функции преобразо-
вания — зависимости между выходным сигналом и входным
рассогласованием (информативным параметром), характерной
для нормальных (стандартных) условий функционирования ОЭП,
— от идеальной функции преобразования (статической характе-
ристики). Эта составляющая называется основной погрешностью
прибора;
2)	погрешность, обусловленная реакцией прибора на изме-
нения внешних влияющих факторов и неинформативных пара-
метров входного сигнала относительно их номинальных значе-
ний. Эта составляющая называется дополнительной погрешнос-
тью;
3)	погрешность, возникающая как реакция прибора на ско-
рость или частоту изменения входного сигнала. Она, как и основ-
ная погрешность, зависит от свойств отдельных звеньев прибо-
ра, например от их инерционности, но выделяется как отдель-
ная составляющая и называется динамической погрешностью;
4)	погрешность, обусловленная взаимодействием прибора и
наблюдаемого или контролируемого объекта (объекта измере-
ний).
Часто эта составляющая для ОЭП пренебрежимо мала по
сравнению с первыми тремя составляющими.
Инструментальную погрешность можно рассматривать как
сумму статической и динамической погрешностей, если считать,
что ОЭП является линейной динамической системой.
Нужно отметить, что даже если для одного конкретного об-
разца прибора эти составляющие будут систематическими, то для
группы однотипных приборов, они, как правило, являются слу-
чайными. Случайность особенно присуща дополнительной и ди-
намической погрешностям, поскольку влияющие величины (тем-
пература, посторонние электромагнитные поля и др.) и входные
сигналы часто представляют собой случайные процессы.
Обычно считают, что основная погрешность складывается из
систематической погрешности Д^, определяемой своим матема-
тическим ожиданием, случайной погрешности До и случайной
погрешности квантования До9 > которая имеет место в аналого-
цифровых и цифровых приборах, т.е.
11
Проектирование оптико-электронных приборов
^0 — ^Os + 0+ 0? •
В ГОСТ 8.009-84 «Нормируемые метрологические характе-
ристики средств измерений» содержатся рекомендации по учету
случайной составляющей систематической погрешности.
Для оценки погрешностей, вызываемых трением, люфтами,
гистерезисом и другими явлениями, ГОСТ 8.009-84 из случай-
ной погрешности До рекомендует выделять отдельную
составляющую Д оя , подчиняющуюся равномерному закону рас-
пределения в пределах некоторого интервала, называемого ва-
риацией (см. ниже).
Номенклатура основных метрологических характеристик,
используемых для расчетной оценки инструментальной составля-
ющей общей погрешности, определяется ГОСТ 8.009-84, допу-
скающим использование и других, дополнительных метрологиче-
ских характеристик, необходимых для оценки инструменталь-
ной погрешности.
Все метрологические характеристики должны быть указаны
в нормативно-технической документации на ОЭП, причем долж-
ны быть оговорены или рекомендованы методы расчета
инструментальной составляющей общей погрешности конкрет-
ного прибора для реальных условий его эксплуатации.
К числу основных относятся следующие метрологические ха-
рактеристики:
—	предназначенные для определения результатов измерений,
в частности функция преобразования, т.е. зависимость выход-
ного сигнала от входной величины, цена деления шкалы измери-
тельного ОЭП, вид выходного кода, число разрядов и цена еди-
ницы наименьшего разряда этого кода;
—	погрешности прибора: значение систематической состав-
ляющей Д„ среднее квадратическое отклонение о[Л] случайной
составляющей погрешности, нормализованная автокорреляцион-
ная функция г. (т) или спектральная плотность S. (со) этой слу-
чайной составляющей, функции или плотности распределения
вероятностей систематической и случайной составляющих по-
грешности, вариация Н выходного сигнала;
—	чувствительность прибора к влияющим величинам: функ-
ции влияния, т.е. зависимости метрологических характеристик
от изменения условий эксплуатации и других влияющих на точ-
ность факторов, а также изменения значений метрологических
характеристик при изменении этих факторов в определенных
пределах;
12
Глава 1. Введение
-	динамические, в качестве которых для ОЭП, работающих
как аналоговые линейные системы, можно выбирать: переход-
ную характеристику h(t), импульсную переходную характери-
стику g(t), частотную характеристику G(jio) или передаточную
функцию G(s), постоянную времени и время реакции (время уста-
новления выходного сигнала), а для аналого-цифровых и цифро-
вых ОЭП — погрешность td датирования отсчета, максимальную
частоту измерений /так.
Указанные и другие метрологические характеристики норми-
руют для конкретных ОЭП, определяя пределы (граничные ха-
рактеристики), в которых они должны находиться при предусмо-
тренных условиях работы прибора. Эти пределы являются гра-
ницами интервала, в котором значение метрологической характе-
ристики должно находиться с заданной вероятностью Р. Норми-
рование проводится для рабочих и нормальных условий эксплу-
атации прибора, которые оговариваются в ТЗ или ТУ. Форма
представления метрологических характеристик (формула, таб-
лица, график, числовые значения) также указывается в техни-
ческой документации.
Установление комплекса нормируемых метрологических ха-
рактеристик для конкретного прибора начинают с выбора моде-
ли погрешности. Одна из таких моделей, предусмотренная ГОСТ
8.009—84, для инструментальной составляющей погрешности
имеет вид:
1
=	* А 0* А ОН* У, ^ct * ^di/n * Ajnt >	(1.1)
i=l
где 4, и До — систематическая и случайная составляющие ос-
новной погрешности прибора; До^ — случайная составляющая
основной погрешности, обусловленная гистерезисом;	-
- „ - «=1
объединение дополнительных погрешностей, обусловленных дей-
ствием влияющих величин и неинформативных параметров
входного сигнала; Adyn — динамическая погрешность; I — число
дополнительных погрешностей, существенно влияющих на точ-
ность прибора; — составляющая погрешности, обусловлен-
ная взаимодействием прибора с объектом измерения или конт-
роля. Знак * обозначает объединение отдельных составляющих,
т.е. функционал, позволяющий рассчитать погрешность,
обусловленную совместным воздействием отдельных составляю-
щих. Например, этот функционал может описывать простое
арифметическое или квадратичное сложение.
13
X
Проектирование оптико-электронных приборов
Другой моделью погрешности может быть
i
Ди = до*ХЛ«,Д^«’	(1.2)
4=1
где До — основная погрешность без разделения ее на составляю-
щие, как это имело место в (1.1). Такую модель применяют в тех
случаях, когда До можно считать пренебрежимо малой, т.е. вы-
полняются одновременно два неравенства:
о[Д 0]/Н0 < 0,9 и о[Д0]/Д08р<0,1,
где о[Д0] —среднее квадратическое отклонение случайной со-
ставляющей основной погрешности; Но — основание закона рас-
пределения Д 0 ; До sp — предел допустимой систематической со-
ставляющей основной погрешности.
Другие условия, в соответствии с которыми отдельные состав-
ляющие (1.1) и (1.2) относят к существенным или несуществен-
ным, содержатся в ГОСТ 8.009-84, а также в ГОСТ 8.508-84
«Метрологические характеристики средств измерений и точнос-
тные характеристики средств автоматизации ГСП».
Если систематическая составляющая инструментальной пог-
решности может быть устранена или учтена, а общая погреш-
ность определяется главным образом случайными составляющи-
ми, то в качестве ее модели принимают [5]
_2	-.2 . _2 .	2	, _2
°£ - °м + °и + Cdyn + °ш »
где	, <5^, — дисперсии случайных составляю-
щих общей (суммарной) погрешности и ее составляющих: мето-
дической, инструментальной, динамической и шумовой. Здесь
динамическая и шумовая (обусловленная шумами и помехами
внутреннего и внешнего происхождения) составляющие выделе-
ны из общей инструментальной погрешности.
Вариацией Н погрешности измерительного прибора назы-
вают основание закона распределения случайной составляющей
Д н погрешности, обусловленной гистерезисом, т.е. разность
между двумя математическими ожиданиями информативного
параметра выходного сигнала, получающимися при измерениях
одной и той же величины с плавным медленным подходом к ней
со стороны меньших Д' и больших Д" значений.
Статистическую оценку Д„н систематической составляющей
Д8 погрешности конкретного экземпляра ОЭП рассчитывают по
формуле
14
Глава 1. Введение
аЛ=р'+2")/2,
где полученные из п измерений 2' и 2" соответственно равны:
1^	1^
4=1	4=1
При Н = 0 эту оценку определяют по результатам 2п изме-
рений:
2п
Л‘ = 2^Л
О[2Я] =
Оценка о[Ан] среднего квадратического отклонения случай-
ной составляющей погрешности конкретного экземпляра ОЭП
или при Н = О
J2n _	/
£(A1.-2s)7(2n-l).
4=1
Оценка Af[2s] математического ожидания систематической
составляющей погрешности прибора какого-либо типа
-	1т~
M[2s] = ^2si,
где т—число приборов, используемых при оценке М[2S] ; 2sj —
значение А, для i-ro экземпляра прибора.
Если для множества приборов данного типа систематичес-
кая составляющая погрешности рассматривается как случайная
величина, то оценка o[Ag] ее среднего квадратического откло-
нения определяется как [5]
|т	_
5[д.]=1Е<д.‘+м1д.1>/('п-1)-
V 4=1
В достаточно общем виде действительную и номинальную
(расчетную) характеристики преобразования можно представить
в следующем виде:
15
Проектирование оптико-электронных приборов
У = f (х, 9i, q2, • - .,qn, q{ ,q'2,... q[);
Уо = 4)(XO’?lO’?2O’-"’?nO>91O’92O»-"?Zo)»	)
где у и y0 — действительное и номинальное значения информатив-
ного параметра выходного сигнала соответственно; х и х0 — то
же для информативного параметра входного сигнала; совокупно-
сти qir q2, qn и g10, qm, qn0 —действительные и номиналь-
ные значения конструктивных параметров прибора или его уз-
лов и деталей; совокупности q{,q2,...qn и 9io’?2O’---9nO — дей-
ствительные и номинальные значения влияющих факторов; f и
/о — действительная и номинальная функции (характеристики)
преобразования, связывающие х и у.
Общая (полная) погрешность прибора Дг/Е является суммой
погрешности приближения Дг/пр, определяемой отклонением выб-
ранной номинальной расчетной характеристики у от идеальной
(абсолютно точной), и функциональной погрешности Дуф, учи-
тывающей отклонения действительных значений х, q и q' от номи-
нальных. Считая величины Дуф малыми, при п первичных
погрешностях конструктивных параметров и I влияющих фак-
торах в линейном приближении получим:
Ax + [f(x,g1,g2,
.?n.9i'>92»--r9z')-
?10,?20’-- ’?п0»910’?20’
щ'ь-
Jo
Здесь частные производные Эг//Эх,Эг//Эд( ,Эг//Эд' — переда-
точные функции (коэффициенты влияния) первичных погреш-
ностей; Дх = х - х0 — отклонение информативного параметра от
его номинального значения; второй член суммы в правой части
(1.4)—теоретическая инструментальная погрешность, которая,
как и Дх, часто может быть отнесена к методическим погрешно-
стям; Дд( = qt~ qi0 — первичная инструментальная погрешность
i-ro конструктивного параметра; Ag^ =q'q'^o — изменение fe-ro
влияющего фактора; индекс «О» при частных производных ука-
зывает, что они вычислены при номинальных значениях qi0 и
q'k0 , т.е. без учета погрешностей.
16
Глава 1. Введение
Запишем последнее выражение в более общем виде:
т	<р	и
=X Р^/Эх/)оАх>+X А^прР+X (Э^/МОЛ?-+
у=1	р=1	1=1
Л/, ,Х А ,	d-5)
+ Х(Э^»)оА5*-
Л=1
Первое слагаемое правой части определяет методическую
погрешность, обусловленную неточностью знания или измене-
нием входного сигнала, зависящего от т факторов и складыва-
ющуюся из т составляющих. Второе слагаемое — сумма <р тео-
ретических погрешностей. Третье является суммой п первичных
инструментальных погрешностей. Четвертое слагаемое — сумма
дополнительных погрешностей, вызванных I влияющими фак-
торами. Считая первые два слагаемых (1.5) составляющими об-
щей методической погрешности А„, третье слагаемое — основ-
ной инструментальной погрешностью Дои и четвертое — допол-
нительной инструментальной погрешностью Адопи, перепишем
(1.5) в виде
Дг/1=Дм + До.и. + ДдоП.и-	(1-6)
17
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
2.1.	Уровни проектирования
Разработка сложных систем, какими являются ОЭП, про-
водится в определенной последовательности.
Отправной точкой создания любой системы являются выбор
и формулировка цели проектирования. Необходимость создания
нового изделия определяется как развитием конкретного направ-
ления техники, так и запросами потребителей (научных и про-
изводственных учреждений, человека-оператора и др.). Это тре-
бует предварительного анализа потребностей общества и уровня
развития науки и техники, в особенности таких отраслей, как
оптика, электроника, вычислительная техника, точная механи-
ка. При этом главная трудность состоит в том, что разработчик
на основании анализа современных данных должен прогнозиро-
вать развитие систем, созданием которых он занимается.
Обоснование исходных данных требует учета назначения
системы, основных видов ее взаимодействия с другими система-
ми или подсистемами, если она является подсистемой, входя-
щей в состав другой более крупной системы, влияния внешних
факторов.
В результате указанного рассмотрения должна быть получе-
на совокупность исходных данных для проектирования прибо-
ра, которая содержит:
—	перечень всех переменных, имеющих место в процессе из-
мерения;
—	исчерпывающее определение физических объектов изме-
рения и окружающей их среды;
18
Глава 2. Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
—	перечень всех функций, осуществляемых при измерениях;
-	перечень первичных преобразователей, соответствующих
измеряемым величинам и входному устройству измерительной
системы;
—	перечень испытательных процедур, т.е. перечень методов
калибровки (эталонирования) прибора и необходимой коррекции
результатов измерений;
-	указание необходимого вида представления результата
измерения (аналоговый, цифровой);
—	перечень способов регистрации результатов измерений и
регистрирующих, телеметрических и обрабатывающих резуль-
таты измерений частей прибора;
-	оценку внешних воздействий и чувствительности к ним
прибора, возможных неисправностей и отказов;
—	особенности размещения, использования прибора и т.п.
Обоснование исходных данных — весьма ответственный этап,
и поэтому его целесообразно вести совместными усилиями раз-
работчиков, заказчиков и потребителей проектируемой системы.
Результатом проделанной работы является техническое за-
дание (ТЗ) на прибор, после утверждения которого можно пере-
ходить к собственно проектированию.
Различают следующие основные уровни проектирования:
информационно-логический, системотехнический, схемотехни-
ческий, конструкторский и технологический. Первые три уров-
ня иногда объединяют в единый функциональный, или схемный
уровень проектирования.
В процессе проектирования на информационно-логическом
уровне определяется конкретная структура данного прибора,
определяются связи функциональных устройств между собой и
устанавливаются требования технических заданий на проекти-
рование отдельных функциональных устройств, исходя из тре-
бований технического задания на прибор в целом. Техническое
задание на проектирование того или иного устройства содержит
требования к сигналам, информации и командам, вырабатывае-
мым этим устройством.
Таким образом, проектирование на этом уровне состоит из
определения сначала структуры проектируемого объекта, а за-
тем в определении оптимальных значений параметров этой струк-
туры, т.е. составляющих ее элементов.
На следующем уровне функционального проектирования —
системотехническом — производится проектирование отдельных
функциональных устройств, т.е. процесс разбивается на отдель-
ные ветви. Каждое из функциональных устройств рассматрива-
ется здесь как структура, состоящая из взаимосвязанных функ-
19
Проектирование оптико-электронных приборов
циональных блоков. Процесс проектирования заключается в
определении оптимального состава и параметров блоков, напри-
мер, оптической системы, приемника излучения, электронного
тракта, системы отображения.
Все эти отдельные блоки рассматриваются на этом уровни
как преобразователи сигналов, безотносительно к их внутренне-
му устройству. Здесь определяются требования к преобразова-
нию сигналов тем или иным блоком, т.е. к его передаточным и
прочим характеристикам.
На следующем уровне, который называется схемотехничес-
ким, производится проектирование отдельных блоков, входящих
в состав функциональных устройств, в соответствии с техничес-
кими заданиями, определенными на предыдущем уровне.
Каждому блоку соответствует своя ветвь, причем, начиная с
этого уровня, различные ветви имеют различную «специализа-
цию» в соответствии с физической природой блоков, игнориру-
емой на предыдущем уровне.
Схемотехнический уровень является важнейшим при функ-
циональном проектировании. В настоящее время он занимает
наибольший объем работы и именно на этом уровне определяют-
ся основные параметры различных схем прибора, в конечном
итоге обеспечивающие правильную работу прибора в соответ-
ствии с техническим заданием. Например, на этом уровне выде-
ляется оптическая ветвь и производится расчет оптической сис-
темы прибора.
Исходными данными являются требования к оптической
системе как к преобразователю сигнала, полученные на преды-
дущем, системотехническом, уровне проектирования. Сюда вхо-
дят требования к различным характеристикам, описывающим
качество изображения, например, к размерам и форме пятна
рассеяния (изображения точки) или передаточным функциям
оптической системы. К ним также относятся требования к свето-
силе оптической системы и ее увеличению. Должны быть зада-
ны также геометрические параметры — размеры, показываю-
щие расположение поверхностей предмета и изображения, раз-
меры поля предмета и изображения, а также спектральный ин-
тервал длин волн. Кроме этого задаются различного рода огра-
ничения, например, габаритные, по используемым материалам
и т.п.
Целью проектирования оптической системы на этом уровне
является определение как ее структуры, т.е. количества входя-
щих в нее элементов и их типов, так и численных значений па-
раметров этих элементов.
20
Глава 2. Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
Большинство оптических систем являются «центрированны-
ми». С точки зрения разработчика на схемотехническом уровне
такая оптическая система использует в качестве функциональ-
ных элементов оптические среды и оптические поверхности и
полностью описывается такими параметрами, как радиусы кри-
визны поверхностей (при необходимости — коэффициенты асфе-
рики), осевые расстояния между поверхностями, показатели
преломления или марки оптических материалов, из которых
состоят среды, разделяющие эти поверхности, световые диамет-
ры. Результатом проектирования является оптическая схема
(«оптический выпуск»), содержащая численные значения и до-
пускаемые отклонения указанных параметров.
На электронной ветви схемотехнического уровня произво-
дится проектирование электронных схем блоков, преобразующих
сигналы. Здесь, как и на оптической ветви, определяется струк-
тура схемы, т.е. состав и соединения ее функциональных эле-
ментов (резисторов, конденсаторов, транзисторов, интегральных
схем и т.д.), а затем и значения их параметров.
На механической ветви производятся аналогичные действия
по проектированию кинематической схемы какого-либо устрой-
ства прибора.
Таким образом в процессе схемотехнического проектирова-
ния разработчик определяет элементную базу будущего прибо-
ра.
Как показывает практика, очень часто проектирование но-
вых элементов на этом уровне не требуется, и работа сводится к
подбору элементов из имеющихся стандартных или покупных.
Рассмотренные уровни функционального проектирования
являются типичными для оптико-электронного прибора средней
сложности. В более простых случаях некоторые уровни могут
исключаться, например, информационно-логический или систе-
мотехнический.
Конструкторское проектирование, или просто конструиро-
вание, идет обычно параллельно функциональному проектиро-
ванию или с некоторым отставанием и является важнейшей вет-
вью процесса проектирования, поскольку именно здесь оптико-
электронный прибор приобретает не только схемную, но и мате-
риальную (правда пока только в документации) реализацию.
Важность этой ветви проектирования трудно переоценить. Раз-
работчик, работающий на этом уровне, называется обычно про-
сто конструктором и очень часто выполняет столь значительный
и ответственный объем работы, что термин «конструирование»
переносится и на функциональное проектирование. Более пра-
вильно, однако, различать эти два уровня проектирования, тем
21
Проектирование оптико-электронных приборов
более, что в большинстве проектных организаций они выполня-
ются разными людьми и даже разными подразделениями. Так
например, проектирование оптической системы (оптической схе-
мы) прибора выполняет обычно оптик-расчетчик или оптик-вы-
числитель, работающий в специализированном оптическом вы-
числительном бюро. Результатом этого проектирования являет-
ся оптический выпуск, содержащий всю необходимую информа-
цию об оптической схеме, включая ее параметры и их допусти-
мые отклонения и т.д. На основании этой информации другой
разработчик — конструктор оптик-механик — выполняет конст-
руирование соответствующего оптического узла, например,
объектива, диафрагм, механизма фокусировки объектива и т.д.
Он выпускает чертежи всех деталей этого объектива, включая
оптические сборочные чертежи отдельных узлов и объектива в
целом.
Естественно, что этот процесс может быть итерационным.
Так, в случае, если конструктору никак не удается надежно зак-
репить какую-либо оптическую деталь из-за неудачных с конст-
руктивной точки зрения ее параметров, например, слишком
крутых радиусов кривизны, приходится возвращаться на ветвь
функционального проектирования и пересчитывать оптическую
схему с изменением ее параметров.
Аналогичная картина наблюдается для электронных и кине-
матических схем. После того, как они разработаны на уровне
функционального проектирования, конструктор материализует
эти схемы в виде определенного монтажа на печатной плате, в
виде деталей и узлов механизма.
Конструирование, также как и функциональное проектиро-
вание, разделяется на уровни. Верхний уровень — это компоно-
вочный, на котором определяется общая компоновка всего при-
бора, взаимное расположение его отдельных узлов. Один или
несколько следующих уровней, в зависимости от сложности при-
бора, — это уровни узлов (сборочных единиц), где разрабатыва-
ются конструкции отдельных частей прибора. Сразу за компоно-
вочным уровнем процесс конструирования может разделяться на
ветви, соответствующие различным, например, механическим,
оптико-механическим узлам, электронным или электромехани-
ческим узлам и т.д. И, наконец, последний уровень — это уро-
вень деталей, на котором разрабатываются и выпускаются рабо-
чие чертежи отдельных деталей.
Как уже говорилось, на уровне технологического проектиро-
вания производится разработка технологических процессов из-
готовления прибора. Как и на других стадиях разработки, здесь
выделяются различные уровни. Верхним уровнем является уро-
22
Глава 2 Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
вень испытаний прибора, на котором разрабатываются методи-
ки испытаний прибора на соответствие различным пунктам тех-
нического задания. Следующим идет уровень юстировки, где раз-
рабатываются методики юстировки прибора, затем уровень сбор-
ки всего прибора, далее процесс разветвляется по отдельным
узлам (сборочным единицам). На этих уровнях разрабатываются
техпроцессы сборки, юстировки и контроля различных сбороч-
ных единиц прибора. Наконец, на низших уровнях разрабатыва-
ются технологические процессы изготовления отдельных дета-
лей.
Результатами работы на ветви технологического проектиро-
вания являются технологические карты, методики юстировки и
контроля, данные для станков с ЧПУ и ГАП.
2.2.	Оценка существующего уровня
развития техники
Оценка существующего уровня техники представляет со-
бой сложную научно-техническую задачу. Ее успешное решение
связано со всесторонним изучением различных источников на-
учно-технической информации — информационным поиском.
Любое изделие техники имеет в своем составе общеизвест-
ные элементы, связанные между собой разными способами. Од-
нако общеизвестность — понятие относительное, во многом за-
висящее от уровня знаний и квалификации разработчиков. Об-
щеизвестность технических решений состоит в том, что они
зафиксированы в стандартах, типовых проектах, учебниках,
монографиях и других изданиях и широко используются в прак-
тической работе. Вместе с тем всегда существуют технические
решения, известные немногим разработчикам и относящиеся к
специфическим приборам и изделиям. Информация об этих ре-
шениях публикуется в специальной литературе. К малоизвест-
ной может быть отнесена также новая техническая информация,
поскольку она еще не имеет широкого распространения.
Роль технической информации в новых разработках необы-
чайно велика. Если разработчик стремится к созданию действи-
тельно современных и имеющих перспективу дальнейшего раз-
вития приборов, он должен творчески переработать имеющиеся
в его распоряжении или заимствованные из технической литера-
туры сведения, технические решения и приспособить их к кон-
кретным условиям.
23
Проектирование оптико-электронных приборов
Увеличение объема научно-технической информации, связан-
ное с общим бурным развитием науки и техники, проявляется в
постоянном увеличении числа различных видов и количества
информационных материалов. Стремление освоить всю преды-
дущую информацию не дает результата. Информацию по акту-
альным конкретным вопросам следует изучать, начиная с новей-
ших достижений и кончая ретроспективной информацией.
Результаты информационного поиска должны сочетаться с
конструктивной преемственностью, заключающейся в
использовании при разработках решений существующего уров-
ня данной и смежных отраслей и в введении в разрабатываемое
изделие всего нового и полезного, выявленного в процессе поис-
ка.
Конструктивная преемственность не ограничивает творчес-
кую инициативу разработчика, а помогает находить наилучшее
техническое решение.
Информационный поиск прежде всего проявляется в изуче-
нии источников научно-технической информации.
Кратко охарактеризуем особенности некоторых источников
научно-технической информации.
Обзоры освещают внедренные в техническую практику ре-
шения и мероприятия, направленные на ее совершенствование.
В аналитические обзоры включаются анализ и обобщение дан-
ных о состоянии и направлениях развития отдельных отраслей
промышленности.
Реферативные издания дают краткие описания новых схем
и конструкций приборов, технологических процессов, результа-
тов научно-исследовательских и проектно-конструкторских
разработок. Рефераты создаются путем обработки журнальных
статей, сборников трудов, научных отчетов, итогов конференций,
описаний изобретений и т.п.
Экспресс-информация представляет собой периодическое
издание, содержащее краткое изложение последних наиболее
важных производственно-технических достижений НИИ, КБ,
предприятий, а также зарубежной техники.
Библиографические издания содержат аннотированные ука-
затели информационных материалов, новинок технической
литературы и других информационных материалов по конкрет-
ным отраслям техники.
Бюллетени изобретений содержат формулы изобретений с
иллюстрациями, необходимыми для понимания сущности изоб-
ретений. Более подробную информацию дают описания изобре-
тений к авторским свидетельствам и патентам, которые могут
24
Глава 2. Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
быть затребованы, если выявленные изобретения представляют
интерес для разработчика. Эти материалы позволяют реализо-
вать техническое решение без дополнительного изобретательс-
кого творчества и в то же время способствуют его развитию,
поскольку оперативно отражают последние технические дости-
жения в данной области. Изучение патентной литературы состав-
ляет основу патентных исследований.
Материалы конференций включают тезисы докладов, реко-
мендации, решения, отчеты.
Каталоги и проспекты содержат технические и эксплуа-
тационные характеристики приборов и оборудования с чертежа-
ми и иллюстрациями.
Помимо научно-технической информации большой интерес
представляет производственно-техническая информация,
отражающая конкретные технические решения, рекомендации
по разработке узлов, блоков и других составных частей прибо-
ров. Сюда могут быть отнесены различные информационные
материалы производственного характера (рефераты, статьи, пе-
реводы, стандарты, тематические сборники и др.).
Типовые и руководящие материалы (РМ) дают рекоменда-
ции по проведению расчетов и разработке конструкций прибо-
ров и их отдельных узлов, примеры типовых схем и конструк-
ций, методик проведения исследований и испытаний и др.
Справочные материалы включают различные справочники
конструктора, энциклопедические издания, каталоги, номенк-
латурные справочники, прейскуранты и др.
Нормативно-техническая документация состоит из государ-
ственных стандартов (ГОСТ), отраслевых стандартов (ОСТ), стан-
дартов предприятия (СТП), технических условий (ТУ), руководя-
щих технических материалов (РТМ), технических описаний (ТО)
и др.
Графические материалы содержат полные комплекты рабо-
чих чертежей в виде светокопий, альбомы общих видов и типо-
вых схем, конструкций, проектов. Такая техническая информа-
ция может быть выявлена на основе рассмотрения картотеки
калъкодержателя, содержащей сведения о распространении
информационными центрами рабочих чертежей, внедренных в
производство изделий. Картотека дает краткую аннотацию вне-
дренной конструкции, копию чертежа общего вида, адрес каль-
кодержателя и данные для оформления заказа на рабочие черте-
жи.
В последнее время широкое распространение получили но-
вые методы записи и хранения информации и документации, в
том числе и конструкторской. В их числе микрофильмирование,
25
Проектирование оптико-электронных приборов
создание компьютерных баз данных на различных носителях,
применение голографических систем и т.п. Различную инфор-
мацию, полезную для проектирования, можно получить через
компьютерные информационные сети, в частности Internet.
Необходимо также отметить, что часто полезная информа-
ция может быть получена разработчиками при участии их в ра-
боте конференций, семинаров, совещаний, из лекций, сообще-
ний по радио и телевидению, личных бесед со специалистами,
консультаций на предприятиях, в НИИ, КБ и т.д.
Для координации в деле распространения и оперативного
использования научно-технической и производственно-техничес-
кой информации в отраслях промышленности и в стране в целом
действует широкая сеть органов научно-технической информа-
ции (НТИ). В стране организована и действует разветвленная
система органов по распространению НТИ.
Общее руководство этой работой осуществляет Министерство
науки и технологии РФ (Миннауки). Роль общегосударственных
органов информации выполняют информационные центры, в
числе которых:
Всероссийский институт научной и технической информа-
ции РАН (ВИНИТИ), издающий реферативный журнал (РЖ),
экспресс-информацию, ежегодные и ежемесячные сборники;
Федеральный институт промышленной собственности
(ФИПС) Российского агенства по патентам и товарным знакам
(Роспатент);
Всероссийская патентно-техническая библиотека (ВПТБ);
Всероссийский научно-технический информационный центр
(ВНТИЦ), осуществляющий обмен информацией о результатах
НИР в стране;
Государственная публичная научно-техническая библиотека
РФ (ГПНТБ);
Российская книжная палата (РКП);
Всероссийский центр переводов научно-технической литера-
туры и документации (ВЦП);
Научно-исследовательский институт межотраслевой инфор-
мации (НИИМИ) и др.
Перечисленные органы НТИ обобщают опубликованную
информацию и через свои публикации доводят ее до сведения
заинтересованных организаций и лиц.
Отраслевые органы информации перерабатывают НТИ, посту-
пающую из различных источников, включая неопубликованные,
и обеспечивают выпуск обзорной, реферативной и другой инфор-
мации по конкретной отрасли. Отраслевые центры НТИ издают
также реферативную и обзорную информацию по наиболее акту-
26
Глава 2. Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
альным проблемам НИР и ОКР отрасли и направляют ее заинте-
ресованным предприятиям и организациям.
На предприятиях, в научно-исследовательских и проектно-
конструкторских организациях создаются отделы (бюро) науч-
но-технической информации (ОНТИ, БНТИ), которые осуществ-
ляют оперативное обслуживание работников этих организаций
информацией о новейших научных и производственно-техничес-
ких достижениях по конкретным вопросам их деятельности, для
чего непосредственно подбирают и комплектуют необходимую
информацию для выполнения конкретных разработок в проект-
но-конструкторских подразделениях. Эти подразделения осуще-
ствляют также систематизацию, изучение, анализ и обобщение
информационных материалов по тематике разработок данной
организации, обмен опытом между родственными организация-
ми, представляют информацию о научно-технических разработ-
ках и достижениях организаций в другие информационные орга-
ны.
Оценка существующего уровня техники по конкретному и
смежным направлениям может быть оформлена в виде отчета о
проведении информационного поиска с заключением о целесооб-
разности применения тех или иных новых научно-технических
решений. Поскольку оценка выполняется в рамках НИР или
ОКР, ее результатом может быть также предварительная прора-
ботка научно-технической задачи в виде аванпроекта. Такая
предварительная проработка позволяет более глубоко исследо-
вать комплекс вопросов с оценкой существующего уровня разра-
боток в данной области и на этой основе определить необходи-
мость и целесообразность создания нового изделия до составле-
ния технических заданий на его разработку. Аванпроект должен
гарантировать возможность создания изделия, отвечающего по
своим технико-экономическим показателям высшему мировому
уровню на момент освоения его в производстве.
Аванпроект должен обеспечить: формирование прогрессив-
ных исходных требований к новому изделию, отвечающих выс-
шему мировому уровню, и создание предпосылок для его раци-
ональной разработки, производства и эксплуатации; выявление
необходимой потребности в данном изделии; сокращение сроков
и затрат на разработку и освоение новой продукции за счет тща-
тельной предварительной проработки основных вопросов и сни-
жения вероятности ошибок в процессе дальнейших работ.
27
Проектирование оптико-электронных приборов
2.3.	Технико-экономическое обоснование
Важным видом деятельности в процессе проектирования
ОЭП является технико-экономическое обоснование (ТЭО) разра-
батываемого прибора. Целью ТЭО является обоснование эконо-
мической целесообразности разработки опытного образца и пос-
ледующего серийного или массового производства новых прибо-
ров или модернизации уже выпускаемых.
Несмотря на то, что ТЭО выполняют экономические подраз-
деления предприятия или проектно-конструкторской организа-
ции, разработчик прибора должен представлять сущность этой
работы, тем более что от него требуются различные сведения о
проектируемом объекте, являющиеся исходными данными для
ТЭО.
За последние годы в связи с формированием новых экономи-
ческих отношений порядок и содержание ТЭО претерпели опре-
деленные изменения. Широкое распространение получили такие
виды деятельности как изучение спроса, анализ ценообразова-
ния, стимулирование сбыта, планирование товарного ассортимен-
та, обеспечение сбыта и торговых операций, а также деятель-
ность, связанная с хранением и транспортированием изделий,
управлением торгово-коммерческим персоналом, организацией
обслуживания потребителей, словом все то, что в настоящее вре-
мя называется маркетингом. Вместе с тем основная сущность
ТЭО — достижение современного уровня качества продукции,
обеспечение ее экономической эффективности и перспектив для
дальнейшего совершенствования — осталась неизменной.
Экономическая эффективность проектируемого ОЭП харак-
теризуется рядом технико-экономических показателей, опреде-
ляющих степень прогрессивности выбранных решений, а также
сравнением разрабатываемого прибора с лучшими аналогами по
показателям технологичности, организации производства, эко-
логии и т.д.
Показатели эффективности проектируемого прибора можно
разделить на частные, обобщенные и результирующие.
К частным показателям, характеризующим локальные па-
раметры средств и способов производства, относятся: трудоем-
кость, материалоемкость, энергоемкость, фондоемкость работ,
производительность труда и др.
Обобщенные показатели, определяющие совокупность затрат
и результатов использования средств и способов производства,
включают: объем производства, объем продаж в натуральном и
денежном выражении, себестоимость, капитальные затраты,
28
Глава 2. Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
требуемый объем инвестиций, прибыль и рентабельность продук-
ции и производства и др.
Результирующие показатели, которые отражают улучшение
частных и обобщенных показателей по сравнению с предшеству-
ющим или принятым в качестве базового объектом, включают:
прирост прибыли, прирост объемов производства и продаж, срок
окупаемости, годовой экономический эффект, экономию приве-
денных затрат и т.д.
Экономический эффект Э от реализации научно-исследова-
тельских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) определя-
ется как превышение стоимостной оценки результатов Р над
стоимостной оценкой совокупных затрат ресурсов 3 за период
осуществления НИОКР, т.е. Э = Р - 3.
Для стоимостной оценки результатов и затрат могут быть
использованы базисные, мировые, прогнозные и расчетные цены.
Под базисными понимаются цены, сложившиеся в народном
хозяйстве на определенный момент времени. Применяются эти
цены, обычно, на стадии технико-экономических исследований
при допущении, что цены будут неизменными в течение расчет-
ного периода.
На стадии технико-экономического обоснования НИОКР
расчеты выполняются в прогнозных или расчетных ценах, кото-
рые отражают изменение цен за расчетный период в связи с
инфляцией или другими изменениями экономической ситуации.
Оценка затрат и результатов при определении эффективнос-
ти НИОКР осуществляется в пределах расчетного периода, про-
должительность которого (горизонт расчета) принимается с уче-
том продожительности создания, эксплуатации и ликвидации
проектируемого объекта, нормативного срока службы оборудо-
вания, достижения заданной нормы прибыли, требований инве-
сторов и т.д. Горизонт расчета может разделяться на некоторое
число шагов расчета. В качестве шага при определении показа-
телей эффективности могут приниматься месяц, квартал, год.
В условиях постоянно меняющихся цен осуществляется дис-
контирование затрат и результатов, т.е. приведение разновре-
менных показателей к ценности денег начального шага расчет-
ного периода с помощью коэффициента приведения затрат и
результатов at = 1/(1 +-Е)', где t — номер шага горизонта расче-
та; Е — норма дисконта, принимаемая в зависимости от уровня
инфляции, средней нормы дохода или принятому нормативу по
народному хозяйству.
Чистый дисконтированный доход ЧДД (или интегральный
эффект Э ) определяется как превышение интегральных резуль-
татов над интегральными затратами:
29
Проектирование оптико-электронных приборов
чдд-э„=2;(р,-8,),
1=0
где Т — горизонт расчета; Р( = Р/(1 + Е)1 и 3( = 3/(1 + Е)‘ —
соответственно результаты и затраты, имеющие место в t-м шаге;
Р и 3 — результаты и затраты в текущих ценах.
Если ЧДД при заданной норме дисконта имеет положитель-
ное значение, проект считается эффективным. При сравнении
нескольких вариантов решений предпочтение отдается тому, ко-
торый имеет максимальные значение ЧДД. На основе ЧДД рас-
считывается индекс доходности проекта:
ИД-|£(Р1-8,)/(1+Е)‘,
t=0
т	(
где К = £к,/(1+е)' — сумма дисконтированных капиталов-
t=o
ложений; К( — капиталовложения на t-м шаге расчетного пери-
ода Т.
Важным показателем эффективности НИОКР является го-
довой экономический эффект, ожидаемый от внедрения проекта
и представляющий собой экономию приведенных затрат Зп по
сравнению с базовым вариантом.
Приведенные затраты Зп = С + КЕн, где С — сумма себесто-
имости продукции, К — капитальные затраты, Ея — норматив-
ный коэффициент эффективности капитальных затрат. Для ма-
шиностроения и приборостроения часто принимают Ея = 0,15, что
характеризует максимально допустимый срок окупаемости как
Т = 1/Ен = 1/0,15 = 6,7 года.
За базу сравнения при определении экономического эффек-
та принимаются: в проектах нового оборудования — показатели
лучших образцов, спроектированных в стране или за рубежом;
в модернизации существующих образцов — показатели этих об-
разцов до модернизации; в проектах исследовательского направ-
ления — показатели других научно-технических решений дан-
ной проблемы.
При определении годового экономического эффекта должна
быть обеспечена сопоставимость базового и нового вариантов по
объему выполняемой работы, качественным параметрам (приня-
тым показателям качества), временным показателям, социаль-
30
Глава 2. Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
ным факторам производства и эксплуатации оборудования, эко-
логическим факторам.
Для расчета приведенных затрат по базовому и проектному
вариантам определяются:
—	капитальные затраты и стоимость основных производствен-
ных фондов и оборотных средств с учетом затрат на НИОКР и
остаточной стоимости заменяемого оборудования;
—	стоимость продукции или затраты на производство и реа-
лизацию продукции.
Капитальные затраты в общем виде включают: стоимость
зданий и сооружений; стоимость вновь приобретаемых техноло-
гического оборудования, транспортных средств, средств измере-
ния и контроля, производственной тары и т.д.; стоимость дей-
ствующего оборудования, используемого при реализации проек-
та; остаточную стоимость действующего оборудования, ликви-
дируемого в связи с внедрением проекта; стоимость модернизи-
рованного оборудования; стоимость инструмента и технологичес-
кой оснастки; капитальные вложения в смежных производствах;
затраты на НИОКР; оборотные средства в размере 0,5 ... 0,7 сто-
имости оборудования.
Себестоимость продукции (работы) определяется следующи-
ми статьями расходов: сырье, материалы, покупные изделия;
возвратные отходы (вычитаются); топливо и энергия на техноло-
гические цели; основная заработная плата производственных
рабочих; доплаты по премиальным системам; отчисления во
внебюджетные фонды; расходы на подготовку и освоение про-
изводства; расходы на содержание и эксплуатацию оборудова-
ния; цеховые расходы; общезаводские расходы; потери от брака;
внепроизводственные и коммерческие расходы.
Годовой экономической эффект может быть рассчитан по
формуле:
Э = (С1+К1ЕН)₽-(С2+К2ЕН),
где Cj и С2 — себестоимость годового объема производства по
базовому варианту и по проекту; К] и К2 — капитальные вложе-
ния по базовому варианту и по проекту; Ея = 0,15 — норматив-
ный коэффициент эффективности капитальных вложений; Р —
коэффициент эквивалентности приведения базового варианта к
сопоставимому с проектом виду. При этом Р = РЛРКР,- Коэффи-
циент рл равен А]/А2, где А( и А2 — годовые объемы производ-
ства по базовому варианту и по проекту. Коэффициент Рк равен
Пк1/Пк2, где П , и П 2 — показатели качества продукции по базо-
вому варианту и по проекту. Коэффициент Р( равен (1 + £)', где
31
Проектирование оптико-электронных приборов
Е = 0,1 — норматив приведения, t — число лет от момента осу-
ществления вложений до расчетного года.
Помимо достижения экономического эффекта НИОКР дол-
жна обеспечивать научно-технический и социальный эффекты.
Научно-технический эффект — это результат освоения в про-
изводстве и на стадии потребления новых видов научно-техни-
ческой продукции, способствующих повышению производитель-
ности труда, его технической и экологической безопасности,
улучшению условий труда. Научно-технический эффект оцени-
вают показателем роста технического уровня и качества продук-
ции.
Социальный эффект характеризует отдачу НИОКР в сферу
жизнедеятельности человека, защиту его от вредного воздействия
окружающей среды и производственного процесса. Социальная
эффективность не дает экономического эффекта в явном виде,
но она в настоящее время является главным критерием оценки
любого проекта, так как основное назначение развития науки и
техники заключается в улучшении благосостояния людей. Со-
циальные эффекты не всегда дают абсолютную экономию денеж-
ных средств, сырья, материалов, энергии и т.п. Во многих слу-
чаях мероприятия по повышению социальной защиты человека
приносят только затраты, т.е. убытки. Однако социальный эф-
фект проявляется в косвенном виде: в снижении уровня заболе-
ваемости и травматизма, в улучшении условий труда и быта
работников, в улучшении экологической обстановки и защиты
окружающей среды. Социальную эффективность НИОКР можно
определить с помощью следующего соотношения между затрата-
ми и полученными социальными эффектами:
э=£Ц1/(с+кен),
i=l
где Ц. — частный социальный эффект. Величины Ц1 можно под-
считать, если определить в денежном выражении размер ущерба
от неблагоприятного воздействия на среду обитания человека,
сокращение производственного травматизма, снижение уровня
профессиональных заболеваний и т.д.
2.4.	Методы решения нешаблонных задач
На различных уровнях проектирования, чаще всего на
информационно-логическом и системотехническом уровнях,
могут быть использованы методы, направляющие творческую
32
Глава 2. Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
мысль разработчика на создание новых, нешаблонных, нетипо-
вых решений. Рассмотрим некоторые из этих методов.
Мозговая атака (или мозговой штурм) — метод, основан-
ный на стимулировании группы разработчиков к быстрому гене-
рированию большого количества идей и информации в области
проектируемого объекта. Мозговая атака проводится в виде кон-
ференции, каждый участник которой свободно выдвигает пред-
ложения, которые обычно записываются (фиксируются) на кар-
точках. Метод требует от каждого участника конференции боль-
шого опыта и знаний в исследуемой области и ведется по прави-
лам, запрещающим критиковать любые предложения, сколь не-
реальными они не казалось бы на первый взгляд, и по правилам,
способствующим совершенствованию и увеличению числа выд-
винутых идей. Необходимым и важным этапом мозговой атаки
является классификация всех выдвинутых идей и их оценка на
практическую пригодность. Выполнение этой работы возлагает-
ся на руководителя группы. Считается, что метод мозговой ата-
ки является наиболее доступным и распространенным на всех
этапах проектирования.
Синектика — видоизменение метода мозговой атаки, суть
которой состоит в организации и направлении спонтанной
деятельности мозга и нервной системы на решение конкретной
задачи. Суть этого метода состоит в использовании аналогий как
средства целенаправленного ориентирования мышления специа-
листов на проблему. При этом возможно использование анало-
гий четырех типов: прямые аналогии, которые часто находят в
биологических и технических системах, а также субъективные,
символические и фантастические аналогии.
При синектике, как и при мозговой атаке, тщательно подби-
рается группа специалистов, которые должны обладать большим
опытом в разных научных областях, например, биологии, меха-
нике, физиологии. Порядок действий этой группы может быть
следующим:
-	формулировка проектной задачи;
-	конференция, в ходе которой участники пытаются исклю-
чить неперспективные решения подобного методу мозговой ата-
ки;
—	поиск аналогий, позволяющий выразить задачу в поняти-
ях хорошо знакомых членам группы по их профессии;
-	определение главных трудностей и противоречий в реше-
нии задачи;
—	поиск и развитие перспективной идеи на основе некоторых
типов аналогий.
33
Проектирование оптико-электронных приборов
Ликвидация тупиковых ситуаций — метод, основанный на
стимуляции творческой деятельности мозга путем:
—	определения преобразований, которым подвергается тупи-
ковая ситуация, с целью выявления новых направлений поиска;
—	поиска новых связей между элементами неудовлетвори-
тельного решений;
—	переоценки тупиковой ситуации.
Составление морфологических таблиц — метод, заключаю-
щийся в стимулировании мыслительной деятельности в направ-
лении расширения области поиска. Суть этого метода состоит в
заполнении морфологических таблиц (матриц) с последующим
выбором из них большого числа возможных решений. Сначала
разработчик должен занести в таблицы набор характеристик,
которому должен удовлетворять элемент на рассматриваемом
уровне проектирования, а затем перечислить в таблице все воз-
можные, частичные (для каждой характеристики) решения.
Принцип поиска решения состоит в том, чтобы из каждого ряда
выбрать наилучшее решение по некоторым критериям, напри-
мер, массе, габаритам, стоимости. Наиболее эффективным этот
метод является для опытных проектировщиков, имеющих глу-
бокие знания в исследуемой проблеме. У неопытных работников
возникают большие трудности как с выбором необходимого на-
бора характеристик, так и с выбором возможного рационального
числа частичных решений. При этом количество комбинаций
очень быстро возрастает по мере увеличения числа характерис-
тик и частичных решений, что делает практически невозмож-
ным поиск приемлемого решения.
Инверсия — метод получения нового технического решения
путем отказа от традиционного взгляда на задачу (взгляд на за-
дачу, например, с диаметрально противоположной позиции).
Инверсия позволяет создать новые оригинальные и смелые тех-
нические решения. Перечислим некоторые принципы инверсии:
снаружи — изнутри, вертикально - горизонтально, с лицевой
стороны - с обратной стороны, в движении — неподвижно, вра-
щение вперед — вращение назад, линейное перемещение — вра-
щение, ведущее — ведомое, вредные явления — превращение их в
полезные, жесткие связи — гибкие связи, растяжение - сжатие и
т.п.
Аналогия — использование технических решений из других
областей науки и техники для решения задачи или стимулиро-
вания разработки новых решений.
Комбинирование — применение в новой разработке в разном
порядке и в разных сочетаниях отдельных технических реше-
ний, процессов, элементов. В разработке могут быть использова-
34
Глава 2. Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
вы не только новые элементы, но и старые, известные и исполь-
зованные ранее. Комбинации элементов могут иметь различный
характер: механическое соединение, соединение через промежу-
точные элементы, дублирование, создание многоступенчатых
конструкций и т.п.
Компенсация — уравновешивание нежелательных и вредных
факторов средствами противоположного действия (компенсация
влияния массы, трения, нелинейностей элементов, температуры
и т.д.).
Унификация — это уменьшение числа видов и типов прибо-
ров одинакового функционального назначения, а также сокра-
щение типов, марок, сортамента узлов и деталей, входящих в
них. В основе унификации лежат различные виды стандартов,
различающиеся требованиями, предъявляемыми к приборам, а,
именно: государственный стандарт (ГОСТ), отраслевой стандарт
(ОСТ) и стандарты предприятий (СТП). Стандарты устанавлива-
ют ограничения на материал, сырье, полуфабрикаты, конструк-
тивные исполнения и основные размеры приборов, единые тер-
мины, обозначения и т.п. Вопросами стандартизации (нормокон-
троля) на предприятиях занимаются специальные подразделе-
ния стандартизации, которые учитывают все виды требований,
предъявляемых к приборам.
Результатом унификации является создание серии приборов
(унифицированных), состоящих из ограниченного числа
стандартизированных взаимозаменяемых узлов и деталей, и от-
личающихся от основной (базовой) модели некоторыми допол-
нительными узлами и деталями. Применение унификации и стан-
дартизации дает экономический и качественный эффект при
проектировании ОЭП на всех его уровнях.
На уровне функционального проектирования сначала состав-
ляется и обосновывается перечень тех функциональных элемен-
тов, которые рационально унифицировать в серии приборов.
Далее выполняется функциональное проектирование этих эле-
ментов, т.е. определяются их оптимальные структуры, типы и
характеристики.
Унификация может существенно уменьшить число разного
рода схем (оптических, электрических и других) проектируемой
серии ОЭП. Соблюдение требований унификации позволяет при-
менять в процессе проектирования унифицированные или стан-
дартизованные детали и узлы, изготавливаемые централизован-
но и обладающие высоким качеством, надежностью и минималь-
ной стоимостью.
Унификация приводит к существенному сокращению объе-
ма проектирования унифицируемой серии приборов. Кроме того
35
Проектирование оптико-электронных приборов
уменьшение номенклатуры приборов и их узлов позволяет спе-
циализировать процесс изготовления приборов и улучшить их
эксплуатационные характеристики.
Агрегатирование — частный случай унификации, заключа-
ющий в разработке приборов на основе их компоновки из огра-
ниченного числа унифицированных блоков (модулей), обладаю-
щих функциональной и геометрической взаимозаменяемостью.
Важнейшей особенностью агрегатирования является повы-
шение универсальности прибора путем применения широкого
набора модулей в процессе эксплуатации. Большой выбор моду-
лей обусловливает и широкий диапазон изменения характерис-
тик прибора, его схем, конструкции, а, следовательно, и стоимо-
сти приборов,
Блочно-модульное проектирование, основанное на создании
изделий на базе модулей и блоков, позволяет унифицировать
изделие, обеспечить экономию времени при его разработке и
обслуживании.
Резервирование — увеличение числа элементов, узлов для
повышения надежности изделия в целом.
Ассоциация — свойство психики при появлении одних объек-
тов в определенных условиях вызвать представление о других за
счет совпадения их определенных признаков.
Идеализация — наделение реальных объектов нереальными,
неосуществимыми свойствами и изучение их как идеальных (точ-
ка, линия, абсолютно твердое тело и др.). Путем идеализации
удается значительно упростить сложные системы, обнаружить
существенные связи и применить математические методы иссле-
дований.
2.5.	Блочно-иерархический подход
к проектированию
Решение проблем проектирования, отмеченных выше, мо-
жет быть построено на основе системного и блочно-иерархичес-
кого подходов. Системный подход предусматривает, что прибор
представляется как сложная система, состоящая из связанных
между собой и взаимодействующих частей, а блочно-иерархи-
ческий подход или принцип заключается в том, что прибор рас-
сматривается как иерархическая структура, состоящая из боль-
шого количества уровней и ветвей, наподобие некоторого опро-
кинутого дерева, как показано на рис. 2.1. На каждом иерархи-
ческом уровне и на каждой ветви рассматривается небольшое
количество связанных между собой элементов, которые разра-
36
Глава 2. Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
Рис. 2.1. Блочно-иерархическая структура
ботчик в состоянии одновременно удержать в поле своего внима-
ния. Обычно это количество не превосходит десяти-двадцати,
оптимальное число таких элементов три-пять. На рис. 2.1 для
простоты изображения показано на каждом уровне и ветви по
три элемента. На следующем, более низком уровне каждый эле-
мент высшего уровня рассматривается как система, состоящая из
элементов данного уровня и т.д.
Общий процесс проектирования при таком подходе представ-
ляется в виде движения по рассматриваемому дереву, при кото-
ром выполняются элементарные проектные операции на каждом
уровне и на каждой ветви, т.е. структура проектирования также
является блочно-иерархической, причем на каждом уровне и
ветви процесс проектирования имеет дело с небольшим количе-
ством элементов, рассматриваемых как целые, благодаря чему
этот процесс достаточно несложен и вполне реализуем при нор-
мальных ресурсах. Весь процесс проектирования, сплетающий-
ся в виде блочно-иерархической структуры таких элементарных
процессов, также теперь становится вполне реализуемым.
Легко заметить, что такая структура позволяет осуществлять
общий процесс проектирования, используя различные направ-
ления движения по блочно-иерархическому дереву. В зависимо-
сти от направления движения различают нисходящее, восходя-
щее и смешанное проектирование.
Нисходящее проектирование, как следует из его названия,
начинается с верхнего уровня, где прибор рассматривается как
целое, затем проектируется его структура первого уровня, затем
37
Проектирование оптико-электронных приборов
второго и т.д. Результатом проектирования на данном уровне
является техническое задание для проектирования на следую-
щем, более низком уровне.
Нисходящее проектирование всегда гарантирует выполнение
требований технического задания на каждом уровне и поэтому
должно бы считаться наиболее рациональным, но на каком-то
уровне процесс проектирования может остановиться из-за того,
что при существующих физических, технических, технологичес-
ких или экономических ограничениях решение обратной задачи
и соблюдение технического задания данного уровня становится
невозможным. В этом случае приходится возвращаться на пре-
дыдущий уровень или даже выше, искать там другое решение
своей обратной задачи, а затем опять пробовать вернуться на тот
уровень, на котором процесс остановился, но с уже другим тех-
ническим заданием. Таким образом, блочно-иерархическая
структура, позволяя в принципе реализовать процесс проекти-
рования, делает неизбежным его итерационный характер, зак-
лючающийся в возврате к повторению проектирования на пре-
дыдущих уровнях с измененными условиями.
Восходящее проектирование выполняется в обратном поряд-
ке; при этом происходит как бы сборка отдельных узлов, а затем
сборка всего прибора. Восходящее проектирование, как нетруд-
но увидеть, обычно гарантирует реализуемость проекта на лю-
бом уровне, но отнюдь не гарантирует соблюдения всех требо-
ваний технического задания, поэтому процесс может остановит-
ся на каком-либо уровне из-за несоблюдения требований техни-
ческого задания высшего уровня. При этом необходим возврат
на предыдущие низшие уровни с попыткой «собрать» структуру
данного уровня из других элементов. Таким образом и восходя-
щее проектирование также неизбежно имеет итерационный ха-
рактер.
При смешанном проектировании по части ветвей мы имеем
нисходящий процесс, а по части — восходящий, которые в
определенных точках встречаются. Итерационный характер та-
кого проектирования также очевиден.
Из рассмотренных процессов предпочтительным является
все-таки нисходящее проектирование, которое и будет рассмат-
риваться в дальнейшем. На практике, особенно для сложных при-
боров, процесс проектирования носит обычно смешанный харак-
тер с преобладанием нисходящих потоков, а восходящее проек-
тирование применяется к тем частям приборов, которые собира-
ются из стандартных, хорошо отработанных деталей, элементов
и узлов.
38
Глава 2. Общие вопросы проектирования оптико-электронных приборов
Из рассмотренного становится ясен также эвристический
характер проектирования, т.е. невозможность его полной алго-
ритмизации, автоматизации, поскольку ввиду сложности процес-
са и невозможности заранее определить полностью его ход необ-
ходимо принимать решения на основании опыта, интуиции, с
привлечением творческих способностей разработчика, т.е. на базе
так называемого алгоритма принятия решения. Более подробно
об этом будет сказано ниже.
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ В ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ
3.1.	Структура САПР
Системы автоматизированного проектирования (САПР)
широко используются в оптико-электронном приборостроении.
Объясняется это тем, что применение ОЭП в различных отрас-
лях народного хозяйства, а также ускорение темпов развития
науки и техники привели к значительному повышению требова-
ний к разрабатываемым ОЭП и усложнению их конструкции,
что в свою очередь, вызвало увеличение сложности и сроков
проектирования.
Применение САПР позволяет сократить сроки и снизить
стоимость разработки ОЭП за счет того, что при использовании
этой системы можно:
—	проанализировать большое число различных схемных и
конструктивных решений за короткий интервал времени, что не
может сделать ни один проектировщик обычными методами;
—	использовать более точные математические методы для
расчета и проектирования ОЭП;
—	создавать конструкции, оптимально отвечающие предъяв-
ляемым к ним техническим требованиям;
-	повышать качество конструкторской и технологической
документации создаваемых ОЭП.
Структура САПР ОЭП определяется рядом требований, глав-
ными из которых являются универсальность системы и удобство
средств, предъявляемых пользователю. Универсальность систе-
40
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
мы предполагает обеспечение таких возможностей, как взаимо-
действие пользователя с ЭВМ в автоматическом режиме, пере-
страиваемость и расширение системы для решения новых задач,
одновременное ведение нескольких проектов. Пользователь сис-
темы, не являясь программистом, должен выполнять проекти-
рование естественным для него способом, не вникая в структуру
и механизм большинства сложных программ, которые вызыва-
ются его действиями. Кроме того, важным фактором является
совместимость ручного, автоматизированного и автоматического
режимов проектирования.
Следует, указать, что характер решаемых при проектирова-
нии ОЭП задач позволяет использовать для создания САПР ОЭП
универсальные вычислительные комплексы в сочетании с широ-
кой номенклатурой внешних устройств, обеспечивающих
автоматизацию различных проектно-конструкторских работ [29].
Любая САПР включает комплекс средств, обеспечивающих
ее нормальное функционирование.
Техническое обеспечение САПР представляет собой совокуп-
ность вычислительных устройств в сочетании с устройствами
подготовки и ввода данных, отображения и хранения данных и
результатов проектирования, передачи и обмена данных.
Математическое обеспечение САПР представляет собой со-
вокупность математических моделей проектируемых устройств,
их отдельных узлов и блоков, методов и алгоритмов выполнения
процедур проектирования. К математическим моделям предъяв-
ляются требования универсальности, адекватности, точности и
экономичности. Более подробно эти требования рассмотрены
ниже (см. § 3.6).
Программное обеспечение (ПО) САПР включает следующие
комплексы программ:
-	для организации функционирования технических средств,
управления вычислительным процессом, распределения имею-
щихся ресурсов — общесистемное ПО;
—	обеспечивающих правильное функционирование приклад-
ных программ — базовое ПО;
-	реализующих математическое обеспечение для непосред-
ственного выполнения проектных процедур — прикладное ПО.
Информационное обеспечение САПР включает различные
данные и средства их хранения, поиска и оперативного исполь-
зования Оно должно по возможности давать полную информа-
цию в той области техники, к которой относится САПР. Основу
информационного обеспечения составляет банк данных (БНД),
являющийся комплексом средств централизованного накопления
и коллективного использования данных в САПР. БНД состоит
41
Проектирование оптико-электронных приборов
из базы данных (БД) и системы управления базами данных
(СУБД). БД — это данные, необходимые для проектирования и
хранящиеся в запоминающих устройствах. СУБД — совокуп-
ность программных средств, обеспечивающих работу БНД, т.е.
запись данных, их выборку по соответствующим запросам пользо-
вателей и прикладных программ, защиту от искажений и несан-
кционированного доступа и т.п.
Лингвистическое обеспечение САПР включает совокупность
языков программирования и осуществляет описание объекта
проектирования на любом из иерархических уровней, вывод
результатов каждого шага проектной работы на любое устрой-
ство комплекса технических средств САПР. Основу лингвисти-
ческого обеспечения составляют языки общения человека с ЭВМ.
Классификация языков САПР представлена на рис. 3.1.
Рис.3.1. Структура лингвистического обеспечения САПР
Языки программирования предназначены для написания про-
граммного обеспечения САПР и должны удовлетворять требова-
ниям удобства использования, универсальности, эффективнос-
ти.
Языки проектирования служат для описания информации
об объектах и задачах проектирования. Входные языки позволя-
ют описывать свойства проектируемых объектов — языки опи-
сания объектов (ЯОО), задания на выполнение проектных опера-
ций и процедур — языки описания заданий ( ЯОЗ).
Языки описания объектов делят на:
—	схемные, применяемые для описания принципиальных
электрических и функциональных схем;
42
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
—	графические, служащие основой геометрического модели-
рования и машинной графики;
—	моделирования, предназначенные для имитационного мо-
делирования.
Выходные языки используют для представления результа-
тов проектирования.
Языки сопровождения применяют для корректировки и ре-
дактирования данных при выполнении проектных процедур.
Промежуточные и внутренние языки предназначены для пред-
ставления информации на определенных стадиях ее переработки -
в ЭВМ.
Для САПР принципиально важным является обеспечение
диалогового режима работы пользователя с ЭВМ. С этой целью
применяют специальные диалоговые языки оперативного обме-
на информацией между человеком и ЭВМ.
Существуют пассивные и активные диалоговые языки.
В пассивном диалоговом режиме инициатива принадлежит ЭВМ.
В этом режиме используют следующие виды обращений ЭВМ к
пользователю: запрос, информационное сообщение, подсказка.
Запрос выдается в случаях, когда требуется задать исходные
данные или выбрать вариант продолжения проектных процедур.
При запросе исходных данных на экране дисплея высвечивается
шаблон, в соответствующие позиции которого с помощью клавиа-
туры дисплея нужно поместить запрошенные числа или фразы.
При запросе возможного продолжения проектных процедур на
экране высвечивается меню — вопросы с вариантами ответов.
Пользователь здесь должен указать имя выбранного в меню от-
вета.
Информационные сообщения содержат сведения о проме-
жуточных и окончательных результатах решения и не требуют
ответных действий пользователя.
Подсказки выдаются ЭВМ в случаях ошибочных действий
пользователя.
В активном диалоговом режиме инициатива диалога может
принадлежать как ЭВМ, так и пользователю. В таком режиме
вычислительный процесс может быть прерван как программным
путем, так и пользователем. По сравнению с пассивным актив-
ный диалог требует создания значительно более сложного про-
граммного обеспечения.
При разработке лингвистического обеспечения современных
САПР имеет место тенденция создания диалоговых языков, при-
ближенных к естественному языку.
На основании изложенного можно заключить, что к числу
основных структурных составляющих САПР относятся следую-
щие (рис. 3.2):
43
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис.3.2. Обобщенная структурная схема САПР
1.	Центральная часть, представляющая собой мощную ЭВМ
(процессор) с системным математическим обеспечением, которое
состоит из расширенной операционной системы самой ЭВМ,
дополненной, например, трансляторами со специализированных
языков пользователей и СУБД, координирующей работу инфор-
мационной части системы.
2.	Периферийная часть, состоящая из терминалов пользо-
вателей системы (например, конструкторов) и необходимых ус-
тройств ввода-вывода различного рода информации. Некоторые
из этих устройств могут управляться отдельными мини-ЭВМ.
3.	Прикладное математическое обеспечение, состоящее из
двух частей: первая часть — отлаженные пакеты прикладных
программ для решения отдельных задач в автоматическом ре-
жиме, вторая часть — массивы, объединенные для решения за-
дачи в режиме диалога человека с ЭВМ. В принципе, используя
отдельные модули таких массивов, с помощью специальных со-
ставляющих программ и языкового обеспечения можно непос-
редственно на терминальном устройстве конструировать слож-
ные программы для решения новых оригинальных расчетных
или проектно-конструкторских задач.
4.	Информационное обеспечение, представляющее собой сово-
купность информационных массивов, объединенных в базы дан-
ных, содержащих всю информацию, используемую для решения
44
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
проектно-конструкторских, научно-конструкторских и научно-
исследовательских задач на различных этапах разработок. По-
иски необходимой информации и формирование новых записей
осуществляются через СУБД. Наличие информационного обес-
печения позволяет пользоваться системой на различных этапах
разработок — от зарождения идеи до составления технического
задания (ТЗ).
Информация хранится либо в массивах самой САПР, либо в
централизованной поисковой системе предприятия, вход в кото-
рую должен быть предусмотрен через САПР.
3.2.	Использование САПР на различных этапах
разработки
В процессе проектирования выполняется множество раз-
личных действий, которые можно сгруппировать в некоторые
блоки, называемые, по мере возрастания укрупненности, проек-
тными операциями, процедурами и задачами, причем нас боль-
ше будут интересовать два последних блока.
Проектная операция — наименее крупный блок действий,
объединенных тем, что они дают какой-либо результат, исполь-
зуемый при дальнейших действиях, например операция вычис-
ления силы линзы или операция вычерчивания контура детали,
операция ввода исходных данных в компьютер и т.д.
Проектная процедура — это последовательность операций,
выполняемая непрерывно либо разработчиком, либо компьюте-
ром и связанная с некоторым проектным решением. Например,
рассмотренные более подробно ниже процедуры задания на син-
тез, процедуры оптимизации и т. д.
Каждая процедура отличается от другой не только конкрет-
ным содержанием, но и определенными свойствами, характери-
зующими ее с различных точек зрения. Для нас будут важными
следующие свойства или характеристики проектных процедур:
детерминированность или, в противоположность ей, эвристич-
ность, большая или меньшая трудоемкость и, наконец, объект-
но-ориентированность или, в противоположность, объектно-ин-
вариантность.
Рассмотрим эти свойства более подробно. Полностью детер-
минированная процедура или операция — это такая, для выпол-
нения которой можно составить определенный алгоритм, т.е.
сводку правил, предписаний, программу. Например, процедура
расчета хода лучей и вычисления аберраций оптических систем,
операция построения проекции какого-либо тела на плоскость,
45
Проектирование оптико-электронных приборов
процедура поиска в архиве объекта, характеристики которого
лежат в заданных интервалах и т.д. Детерминированные проце-
дуры и операции отличаются тем, что при аккуратном и точном
следовании предписанному алгоритму результат их выполнения
всегда один и тот же, независимо от опыта, знаний, способности
и квалификации исполнителя, от этих свойств зависит только
скорость выполнения процедуры, более того, лишние знания
могут только отвлечь исполнителя и помешать аккуратному сле-
дованию алгоритму. Очевидно, что для таких процедур идеаль-
ным исполнителем является компьютер, не делающий ошибок и
твердо следующий заложенной в него программе.
В противоположность детерминированным для эвристичес-
ких процедур невозможно или чрезвычайно сложно, по крайней
мере, в настоящее время составить сколько-нибудь определен-
ный алгоритм, поэтому такие процедуры выполняются только
человеком, способным действовать в отсутствие четкого алгорит-
ма и при неполной информации. Результат выполнения таких
эвристических процедур определяется качествами исполнителя,
а именно: его знаниями, опытом, способностями, квалификаци-
ей. Для эвристических процедур характерным является повы-
шение эффективности их выполнения в процессе обучения. При-
мером эвристических процедур могут служить оценка резуль-
татов синтеза или оптимизации и принятие решений о дальней-
шем ходе проектирования, процедура составления задания на
оптимизацию.
Попытки алгоритмизировать эвристические процедуры и
поручить их тем самым выполнять компьютеру без глубоких
исследований закономерностей работы человеческого интеллек-
та безусловно обречены на провал. В некоторых случаях может
быть полезно применение компьютерных систем и средств ис-
кусственного интеллекта, в которых аккумулируется эвристи-
ческий опыт квалифицированных проектировщиков в данной
области.
Сравнительная трудоемкость процедур определяется требуе-
мыми затратами ресурсов, а именно: количеством вычислений и
объемом памяти. Так например, для расчета хода параксиаль-
ных лучей через оптические системы требуется всего несколько
арифметических операций на каждую поверхность. Следователь-
но, анализ свойств оптической системы ОЭП в параксиальном
приближении для современного компьютера имеет ничтожно
малую трудоемкость, в то время как моделирование преобразо-
вания сигнала в таком приборе методом частотного анализа с
учетом погрешностей оптики, когерентности освещения, формы
зрачка и т.д; может потребовать на том же компьютере до не-
46
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
скольких десятков минут времени и солидных ресурсов памяти.
Большая или меньшая объектно-ориентированность какой-либо
процедуры или операции выражается в степени зависимости ее
математического аппарата, алгоритма, применяемых методов от
специфики проектируемого объекта. Так например, аппарат рас-
чета хода лучей годится для проектирования оптических систем
ОЭП, но совершенно не подходит для электронных иди кинемати-
ческих схем иди для конструирования оправ линз. Однако для
всех оптических систем этот аппарат одинаков. Таким образом,
можно сказать, что процедура анализа оптических систем путем
расчета хода лучей отличается средней степенью объектной ори-
ентированности.
С другой стороны, математический аппарат оптимизации или
методы поиска прототипа в базе данных являются универсаль-
ными, их содержание, алгоритмы не зависят от того, какой
объект оптимизируется или ищется в архиве — оптическая сис-
тема или электронный блок, зубчатое зацепление или кулачок.
Такие процедуры, будучи универсальными, являются, следова-
тельно, полностью объектно-инвариантными.
С помощью выяснения указанных свойств можно выделить
отдельные процедуры и наиболее рационально использовать ком-
пьютерные средства. В первую очередь необходимо вычленять
максимально объектно-инвариантные процедуры и их части —
операции, потому что такие процедуры и операции используют
универсальные алгоритмы и методы, именно в силу своей уни-
версальности хорошо развитые и тщательно отработанные мно-
жеством авторов для самых различных применений. Пакеты
компьютерных программ, реализующих универсальные, объект-
но-инвариантные методы и процедуры проектирования, являют-
ся наиболее массовыми, широко известными и, в силу своей
массовости, сравнительно недорогими.
Очевидно, что необходимо также выделить все эвристичес-
кие процедуры и обеспечить их выполнение человеком-проекти-
ровщиком. Компьютер же должен выполнять все детерминиро-
ванные процедуры и, в первую очередь, наиболее трудоемкие,
поскольку от этого мы получим наибольший эффект. Для выпол-
нения эвристических процедур человеку должна быть предостав-
лена из компьютера вся необходимая информация в наиболее
наглядной и доступной форме, как правило, в графической.
В настоящее время существуют системы автоматизации
проектирования двух видов: работающие в режиме пакетной
обработки информации и работающие в режиме диалога конст-
руктора-оператора с ЭВМ.
47
Проектирование оптико-электронных приборов
Системы, работающие в первом режиме, исключают непо-
средственное взаимодействие пользователя с ЭВМ. Программы
собираются в пакет и вводятся автоматически в последователь-
ности, определяемой программой-диспетчером. При этом возмож-
на лишь некоторая, как правило, незначительная перестройка
системы на основании указаний конструктора-оператора, заклю-
чающаяся в изменении последовательности решения задач на
каждом этапе проектирования. В таких системах коррекция
полученных результатов возможна лишь после окончания обра-
ботки всего пакета информации на ЭВМ и отображения ее на
соответствующем носителе. Данный режим работы системы при-
годен лишь для решения задач, не содержащих большого числа
противоречивых требований, приводящих к неоднозначности
решений и требующих вмешательства разработчика.
Применительно к проектированию ОЭП системы, работаю-
щие в режиме пакетной обработки информации, могут решать
ограниченный круг задач, главным образом, задач анализа и
моделирования полей различной физической природы, действу-
ющих в конструкциях приборов.
Наиболее совершенен диалоговый режим, при котором
определенная часть проектных процедур выполняется с помо-
щью ЭВМ, а человек обеспечивает оперативную оценку резуль-
татов и принимает решения о продолжении или корректировке
процесса проектирования. При этом диалоговый режим может
быть активным и пассивным. При активном диалоге человек
имеет возможность в любой момент прерывать автоматические
вычисления на ЭВМ.
Пассивный диалог предполагает прерывание вычислений
программным путем в определенные, заранее предусмотренные
моменты. Необходимость такого вмешательства на различных
этапах проектирования накладывает определенные требования
на характеристики используемой в САПР машины. Если вычис-
лительная машина, на которой проводится проектирование кон-
струкций приборов, работает в режиме последовательной обра-
ботки информации, то каждое вмешательство потребует больших
затрат времени на вывод информации из ЭВМ на носитель, дос-
тупный для восприятия конструктором-оператором, передачу
разработчику, кодирование указаний разработчика и введение
их в ЭВМ. Поэтому конструктор-оператор должен иметь возмож-
ность непосредственного общения с машиной, так как вмеша-
тельство человека позволяет улучшить качество получаемого
решения.
Из всего процесса проектирования можно вычленить отдель-
ные процедуры, различающиеся по своим свойствам, и объеди-
48
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
нить эти процедуры в три типовые задачи проектирования, ре-
шаемые на любом уровне и ветви, а именно, задачи синтеза,
анализа и оптимизации. Процесс проектирования собственно и
состоит в определенной последовательности решения этих основ-
ных задач, более подробно рассмотренных в следующих разде-
лах.
Специфической особенностью САПР является то, что проме-
жуточные решения могут быть представлены в виде математи-
ческих моделей объектов и элементов. Модели хранятся в запо-
минающих устройствах САПР. В них отражены соответствую-
щие свойства объекта, существенные для данного этапа проек-
тирования. Количественным выражением этих свойств являют-
ся параметры, которые делятся на выходные, внутренние и внеш-
ние. Для оптической системы, например, выходными парамет-
рами являются фокусное расстояние, относительное отверстие,
показатели качества изображения; внутренними параметрами —
толщины, диаметры и радиусы линз, расстояния между ними;
внешними параметрами — показатели преломления оптических
материалов, температура окружающей среды и др.
Следует отметить, что в ряде случаев на отдельных этапах
проектирования могут потребоваться физические модели объек-
тов в виде макетов, стендов. Выбор того или иного принципа
моделирования определяется достоверностью, временными и
экономическими факторами.
3.3.	Синтез при проектировании
Любой прибор может быть описан конечным числом значе-
ний некоторых внутренних параметров, численным образом пред-
ставляющих конструкцию и материал отдельных частей прибо-
ра, их взаимное расположение, необходимые особенности техно-
логии, допуски на изготовление и т.п.
Обозначим эти параметры х(, i = 1,..., п, , причем число этих
параметров п может быть крайне велико. Удобно все эти па-
раметры объединить в один n-мерный вектор или столбец
Ж = Т(х1У х2, ..., хп), где Т — индекс, обозначающий операцию
транспонирования, т.е. преобразование столбцов в строку и на-
оборот. Меняя значения параметров х,, т.е. вектора х, мы меня-
ем конструкцию прибора, т.е. имеем другой прибор.
Аналогичным образом, все выходные параметры прибора
выразим совокупностью чисел ft, причем i= 1, ..., m и объеди-
ним их в тп-мерныи вектор характеристик f = (Д, f2, .... fm)> ко-
торый, следовательно, и составляет содержание технического за-
дания.
49
Проектирование оптико-электронных приборов
Сущность синтеза заключается в первоначальном создании
объекта проектирования по техническому заданию (на данном
уровне данной ветви), т.е. определения неизвестного ранее век-
тора параметров х по заданному вектору характеристик / .
Синтез обычно рассматривается как вполне реализуемая за-
дача, но дающая только начальное, приближенное решение. Это
решение, т.е. набор значений параметров, может являться край-
не приближенным, если оно не удовлетворяет большинству тре-
бований технического задания. Окончательное решение получа-
ется путем сложного итерационного процесса, включающего
анализ, оптимизацию и возврат к синтезу.
Решение, полученное в результате синтеза, называют также
стартовой точкой для дальнейшего преобразования, а именно для
оптимизации.
Вектор выходных параметров f при синтезе также не явля-
ется полным и соответствующим исходному техническому зада-
нию; он может включать не все, а лишь основные требования.
Можно сказать что основная сущность, основная задача синтеза
— это получение как можно более простыми средствами началь-
ного приближения, исходной, стартовой точки для последующей
оптимизации.
В любом случае можно выделить два этапа синтеза —
структурный синтез и параметрический синтез. На первом этапе
определяется структура проектируемого объекта, т.е. количество
и типы элементов, входящих в эту структуру, их последователь-
ность и связи между ними.
В процессе параметрического синтеза определяются числен-
ные значения параметров синтезированной структуры. Так на-
пример, для линзовых систем определяются значения радиусов
кривизны, толщин, марки стекол, расстояния между компонен-
тами и др. Для электронных схем определяются значения сопро-
тивлений резисторов и емкостей конденсаторов, типы транзис-
торов и т.д. Легко видеть, что процедура синтеза отличается
эвристичностью, особенно структурный синтез, а также явно
выраженной объектной ориентированностью, поскольку бесспор-
но, что методы синтеза не только оптических или электронных
схем, но и у разных оптических схем, например, у склеенного
дублета и зеркально-линзового объектива, совершенно различ-
ны.
Ввиду этого в значительной своей части синтез, особенно
структурный, выполняется непосредственно проектировщиком,
тем более, что для опытного разработчика синтез путем правиль-
ного выбора из типовых, уже известных структур, с возможной
их последующей модификацией, является сравнительно нетру-
50
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
доемкой, хотя и эвристической задачей. Синтез принципиально
новой, ранее неизвестной структуры относится к числу трудных
изобретательских задач и выполняется обычно лишь достаточно
опытными проектировщиками.
Кроме этого весьма распространенным методом синтеза, ха-
рактеризующимся высокой детерминированностью и универсаль-
ностью, является синтез путем поиска прототипа в базе данных
(в архиве) с помощью компьютерной информационно-поисковой
системы (ИПС) или без нее — «прямым способом». В базе дан-
ных хранятся описания уже готовых объектов, взятые из раз-
личных источников, в том числе из патентной литературы. Раз-
работчик составляет так называемое поисковое предписание, в
котором указывает значения некоторого набора характеристик,
которым должен удовлетворять искомый объект, а компьютер
под управлением программы осуществляет в базе данных поиск
объекта, удовлетворяющего поисковому предписанию.
Использование ИПС является очень простым и удобным ме-
тодом синтеза, вполне детерминированным, совершенно универ-
сальным, причем сразу решающим задачу как структурного, так
и параметрического синтеза. Иногда применяют комбинации
этого метода синтеза с модификацией найденного в архиве реше-
ния. Модификация может заключаться в добавлении новых эле-
ментов, в масштабировании всего объекта или его частей, в за-
мене некоторых элементов и т. д. Часто модификация отличает-
ся высокой степенью эвристичности и выполняется опытным раз-
работчиком на основании опыта и интуиции.
Перейдем к рассмотрению последовательности процедур син-
теза. Эта последовательность представляет собой триаду проце-
дур, показанную на рис. 3.3 и типичную не только для синтеза,
но также и для анализа и оптимизации.
Первая в триаде — это эвристическая процедура «задание на
синтез», выполняемая разработчиком и показанная на схеме в
виде перевернутой трапеции. Вторая — детерминированная про-
цедура собственно «синтеза», выполняемая компьютером (или, в
его отсутствии проектировщиком по четким алгоритмам иди фор-
мулам), она показана на схеме прямоугольником. И третья, по-
казанная на схеме ромбом с вопросительным знаком внутри —
это эвристическая процедура «оценки результатов синтеза и при-
нятия решения о дальнейшем ходе проектирования».
Конкретное содержание этих процедур зависит, конечно, от
проектируемого объекта и от выбранного метода синтеза.
При использовании одного из рассмотренных выше методов,
при котором структурный синтез выполняется путем выбора ти-
пового решения, а параметрический синтез производится по при-
51
Проектирование оптико-электронных приборов
из предыдущего
уровня
возврат
на предыдущий
уровень
Рис.3.3. Алгоритм проектирова-
ния на одном уровне
на следующий
уровень
ближенным эмпирическим соот-
ношениям, в эвристическую про-
цедуру «задание на синтез» вхо-
дит и собственно структурный
синтез, выполняемый «в уме»
проектировщиком, и определе-
ние значений исходных данных
для параметрического синтеза.
Детерминированная процедура
«синтез» в этом случае сводится
к производству вычислений по
формулам параметрического син-
теза.
При использовании метода
поиска прототипов в архиве про-
цедура «задание на синтез» состо-
ит в составлении поискового
предписания, а процедура «син-
тез» — в поиске объекта в соот-
ветствии с этим предписанием.
Последняя процедура триа-
ды, обозначенная на схеме ром-
бом, заключается в эвристичес-
кой оценке разработчиком ре-
зультатов синтеза и затем в при-
нятии решения о дальнейших
действиях. В случае явно неудач-
ного результата производится
возврат на новое задание на син-
тез по пути «1» на схеме, такой
возврат имеет место также, если
после поиска прототипа требует-
ся его модификация, т.е. необходим следующий цикл синтеза.
Если на данном этапе результат синтеза оценивается как удач-
ный, производится переход на схеме по пути «2» к решению
следующих задач, как правило, анализа.
Оценивая задачу синтеза в целом, можно увидеть, что здесь
очень велики объем и роль эвристической части, особенно при
синтезе принципиально новой конструкции, схемы, технологи-
ческого процесса. Именно при решении задач синтеза в наиболь-
шей степени проявляются опыт и изобретательские способности
разработчика и именно на этапе структурного синтеза полезно
использование различных приемов и методов решения эвристи-
ческих задач, рассмотренных в разделе 2.3.
52
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
3.4.	Анализ при проектировании
Решение задач анализа позволяет определить свойства
объекта с выбранной структурой и параметрами. Если при син-
тезе создаются, то при анализе оцениваются проектные решения
объектов. Характерной особенностью анализа является наличие
нескольких уровней, отличающихся глубиной и полнотой ана-
лиза и его трудоемкостью. На начальных, наиболее поверхност-
ных уровнях анализа определяется небольшое количество основ-
ных характеристик при минимальных затратах вычислений. На
следующих, более глубоких уровнях анализируется все большее
число характеристик, требующих все возрастающего объема вы-
числений, причем трудоемкость различных уровней анализа мо-
жет отличаться в десятки и сотни раз. Так например, при анали-
зе оптических систем начальный уровень относится к определе-
нию так называемых параксиальных характеристик, таких как
фокусное расстояние, увеличение, положение изображения и ха-
рактеризуется малой трудоемкостью. Следующий уровень заклю-
чается в расчете хода реальных лучей и вычислении их аберра-
ций, на что требуется в десятки раз больше времени. Вслед за
этим обычно идет уровень определения передаточных характе-
ристик, оценивающих качество оптического изображения — им-
пульсной реакции, функции рассеяния точки, оптической пере-
даточной функции. Трудоемкость этого уровня выше предыду-
щего. Затем идет уровень математического моделирования фор-
мирования изображений каких-либо объектов, которое обычно
еще более трудоемко.
Разделение анализа на уровни имеет большой смысл для
экономии ресурсов компьютера, времени и исключения ненуж-
ных затрат. В самом деле, если проектное решение не удовлетво-
ряет техническому заданию по основным характеристикам, оп-
ределяемым на начальных уровнях анализа, нет необходимости
тратить ресурсы компьютера и разработчика для проведения тру-
доемких вычислений на последующих уровнях.
На каждом уровне можно выделить различные виды анали-
за, а именно, одновариантный или точечный анализ, многовари-
антный (поливариантный) анализ, технологический анализ.
Одновариантный — это обычный, наиболее распространен-
ный анализ, при котором определение характеристик произво-
дится для одного набора значений параметров. На языке функ-
ционального анализа можно сказать, что вычисления произво-
дятся в одной точке пространства параметров, поэтому такой вид
анализа называется также точечным. Он применяется, когда
53
Проектирование оптико-электронных приборов
необходимо узнать, какие значения характеристик имеет конк-
ретное проектное решение.
Многовариантный анализ, называемый также анализом
чувствительности или анализом влияния параметров, произво-
дится для нескольких вариантов, отличающихся небольшими
возмущениями (приращениями) значений тех или иных пара-
метров, т.е. по сути дела определяется чувствительность харак-
теристик к изменениям параметров. При полном анализе чув-
ствительности определяется влияние всех параметров на все ха-
рактеристики, иначе говоря, вычисляется полная матрица произ-
водных всех характеристик по параметрам:
А=4/ху, i = l, ..., т, j = l,...,n
При выборочном анализе влияния параметров производится
вычисление влияния изменения только некоторых параметров
на определенные характеристики.
Для анализа чувствительности обычно применяют конечно-
разностные методы, при которых каждый из параметров пооче-
редно возмущается на заданное приращение; в полученной точ-
ке производится вычисление искомых характеристик, причем
могут использоваться как односторонние так и двусторонние
методы; в последнем случае возмущение параметра производит-
ся поочередно в обе стороны от исходной точки. Легко увидеть,
что в конечно-разностном методе трудоемкость анализа влияния
параметров в п раз или в 2п раз выше, чем трудоемкость точеч-
ного анализа, где п — количество параметров.
Для сокращения трудоемкости этого вида анализа можно
применять методы аналитического дифференцирования, но их
использование ограничивается простыми случаями несложных
математических моделей проектируемых объектов.
Анализ влияния параметров позволяет оценить степень чув-
ствительности проектного решения к изменению тех или иных
параметров, т.е. степень его устойчивости. Для эвристической
оценки устойчивости обычно достаточно выборочного анализа
влияния. Полный анализ влияния сам по себе используется ред-
ко, так как отличается высокой точностью и содержит большое
количество трудно обозримой информации. Он безусловно необ-
ходим для последующего технологического анализа или в про-
цессе оптимизации, но в этом последнем случае он уже является
частью другой задачи.
Технологический анализ заключается в назначении и моде-
лировании технологических допусков, т.е. допустимых отклоне-
ний параметров проектируемого объекта от номинальных значе-
ний.
54
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
Технологическому анализу всегда предшествует полный ана-
лиз влияния параметров, дающий необходимую информацию. В
свою очередь, технологический анализ состоит из двух этапов —
распределения допусков по отдельным параметрам и статисти-
ческого моделирования назначенных допусков с их возможной
последующей коррекцией.
В анализе, как и в синтезе, можно выделить ту же триаду
процедур, показанную на общей схеме на рис. 3.3, а именно
эвристическую процедуру «задания на анализ», детерминирован-
ную процедуру собственно «анализа» и, наконец, процедуру «эв-
ристической оценки результатов анализа и принятия решения о
дальнейших действиях».
В процедуре «задание на анализ» выбирается уровень, вид
и метод анализа, задаются режимы анализа, форма отображения
результатов и т.д. Ответственным моментом здесь является пра-
вильный выбор уровня анализа, позволяющий сократить общую
трудоемкость проектирования. Собственно анализ — это совер-
шенно детерминированная операция, выполняемая компьютером
в соответствии с полученным заданием.
После эвристической оценки результатов анализа могут быть
приняты следующие решения: при оценке результатов как не-
удачных на данном уровне бесполезно продолжать анализ, необ-
ходим переход по пути «5» на рис. 3.3 — к попытке оптимиза-
ции; при оценке результатов как удачных необходим переход на
следующий уровень или вид анализа, т.е. возврат к процедуре
«задание на анализ» по пути «3» с изменением уровня или режи-
мов анализа; при оценке результатов как удачных после выпол-
нения всех необходимых уровней анализа проектирование счи-
тается успешно выполненным на данном узле дерева проектиро-
вания и происходит переход по пути «4» на следующий уровень
проектирования.
Эвристические процедуры «задание», «оценка результатов»
при анализе достаточно просты и не занимают большого объема,
т.е. эвристическая часть анализа сравнительно невелика в про-
тивоположность синтезу, где роль эвристической части является
часто определяющей. Детерминированная часть, на которую при-
ходится основной объем работы, зависит от уровня анализа и
может быть весьма трудоемкой. Очень велика при анализе роль
процедуры «оценка результатов». Именно здесь в наибольшей
мере проявляются опыт и квалификация разработчика, который
должен разобраться в многочисленных результатах, правильно
оценить их как удовлетворительные или нет, часто в отсутствии
четких критериев, затем безошибочно принять решение о даль-
нейших действиях.
55
Проектирование оптико-электронных приборов
Замечено, что опытный разработчик тратит на анализ гораз-
до меньше времени, чем неопытный, который сразу нагружает
компьютер требованиями наиболее полного и глубокого анализа
еще не вполне готового проекта, затем оказывается не в состоя-
нии разобраться в полученной информации и принимает в ко-
нечном итоге неверное решение, затратив массу ресурсов. Ха-
рактерной особенностью анализа является большое количество
циклов возврата с углублением уровня и изменением вида ана-
лиза или изменением его режимов: таких циклов может быть
более нескольких десятков.
Как уже говорилось, анализ относится к умеренно объектно-
ориентированным процедурам, в том смысле, что его аппарат
зависит от физической сущности проектируемого объекта (раз-
личен для оптических, электронных и кинематических схем),
но практически не зависит от конкретного типа объекта, то есть
один и тот же, например, для любых оптических схем. Некото-
рые методы анализа, например, анализ влияния параметров ко-
нечно-разностным методом, технологический анализ, являются
универсальными и пригодными для анализа любых объектов.
3.5.	Оптимизация в процессе проектирования
Важной задачей проектирования является оптимизация,
которая часто состоит в постепенном изменении параметров с
целью улучшения качества проектов, т.е. достижения оптималь-
ных значений характеристик. Само слово оптимизация, как из-
вестно, означает «улучшение».
Оптимизация не может начинаться «от нуля», от пустого мес-
та; для нее необходимо начальное приближение, стартовая точ-
ка, т.е. предварительно синтезированная структура с некоторы-
ми приближенными, начальными значениями параметров. По
завершении оптимизации мы получаем окончательные значения
параметров, обеспечивающие лучшие, оптимальные значения
характеристик. Из сказанного видно, что при параметрической
оптимизации не изменяется структура проектируемого объекта,
а лишь значения параметров этой структуры.
Проблема оптимизации состоит в том, чтобы найти правиль-
ную закономерность одновременного изменения большого коли-
чества параметров, или, говоря другими словами, найти нуж-
ную «траекторию движения» в пространстве параметров. Для ре-
шения этой проблемы привлекается довольно сложный матема-
тический аппарат, особенно интенсивно развивающийся в после-
днее время. Благодаря достижениям математиков и программи-
56
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
стов оптимизация превратилась в мощнейший инструмент про-
ектирования, без которого разработка современных ОЭП была
бы невозможной. Именно оптимизация позволяет, стартуя от
весьма приближенного начального проектного решения, подучить
в результате за весьма сжатое время проект, удовлетворяющий
самым напряженным и трудно сочетаемым требованиям. С по-
мощью современных методов и программ оптимизации часто
даже начинающий конструктор может сравнительно быстро по-
лучить решение, которое ранее было доступно только отдельным
выдающимся конструкторам, использующим весь свой опыт и
интуицию.
Для выполнения оптимизации прежде всего необходимо по-
строить так называемую оптимизационную модель объекта, ко-
торая включает в себя параметры оптимизации, оптимизируе-
мые функции и критерий оптимизации, а также ограничения.
Параметры оптимизации — это те, изменения которых мы
пытаемся добиться улучшением характеристик отдельных зве-
ньев и элементов ОЭП. Обычно не все параметры структуры
объекта (конструктивные параметры) включаются в оптимиза-
цию. Как теория, так и практика оптимизации показывают, что
начинать оптимизацию лучше с небольшого количества тщатель-
но отобранных параметров, постепенно, наращивая их количе-
ство, помня при этом, что при прочих равных условиях трудоем-
кость оптимизации прямо пропорциональна числу параметров.
Кроме того часто важным является не непосредственное исполь-
зование при оптимизации конструктивных параметров и харак-
теристик, а других, определенным образом связанных с ними
величин. Выбор связывающих их математических выражений
очень важен.
Оптимизируемые функции — это математические зависимо-
сти и отдельные их значения, связанные с параметрами, кото-
рые мы хотим улучшить в процессе оптимизации. Обычно опти-
мизируемые функции строят таким образом, чтобы их оптималь-
ные значения были бы равны нулю, в следующем виде:
где f' — оптимизируемая функция, ft — текущее значение улуч-
шаемого параметра, — требуемое значение улучшаемого пара-
метра, АД — его масштаб, q, —вес i-ой функции.
Критерий оптимизации или оценочная функция — это одно
число, дающее общую оценку оптимизации по всем функциям.
Обычно в качестве критерия выбирают сумму квадратов оптими-
зируемых функций.
57
Проектирование оптико-электронных приборов
В оптимизационную модель входят также функции ограни-
чения, не позволяющие параметрам оптимизации изменяться
совершенно свободно. Сюда относятся ограничения-равенства,
выражающие необходимость сохранения при оптимизации задан-
ных значений каких-либо параметров и ограничения-неравен-
ства, описывающие различного рода требования физической ре-
ализуемости, габаритов, технологичности и т.п.
Принципы оптимизации одинаковы для любых объектов, от
оптических систем и кинематических схем до технологических
процессов, в этом смысле оптимизация является полностью
объектно-инвариантной процедурой.
Процесс оптимизации всегда строится как некоторая
последовательность «пробных точек», т.е. точек в пространстве
параметров, в которых производятся «пробы», начиная от ис-
ходной точки, соответствующей начальной конструкции до окон-
чательной точки минимума оценочной функции (при соблюде-
нии ограничений), т.е. состоит из повторяющихся шагов, таких,
что конечное состояние данного шага есть начальное состояние
предыдущего. На каждом шаге производится анализ свойств оп-
тимизируемой системы в окрестности исходной точки данного
шага, на что тратится некоторое количество «проб», обычно про-
порциональное количеству параметров, затем определяется век-
тор движения в пространстве параметров в наилучшем направ-
лении, обеспечивающем максимальное уменьшение оценочной
функции, и, наконец, производится движение по этому «векто-
ру спуска» до наилучшей на данном шаге точки. На этом спуске
вдоль выбранного направления также тратится некоторое коли-
чество «проб», обычно от одной до десяти. Затем найденная точ-
ка принимается за начальную точку следующего шага и процесс
повторяется. При приближении к минимуму процесс замедляет-
ся, т.е. очередной шаг не приводит к заметному уменьшению
величины оценочной функции. Количество шагов, требуемых для
достижения минимума, т.е. сходимость процесса, зависит, как
уже говорилось, от линейности оптимизируемых функций (и
ограничений) по отношению к параметрам, а трудоемкость каж-
дого шага определяется, как совершенно очевидно, трудоемкос-
тью «пробы» и количеством параметров оптимизации.
Существует большое количество самых разнообразных мето-
дов оптимизации, работающих по описанной выше схеме. Эти
методы отличаются между собой способом анализа свойств сис-
темы в окрестности исходной точки, принципами построения
направления спуска, алгоритмом движения по этому направле-
нию, способами контроля ограничений.
58
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
В процессе проектирования оптимизация реализуется в виде
триады процедур, уже знакомой нам по синтезу и анализу и
показанной на рис. 3.3.
Первая в триаде — это эвристическая процедура «задание на
оптимизацию». Содержание этой процедуры состоит в построе-
нии оптимизационной модели проектируемого объекта, рассмот-
ренной выше, т.е. в выборе параметров оптимизации, оптимизи-
руемых функций, ограничений равенства и неравенств. Здесь
также производится выбор метода и режимов оптимизации.
Роль этой процедуры чрезвычайно велика. Как уже говори-
лось, выбор оптимизационной модели, метода и режимов опти-
мизации решающим образом влияет как на скорость оптимиза-
ции, так и на ее результат.
Неудачный выбор оптимизируемых функций или неподходя-
щего метода приводит к крайне низкой сходимости, т.е. к большо-
му количеству шагов оптимизации при медленном уменьшении
оценочной функции.
Эвристичность процедуры «задание на оптимизацию» опре-
деляется тем, что не существует строгих правил выбора оптими-
зационной модели и метода оптимизации для всех возможных
ситуаций. Правильный выбор достигается только благодаря обу-
чению и приобретению практических навыков.
После получения от конструктора составленного им задания
на оптимизацию компьютер выполняет детерминированную про-
цедуру «оптимизация», следуя заложенной в него программе,
реализующей выбранный метод и алгоритм оптимизации. Как
уже говорилось, процесс оптимизации является итерационным,
в виде повторяющихся шагов, и проектировщик может следить
за ходом оптимизации, т.е. за изменениями в параметрах опти-
мизации, оптимизируемых функциях. При неоправданном замед-
лении процесса проектировщик может остановить его.
После завершения процесса оптимизации или остановки его
конструктором последний производит эвристическую оценку
результатов и принимает решение о дальнейших действиях. Воз-
можные решения показаны на рис. 3.3. Решение «6» означает
продолжение оптимизации без изменения модели и режимов.
Решение «7» — возврат на оптимизацию с изменением или мо-
дификацией оптимизационной модели, например, с добавлени-
ем параметров и функций, с изменением метода оптимизации.
Решение «8» принимается, когда после эвристической оценки
результат оптимизации выглядит удачным и необходим переход
к его детальному анализу. Решение «9» принимается после мно-
гократных неудачных попыток оптимизации и отражает невоз-
можность решить проектную задачу на данном уровне. Решение
59
Проектирование оптико-электронных приборов
«10» принимается в случае неудачного результата оптимизации,
когда разработчик считает, что причиной этой неудачи является
стартовая точка. Тогда производится возвращение к синтезу для
построения другого начального приближения.
3.6.	Моделирование как элемент САПР
Как известно, моделирование представляет собой метод
исследования свойств определенного объекта (оригинала) по-
средством изучения свойств другого объекта (модели), более удоб-
ного для решения конкретно поставленных задач и находящего-
ся в определенном соответствии с оригиналом. Одной из целей
моделирования при проектировании ОЭП является выбор схемы
прибора, а при выбранной структурной или функциональной
схеме — определение параметров и характеристик ОЭП, в наи-
большей степени влияющих на показатели его качества. Моде-
лирование применяется также в целях определения значений па-
раметров и характеристик ОЭП (чувствительности, точности,
надежности и т.п.) в разнообразных условиях эксплуатации.
Функции модели могут выполнять специальная установка или
макет прибора, а также совокупность описывающих ОЭП мате-
матических уравнений. Соответственно различаются физическое
и математическое моделирование.
По способу получения модели делят на теоретические и эмпи-
рические. Теоретические модели получают на основе изучения
физических закономерностей функционирования объекта, а
эмпирические на основе изучения внешних проявлений свойств
объекта.
Каждому уровню абстрагирования присущи свои модели, раз-
личающиеся характером применяемого при их создании и ис-
пользовании математического аппарата — системы обыкновен-
ных дифференциальных уравнений, системы алгебраических
уравнений, теории графов, планирования эксперимента и т.п.
Для большинства уровней проектирования модели представля-
ются системами уравнений. В САПР обычно эти системы реша-
ются численными методами. Такие модели называют алгорит-
мическими (численными). Иногда для отдельных элементов и
несложных блоков соответствующие им системы уравнений уда-
ется решить в общем виде и выразить взаимосвязи между вы-
ходными, внутренними и внешними параметрами в аналитичес-
кой форме. Полученные таким образом системы уравнений свя-
зи между выходными параметрами и внутренними и внешними
параметрами называют аналитическими моделями.
60
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
На каждом иерархическом уровне проектирования имеются
модели проектируемых объектов и их элементов. В зависимости
от степени подробности описания объектов на данном иерархи-
ческом уровне различают полные модели и макромодели. Пол-
ной моделью называют модель, полученную непосредственным
объединением моделей элементов в общую систему, а макромо-
делью называют аппроксимацию полной модели.
В зависимости от линейности или нелинейности систем урав-
нений, описывающих модель, их делят на линейные и нелиней-
ные. В зависимости от характера переменных в моделях их де-
лят на непрерывные и дискретные. В зависимости от того, отра-
жен или нет в модели случайный характер параметров объектов,
модели делят на статистические и детерминированные. Модели
электронных блоков в виде графов называют топографически-
ми, а модели в виде таблиц и матриц — табличными.
К моделям предъявляют требования адекватности, достаточ-
ной степени универсальности, точности и экономичности.
Любая модель приближенно отображает некоторое подмно-
жество свойств объекта. Степень универсальности характеризу-
ется тем, насколько полно в модели отображены свойства объек-
та, т.е. составом и мощностью подмножества отображаемых
свойств. Адекватность характеризуется правильностью отобра-
жения в модели заданных свойств объектов. Модель называют
адекватной по вектору выходных параметров Y = (уи у2, ..., ут),
количественно выражающих заданные для отображения в моде-
ли свойства объекта, если погрешность выполненного с ее помо-
щью расчета значений выходных параметров у,, где j е [1 : т], не
превышает заданных значений [1 : т] множества целых чисел в
интервале 1 ... т включительно.
Точность модели оценивается степенью совпадения значений
параметров реального объекта и значений тех же параметров,
рассчитанных с использованием модели.
Погрешности вычисляют при решении определенных задач
проектирования. Для функциональных моделей такими задача-
ми являются тестовые задачи одновариантного анализа.
Относительная погрешность определения выходного парамет-
ра
—	— ^й)/У л ’
где у1м и у)г — определенное при использовании испытуемой мо-
дели и принимаемое за эталонное значение параметра у,. Погреш-
ность модели обычно отождествляют с одной из норм вектора
Е = (Ej, е2, ..., Ет), т — число выходных параметров.
61
Проектирование оптико-электронных приборов
Эталонные значения у;т находят экспериментально или пу-
тем расчетов с использованием физических или математических
моделей, заведомо более точных, чем испытуемая.
Получаемые значения погрешностей зависят не только от
свойств испытуемой модели, но и от особенностей выбранных
тестовых задач. Поэтому такие оценки точности могут быть не-
достоверны применительно к новым задачам, решаемым пользо-
вателями САПР.
Для пользователя САПР большую ценность, чем значения
погрешностей в отдельных тестовых задачах, представляют оцен-
ки областей адекватности (ОА) моделей. Область адекватнос-
ти — это область в пространстве внешних параметров qK, в пре-
делах которой использование испытуемой модели обеспечивает
выполнение неравенства [29]
|е;|-е;д’	(3.1)
где е; — относительная погрешность определения параметров у,,
обусловленная приближенностью испытуемой модели; £,д — до-
пустимая погрешность.
Экономичность модели характеризуется необходимыми вы-
числительными ресурсами на ее реализацию в ЭВМ — машин-
ным временем и объемом памяти.
Экономичность модели влияет на требуемые объемы машин-
ного времени Тм и памяти Пм при использовании модели. Вклад
модели в Тм характеризуется усредненным числом операций N,
выполняемых при однократном обращении к модели. Усредне-
ние проводится при решении тестовых задач. Вклад модели в Пм
в значительной мере определяется числом М параметров моде-
ли. Таким образом, сравнение моделей по экономичности заклю-
чается в сравнении соответствующих им значений N и М.
Общая методика получения математических моделей ОЭП
состоит в следующем.
1.	Устанавливаются свойства моделируемого объекта, под-
лежащие отображению в модели. При этом определяются смысл
и перечень выходных параметров У) объекта и перечень внешних
параметров qK.
2.	Выбирается структура модели, т.е. система математичес-
ких соотношений в параметрическом виде с неопределенными
числовыми значениями параметров. Часто структура модели
представляется в виде удобных для восприятия схем. В этом
случае должны быть установлены правила однозначного пред-
ставления схем в виде математических соотношений.
3.	Решается задача идентификации, т.е. рассчитываются
числовые значения параметров модели х;- для заданной ее струк-
туры.
62
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
4.	Определяются погрешности модели в выбранных тестовых
задачах. Если погрешности превышают допустимые значения е7д,
то повторяются п.п. 2 и 3 при другом выборе структуры модели.
Если условия (3.1) в тестовых ситуациях выполняются, то пере-
ходят к п. 5.
5.	Выполняется построение разрешенной области адекватно-
сти, т.е. области в пространстве внешних параметров Qp = (qlp,
q2p, ..., qrp), где qrp = qK— координаты; г — размерность про-
странства; р — номер точки пространства, представляющей со-
бой гиперпараллелепипед, вписанный в область адекватности, с
ребрами, параллельными координатным осям. Указанная область
задается неравенствами gKmin < qK < QKniax, где QKmin, gKmax — допус-
тимые диапазоны изменений значений внешних параметров, в
пределах которых гарантируется выполнение условий (3.1).
При определении разрешенной области адекватности пред-
варительно нормируют внешние параметры, преобразуя qK в без-
размерные величины д' , например,
?к=(?к-?к.ном)/Д?к.
где Ддк = qK 3 — gKHOM, qK 3 — заданное разработчиком модели жела-
емое значение границы допустимого диапазона изменения qK от-
носительно номинального значения дк ном.
При установлении свойств моделируемого ОЭП, которые дол-
жны отображаться в его модели, исходят из функционального
назначения прибора, основных требований, предъявляемых к
нему (к погрешности и диапазону измерений, чувствительности,
быстродействию и т.п.). При этом учитывают только те требова-
ния, которые соответствуют данному уровню проектирования —
системотехническому, схемотехническому, конструкторскому и
т.д. Структура модели должна быть по возможности простой, «не-
засоренной» массой несущественных параметров, так как их учет
усложняет математический аппарат анализа модели и ее
оптимизации. В то же время не следует слишком упрощать мо-
дель, так как в этом случае можно исказить суть преобразований
сигналов в ОЭП.
Иногда целесообразно пользоваться различными допущени-
ями при выборе структуры модели и сравнивать выходные пара-
метры ОЭП, полученные с помощью нескольких моделей, с тем
чтобы выбрать наилучшую из них. В ряде случаев в модель вно-
сят соответствующие коррективы после ее исследования.
В наиболее сложных случаях вместо детерминированных
(аналитических) моделей можно использовать статистические мо-
дели. Статистические модели по сравнению с аналитическими
более точны и учитывают большее число параметров. Однако ана-
63
Проектирование оптико-электронных приборов
литические модели более наглядны и отчетливее отражают при-
сущие конкретному ОЭП закономерности. Кроме того, они более
приспособлены для осуществляемого аналитическими методами
поиска оптимальных решений.
Наилучшие результаты получаются при совместном примене-
нии аналитических и статистических моделей. Если результаты
аналитического моделирования не слишком расходятся с резуль-
татами статистического моделирования, то это свидетельствует
о правильности выбора структуры аналитической модели, в про-
тивном случае необходимо вводить систему поправок типа «эм-
пирических формул».
Задача идентификации оригинала и модели в общем случае
ставится как экстремальная
mine0(X), ХеХД,
где ХД — область, в пределах которой могут находиться значе-
ния параметров модели; е0 — обобщенная оценка погрешности
модели, которую определяют по формуле
где т — число выходных параметров; at — весовой коэффициент
/-го выходного параметра; £(Р — относительная погрешность оп-
ределения выходного параметра у, в точке области Qp; М — чис-
ло точек, в которых рассчитывается вектор учитываемых вы-
ходных параметров Y = (у„ у2, .... ут).
Для расчета sjp в каждой точке Qp определяется точное значе-
ние выходного параметра в этой точке, т.е. урт, путем анализа
полной модели и приближенное значение урк этого параметра в
точке Qp путем анализа макромодели. Для решения задачи часто
используют методы планирования эксперимента и нелинейного
математического программирования.
Часто структуру макромодели ОЭП целесообразно предста-
вить в виде отрезков алгебраических полиномов различной сте-
пени. При выявлении вида полинома можно использовать мето-
ды планирования эксперимента.
Сущность этого метода заключается в том, что составляют
план физического эксперимента или его математического анало-
га в виде стандартных таблиц, называемых матрицами
планирования, строки которых соответствуют различным опы-
там, а столбцы — отдельным факторам (параметрам ОЭП), про-
водят опыты, определяют значения выходных параметров (от-
клика) У) = f (Xj, х2, ..., хп), где X], х2, ..., хп — варьируемые
64
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
факторы, и по полученным значениям у, статистическим спосо-
бом находят макромодель ОЭП. При проведении полного фак-
торного эксперимента реализуют все возможные комбинации
факторов для их определенных уровней. Число опытов N в та-
ком эксперименте определяют по формуле N = р*, где р — число
уровней; k — число факторов. На начальной стадии достаточно
минимальное число уровней, равное двум. Часто используют
только два уровня — нижний и верхний. Каждый из них опре-
деляется минимальным и максимальным значениями факторов
и равен соответственно —1 и +1 в кодированной системе коорди-
нат. При р = 2 образуется двухфакторный план 2*. Для двухфак-
торного уравнения регрессии математическая модель ОЭП мо-
жет быть записана в виде степенного ряда первой степени
• У = Во	^2Х2 »
второй степени
у = Во + В1х1 + В2х2 + В12хгх2 + .ВцХ! + В22х2,
третьей степени
у = Во + Blxl + В2х2 + В12х1х2 + Bnxf + В22х2 +
+ Вц2Х1Х2 ^122Х1Х2 •Вщ.-'ч *" ^222Х2
И Т.Д.
Для упрощения проектирования целесообразно выбирать
наиболее простую модель, исследовать ее на адекватность и в
случае необходимости корректировать в сторону ее усложнения,
т.е. использования полинома более высокой степени. Для полу-
чения адекватной модели ОЭП целесообразно использовать пол-
нофакторный эксперимент, так как при этом реализуются все
возможные сочетания внутренних и внешних параметров.
Планирование эксперимента начинается с оценки границ
изменения параметров, например, максимально допустимых
рабочих режимов приемников излучения, допусков на использу-
емые элементы, диапазонов изменения температур и т.д. Для
простоты записи в матрицы планирования вводятся кодирован-
ные значения параметров:
X = (.xj~xjo)/Jj’
где Xj — натуральное значение параметра; х;0 — натуральное
значение основного уровня; — интервал варьирования.
Например, результаты расчета кодированных значений пара-
метров в трехфакторном эксперименте приведены в табл. 3.1.
Для идентификации макромодели ОЭП часто целесообразно
проводить численный эксперимент на ЭВМ с помощью полной
65
Проектирование оптико-электронных приборов
математической модели соответствующего ОЭП. Если полная ма-
тематическая модель ОЭП отсутствует, то выполняют натурный
эксперимент с физической моделью соответствующего узла или
элемента. После проведения эксперимента вычисляют коэффи-
циенты регрессии
в,=Ё(ад)/п. /'°,1.2....*.
i=l
где i — номер опыта; j — номер фактора; k — число факторов.
В заключение отме-
тим, что модели основных
элементов и узлов ОЭП в
виде соотношений и фор-
мул, связывающих внут-
ренние (конструктивные
параметры оптических
компонентов, параметры
приемника и электронного
тракта и т.п.), внешние
(параметры входных сиг-
налов, условия работы
прибора и т.п.) и выходные
(результирующие погреш-
ности, отношение сигнал/
/шум, пороговые харак-
теристики, дальность и
т.п.) параметры, рассмот-
рены в курсах, посвящен-
ных теоретическим осно-
вам оптико-электронного
приборостроения и в мно-
гочисленной литературе
[1, 20, 38 и др.]. В гл. 6—
9 настоящей книги приве-
дены многие из них.
Таблица 3.1
К примеру расчета кодированных
значении факторов в трехфактор-
ном эксперименте
Фактор	Значение фактора		
		х2	*3
Верхний уровень	5	12	9
Нижний уровень	3	3	1
Основной уровень	4	7,5	5
Интервал варьирования	1	4,5	4
Натуральное значение фак- тора в опыте	3	9	2
Кодированные значения	-1	0,33	-0,75
3.7. Обобщенная (полная) модель
оптико-электронной системы
Существующий на сегодня уровень развития теории опти-
ко-электронных систем (ОЭС) и программного обеспечения по-
зволяет решать с помощью персонального компьютера ряд важ-
66
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
ных практических задач, например, проводить параметрическую
оптимизацию применительно к отдельным звеньям ОЭП или
определять важнейшие выходные параметры и показатели ка-
чества ОЭП конкретного назначения (отношение сигнал/шум,
погрешность измерения или слежения, контраст изображения
на выходе ОЭП и др.).
В качестве достаточно обобщенной модели ОЭС можно при-
нять структуру, представленную на рис. 3.4. Главные компонен-
ты этой модели, определяющие ее компьютерную оболочку, —
это файлы (субмодели) «Сценарий работы ОЭП», «Энергетичес-
кая модель», «Структура и алгоритмы работы ОЭП», «Критерии
качества работы ОЭП», а также базы данных, разделенные на
две большие группы — «Внешние» и «Внутренние составляющие
модели».
Одним из вариантов модели исследуемого и используемого
сценария, отображаемого в главном окне, может быть геометро-
оптическая схема, представляющая совокупность излучателей
(объекта, помех, фонов, среды распространения оптического
сигнала), имеющих место в конкретной ситуации, а также их
взаимное расположение (дальности, высоты, углы). Другим ва-
риантом этой модели может быть синтезированное или получае-
мое каким-либо другим путем изображение сцены (углового поля
ОЭП).
Синтез необходимого изображения может начинаться с вы-
бора одного из изображений (сцены), содержащихся в базе дан-
ных. Для геометрической коррекции базового изображения воз-
можно использовать различные процедуры, которые позволяют
изменять взаимное геометрическое положение ОЭП, объекта,
фонов и помех, например изменять положения оптической оси
ОЭП и линии визирования относительно фона, на котором на-
блюдается объект. Другие процедуры могут изменять яркость
отдельных участков сцены в соответствии с различиями в их
коэффициентах отражения и излучения, вводить в сцену до-
полнительные объекты или помехи, учитывать переход к ново-
му, отличному от исходного (для базового изображения) спект-
ральному диапазону и т.д.
В начале моделирования задаются географические, клима-
тические и другие условия, в которых работает ОЭП. Географи-
ческая база данных должна содержать сведения о координатах
ОЭП и наблюдаемого объекта (широта, долгота, высота), о типе
территории, на которой работает ОЭП, и топографических при-
знаках этой территории (тип местности, растительность, водо-
67
Проектирование оптико-электронных приборов
со х
II
Is
Л ф
Е
Я
х -д.
О S
S3
ЬЙ П
О
Я
я
ф
я
ф
S
и
S
  ф ф
g g 3 2
ни * и
ш 9 й «
и S я и
а§>Я о
щ С И и
3 й И д
и м S «
Л К 0 и
Р* Я £ 5 s
в* а о св й
« g о я.®
и И х s в
“1BS.S
S 8 8 и g
Я сб Ф о
К В F S О
С
со
О
2
<й
ю
я
£
X
S3
S h*
w S
Е
я о
Я ф
Ф ь
s ё
n S
Рис.3.4. Структура обобщенной модели ОЭС и уровни проектирования
68
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
емы и т.п.). Здесь же следует учитывать погодные условия, т.е.
климатические и метеоусловия, которые определяют наличие
фоновых и помеховых излучателей типа атмосферы и облачно-
сти, а также условия прохождения сигналов на трассах от излу-
чателей (объектов, фонов, помех) до ОЭП. Во многих случаях
учет этих условий необходим для оценки энергетических харак-
теристик, например, излучательной способности не только фо-
нов и помех, но и наблюдаемых или контролируемых объектов.
После этого можно учесть различия в параметрах и характе-
ристиках среды распространения излучения для базового и для
синтезируемого изображений. Основные различия для них про-
истекают обычно из-за изменений спектральных диапазонов ра-
боты, протяженности трасс распространения оптических сигна-
лов и метеоусловий на этих трассах. Для учета влияния среды
— атмосферы часто можно воспользоваться моделями стандартной
атмосферы типа LOWTRAN, MODTRAN и др. [34, 41].
В качестве выбираемых или задаваемых параметров и ха-
рактеристик излучателей, входящих в модель, могут использо-
ваться температуры излучателей, излучательные и отражатель-
ные способности, геометрические размеры излучающих или от-
ражающих поверхностей и их ориентация относительно ОЭП и
друг относительно друга, спектральные характеристики и ряд
других.
На втором и третьем этапах создания модели (выбор и ана-
лиз рабочего сценария) приходится выбирать и учитывать раз-
мер углового поля или площади, просматриваемых ОЭП, дина-
мику платформы-носителя ОЭП, а также временные изменения
условий эксплуатации ОЭП. Последнее включает в себя учет
времени года и суток, возможные изменения климатических и
метеоусловий, например, уровня солнечной освещенности, ско-
рости ветра и других подобных факторов.
Определение сигналов на входе ОЭП возможно после со-
ставления энергетического уравнения ОЭП, учитывающего раз-
личные взаимодействия между элементами сцены. Здесь уточ-
няются соотношения между различными критериями качества
ОЭП, учитываются геометро-оптические взаимодействия меж-
ду отдельными элементами сцены (отдельными излучателями),
например, их взаимное перекрытие (затенение). Более подробно
энергетическая модель (субмодель) будет рассмотрена ниже (см.
п. 6.1.2).
Следует отметить, что реализация идеальной модели, учи-
тывающей все энергетические, спектральные, геометро-опти-
ческие, временные параметры и характеристики трехмерного
пространства (просматриваемой сцены) с точным выполнением
69
Проектирование оптико-электронных приборов
всех физических законов, требует практически неосуществимых
времени моделирования и объема памяти компьютера. Поэтому
целесообразно и разумно переходить к упрощенной энер-
гетической модели, сохраняющей, в основном, свою адекват-
ность, и позволяющей разрешить указанную проблему. Учиты-
вая весьма большое многообразие возможных ситуаций (сцен,
сценариев, фоно-целевых обстановок), в которых могут работать
ОЭП, целесообразно и допустимо для решения основных задач,
решаемых при моделировании ОЭП, например, для параметри-
ческого анализа системы, совмещать при моделировании полу-
чение параметров и характеристик излучателей и сред
распространения оптических сигналов путем расчета на основе
достаточно строгих физических закономерностей с использова-
нием баз данных, полученных эмпирическим путем.
Субмодель «Структура и алгоритмы работы ОЭП» описывает
процессы преобразования полезных (от объекта), помеховых и
шумовых сигналов в оптической системе, анализаторе изобра-
жения, приемнике излучения, электронном тракте и других зве-
ньях ОЭП в соответствии с выбранным или заданным алгорит-
мом. Если параметры типовых звеньев ОЭП обычно извлекаются
из базы «внутренних» данных (элементной базы ОЭП), то зада-
ние алгоритма обработки сигналов, например, вида спектраль-
ной и пространственно-временной фильтрации, параметров це-
пей задержки и интегрирования или межкадровой обработки и
др., осуществляет, как правило, пользователь. Часто в этой суб-
модели учитываются нелинейности отдельных звеньев ОЭС, спо-
собы корректировки или компенсации ряда вредных факторов,
например, неоднородности параметров отдельных площадок
многоэлементного приемника излучения, и другие факторы.
Структура субмодели «Критерии качества работы ОЭП»
определяется назначением конкретного прибора. Учитывая мно-
гофункциональный характер многих ОЭП, например, приборов,
служащих для поиска, обнаружения, распознавания, слежения
и определения координат объектов, часто приходится рассчиты-
вать значение не только какого-либо одного критерия качества,
например, отношения сигнал/шум на выходе ОЭП, но значения
целой совокупности критериев (выходных параметров), напри-
мер, характеристики обнаружения, погрешности слежения и др.
При практическом использовании программы, реализующей
обобщенную модель ОЭС, весьма целесообразным является обес-
печение ряда требований, к числу которых могут относиться
следующие:
—	вложенность отдельных уровней в виде оконных меню, при-
чем число вложенных меню может со временем дополняться;
70
Глава 3. Применение САПР в оптико-электронном приборостроении
—	гибкость связей отдельных уровней, то есть возможность
объединения баз данных с разных уровней с помощью одного,
например, критерия качества или сценария;
—	адаптивность программы к различным алгоритмическим
языкам, то есть возможность включения в программу отдель-
ных файлов, выполненных на различных алгоритмических язы-
ках;
-	возможность хранения баз данных не только в виде анали-
тических зависимостей, но и в виде объемных массивов, напри-
мер, полученных эмпирическим путем;
-	использование режимов компьютерной графики для син-
теза изображений сценариев работы ОЭП и изображений окон-
ных меню баз данных;
—	избирательность внутри одноуровнего оконного меню, то
есть возможность выбора одного из параметров, критериев рабо-
ты, сценариев и т.п. в одном оконном меню.
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА
ПРОЕКТИРОВАНИЯ В СООТВЕТСТВИИ
С ДЕЙСТВУЮЩИМИ
ГОСУДАРСТВЕННЫМИ СТАНДАРТАМИ
4.1.	Общие вопросы организации
процесса проектирования
Организация процесса проектирования определяется сте-
пенью новизны и сложностью решаемой задачи. В зависимости
от степени новизны различают:
—	частичную модернизацию существующего прибора (систе-
мы), приводящую к некоторому улучшению одного или несколь-
ких показателей качества за счет изменения параметров, улуч-
шения элементной базы, частичного изменения структуры и т.п.;
-	существенную модернизацию, приводящую к значитель-
ному улучшению основных показателей качества прибора (сис-
темы) за счет существенного изменения параметров и структур-
ной схемы, приводящих к большим конструктивным изменени-
ям;
-	создание нового прибора (системы), предназначенного для
решения известных или принципиально новых задач и основан-
ного на новых принципах действия, использование которых по-
зволяет резко улучшить основные показатели качества.
При создании новых ОЭП процессу собственно проектирова-
ния — опытно-конструкторским работам (ОКР) — обычно пред-
шествуют научно-исследовательские работы (НИР).
Целью НИР является решение проблемных вопросов, позво-
ляющее обосновать возможность и целесообразность дальнейше-
го проектирования, получить необходимую исходную информа-
цию и тем самым предотвратить значительные затраты на прове-
72
Глава 4 Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
дение проектных работ в случае, когда поставленная задача не
может быть решена предлагаемыми средствами.
В рамках НИР изучается состояние разработок по постав-
ленной или родственным задачам. С этой целью анализируются
все доступные источники информации, а также опыт промыш-
ленности. На основе выдвинутых теоретических положений
разрабатываются макеты узлов и прибора в целом. После их
изготовления и экспериментальных исследований дается заклю-
чение о возможности создания промышленного образца прибора
и формулируются рекомендации по проведению ОКР.
Последовательность разработки и изготовления промышлен-
ных изделий в настоящее время регламентируется группой госу-
дарственных стандартов, входящих в Единую систему конструк-
торской документации (ЕСКД)..
ЕСКД устанавливает единый порядок разработки, выполне-
ния, оформления, согласования, внесения изменений, учета и
хранения конструкторской документации.
В соответствии с ГОСТ 2.103-68 проектирование ОЭП можно
представить в виде последовательности этапов, в процессе кото-
рых разрабатывают ТЗ, техническое предложение, эскизный и
технический проекты, рабочую документацию.
Перечисленные этапы позволяют обеспечить изготовление
опытного образца, который затем испытывается. По результа-
там испытаний в конструкцию вносятся необходимые измене-
ния и уточнения, и после окончательных испытаний дается зак-
лючение о возможности изготовления установочной серии при-
боров. В зависимости от потребностей народного хозяйства в
данном приборе в дальнейшем осуществляется переход к мелко-
серийному, серийному или массовому производству.
Следует отметить, что в зависимости от назначения и обла-
сти применения прибора (системы), необходимых сроков разра-
ботки, а также в связи с внедрением современных методов сис-
темного и автоматизированного проектирования последователь-
ность и содержание этапов могут изменяться. Например, если на
этапе технического предложения получено полное представле-
ние о схемном и конструктивном решении прибора, этап эскиз-
ного проектирования может не выполняться, и разработчик сра-
зу переходит к техническому проектированию. Для ускорения
процесса проектирования иногда могут быть совмещены техни-
ческий и рабочий проекты. Однако при создании большинства
современных приборов указанная последовательность проекти-
рования выдерживается. Рассмотрим содержание и особенности
этапов с учетом специфики ОЭП.
73
Проектирование оптико-электронных приборов
4.2.	Техническое задание
Проектирование любого промышленного изделия, в том
числе и ОЭП, ведется на основании технического задания (ТВ).
ТЗ — это документ, который устанавливает назначение и
область применения, технические, качественные и технико-эко-
номические требования, а также определяет необходимые ста-
дии разработки конструкторской документации и ее состав.
ТЗ составляется организацией-заказчиком при возможном
участии организации-разработчика с привлечением других заин-
тересованных организаций. После утверждения и согласования
ТЗ принимается к ыыполнению.
ТЗ на проектирование ОЭП обычно состоит из нескольких
разделов. Вводная часть ТЗ содержит основание для проведения
ОКР. В следующем разделе указываются назначение и область
применения изделия. Далее излагаются технические требования,
предъявляемые к изделию.
К техническим требованиям относятся:
—	диапазон и точность измерений;
—	дальность действия;
—	чувствительность или разрешающая способность;
—	выходные параметры прибора, обеспечивающие его сты-
ковку с другими системами (если данный ОЭП входит в состав
какого-либо комплекса), либо форма представления информации
об измеряемой величине (напряжение, код, вход в ЭВМ и т.п.),
если прибор решает самостоятельную задачу. При этом могут
предъявляться требования к крутизне и диапазону линейности
выходных характеристик прибора;
—	спектральный диапазон работы, параметры и характерис-
тики излучения исследуемого или измеряемого объекта;
—	конструктивные требования к схемам и узлам прибора
(кинематическим, электрическим, оптическим);
-	габаритные размеры и масса прибора или отдельных его
частей;
—	требования по видам потребляемой энергии и мощности
потребления;
—	требования к тепловыделению прибора, а при необходимо-
сти охлаждения — параметры системы охлаждения;
—	требования по соответствию параметров прибора или его
конструктивного исполнения определенным ГОСТам, ОСТам и
другим нормативным документам.
В соответствующем разделе дается полная характеристика
условий работы изделия, среди которых можно назвать:
74
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
-	характер помех, определяемый либо конкретным указани-
ем их энергетических, спектральных и пространственных харак-
теристик, либо указаниями общего порядка (например, облач-
ное небо, звездный фон, вид ландшафта и т.п.);
-	параметры или характеристики, определяющие прохож-
дение излучения для ОЭП, работающих в полевых или других
неблагоприятных условиях (например, данные о среде распрос-
транения излучения и ее параметрах, метеорологической даль-
ности видимости, наличии задымленности и т.п.);
-	характер размещения прибора и в связи с этим различные
динамические факторы условий эксплуатации (вибрация, пере-
грузки, ударные воздействия);
—	динамические свойства исследуемого объекта — частота
колебаний, перемещения, распределение параметров по гармо-
ническим составляющим и др.;
-	метеорологические факторы — температурный диапазон,
влажность, давление, воздействие осадков, пыли, морского ту-
мана, солнечной радиации и др.;
—	требования к защите прибора от воздействия полей и
излучений;
-	условия хранения и транспортирования;
-	диапазон возможных отклонений параметров системы
энергопитания и др.
В специальном разделе ТЗ излагаются требования по надеж-
ности и работоспособности, в том числе:
-	гарантийный срок службы прибора при обусловленных ТЗ
условиях эксплуатации;
-	периодичность проверок, аттестаций и профилактического
ремонта;
—	режимы работы, в частности, время непрерывной работа,
периодичность включения и др.;
-	время готовности прибора к работе от момента включения
электропитания;
-	требования к надежности работы в течение определенного
времени с требуемой вероятностью безотказной работы;
-	требования к жесткости, надежности крепления элемен-
тов и узлов, системе амортизации;
-	требования к безопасности работы с прибором.
В ТЗ включаются также разделы, в которых излагаются тре-
бования по охране труда, технической эстетике, технологичнос-
ти, отражаются технико-экономические показатели, специаль-
ные требования, учитывающие специфику построения, приме-
нения и изготовления прибора.
75
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
В одном из заключительных разделов ТЗ отражаются этапы
создания прибора и состав технической документации, разра-
батываемой на каждом этапе и ОКР в целом, другие аспекты
проектирования, имеющие принципиальное значение. После
оформления и утверждения ТЗ приступают непосредственно к
проектным работам.
Следует отметить, что в процессе выполнения ОКР техни-
ческое задание может уточняться по взаимному согласованию
заинтересованных сторон в случаях, если будет доказана необос-
нованность каких-либо требований, показана принципиальная
невозможность обеспечения некоторых свойств и т.п.
4.3.	Техническое предложение
В соответствии с ГОСТ 2.118-73 техническое предложение
разрабатывают в целях выявления дополнительных или уточ-
ненных технических и эксплуатационных требований к прибору,
которые не были отражены в ТЗ и для обоснования которых
целесообразно выполнить предварительную конструкторскую
проработку и анализ различных вариантов решения.
Наиболее типичными видами работ, проводимых на этапе
технического предложения, являются:
-	научно-технический поиск в целях подбора и изучения всех
доступных материалов по проектируемому изделию;
—	анализ полученной информации и выявление положений,
позволяющих наметить варианты решения поставленной в ТЗ
задачи;
-	установление возможных вариантов схемы и конструкции
прибора;
-	сравнительная оценка выявленных вариантов по различ-
ным показателям, определенным ТЗ;
-	проверка вариантов на патентную чистоту и конкурентоспо-
собность, оформление заявок на изобретение;
—	проверка соответствия возможных вариантов требованиям
стандартизации, унификации, техники безопасности, эргономи-
ки и др.;
-	предварительная оценка технологичности конструкции
прибора.
В процессе выполнения указанных работ могут быть прове-
дены различные расчеты, а также экспериментальные исследова-
ния с использованием математических моделей и макетов. Для
изготовления макетов должна быть разработана конструкторс-
кая документация.
76
Результатом работ на данном этапе должны быть ТЗ, сформу-
лированное с учетом положений, выявленных в процессе теоре-
тических и экспериментальных исследований, а также конструк-
торская документация, дающая обобщенное представление о
выявленных технических решениях.
На рассматриваемом этапе наряду с учетом конструктивных
и эксплуатационных особенностей существующих изделий анало-
гичного назначения необходимо иметь в виду тенденции и пер-
спективы развития отечественной и зарубежной техники в дан-
ной области.
Следует уже при проведении данного этапа проектирования
стремиться к выбору оптимального варианта прибора, так как
это позволит избежать ненужных затрат на последующих этапах
и ускорит проектирование. В случае невозможности такого вы-
бора необходимо установить дополнительные требования к по-
следующим этапам.
Конструкторская документация, выпускаемая на этапе тех-
нического предложения, включает обобщенные схемы ОЭП, упро-
щенные чертежи общего вида, габаритный чертеж, ведомость тех-
нического предложения, пояснительную записку, патентный
формуляр.
Пояснительная записка в соответствии с ГОСТ 2.106-68 в об-
щем случае должна включать следующие разделы:
—	введение (с указанием документов, на основании которых
выполняется проектирование);
—	назначение и область применения прибора;
—	технические характеристики прибора;
—	описание и обоснование выбранной конструкции;
-	расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность
выбранного конструктивного решения;
-	описание организации работ с применением разрабатыва-
емого прибора;
—	ожидаемые технико-экономические показатели;
—	уровень оценки по показателям стандартизации, унифика-
ции, патентной чистоты и т.п.
Указанная структура пояснительной записки применима к
любому этапу проектирования. При этом в зависимости от особен-
ностей изделия и характера решаемых на том или ином этапе
проектирования задач возможно объединение, исключение или
введение новых разделов.
Пояснительная записка должна быть оформлена в соответ-
ствии с ГОСТ 2.105—79. Чертежи и схемы выполняются с макси-
мальными упрощениями, предусмотренными ЕСКД.
77
Проектирование оптико-электронных приборов
После рассмотрения и утверждения технического предложе-
ния его материалы служат основой для проведения последующих
этапов проектирования.
4.4.	Эскизное проектирование
Эскизный проект ОЭП разрабатывается в целях получения
его принципиальных схемных и конструктивных решений. Кон-
структорская документация, полученная в результате эскизного
проектирования, должна давать общее представление об устрой-
стве и принципе работе прибора и особенностях его ис-
пользования.
Требования к эскизному проекту регламентируются ГОСТ
2.119-73.
При выполнении эскизного проекта проводят:
—	проработку возможных вариантов схемного и конструк-
тивного решений прибора;
—	расчетное обоснование их ожидаемых технических харак-
теристик;
—	оценку возможности реализации полученных вариантов на
основе освоенной промышленностью номенклатуры материалов
и комплектующих изделий;
—	оценку технологичности конструкции и возможностей
изготовления прибора в условиях конкретной производственной
базы;
—	проверку принятых технических решений на патентную
чистоту; оформление заявок на изобретения в случае положитель-
ных результатов патентных исследований;
—	проверку решений на соответствие требованиям техники
безопасности, стандартизации и унификации;
—	проработку художественно-конструкторских вопросов,
оценку прибора по показателям эргономики.
С учетом полученных результатов перечисленных работ вы-
полняется сравнительная оценка вариантов по установленным
ТЗ показателям и обобщенным критериям оценки качества ОЭП
и выбирается оптимальный вариант прибора.
На этапе эскизного проектирования на основе принятых
принципиальных решений большое внимание уделяется выяв-
лению новых изделий и материалов, которые планируется раз-
работать и изготовить другими предприятиями (например, ис-
точников и приемников излучения, электромеханических эле-
ментов, шарикоподшипников, конструкционных и других мате-
риалов и т.п.). На этом этапе должны быть составлены техничес-
78
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
кие требования к таким изделиям и материалам и определен круг
их возможных разработчиков,
С целью более обоснованного выбора оптимального варианта
прибора может быть проведено макетирование его отдельных уз-
лов или прибора в целом с последующим исследованием макетов.
Важное значение при эскизном проектировании имеет оцен-
ка метрологического обеспечения будущего серийного или мас-
сового производства прибора. Это прежде всего относится к
прецизионным приборам, поскольку для оценки их точностных
возможностей может потребоваться уникальное оборудование
(стенды). В некоторых случаях для создания такого оборудова-
ния необходимы значительные усилия, вплоть до проведения
самостоятельных НИР и ОКР, на выполнение которых должно
быть выдано соответствующее ТЗ.
Иногда уже на этапе эскизного проектирования предвари-
тельно решают вопросы упаковки и транспортирования, напри-
мер при проектировании крупногабаритных изделий или изде-
лий, для которых требуется специальная упаковка или средства
транспортирования.
На этапе эскизного проектирования при необходимости
выполняют и другие работы. В то же время обычно не повторяют
работы, проведенные на этапе технического предложения, если
они не могут дать дополнительных данных. В этом случае ре-
зультаты ранее проведенных работ отражаются в пояснительной
записке.
Конструкторская документация эскизного проекта ОЭП
включает основные схемы прибора, чертеж его общего вида и
основных сборочных единиц, габаритный чертеж, ведомость эс-
кизного проекта, пояснительную записку.
Схемы прибора разрабатывают на основе выбранного прин-
ципа его работы и проведенных расчетов. Как правило, выпол-
няются функциональные или принципиальные схемы следую-
щих видов: оптические, электрические, кинематические. Схемы
должны давать полное представление о принципе работы прибо-
ра, взаимосвязях всех его узлов и элементов.
Чертеж общего вида выполняется с упрощениями, предусмо-
тренными ЕСКД, и должен давать представление о компоновке
прибора, взаимодействии его основных составных частей. При
эскизном проектировании на чертеже общего вида часто исполь-
зуют контурное изображение заимствованных сборочных единиц,
покупных и других комплектующих изделий (объективов, элек-
тродвигателей, подшипников и т.п.).
Габаритный чертеж представляет собой контурное (упрощен-
ное) изображение прибора с габаритными, установочными и при-
79
Проектирование оптико-электронных приборов
соединительными размерами и является необходимым кон-
структорским документом, если прибор входит в состав каких-
либо сложных систем, комплексов или должен быть установлен
(смонтирован) на специальных основаниях. Габаритный чертеж
разрабатывается по согласованию со смежными организациями
и окончательно уточняется на этапе технического проекта.
Пояснительная записка эскизного проекта выполняется с
учетом следующих требований к содержанию разделов.
При изложении технической характеристики наряду с указа-
нием свойств прибора приводятся сведения об отклонениях или
соответствии требованиям ТЗ и сравнительные данные отечест-
венных и зарубежных аналогов.
Раздел «Описание и обоснование выбранной конструкции»
наряду с изложением принятых схемных конструктивных ре-
шений может содержать сведения о макетах прибора, методике
и результатах их испытаний, сведения о технологичности,
дополнительные результаты патентных исследований, сведения
о вновь разрабатываемых материалах и комплектующих изде-
лиях и др.
Пояснительная записка эскизного проекта должна содержать
все необходимые расчеты ОЭП, подтверждающие возможность
его реализации. При большом объеме расчетов они могут быть
оформлены в виде отдельного документа. При этом в поясни-
тельной записке приводятся только результаты расчетов.
К числу наиболее важных относятся следующие виды расче-
тов ОЭП: энергетический (светотехнический); оптической систе-
мы (габаритный, аберрационный); электронного тракта; точнос-
ти. В зависимости от принципа работы ОЭП проводят и другие
расчеты, часто имеющие принципиальное значение: кинемати-
ческий, динамический, надежности, прочности и жесткости,
температурных режимов и т.п.
Приложение к пояснительной записке может включать све-
дения по стандартизации и унификации, материалы художест-
венно-конструкторской проработки, в частности результаты
эргономического анализа, требования по технике безопасности и
другие материалы, представляющие интерес для всесторонней
характеристики проектируемого прибора.
Эскизный проект рассматривается заинтересованными
организациями и защищается в установленном порядке. Выяв-
ленные в результате рассмотрения и защиты замечания либо ус-
траняются, либо по ним намечаются мероприятия для последу-
ющих этапов проектирования, после чего протокол о защите ут-
верждается.
80
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
4.5.	Техническое проектирование
Цель технического проектирования состоит в выявлении
окончательных технических решений, дающих полное пред-
ставление о конструкции прибора. Требования к техническому
проекту определяются ГОСТ 2.120—73.
Основными видами работ являются:
—	детальная разработка конструкции всего прибора и его со-
ставных частей;
—	разработка принципиальных схем, на основе которых мо-
гут быть выполнены монтажные схемы, схемы соединений,
осуществлены сборка и настройка оптических и электронных
блоков;
—	окончательное оформление заявок и ТЗ на изготовление
новых изделий и материалов;
—	выявление номенклатуры покупных изделий и согласова-
ние их применения;
—	окончательное согласование габаритных, установочных и
присоединительных размеров, мест подключения разъемов с
заказчиком и основными потребителями;
-	анализ конструкции прибора, его узлов и отдельных наи-
более сложных и ответственных деталей на технологичность и
определение на основе этого анализа возможности использова-
ния имеющегося на предприятии оборудования, необходимости
приобретения или создания нового технологического оборудова-
ния и спецоснастки;
—	окончательное решение вопросов метрологического обеспе-
чения по выбору средств измерений и методов контроля
метрологических характеристик приборов;
—	проверка принятых технических решений на соответствие
требованиям стандартизации, унификации, техники безопаснос-
ти;
—	проверка приборов на патентную чистоту, оформление за-
явок на изобретения;
—	окончательное решение вопросов транспортирования,
хранения и монтажа на месте эксплуатации;
—	оценка эксплуатационных характеристик приборов, в част-
ности, взаимозаменяемости, удобства обслуживания, ремонтоп-
ригодности, устойчивости к воздействию факторов внешней сре-
ды, возможности быстрого устранения отказов, контроля каче-
ства работы, обеспеченности средствами контроля технического
состояния и др.
81
Проектирование оптико-электронных приборов
Как правило, разработка технического проекта сопровож-
дается большим объемом макетирования. Макеты создаются в
целях проверки конструктивных и схемных решений прибора, а
также для подтверждения окончательно принятых решений. При
этом наряду с функционирующими макетами целесообразно де-
лать макеты-муляжи (например, из дерева), на которых можно
проверить удобство обслуживания и расположения элементов,
т.е. отработать эргономические и художественно-конструктор-
ские показатели.
Выполняемые при техническом проектировании расчеты слу-
жат для окончательного установления свойств прибора, выра-
ботки требований к узлам и отдельным ответственным деталям.
На этом этапе проектирования уточняются такие показатели, как
инструментальная составляющая суммарной погрешности, ко-
торая может быть выявлена только на основе окончательно при-
нятых конструктивных решений.
Особое внимание уделяется подбору необходимого оборудо-
вания для лабораторных испытаний будущих приборов.
В результате технического проектирования обычно выпус-
кается следующая конструкторская документация: чертежи об-
щего вида прибора и его сборочных единиц, габаритный чертеж,
чертежи всех схем, ведомость технического проекта, пояснитель-
ная записка, приложение к пояснительной записке, ведомость
покупных изделий, ведомость согласования применения покуп-
ных изделий, патентный формуляр, карта технического уровня
и др.
Пояснительная записка технического проекта включает те
же разделы, что и записка к эскизному проекту. Однако в ней
особое внимание уделяется обоснованию и описанию конструк-
тивных особенностей прибора, принципов его функционирова-
ния. В нее включаются расчеты, выполненные при техническом
проектировании. Существенно расширяется раздел, посвящен-
ный описанию организации работ с прибором на месте эксплуа-
тации. В этом разделе даются сведения о приемах и способах
работы с прибором, транспортировании, монтаже и хранении,
количестве и квалификации обслуживающего персонала.
В приложении к пояснительной записке могут быть приве-
дены расчеты, материалы художественно-конструкторской про-
работки и др.
Технический проект подлежит защите и утверждению заказ-
чиком.
82
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
4.6.	Рабочее проектирование
Рабочий проект выполняется с целью создания и отработки
полного комплекта конструкторской документации ОЭП, доста-
точной для изготовления опытного образца прибора. Рабочее
проектирование может выполняться как самостоятельный этап,
но иногда для ускорения процесса проектирования его начинают
на этапе технического проекта (технорабочий проект).
Этап рабочего проектирования характеризуется тесным взаи-
модействием конструкторских и технологических подразделений
предприятия.
Основными видами работ на этом этапе являются:
—	детальная разработка конструкции прибора и его узлов с
указанием технологических требований к сборке и юстировке;
—	доведение всех схем до рабочего состояния (выполняются
монтажные схемы, на оптических схемах приводятся требова-
ния по юстировке и т.п.);
-	составление спецификаций и сводных ведомостей покуп-
ных и стандартных изделий и деталей, марок и сортаментов
применяемых материалов;
-	разработка ведомостей и чертежей согласования примене-
ния готовых изделий;
—	согласование методик юстировки, настройки, монтажа,
испытаний;
—	составление технического описания, технических условий,
инструкций по эксплуатации, формуляра, технического паспор-
та;
—	составление ведомости запасного инструмента и принад-
лежностей (ЗИП);
— разработка технологических процессов изготовления наи-
более сложных и ответственных деталей.
Рабочие чертежи должны обеспечивать возможность опти-
мального применения стандартных, покупных и освоенных ра-
нее изделий, рационально ограниченную номенклатуру матери-
алов, покрытий, размеров, резьб, допусков и т. п., необходимую
степень взаимозаменяемости, экономичные способы изготовле-
ния, максимальное удобство при эксплуатации.
В процессе рабочего проектирования выполняются конт-
рольно-сборочные чертежи узлов и прибора в целом для выявле-
ния ошибок в рабочих чертежах деталей до их изготовления и
сборки. Контрольно-сборочный чертеж вычерчивают по рабочим
чертежам деталей путем считывания всех необходимых разме-
ров, проверки правильности простановки допусков на сопрягае-
83
Проектирование оптико-электронных приборов
мые детали и тщательного переноса размеров в соответствии с
необходимым масштабом на поле чертежа.
Все выявленные ошибки и неточности рабочих чертежей
устраняются, после чего чертежи проходят нормоконтроль по
ГОСТ 2.111-68, технологический контроль и утверждаются.
Рабочие чертежи деталей и сборочные чертежи являются
основной документацией, руководствуясь которой можно осуще-
ствить изготовление опытного образца прибора. Дополнением к
ним являются технические условия, содержащие все отсутству-
ющие в чертежах, но необходимые для изготовления и отладки
технические требования, а также требования на приемку и ис-
пытания.
Технические условия составляют в соответствии с ГОСТ
2.114—70 на основе ТЗ, чертежей и документации технического
проекта.
Составление методики юстировки и настройки должно быть
увязано с выпуском рабочих чертежей контрольно-юстировоч-
ной аппаратуры.
После подготовки и утверждения всей необходимой докумен-
тации опытное производство предприятия изготовляет опытный
образец или партию приборов. Конструкторские подразделения
предприятия осуществляют наблюдение за ходом изготовления
и оказывают необходимую помощь производству. Возникающие
в процессе изготовления замечания к документации исправля-
ются.
Изготовленные опытным производством образцы приборов
передаются на всесторонние испытания. При проведении
предварительных испытаний проверяют правильность функцио-
нирования, соответствие приборов техническим условиям и тех-
ническому паспорту. Эти испытания могут проводиться как в
условиях заводской испытательной лаборатории (на соответству-
ющих стендах), так и в условиях предполагаемой эксплуатации.
Если изготовленные приборы прошли предварительные испыта-
ния, их передают на государственные испытания для полной про-
верки опытного образца прибора на соответствие ТЗ и техничес-
ким условиям. Так же, как и предварительные, государствен-
ные испытания могут проводиться в лабораторных и полевых
условиях.
Государственные испытания осуществляются под руковод-
ством государственной комиссии, состоящей из специалистов от-
раслевых НИИ, представителей заказчика и предприятия-разра-
ботчика. Испытания регламентируются специальной програм-
мой. Государственным испытаниям подвергаются приборы, про-
шедшие предварительные испытания и снабженные всей необ-
84
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
ходимой технической документацией, что подтверждается соот-
ветствующим актом.
В процессе государственных испытаний фиксируются все
замечания. Если они легко устранимы, то испытания продол-
жаются; если носят принципиальный характер, то опытные об-
разцы и документация возвращаются на доработку, после ко-
торой вновь представляются на испытания.
По окончании испытаний составляется акт, где дается
заключение о соответствии прибора ТЗ и о возможности его за-
пуска в серийное или массовое производство, а также приводят-
ся замеченные недостатки, которые должны быть устранены в
процессе подготовки прибора к следующему этапу производства.
Перед серийным производством обеспечивается технологиче-
ская подготовка производства, заключающаяся в проектирова-
нии технологического процесса изготовления деталей и сборки,
конструировании и изготовлении технологической оснастки,
разработке методики контроля технических характеристик при-
бора и проектировании соответствующей контрольно-юстировоч-
ной аппаратуры.
По окончании этапа технологической подготовки производ-
ства может быть изготовлена установочная партия приборов, на
которой окончательно отрабатываются конструкторская
документация и технологический процесс, а также проверяются
наличие требуемых технологической оснастки и контрольно-
юстировочной аппаратуры и их возможности.
При соответствии установочной партии приборов и техниче-
ской документации предъявляемым требованиям приборы запу-
скаются в серийное производство.
4.7.	Конструкторская документация
Разработка и изготовление любого ОЭП связаны с выпуском
конструкторской документации. Конструкторская документация
прибора — это совокупность документов, которые полностью и
однозначно определяют все необходимые и достаточные данные
для изготовления, настройки и юстировки, приемки, экс-
плуатации и ремонта как всего прибора в целом, так и его со-
ставных частей.
Согласно ГОСТ 2.102—68 к конструкторской документации
относятся следующие графические и текстовые документы:
—	чертеж детали, содержащий изображение детали и дру-
гие данные, необходимые для ее изготовления и контроля;
85
Проектирование оптико-электронных приборов
-	сборочный чертеж (СБ), содержащий изображение сбороч-
ной единицы и другие данные, необходимые для ее сборки и кон-
троля
—	чертеж общего вида (ВО), определяющий конструкцию
прибора, взаимодействие его основных составных частей, поясня-
ющий принцип работы изделия, включая форму деталей и харак-
терные размеры, которые облегчают уяснение формы элементов
деталей, содержащий предельные отклонения сопрягаемых по-
верхностей и сопровождаемый техническими требованиями к
прибору;
—	теоретический чертеж (ТЧ), определяющий геометричес-
кую форму прибора и координаты расположения составных ча-
стей;
-	габаритный чертеж (ГЧ), представляющий собой контур-
ное (упрощенное) изображение прибора с габаритными, устано-
вочными и присоединительными размерами;
—	монтажный чертеж (МЧ) — упрощенное изображение при-
бора с данными, необходимыми для его установки на месте экс-
плуатации;
—	схемы по ГОСТ 2.701-84, на которых показаны в виде
условных изображений или обозначений составные части изде-
лия и связи между ними;
—	спецификация — документ, определяющий состав сбороч-
ной единицы, комплекса или комплекта. Спецификация в об-
щем случае состоит из разделов: документация, комплексы, сбо-
рочные единицы, детали, стандартные изделия, прочие изделия,
материалы, комплекты. Требования к выполнению специфика-
ций регламентирует ГОСТ 2.108-68;
—	ведомости спецификаций (ВС), ссылочных документов
(ВД), покупных изделий (ВП), согласования применения изде-
лий (ВИ), держателей подлинников (ДП), технического предло-
жения (ПТ), эскизного проекта (ЭП), технического проекта (ТП);
—	пояснительная записка (ПЗ) содержит описание прибора
и принципа его действия, а также обоснование принятых при
разработке прибора технических и технико-экономических ре-
шений;
-	технические условия (ТУ) содержат требования к прибору
и его составным частям и деталям и обычно включают следую-
щие разделы: вводную часть с указанием назначения, области
применения прибора и условий его эксплуатации; состав комп-
лекта прибора; технические требования к материалам, отдель-
ным деталям, сборочным единицам и прибору в целом; требова-
ния к покрытиям и окраске; методы контроля технических
характеристик, порядок приемки, поверок и испытаний; требо-
86
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
вания к транспортированию и хранению, смазыванию, упаков-
ке; порядок маркировки; указания о гарантийных обязательствах
изготовителя;
—	программа и методика испытаний (ПМ);
—	патентный формуляр (ПФ);
-	карта технического уровня и качества изделия (КУ),
характеризующая уровень качества прибора, соответствие его
технических и экономических показателей достижениям науки
и техники и потребностям народного хозяйства;
-	таблицы (ТБ);
-	расчеты (РР);
-	инструкции (И), представляющие собой документы, ис-
пользуемые при изготовлении прибора (сборке, регулировании,
контроле, приемке и т.п.).
Помимо конструкторских документов в соответствии с ГОСТ
2.601-68 разрабатывается комплект эксплуатационных докумен-
тов, в том числе:
—	техническое описание (ТО), дающее общее представление
о приборе, его технических характеристиках, принципе его ра-
боты и устройстве, комплектации и другие сведения;
—	инструкция по эксплуатации (ИЭ), которая может быть
частью технического описания, но может быть и самостоятель-
ным документом. В инструкции приводятся методика работы с
прибором и его поверки, правила монтажа, подготовки прибора
к работе, обращения с прибором, разборки, чистки, смазывания,
транспортирования, а также указания по технике безопасности
и т.п.;
-	технический паспорт (ПС) и формуляр (ФО) — докумен-
ты, сопровождающие прибор в процессе эксплуатации. Техни-
ческий паспорт включает основные номинальные технические
характеристики прибора, результаты исследования технических
характеристик, состав комплекта, свидетельство о приемке, по-
ложения о гарантиях и сведения о рекламациях, номер прибора
и номера комплектующих изделий. В формуляре наряду с ос-
новными сведениями, приведенными в паспорте прибора, дают-
ся сведения о режиме работы, учете времени эксплуатации, от-
метки о текущем состоянии прибора, его техобслуживании и
ремонте;
-	ведомость ЗИП (ЗИ) устанавливает номенклатуру, назна-
чение и количество запасных частей, инструментов, принадлеж-
ностей и материалов, необходимых при эксплуатации и ремонте
прибора;
-	ведомость эксплуатационных документов (ЭД).
87
Проектирование оптико-электронных приборов
Состав ремонтных документов определяется ГОСТ 2.602-
68. Эти документы предусматривают технически возможное и
экономически целесообразное восстановление технических пара-
метров прибора при эксплуатации на различных стадиях.
Важное место в конструкторской документации ОЭП при-
надлежит схемам. В соответствии с ГОСТ 2.701-84 виды схем
обозначаются буквами, а их типы — цифрами.
В оптико-электронном приборостроениии используются в ос-
новном схемы следующих видов: электрические — Э, кинема-
тические - К, оптические - Л, комбинированные - С.
Схемы в зависимости от их типа имеют следующие обозна-
чения; структурные - 1, функциональные - 2, принципиаль-
ные — 3, соединений - 4, подключения — 5, общие - 6, располо-
жения - 7. Например, схема электрическая функциональная
имеет шифр Э2.
Специфическими конструкторскими документами ОЭП яв-
ляются комбинированная функциональная и оптическая прин-
ципиальная схемы.
Функциональная комбинированная схема иллюстрирует
процессы преобразования сигналов, происходящие в функ-
циональных цепях прибора и в приборе в целом. Эта схема яв-
ляется основным документом, раскрывающим принцип работы
прибора. При выполнении функциональных схем ОЭП руковод-
ствуются следующими положениями [28].
Функциональная схема выполняется без соблюдения масш-
таба, действительное пространственное расположение составных
частей прибора либо не учитывается вообще, либо учитывается
приближенно.
При выполнении функциональной комбинированной схемы
могут быть использованы условные обозначения, применяемые
при выполнении схем других видов (оптических, кинематичес-
ких, электрических и т.д.).
Схема должна быть выполнена компактно, но без ущерба для
ясности и удобства чтения.
Элементы и узлы схемы, являющиеся отдельными функцио-
нальными частями, допускается изображать в виде прямоуголь-
ников с указанием вида элемента и его характеристик.
При выполнении схемы необходимо пользоваться условны-
ми графическими изображениями, установленными
ГОСТами. При отсутствии соответствующего стандартизованно-
го условного обозначения элемент на схеме изображают либо в
виде, приближенно соответствующем его конструктивному ис-
полнению, либо в виде прямоугольника, внутри которого напи-
сано название элемента.
88
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
Условные графические обозначения, стандартизованные или
построенные на основе стандартизированных обозначений, на
схемах не поясняются. Элементы, составляющие функциональ-
ные группы или устройства, на схемах допускается выделять
штрих-пунктирными линиями, указывая внутри контура наи-
менование или тип группы. Для наглядности допускается изоб-
ражать элементы схем различных видов, а также отдельные эле-
менты и устройства, не входящие в данный прибор, но необходи-
мые для пояснения принципа его работы.
Технические характеристики элементов или частей схемы
следует указывать рядом с графическим обозначением или на
свободном поле схемы. На схеме могут быть поясняющие надпи-
си, диаграммы, таблицы, определяющие последовательность
процессов во времени.
Механические связи между элементами схемы указывают-
ся штриховой линией, электрические и оптические—сплошной.
Пример выполнения функциональной комбинированной схемы
ОЭП представлен на рис. 4.1.
Оптические схемы выполняются в соответствии с ГОСТ
2.41281 в определенном масштабе. На схеме показывают все
оптические детали прибора, источники света и приемники излу-
чения (условными графическими обозначениями), положение
диафрагм, зрачков, фокальных плоскостей или плоскостей изоб-
ражения предмета. Номера позиций оптических деталей присваи-
вают по ходу луча.
На оптической схеме помещают также основные оптические
характеристики прибора; таблицу с указаниями X, sF, и s'F-
для некоторых сборочных единиц оптической системы (объекти-
вов, конденсоров, коллективов и т.п.); наименование, шифр или
тип источников света и приемников излучения; таблицу —
перечень деталей; таблицу световых диаметров оптических дета-
лей, соответствующих им стрелок прогиба и толщины по оси;
для призм указывается длина развертки.
На оптической схеме показывают диаметры диафрагм, раз-
меры зрачков, размеры тела накала и т.п.; воздушные проме-
жутки и другие размеры по оси, определяющие взаимное поло-
жение деталей, зрачков, диафрагм и т.п.; размеры, определяю-
щие пределы перемещения или предельные углы поворота опти-
ческих деталей и некоторые другие размеры. Пример выполне-
ния оптической схемы ОЭП представлен на рис. 4.2.
При разработке ОЭП наряду с рассмотренными выполняют-
ся и другие схемы, перечисленные выше, если они необходимы.
Структурная схема определяет основные функциональные
части изделия, их назначение и взаимосвязи. Принципиальная
89
CD
U ООО 00 ’00 'И9У
CJ WM
£♦ VD5
Рис.4.1. Пример выполнения комбинированной функциональ-
ной схемы ОЭП
Отрожотелв
СО


KQHftNCM
220 В} 50 Гц
А 1 - блок оптико-иеханнческий
А 2 - блок злектронный
А 3 - блок управления
А 4 - блок разделения координат
А 5 • блок счетный
А 6 - фориирователи остроконечных
иыпульсов
АВИ. 00.00.000 С2
Аяготаяяыапр,
врымнииуяъашЯ
Cif'000-QQ-QQ4m\
Яг* врощгм/л
ius.a
Источник излучения
АВИ. DO. 00.000 ЛЗ
Поз.	Наиееенавание	f		6я'
1	Линза	-2Щ1		-2427,5
г	Линза	197,25	-197,25	198,57
1.2	Объект/	149.5)	-148,95	145.Я
5	Линза	65,97	-65,97	67,»
6	Линза.	-Ч76.В7	956,46	^«*,47
5,6	OiieKimt	69,87	-48,91	44,11
№	Линза	-2099,5	ЯТ5А	-2072,2
II	Линза	336fl2\	-336flT\	339/4
юл	Объекту/	<03,0	-401,83	23,67
17	Линза	80,31	- 79,73	81,82
18	Линза	80,23	-at,95	ГЗ./9
19	Линза	80,51	-84,23	
С7-Н	Квнбенсар	26,85	-26,83	гв,к
Паз.	С8.<2>1	Стрелка по св 0|	Г4.0,	Стрелка ла св. 0,	Толщина ng оса
1	f6	0.30	16	п.55	1.6
2	16	0,00	16	-П.52	2,0
3	25*16	—	—	—	2,5
У	23*16	—	—		2.5
5	16	0.97	16	0,00	3,0
6	16	- и	16	-1,01	2.0
7	23*16	—	—	—	2.5
8	го	—	10	——	1.5
9	12	—	12	—	19,0
10	60	-/,90	60	-1,59	6.0
11	60	2.66	60	о,оо	5.0
п	10		10	—.	2,5
13	60	—	60	—	6,0
Не	я	——	20	—	И
15	12	—	12	——	7,0
16	12	—	12	—	7.0
17	17	0,73	12	-0.28	3.0
п	Г7	1.50	17	0,49	3,6
п	17	2.59	17	1,51	3.7
20	29*17	—	—	—	2,5
Рис.4.2. Пример выполне-
ния принципиальной опти-
ческой схемы ОЭП
Псюскжш чувстви-
тельной ппощады Пи
I.	‘Размеры Л?» справок
2.	Источник излучения - сВетевиав AfltlOA
3.	Приенкик излучения - фопювиав 9Д21К
4.	Угловое нале аВгмколлиечатара - t№‘
5.	Фокусные расстояния яяа, конвенсоряВ и объек-
тивов рассчитаны вял А
6 Защитное t текло not. 13 установит в тложе •
кие, при fameport норма Лв к отражающей п-
Cepirmmu наклеенного на него зеркала по». 12
составляет с оптической осою объектива net.
/О, ft угон 22'30’ 8 Вертикапанви плоское*
1Ш вниз от оси
2 Изображение источника излучения Зоям нс на-
xodvmfA 9 плоскости штриховой нарки поз.
8 с погрешностью * 0.15 мп
4. Увеличение системы объективов not. I, 2 ц
лоз. 5,6 fl	0,33
Я Отклонение линии перемещения изображения
источника излучения ат направления щтри-
к нарки по».'В не белее 0.07 нп
в	1	Обозначение	Наименование	1	Прите- кание
					
					
	1	АВИ. 00.0?. 0С2	Линза	1	
	2	АВИ.00.07.003	Линза	1	
	3	АВИ. 00.07. 005	Зеркало	1	
	*	АВИ. НО. 06.009	Зеркала	1	
	5	АВИ00.0В.002	Линза	1	
	6	АвМ. <Ю-08.003	Линза	1	
	7	АВИ. 00.08.005	Зеркало	1	
	8	АВИ 00.10.002	Парки	1	
	Р	АВИ. 00. И. 003	Призма	1	
	/0	ABM. 02.01. 004	Линза	1	
	It	A8M.Ot.Ot. 005	Линза	1	
	а	АВИ. 02.03.001	Зеркало	1	
	и	АВИ. 02.03.002	(текло защитное	1	
	*	АВИ. 00.12.001	Анализатор	1	
	15	АЙИ. ОО13.001	Призме	1	
	№	АВИ 00.13.002	Прилет	1	
	17	АВИ. 00.09.094	Линза	2	
	18	АВИ. 00.09.006	Линза	2	
	19	АВИ. 00.09.007	Линза	2	
	20	АВИ. 00.09 009	Зеркало	2	
					
					
					
Проектирование оптико-электронных приборов		Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
Проектирование оптико-электронных приборов
схема определяет полный состав элементов и связей между ними
и, как правило, дает детальное представление о принципах рабо-
ты изделия. Схема соединений показывает соединения состав-
ных частей изделия и определяет провода, жгуты и кабели, ко-
торыми осуществляются эти соединения, а также места их при-
соединения и ввода (зажимы, соединители, фланцы и т. п.).
Схема подключения показывает внешнее подключение изделия.
Общая схема определяет составные части комплекса и соедине-
ния их между собой на месте эксплуатации. Схема расположе-
ния задает относительное положение составных частей изделия,
а при необходимости проводов, жгутов, кабелей, светопроводов
и т.п.
Все перечисленные схемы могут быть использованы при
разработке других конструкторских документов, а также при
эксплуатации приборов. Правила выполнения схем регламенти-
руются соответствующими стандартами ЕСКД, относящимися к
7-й группе.
При разработке рабочих чертежей деталей необходимо руко-
водствоваться ГОСТ 2.109-73, а также соответствующими стан-
дартами ЕСКД, относящимися к 3-й и 4-й группам (см. табл.
5.3).
Правила выполнения сборочных, общих видов, габаритных
и монтажных чертежей устанавливает ГОСТ 2.109—73, а спе-
цификаций — ГОСТ 2.108—68.
Оформление текстовых документов должно выполняться в
соответствии с ГОСТ 2.106-68.
Каждый конструкторский документ должен иметь опреде-
ленное обозначение в соответствии с обезличенной классифика-
ционной системой обозначений изделий и документов. Обозна-
чение изделия и его основного конструкторского документа (спе-
цификации и чертежа детали) имеет следующую структуру: ин-
декс организации-разработчика; классификационная характери-
стика; порядковый регистрационный номер. К обозначениям всех
остальных документов добавляются шифры (например, СБ, Э2,
ЛЗ, ТУ и т.п.).
В соответствии с ГОСТ 2.501—88 все подлинники, дубликаты
и копии конструкторской документации подлежат учету и хране-
нию в отделе технической документации (ОТД). Подлинник для
сдачи в ОТД должен иметь необходимые подписи, подтвержда-
ющие его соответствие нормам, и предусмотренные согласова-
ния со всеми заинтересованными службами. Вносить изменения
в конструкторскую документацию или аннулировать ее имеет
право только предприятие—держатель подлинников. Основой
для этого служит «Извещение об изменении». Изменяемые раз-
92
Г пава 4, Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
меры, слова, знаки, надписи и т.п., как правило, зачеркивают
так, чтобы можно было легко прочитать зачеркнутое, и рядом с
зачеркнутым проставляют новые данные.
4.8.	Организация конструкторских работ,
выполняемых при проектировании
оптико-электронных приборов
Конструкторские работы, выполняемые при проектировании
ОЭП можно условно разделить на:
—	творческие — изучение ТЗ; сбор исходных материалов;
математическое и физическое моделирование; составление компо-
новочных эскизов, функциональных и принципиальных схем;
разработка монтажных схем электронных блоков, чертежа об-
щего вида, чертежей узлов и сборочных единиц;
—	технические — выпуск комплекта конструкторской доку-
ментации; разработка рабочих чертежей деталей, текстовой доку-
ментации, спецификаций и т.д.;
-	организационные — руководство подчиненными исполни-
телями; проверка, корректировка, согласование и утверждение
конструкторской документации; передача ее в подразделения,
отвечающие за хранение, размножение и движение конструктор-
ской документации;
-	производственные — сопровождение приборов в производ-
стве, участие в отработке конструкции и технологии изготовле-
ния;
—	корректировочные — исправление и доработка конст-
рукторской документации, передача ее в опытное производство
или на серийные предприятия отрасли.
В зависимости от организации-разработчика (НИИ или
заводское КБ), состава работников, занятых в создании прибо-
ров, уровня квалификации разработчиков и соответствия его
степени сложности изделия, технической оснащенности НИИ или
КБ соотношение между перечисленными выше видами работ по
их трудоемкости может меняться. Относительная трудоемкость
в процентах для некоторых характерных случаев показана на
рис. 4.3 [33].
Работы в конструкторском бюро НИИ или предприятия мо-
гут быть разделены по тематическому и функциональному при-
знакам. Тематическое разделение состоит в закреплении отдель-
ных видов конструкторских разработок за определенными под-
разделениями или исполнителями (по видам, назначению при-
93
Проектирование оптико-электронных приборов
Оригинальные
разработки
Собственные
разработки
Ведение
производства
Использование
типоВых
и унифицированных
конструкции
Рис.4.3. Относительная трудоем-
кость (в процентах) конст-
рукторских разработок для от-
дельных видов работ:
1 - творческой, 2 - технической,
3 - организационной, 4 - производ-
ственной, 5 - корректировочной
боров, степени их автоматиза-
ции, использованию вычисли-
тельной техники и т.п.).
Функциональное разделе-
ние основано на выполнении
специальными подразделения-
ми работ определенных видов,
имеющих отношение ко всем конструкторским подразделениям
(отделам, секторам, группам): это — проверка, нормоконтроль и
технологический контроль технической документации; художе-
ственное конструирование и эргономический анализ; осуществ-
ление расчетов (например, в вычислительном центре); исследо-
вание вопросов надежности, техники безопасности; сбор техни-
ческой и патентной информации; решение вопросов научной
организации труда (НОТ); размножение, комплектация и офор-
мление конструкторской документации.
При проведении работ необходимо использовать рациональ-
ные методы проектирования и конструирования, способствую-
щие повышению качества разрабатываемого изделия и его
конструкторской документации, увеличивающие производитель-
ность труда конструкторов. Отметим некоторые из этих мето-
дов: конструктивная преемственность; применение типовых ре-
шений и типовых проектов; групповое проектирование, заклю-
чающееся в разработке комплекса конструктивно подобных из-
делий многоцелевого назначения; взаимозаменяемость при раз-
работке вариантов; макетирование узлов и приборов в целом;
математическое моделирование процессов функционирования;
поэлементный анализ, заключающийся в том, что изделие делят
на отдельные конструктивные элементы или показатели, кото-
рые анализируются отдельно, а затем выбирается оптимальный
вариант.
При выполнении конструкторских работ серьезное внима-
ние необходимо уделять выявлению ошибок в технической
документации [35]. Как показывают исследования, 60...90%
неполадок в работе машин и приборов связаны с ошибками раз-
работки и изготовления. Большая часть ошибок обнаруживает-
ся при изготовлении опытного образца и его испытаниях. Одна-
94
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
ко часть ошибок может быть выявлена только после некоторого,
иногда продолжительного, периода эксплуатации. В связи с этим
уже с первых этапов проектирования необходим тщательный
контроль как конечных, так и промежуточных результатов всех
видов работ, расчетов, чертежей, текстовых документов, резуль-
татов исследований и испытаний.
Ошибки конструкторской документации бывают явными
(очевидными) и скрытыми. Явные ошибки легко обнаружива-
ются при конструкторской и технологической проверке докумен-
тации, а также при нормоконтроле. Скрытые ошибки такая про-
верка не обнаруживает. Обычно они имеют место в новых разра-
ботках, в которых применяются новые, не проверенные практи-
кой принципы построения изделий. Скрытые ошибки могут быть
следствием некорректно выполненных расчетов. Выявлению
скрытых ошибок подобного рода способствует макетирование.
Причины возникновения ошибок различны: незнание,
ошибочное суждение, недостаточная квалификация, халатность
и т.п.
Ошибки можно также разделить на конструкционные, ошиб-
ки в расчетах и ошибки в рабочих чертежах.
К конструкционным могут быть отнесены ошибки, обуслов-
ленные:
-	неверным выбором направления разработки. Они могут
быть заложены уже в ТЗ и возникают вследствие неверного по-
нимания цели и сущности выполняемой работы. Подобные ошиб-
ки должны быть выявлены на начальных стадиях проектирова-
ния путем критического анализа ТЗ. При этом особая роль здесь
принадлежит руководству конструкторских подразделений и
ведущим конструкторам, отвечающим за правильность направ-
ления разработок;
-	неправильным выбором принципа функционирования
проектируемого изделия;
—	несоответствием проектируемого изделия физиологическим
возможностям обслуживающего персонала;
-	неверным выбором комплектующих изделий, материалов,
покрытий, что приводит к несоответствию расчетных свойств
реальным;
—	неправильным учетом условий эксплуатации;
—	недооценкой эстетических требований.
К конструкционным относятся также ошибки в конструк-
ции деталей, приводящие к сложности или невозможности их
изготовления.
Ошибки в расчетах, как правило, являются скрытыми.
Уменьшению числа этих ошибок способствует использование при
95
Проектирование оптико-электронных приборов
расчетах отработанных методов, вычислительной техники и от-
лаженных программ. Кроме того, наиболее сложные и ответствен-
ные расчеты целесообразно выполнять либо одновременно не-
сколькими исполнителями, либо различными способами с пос-
ледующим сравнением полученных результатов.
Ошибки в рабочих чертежах составляют обычно наибольшую
часть от общего числа ошибок. Это могут быть неправильно про-
ставленные размеры, неправильно назначенные допуски и тре-
бования к качеству поверхностей, неверные требования к специ-
альным видам обработки и т.п. При выполнении рабочих черте-
жей важно хорошее знание конструктором технологии изго-
товления и сборки деталей и узлов. Выявлению подобных оши-
бок способствует выполнение контрольно-сборочных чертежей.
Кроме того, необходимо, чтобы разработчики обладали умением
выполнять расчеты размерных цепей; осмысленно использовали
нормативно-техническую и справочную документацию. Важное
значение здесь имеет правильное распределение конструкторс-
ких работ между исполнителями с учетом степени ответственно-
сти принимаемых решений и их квалификации (табл. 4.1).
Следует также указать на правильную организацию контро-
ля, которая позволяет целенаправленно избегать ошибок проек-
тирования. Качество конструкторских работ значительно повы-
шается при использовании САПР, позволяющих в ряде случаев
исключить участие человека в процессе проектирования. Вместе
с тем во многом качество конструкторских работ зависит от ра-
циональной организации рабочего места конструктора.
Рабочее место конструктора должно быть достаточным по
площади и объему для размещения на нем самого конструктора,
чертежного оборудования и средств компьютерной графики.
Каждое рабочее место должно быть укомплектовано чертежным
инструментом, пишущими и стирающими приспособлениями,
средствами оргтехники, что должно способствовать созданию
комфортных условий для конструктора при выполнении им всех
видов работ. Кроме того, конструктору должны быть постоянно
доступны справочные, информационные, нормативно-техничес-
кие, рабочие материалы и чертежи.
Качество конструкторских работ в немалой степени зависит
от рационального планирования и обоснованного нормирования
как отдельных видов работы, так и этапов проектирования в
целом. С этой целью могут быть использованы типовые нормы
на разработку конструкторской документации (табл. 4.2). Кроме
того, на предприятиях могут быть разработаны свои методики рас-
чета трудоемкости с учетом их специфики и сложности выпускае-
мых приборов.
96
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
Таблица 4.1
Примерное распределение конструкторских работ между
исполнителями
Вид работы	Квалификация исполнителей					
	Ведущий кон- структор	Инженер-кон- структор I ка- тегории	Инженер-кон- структор II категории	Инженер-кон- структор III категории	Старшин тех- ник-конструк- тор	Техник-кон- структор
Разработка: технического задания технического предложения (ПТ) эскизного проекта (ЭП) чертежа общего вида чертежа детали теоретического чертежа габаритного чертежа сборочного чертежа монтажного чертежа оптической схемы электрической схемы кинематической схемы гидравлической и пневматической схем Составление: ведомости ТП спецификаций ведомостей покупных изделий ведомостей держателей подлинников ТУ программы и методики испытаний Подготовка карты технического уровня и качества продукции Составление: пояснительной записки к ПТ пояснительной записки к ЭП пояснительной записки к ТП технического описания инструкции по эксплуатации Контроль: конструкторский нормализованный технологический	a	£ + + + + + + ++	S	++ +	+ + + + +	+	+ + + + + + + + + + аботч + + + + + + + + енерь I и Инже I и	+ + + + + + + + + + ик че] един + + + + + + + по ст II Kai неры- II Kai	+ + + + + + + + + )тежа ицы + + + + + + анда; гегорг техно гегорг	+ + + сборо + + + лизан й логи й	+ + + + чной + + ИИ
97
Проектирование оптико-электронных приборов
Таблица 4.2
Типовые нормы на разработку некоторых видов конструк-
торской документации
Вид конструкторских работ	Формат листа	Показатель трудоемкости		Норма времени, 4
		наименование	значение	
Разработка сборочного чертежа, имеющего аналог Примечание. При проектировании изделия, не имеющего аналога, ис- пользуется коэффициент 1,1...1,5	А1	Число дета- лей чертежа	< 10 < 20 < 50 < 100 < 200	20,7 27,4 42,0 63,5 98,4
Разработка чертежа детали Примечание. Если деталь не имеет аналога, используется коэффициент 2	А4	Число размеров чертежа	< 10 <20 >45	0,75 1,2 2,0
	АЗ		< 10 < 40 > 72	0,9 2,1 3,2
	А2		< 20 < 50 > 116	2,1 3,6 6,4
	А1		< 20 < 100 > 188	3,2 8,4 12,7
Разработка принципиальной электри- ческой схемы Примечание. При разработке функ- циональной схемы применяется коэффициент 0,8	А2	Число элементов схемы	< 10 <20 < 50 >93	19,6 34,6 70,1 141,0
Разработка кинематической схемы	А1		< 10 <20 < 50 > 93	16,0 28,2 57,0 115,0
Проведение технических расчетов	А4	Число показателей техническо- го уровня	< 10 < 20 < 40 > 75	1,06 3,72 9,92 13,0
Составление текстовых документов: - технические условия; -	программа и методика испытаний; -	документы эксплуатационные; -	документы ремонтные.	А4	—		3,10 3,60 3,50 4,00
98
Глава 4. Организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТ
При расчете трудоемкости ОКР или отдельных ее этапов
необходимо учитывать обоснованные нормы времени на выпол-
нение каждого вида работ на конкретном этапе, а также новизну
конструкции, особые условия эксплуатации, степень отработки
конструкции в зависимости от серийности производства, прогрес-
сивность разработки, отражающую повышение производитель-
ности труда при использовании нового изделия, степень унифика-
ции и другие показатели. Учет всех этих факторов позволит вы-
брать коэффициенты нормативной трудоемкости и назначить обо-
снованные сроки проведения работ, которые должны быть по
возможности сжатыми, но в то же время не должны приводить
к перенапряжению разработчиков, которое неминуемо скажется
на качестве работ.
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 5. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ,
ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННЫМ ПРИБОРАМ
5.1.	Требования по внешним условиям
и условиям эксплуатации
К внешним условиям, оказывающим влияние на работу
ОЭП, могут быть отнесены климатические факторы, механи-
ческие воздействия, возникающие при транспортировании и экс-
плуатации, различные виды силовых полей, действие ионизиру-
ющего излучения.
В процессе эксплуатации различают два режима:
- сохранение работоспособности ОЭП при воздействии деста-
билизирующих факторов с экстремальными значениями (устой-
чивость);
— обеспечение работоспособности ОЭП в нормальных услови-
ях после воздействия на неработающий прибор дестабилизирую-
щих факторов с экстремальными значениями (прочность, стой-
кость).
Наиболее разнообразно влияние климатических факторов:
температуры, влажности, давления окружающей среды, воздей-
ствия твердых и газообразных примесей, солнечного излучения,
ветровой нагрузки, биофакторов [33].
Нормальными климатическими условиями считаются следу-
ющие: температурный диапазон i = (25 ± 10)°С (288 ... 308 К),
относительная влажность R = 45 ... 80%, атмосферное давление
р = (8,36 ... 10,6) 10“ Па (630 ... 800 мм рт. ст.). При этом, если
t > 30°С (303 К), то R < 70%.
100
Г лава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
В соответствии с ГОСТ 15150-69 различают шесть микро-
климатических районов:
— умеренного климата (У) [t = +40 ... —45°С (313 ... 228 К)]
— основная часть территории России, Европа, США (кроме Аляс-
ки), юг Австралии;
— холодного климата (ХЛ) [t < —45°С (228 К) до двух месяцев
в году] — северо-восток России, Аляска, Антарктида, Арктика;
- влажного тропического климата (ТВ) [t > 20°С (293 К) при
R > 80% по 12 ч и более в сутки непрерывно в течение 2 ... 12 мес
в году] — Центральная Америка и север Южной Америки, эква-
ториальная Африка, Индия, Индокитай;
- сухого тропического климата (ТС) [t > +40°С (313 К), вы-
сокое содержание пыли и песка в воздухе];
- умеренно холодного морского климата (М);
- тропического морского (ТМ) климата [t = +20 ... +40°С
(293 ... 313 К), R > 80%, высокое содержание соли в воздухе].
Температура окружающей среды оказывает существенное
влияние на работу приборов, так как при ее изменении практи-
чески все элементы и детали ОЭП меняют свои свойства. Диапа-
зон температур, в котором приходится работать ОЭП, весьма
широк. Даже в земных условиях возможны перепады темпера-
туры воздуха от — 80°С (в Антарктиде) до +55°С (в тропических
районах). При прямом воздействии Солнца температура нагре-
той поверхности может быть значительно выше. В отдельных
случаях требуется обеспечить нормальную работу прибора в еще
более жестких температурных условиях. Например, температу-
ра на поверхности Венеры достигает 300°С, а в условиях косми-
ческого пространства при затенении от солнечного излучения
близка к абсолютному нулю.
В соответствии с ГОСТ 15150-69 при эксплуатации изделий
в воздушной среде различают их следующие категории в зависи-
мости от места размещения:
1 — на открытом воздухе;
2 — под навесом или в помещениях, где изменения клима-
тических параметров не отличаются от их изменений на откры-
том воздухе;
3 — в закрытых помещениях с естественной вентиляцией
без искусственно регулируемых климатических условий, в кото-
рых колебания климатических параметров существенно мень-
ше, чем на открытом воздухе;
4 — в помещениях с искусственно регулируемыми климати-
ческими условиями;
5 — в помещениях с повышенной влажностью, в которых воз-
можно длительное наличие воды или частая конденсация влаги.
101
Проектирование оптико-электронных приборов
В зависимости от макроклиматического района, в котором
предполагается применение приборов, а также от их категории
ГОСТ 24482-80, ГОСТ 25650-83, ГОСТ 25870-83 устанавливают
значения климатических показателей и их комбинации.
Большинство ОЭП эксплуатируется в нормальных темпе-
ратурных условиях. Для многих видов приборов, используемых
на открытом воздухе, требуется обеспечить нормальную работу
в интервале температур -50... +50°С. В отдельных случаях тре-
буется обеспечение работы приборов в экстремальных условиях,
указанных выше.
При недостаточном учете влияния перепадов температуры
возможны ухудшение качества оптического изображения из-за
термооптических аберраций и смещения плоскости изображения
за счет температурных деформаций, появление расклеек в компо-
нентах, разрушение оптических деталей вследствие разности
показателей расширения оптических материалов и материалов
оправ.
Тепловые воздействия на электронные элементы проявляют-
ся, в частности, в изменении параметров приемников излучения,
изменении номинальных значений параметров и характеристик
электрорадиоэлементов, нарушении контактов и пробоях в изоля-
ционных материалах.
В кинематических цепях при изменении температуры воз-
можны ухудшение прочности материалов, повышение трения за
счет изменения зазоров и вытекания или загустения смазочного
материала. При неравномерном нагреве или охлаждении могут
появляться деформации, приводящие к заклиниванию кинемати-
ческих механизмов.
В связи с этим конструктор должен особое внимание обра-
щать на правильный подбор элементов, материалов, смазок, спо-
собных нормально работать при заданных температурах, а так-
же на правильность схемных и конструктивных решений, пре-
дусматривая, где это необходимо, элементы и устройства термо-
компенсации. В ряде случаев может потребоваться термостаби-
лизация или термостатирование элементов и прибора в целом.
Весьма серьезные последствия оказывает на приборы попада-
ние влаги. Наличие влаги может привести к запотеванию оптиче-
ских деталей, особенно в сочетании с резким изменением темпе-
ратуры. Пары воды, вступая в химическую реакцию с материа-
лами, приводят к коррозии металлов, изменению физико-химиче-
ских свойств специальных покрытий оптических деталей и
изоляционных материалов. Под воздействием влаги ухудшают-
ся контактные соединения за счет окисления контактов. Коли-
чество влаги в воздухе может быть различным. В области уме-
102
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
ренного климата относительная влажность воздуха составляет в
среднем 60 ... 70%, в пустынях — 5 ... 10%, в тропической зоне
— 95 ... 98%. Особенно пагубно воздействие на приборы паров
воды, содержащих соли химических элементов (морская вода).
В районах с влажным тропическим климатом в воздухе со-
держится большое количество микроорганизмов, проникновение
которых в прибор вызывает появление плесени на органических
материалах и поверхностях оптических деталей.
В процессе проектирования стойкость деталей и элементов
приборов к воздействию повышенной влажности обычно прове-
ряют при температуре +40°С и влажности 98%, так как именно
в этих условиях происходят наиболее быстрое окисление боль-
шинства металлов и развитие плесени. Поэтому при конструиро-
вании приборов особое внимание следует уделять подбору мате-
риалов, лакокрасочных и гальванических защитных покрытий.
Широко применяемые в конструкциях ОЭП алюминиевые спла-
вы требуют обязательной защиты от коррозии. Хорошими
антикоррозионными свойствами обладают некоторые хромистые
стали, бронза, титановые сплавы. Необходимо учитывать, в ка-
ком сочетании используются материалы, и выбирать такие, для
которых контактные явления, приводящие к коррозии, мини-
мальны. В условиях высокой влажности не рекомендуется при-
менять цинковые и магниевые сплавы. При использовании пла-
стмасс с органическими наполнителями следует помнить, что они
могут набухать. Это приводит к изменению их свойств и разру-
шению.
При проектировании предусматривают меры по защите при-
боров от воздействия влаги. Часто с этой целью приборы герме-
тизируют, а внутренний объем осушают продувкой сухого очи-
щенного воздуха. Могут применяться также специальные влаго-
поглотители.
Давление окружающей, среды оказывает заметное влияние на
функционирование ОЭП. При понижении давления воздуха па-
дает значение напряжения пробоя, что особенно важно помнить
при использовании высоковольтных элементов. Кроме этого,
существенно возрастает скорость испарения смазочного матери-
ала, что может привести к повышению трения и заклиниванию
элементов кинематики прибора. В связи с уменьшением давле-
ния отвод теплоты за счет конвекционного переноса падает, в
результате чего резко возрастает вероятность перегрева элемен-
тов прибора. Поэтому необходимо либо применять специальные
материалы и элементы, рассчитанные на работу в условиях по-
ниженного давления, либо осуществлять герметизацию прибора
с созданием нормального рабочего давления внутри.
103
Проектирование оптико-электронных приборов
При проектировании ОЭП следует иметь в виду, что клима-
тические факторы оказывают влияние не только на конструк-
цию прибора, но и на условия прохождения оптического излуче-
ния через атмосферу. Это может привести к изменению сигнала,
переносимого потоком излучения, например, по интенсивности,
его спектру, пространственной структуре, во времени. Методы
учета этого влияния широко рассмотрены в литературе [5, 38 и
ДР-]-
На работу ОЭП оказывают влияние не только рассмотренные
выше климатические факторы, но и содержащиеся в воздухе
песок и пыль. Их механическое воздействие в сочетании с воздей-
ствием влаги и нагрева иногда приводит к значительному
ухудшению характеристик приборов. Наибольшие неприятнос-
ти доставляют мелкие частицы песка и пыли размером 1 ...
40 мкм. В результате их воздействия на подшипники и механиз-
мы увеличивается трение, износ и могут возникнуть «заедания».
Попадая в контактные зазоры, частицы пыли нарушают работу
соединителей, реле, переключателей. Накапливаясь на поверх-
ностях изоляционных материалов, гигроскопичная пыль ухуд-
шает их изоляционные свойства и способствует возникновению
паразитной проводимости, пробоев и даже возгораний. Скопле-
ния пыли ухудшают теплоотдачу узлов и нарушают тепловой
режим приборов.
В сочетании с ветровым воздействием наличие в воздухе
частиц песка и пыли приводит к абразивному разрушению поли-
рованных и окрашенных поверхностей. При этом вследствие ма-
тирующего эффекта возможен выход из строя оптических сис-
тем.
Для приборов, эксплуатируемых на открытом воздухе, необ-
ходимо учитывать воздействие солнечного излучения, приводя-
щее к перегревам, нарушениям лакокрасочных покрытий, уси-
лению коррозии при одновременном воздействии кислорода и
влаги воздуха, быстрому старению резины, пластмасс и элект-
рической изоляции.
При длительной эксплуатации и хранении приборов, а так-
же при эксплуатации в тропических условиях следует учиты-
вать влияние биофакторов, к которым относятся плесневые гри-
бы, насекомые и грызуны. Развитие плесени ухудшает механи-
ческие и электрические параметры приборов, а также пропуска-
ние оптических деталей. Борьба с влиянием этого фактора сво-
дится к герметизации и осушке внутренних объемов приборов,
применению стекол группы А (ГОСТ 3514-76), защите оптичес-
ких деталей специальными покрытиями, использованию фунги-
цидов. Кроме того, могут быть использованы такие методы, как
104
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
придание корпусам и наружным деталям простой формы без уг-
лублений, пазов, выступов, которые способствуют скоплению
грязи и пыли и затрудняют чистку приборов.
Перечень и порядок испытаний изделий на воздействие кли-
матических факторов определяет ГОСТ 24813-81.
Важное значение при конструировании ОЭП имеет учет влия-
ния механических воздействий, к которым относятся вибрация,
ударные воздействия, транспортировочные перегрузки. При этом
следует иметь в виду, что наряду с внешними источниками воз-
действий на элементы прибора могут оказывать влияние вибра-
ция и удары, обусловленные внутренними источниками, напри-
мер несбалансированностью вращающихся частей, неточностью
изготовления, зазорами, разрушениями соприкасающихся кине-
матических элементов.
В результате воздействий указанных факторов возможны
разрушения отдельных элементов, деталей и паек, нарушение
контактов реле, переключателей, потенциометров и коллекто-
ров, повреждение изоляции с возникновением замыканий, само-
отвинчивание резьбовых соединений, появление трещин, сколов
в оптических и других хрупких деталях.
Большинство приборов, работающих в нормальных услови-
ях, подвергаются механическим перегрузкам только при
транспортировании и монтаже. Однако в ряде случаев приборы
эксплуатируются на подвижных объектах, испытывая значитель-
ные механические перегрузки в рабочем состоянии. Оценить
перегрузку, имеющую место при синусоидальной вибрации, мож-
но по формуле
j = 2n2falg,
где f — частота вибрации; а — амплитуда вибрации; g = 9,81 м/
с2 — ускорение свободного падения. В табл. 5.1 приведены ори-
Таблица 5.1
Ориентировочные значения вибраций и перегрузок для раз-
личных видов аппаратуры
Вид аппаратуры	Частота вибраций, Гц		Механические перегрузки g	
			при вибрации	при ударах
Автомобильная	2 .	.80	4	10
Самолетная	10 .	. 200	10	10
Корабельная	5 .	.35	2,5	12
Космическая	1,6 .	.2500,0	5	20
Ракетная	0 .	. 500	20	50
105
Проектирование оптико-электронных приборов
ентировочные значения вибрации и перегрузок, выраженные по
отношению к ускорению свободного падения (в единицах £), для
соответствующих случаев эксплуатации [33].
Наиболее опасен для прибора механический резонанс, приво-
дящий к его разрушению. Для предотвращения резонанса необ-
ходимо определять собственные частоты элементов и деталей и
соответственно учитывать их при выборе и конструировании.
Ниже приведены значения собственных частот f в герцах некото-
рых конструктивных элементов и узлов [15]:
Конструктивные элементы и узлы приборов........... 50 ... 500
Пружины:
винтовые.......................................... 50	... 500
плоские....................................... 30	... 300
Резиновые амортизаторы............................ 30	... 300
Печатные платы на направляющих (массой 60 ... 220 г). . 40	... 80
Реле:
корпус........................................120
контактная группа.............................350
Электронные лампы.................................100	...	200
Транзисторы и диоды, припаиваемые к печатным
платам............................................100	...	400
Конденсаторы, припаиваемые к печатным	платам...... 80	...	600
Резисторы, припаиваемые к печатным платам......... 200	...	500
При этом необходимо иметь в виду, что приведенные выше
значения действительны только для дискретных колебательных
систем и только для одного направления колебаний. Опыт пока-
зывает, что отношение собственных частот колебаний во взаим-
но перпендикулярных направлениях составляет 0,5 ... 2,0.
Важным методом определения вибро- и ударопрочности
приборов являются механические испытания элементов, узлов и
макетов приборов на вибро- и ударных стендах (см. гл. 12).
Механическая прочность конструкции обеспечивается приме-
нением соответствующих материалов, способов соединения де-
талей и может быть повышена за счет использования различных
элементов жесткости: косынок, приливов, ребер и т.п. (см. гл.
Ю).
Для предотвращения самоотвинчивания крепежных изделий
либо применяют различные фиксаторы, либо устанавливают
крепежные детали с использованием клеев, компаундов, герме-
тиков. В случаях, когда указанные меры оказываются недоста-
точными, для защиты от механических воздействий использу-
ются демпферы и амортизаторы.
106
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
Значительные трудности представляет оценка ухудшения ка-
чества оптического изображения при вибрации оптических при-
боров. Обычно для приборов, работающих в условиях вибраций,
с этой целью выполняют экспериментальные исследования. В
случае, когда влиянием вибрации пренебречь нельзя, ОЭП при-
ходится амортизировать. Порядок проведения испытаний на
воздействие механических факторов определяется ГОСТ 24812—
81.
При работе ОЭП подвергаются воздействию различных по-
лей: электрического, магнитного, электромагнитного СВЧ, в
результате чего могут возникать паразитные наводки, приводя-
щие к ухудшению работы прибора. Источники полей могут на-
ходиться как вне, так и внутри прибора. Подавление наводок в
большинстве случаев сводится к устранению или ослаблению па-
разитных связей между источником и приемником наводок пу-
тем экранирования и развязывания цепей.
Для защиты от электрических полей или подавления пара-
зитной емкостной связи во всех диапазонах частот используют
тонкие листы и пленки, а также проволочные сетки и решетки
из материала с хорошей электрической проводимостью.
Для экранирования магнитных низкочастотных полей ис-
пользуют материалы с высокой магнитной проницаемостью (пер-
маллой, альсифер, технически чистое железо и др.). Для экрани-
рования высокочастотных полей используют экраны из хоро-
шо проводящих материалов (медь, латунь, алюминий). При дей-
ствии полей СВЧ на основной материал экрана наносят слой се-
ребра для повышения его электрической проводимости. Для за-
щиты от наводок все электрические связи между блоками, по
которым передаются измерительные сигналы, необходимо осу-
ществлять экранированными проводами. Принципы расчета и
конструирования защитных экранов изложены в соответствую-
щей литературе (например, в [33]).
Иногда ОЭП используются в условиях воздействия ионизиру-
ющего излучения (на атомных электростанциях для дистанцион-
ного наблюдения, при космических исследованиях и т.п.). Та-
кие приборы должны отвечать требованиям радиационной стой-
кости в соответствии с ГОСТ 18298-79. При воздействии
ионизирующего излучения имеют место радиационные и поля-
ризационные эффекты, приводящие к ухудшению оптических
свойств материалов, нарушению работы полупроводниковых и
электровакуумных приборов, изменению проводимости воздуш-
ных промежутков и диэлектрических материалов.
При конструировании ОЭП, работающих в указанных усло-
виях, прежде всего необходимо применять радиационно-стойкие
107
Проектирование оптико-электронных приборов
материалы и элементы. В частности, для изготовления оптичес-
ких деталей используют стекла марок 100 и 200. При радиаци-
онных воздействиях, превышающих допустимые, необходимо
применять специальные экраны. При этом возможно и общее
экранирование, когда весь прибор защищается массивным экра-
ном из металлов с высоким кулоновским барьером (например,
из свинца), либо теневое экранирование, если направление воз-
действия излучения известно и стационарно, либо локальное эк-
ранирование отдельных наименее стойких узлов или элементов
[33].
К ОЭП могут предъявляться также специфические требова-
ния, связанные с условиями эксплуатации. К их числу можно
отнести, например, такие, которые вытекают из особенностей
приборов, эксплуатируемых в состоянии невесомости, глубоко
под водой, в шахтах и т. п. Кроме того, в некоторых ОЭП отдель-
ные блоки могут работать в нормальных условиях, а остальные—
в крайне неблагоприятных. Все эти особенности должны огова-
риваться при разработке ТЗ.
5.2.	Технико-конструктивные требования
Под технико-конструктивными требованиями подра-
зумевается комплекс требований, предъявляемых к прибору,
которые существенно влияют на его компоновку, конструктив-
ные взаимосвязи между узлами и блоками, нормальное
функционирование и обслуживание. Рассмотрим наиболее важ-
ные из этих требований.
Обеспечение заданных ТЗ характеристик и параметров при-
бора. Усилия разработчиков направлены прежде всего на выпол-
нение этого требования. Его обеспечение связано со всесторон-
ним анализом положений ТЗ и исходных данных для проектиро-
вания. Разработчик должен отчетливо представлять функцию
изделия, условия его работы. На основе указанного анализа про-
водится расчетное обоснование прибора. При этом необходимо
учитывать методику проектирования аналогичных изделий, сло-
жившуюся на основе опыта проектирующей организации, а так-
же новейшие достижения науки и техники. В процессе проекти-
рования для обеспечения требуемых характеристик и парамет-
ров могут применяться макетирование узлов и прибора в целом,
их всесторонние исследования.
Обеспечение рациональных габаритных размеров, объема,
формы и массы прибора. Эти требования определяются назначе-
нием и условиями использования прибора. При конструирова-
нии приборов специального назначения часто требуется «впи-
108
Глава 5 Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
сать» их в заранее заданные размеры или объем. Особую важ-
ность это требование приобретает при создании приборов для
использования на летательных аппаратах — космических объек-
тах, самолетах. В то же время при разработке приборов, исполь-
зуемых в лабораториях, производственных помещениях, их
объем и форма наряду с функциональными требованиями опре-
деляются также требованиями технической эстетики. Особое вни-
мание форме приборов уделяют в том случае, если они постоян-
но эксплуатируются оператором.
В принципе конструктор всегда должен стремиться к умень-
шению массы прибора, что определяется необходимостью сниже-
ния материалоемкости, удобству транспортирования и обслужи-
вания. Однако в ряде случаев при создании прецизионных при-
боров — спектральных, угломерных, контрольно-юстировочных,
для которых особо важны стабильность и точностная надежность,
конструктор сознательно идет на увеличение массы.
В рационально сконструированном приборе обеспечивается
максимальное использование его объема. Вместе с тем в случае
повышенного тепловыделения объем прибора может быть замет-
но увеличен по сравнению с объемом функциональных узлов.
Удобство доступа для регулирования, ремонта и осмотра.
При конструировании прибора следует иметь в виду, что в про-
цессе эксплуатации он может подвергаться периодическому ос-
мотру, проверке технических характеристик и в случае их от-
клонения от нормы — регулированию или ремонту. Указанные
виды работ носят название регламентных. Они выполняются с
различной периодичностью и имеют разную степень сложности
и продолжительности. Очевидна целесообразность упрощения и
сокращения времени их проведения. Поэтому конструкция при-
бора должна быть такой, чтобы элементы прибора, с помощью
которых выполняются контроль и регулирование, были легко
доступными и легко управляемыми. Наиболее рациональной
является блочная или модульная конструкция, обеспечивающая
быстрое отключение, снятие и включение узлов и элементов. При
такой конструкции ремонт вышедших из строя блоков может
быть выполнен в стационарных условиях.
Предотвращение возможности выхода прибора из строя при
его неправильном подключении или нештатных условиях рабо-
ты. Как правило, ОЭП состоят из нескольких функциональных
блоков, соединяемых между собой кабелями через соединители.
Конструкция блоков должна быть такой, чтобы соединители
были легко доступны, соединения выполнялись без особого тру-
да. Число соединителей по возможности должно быть неболь-
шим. При наличии нескольких соединителей желательно выпол-
109
Проектирование оптико-электронных приборов
нять их разнотипными или использовать хорошо читаемую мар-
кировку, а также кодирование. В схеме прибора могут быть пре-
дусмотрены элементы блокировки, отключающие его в случае
неправильного подключения или нештатных условий работы.
Например, при использовании в конструкции электронно-опти-
ческого преобразователя (ЭОП) или фотоэлектронного умножи-
теля (ФЭУ) прибор может быть выведен из строя при больших
фоновых засветках. Для предотвращения этого в конструкции
должны быть предусмотрены автоматические затворы, срабаты-
вающие в момент появления засветки. Возможно также быстрое
отключение напряжения питания приемника излучения.
Защита от внешних помех, наводок, предотвращение вну-
тренних наводок и излучения помех во внешнее пространство.
Защита от внешних помех и наводок обеспечивается экранирова-
нием. При этом конструктор должен решить, какие из элемен-
тов нуждаются в экранировании. В ОЭП экранированию обычно
подвергаются приемники излучения, предусилители, а также
ответственные линии связи между элементами.
Ряд элементов конструкции прибора могут создавать
внутренние помехи (электродвигатели, модуляторы, радиоэле-
менты и др.). Поэтому при создании конструкции прибора сле-
дует учитывать их взаимное влияние и на основании этого выби-
рать указанные элементы и размещать их в приборе. В случае
необходимости такие элементы экранируются. Это в первую оче-
редь относится к коллекторным электродвигателям. Иногда при-
ходится применять экранирование всего прибора. В качестве
такого экрана может служить и корпус прибора.
Обеспечение требуемого температурного режима работы
блоков и узлов прибора. В процессе работы прибора отдельные
его элементы (двигатели, усилители, источники излучения) вы-
деляют теплоту, что, если не принять соответствующие меры,
может привести к перегреву и ухудшению качества работы, а в
отдельных случаях и к выходу прибора из строя. Для уменьше-
ния нагрева узлов и блоков может быть использовано при-
нудительное охлаждение путем вентиляции, продува воздуха,
прокачки жидкоети. В ряде случаев достаточным оказывается
некоторое увеличение объема прибора по сравнению с объемом
функциональных узлов. Это приводит к увеличению площади
поверхности корпуса и улучшению теплоотвода. Эффективность
теплоотвода можно существенно повысить, используя специаль-
ные радиаторы. Особое внимание в ОЭП необходимо уделять
обеспечению нормального температурного режима приемников
излучения. В ряде случаев может потребоваться их охлаждение
до криогенных температур (см. п. 8.2).
110
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к олтико-электронным приборам
Иногда в конструкции прибора должен быть предусмотрен
принудительный подогрев элементов и узлов (например, для пре-
дохранения оптических деталей от запотевания при низких
температурах окружающей среды и т.п.).
Обеспечение требуемого давления внутри прибора. Для пред-
отвращения нежелательного проникновения внутрь прибора
внешнего воздуха, который может содержать вредные вещества,
пыль, микроорганизмы, разъемные соединения кожуха прибора
герметизируются, используются герметичные электрические
соединители. Иногда для повышения надежности обеспечения
этого требования внутри прибора создается избыточное давле-
ние газа.
Прочность и долговечность конструкции прибора. При рабо-
те прибора его узлы и детали испытывают воздействие усилий и
моментов, обусловленных влиянием внешних механических
факторов и самим принципом работы прибора. Поэтому выпол-
нение указанного требования связано с рациональным выбором
материалов по показателям прочности, назначением правильных
требований к их качеству, а также к качеству изготовляемых из
них деталей. Конструктор должен обратить внимание на правиль-
ный выбор покрытий, способа термообработки, повышающих
прочность деталей.
Кроме того, конструктор должен с учетом требуемого ресур-
са работы и возможных внешних воздействий на прибор выбрать
готовые элементы, а также конструкцию узлов крепления эле-
ментов и прибора в целом и обосновать свой выбор. При конструи-
ровании кинематических узлов необходимо предусмотреть меры
против появляющихся в процессе изнашивания деталей зазоров
и люфтов.
Удобство транспортирования и погрузки. При конструирова-
нии ОЭП необходимо тщательно продумывать вопросы транспор-
тирования.
Для транспортирования приборов разрабатывается и изготов-
ляется специальная упаковка (ящики, контейнеры, чехлы и др.),
которая должна обеспечивать их сохранность и быть удобной в
обращении. Конструктор должен стремиться к целесообразному
расчленению прибора на функциональные блоки с тем, чтобы
обеспечить его упаковку и перенос.
Упаковка приборов должна позволять проносить их в стан-
дартные проемы, если, конечно, размеры прибора не опреде-
ляются его функциональными особенностями. Для транспортиро-
вания и погрузки в конструкции прибора или в его упаковке
должны быть предусмотрены узлы захватывания (ручки, петли,
рым-болты и т.п.).
111
Проектирование оптико-электронных приборов
Оперативность обслуживания. Это требование направлено на
сокращение времени на подготовку прибора к работе и его за-
пуск, а также времени на регламентные проверки или замену
вышедших из строя блоков. Число операторов, обслуживающих
прибор, должно быть минимальным, и чем меньше это число,
тем выше качество его разработки. Наибольшая оперативность
обслуживания достигается автоматизацией работы прибора.
Безопасность обслуживания. Основными источниками опас-
ности для человека при эксплуатации ОЭП являются: высокое
напряжение, применяемое для питания некоторых элементов
(ФЭУ, ЭОП, лазеры и др.); световое излучение высокой интен-
сивности (мощные лампы, лазеры); отдельные взрывоопасные
элементы (дуговые лампы, конденсаторы Керра и др.); высоко-
частотные поля (питание электрооптических модуляторов, лазе-
ров); озонирование воздуха УФ-излучением, имеющим место при
работе некоторых типов источников излучения.
Конструктор должен отчетливо представлять все возможные
источники опасности, а также знать допустимые нормы соответ-
ствующих воздействий на организм человека. Если эти нормы
нарушаются, должны быть приняты соответствующие меры. В
инструкции по эксплуатации прибора предусматривается спе-
циальный раздел по технике безопасности при работе с данным
прибором.
Для защиты от поражения током высокого напряжения
обеспечиваются надежная изоляция соответствующих элементов
и заземление корпуса прибора. Прибор должен быть снабжен
хорошо видимыми предупредительными надписями, а также
блокировочными устройствами, отключающими питание в слу-
чае пробоев изоляции или открывания кожуха в рабочем состо-
янии.
Защита от воздействия светового излучения реализуется с
помощью светофильтров, заслонок и других приспособлений.
Особо важное значение имеют меры предосторожности при
воздействии невидимого УФ-излучения, которое может вызвать
сильные ожоги глаз и кожи. Наличие такого излучения харак-
теризуется появлением запаха озона.
Конструктору следует иметь в виду, что некоторые элемен-
ты прибора могут быть взрывоопасными. Это в первую очередь
относится к источникам излучения высокого и сверхвысокого
давления. Поэтому при их использовании приборы должны быть
снабжены защитными кожухами, а обслуживание их необходи-
мо выполнять в специальных масках и перчатках, о чем дается
соответствующее указание в инструкции по эксплуатации.
112
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
Для предохранения обслуживающего персонала от воздей-
ствия полей высоких частот в конструкцию прибора необходимо
вводить специальные экраны.
Для защиты от воздействия озона применяют либо гермети-
зацию осветителей, либо вентиляцию объема, в котором установ-
лен излучатель, с отводом озонированного воздуха в атмосферу.
Обеспечение требуемого срока службы в условиях эксплуа-
тации. Данное требование может быть выполнено путем выбора
элементов, конструкционных и смазочных материалов, покры-
тий, которые не изменяют своих свойств в процессе эксплуата-
ции. Особый смысл это требование приобретает для приборов,
предназначенных для длительной эксплуатации в автоматичес-
ком режиме (приборы для космических исследований и военно-
го назначения).
Обеспечение возможности длительного хранения. Приборы
могут храниться в различных условиях: в отапливаемых и не-
отапливаемых, сухих и сырых помещениях, на открытом возду-
хе. Неблагоприятные условия хранения часто приводят к отка-
зам приборов. Причиной отказов могут быть налеты на поверх-
ностях оптических деталей, электрические пробои в схемах, кор-
розия деталей. Чтобы избежать этого, конструктор должен
предусмотреть соответствующую защиту элементов и прибора в
целом. Наиболее радикальным средством защиты является хра-
нение приборов в герметичной упаковке из полимерных матери-
алов с вложением в нее осушающих веществ (например, силика-
геля). Следует иметь в виду, что особо вредно сказываются на
надежности приборов резкие перепады температуры при хране-
нии. Они могут привести к разрушению оптических деталей и дру-
гих ответственных узлов и элементов.
Так же как и в предыдущем случае, возможность длительно-
го хранения обеспечивается выбором соответствующих конструк-
ционных и смазочных материалов и покрытий.
Специальные требования определяются конкретными усло-
виями эксплуатации разрабатываемого прибора. К специальным
можно, например, отнести требования, вытекающие из особен-
ностей приборов, эксплуатируемых в состоянии невесомости,
глубоко под водой, в шахтах и т. п. К числу таких требований
могут относиться, например, требования по миниатюрности, ог-
раниченному потреблению электрической мощности.
113
Проектирование оптико-электронных приборов
5.3.	Требования технической эстетики
Рассматриваемый круг требований определяется поло-
жениями технической эстетики как теоретической основы худо-
жественного конструирования—дизайна.
Основная цель дизайна — создание новых промышленных
изделий, отвечающих современной общественной потребности
при выполнении заданных функций, выборе утилитарной фор-
мы, использовании функциональной окраски и обладающих
эстетической выразительностью. Гармонически, художественно
решенные изделия благоприятно влияют на условия труда и
быта: снижают утомляемость, травматизм, повышают произ-
водительность труда.
Не менее важным фактором, стимулирующим развитие
технической эстетики, является проблема сбыта изделий и меж-
дународной торговли. Успешный сбыт продукции возможен лишь
путем повышения качества и улучшения внешнего вида изде-
лий.
Таким образом, к изделиям промышленного производства
при их художественно-конструкторской разработке предъявля-
ется широкий круг требований, которые могут быть подразделе-
ны на технико-конструктивные, социологические, эргономичес-
кие, эстетические.
Социологические требования связаны с общественной и
народнохозяйственной значимостью проектируемого изделия.
Это выражается в экономической обоснованности его выпуска,
обеспечении в изделии определенных потребительских свойств,
выпуске продукции в оптимальном ассортименте и номенклату-
ре, а также в соответствии высокому уровню конкурентоспособ-
ности на внешнем рынке.
Эргономические требования объединяют вопросы антропоме-
трии, физиологии, охраны и гигиены труда и инженерной психо-
логии. Они направлены на ликвидацию источников утомления
человека в процессе труда и предупреждение различных профес-
сиональных заболеваний.
Эстетические требования проявляются в композиционном
построении и эстетической выразительности изделия и раскры-
вают таким образом, содержание и существо объекта. В форме
изделия должны найти гармоническое соответствие социальные,
функциональные, технико-конструктивные и эргономические
требования. При этом функциональные и эргономические требо-
вания определяют композиционную структуру объекта. От того,
как расположены узлы изделия в пространстве, как они связаны
с эргономическими параметрами человека, будут зависеть объем-
114
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
но-пространственная структура прибора и его эстетическое вос-
приятие.
Из перечисленного круга требований отметим прежде всего
эргономические. Как известно, эргономика — это наука, изуча-
ющая взаимодействие человека или группы людей с машиной и
их взаимосвязи с окружающей предметной средой в процессе
труда.
Для конструктора наибольший интерес представляют такие
разделы эргономики, как инженерная психология и антропо-
метрия.
Важными аспектами инженерной психологии являются ис-
следование средств сигнализации и информации и разработка
принципов конструирования соответствующих устройств и групп
этих устройств, объединенных в пульты и панели управления и
сигнализации. При конструировании пультов необходимо учи-
тывать прежде всего свойства зрительного анализатора человека.
Поле зрения человека может быть разделено на несколько
зон. В центре поля вокруг линии зрения находится узкая зона
высокоточного зрения, соответствующая «желтому пятну» и со-
ставляющая в угловой мере 1°. Эта зона характеризуется наилуч-
шей остротой зрения, под которой понимается способность глаза
видеть раздельно два предмета, расположенные на близком рас-
стоянии один от другого, и наиболее тонкой нюансировкой цвета.
Зона точного зрения (или центральное пятно) находится
внутри конуса с углом, равным примерно 25°. Здесь глаз разли-
чает форму объектов, их цвет, но недостаточно чувствует нюан-
сы цвета.
Зона окружения расположена внутри конуса с углом при
вершине около 60е. Эта зона соответствует падению остроты зре-
ния до 1% максимальной. На краю зоны форма объекта разли-
чается слабо, ухудшается цветовое восприятие. Направление
движений идентифицируется надежно.
В периферийной зоне, лежащей за пределами зоны окруже-
ния, различаются движения и в зависимости от пространствен-
ного положения объекта еще отдельные цвета; детали объекта
не различаются совершенно.
Поскольку большинство устройств отображения информации
рассчитано на визуальное восприятие, при создании пультов
важно правильно выбрать индикаторы и расположить их в поле
зрения оператора. Наибольшей точностью и скоростью чтения
показаний отличаются цифровые индикаторы. Скорость и точ-
ность чтения стрелочных индикаторов зависит от того, что яв-
ляется подвижным элементом. При коротких экспозициях (ме-
нее 0,5 с) точнее читаются показания прибора с подвижной шка-
115
Проектирование оптико-электронных приборов
лой и неподвижным индексом. Однако с увеличением экспози-
ции более высокой скоростью и точностью чтения характеризу-
ются приборы с неподвижными шкалами.
При проектировании пульта управления важно правильно
выбрать размеры шкал приборов. Распространенное мнение о
том, что чем больше диаметр прибора, тем выше его точность и
скорость чтения, не подтверждается экспериментально. Опти-
мальной считается круговая шкала диаметром -50 мм при на-
блюдении ее с расстояния приблизительно 1 м.
Одним из важных факторов, влияющих на точность и ско-
рость чтения показаний индикатора, является числовое значе-
ние цены делений и оцифровка. Наиболее предпочтительны шка-
лы с ценой деления, кратной 1,5 и 10, и с соответствующей оциф-
ровкой.
При выборе индикатора необходимо также обращать внима-
ние на интервал между делениями. Оптимальным считается
интервал шкалы, видимый под углом 5 ... 7'.
При компоновке индикаторов на пульте следует учитывать
описанные особенности пространственного восприятия.
Точность и скорость безошибочного чтения с удалением при-
бора от центра поля зрения падают. Можно выделить две облас-
ти приборной панели: в первой (примерно 25° по горизонтали)
наблюдатель видит периферическим зрением стрелки всех при-
боров, поэтому зрительные оси всегда поворачиваются в направ-
лении именно того прибора, показания которого изменились; во
второй области чтению показаний прибора предшествуют по-
исковые движения глаз. Поэтому приборы, несущие наиболее
важную информацию, размещают ближе к центру первой обла-
сти.
Наряду с приборами на панелях пульта устанавливают так-
же элементы управления: рычаги, тумблеры, кнопки, маховики
и т.п. Параметры основных видов элементов управления приве-
дены в табл. 5.2. Элементы управления лучше размещать возле
тех приборов, на показания которых они воздействуют, если это
не противоречит другим требованиям.
Система размещения элементов управления и индикаторов
должна быть такой, чтобы визуальные индикаторы находились
по возможности в центре поля зрения, а элементы управления
— по его периферии, так как в этом случае движения рук не
создают помех наблюдению за приборами.
Индикаторы и элементы управления следует размещать, под-
черкивая их функциональное назначение с помощью знаковой и
цветовой маркировки.
116
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
Параметры органов управления
117
Продолжение таблицы 5.2
1	2			3	4	5
	35..М (й	1 i			Нере.канендуеное расположение	
	IX Рекомендуемы формы рукояп	е ЮК				
Габаритные размеры, мм	/=150.. d = 15 .	. 170 .40		D = 150 ... 400 / =40 ... 90	1 = 13 ... 25 d=3...5	d < 18
Усилия.Н	50 ... 140			33 ... 60	7 ... 25	20
Диапазон перемещений	Линейные 50 . угловое < 90°	.. 200 мм,		Многооборотные	Двухпозиционные а = = 30 ... 60°, трехпози- ционные атах = 120°	2 ... 6 мм
Минимальное рас- стояние между одноименными со- седними органами управления, мм	150			100	22 ... 35	6 ... 15
Продолжение таблицы 5.2
Органы управления	Кнопки							Головки вращения	
Способ захватывания или нажатия	Большим пальцем			Ладонью				Двумя пальцами	Тремя пальцами
	Вогнутость								tf-W. .20
						г\ *			
					\ ) \				
							' <55			
Кон структи вн ое исполнение	Шере	хобатость 1		’wz/T1	го ГТШ	1 i j	1		1 >	
									
Габаритные размеры, мм	d							h = 10 ... 20	
	30			50 ... 80				D < 10	10 ... 20
Усилия,Н	35			150				< 10	< 15
Диапазон перемещений	3 ... 8 мм			10 ... 20 мм				Многооборотные (50 ... 60° без перехвата)	
Минимальное рас- стояние между одноименными со- седними органами управления, мм	20 мм			150 мм				50 мм	60 мм
Проектирование оптико-электронных приборов	I	Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
Проектирование оптико-электронных приборов
Продолжение таблицы 5.2
Вращающиеся переключатели	Двумя пальцами	ц <Ж'		d = 25 ... 30; к = 8 ... 15; h = 10... 40;/ = 25 ... 80	5 ... 100	а =15°; а = 330° max	25 ...75
Головки вращения	Ладонью	Ъ	FV. _ 	. / /	d < 140	<50	Многооборотные (50 ... 60° без перехвата)	120
	Четырьмя пальцами	§ ТВ	IX	d = 60 ...80	<40		100
	Тремя пальцами	g>		d = 20 ... 50	<20		О
Органы управления	Способ захвата	Ко негр ук тивное исполнение		Габаритные размеры, мм	Усилия, Н	Диапазон перемещений	Минимальное рас- стояние между одноименными со- седними органами управления, мм
120
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
С учетом усилий, необходимых для управления, а также ско-
рости и точности выполнения управляющих операций могут быть
даны следующие рекомендации по выбору органов управления:
-	для включения и выключения — кнопки, рычаги, тумбле-
ры;
-	для переключения — рычаги, кнопки, тумблеры, вращаю-
щиеся переключатели;
-	для регулирования — маховики, головки вращения, враща-
ющиеся переключатели;
-	для аварийного (экстренного) выключения — кнопки (гриб-
ки).
При сидячем рабочем положении оператора можно рекомен-
довать следующую схему размещения индикаторов и органов
управления для компоновки пультов (рис. 5.1): индикаторы,
требующие особого внимания и точности отсчета, необходимо
располагать в зонах 6 и 7; вспомогательные индикаторы — в зоне
5; часто используемые органы управления — в зонах 1—3; орга-
ны управления, используемые для тонких регулировок, — в
зонах 1 и 2; органы управления, требующие значительных уси-
лий кистей рук, — в зонах 2 и 4.
Рис. 5.1. Схема зон размещения индикаторов и органов управления для
компоновки пульта
ОЭП могут включать оптические устройства для отсчитыва-
ния по различным шкалам. При их разработке необходимо иметь
в виду, что точность отсчитывания по шкале зависит от ряда
факторов, наиболее существенными из которых являются: спо-
соб отсчитывания, соотношение размеров элементов шкал, их
121
Проектирование оптико-электронных приборов
контраст, освещенность в поле зрения, спектральный состав из-
лучения.
Из других анализаторов человека важное значение при кон-
струировании ОЭП имеет тактильный анализатор в связи с его
использованием для точной установки, приведения и других
точных манипуляций с управляемым объектом.
Нижний абсолютный порог тактильной чувствительности,
определяемой минимальным давлением предмета на кожную
поверхность, наиболее высок для кончиков пальцев рук и со-
ставляет около 3104 Па. Верхний абсолютный порог также име-
ет место для кончиков пальцев рук и составляет примерно 310е
Па. Столь высокая тактильная чувствительность пальцев в соче-
тании с использованием механических передач позволяет создать
исключительно точные устройства, обеспечивающие, например,
установку прибора по жидкостному уровню с погрешностью, не
превышающей десятых долей угловой секунды.
В оптических приборах точные манипуляции осуществляют-
ся обычно микрометренными винтами с круглой головкой. Зная
наименьший угол поворота головки, ощущаемый кончиками
пальцев, можно рассчитать конструктивные параметры меха-
низма. Экспериментальные исследования показали, что для вин-
тов с диаметром головки d = 20 ... 50 мм кончики пальцев в со-
стоянии ощутить линейное перемещение t =0,2 ... 0,5 мм, что
соответствует предельной погрешности установки винта 0,5 ... 1°.
В простейшем случае (рис.
5.2), когда необходимо обеспечить
приведение какой-либо части при-
бора в требуемое положение с по-
грешностью Да", шаг микромет-
ренного винта может быть найден
по формуле
s = ^a"ndL/(tp"^,
где L — расстояние от оси вра-
щения до оси микрометренного
винта, р" = 206265".
При компоновке приборов,
электронных стоек и пультов ши-
роко используют данные антропо-
метрии —раздела эргономики, занимающегося измерениями
размеров человеческого тела, а также усилий, развиваемых мыш-
цами при различных видах движений. Ниже приведены некото-
рые среднестатистические размеры тела в сантиметрах по резуль-
татам массовых измерений для средней полосы нашей страны:
122
Рис. 5 2. Схема, поясняющая
принцип работы микрометренно-
го винта
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-злектронным приборам
Мужчины Женщины
Длина тела (рост).................... 167,8	156,7
Ширина плеч........................... 44,6	41,8
Вертикальная досягаемость руки ...... 213,8	198,1
Длина руки:
вытянутой в сторону................. 72,3	66,1
вытянутой вперед.................... 74,3	63,6
Наибольший поперечный диаметр тела...	30,0	30,0
Высота:
плечевой точки..................... 137,3	128,1
пальцевой точки..................... 61,9	58,4
Длина:
РУКИ................................... 75,4	69,7
ноги................................ 90,1	83,5
Высота глаз в положении	стоя......... 155,9	145,8
Обхват головы......................... 56,7	55,8
Длина головы.......................... 18,8	18,0
Ширина головы......................... 14,8	14,4
Ширина сомкнутых колен................ 23,0	22,6
Расстояние между зрачками глаз......... 6,3	6,3
Длина:
тела в положении сидя................. 130,9	121,1
туловища в положении сидя........... 88,7	84,1
Высота глаз в положении сидя......... 118,0	109,5
Локтевая ширина....................... 44,8	45,2
Ширина бедер.......................... 34,4	38,8
Высота:
плеча над полом....................... 100,8	92,9
локтя над полом..................... 65,4	60,5
сиденья............................. 42,2	37,0
глаз над сиденьем................... 76,9	72,5
локтя над сиденьем.................. 23,2	23,5
колена ............................. 50,6	46,7
Длина кисти руки...................... 18,5	17,1
Толщина кисти руки..................... 3,0	2,5
Ширина кисти руки..................... 10,0	9,0
Данные антропометрии позволяют определить зоны досяга-
емости при различных рабочих положениях оператора, степень
удобства работы в различных областях зоны досягаемости (рис.
5.3, 5.4), а также правильно сконструировать рабочее место опе-
ратора.
Важный раздел антропометрии — измерение силы мышц.
Данные о силе мышц используются разработчиками для опреде-
123
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 5.3. Зоны досягаемости в
вертикальной (а) и горизонтальной
(б) плоскостях при работе сидя
ления оптимального и максимального сопротивления элементов
управления, сил, необходимых для выполнения разнообразных
ручных операций, и т.д.
Определение оптимального сопротивления органов управле-
ния — важная задача, так как от него зависит точность и ско-
рость двигательных реакций, реакции оператора, его утомляе-
мость.
При определении массы приборов и их частей необходимо
иметь в виду, что существующие для мужчин критерии усилий
на поднятие и перемещение тяжестей характеризуются следу-
124
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
ющими значениями: легкая физическая нагрузка — до 60 Н;
умеренная — 60 ... 150 Н; средняя — 150 ... 300 Н; тяжелая —
300 ... 500 Н; очень тяжелая — свыше 500 Н. Для женщин эти
показатели в 1,5 раза ниже.
Для правильного выбора усилий, прилагаемых к органу
управления, необходимо руководствоваться следующими
положениями: усилия, развиваемые рукой, возрастают в следу-
ющем порядке: вытягивание вверх, толкание вниз, движение от
себя (вбок), вытягивание на себя (в горизонтальной плоскости),
толкание от себя (в горизонтальной плоскости); вытягивание
вверх и толкание вниз лучше производить согнутой рукой; пра-
вая рука примерно на 10% сильнее левой; от 30 до 65 лет кисть
руки уменьшает свою силу на 16 ... 17%.
Может показаться, что наилучшим будет орган управления,
который не требует затраты усилий. Следует, однако, иметь в
виду, что в этом случае оператор «не чувствует» органа управле-
ния и точность его действий резко снижается. Важно, чтобы орган
управления обладал определенным сопротивлением (табл. 3.2).
При наличии большого числа органов управления на пульте
целесообразно использовать педали для ножного управления.
Обеспечение оптимальных с точки зрения инженерной психо-
логии параметров оператора возможно только при обеспечении
его нормальной жизнедеятельности, которая определяется ком-
плексом комфортных условий: удобством рабочего места,
достаточным пространством для выполнения необходимых дви-
жений, бытовыми удобствами, освещением, уровнем шума и
вибраций, температурой и влажностью окружающей среды, плот-
ностью воздуха, содержанием в воздухе вредных для жизни про-
дуктов и т.п. Этот комплекс определяется основными рекомен-
дациями физиологии и гигиены труда.
Оценка удобства работы с прибором может быть получена на
основе эргономического анализа, методика выполнения которого
приведена ниже.
Вводная часть анализа содержит технические характеристи-
ки и краткое описание процесса работы с изделием и характера
действий оператора (особенности приема и обработки информа-
ции, выполнения управляющих действий, последовательность и
длительность операций).
Далее следует характеристика средств отображения информа-
ции. Она может содержать следующие сведения: форма представ-
ления информации (отсчетные устройства, визирные устройства,
информационные панели, форма панелей, углы наклона и т.п.);
расстояние от оператора до информационной панели; параметры
оптической системы (увеличение, поле зрения, диаметр выход-
125
Проектирование оптико-электронных приборов
ного зрачка, удаление зрачка); расположение информационных
панелей в поле зрения оператора; рациональность расположения
индикаторов на панелях, соответствие законам зрительного вос-
приятия; типы индикаторов и соответствие их характеру чте-
ния; формы и угловые размеры шкал; вид поля зрения и способ
отсчитывания; контрастность шкал; количество отметок на шка-
лах, их соответствие необходимой точности отсчитывания; раз-
меры делений и обозначений шкал, соответствие их размеру
шкал, полю зрения, дистанции считывания; форма, размеры,
окраска индексов и стрелок; размещение цветовых индикаторов;
освещение индикаторов и поля зрения, уровень освещенности,
спектральный состав освещения; размещение указателей, их
характер (надписи, символические обозначения), способ выпол-
нения; средства звуковой информации (типы индикаторов, гром-
кость, разборчивость речи).
Характеристика органов управления (ОУ) содержит следу-
ющие сведения: типы ОУ, обоснованность выбора; соответствие
движения ОУ характеру действий оператора (по точности, ско-
рости, длительности); соответствие движения ОУ перемещениям
стрелок и индексов; сопротивление ОУ и соответствие оптималь-
ным значениям; наличие фиксации ОУ в определенном положе-
нии; удобство захватывания и фиксации ОУ (кистью, пальцами,
стопой); различимость ОУ; наличие указателей, их характер,
способ выполнения; расположение ОУ в соответствии с принци-
пами функциональной связи, а также частоты и последователь-
ности использования.
В характеристику рабочего места оператора входят: рабочая
поза оператора, ее обоснованность; положение корпуса операто-
ра при работе (прямое, наклонное); наличие кресла и соответ-
ствие его размеров антропометрическим данным; возможность
регулирования параметров кресла; наличие пространства для ног;
размеры рабочих зон рук (по фронту, в глубину, в высоту) и
соответствие их рекомендуемым размерам.
Для характеристики пространственной среды оценивают
вредные факторы, возникающие при работе, их интенсивность;
средства защиты операторов от вредных факторов; освещенность
помещения и рабочего места оператора; эстетическое оформле-
ние объекта исследования и производственного помещения.
По результатам анализа дается заключение о степени соответ-
ствия прибора требованиям эргономики и формулируются реко-
мендации по необходимым усовершенствованиям.
126
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
5.4. Требования стандартизации
Разработка современных ОЭП базируется на широком при-
менении принципов стандартизации. На предприятиях опти-
ческого приборостроения используют следующие категории стан-
дартов: государственные стандарты (ГОСТ), отраслевые стан-
дарты (ОСТ) и стандарты предприятия (СТП).
Основополагающими ГОСТами при проектировании являют-
ся общетехнические и организационно-методические. Особое
место среди них занимает Единая система конструкторской
документации — ЕСКД (группа Т52).
Все стандарты ЕСКД распределены по классификационным
группам, приведенным в табл. 5.3.
Наряду с ЕСКД при проектировании ОЭП широко исполь-
зуют другие комплексы ГОСТов, в частности:
ГСИ — Государственную систему обеспечения единства изме-
рений (класс Т8);
Таблица 5.3
Перечень классификационных групп стандартов ЕСКД
Шифр группы	Содержание стандартов в группе	Номер ГОСТа
0	Общие положения	2.001-2.099
1	Основные положения	2.101-2.199
2	Классификация и обозначение изделий в конструкторских документах	2.201-2.299
3	Общие правила выполнения чертежей	2.301-2.399
4	Правила выполнения чертежей изделий машиностроения и приборостроения	2.401-2.499
5	Правила обращения конструкторских до- кументов (учет, хранение, дублирование, внесение изменений)	2.501-2.599
6	Правила выполнения эксплуатационной и ремонтной документации	2.601-2.699
7	Правила выполнения схем и условные графические обозначения, используемые в схемах	2.701-2.799
8	Правила выполнения чертежей строи- тельных и судостроения	2.801-2.899
9	Прочие стандарты (конструкторская до- кументация разных правил оформления)	2.901-2.999
127
Проектирование оптико-электронных приборов
ЕСТД — Единую систему технологической документации
(группа Т53);
ЕСЗКС — Единую систему защиты от коррозии старения
материалов и изделий (класс T9);
ЕСТПП — Единую систему технологической подготовки про-
изводства (группа Т53);
ЕСДП — Единую систему допусков и посадок (группа Г12);
ССБТ — Систему стандартов безопасности труда (группы
ТОО, Т58);
ССНТ — Систему стандартов «Надежность в технике» (груп-
па Т51);
ССЭТЭ — Систему стандартов эргономики и технической
эстетики (группа Т58).
Помимо этого, при проектировании используется большое
число стандартов технических условий, параметров (размеров),
типов, марок, сортамента, конструкций, технических требова-
ний, правил приемки, методов испытаний и т.п., отнесенных к
различным классам и группам.
Так же как и в любой отрасли промышленности, в опти-
ческом приборостроении существует система ОСТов. ОСТы обя-
зательны для всех предприятий и организаций данной отрасли
(министерства, ведомства), а также для предприятий других
отраслей, использующих продукцию этой отрасли. ОСТы утвер-
ждаются органами государственного управления, являющимися
ведущими в производстве данного вида продукции.
ОСТы устанавливаются на те виды продукции, которые не
регламентированы ГОСТами: отдельные виды продукции ограни-
ченного применения; технологическую оснастку, предназначен-
ную для применения в данной отрасли; сырье, материалы, полу-
фабрикаты внутриотраслевого применения. ОСТы также регла-
ментируют нормы, правила, требования и обозначения, обеспе-
чивающие оптимальное качество продукции отрасли. В ряде
случаев ОСТы устанавливают ограничения (по типоразмерам,
номенклатуре и т.п.) или развивают ГОСТы применительно к
данной отрасли.
ОСТы разрабатываются головной научно-исследовательской
организацией отрасли. В оптическом приборостроении действу-
ет значительное число ОСТов, а также руководящих материалов
отрасли (РМО) и руководящих технических материалов (РТМ),
развивающих, дополняющих или ограничивающих систему ГО-
СТов.
СТП устанавливаются на детали, сборочные единицы,
технологическую оснастку, технологические процессы, нормы,
128

Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
требования и правила, применяемые на данном предприятии, и
утверждаются руководством предприятия.
СТП бывают трех видов:
—	ограничительные, которые создаются на основе госу-
дарственных или отраслевых и ограничивают применение на
предприятиях установленных стандартами номенклатуры, типо-
размеров, марок материалов и т.п.;
-	дополняющие, создаваемые при необходимости дополнить
государственные или отраслевые стандарты данными (требова-
ниями, характеристиками и т.п.), отсутствующими в этих стан-
дартах;
—	оригинальные, разрабатываемые при условии, что на стан-
дартизуемые объекты отсутствуют ГОСТы или ОСТы.
Оригинальные и дополняющие СТП не должны ухудшать по-
казателей государственных и отраслевых стандартов.
Вопросами стандартизации на предприятиях, в научно-иссле-
довательских, проектно-конструкторских и других организаци-
ях занимаются специальные подразделения (отделы, бюро, груп-
пы, лаборатории).
Одной из важнейших функций отделов, бюро, групп стан-
дартизации на предприятиях, в научно-исследовательских и
других организациях является нормоконтроль конструкторской
документации в соответствии с ГОСТ 2.111-68.
Нормоконтроль проверяет:
-	соответствие параметров изделия требованиям стандартов;
—	возможность замены специальных конструктивных элемен-
тов стандартизованными и унифицированными;
-	соответствие применяемых изделий стандартам данного
предприятия;
-	соответствие оформления чертежей и другой конструктор-
ской документации требованиям ЕСКД;
—	соответствие принятых классов точности, допусков и поса-
док, соединений, марок и сортаментов материалов, шероховато-
сти поверхностей, покрытий, отделки и других показателей и
характеристик требованиям действующих ГОСТов, ОСТов и СТП;
—	применение установленных стандартами цифровых и дру-
гих условных обозначений, а также терминов, различных сим-
волов и сокращений;
—	соответствие ссылок на действующие стандарты, техничес-
кие условия и другие обязательные документы;
-	возможность замены дефицитных и других материалов
более распространенными и дешевыми.
При нормоконтроле учитываются все виды требований,
предъявляемых к приборам.
129
Проектирование оптико-электронных приборов
5.5.	Технологические требования
Проектирование современных ОЭП требует обязательного
учета широкого круга требований, определяемых современным
уровнем развития технологии производства. Рассмотрим не-
которые из наиболее важных технологических требований.
Технологичность деталей и узлов, удобство сборки. Техно-
логичность конструкций может быть охарактеризована следую-
щими показателями: минимальными затратами труда на изго-
товление; минимальным ассортиментом средств изготовления;
минимумом сложных и трудоемких производственных процес-
сов; простотой подготовки производства; минимальным числом
операций и временем их проведения; правильным выбором до-
пусков на изготовление; простотой монтажа деталей в узлы без
дополнительной обработки; законченностью узлов, входящих в
прибор; простотой сборки прибора в целом.
Разрабатывая прибор, конструктор должен четко представ-
лять себе процесс изготовления каждой детали. Особое внима-
ние необходимо обращать на обеспечение возможности легкой
сборки узла или блока. Это обстоятельство во многом зависит от
правильного выбора допусков на изготовление деталей, так как
назначение завышенных допусков заметно удорожает изготов-
ление самих деталей. В то же время назначение заниженных
допусков часто приводит к искривлениям, перекосам и эксцент-
риситетам, удорожающим сборку и юстировку прибора.
Выбор системы допусков зависит прежде всего от способа про-
изводства.
Система вала, характеризуемая небольшим числом диамет-
ров валов и значительным количеством диаметров отверстий,
требует применения небольшого набора калибров-скоб и боль-
шого набора калибров-пробок в сочетании с большим набором
комбинированного режущего инструмента (разверток, протяжек
и т.п.), позволяющего существенно повысить скорость и каче-
ство изготовления деталей. Однако вследствие высокой стоимо-
сти комбинированного режущего инструмента систему вала сле-
дует применять при массовом производстве, так как только в
этом случае оправдывается требуемое большое разнообразие по-
добного инструмента.
Система отверстия содержит небольшое число диаметров
отверстий в сочетании с большим разнообразием диаметров осей
и валов. Поэтому для контроля размеров требуется большой набор
калибров-скоб и малый — калибров-пробок, а использование
комбинированного режущего инструмента сводится к миниму-
му.
130
Глава 5, Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
Эта система, с успехом применяемая в массовом и крупно-
серийном производстве, является основной в единичном и мелко-
серийном.
Так как принятая система допусков влияет на всю техноло-
гию производства, следует избегать совместного применения двух
систем.
Рациональный выбор материалов. Материалы, необходимые
для изготовления деталей, следует выбирать с учетом не только
функциональных и эксплуатационных особенностей прибора, но
и технологии его изготовления. Для единичного производства
целесообразно использовать материалы, хорошо поддающиеся
обработке резанием. При крупносерийном и массовом производ-
стве более экономичны способы изготовления без снятия струж-
ки, что и определяет в значительной степени выбор материалов.
Минимальная номенклатура элементов, материалов, полу-
фабрикатов. Выполнение этого требования упрощает снабжение
производства. Конструктор должен стремиться к тому, чтобы
комплектующие изделия и материалы не были дефицитными.
Кроме того, необходимо иметь в виду, что некоторые детали
и элементы часто не соответствуют специфике и профилю
предприятия. В этих случаях целесообразнее идти по пути коо-
перации с другими предприятиями, чем осваивать производство
соответствующих изделий.
Обеспечение взаимозаменяемости деталей, узлов и блоков.
Взаимозаменяемость предполагает идентичность конструктив-
ных и присоединительных размеров, соединителей, а также вход-
ных и выходных параметров. Взаимозаменяемость позволяет
обеспечить замену одного узла или блока другим без дополни-
тельной подгонки и регулирования. Это обстоятельство имеет
важное значение при сборке приборов, особенно при крупносе-
рийном и массовом производстве, а также при обслуживании и
ремонте приборов. Прежде всего необходимо стремиться к взаи-
мозаменяемости электронных узлов и блоков. Взаимозаменяе-
мость обеспечивается рациональными допусками на размеры и
параметры узлов и блоков.
Максимальная нормализация и унификация конструкций.
Выполнение этого требования основано на применении
нормализованных, унифицированных или стандартизованных
деталей и узлов. Нормализованные детали включены в нормаль
данного предприятия или группы родственных предприятий.
Унифицированные детали применяют на предприятиях всей
отрасли промышленности. Стандартизованные детали использу-
ют на предприятиях различных отраслей промышленности.
131
Проектирование оптико-электронных приборов
Унифицированные и стандартизованные детали, узлы и бло-
ки изготовляют централизованно, что позволяет автоматизиро-
вать процесс их производства, обеспечить высокую надежность
и минимальную стоимость. Поэтому применение указанных де-
талей упрощает и удешевляет процесс проектирования, изготов-
ления и эксплуатации приборов, чему способствует также заим-
ствование ранее разработанных конструкций деталей, узлов и
блоков электронного тракта прибора. Более подробно вопросы
стандартизации при проектировании и изготовлении ОЭП рас-
смотрены в п. 5.4.
Обеспечение возможности изготовления деталей при единич-
ном и мелкосерийном производстве на универсальном оборудо-
вании. Это требование имеет смысл при изготовлении уникаль-
ных и экспериментальных приборов, для выпуска которых в
единичных образцах или малыми сериями нецелесообразно де-
лать специальную технологическую оснастку. Повысить качество
таких приборов и уменьшить технологические и трудовые затра-
ты на их изготовление можно путем использования типовых
узлов и деталей, о которых говорилось выше.
Простота и удобство выполнения сборки, монтажа и юсти-
ровки. Выполнение этого требования имеет особое значение для
качественной настройки прибора как в заводских условиях, так
и в процессе дальнейшего использования. При этом снижаются
трудовые затраты и требования к уровню подготовки производ-
ственного и обслуживающего персонала, а также требования к
сложности юстировочного и стендового оборудования.
5.6.	Технико-экономические требования
Экономические показатели при проектировании и выпуске
приборов часто являются в конечном итоге критерием оценки
выполнения всех перечисленных выше требований. Кон-
струирование приборов без экономического обоснования недо-
пустимо. Оптимально спроектированный прибор должен отвечать
следующим требованиям.
Минимальная себестоимость прибора с учетом расходов на
проектирование, эксплуатацию и техническое обслуживание.
При выполнении этого требования следует учитывать, что для
современных уникальных ОЭП стоимость разработки часто со-
ставляет значительную часть стоимости прибора. В то же время
при крупносерийном и массовом производстве доля стоимости
разработки незначительна. В связи в этим и подход к разработке
132
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
должен быть различным. Например, если в условиях крупносе-
рийного или массового производства усовершенствование схемы,
приводящее к экономии хотя бы одного элемента, приводит к
ощутимому экономическому эффекту, то та же работа в услови-
ях единичного производства часто экономически не оправдана.
Снижение стоимости приборов во всех случаях достигается ис-
пользованием дешевых материалов, сырья и их экономичным
расходованием, стандартизацией и унификацией изделий, умень-
шением затрат труда на изготовление. Создание приборов с ми-
нимальной себестоимостью при гарантированных технических и
эксплуатационных параметрах и характеристиках — общая за-
дача разработчиков, технологов и производственников.
Автоматизация обслуживания. Выполнение этого требова-
ния ведет к снижению затрат на обслуживание приборов и, как
правило, к их усложнению и соответственно удорожанию. По-
этому в процессе проектирования должен быть решен вопрос о
необходимой степени автоматизации именно с экономических
позиций. Исключение составляют приборы, которые по своему
назначению должны работать в автоматическом режиме (напри-
мер, приборы космической техники).
Патентоспособность и патентная чистота. Это требование
выходит за рамки технико-экономических требований, посколь-
ку результаты патентных исследований позволяют решать так-
же вопросы обеспечения высокого технического уровня
разрабатываемых приборов. Вместе с тем выполнение этого тре-
бования способствует исключению дублирования разработок и,
таким образом, снижению затрат на проектирование. Важное
значение это требование имеет для приборов, которые могут
явиться предметом экспорта.
Для выполнения требования патентоспособности и патент-
ной чистоты необходимо в процессе проектирования выявлять
технические решения, которые могут быть признаны изобрете-
ниями. Это относится как к приборам в целом, так и к их узлам
и отдельным деталям, а также к приемам их использования и
технологии изготовления.
Изделие обладает патентной чистотой, если оно не попадает
под действие патентов на изобретения, выданных в стране, куда
предполагается экспорт. Если в разработке использовано техни-
ческое решение, ранее запатентованное в указанной стране, на
которое еще не истек срок действия патента, страна-экспортер в
соответствии с принципами международного патентного права
подвергается санкциям, наносящим значительный экономичес-
кий ущерб.
133
Проектирование оптико-электронных приборов
В то же время новые оригинальные решения, обладающие
патентной чистотой, могут быть запатентованы в других стра-
нах, которым предоставляется право использования данного ре-
шения путем продажи лицензии, что экономически выгодно.
Поэтому в процессе проектирования необходимо изучать
патентную литературу, что способствует, с одной стороны,
повышению технического уровня приборов, а с другой — охране
экономических интересов государства.
5.7.	Требования к надежности
Сложность ОЭП, включающих оптические, механические и
электронные узлы, требования к работоспособности этих прибо-
ров в резко изменяющихся условиях эксплуатации ставят перед
конструктором задачу — создать прибор, обладающий высокой
надежностью в течение всего срока службы.
При решении вопросов, относящихся к надежности различ-
ных объектов техники, необходимо руководствоваться системой
стандартов «Надежность в технике».
В соответствии с ГОСТ 27.002-89 надежность определяется
как свойство объекта сохранять во времени в установленных
пределах значения всех параметров, характеризующих способ-
ность выполнить требуемые функции в заданных режимах и
условиях применения, технического обслуживания, ремонта,
хранения и транспортирования. Надежность прибора зависит от
количества и качества входящих в него элементов, условий ра-
боты (температуры, влажности, механических воздействий и т.
п.), схемного и конструктивного выполнения прибора, техноло-
гии изготовления и качества материала элементов [14].
Свойствами, характеризующими надежность, могут служить
безотказность, долговечность, ремонтопригодность и другие, а
также сочетание этих свойств.
Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять
работоспособное состояние в течение некоторого времени или
некоторой наработки.
Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособ-
ное состояние до наступления предельного состояния при
установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся
в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин
возникновения отказов, повреждений, к поддержанию и
восстановлению работоспособности путем проведения техничес-
кого обслуживания и ремонта.
134
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-злектронным приборам
Проявлениями ненадежности приборов являются поврежде-
ния и отказы.
Повреждение — событие, заключающееся в нарушении
исправного состояния объекта при сохранении работоспособного
состояния.
Отказ — событие, заключающееся в нарушении работо-
способного состояния объекта.
В связи с тем что некоторые незначительные повреждения
со временем могут приводить к значительным, ненадежным счи-
тается не только тот прибор, повреждение которого приводит к
его неработоспособности — отказу, но и тот, у которого выход-
ные характеристики (точность, время срабатывания и т.п.) вы-
ходят за допустимые пределы.
Современный ОЭП состоит из десятков и сотен оптических,
механических и электронных элементов. Однако, если в процес-
се усовершенствования аппаратуры устранены конструктивные
и технологические ошибки, приводившие к закономерным
(систематическим) отказам, то в такой сложной системе возник-
новение отказов обычно является случайным событием.
При разработке конструкции с высокой степенью надежнос-
ти всегда следует стремиться к уменьшению числа входящих в
нее элементов, поскольку чем их меньше, тем надежнее прибор.
В большинстве случаев механические или электрические по-
вреждения элементов наступают внезапно и приводят к потере
работоспособности либо самого элемента, либо всего прибора.
Такие отказы называют внезапными. Причиной их появления
может служить пробой конденсатора, выход из строя исполни-
тельного элемента следящей системы и т.п. Длительное, посте-
пенное изменение параметров элементов и конструкции прибора
вследствие старения материала (например, постепенное измене-
ние чувствительности приемников излучения) в большинстве
случаев приводит лишь к ухудшению параметров прибора при
сохранении его работоспособности. Такие отказы называют по-
степенными. Характер отказа оказывает решающее влияние на
методику расчета надежности, на построение надежных схем и
на способы обнаружения места отказа.
Расчет надежности любого изделия возможен, если извест-
ны количественные показатели надежности аппаратуры и преж-
де всего временные показатели: срок службы, наработка, техни-
ческий ресурс, средняя наработка до отказа.
Срок службы Тс — календарная продолжительность от нача-
ла эксплуатации объекта до перехода его в предельное состоя-
ние, соответствующее технической невозможности или нецеле-
сообразности его дальнейшей эксплуатации.
135
Проектирование оптико-электронных приборов
Наработка — продолжительность или объем работы объекта.
Ресурс — наработка объекта от начала его эксплуатации или
возобновления ее после ремонта до перехода в предельное состо-
яние.
Средняя наработка до отказа Тср — математическое ожида-
ние наработки объекта до первого отказа:
1
Т =—1— > 0,
ср *(°)£
где N (0) — начальное число объектов; — наработка до отказа
i-ro объекта (в порядке поступления отказов).
Одним из важнейших показателей надежности является
вероятность безотказной работы P(t) — вероятность того, что
в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет.
Вероятность безотказной работы в интервале от 0 до t0
P(t0) = l-F(t0),
где F(t) — функция распределения наработки до отказа.
Вероятность безотказной работы и средняя наработка до от-
каза связаны зависимостью
оо	ее
reP = j-P(t)d, =
о	о
Статистическую вероятность безотказной работы можно най-
ти по формуле
P(to)=N(to)/N(O) = l-n(to)/N(O),
где N (t0) —число исправных объектов в момент времени t0; N (0)
— число исправных объектов в момент времени t = 0; n(t0) —
число отказавших объектов за время i0.
Другим важным показателем надежности является интен-
сивность отказов X(i) — условная плотность вероятности
возникновения отказов объекта, определяемая для рас-
сматриваемого момента времени при условии, что до этого мо-
мента отказ не возник.
Интенсивность отказов X(t) находят по формуле
X(t) =	=---/ \ Г1р(0 =---
P(t) P(t)dt k
где f(t) — плотность распределения наработки до отказа.
Статистическая интенсивность отказов в момент времени t
= An(t, At)ypV(t) Atj,
136
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
где An(t, AZ) — число объектов, отказавших в интервале времени
(t... £+At); МО — число объектов, исправных к моменту времени t.
Интенсивность отказа системы, состоящей из и различных
элементов, X =	+ Х2 + ... +Х„, где Х2, ... , Хп — интенсивности
отказов элементов системы, зависящие от качества их изго-
товления, материала, конструкции, условий эксплуатации и т.п.
Интенсивность отказов для номинальных условий работы
обозначим Хо. Влияние на интенсивность отказов Хо факторов
внешней среды учитывают с помощью коэффициентов. Напри-
мер, для резистора изменение температуры окружающей среды
оценивается коэффициентом at = Xf/Xo, где — интенсивность
отказов при заданной температуре и прочих номинальных усло-
виях.
Если при эксплуатации элемента несколько факторов (влаж-
ность, мощность рассеяния, давление и т.п.) будут отличаться от
номинальных, то для учета их влияния на интенсивность отка-
зов используют формулу
k = koatap,..^an,
где at, ар, ..., ап — коэффициенты, характеризующие отличие
условий эксплуатации элемента от номинальных. Значения Хо и
коэффициентов а различных элементов приведены в справочни-
ках и литературе по расчету надежности систем [14, 33].
Надежность — это один из основных параметров прибора.
Поэтому, разрабатывая его, следует рассчитывать надежность и
на основе результатов этих расчетов делать выводы о правильно-
сти выбора схемы, режимов работы и конструкции. Поскольку
отказы элементов изделия носят случайный характер, а случай-
ные величины подчиняются различным законам распределения,
то расчет надежности приборов проводят с учетом этих законов.
Наибольшее применение в практике расчетов получил экспонен-
циальный (показательный) закон распределения случайных ве-
личин.
При экспоненциальном законе распределения времени
возникновения отказов элементов прибора вероятность безотказ-
ной работы элементов (или прибора) определяют по формуле
P(t) = e \
где tp — время, в течение которого элемент (изделие) работает
безотказно.
Если полученные результаты расчета вероятности безотказ-
ной работы прибора не соответствуют требованиям ТЗ, то следу-
ет проанализировать, какие элементы изделия в наибольшей мере
увеличивают интенсивность отказа прибора, и, заменив эти эле-
137
Проектирование оптико-электронных приборов
менты или изменив их режим работы, повторить расчет. Такой
метод позволяет иногда повысить вероятность безотказной рабо-
ты в несколько раз. Вероятность безотказной работы может быть
повышена и в том случае, если конструктор применит резерви-
рование.
Резервирование — применение дополнительных средств и
возможностей в целях сохранения работоспособного состояния
объекта при отказе одного или нескольких его элементов.
Существуют следующие способы резервирования:
постоянное — без перестройки структуры объекта в случае
возникновения отказа его элемента;
динамическое — с перестройкой структуры, в частности, за-
мещение отказавших элементов резервными;
общее — резервирование объекта в целом;
раздельное — поэлементное резервирование;
нагруженное — резервирование, при котором резервные эле-
менты находятся в тех же условиях, что и основные (работаю-
щие);
облегченное, когда резервные элементы до их подключения
находятся в облегченных условиях;
ненагруженное, при котором резервные элементы включа-
ются в работу только после отказа основного элемента.
Обычно в реальных системах применяют смешанное
резервирование, при котором комбинируются различные из пе-
речисленных выше способов. При этом, как правило, основу
составляет динамическое резервирование.
Кратностью резервирования т называют отношение числа
резервных элементов (приборов) к числу основных.
При общем нагруженном резервировании основное и резер-
вное изделия параллельно подключены к нагрузке и к источни-
ку питания, поэтому при выходе из строя основного изделия
резервный прибор продолжает выполнять измерения. Если при
таком резервировании основной и резервный приборы имеют
одинаковую надежность, то вероятность безотказной работы
р(()р=1-[1-р(оГ‘.
где P(t) — вероятность безотказной работы нерезервированного
прибора; т—кратность резервирования, принимающая значения
О, 1, 2, ...
При оценке надежности резервированных систем часто пола-
гают, что устройства обнаружения отказов и переключения с
отказавшего элемента на резервный работают идеально, т.е.
срабатывают мгновенно и безошибочно. При этом допущении,
138
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-электронным приборам
как показано в [7], раздельное резервирование дает большее по-
вышение надежности по сравнению с общим, а ненагруженное
резервирование — по сравнению с нагруженным. С увеличением
кратности резервирования этот выигрыш возрастает. Кроме того,
при ненагруженном резервировании элементы, находящиеся в
состоянии резерва, не потребляют энергии, а при нагруженном
резервировании они могут потреблять значительную энергию.
Сделанное допущение грубое, поэтому вероятность безотказ-
ной работы резервированной системы может оказаться значитель-
но ниже, чем следует из приближенных расчетов. Кроме того,
применение резервирования приводит к увеличению массы, га-
баритных размеров и стоимости системы. Вследствие этого часто
приходится ограничиваться лишь однократным резервировани-
ем (дублированием) наиболее ответственных блоков системы.
Для обеспечения высокой надежности приборов резервиро-
вание необходимо сочетать с другими способами повышения
надежности, такими, как облегчение режимов работы аппарату-
ры; применение более совершенной технологии производства, в
частности интегральной; замена механических переключателей
и управляющих устройств электронными; замена аналоговой
обработки сигналов цифровой; упрощение принципов действия
системы; своевременное проведение регламентных работ; макси-
мальное использование функциональных резервов — примене-
ние в системе узлов и частей, обеспечивающих выполнение не-
которых функций, отказ которых позволяет системе в целом со-
хранять работоспособность с допустимым ухудшением качества;
применение и совершенствование систем обнаружения и устра-
нения неисправностей (отказов); повышение квалификации об-
служивающего персонала.
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 6. РАСЧЕТ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ
6.1. Энергетические расчеты оптико-электронных
приборов
6.1.1.	Цель и порядок энергетического расчета
Целью энергетического расчета обычно является опреде-
ление соотношений между полезным сигналом и шумами (поме-
хами) и нахождение на основе этих соотношений важнейших
параметров ОЭП. К таким параметрам относятся отношение сиг-
нал/шум в различных точках схемы ОЭП, параметры обнаруже-
ния, точностные» параметры (см. п.п. 1.3 и 6.4). пороговые или
эквивалентные шуму параметры, дальность действия и ряд дру-
гих. Отдельную группу составляют конструктивные параметры
ОЭП: диаметр входного зрачка, фокусное расстояние, относитель-
ное отверстие и угловое поле объектива, параметры сканирую-
щей системы, источника и приемника излучения и многие дру-
гие, которые могут быть найдены в процессе энергетического
расчета прибора.
Прежде всего напомним этапы обобщенной методики энер-
гетического расчета ОЭП [38]:
-	составление рабочего (основного энергетического) уравне-
ния или неравенства, устанавливающего в общем виде связь
между полезным сигналом, помехами и шумами и являющего-
ся обобщенным описанием алгоритма работы ОЭП с учетом
особенностей структуры ОЭП и критерия качества его работы;
140
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
—	представление входящих в это уравнение значений полез-
ного сигнала, шумов и помех в виде функций параметров и
характеристик излучателя, передающей системы, наблюдаемого
объекта, среды распространения оптического сигнала, приемной
системы;
—	решение полученного в развернутой форме рабочего урав-
нения относительно одного или совокупности нескольких вхо-
дящих в него конструктивных параметров или заданного крите-
рия качества (выходного параметра) ОЭП;
—	выбор или расчет остальных параметров и проведение
поверочного расчета, имеющего целью проверку выполнения
условия, сформулированного или заданного на первом этапе рас-
чета.
Необходимо отметить, что при разработке некоторых ви-
дов ОЭП, имеющих длительный срок эксплуатации или храня-
щихся долгое время до начала эксплуатации, перечисленные
выше традиционные этапы энергетического расчета приходится
дополнять этапом учета влияния дестабилизирующих факто-
ров внешней среды и погрешностей настройки ОЭП.
Перечисленные выше этапы реализуются, по сути дела, в
обобщенной модели ОЭП (см. п. 3.7). Так, первые из них опре-
деляются субмоделью «Сценарий работы ОЭП».
Параметры и характеристики, входящие в рабочее уравне-
ние (неравенство) ОЭП, могут быть разделены на три группы:
-	не зависящие от разработчика, например, параметры и
характеристики наблюдаемого объекта или излучателя, а так-
же среды распространения сигнала;
—	критерии качества ОЭП и некоторые конструктивные па-
раметры, определяемые техническим заданием, например отно-
шение сигнал/шум, погрешность измерений, габаритные разме-
ры, масса, угловое поле объектива;
—	конструктивные параметры, которыми разработчик может
варьировать, подбирая оптимальные сочетания ряда парамет-
ров и характеристик прибора; к ним относятся, например, габа-
ритные параметры объектива, параметры приемника или элект-
ронного тракта и др.
С учетом этого разделения целесообразно в начале энергети-
ческого расчета составить математическую модель проектируе-
мого ОЭП (см. п. 3.7). Представляя ОЭП в виде многопараметри-
ческой системы, можно применять общие методы оптимизации
для выбора таких конструктивных параметров, которые обеспе-
чивают заданное значение критерия качества всего ОЭП. В до-
статочно общем случае задача оптимизации сводится к отыска-
нию максимумов и минимумов отдельных параметров.
141
Проектирование оптико-электронных приборов
6.1.2.	Выбор сценария работы и энергетической модели
оптико-электронного прибора
Сценарии работы ОЭП отличаются огромным разнообра-
зием в связи с широким распространением и самыми различны-
ми условиями работы этих приборов. Поэтому создание доста-
точно обобщенной модели (субмодели) сценария работы ОЭП
представляется затруднительным, если не невозможным. В спе-
циальной литературе рассматриваются отдельные часто встреча-
ющиеся сценарии работы ОЭП конкретного назначения, напри-
мер, приборов ночного видения или систем обнаружения лета-
тельных аппаратов. Но и в этих случаях число факторов, кото-
рые описывают геометро-оптические, спектральные, энергетичес-
кие, динамические и другие свойства отдельных элементов, оп-
ределяющих сценарий работы ОЭП, либо оказывается чрезмер-
но большим, либо не поддается определению. Поэтому на прак-
тике приходится ограничиваться некоторыми упрощенными сце-
нариями, например, представлять излучатели в виде простей-
ших геометрических фигур, или пользоваться усредненными ко-
эффициентами пропускания атмосферы, или рассматривать ра-
боту ОЭП и всей системы в статике и т.д. и т.п.
Несколько проще во многих случаях выбрать или составить
энергетическую модель (субмодель) ОЭП. Рассмотрим достаточ-
но простой, но часто встречающийся на практике сценарий рабо-
ты ОЭП, когда в угловое поле прибора попадают одновременно
сигналы (потоки излучения) от наблюдаемого объекта, от фона и
помех, находящихся в угловом поле ОЭП, а также от среды рас-
пространения, например, атмосферы.
Сигналы от излучателей могут создаваться за счет собствен-
ного и отраженного или рассеянного излучения. Структура оп-
тического сигнала, поступающего на вход ОЭП, т.е. энергетичес-
кая субмодель ОЭП, может быть представлена в виде совокуп-
ности отдельных составляющих яркости (рис.6.1), обусловлен-
ных следующими факторами:
L] — собственным излучением наблюдаемого объекта;
L2 — отраженным (рассеянным) от объекта излучением, со-
зданным помехой;
L3 - отраженным (рассеянным) от объекта излучением, со-
зданным фоном;
Ь4 — излучением объекта, созданным переотраженным (рас-
сеянным) от фона излучением помехи;
L5 — излучением среды;
L6 - собственным излучением помехи;
L7 — отраженным (рассеянным) от объекта излучением среды;
142
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
£8 — отраженным (рассеянным) от фона излучением среды;
Lg — отраженным от фона (рассеянным) излучением помехи;
£10 — собственным излучением фона;
£п - отраженным от фона (рассеянным) излучением объекта;
£12 - излучением объекта, созданным переотраженным и
рассеянным поверхностью фона излучением среды;
£13 - отраженным от помехи (рассеянным) излучением среды;
£14 — отраженным от помехи (рассеянным) излучением фона;
£15 - излучением помех, созданным переотраженным и рас-
сеянным поверхностью фона излучением среды;
£16 - отраженным от помехи излучением объекта;
Li7 — рассеянным в среде излучением объекта;
£18 — рассеянным в среде излучением помехи;
£19 - рассеянным в среде излучением фона.
В качестве примера можно рассмотреть ОЭП наземного
базирования, предназначенный для наблюдения объекта, нахо-
дящегося в нижних слоях атмосферы на достаточно большом
удалении от ОЭП. Одним из наиболее неблагоприятных случаев
работы этого ОЭП является тот, когда помехой является такой
мощный излучатель как Солнце, а фоновое излучение создается
как подстилающей поверхностью (наземный ландшафт), так и
нижней кромкой облачности. Последнее обстоятельство может
увеличить число составляющих L, по сравнению со случаем, пред-
ставленным на рис. 6.1. Без учета специфики конкретного ОЭП
и условий его работы (рабочего диапазона спектра, времени су-
ток, характера облачности и подстилающей поверхности, угло-
вого поля ОЭП и ряда других факторов) структура оптического
сигнала, приходящего на вход прибора, т.е. энергетическая суб-
модель, для этого случая будет определяться следующими со-
ставляющими :
Lt — собственным излучением наблюдаемого объекта;
L2 — отраженным от объекта (или рассеянным) излучением,
созданным Солнцем;
£3® — отраженным от объекта (или рассеянным) излучением,
созданным собственным излучением облачности;
£™ - отраженным от объекта (или рассеянным) излучением,
созданным собственным излучением подстилающей поверхности;
£4" — излучением объекта, созданным переотраженным (рас-
сеянным) от подстилающей поверхности излучением Солнца;
£4® - излучением объекта, созданным переотраженным (рас-
сеянным) от облачности излучением Солнца;
£5 — собственным излучением среды (атмосферы);
£6 — излучением Солнца, попадающим в угловое поле ОЭП;
143
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 6.1. Структура оптического сигнала, поступающего на вход ОЭП
144
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
L7 — отраженным от объекта (рассеянным) излучением ат-
мосферы;
Lg6 - отраженным от облачности (рассеянным) излучением
атмосферы;
£™ — отраженным от подстилающей поверхности (рассеян-
ным) излучением атмосферы;
£^п - отраженным от подстилающей поверхности (рассеян-
ным) излучением Солнца;
£э° - отраженным от облачности (рассеянным) излучением
Солнца;
£$ - собственным излучением облачности;
£Jo — собственным излучением подстилающей поверхности;
I^i — отраженным от подстилающей поверхности (рассеян-
ным) излучением объекта;
£1° — отраженным от облачности (рассеянным) излучением
объекта;
1^2 ~ излучением объекта, созданным переотраженным (рас-
сеянным) от подстилающей поверхности излучением атмосферы;
1^2 — излучением объекта, созданным переотраженным
(рассеянным) от облачности излучением атмосферы;
£17 — рассеянным в атмосфере излучением объекта;
Lis - рассеянным в атмосфере излучением Солнца;
£19 — рассеянным в атмосфере излучением подстилающей
поверхности;
£11 — рассеянным в атмосфере излучением облачности;
£20 — отраженным от облачности (рассеянным) излучением
подстилающей поверхности;
£21 ~ отраженным от подстилающей поверхности (рассеян-
ным) излучением облачности.
По сравнению с ранее рассмотренной структурой (рис. 6.1)
здесь отсутствуют составляющие £j3 ... £j6, так как бессмыслен-
но говорить о вкладе этих составляющих, по сравнению с соб-
ственным излучением Солнца, а составляющие £3, £4, £g, £9, £10,
£ц, £i2, и £i9, в свою очередь, подразделяются на две части каж-
дая. Кроме того, здесь появились две новые составляющие — £20
и £2i, учитывающие «энергетическое взаимодействие» двух рас-
сматриваемых фоновых излучателей.
Довольно часто приходится рассматривать и более сложную
структуру. Например, при работе ОЭП космического базирова-
ния, наблюдающего различные объекты на земной поверхности,
фонами одновременно могут являться наземный ландшафт, вод-
145
Проектирование оптико-электронных приборов
ная поверхность и верхний край облачности, а помехами — Сол-
нце, блики от водных поверхностей и др.
Пользуясь структурной схемой, приведенной на рис. 6.1,
т.е. составляя энергетическую модель (субмодель) ОЭП, можно
найти величины яркостей (потоков, освещенностей) на входе
прибора для конкретных условий его работы. Иногда при этом с
помощью компьютерной модели ОЭП возможно выделить те из
составляющих входного сигнала, которые вносят наиболее за-
метный вклад в его суммарное значение, и в дальнейших расче-
тах учитывать только их. Подобным образом можно учесть тот
факт, что определенные излучатели (объекты, помехи, фоны)
могут в конкретных условиях работы ОЭП рассматриваться как
источники только одного вида излучения, либо собственного,
либо отраженного или рассеянного.
Например, рассмотрим случай, когда сигнал, содержащий
информацию о появлении в угловом поле ОЭП обнаруживаемого
объекта с яркостью Lo6, определяется разностью освещенностей
ДЕВХ на входном зрачке ОЭП для случаев (моментов) появления
объекта и его отсутствия в угловом поле прибора ДПоэп. т.е.
АЕВХ = (^с,об ’ Д>б + Д:,об — Т'с.ф ' Aj> — ЬС'фУ Д^об ’
где тс об и тс ф — коэффициенты пропускания среды на трассах
«объект-фон» и «фон-ОЭП», соответственно, и Lc o6 и £с>ф — ярко-
сти атмосферы на этих трассах; ДПоб — угловое поле, занимаемое
объектом (видимый угловой размер объекта), причем ДПоб < ДГ20Э11.
Для дневных условий работы ОЭП при наличии Солнца за
пределами ДО0ЭП суммарная яркость Lo6 для рассматриваемого
выше примера может определяться в случае наличия в ДО0ЭП
объекта и фона — подстилающей поверхности как
до6 = Л+д2++д™+L,+дп2п,
а суммарная яркость фона при отсутствии объекта в угловом поле
ОЭП как
А,=С+^+*щ+ь18+^-
Для ночных условий работы ОЭП в отсутствие достаточно
мощных излучающих помех или при работе в диапазоне длин
волн свыше 5 мкм, где доля отраженного (рассеянного) солнеч-
ного излучения, как правило, несравненно меньше собственного
(теплового) излучения объектов и фонов, в нашем примере:
т — Гпп । тип . тпп
*" Чо *" Чэ •
146
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
При переходе от яркостей L к потокам Ф и освещенностям Е
на входе ОЭП необходимо учитывать спектральные и про-
странственные соотношения, а также пропускание среды распро-
странения на тех трассах, которые проходит каждая составляю-
щая оптического сигнала, поступающего на вход системы.
Величина монохроматического потока Фх;, соответствующе-
го i-ой составляющей оптического сигнала, определяется, как
известно [38], следующим образом
Ф„ = Ф£(Х)=тсГА(Х).ДПгД,х.
Принимая в качестве основного энергетического уравнения
соотношение
ДФ(Ь)> Цф-ФпоэпСО,
где цф — требуемое отношение сигнал/шум на входе ОЭП, ФпОэп(^)
— порог чувствительности ОЭП (см. [38]), можно, как это отме-
чалось выше, подставить сюда «развернутые» выражения для
Lo6(X) и Еф(Х) и рассмотреть в качестве предварительного усло-
вия функционирования ОЭП выполнение этого неравенства.
Для составления рабочего уравнения ОЭП в целом необходи-
мо определить эффективные значения потоков ФХ( или соответ-
ствующих им освещенностей Ет 1 на выходе приемника излуче-
ния, т.е. учесть спектральный коэффициент пропускания опти-
ческой системы то(Х) и спектральную чувствительность прием-
ника s(X) путем умножения Ф/Х) на то(Х) и s(X). Полученные
таким образом электрические сигналы на выходе приемника сле-
дует «провести» через все звенья ОЭП, т.е. учесть передаточ-
ные функции этих звеньев, до выхода структурной схемы прибо-
ра, где обычно и определяется показатель (критерий) качества
работы всего ОЭП. Сопоставляя вычисленное значение показа-
теля качества с заданным или требуемым, можно (как это отме-
чалось в п. 6.1.1, а также при рассмотрении обобщенной модели
ОЭП в п. 3.7) вести параметрический анализ и синтез или изме-
нять условия работы или структуру прибора, т.е. возвращаться
к системотехническому этапу проектирования (см. рис. 3.4).
6.1.3. Расчет основных габаритных параметров приемной
оптической системы
Важнейшими габаритными параметрами приемной оп-
тической системы ОЭП являются диаметр входного зрачка объек-
тива D, его фокусное расстояние f или диафрагменное число
К = f /D, а также угловое поле 2соу. Их значения во многом опре-
деляют уровни полезного сигнала, приходящего на вход ОЭП, а
147
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
также помех и шумов, т.е. от выбора данных параметров зави-
сит значение отношения сигнал/шум ц. Поскольку это отноше-
ние определяет и другие критерии качества ОЭП [38], наиболее
часто расчет D, f, К и <оу целесообразно вести из условия обеспе-
чения требуемого значения ц.
Как показано в [18, 38], отношение сигнал/шум на выходе
приемника излучения в общем виде описывается уравнением
Ни = К J Фс (tyo (A)SV/T (k)dVani вых ’	(6.1)
О
где feM — коэффициент, учитывающий потери мощности сигнала
за счет модуляции и других преобразований сигнала в электрон-
ном тракте; ФС(Х) — поток, приходящий на входной зрачок при-
емной оптической системы, как функция длины волны излуче-
ния А; т0(А) — спектральный коэффициент пропускания прием-
ной оптической системы; sv^(A) —спектральная характеристи-
ка вольтовой чувствительности приемника излучения на частоте
модуляции Д, принятой при паспортизации приемника; ош ВЬ1Х —
среднее квадратическое значение шумов и помех, приведенное к
выходу приемника излучения. Значения ФС(А) часто рассчиты-
вают по следующим формулам:
для удаленного точечного излучателя
Фс(Х) = тс(Х)/(Х)Дх//2;	(6.2)
для удаленного «площадного» излучателя, т.е. излучателя,
перекрывающего лишь часть углового поля ОЭП,
фс (Ч = \	ДА A^/Z2;	(6.3)
для протяженного излучателя, т.е. излучателя, перекрываю-
щего все угловое поле ОЭП,
Фс М = \	= тс (Х)Ь(Х) Ах АП.	(6.4)
В этих формулах тс(А) — спектральный коэффициент пропу-
скания среды распространения оптического сигнала; 1(A) и L(A)
— спектральные плотности силы излучения и яркости источника
полезного сигнала; Ат — площадь входного зрачка; I — рассто-
яние от ОЭП до излучателя; ДА — видимая площадь излучателя;
q — площадь полевой диафрагмы оптической системы; ДО —
телесное угловое поле объектива приемной системы.
Уравнение (6.1) определяет номинальное значение отноше-
ния сигнал/шум без учета действия дестабилизирующих факто-
ров, приводящих, например, к изменению вольтовой чувстви-
тельности в условиях хранения и эксплуатации. Обычно разра-
148
ботчики фотоприемников в технических описаниях приводят
данные о предельных уходах вольтовой чувствительности. Ис-
пользуя эти данные, можно с помощью уравнения (6.1) опреде-
лить предельные значения ц„.
При преобладании внутренних шумов — шумов приемника
излучения—выражение (6.1) можно привести к виду (см. [18,
38]):
= М/ ]фс (к)то(х)л*(х)ах/7Ж-	(6.5)
о
Здесь kf — коэффициент, учитывающий различие в спект-
ральных плотностях мощности шума приемника на рабочей ча-
стоте модуляции и на частоте /т;	— спектральная харак-
теристика обнаружительной способности приемника на частоте
А — площадь чувствительного слоя приемника излучения;
Д/3 — эквивалентная полоса шумов электронного тракта.
При преобладании помех, создаваемых излучением протя-
женного неоднородного («пестрого») фона со средним квадрати-
ческим значением яркости о£ф, отношение амплитуды полезного
сигнала к среднему квадратическому значению сигнала помехи [38]
/гм J фс(%(%/т(^)с1А
Ах J Оьф (tyc (tyo (k)dk
о
Здесь принято, что среднее квадратическое значение промо-
дулированного потока, приходящего от фона на вход ОЭП и созда-
ющего в полосе пропускания Д/э ОЭП сигнал помехи, равно оф(А) =
= о£ф(А)тс(А)АвхДО.
При малых угловых полях 2соу и квадратной форме чувстви-
тельной площадки приемника, в которую вписывается пучок лу-
чей с сечением в виде круга диаметром Zn, площадь этого участка
можно определить как
А = Z2 = (2DKtgwy )2 = (4/л)Л2К2Д£1,	(6.7)
где телесный угол мгновенного углового поля ДП = (п/4)х
x(2tgcoy)2, К = f'/D. При круглой форме входного зрачка объек-
тива Авх = л.О2/4.
149
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Приведенные уравнения позволяют найти предварительно
значения D, f и 2соу. Например, для случая работы ОЭП по про-
тяженному излучателю и преобладания внутренних шумов пос-
ле подстановки в (6.5) формулы (6.4) и учета (6.7) получим урав-
нение, решая которое относительно D, находим:
8НЛЖ
(6.8)
D =
kMkfnz tg(0y J тс (Х)то (X)LC (X)D* (X)dX
о
Аналогичным образом можно получить выражение для рас-
чета значений 2соу и К (или f = DK).
В качестве исходных данных для расчета на практике часто
приходится использовать известные заранее массивы парамет-
ров и значений функций, входящих в выражения (6.1)-(6.8), а
также задавать значения некоторых из этих массивов. Целесооб-
разно результаты расчетов получить в виде графиков или номог-
рамм. При этом иногда удобно нормировать значение искомого
или искомых параметров относительно значения рц. Это позво-
ляет поместить интересующую разработчика информацию на
одном графике или номограмме, например в виде зависимости
D/[iu = f(K, 2соу). Нормирование позволяет расширить диапазон
варьирования параметрами D и рц практически неограниченно
при одном и том же числе комбинаций параметров 2соу и К. С
помощью полученных графиков можно быстро и с достаточной
точностью определить рациональные сочетания основных
конструктивных параметров ОЭП.
6.1.4. Расчет и выбор параметров источников и
приемников излучения на основе энергетических
соотношений
Общая схема расчета и выбора параметров источников и
приемников излучения на основе обеспечения требуемых энер-
гетических соотношений между полезным сигналом и шумами
(или помехами) остается той же, что и при расчете габаритных
параметров оптической системы, т.е. подчиняется обобщенной
методике энергетического расчета.
Обычно вначале выбирается спектральный диапазон работы
всего ОЭП, если он не обусловлен техническим заданием. Этот
диапазон обуславливает выбор надлежащих источника и прием-
ника излучения (из числа имеющихся в распоряжении разработ-
чика) по спектральным их характеристикам. Для выбора опти-
мального спектрального диапазона часто основное рабочее (энер-
гетическое) уравнение ОЭП, составленное для заданного выход-
ного параметра прибора, решается при нескольких значениях
границ этого диапазона, а затем по критерию максимума или
допустимого значения выходного параметра выбираются конк-
ретные границы, т.е. величина АХ. Поскольку в рабочее уравне-
ние входят параметры источника и приемника излучения, такой
выбор спектрального диапазона является предварительным (ап-
риорным). Он может быть уточнен после выбора и расчета пара-
метров источника, оптической системы и приемника излуче-
ния.
Рассмотрим, как можно рассчитать некоторые параметры и
характеристики источника излучения (а в более общем случае —
всей передающей оптической системы, в состав которой входит
источник) при работе ОЭП активным методом.
Пусть в передающей системе с коэффициентом пропускания
тО1(Х), площадь выходного зрачка которой равна А,, использу-
ется источник с яркостью L(X) и эта система находится на до-
статочно большом расстоянии Z, от облучаемого (подсвечиваемо-
го) ею объекта. Тогда полезный сигнал Фс, определяемый как
доля потока, отраженного от объекта, которая достигнет входно-
го зрачка приемной системы площадью Авх, будет описываться
следующим выражением [38]:
^-2
ф. = АА АЛ„ J	(х)т* (>.)р(А) d</(z=zj),	(6 9)
м
где ka — коэффициент, учитывающий характер отражения от
поверхности подсвечиваемого объекта и закон изменения ярко-
сти этого объекта по углу а (например, для диффузного ламбер-
това отражателя ka = 1/л); А2 — видимая из входного зрачка
приемной системы площадь отражающей поверхности подсвечи-
ваемого объекта; ... Х2 — спектральный диапазон работы при-
емной оптико-электронной системы; Tq(X) и. TC2(Xj — спект-
ральное пропускание среды на пути Z, от передающей системы к
объекту и на пути Z2 от объекта к приемной системе; р(Х) — спек-
тральный коэффициент отражения поверхности объекта.
Подставляя (6.9) в рабочее уравнение ОЭП, например вида
(6.5), можно провести сопоставление эффективности использо-
вания в ОЭП источников с различным спектральным составом
L(X) и выбрать наиболее приемлемый из них. Во многих практи-
ческих случаях, когда в диапазоне X, ... Х2 функции, входящие в
подынтегральное выражение (6.9), правомерно заменить на по-
стоянные значения L, tC1 , ТС2 и р, заметно упрощается на-
хождение рациональных сочетаний между L, At и другими кон-
структивными параметрами всей системы.
151
150
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 6 Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
При расчетах подобного рода важно помнить, что определе-
ние энергетических и спектральных параметров и характерис-
тик отнюдь не исчерпывает всей задачи по выбору источника
излучения, а дает лишь исходные предпосылки для оценки име-
ющихся в распоряжении разработчика источников на основе
анализа большой совокупности их конструктивных и технико-
экономических параметров и характеристик (см. п. 7.1).
Как следует из выражений (6.5), (6.6), основными парамет-
рами и характеристиками приемника излучения, определяемы-
ми из энергетического расчета ОЭП и используемыми при выбо-
ре приемника или для сопоставления различных приемников,
являются спектральные характеристики вольтовой чувствитель-
ности sv или обнаружительной способности D*, спектральный
диапазон работы \ ... площадь чувствительного слоя прием-
ника А, значения коэффициента kf и эквивалентная полоса шу-
мов дд.
6.1 5. Выбор и расчет основных параметров
сканирующей системы
Методика расчета и выбора отдельных параметров ска-
нирующих систем зависит от особенностей конкретных ОЭП и
условий их работы. В то же время анализ многочисленной ли-
тературы, посвященной сканирующим системам, показывает, что
достаточной общностью обладает следующий порядок их пред-
варительного расчета:
-	выбирают вид и траекторию сканирования (см., например
[20, 38]); при этом часто необходимо учитывать возможные ис-
кажения этой траектории;
—	из энергетического расчета и конструктивных соображе-
ний находят основные габаритные размеры объектива (D, D/f');
—	по заданным значениям углового разрешения с учетом
требований к помехозащищенности выбирают или рассчитыва-
ют мгновенное угловое поле ЛИ;
-	для заданных значений поля обзора (размера кадра) и ско-
рости сканирования определяют необходимую ширину полосы
пропускания частот для электронного тракта ОЭП;
-	рассчитывают КПД сканирования Г]с, выбирают тип или
конструкцию сканирующего узла, проводят расчет и оценку воз-
можных расфокусировок и других причин ухудшения качества
изображения, динамических свойств сканирующей системы и
других технико-экономических ее характеристик (более подроб-
но этот этап расчета сканирующей системы рассмотрен в п. 7.7);
—	проводят поверочный энергетический расчет.
152
Рис. 6.2. Схема строчно-пря-
молинейного сканирования
поля обзора
В качестве примера
рассмотрим часто встреча-
ющийся случай строчно-
прямолинейного сканиро-
вания поля обзора разме-
ром В со скоростью vc в на-
правлении сканирования, когда просмотр поля в направлении,
перпендикулярном к строкам, осуществляется путем перемеще-
ния мгновенного углового поля сканирующей системы со скоро-
стью и (рис. 6.2.) Такой системой может быть, например, систе-
ма со сканированием плоским зеркалом, помещенным в карда-
нов подвес, причем скорость прокачки зеркала в одном направ-
лении vc гораздо больше скорости прокачки зеркала v в другом,
ортогональном направлении, или система, установленная на ле-
тательном аппарате, перемещающимся с относительной скорос-
тью и. Строчное сканирование может осуществляться либо опти-
ко-механической, либо фотоэлектронной системой [12, 20].
В качестве основного энергетического уравнения выберем ус-
ловие
Ео6-Еф >рЛЕп,	(6.10)
где Ео6 и Еф — эффективные облученности входного зрачка ОЭП,
создаваемые наблюдаемым объектом и фоном, на котором он на-
ходится; ц — требуемое для работы ОЭП отношение сигнал/шум;
ДЕП — пороговая чувствительность ОЭП, приведенная ко входу,
которую можно представить в следующем виде [38]:
А^п = лМЧ/(ПоэпАх£’*)-	(6.11)
Здесь А — площадь чувствительного слоя приемника; Д/э —
эквивалентная полоса шумов; Г]оэп — КПД системы первичной
обработки информации, учитывающий потери мощности сигна-
ла в этой системе ОЭП; Авх — площадь входного зрачка; D* —
обнаружительная способность приемника излучения, пересчи-
танная к конкретным условиям работы ОЭП.
Очевидно, что для просмотра поля обзора без пропусков и
перекрытия отдельных строк время для сканирования одной
строки должно удовлетворять равенству
Tc = a/v,
где а — ширина строки, которую можно выбирать исходя из
153
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
заданного пространственного разрешения по направлению пере-
мещения ОЭП.
Соответственно частота сканирования
/с = 1/Тс = и/а.	(6.12)
Время наблюдения приемником (или одним элементом его
чувствительного слоя) одного элемента разложения размером b
вдоль направления сканирования составляет
тэ = пЛ/п1 = пс/(/л)=ПСЬ/(4В)’	(б-13)
где Hj = В/Ь — число элементов разложения в одной строке.
Ширина полосы пропускания частот электронного тракта ОЭП
А/ связана с тэ соотношением
А/ = ЙД/Лэ.
где k&f — коэффициент, зависящий от формы импульсов, обра-
зующихся на входе приемника, и требований к точности их вос-
произведения; обычно k&f= 0,5 ... 4,0.
Подставляя в (6.10) значение ДЕП из (6.11) и принимая
Д/э = Д/, с учетом (6.12) и (6.13) легко получить «развернутую»
форму основного энергетического уравнения в следующем виде:
воб ~ЕФ> ^AvBk*f I(поэпАхВ*лЯЬа).	(6.14)
Значения _Еоб и _Еф могут быть найдены с помощью формул
вида (6.2)-(6.4), поскольку Е = Фс/Авх. При необходимости не-
трудно представить _Еоб, Еф, а также D* в виде функций длины
волны излучения X, т.е. перейти к спектральному представле-
нию оптических сигналов.
Выражения вида (6.14) позволяют рассчитать ряд парамет-
ров сканирующей системы и в первую очередь значение требуе-
мого КПД сканирования г]с. Это дает возможность разработчику
оценить целесообразность применения того или иного типа скани-
рующей системы или той или иной ее конструкции, для кото-
рых известны достижимые на момент разработки значения т]с.
Очевидно, что анализ таких выражений позволяет определить
рациональные для конкретных условий соотношения между
параметрами оптической системы, приемника излучения и
сканирующей системы.
Часто для уменьшения полосы частот Д/, т.е. для улучше-
ния энергетического порога чувствительности ОЭП, в таких си-
стемах используется не одноэлементный, а многоэлементный
154
приемник, состоящий из N элементов размером а, расположен-
ных вдоль направления скорости и (линейка приемников). В этом
случае частота fc может быть уменьшена в N раз, а следователь-
но, во столько же раз уменьшится и Д/.
6.1.6. Энергетический расчет тепловизионной системы
При проектировании тепловизионных систем следует учи-
тывать, что они одновременно должны обладать хорошим темпе-
ратурным и достаточно высоким пространственным разрешени-
ем.
В простейших системах обнаружения на сравнительно низ-
ких пространственных частотах температурное разрешение мо-
жет быть оценено с помощью эквивалентной шуму разности
температур ДТП — разности температур двух излучателей, на-
пример, наблюдаемого объекта и окружающего его фона, при
которой разность сигналов, создаваемых этими излучателями,
равна уровню шума. Иногда ДТП определяется как изменение
температуры наблюдаемого объекта, вызывающее изменение
выходного сигнала, равное шуму.
Если изображение объекта с температурой Т перекрывает всю
полевую диафрагму оптической системы и преобладают шумы
приемника излучения, имеющего площадь чувствительного слоя
А, то [18,38]
(,1В)
q(D/f ) ec2kMkf Л,
Здесь А — площадь чувствительного слоя приемника излуче-
ния; Д/ — полоса пропускания шумов системы первичной обра-
ботки информации; q — площадь полевой диафрагмы; D/f —
относительное отверстие объектива; е — излучательная способ-
ность наблюдаемого объекта, принимаемая для спектрального
диапазона работы системы Xj ... Х2 постоянной; с2 — постоянная
закона Планка, с2 = 1,43879-10 2 м-К; М(Х, Т) — функция План-
ка для температуры Г; тс(Х) и то(Х) — спектральное пропускание
среды (на пути от объекта до входного зрачка) и оптической
системы соответственно; —обнаружительная способность
приемника.
Учитывая, что на разрешающую способность всего теплови-
зионного ОЭП влияет не только система первичной обработки
информации, но и следующие за ней электронный тракт и систе-
ма отображения (визуализации), качество таких ОЭП часто оце-
155
Проектирование оптико-электронных приборов
нивают минимальной разрешаемой разностью температур ДГрмр
[18,38]. Существует ряд формул для описания зависимости ДТ1,,^
от пространственной частоты fx по направлению сканирования
х, например:
дтраэр(4)=з-
^ОЭп(/х)
ДРу/хРш.п.^
^К^гл >
(6.16)
где ДРУ — угловой размер элемента приемника излучения по
вертикали, т.е. в направлении по оси у, перпендикулярном тра-
ектории сканирования; G03n(fx) — частотная характеристика всей
системы «ОЭП-наблюдатель»; FK — частота кадров; tr„ — время,
которое человек-наблюдатель затрачивает на восприятие и ос-
мысление визуального сигнала; рш п — так называемый коэффи-
циент ширины полосы, определяемый как
]фД4)|^э(/х)-Ксо(/х)-7CrjI(/x)-Sinc(/x/24'o)|2d/x
ФШ(Д.) — спектральная плотность мощности шума на выходе
приемника излучения; Ks(fx), и Ктл(/Х) — передаточные
функции (частотные характеристики) электронного тракта, сис-
темы отображения, например дисплея, и глаза наблюдателя,
соответственно; sinc(/x/2£o) = sin(n/x/2£oy(nf/2£o) — частотная
характеристика, учитывающая узкополосную пространственную
фильтрацию периодической структуры (миры), состоящей из
прямоугольных полос с основной частотой fTO [мрад-1], осуществ-
ляемую в зрительном аппарате наблюдателя; f'o = fm • Vx — час-
тота [Гц], соответствующая основной пространственной частоте
миры /то [мрад1]; Vx — частота сканирования по оси х [мрад/с];
Д/э — эквивалентная шумовая полоса всей системы в Гц.
Определение Д71разр обычно ведут по стандартной трех- или
четырехполосной мире с прямоугольным законом изменения
яркости полос и отношением их высоты к ширине 7:1. Разность
температур или яркостей штрихов миры должна обеспечивать
необходимое для разрешения пороговое отношение сигнал/шум
(обычно 2,0 ... 2,5).
Для обеспечения 50% -ной вероятности распознавания штри-
хов такой миры требуемое отношение сигнал/шум иногда при-
нимают равным 2,25. При этом и при tr„= 0,5 с, FK = 30 кадров/с
^оэп
156
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Рис. 6.3. Зависимость вероятности
обнаружения (а) или распознава-
ния (б) от нормализованной про-
странственной частоты
Рис. 6.4. К определению дальности
обнаружения
где ad — мгновенное угловое поле объектива по оси х (угловой раз-
мер чувствительной площадки приемника излучения).
Как правило, тепловизионная система должна решать зада-
чу как обнаружения излучающего объекта, так и его распозна-
вания. Типичный график зависимости вероятности выполнения
этих задач от значений нормализованной пространственной час-
тоты /р = s-fjl,# приведен на рис. 6.3 [40]. Здесь s определяет раз-
мер объекта или его элемента, который необходимо разрешить,
fx — предельное значение пространственной частоты, при кото-
рой обеспечивается ДТразр, Zo6 — дальность обнаружения или рас-
познавания объекта.
Определение дальности Zo6 может явиться первым этапом
энергетического расчета тепловизионной системы. Для этого
можно построить на одном графике (рис. 6.4) зависимость ДТразр
в виде функции Zo6, а также зависимость изменения сигнала ДТВХ
— абсолютного температурного контраста на входе ОЭП от даль-
ности 1^ трассы в среде с коэффициентом ослабления а, т.е.
функцию вида: АТВХ = ДТоб ехр (- al), где ДТо6 — перепад темпе-
ратур между объектом и фоном или перепад температур между
различаемыми элементами объекта (абсолютный температурный
контраст). Пересечение графиков этих зависимостей дает точку,
определяющую Zo6.
Основная трудность расчета на этом этапе связана с опреде-
лением частотной характеристики боэп (/*) всего комплекса, вхо-
дящей в выражение для АТрюр(/х). Часто пользуются линейным
приближением, получая G03n (fx) как произведение частотных
характеристик (передаточных функций) оптической системы,
157
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
приемника излучения, электронного тракта, человека-наблюда-
теля и среды (атмосферы) [38].
Следующим этапом расчета может быть определение основ-
ных габаритных параметров объектива тепловизионного ОЭП.
Входящее в (6.15), а следовательно и в (6.16), значение относи-
тельного отверстия объектива D/f может быть определено из этих
формул для значения пространственной частоты fx, соответству-
ющей Zo6 (см. рис. 6.4).
Для обеспечения требуемого качества изображения можно
сравнить полученное из энергетического расчета значение Л//'
со значением относительного отверстия, рассчитанным по следу-
ющей упрощенной методике.
Минимальный угловой размер APmin, который должен разре-
шать объектив, определяется размером з объекта или его эле-
мента и дальностью Zo6, т.е.
Д₽т1п<а//Об.	(6.17)
Определяя предел углового разрешения объектива как
ДРр= 2,44k-ka6/D,	(6.18)
где X — граничная (наибольшая) длина волны в рабочем спект-
ральном диапазоне, ks6 — коэффициент, учитывающий наличие
аберраций в системе (йа6 > 1), и решая совместно последние два
уравнения при условии ДРт1П > ДРр, получим
n 2,44k - fea6 -/об
(6.19)
О
Если задаться размером элемента чувствительного слоя при-
емника <2ПИ в качестве элемента разрешения, т.е. считать, что
ДВ . = d If,
где f — фокусное расстояние объектива, то вместо последней
формулы (6.19) с учетом (6.17) можно записать
n>2,44X-fea6-f
d
ПИ
Отсюда с учетом принимаемого обычно ограничения Л/f < 1
получим
2,44k-fea6
d
ПИ
6.1.7. Энергетический расчет автоколлиматора
Рассмотрим пример энергетического расчета автоколли-
матора, предназначенного для измерения угловых разворотов
Рис. 6.5. Схема фотоэлектрического автоколлимационного угломера:
1 — источник излучения; 2 — конденсор; 3 — марка-щель; 4 — светоделитель-
ный кубик; 5 — объектив; 6 — отражатель; 7 — призма-анализатор; 8 — зерка-
ло; 9 — конденсор; 10 — модулирующий диск; 11 — фотоприемник
отражателя в одной плоскости (рис. 6.5) и работающего в лабо-
раторных или цеховых условиях. Предположим, что необходи-
мо определить требуемую яркость источника излучения для это-
го прибора, если выбранный приемник излучения имеет порог
чувствительности Фп.
Поток излучения, выходящий из объектива автоколлимато-
ра, может быть найден по формуле
Ф = uxALsin2 и',
где т — коэффициент пропускания проекционного канала авто-
коллиматора, А — площадь марки-щели, L — яркость излуче-
ния в плоскости марки, о' — апертурный угол объектива в про-
странстве изображений.
Яркость излучения в плоскости марки-щели определяется
выражением
— •^'изл ’ Ч; ’
где Ьизл — яркость источника излучения, тк — коэффициент про-
пускания конденсора 2.
Таким образом.
Ф = лттк А£изл sin2 и'.
Поток излучения, выходящий из объектива, попадает на
отражатель 6 и возвращается затем к объективу 5, который фор-
мирует в фокальной плоскости приемного канала автоколлима-
ционное изображение марки-щели. Так как из-за конечных
размеров щели пучок лучей на выходе объектива обладает рас-
ходимостью, а размеры отражателя, как правило, меньше раз-
158
159
Проектирование оптико-электронных приборов
меров сечения пучка, в системе имеются дополнительные поте-
ри энергии.
Помимо этого часть энергии может теряться из-за виньети-
рования отраженного пучка на входном зрачке объектива авто-
коллиматора при повороте отражателя. Очевидно также, что
часть энергии будет потеряна при прохождении оптических ком-
понентов приемного канала автоколлиматора.
Потери энергии за счет влияния среды сказываются обычно
лишь при работе автоколлиматоров на большие расстояния, в
полевых условиях, и в нашем случае ими можно пренебречь.
С учетом сказанного поток излучения, приходящий в плос-
кость изображения, будет определяться выражением
Ф' = ятткт\твАД,зл8П12и',	(6.20)
где т* — коэффициент пропускания приемного канала автокол-
лиматора; тр — коэффициент, учитывающий потери за счет рас-
ходимости пучка лучей; т„ — коэффициент, учитывающий поте-
ри из-за виньетирования пучка на входном зрачке объектива.
Величину тр при условии равномерного распределения пото-
ка в пределах угла расходимости пучка лучей на выходе объек-
тива 5 можно найти по формуле
Т =^,
р XY
где х и у — размеры отражающей поверхности в плоскости,
перпендикулярной оптической оси автоколлиматора; X и У —
размеры сечения пучка лучей в той же плоскости (рис. 6.6).
Рис. 6.6. Схема формирования расходящихся пучков в проекционном
канале автоколлиматора
160
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Если пренебречь влиянием аберраций объектива, что вполне
допустимо, так как в автоколлиматорах обычно используются
высококачественные объективы, значения X и У можно найти
из геометрических соотношений в соответствии с рис. 6.6, где
направление хода лучей от объектива к отражателю в отличие
от рис. 6.5 принято слева направо, а отражатель условно пока-
зан в виде зеркала с размерами х и у:
где d и с — размеры марки-щели 3 (см. рис. 6.5), установленной
в проекционном канале автоколлиматора; /о'б — фокусное рас-
стояние объектива автоколлиматора; I — удаление отражателя
от объектива; D — световой диаметр объектива.
Коэффициент тв определяется для максимального угла раз-
ворота отражателя в том случае, если часть отраженного пучка
находится за пределами светового диаметра объектива. В соот-
ветствии с рис. 6.7 величина может быть с достаточной для прак-
тики точностью оценена по формуле
_ b _ У?2 -2al/p'+D/2
Тв ~ У' “	”” У'
где b — перекрытие отраженного светового пучка и светового
диаметра объектива; Y' = y+cl/f'b — размер сечения отражен-
Рис. 6.7. Схема формирования отраженных пучков в плоскости входно-
го зрачка автоколлиматора
161
Проектирование оптико-электронных приборов
ного пучка в плоскости разворота отражателя в месте располо-
жения объектива автоколлиматора; а — угол разворота отража-
теля, р' = 3438'.
Если отраженные пучки не выходят за пределы входного
зрачка объектива, то т„= 1.
Коэффициент пропускания оптических компонентов прибо-
ра, работающего в видимом диапазоне оптического спектра, при-
ближенно может быть определен по формуле
то = тт*тк = 0,96Nk • 0,94"ф • 0,99N"  0,99d  0,9^  0,85Л'А  0,5N°,
где NK — число непросветленных поверхностей «воздух-крон»;
N,j, — число непросветленных поверхностей «воздух-флинт»;
Nn — число просветленных поверхностей; d — суммарная длина
хода осевого луча в стекле оптических деталей в см; Nc — число
посеребренных отражающих поверхностей; NA — число алюми-
нированных отражающих поверхностей; NR — число светодели-
тельных поверхностей с коэффициентом пропускания каждой 0,5.
Вычисление коэффициента пропускания то удобно проводить,
пользуясь типовой таблицей (см. например табл. 6.1) по формуле
п
i=l
Таблица 6.1
Вычисление коэффициента пропускания оптических
компонентов ОЭП
№№ позиции деталей на опти- ческой схеме	Наиме- нование детали	Марка стекла	Число поверх- ностей ( в том числе просвет- ленных)	Длина хода луча в стек- ле, см	Коэффи- циент пропус- кания стекла, Тп	Коэф- фициент пропус- кания за счет отраже- ний на границах ♦стекло- воздух», т р
1	Линза	К-8	2	1,2	0,99	0,96x0,96
2	Линза	Ф-1	2(2)	0,9	0,99	0,99x0,99
3	Призма	БК-10	2(2)	5,2	0,99	0,99x0,99x0,96
....												
....												
—•												
162
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
В фокальной плоскости приемного канала автоколлиматора
установлен анализатор изображения (см. п. 7.3.4), при помощи
которого может быть определено смещение автоколлимационно-
го изображения с оптической оси и, таким образом, угловой
разворот отражателя. Анализатор изображения может быть оха-
рактеризован относительной чувствительностью (погрешностью),
которая определяется выражением
^а«Да/ал,
где Да — погрешность измерения углового рассогласования;
ал — линейный диапазон статической характеристики преобра-
зования анализатора.
Если анализатор изображения выбран, т.е. известно значе-
ние Ке, а также требуемое отношение сигнал/шум ц, значение
потока излучения в плоскости анализа Фа может быть определе-
но по формуле [38]
Фа = Фп Н Кл .
Так как Фа = Ф', то следовательно с учетом (6.20)
\ А-кзл sin2 o' = Фп [1/Ка.
Отсюда следует
г	Ф ц
Т — _________ П г*______
“изл	л . 2 / *
лт0 тв К& Asm о
6.2.	Особенности габаритного расчета приемных
оптических систем оптико-электронных
приборов
В п. 6.1 были рассмотрены достаточно общие методики
энергетических расчетов. Одной из основных целей расчетов
такого рода является получение исходных данных для проведе-
ния габаритных расчетов оптической системы прибора. Посколь-
ку в своих основных положениях методики габаритных (как и
аберрационных) расчетов остаются общими для оптических и
оптико-электронных приборов самого различного назначения и
подробно изучаются в соответствующих учебных курсах, здесь
рассмотрим лишь некоторые особенности расчета приемных опти-
ческих систем ОЭП.
Как было показано в п. 6.1.3, площадь входного зрачка Авх
или его диаметр D могут быть найдены из энергетического рас-
чета. Составив рабочее (основное энергетическое) уравнение ОЭП
163
Проектирование оптико-электронных приборов
и представив входящие в него величины в виде функций конст-
руктивных параметров, в том числе Авх или D, из решения этого
уравнения можно найти их значения. Например, при работе ОЭП
по точечному излучателю без учета фона и помех минимальное
значение диаметра входного зрачка можно получить с помощью
формулы
^min - ЦфФп ОЭП
где I — дальность до излучающего объекта; — требуемое отно-
шение сигнал/шум на входе прибора; Фп оэп — порог чувстви-
тельности прибора; тс(Х) — спектральное пропускание среды;
/(X) — спектральная плотность силы излучения объекта. В слу-
чае, если рабочее уравнение решается относительно другого па-
раметра системы, диаметр D может быть выбран, например, из
конструктивных соображений. В процессе энергетического рас-
чета значение D может корректироваться.
При определении минимального значения фокусного рассто-
яния объектива приемной системы часто исходят из того, что
погрешность определения малого линейного перемещения Дх в
плоскости изображения соответствует допустимой погрешности
измерения (слежения, наведения) в угловой мере Да, т.е. Да>
>Axp/fo6min, откуда fo6min= Дхр/Да. Значения Да и Дх опре-
деляются возможностями выбранного типа анализатора (см.
п. 7.3).
С учетом того, что Дх для анализаторов различных типов
имеет значение от десятых долей до единиц микрометра, объек-
тивы таких систем, как правило, должны быть длиннофокусны-
ми. Например, при Дх = 1 мкм и Да = 0,5" в соответствии с фор-
мулой ГОбпйп= Дхр/Да имеем /'овп]Ш= 400 мм. Вместе с тем, как
показано в п. 7.3, любой анализатор характеризуется относитель-
ной погрешностью измерения 3 = Да/а, причем для многих
анализаторов 8 изменяется в пределах 1/200 ... 1/2000. Приняв
К- = 1/3, получим, что диапазон измеряемых рассогласований
а = ХдДа, где Кд= 200 ... 2000. Если Кл= 1000, то для нашего
случая а< 500" ~ 8,4'.
Диапазон измеряемых рассогласований может быть увели-
чен за счет использования компенсаторов (см. п. 7.5). Для наи-
более точных компенсаторов Кд< 5000 [6].
Угловое поле приемной системы ОЭП может быть задано ТЗ
на прибор. Оно также может быть рассчитано на основании ана-
лиза энергетических соотношений между полезным сигналом и
помехами [38]. Невозможность обеспечить требуемые энергетиче-
164
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
ские соотношения в заданном угловом поле 2саовз (поле обзора)
приводит к необходимости его сканирования меньшим полем
(мгновенным полем оптической системы 2гом).
Из изложенного видно, что угловое поле высокоточного ОЭП,
как правило, невелико.
В некоторых случаях угловое поле будет определяться разме-
рами чувствительной площадки приемника излучения, если по-
следний устанавливается в плоскости изображения или вблизи
нее (рис. 6.8, а). При этом размеры углового поля по различным
направлениям могут быть неодинаковыми (например, по верти-
кали и горизонтали). Это может потребовать уточнения фокус-
ного расстояния, если угловое поле задано, либо уточнения уг-
лового поля, если фокусное расстояние изменять нельзя, с помо-
щью формулы 2Z4n = 2/0'6tgto , где 2Z4n — размер чувствительной
площадки.
а — в плоскости анализа; б — в выходном зрачке;
I — объектив; 2 — зона расположения дополнительных оптических элементов;
3 — полевая диафрагма; 4 — приемник излучения; 5 — конденсор
165
Проектирование оптико-электронных приборов
Определив f'6, D и 2со, необходимо выбрать тип объектива,
который целесообразно использовать в данном случае, и уточ-
нить реальные значения этих параметров с учетом получаемого
диафрагменного числа объектива f^/D.
Здесь следует иметь в виду, что необходимость обеспечения
большого относительного отверстия объектива приводит к труд-
ностям исправления аберраций и, как следствие, к усложнению
конструктивной схемы объектива. То же самое можно сказать и
об увеличении углового поля.
Усложнение конструкции объектива связано с увеличением
числа компонентов и ухудшением его пропускания. Поэтому
иногда имеет смысл несколько увеличить фокусное расстояние
объектива или за счет корректировки параметров, входящих в
рабочее уравнение ОЭП, несколько уменьшить диаметр входного
зрачка. Увеличение фокусного расстояния не должно уве-
личивать общие габаритные размеры ОЭП. Это послужило одной
из причин достаточно широкого использования в ОЭП зеркаль-
ных и зеркально-линзовых объективов или телеобъективов.
После уточнения D и 2со обычно проводят расчет габарит-
ных параметров других элементов оптической системы, прежде
всего — размеров полевой диафрагмы. Если полевая диафрагма
круглая, то ее диаметр находят по формуле _ОП = 24б tgco ==
= 24'6®/р
Для схемы, представленной на рис. 6.8, б, проводится рас-
чет параметров конденсора [38]. Как уже указывалось выше, диа-
метр D' выходного зрачка оптической системы должен соот-
ветствовать диаметру чувствительной площадки приемника £>п и.
Поэтому увеличение конденсора в соответствии с рис. 6.8, б мож-
но найти по формуле
Рк = -D'lD = -a'KlaK.
Из простых геометрических соотношений (см. рис. 6.8, б) и
с учетом формулы Гаусса 1/а' -1/ак = 1//к' получим:
ак = ак/к7(ак +/к)>
XV	Xv* Xv / \ XV * XV X
где ак = —(^б + Д);	— фокусное расстояние конденсора.
Следовательно, Р к = - f'/(/о'б - /к' + А) .
Расстояние между плоскостью изображения и конденсором
обычно выбирают из конструктивных соображений. При этом
необходимо соблюдать условие f'<&, так как при f' > А пучок
на выходе конденсора расширяется, что противоречит самому
смыслу применения конденсора.
166
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Фокусное расстояние конденсора	+ Л)Д.О + Dz).
Диаметр конденсора
DK = 2^+	= 2(fo'6 + A)tgco+ д£.
к	Z/o6 7	/об
Для телецентрического хода лучей Д = f' и
D' = DfUf^, а'к = %(& + %); fJ = %,DnM/D.
Угол охвата конденсора в пространстве изображения
D	Г D ( f' }
2o'=2arctg—- = 2arctg —1---------*— .
к ё2<	|_2£'1 /об + ДЛ
Определив Рк и 2и' , можно выбрать схему конденсора, на-
пример, в соответствии с табл. 7.3 (см. гл.7, п. 7.2.2) и провести
расчет конструктивных параметров его компонентов по любой
из общепринятых методик [10, 24].
При расчете угла охвата конденсора следует учитывать угло-
вую характеристику чувствительности приемника излучения, т.е.
зависимость чувствительности от угла падения лучей на площад-
ку приемника. У многих приемников излучения чувствитель-
ность заметно падает при увеличении этого угла, в связи с чем
может возникнуть необходимость вместо конденсоров или совме-
стно с ними использовать иммерсионные приемники излучения
или волоконно-оптические элементы [38].
Расчет габаритных параметров других элементов, которые
могут входить в состав приемной оптической системы (призм,
зеркал, оптических элементов компенсаторов, светофильтров и
др.), выполняется на основе построения световых трубок и рас-
чета геометрических размеров этих элементов при условии от-
сутствия виньетирования. При этом для движущихся элементов
расчет световых размеров проводится при тех положениях, в
которых их габаритные размеры являются наибольшими.
Если в приемной оптической системе применяется модуля-
тор, то выбор места его установки определяется прежде всего
типом модулятора. Наиболее широко используемые механичес-
кие модуляторы следует помещать в наиболее узких сечениях
световых трубок. Часто модуляторы устанавливают непосред-
ственно в плоскости изображения, т.е. они служат одновременно
и анализаторами (см. п. 7.3). Однако в некоторых случаях требу-
ется специальное перераспределение пучков излучения для ус-
тановки модулятора, например в схеме с амплитудным анализа-
тором изображения и поочередным пропусканием излучения на
приемник излучения (см. рис. 7.56).
167
Проектирование оптико-электронных приборов
Для повышения помехозащищенности в ОЭП могут при-
меняться бленды, обеспечивающие уменьшение или устранение
влияния рассеянного излучения, возникающего при наличии ис-
точников боковых помех, находящихся за пределами углового
поля прибора. Принципы их расчета и конструирования изло-
жены в [39, 40].
6.3.	Расчет и выбор динамических параметров
оптико-электронных приборов
6.3.1.	Сравнительная оценка и выбор вида модуляции
оптического сигнала
К числу важнейших динамических параметров ОЭП отно-
сятся:
-	частота выдачи информации о наблюдаемом или контро-
лируемом поле объектов или отдельном объекте, в качестве ко-
торой может выступать частота сигналов управления fy в опти-
ко-электронных следящих системах или частота сканирования
fc просматриваемого поля — величина, обратная периоду скани-
рования, Тс = 1/Д.;
-	частота модуляции полезного сигнала;
—	полоса пропускания электронного тракта.
Динамические параметры могут быть определены или выб-
раны с учетом требований ТЗ, условий работы ОЭП и ряда дру-
гих факторов. Часто их можно рассчитать или определить по
известным частотным, импульсным и переходным характерис-
тикам всего ОЭП или отдельных его звеньев, а также по извест-
ным спектрам полезного сигнала, шумов и помех. Методам та-
ких расчетов и определений посвящены отдельные учебные кур-
сы. Во многом эти параметры ОЭП зависят от выбранного вида
обработки сигнала, в первую очередь, от вида его модуляции.
Поэтому, прежде чем описывать методы расчета и выбора дина-
мических параметров, целесообразно кратко напомнить некото-
рые соображения по выбору вида модуляции, который часто
является достаточно ответственным этапом проектирования ОЭП.
Модуляция сигнала в ОЭП позволяет выделить его из смеси
сигнала с шумами и помехами. В ряде ОЭП модуляция предназ-
начена для кодирования полезной информации об измеряемых
или отслеживаемых параметрах наблюдаемого объекта.
Выбор вида модуляции определяется прежде всего ее назна-
чением. Если, например, необходимо лишь обнаружить источ-
168
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
ник полезного сигнала на фоне помех, то при активном методе
работы ОЭП часто можно использовать однократную амплитуд-
ную модуляцию полезного сигнала с частотой, заметно отличаю-
щейся от частот гармоник сигнала помех. Однако при такой
модуляции амплитуда сигнала зависит от изменений яркости
источника, пропускания среды, чувствительности приемника и
других «амплитудных» параметров системы. Для компенсации
этих изменений нужно усложнять систему, например, вводя в ее
состав цепь автоматической регулировки яркости излучателя или
автоматическую регулировку усиления (АРУ) в приемном трак-
те. Но если по изменению амплитуды сигнала требуется опреде-
лить параметры источника, например, его координаты, ввод АРУ
или других подобных средств для системы с однократной ампли-
тудной модуляцией недопустим.
Поэтому в таких случаях часто приходится применять
двухкратную амплитудную или частотную модуляцию, где мо-
дуляция на несущей частоте fH служит для фильтрации полезно-
го сигнала от шумов и помех, а модуляция на частоте управле-
ния fy (на огибающей частоте, на частоте сканирования) исполь-
зуется для определения параметров (например, координат) ис-
точника сигнала. При этом по сравнению с однократной ампли-
тудной модуляцией увеличивается ширина спектра сигнала.
Используя не весь спектр полезного сигнала, а лишь часть его,
мы, естественно, теряем энергию сигнала. Эти потери зависят от
вида модуляции и полосы пропускания системы. Решая рабочее
уравнение ОЭП относительно коэффициента /гм, учитывающего
эти потери (см. п. 6.1, а также [38]), можно ориентировочно ус-
тановить требуемое значение этого коэффициента, после чего выб-
рать соответствующий ему вид модуляции. Аналогично может
быть рассчитана полоса пропускания электронного тракта А/ =
АД или рациональное сочетание kM и АД Основная трудность здесь
состоит в неопределенности (незнании на первом этапе расчета)
ряда параметров и факторов, определяющих вид энергетическо-
го уравнения.
Наиболее сложной является задача выбора вида модуляции
в случае работы ОЭП пассивным методом. В узкопольных ОЭП,
где в качестве модулятора используется растр, который одновре-
менно служит и анализатором, при пассивном методе работы
часто используют узкополосную модуляцию — амплитудную
(AM) или амплитудно-импульсную (АИМ) с малой скважностью
импульсов. Это обусловлено во многом тем, что при небольших
размерах углового поля можно использовать растр с достаточно
однородной структурой по полю (например, шахматный), так как
при малом угловом поле качество изображения незначительно
169
Проектирование оптико-электронных приборов
изменяется в пределах этого поля и достаточно оптимальное со-
гласование размеров изображения излучателя и рисунка растра
достигается для всех зон поля (т.е. и растра).
В растрах, используемых при создании частотно-моду-
лированных сигналов, труднее обеспечить условие оптимальной
пространственной фильтрации, т.е. хотя бы в первом приближе-
нии достичь равенства размера изображения источника и ячей-
ки растра по всему полю.
Если по условиям работы ОЭП приходится сканировать
широкое поле обзора для обнаружения малоразмерного излуча-
теля или слежения за ним, то по условиям оптимальной фильт-
рации полезного сигнала обычно применяют анализаторы, со-
здающие импульсы большой скважности. При такой времяим-
пульсной (ВИМ) или частотной модуляции (ЧМ) сигнал имеет
гораздо более широкий спектр, чем в узкопольных системах. Тре-
бования к полосе пропускания ОЭП имеют определяющее значе-
ние, особенно при выборе времяимпульсной модуляции. Полосу
пропускания при ВИМ и ЧМ стремятся, с одной стороны, рас-
ширить с целью увеличить kM за счет пропускания большего числа
гармоник в спектре полезного сигнала, а с другой — сузить, что-
бы уменьшить мощность шумов. Увеличение полосы пропуска-
ния вследствие широкого спектра сигнала является главным
недостатком систем с ВИМ. В то же время важно отметить такие
их достоинства, как возможность использования пространствен-
ной фильтрации, снижение уровня фоновой засветки на прием-
нике излучения, возможность использования методов фильтра-
ции импульсных сигналов, принятых в электронике.
Следует учитывать, что в конструктивном и технологичес-
ком отношении растры, используемые в системах с ЧМ, слож-
нее, чем растры для систем с AM. В системах с ЧМ трудно совме-
стить функции модулятора и пространственного фильтра в од-
ном растре, что часто удается для систем с AM, АИМ и ВИМ.
При значительных входных сигналах в ОЭП с ЧМ и ВИМ
можно получить большее отношение сигнал/шум на выходе при-
бора, чем в системах с AM. Однако при малых сигналах и ис-
пользовании большого «разноса» несущей и управляющей час-
тот (высокая несущая fn и низкая управляющая /у) лучшую по-
роговую чувствительность можно получить при AM.
Для ОЭП, работающих активным методом, большинство из
приведенных выше положений действительно. В таких приборах
легче обеспечить требуемое отношение сигнал/шум, поэтому здесь
часто применяется AM как более простая с точки зрения ее осу-
ществления в большинстве конструкций ОЭП.
170
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
В высокоточных измерительных ОЭП находит применение
также фазовая (ФМ) и поляризационная модуляция (модуляция
по плоскости поляризации). При использовании модуляции этих
видов, особенно ФМ, удается исключить или заметно ослабить
влияние изменений амплитуды полезного сигнала на точность
измерения или слежения вследствие действия ряда трудно кон-
тролируемых факторов (изменения яркости источника и пропус-
кания среды, нестабильности параметров ОЭП и других «ампли-
тудных» факторов).
6.3.2.	Выбор рабочих частот модуляции
На выбор рабочих частот модуляции оказывают влияние
те же факторы, что и на выбор вида модуляции. Для принятого
способа анализа углового поля прибора или способа его сканиро-
вания важно установить требования к частоте, с которой произ-
водится этот анализ или сканирование. Обычно эти требования
содержатся в ТЗ на прибор или задаются динамикой всего изме-
рительного или следящего комплекса, в который входит ОЭП.
Информация о пространственном положении наблюдаемого
излучателя должна выдаваться ОЭП с частотой, отвечающей
требованиям этого комплекса. При заданных угловом поле и
скорости его просмотра (или угловой скорости перемещения
линии визирования) в большинстве практических случаев мож-
но определить необходимую частоту его просмотра, которая на-
ходится обычно в строгом соответствии с частотой управления
fy. В простейшем случае, когда растр анализатора имеет один
пространственный период (вращающийся полудиск, сканирую-
щая щель), эти частоты равны. Для повышения быстродействия
всего комплекса целесообразно увеличивать fy, при этом также
уменьшается влияние низкочастотных внутренних шумов и по-
мех, например, виброшумов.
Если в ОЭП используется модуляция на несущей частоте fn,
то для увеличения отношения fK/fy, о чем будет сказано ниже,
чрезмерное увеличение fy нецелесообразно. Нежелательно увели-
чение Д и по той причине, что ширина полосы пропускания по
несущей АД прямо пропорциональна Д. Наконец, увеличение Д
часто приводит к снижению устойчивости работы ОЭП в динами-
ческом режиме.
Применительно к сканирующим ОЭП значения частот ска-
нирования Д могут быть определены из энергетического расчета,
например, по формулам, приведенным в п. 6.1.4.
После выбора частоты управления разработчик может при-
ступить к выбору несущей частоты Д. Частота модуляции полез-
171
Проектирование оптико-электронных приборов
ного сигнала всегда должна быть больше ширины полосы пропу-
скания частот, которую он занимает. Иными словами, несущая
частота-/и должна превышать ширину спектра сигнала. Одним
из важнейших требований, которым должно удовлетворять выби-
раемое значение f„, является обеспечение необходимого для ка-
чественной работы ОЭП «разноса» частот fK и fy, т.е. отношения
т = fjfy. Для ОЭП значение т, а следовательно, и значение fK
при выбранной или заданной частоте управления (сканирования)
fy зависит от ряда факторов.
В приборах и следящих системах, где важно обеспечить ма-
лые фазовые погрешности (например, в фазовых измерительных
ОЭП или в ОЭП с амплитудно-фазовыми анализаторами типа вра-
щающегося полудиска), необходимое значение т определяют с
помощью их фазово-частотных характеристик. Это значение для
ОЭП с ВИМ обычно находят из условия надежного формирова-
ния или правильного воспроизведения сигнала рассогласования,
т.е. сигнала на частоте Д и, как правило, достаточно выбрать
т = 5 ... 6.
В тех случаях, когда модуляция по несущей используется
для переноса спектра полезного сигнала в область частот, где
составляющие спектров помех и шумов малы, для выбора fK не-
обходимо знать прежде всего эти спектры.
Как правило, спектры внешних фоновых помех при перехо-
де к их временному представлению, т.е. к спектрам Хинчина-
Винера на выходе приемника излучения (см. [20, 38]), имеют
явно выраженный низкочастотный характер. Внутренние шумы
также часто имеют низкочастотный спектр. Поэтому целесооб-
разно нижний предел значений fn или основных гармоник в спек-
тре модулированного полезного сигнала, например гармоники
Д - Д в спектре двухкратной АИМ при скважности импульсов
N = 2, выбирать большим, чем те значения частот в спектре шума
или те гармоники в спектре помехи, на которых мощность шу-
мов или помех сравнима с мощностью полезного сигнала.
Угловое поле прибора определяет размер всего растра моду-
лятора, и от размера этого поля во многом зависит выбор часто-
ты сканирования поля, т.е. частоты управления. Разрешающая
способность оптической системы определяет минимально возмож-
ный размер элемента растра, служащего для создания модуля-
ции на несущей частоте в ОЭП с AM.
Таким образом, соотношение между частотой управления Д
и несущей частотой Д в системах с AM зависит и от того, как
много элементов (периодов) растра размещается по всей его пло-
щади.
172
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
В ОЭП с ЧМ значение несущей fK иногда выбирается таким,
чтобы девиация этой частоты АД заметно превышала частоту уп-
равления и сканирования Д, т.е. АД » fy.
Максимальное значение частоты модуляции или верхней гра-
ницы рабочего участка спектра модулированного полезного сиг-
нала обычно ограничивается инерционностью приемника, а в си-
стемах с AM и АИМ также размерами элемента растра, т.е. разре-
шающей способностью оптической системы.
6.3.3.	Выбор и расчет полосы пропускания электронного
тракта
Определение полосы пропускания имеет очень большое
значение при разработке ОЭП. Эта величина зависит прежде всего
от спектров полезного сигнала, шумов и помех, а также от требо-
ваний, предъявляемых к динамике процессов обнаружения излу-
чателя, слежения за ним или измерения его параметров, кото-
рые осуществляются с помощью ОЭП.
Ширину полосы пропускания Af электронного тракта можно
предварительно рассчитать исходя из рабочего уравнения ОЭП
[см., например, формулы (6.5), (6.15)]. Сопоставляя полученное
в результате такого расчета значение полосы со спектром сигна-
ла, выбирают или проверяют правильность выбора вида модуля-
ции и рабочих частот. Иногда эту полосу находят в соответствии
с допустимым значением коэффициента потерь при модуляции kM.
Для многих практических применений, когда критерием ка-
чества работы ОЭП является средняя квадратическая погреш-
ность измерения или слежения, пользуются значением эквива-
лентной шумовой полосы пропускания АД, которое рассчитыва-
ют, пользуясь формулами для средней квадратической погреш-
ности G, обусловленной внутренними шумами ОЭП со спектраль-
ной плотностью <рш [38], например
° = [<Рш/(2^сД/э2)]^ ИЛИ О = 7ф^Д4/(^1-^з)»
где Qc — энергия сигнала, К1 и К3 — коэффициенты передачи
системы первичной обработки информации и цепи обратной свя-
зи соответственно.
Для ряда ОЭП, например с времяимпульсным методом ана-
лиза поля изображений, ширину спектра сигнала, а следователь-
но, и необходимую полосу пропускания электронного тракта
ориентировочно находят по отношению порога чувствительнос-
ти по углу Др к размеру анализируемого (сканируемого) поля р,
т.е. Af = f&p/p, где f — частота анализа (сканирования) поля
размером р.
173
Проектирование оптико-электронных приборов
Еще одним из возможных путей расчета ширины полосы про-
пускания частот является получение верхнего ее предела из ус-
ловия экстремума функции, определяющей критерий качества
ОЭП. Например, представляя отношение сигнал/шум р на вы-
ходе ОЭП через спектры сигнала и шумов и через частотные ха-
рактеристики отдельных звеньев ОЭП (см., например, [23, 38]),
можно продифференцировать полученное выражение по частоте
f и найти из решения уравнения dp/df = 0 значение частоты,
определяющей верхний предел f2 полосы пропускания частот.
Выбирая значение нижнего предела в соответствии с ука-
занными выше рекомендациями, методом последовательного
приближения можно найти оптимальное значение полосы
пропускания А/ = f2 - Д.
В ряде случаев при выборе полосы пропускания необходимо
учитывать нестабильность частот модуляции, вызываемую несо-
вершенством отдельных элементов прибора, например нестабиль-
ностью частоты вращения или скорости сканирования растра мо-
дулятора. Так, в системах с двухкратной амплитудной модуля-
цией, когда основная энергия сигнала переносится на частотах
fи и /„ ± Д, ширину полосы пропускания по несущей обычно вы-
бирают несколько большей, чем А/ = 2Д.
Ширина полосы пропускания по частоте управления или ска-
нирования часто указывается в ТЗ на прибор. Она обратно про-
порциональна постоянной времени ОЭП или времени просмотра
поля обзора сканирующей системой или анализатором изображе-
ний, т.е. периоду сканирования. Как уже отмечалось, эту шири-
ну полосы часто выбирают или рассчитывают из условий устойчи-
вости следящей системы в динамическом режиме.
В системах с импульсной модуляцией, где спектр сигнала,
гораздо шире спектра сигнала при амплитудной модуляции,
наиболее часто решаются две задачи: первая состоит в определе-
нии некоторого достаточно приближенного среднего положения
импульса, т.е. положения излучателя в угловом поле прибора,
вторая — в точном определении фронта импульса или его макси-
мума, соответствующего координате излучателя. Первый случай
свойственен оптико-электронным системам, предназначенным
прежде всего для обнаружения излучателя, второй — точным
измерительным системам.
Как уже отмечалось, произведение длительности импульса т
на ширину полосы частот Д/, занимаемой его спектром, —вели-
чина постоянная, т.е. т-Д/ = kAf = const. Для систем, где решается
первая из указанных выше задач, для импульсов, форма кото-
рых близка к прямоугольной, kLIчасто принимается равным - 0,5,
т.е. Д/ = 0,5/т. Для высокоточных систем, где важна форма им-
174
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
пульса, следует сохранить большое число гармоник его спектра, и
значение выбирают достаточно большим, например /гд,- = 4 и
Af ~ ±/т.
При использовании ЧМ ширина полосы пропускания Af про-
порциональна индексу модуляции р. Но значение Р, в свою оче-
редь, пропорционально размеру просматриваемого (анализируе-
мого) поля, т.е. ширина полосы пропускания увеличивается по
мере увеличения этого поля. Поэтому если в качестве исходного
параметра задана полоса Af, то приходится соответственно с этой
полосой ограничивать поле обзора, например угловое поле скани-
рующей системы.
На практике под шириной спектра при ЧМ подразумевают
полосу частот, ограниченную гармониками, амплитуды которых
не превышают 1 ... 10% максимальной амплитуды спектра.
Ширину спектра ЧМ при выбранной или заданной частоте ска-
нирования или управления fc « Af можно рассчитать по форму-
ле
2Д/ = 2₽/с,	(6.21)
где Р определяется порядком п функции Бесселя, описывающей
предельную боковую n-ю гармонику сигнала, модулированного
по частоте [38]. С помощью таблиц функций Бесселя можно рас-
считать порядок п, соответствующий выбранному допуску на ам-
плитуды используемых гармоник. Если амплитуды гармоник
превышают 10%-ный уровень максимальной амплитуды спект-
ра, то
п = 1,073 + 2,	(6.22)
при 1 %-ном допуске
п = 1,1253 + 3.	(6.23)
Порядок пм, соответствующий максимальной гармонике,
определяется по формуле, предложенной А.М. Заездным: пм =
= 0,943 - 1. Подставляя в (6.21) значения 3 из формул (6.22) или
(6.23), можно получить необходимую ширину полосы пропуска-
ния. Например, для (6.22)
2Д/ = 1,87/сп-3,74/с.	(6-24)
В ряде систем с фазовой модуляцией ширина спектра зави-
сит как от девиации фазы Д<р, так и от частоты fc. Поэтому спектр
сигнала в этих системах меняется почти в тех же пределах, что
и частота Д.
В некоторых измерительных и следящих ОЭП модуляция на-
чальной фазы сигнала осуществляется за счет перемещения изо-
бражения излучателя относительно растра модулятора. При этом
ширина полосы частот Af определяется скоростью этого переме-
175
Проектирование оптико-электронных приборов
щения и его диапазоном. Если скорость перемещения мала, то
Л/ также невелика и может определяться возможной паразитной
девиацией несущей частоты, вызванной несовершенством
модулятора или электронного тракта.
На выбор частоты импульсов и полосы пропускания импульс-
ных ОЭП активного типа, предназначенных для определения ко-
ординат удаленных движущихся объектов, оказывают влияние
такие факторы, как конечное время распространения сигнала до
объекта и обратно, движение объекта, необходимость получения
нескольких сигналов (импульсов) от объекта за один цикл изме-
рений, диаграмма направленности передающей оптической сис-
темы, постоянная времени приемника излучения и ряд других.
При малой угловой скорости сканирования сс по полю или
при малой относительной угловой скорости движения объекта
длительность импульса от объекта, соответствующая угловой
ширине диаграммы направленности излучения 0, ти = 0/ сс. Так
как иногда скорость ОС бывает достаточно большой, то следует
учитывать уменьшение ти вследствие запаздывания, связанного
с прохождением излучения до объекта и обратно, т.е. тя = 0/ сс —
- 21/с, где I — расстояние до объекта; с = 3108 м/с.
Если известна угловая скорость объекта (Ь , то можно выб-
рать сс так, чтобы за время одного цикла сканирования поля
объект не сместился более чем на 1/пе ширины диаграммы на-
правленности 0, т.е.
(1/пе)(0/со)> 2сообз /сс,
где 2соо6з — угловое поле обзора. В предельном случае
ти = 62 / (2пе со сообз) - 21 / с; Д/ = khf / ти.
6.4.	Точностные расчеты оптико-электронных
приборов
6.4.1.	Основные этапы точностных расчетов
Точностные расчеты ОЭП и их отдельных узлов можно
разделить на две группы: проектные (точностный синтез) и пове-
рочные (точностный анализ). Расчеты, относящиеся к первой
группе, проводят в начале проектирования прибора. Они позво-
ляют установить рациональную структуру ОЭП, а также некото-
рые исходные данные для назначения допусков на погрешности
отдельных его узлов и элементов.
176
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Одним из самых первых этапов точностного расчета, предше-
ствующих первоначальному расчету допусков, может быть рас-
чет потенциальной точности ОЭП, которая зависит лишь от вида
полезного сигнала и внешних шумов и помех, имеющих место
на входе ОЭП [38]. Поскольку потенциальная точность не зави-
сит от конструктивных, технологических и методических по-
грешностей, присущих реальному прибору, значение определя-
ющей ее погрешности может являться тем пределом, к которому
следует стремиться разработчику. Если значение этой погреш-
ности превышает допуск, установленный ТЗ, то следует рассмот-
реть возможность изменения параметров полезного сигнала,
уменьшения влияния внешних шумов и помех, а в ряде случаев
и возможность изменения требований ТЗ.
На следующем этапе расчета целесообразны выбор модели
общей погрешности и предварительное распределение ее значе-
ния между отдельными составляющими. Например, если мето-
дическая погрешность не зависит от конструкции прибора и
параметров отдельных его элементов и может быть выбрана в
соответствии с принципом действия ОЭП и достигнутыми на
момент разработки знаниями об условиях его работы, а инстру-
ментальная погрешность может быть задана на основании опыта
разработки аналогичных приборов, то для этой модели (см.
п. 1.3) можно принять [23]
<4п+°ш = ОХ-(°“+О“)-
Затем, представляя составляющие Udj/n и в виде функ-
ций параметров ОЭП и его звеньев, можно провести оптимиза-
цию их параметров по минимуму суммы Udyn +	. Зависимос-
ти Udj/n и от параметров ОЭП и основы методики такой оп-
тимизации приведены в [23, 38]. В общем виде эта методика сво-
дится к решению системы k уравнений, представляющих собой
приравненные нулю частные производные функции I ®dyn + °ш ) =
= ца1,а2, -->а*) по каждому из k параметров ах, а2, ..., ак, на-
пример по площади входного зрачка, угловому полю, чувстви-
тельности приемника, коэффициенту усиления электронного
тракта, полосе пропускания частот и др. Примеры подобных
расчетов содержатся в [23].
Иногда, учитывая тот факт, что в состав ОЭП включаются и
типовые звенья с известными частотными характеристиками
(передаточными функциями), на этом этапе проектирования
можно выполнить отдельный расчет динамической погрешнос-
ти. Методика такого расчета описана в п. 6.4.2.
177
Проектирование оптико-электронных приборов
Определив первоначальные значения (допуски) методичес-
кой и динамической, а часто и шумовой составляющих общей
погрешности, можно перейти к расчету допусков на первичные
инструментальные погрешности отдельных узлов и элементов
ОЭП. Здесь также вначале можно задаться некоторым распреде-
лением отдельных составляющих инструментальной погрешнос-
ти, а затем выполнить поверочный расчет. Методика таких рас-
четов изложена в п. 6.4.3.
Влияние большого числа факторов эксплуатационного, кон-
структивного, технологического, экономического и другого
характера, которые трудно или невозможно учесть на первых
этапах разработки ОЭП, обычно не позволяет получить в резуль-
тате упомянутых выше расчетов окончательные значения
рациональных параметров ОЭП и допусков на эти значения.
Поэтому после отдельных этапов точностного расчета проводят
соответствующую корректировку (принципа и метода работы,
структурной схемы прибора, элементной базы, допусков на пер-
вичные погрешности и т.д.), после которой обязателен повероч-
ный расчет.
Рис. 6.9. Схема алгоритма точ-
ностного расчета
Достаточно общая схема от-
дельных этапов или всего точност-
ного расчета, аналогичная приве-
денной в [16], имеет вид, пред-
ставленный на рис. 6.9.
Если точностный расчет прово-
дится на начальной стадии про-
ектирования, когда не выбрана
окончательно структура прибора и
невозможно определить его харак-
теристику преобразования и пере-
даточную функцию, приходится
достаточно произвольно назначать
допуски на погрешности отдель-
ных узлов ОЭП. Эти допуски обыч-
но включают в себя большинство
составляющих общей погрешнос-
ти, поэтому для их расчета можно
использовать модели погрешнос-
тей, приведенные выше (см.
п. 1.3). После проведения точност-
ных расчетов отдельных узлов
нужно оценить общую погреш-
ность всего прибора, а при необхо-
димости перераспределить допус-
178
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
ки на погрешности между отдельными узлами, между от-
дельными составляющими в принятых моделях погрешностей
узлов и прибора в целом, т.е. продолжить итерационный про-
цесс параметрического синтеза — определения рациональных
параметров прибора, его узлов и деталей, исходя из требований
к точности.
6.4.2.	Расчет и минимизация динамической и шумовой
погрешностей
Предельная точность многих современных ОЭП опреде-
ляется в первую очередь шумами, а также внутренними и осо-
бенно внешними помехами, которые носят ярко выраженный
случайный характер. Это объясняется как совершенствованием
элементной базы современных ОЭП и развитием методов их рас-
чета и конструирования, так и усложнением условий, в которых
приходится работать многим ОЭП. Типичными примерами ОЭП
подобного рода являются оптико-электронные угломеры (пелен-
гаторы) и дальномеры (локаторы), работающие в сложных ат-
мосферных условиях, вызывающих мерцание и дрожание изоб-
ражений, или при наличии случайных изменений пространствен-
ного положения (по углу и по дальности) отслеживаемого объекта.
Другой заметной составляющей общей погрешности многих
ОЭП является динамическая погрешность. Расчет динамической
погрешности ОЭП может быть проведен, если известны переда-
точные функции (частотные характеристики) отдельных звень-
ев его структурной схемы, а следовательно, и прибора в целом.
В общем случае спектральная плотность динамической
погрешности воспроизведения некоторого входного сигнала со
спектром Х(;со) на выходе линейной системы с частотной харак-
теристикой Gs(j(t>) определяется как
дя.вых(7“)=[gs(j'“)- i]
Эта же погрешность, приведенная ко входу, будет:
Дд.вх(;со) = [с8(;(о)/^общ-1]х(>),
где 7Со6щ — статический общий коэффициент преобразования си-
стемы (при со = 0).
Если входное рассогласование (измеряемая величина) явля-
ется стационарным центрированным случайным процессом со
спектральной плотностью S(co), то математическое ожидание
динамической погрешности равно нулю, а ее дисперсия
179
Проектирование оптико-электронных приборов
Если входное рассогласование является мгновенным значе-
нием гармонического сигнала то динамическая погреш-
ность измерения этого значения
Дд(*) = |С8(;со)/^оби-1|Аме>“\
ее математическое ожидание равно нулю, а дисперсия
Рассмотрим в качестве примера достаточно типичную для
многих ОЭП структурную схему системы автоматического сле-
жения (сопровождения) по углу а (направлению), представлен-
ную на рис. 6.10. Определим выражение для минимального зна-
чения дисперсии случайной погрешности слежения, складываю-
щейся из шумовой и динамической составляющих, а также ус-
ловия ее минимизации и соответствующее этим условиям значе-
ние общего коэффициента передачи Ко6щ (добротности по скоро-
сти) системы.
Рис. 6.10. Структурная схема ОЭП автоматического слежения (сопро-
вождения по углу)
Общий коэффициент передачи Ко6щ находим как произведе-
ние коэффициентов передачи отдельных звеньев, а именно: оп-
тической системы с анализатором, приемника излучения, пре-
дусилителя, которые можно представить в виде безынерционных
звеньев (постоянные времени этих звеньев гораздо меньше по-
стоянных времени последующих узлов ОЭП) с коэффициентами
передачи Лгопт, Лп и, kn у соответственно, образующих систему пер-
вичной обработки информации; усилителя мощности — аперио-
дического звена первого порядка с частотной характеристикой
A'yt/co) = Лу/(1 + /соТу), где ky — коэффициент усиления по напря-
жению; Ту — постоянная времени усилителя мощности; испол-
нительного устройства, содержащего двигатель — инерционное
интегрирующее звено с частотной характеристикой К.Цы) =
= ka[усо( 1 + /соТд)], где ka — коэффициент передачи двигателя по
скорости; Тд— электромеханическая постоянная времени двига-
теля и редуктора с коэффициентом передачи kp= 1/i, где I — пе-
редаточное отношение редуктора.
180
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Таким образом, 2Го6щ= kmTkRKkRykykRkp.
Основными составляющими общей погрешности в такой си-
стеме примем:
—	динамическую погрешность от случайного входного сигна-
ла — случайного изменения углового положения или угловой
скорости наблюдаемого объекта, имеющего спектральную плот-
ность мощности Фк(ю), приведенную ко входу ОЭП и измеряе-
мую в радианах в квадрате на секунду в квадрате [рад2/с2], и
дисперсию Ddyn;
—	погрешность, вызываемую шумами отдельных элементов
ОЭП, в первую очередь, приемника излучения Уш.
Обозначим приведенную ко входу ОЭП спектральную плот-
ность мощности шумов через Фш(со), а дисперсию через £>ш.
Дисперсия первой составляющей в такой системе определя-
ется как
ХиЛ *
г«е ^ош(>) =
_____>(1+;соТу)(1+;соТд)
-^обЩ + jw+со2 (Ту + Гд)~ /со37уТд
частотная характеристика замкнутой системы для погрешности
по входному воздействию [27].
Дисперсия второй составляющей
£,2 = ^]Фш(«)|нД/ш)|2с1(0,
—оо
где HJ/co) = 7Со6щ(усо)/(1 + К'о6щ(/10)) — частотная характеристика
замкнутой системы, причем для нашего примера частотная ха-
рактеристика разомкнутой системы
. .	k	k
Л ’ К^ + ^+а2(тг + Тд)-1ааТуТд'
Значение общего коэффициента передачи Л”о6щ должно быть
меньше некоторого критического значения Ко6ш кр, при котором
замкнутая система теряет устойчивость, т.е. должно обеспечи-
ваться условие Х’о6щ< 1/Ту + 1/Тд = 7Собщкр.
181
Проектирование оптико-электронных приборов
Допуская на этом этапе проектирования, что всю разомкну-
тую систему можно представить в виде идеального интегрирую-
щего звена с частотной характеристикой ^Общ(/со)/(;ю), т.е.
Ту = Та ~ 0, дисперсию D1 упрощенно можно представить в виде
Di ~ Ddy„/ .
Если приведенный ко входу внутренний шум является бе-
лым, т.е. Фш(ю) = Фш = const, то дисперсия D2 может быть пред-
ставлена как [27]
d2 = ФШД/=ФШД/И [I- ^о6щ/^0бщ.кр]-1,
где А/ — полоса пропускания реальной системы; Д/и — полоса
пропускания идеализированной системы, которая меньше Д/ вслед-
ствие наличия в системе апериодических звеньев, ДУИ= 7Го6щ/2.
Полная дисперсия погрешности слежения
Dt=D1+D2~ Ddyn/K^ +^общФш/2. (6.25)
Для нахождения оптимального значения КвЪ1!, опт нужно про-
дифференцировать (6.25) по .ЙГо6щ и приравнять производную
нулю. Решая полученное уравнение вида
-^М£о6щ + Фш/2=0,
получим 7^о6щ опт =	• При этом минимальное значение
полной погрешности слежения
= 1,5?/ф2 Д, /2.
Imin ' \ ш dyn / ’
Аналогичен путь определения оптимального коэффициента
передачи оптико-электронного следящего локатора — системы
автоматического сопровождения по дальности I (рис. 6.11, а). В
ее состав входят: приемопередающее устройство (безынерцион-
ное звено с коэффициентом передачи Апп); временной дискрими-
натор (апериодическое звено первого порядка) с частотной
характеристикой Кв д = kB д (1 +ja>TB д)-1 и постоянной времени Тв д;
сглаживающий фильтр (интегратор) с частотной характеристи-
кой 7^сгл()со) = /гсгд(/ю); исполнительное устройство (безынерцион-
ное звено) с коэффициентом передачи /ги.
Пересчитанная ко входу внутренняя помеха может быть пред-
ставлена в виде белого шума со спектральной плотностью Фш
(в м2 Гц-1). Здесь также можно принять, что дисперсия динамиче-
ской погрешности Dx = Dv/ К^6щ, где Dv — дисперсия скорости
движения наблюдаемого объекта, соответствующая спектру мощ-
ности скорости ФДсо).
182
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Рис. 6.11. Структурные схемы ОЭП автоматического сопровождения по
дальности
Дисперсия погрешности от действия помех D2 = ФшКо,щ/2.
Суммарная дисперсия DL = ГЦ + D2 = DJ К„6щ + 0,5 / (ФшГ?обП().
Исследуя это выражение на минимум, получим, что он име-
ет место при ГГо6щ опт = ^4ЛГ/ФШ . Минимум дисперсии погреш-
ности определения дальности
= <6'26>
Иногда для уменьшения погрешности в систему автоматиче-
ского сопровождения по дальности вводят второй интегратор,
включаемый последовательно с первым и имеющий тот же
коэффициент передачи /гсгл. Чтобы обеспечить устойчивую рабо-
ту всей системы, параллельно первому интегратору включают
безынерционное звено с коэффициентом передачи kK (рис. 6.11,
б). Для обеспечения минимума полосы пропускания белого шума
постоянная времени образующегося при этом параллельного со-
единения двух звеньев т = Лк/Лсгл должна быть равна	,
где общий коэффициент передачи (добротность по ускорению,
с’2) К'оещ = knn kB д k%rjI kK. При этом минимальное значение экви-
валентной полосы пропускания белого шума
^amin ~	~ д/^общ ’
а дисперсия погрешности, обусловленная шумами,
Д = ФщД/Э11йп = Фш7^-
183
Проектирование оптико-электронных приборов
Дисперсия динамической погрешности в этом случае может
быть определена как
D^D./K'Z
где !)•— дисперсия ускорения наблюдаемого объекта, м2 с~4.
Дисперсия полной погрешности
=а+р2=d. /к"^+фш/^.
Дифференцируя это выражение по ^бщ»получим условие экстре-
мума:
-2О;/КХ + Ф.=/(2лРС;) = 0-
Оптимальное значение
^общ.опТ = [4Д>. /OmJ ,
а минимум дисперсии полной погрешности
^£imn=^4D^m-	(6.27)
Отсюда можно рассчитать постоянную времени т =1/
/7^Щ.опТ , после чего необходимо проверить выполнение усло-
вия устойчивости схемы т > Твл, где Тв д — постоянная времени
временного дискриминатора.
Целесообразность ввода второго интегратора может быть оп-
ределена, если сравнить выражения jD1Inin для схем с одним и с
двумя интеграторами, т.е. (6.26) и (6,27). Приравняв эти выра-
жения друг к другу, получим уравнение, из которого можно
найти граничное значение Л.гр = 0,565з^0? /Фщ • Если заданное
значение Z). > D., то следует использовать схему с одним ин-
тегратором, в противном случае — с двумя.
В заключение отметим связь между точностным и динамиче-
ским расчетами. Из приведенных выше формул следует, что точ-
ностные параметры рассмотренных ОЭП тесно связаны с такими
динамическими параметрами, как полоса пропускания частот Д/
и постоянная времени всей системы т. Поэтому в ряде случаев
эти параметры определяют из(точностного расчета, а лишь затем
проводят расчет остальных динамических параметров ОЭП.
6.4.3. Расчет инструментальных погрешностей
Классификация составляющих инструментальной (конст-
рукторско-технологической) погрешности может быть достаточ-
но разнообразной [5, 22]. В качестве основных составляющих
184
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
обычно выделяют погрешности, вызванные неточностью изготов-
ления и сборки деталей и узлов, и погрешности, определяемые
влиянием условий эксплуатации. Иногда к составляющим инст-
рументальной погрешности относят допущения и неточности,
принятые при оценке преобразования всего ОЭП или отдельных
его узлов (теоретические погрешности), т.е., по сути дела, мето-
дические погрешности.
Погрешности изготовления и сборки (технологические по-
грешности) и погрешности вследствие влияния эксплуатацион-
ных условий (эксплуатационные погрешности) обычно называ-
ют первичными. Они могут носить как случайный, так и систе-
матический характер. Систематические первичные погрешнос-
ти в процессе работы прибора могут оставаться постоянными либо
закономерно изменяться в зависимости от изменения какого-либо
параметра прибора или условий его работы. Примерами источ-
ников систематических первичных погрешностей в ОЭП явля-
ются: отклонения от заданной схемы осевых систем угломерных
приборов, например эксцентриситет осей, смещения нулевых
положений датчиков углов, деформации узлов и отдельных де-
талей вследствие нагрева и охлаждения и др.
Традиционными способами борьбы с систематическими по-
грешностями, как известно [5, 9, 22 ], являются ужесточение
допусков на изготовление деталей и их сборку, рациональный
выбор материалов, применение таких схем и методик измере-
ний, при которых систематические погрешности уменьшаются
или вообще исключаются, предварительное эталонирование при-
боров и отдельных их звеньев. В последнее время, особенно в
связи с использованием в составе высокоточных ОЭП или в од-
ном комплексе с ними микропроцессоров и других средств со-
временной вычислительной техники, все чаще используется точ-
ностная калибровка ОЭП, включающая заблаговременное (напри-
мер, на стадии испытаний прибора) определение функций влия-
ния, т.е. зависимостей систематических погрешностей от усло-
вий эксплуатации прибора и других факторов, и ввод соответ-
ствующих поправок в характеристику преобразования непосред-
ственно в процессе работы прибора в соответствии с условиями
этой работы.
Достаточно общий порядок расчета инструментальной по-
грешности может быть следующим.
На первом этапе определяется (задается) доля инструменталь-
ной погрешности в общей погрешности прибора [см. п. 1.3 и вы-
ражения (1.3)-(1.6)]. Отдельные ее составляющие, обычно си-
стематические, могут быть уменьшены при калибровке, и
дальнейший расчет ведется только для первичных инструмен-
185
Проектирование оптико-электронных приборов
тальных погрешностей, т.е. в модели вида (1.6) рассматривают-
ся лишь два последних слагаемых правой части, сумму которых
обозначим Ди.
На втором этапе составляется выражение для функции преоб-
разования у = f(x,q1,q2,...,qn,q'1,q'2,...,q'n^ , т.е. рабочая фор-
мула единичного измерения. Устанавливаются характер (систе-
матический или случайный) и законы распределения отдельных
независимых первичных погрешностей, входящих в эту рабочую
формулу, с учетом допусков на значения параметров, в резуль-
тате чего может быть составлена модель общей инструменталь-
ной погрешности, например,
п	I *
Ди =	+	W’ (6.28)
i=l	к=1
где обозначения соответствуют (1.5).
Следующим этапом является распределение общего допуска
Ди на инструментальную погрешность между отдельными ее
составляющими. Можно использовать несколько методов такого
распределения, т.е. проектного точностного расчета [16].
При использовании метода равных допусков на первичные
погрешности значение (допуск) отдельной составляющей (i-й пер-
вичной погрешности) рассчитывают по формуле
^ = ди

(6.29)

где С — коэффициенты, учитывающие систематические состав-
ляющие случайных первичных погрешностей; К — коэффици-
енты, учитывающие вид рассеяния случайных первичных
погрешностей; остальные обозначения соответствуют принятым
в (1.5). Значения С определяются не только видом закона рас-
пределения случайных погрешностей, но и смещениями центров
их группирования.
Переход к средним квадратическим их значениям или дис-
персиям Dg описан в литературе [5, 9, 22 и др.], где приведены
типичные для точных приборов значения инструментальных по-
грешностей. Часто для перехода от двустороннего поля допуска
t на тот или иной параметр к средней квадратической погрешно-
сти а пользуются соотношением а = (1/6) Kqt, где Kq — коэффи-
циент относительного рассеяния случайных первичных погреш-
ностей. Для гауссовского закона распределения с полем рассея-
ния ±3о коэффициент Kq = 1; для закона равной вероятности
186
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Kq = 1,73; для закона Релея Кч = 1,14; для треугольного закона
Симпсона Kq = 1,22 и т.д. (см. [5, 22]).
Формулу (6.29) можно применять для имеющих одинаковую
размерность первичных погрешностей. При другом методе —
назначении Ад, в соответствии с их коэффициентами влияния
(Эу/Эд;) — величина Ди распределяется поровну между частными
погрешностями. Для независимых случайных погрешностей, не
имеющих систематических составляющих и распределенных по
гауссовскому закону, допуск
= Ди/[р!//а^)0^]-
Еще одним методом назначения допусков на первичные
погрешности является минимизация затрат z (hq,), связанных с
обеспечением допусков при изготовлении отдельных деталей,
сборке отдельных узлов и прибора в целом. Примеры формул
для расчета Дд( в ряде частных случаев приведены в [5, 22 ].
После проведения проектного точностного расчета, т.е. рас-
пределения допусков, полученные значения Дд( корректируют,
например, путем учета условий конкретного производства и дру-
гих факторов.
Следующим этапом является поверочный расчет допусков на
первичные погрешности, т.е. суммирование полученных значе-
ний Дд,, с их коэффициентами влияния в соответствии с приня-
той моделью инструментальной погрешности Ди.
Наибольшее распространение на практике получили два
метода суммирования отдельных составляющих общей инстру-
ментальной погрешности: 1) суммирование абсолютных значе-
ний отдельных составляющих (расчет на «максимум — мини-
мум», расчет при максимальном влиянии частных погрешнос-
тей); 2) суммирование с учетом вероятного влияния отдельных
составляющих.
При первом методе за модель Ди принимается сумма двух
последних слагаемых (1.7):
п	I
Ди = £ )о Д? + У )0 М >
i=l	Л=1
т.е. погрешностям Дд( и &q'k присваиваются предельные значе-
ния допусков, полученные на предыдущих этапах, и они алгеб-
раически суммируются. Погрешности Дд( и &q'k могут быть как
случайными, так и систематическими.
При выборе второго («вероятностного») метода в общем слу-
чае учитывается влияние случайных и систематических состав-
ляющих, складываемых алгебраически с учетом их коэффици-
187
Проектирование оптико-электронных приборов
ентов влияния. Результирующая погрешность может быть пред-
ставлена как сумма:
А
И
Z (йЛ)20	+ Z (э^/э^ )о С?А ’
2	«
где Gg( — дисперсия i-й случайной составляющей; Asi — значе-
ние i-й систематической составляющей; остальные обозначения
были введены выше. Здесь не выделены отдельно основные и
дополнительные погрешности, а составляющие погрешностей
считаются независимыми и линейно суммируемыми.
Существуют и другие методы поверочного расчета. Так, по
методике Ренча погрешность определяется как среднее геоме-
трическое между алгебраическим и квадратическим суммирова-
нием отдельных случайных составляющих [16]:
И
п	j w	2
£[р!/Ж)оД?<] ’
По сравнению с методом «максимум — минимум», когда не-
редко получают существенно завышенные значения Ди, особенно
при большом п, метод Ренча дает удовлетворительные результа-
ты, если первичные погрешности Л<7, имеют систематические
составляющие, равные половине поля допуска (поля рассеяния)
погрешности. При большом п и незначительных систематичес-
ких погрешностях метод Ренча дает очень большое завышение
Ди, поэтому на практике его применяют редко.
В последнее время находит применение метод статистичес-
кого моделирования (метод Монте-Карло) [19], в соответствии о
которым моделируются случайные значения первичных
погрешностей, распределенных в поле допуска по заданному
закону с заданными вероятностными характеристиками. Затем
осуществляется переход от случайного сочетания погрешностей
к случайному сочетанию параметров прибора и определяется
результирующая погрешность. С помощью ЭВМ проводится ста-
тистическая обработка результатов моделирования.
В этом случае, если полученный результат не удовлетворяет
разработчика, необходим анализ соотношений между отдельны-
ми составляющими общей (или инструментальной) погрешнос-
ти, правильности выбора параметров прибора, входящих в виде
аргументов в функцию преобразования, а также допусков на эти
параметры и, как следствие, коррекция либо схемы прибора,
либо значений его параметров или допусков на них, т.е. расчет
идет по итерационному алгоритму (см. рис. 6.9).
188
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Часто целесообразными являются дополнительный расчет
для определения максимального влияния систематических
погрешностей и анализ его результатов.
В качестве примера точностного расчета измерительного ус-
тройства рассмотрим расчет системы ПИК-2 для контроля коле-
баний Останкинской телевизионной башни ’. Прибор позволяет
автоматически измерять плановые координаты перемещений
одного из четырех сечений башни на фиксированных высотах и
регистрировать значения этих координат в виде записей на лен-
тах самопишущих приборов.
Система состоит из четырех верхних приборов — имитато-
ров точечного излучателя, установленных на заданных высотах,
и двух нижних приборов, представляющих собой измеритель-
ные станции, одновременно и независимо друг от друга опре-
деляющие ортогональные координаты колебаний одного из че-
тырех сечений башни.
Имитаторы точечных излучателей совершают колебания
вместе со стволом башни. Излучаемый ими поток направляется
к приемным объективам нижних приборов. Часть потока, по-
павшая во входной зрачок объектива нижнего прибора, собира-
ется в фокальной плоскости, создавая изображение точечного
излучателя.
Нижний прибор представляет собой оптико-электронную сле-
дящую систему с амплитудным анализатором изображения в виде
разделительной призмы (см. п. 7.3). При колебаниях башни изоб-
ражение точечного излучателя перемещается, что приводит к
появлению сигнала рассогласования на выходе электронного
тракта. Указанный сигнал в виде управляющего напряжения
подается на электродвигатель привода, перемещающий вслед за
движущимся изображением разделительную призму до исчез-
новения рассогласования в системе. Перемещения анализатора,
повторяющие в определенном масштабе перемещения точечного
излучателя, измеряются с помощью соответствующего датчика.
Переключение системы на регистрацию колебаний выбранного
сечения башни осуществляется плоским зеркалом, установлен-
ным перед объективом.
Рабочую формулу системы можно получить из несложных
геометрических соотношений (рис. 6.12). Нижние приборы си-
стемы расположены на некотором удалении I от оси башни, и
поэтому измерительная трасса имеет угол наклона е к горизон-
1 Елисеев С.В., Парвулюсов Ю.Б., Александрова Е.Л. Оптико-электронная
система для регистрации колебаний Останкинской телевизионной башни// Изв.
вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1974. № 4. С. 127-132.
189
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 6 Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Рис. 6.12. Геометрическая схема оптико-электронной системы ПИК-2
тальной плоскости. На рис. 6.12, а, показано сечение, совпадаю-
щее с измерительной плоскостью и проходящее через ось башни
и узловую точку объектива Обу нижнего прибора. Для удобства
рассмотрения соотношений на рис. 6.12, а показано изображе-
ние Обу объектива в плоском зеркале, обеспечивающем опти-
ческую связь нижнего прибора с верхним. На рис. 6.12, б, пока-
зано сечение, перпендикулярное к измерительной плоскости,
проходящее через прямую, соединяющую идеальное положение
точечного источника 0' и узловую точку приемного объектива.
На рис. 6.12, а показано положение источника излучения в пла-
не (вид А).
Так как измеряемые углы рассогласований 0 и Т] в реальной
схеме не превышают десятков угловых минут, то в силу их ма-
лости (см. табл. 7.10) выражения для составляющих амплитуд
колебаний по осям координат будут иметь вид:
x(L—Aycose)
yL
/об	/об 8ШЕ + у cose
где х и у — перемещения изображения излучателя в плоскости
анализа (фокальной плоскости объектива) по двум взаимно пер-
пендикулярным направлениям; L — наклонная дальность;
— фокусные расстояния объективов; е — угол наклона опти-
ческой оси.
Перемещения х и у регистрируются выходными самопишу-
щими приборами как х' и у'. Следовательно, х = x'kn и у = y'k^,
где — коэффициент передачи канала регистрации.
С учетом этого
A^_x'kn(L-Аусозг) _ y'knL
fo5 ’ &sinE+/cosEV
В связи с тем, что в этих выражениях аргументы не коррелиро-
ванны, средние квадратические погрешности измерений каждой
из составляющих определяются выражениями:
СА
%k2y
G^ + Z/'Mg^G2,
где kx = L//o'6; ky = L/(fa sine).
При выводе первого из этих выражений при промежуточ-
ных вычислениях в силу малости была опущена составляющая
x'ftnACOSE/(/>61')» так как A/L==1°” ’ ХА//О'б ’
x'knAyCOSE/(f^L),
COS E ~ 0,3.
Далее указанные соотношения можно преобразовать к более
удобному виду:
С2А
+ ctg2 ео|
у'2

Таким образом, зная конструктивные параметры геометриче-
ской схемы L, f'6, Е и kn, а также относительные погрешности
измерения параметров, можно найти средние квадратические по-
грешности измерений Ах и Ау.
Проведем числовую оценку точности системы.
Относительная погрешность определения наклонной дально-
сти при использовании топографического светодальномера сред-
ней точности может составить ol/L = 1/1000.
190
191
Проектирование оптико-электронных приборов
Относительная погрешность измерения х' и у' определяется
точностью устройства регистрации. В системе были применены
самопишущие приборы, обеспечивавшие относительную погреш-
ность ох/х' = 1/1000.
Относительная погрешность измерения фокусного расстоя-
ния Cf-/f ~ 1/2000.
Относительная погрешность коэффициента передачи соста-
вила	1/200.
При L = 500 м, /0'6 = 600 мм, Е = 70° и диапазонах измерений
угловых рассогласований 20 = 2т] = ±40' имеем: kx =	« 840 ;
ky =	sine) = 890 ; x = f^Q/p ~ 7,5 мм; у = 7,5 мм.
С учетом того, что угол £ определялся с погрешностью ое =
~ +30" = ±(1,510“4) рад, средние квадратические погрешности из-
мерений обеих составляющих колебаний Ах и Ау одинаковы: сх~
~ cv ~ ±7,7 мм.
Доверительные погрешности измерений при вероятности
Р = 0,996 будут Ддх = Дду = Зох = ±23 мм.
6.5. Расчет тепловых режимов работы
оптико-электронных приборов
Расчет тепловых режимов ОЭП является необходимым как
на стадии системотехнического, так и на стадии схемотехни-
ческого проектирования, поскольку эти режимы во многом
определяют конструкцию всего ОЭП и соответственно его отдель-
ных узлов. Выделяемая внутри ОЭП тепловая энергия поглоща-
ется его отдельными элементами, нагревая их до температуры
Т, отличающейся от температуры окружающей среды Тс, и вы-
зывая перепад температур Д/ = Т — Тх, и передается через кор-
пус или кожух в окружающую среду. Перепад At зависит от кон-
струкции ОЭП и его узлов. В ряде случаев ОЭП работает в усло-
виях низкой температуры, например в космосе. При этом тем-
пература ОЭП и их узлов может уменьшаться относительно нор-
мальной температуры, иногда ниже допустимых значений тем-
пературы эксплуатации отдельных элементов, которые уста-
навливают соответствующие ТУ. Кроме того, вследствие нерав-
номерной концентрации тепловыделяющих элементов ОЭП, на-
личия одностороннего внешнего излучения, например Солнца,
имеют место перепады температур внутри самого прибора.
Даже незначительный перепад температур узлов ОЭП может
привести к появлению термооптических аберраций, расфокуси-
ровки оптической системы, децентрировки или термодеформа-
192
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
ций оптических деталей, к изменению положения элементов
конструкции, ухудшению чувствительности и отношения сигнал/
шум из-за увеличения фонового потока излучения, попадающе-
го на приемник излучения, и т.п. Более значительные измене-
ния температур, превышающие допустимые для элементов кон-
струкции диапазоны, вызывают ухудшение надежности ОЭП, а
иногда и полную потерю их работоспособности.
Для обеспечения требуемых качественных показателей ОЭП
необходимо проводить расчет и анализ их тепловых режимов,
что позволит в процессе проектирования выбрать конструкцию
всего прибора или отдельного узла, максимально удовлетворяю-
щую допустимым отклонениям показателей от номинала.
В ряде случаев целесообразно использовать метод поэтапно-
го моделирования тепловых режимов, при котором сначала
выполняют анализ тепловой модели прибора, а потом анализи-
руют теплообмен в его отдельных узлах и элементах. При этом в
граничные условия для поверхности узлов и элементов подстав-
ляют найденные на предыдущих этапах значения тепловых по-
токов и температур окружающих тел.
Иногда на основе результатов моделирования тепловых ре-
жимов можно перейти к синтезу термостабильной ОЭП. В этом
случае на первом этапе анализа тепловых режимов ОЭП целесо-
образно рассматривать, например, плату с установленными на
ней оптической системой, узлами приемника излучения, элект-
ронного тракта и т.д. с равномерно распределенной тепловой
мощностью (источниками теплоты) и путем численного решения
уравнений теплопроводности определить средние температуры
платы в месте установки отдельных узлов, а на последующих
этапах определить средние температуры узлов и элементов и
перепады температур Af. По найденным значениям перепадов
температур At отдельных узлов и элементов относительно нор-
мальной температуры можно рассчитать соответствующие изме-
нения оптических параметров: радиусов кривизны г( оптических
поверхностей, показателей преломления п( деталей, толщины d(,
воздушных промежутков по формулам:
П=Г2о(1 + М0; ni = n2o(1 + M*); di = d2o(1 + P>A0’
где r20, d20, п20 — соответственно радиус кривизны, толщина и
показатель преломления при нормальной температуре t = 20°С;
at —коэффициент линейного расширения материала i-x оптичес-
ких или механических деталей; Р, — температурный коэффици-
ент показателя преломления стекла i-й детали.
По измененным параметрам оптической системы можно рас-
считать значения термооптических аберраций объектива ОЭП. В
каждом конкретном случае можно выбрать наиболее простой
193
Проектирование оптико-электронных приборов
способ термокомпенсации оптической системы, например, за счет
выбора материалов оптических и механических деталей, имею-
щих минимальные коэффициенты линейного расширения (кварц,
пирекс, ситалл, инвар и т.п.), материалов с высокой теплопро-
водностью (сплава титана), или установки компенсаторов, а иног-
да систем охлаждения.
В частности, для зеркальной оптической системы Кассегрена,
состоящей из двух зеркал, установленных на плате и выполнен-
ных вместе с ней из одного и того же материала, например из
титана, возникающая вследствие перепада температур Atj_2 меж-
ду зеркалами расфокусировка равна:
А = 1,125а Д^_2Г,
где а — коэффициент линейного расширения материала зеркал
и платы; f — эквивалентное фокусное расстояние объектива.
Исходя из допустимого значения расфокусировки Дд по послед-
ней формуле можно определить допустимые значения перепада
температур Atj_2 между двумя зеркалами. Значения Дд при этом
можно рассчитать, например, по формуле Дд ~ dpf'/D, где D —
диаметр входного зрачка объектива, a dp —диаметр кружка рас-
сеяния, вызванного расфокусировкой объектива. Последний не
должен превышать определенный минимальный размер (напри-
мер. полупериод растра анализатора, размер элемента многоэле-
ментного приемника и т.п.).
В некоторых случаях необходимо учитывать градиенты тем-
ператур внутри оптических деталей, приводящие к погрешнос-
тям всего ОЭП. По перепадам температур At можно определить
также смещения излучателя относительно конденсора, фоновый
поток, попадающий на приемник излучения и снижающий его
чувствительность, и т.п. Кроме того, полученные в результате
расчета тепловых режимов прибора перепады температур At для
его узлов и элементов, в частности электронного блока, сравни-
вают с допустимыми для этих узлов и элементов диапазонами
изменений температур при их эксплуатации в целях выявления
необходимости их охлаждения.
Для приборов, работающих в режиме установившегося тем-
пературного поля, тепловой расчет упрощенно можно выполнить,
исходя из следующего уравнения теплового баланса:
Ррас = -Рпод - -Ротв = Фтп + Фкои + Физ »	(6-30)
где Ррвс, Рвол, Ртв — соответственно рассеиваемая, подводимая и
отводимая электрическая мощность; Фтп, Фкои, Физ — тепловые
потоки, отдаваемые через теплопроводность, конвекцию и излу-
чение соответственно.
Так как в установившемся режиме подводимая к прибору
электрическая энергия часто практически полностью преобразу-
194
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
ется в тепловую энергию (Ротв ~ 0), то, следовательно, Ррас ~
а Р =ф + Ф + Ф .
ПОД	ТП	КОН ^ИЗ
Тепловой поток Фтп, отдаваемый путем теплопроводности
однородным телом, имеющим постоянное поперечное сечение,
Фтп = Х«ДТ//,	(6.31)
где X — коэффициент теплопроводности материала, из которого
изготовлено данное тело; S— площадь поверхности, через кото-
рую осуществляется перенос теплоты, например площадь попе-
речного сечения тела; ДТ — разность температур между концами
теплопроводящего тела; I — его длина по направлению переноса.
При передаче теплового потока через стенку вместо I в фор-
мулу (6.31) подставляют толщину стенки 5. Значения X для ряда
материалов, необходимые для оценочных расчетов, приведены в
табл. 6.2. При точных расчетах следует учитывать зависимость
Таблица 6.2
Значения X для различных материалов
Металлы	X, Вт-К-'м’1	Неметаллы	X, Вт-К-1-м-1
Алюминий	225	Асбест	0,18
Бронза (25% Sn, 75% Си)	27	Бумага	0,13
Бронза алюминиевая	82	Вода при температуре, °C:	
(95% Си, 5% А1)		10	0,575
Железо (99,9%)	60	30	0,618
Константан	23	50	0,64
Латунь	110	Воздух при температуре, °C:	
Медь	360. ..390	10	0,025
Олово	64	30	0,027
Ртуть	10	50	0,028
Свинец	34	70	0,03
Серебро	410. ..456	Гетинакс	0,26...0,29
Силумин (85% А1,	160	Дерево	0,1...0,3
13% Si)		Картон	0,18
Сталь углеродистая	45	Кварц	10
Сталь никелевая (40% Ni)	10	Масло трансформаторное	0,16
Сталь листовая электро-		Поливинилхлорид	0,16
техническая:		Полистирол	0,17
- вдоль волокон	65	Полиэтилен	0,51
- поперек волокон	1	Резина	0,17
Сталь трансформаторная:		Слюда	0,36
- вдоль волокон	25	Смола эпоксидная, арми-	0,31
- поперек волокон	0,5	рованнал стекловолокном	
Цинк	110	Стекло кварцевое	1,45
Чугун	58	Стекло оптическое	0,80
		Стек ловолокн о	0,05
		Текстолит	0,34
		Фетр	0,05
195
Проектирование оптико-электронных приборов
А от температуры. В некоторых случаях вместо A/Z в формуле
(6.31) используют коэффициент теплоотдачи ат, который связан
с коэффициентом теплопроводности соотношением ат = A/L
Тепловой поток (тепловая мощность), отдаваемый нагретой
поверхностью за счет естественной конвекции, вычисляют по
формуле Фкон = aKSAT. Здесь ак — коэффициент теплоотдачи (теп-
лообмена) за счет конвекции между поверхностью тела и окру-
жающей средой; S и ДТ — то же, что и в предыдущей формуле.
При тепловых расчетах приборов коэффициент ак рассчиты-
вают по формуле [33]
aK = NuXC1,
где Nu — обобщенный безразмерный критерий (число) Нуссельта,
который обычно имеет вид:
Nu = cRe9PrmGrnfeflOn.
В этом уравнении с, q, т,п — числовые безразмерные величины,
соответствующие определенному виду и режиму движения сре-
ды и некоторому диапазону изменения определяющих парамет-
ров (их значения, полученные в результате обобщения большого
объема экспериментальных данных, приведены в табл. 6.3 [33]);
Адоп — коэффициент, учитывающий влияние дополнительных
факторов (направления теплового потока, кривизны канала и
т.п.), значения которого можно определить по рис. 6.13 и табл.
6.3; Re = vl/v — безразмерное число Рейнольдса; v — скорость
движения среды; v — кинематическая вязкость среды; Рг =
= Cpvp/A — безразмерное число Прандтля; Ср — удельная тепло-
емкость среды при постоянном давлении; р — плотность среды;
Gr = #pZ3A77v2 — безразмерное число Грасгофа; g — ускорение
свободного падения; 0 — коэффициент объемного расширения
среды (для газов 0 = 3,66 10"3 К-1).
При вынужденной конвекции газа определяющим параме-
тром для расчета коэффициента теплоотдачи ак за счет конвек-
ции является скорость движения v = Gm/(Sp) = Gv/S, где Gm и
Gv — соответственно массовый и
объемный расходы теплоносителя;
S — свободная для прохода теплоно-
сителя площадь поперечного сечения
канала.
Рис. 6. 13. Зависимость коэффициента Лдоп
от отношения длины I к диаметру d тела
при ламинарном (штриховая линия) и тур-
булентном (сплошные линии) режима х
для различных значений Re
196
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
со
<6
<в
У
S
ч
ко
св
Ен
У
га
Ч
О
о
в
с
ф
га
ф
га
т
>
в
о
X
а
о
с
S
I-
к
§
С
о
ч
Л*
й
g
СУ
и
к
S
X
ф
т
га
X
W
Определяющие размер 1	|	;	и температура 1		Для вертикальных плит, цилинд-	ров 1 = h (высота),	для горизонтальных цилиндров	\1 = d (диаметр),	для горизонтальных плит / =	(меньшая сторона),	Т = 0,5(Тст+Т ), где Тст — темпе-	ратура стенок и других объектов |	ч 3 к ц	l = d^T = Т; d, = iS/П-, S — площадь поперечного сече-	ния; П — периметр поперечного сечения канала				II	II	
																			
Диапазон изменения определяющих	критериев	пая конвекция	НО'3 < GrPr < 5 102		|	5 102 < GrPr < 2107		1 1013 < GrPr < 2107				в каналах произвольного	GrPr > 8 105 Re < 2200	4 103<Re< 104 0,6 < Рг < 140	10‘ < Re <2 106	0,6 < Рг < 100	tue плоской поверхности	Re < 4 104	0,5 <Рг< 100	Re>4104
		Естествен	т—<	т—4								вынужденное движение среды	4i OJ В	CO Q.	О	_7 II в	°? 5^	©	МЭ .	-	© с	О	TH js®	ft ® J °	s ST		В	1 (см. рис. 6.9)	Вынужденное обтекав	£		
																			
е			КО СЗ		ю 03		СО со												
			т—4		о		о					©	©	©			©		©
е			,125		ю 03		со со					CO					СО т*		со
			О		о		о					©	©	©			©		©
е-			о		о		©					0,33	0,8	00 ©”			0,5		0,8
			00 т—4		ко		,135					Ю r-4	,0225	,023			,66		,037
			т-4		о		©					©	©	©			©		©
197
Проектирование оптико-электронных приборов
При расчете тепловых режимов работы ОЭП в ряде случаев
можно пользоваться приближенными значениями коэффициен-
та ак (табл.6.4). Коэффициенты с, и с2 являются функциями
различных параметров, их значения для воздуха и воды приве-
дены в табл. 6.5. Как следует из соотношений, приведенных в
табл. 6.4. плоский корпус более предпочтителен с точки зрения
теплопередачи по сравнению с высоким и узким.
Тепловой поток Физ для двух тел, имеющих различную тем-
пературу Т, и Т2. равен
Фиа = епрФ1>2/(Т1,Т2)5ДТ,
где епр — приведенная степень черноты (коэффициент излуче-
ния); (р12 — коэффициент облученности, показывающий, какая
часть потока, излучаемого одним телом, попадает на другое,
менее нагретое тело (рис. 6.14); f (Tlt Т2) — функция, устанавли-
Таблица 6.4
Коэффициент теплоотдачи ак различных элементов в
помещении бесконечно больших размеров [8]
Элемент	Формулы для определения ак, Вт-м 2 К'1, при	
	п = 0,25 (ламинарный поток)	n = 0,33 (турбулентный поток)
Шар и горизонтальный цилиндр диаметром d	q (ДТ/d)0,25	С2 дт0-33
Вертикальные пластина и цилиндр высотой h	ст (ДТ/h)0’26	С2 ДТ0’33
Горизонтальная пластана (/min — меньший размер): - теплоотдача вверх - теплоотдача вниз	1,3с, (ДГ// . )026 ’Iх ' min7 0,7с, (ДТ// )025 ’	1 v ' min'	1,3с2 ДТ0-33 0,7с2 ДТ0-33
Таблица 6.5
Коэффициенты с1 и с2 для воды/воздуха при различных
температурах Гс
Т ,°С с’	0	20	40	60	80	100
С1	—	105/1,38	149/1,34	178/1,31	205/1,29	227/1,27
С2	101/1,69	198/1,61	290/1,53	363/1,45	425/1,39	480/1,33
198
Глава 6. Расчет и выбор основных параметров оптико-электронных приборов
Рис. 6.14. Зависимость коэффициента об-
лученности <р12 для тел различной конфи-
гурации от параметра х, определяемого от-
ношениями вида х = L/6 или х — D/6:
1 — полоса (L2/Ll > 1); 2 — прямоугольник
(£2/-6i = 2); 3 — квадрат (£2 = Д); 4 — круг
вающая связь между значениями тем-
пературы тел при излучении. После-
днюю формулу можно представить в
виде
Фиа = аи5ДТ,
где аи = е^ф!,2f(Tu Т2) — коэффициент
ем.
теплоотдачи излучени-
Для вычисления функции f (Ти Т2) пользуются следующей
формулой:
/(7;,72)=о(т24-7;4)/дт,
где о — постоянная излучения абсолютно черного тела, равная
5,6710-8 Вт м“2 К-4.
Исходя из приведенных выше формул для расчета тепловых
потоков ФТП,ФКОН и Фнз, можно записать выражение для расчета
суммарного потока, отдаваемого прибором или его узлом:
Фт = Ф +Ф +Ф = aS АТ.
^тп ' ^кон ' ^из	,
где а = ат + ак + а„ — суммарный коэффициент теплоотдачи.
Тепловой расчет при сложном теплообмене начинают с по-
строения эквивалентной тепловой схемы, которая должна отра-
жать различные способы передачи теплового потока от отдель-
ных элементов и узлов прибора. Затем составляют уравнение
теплового баланса в соответствии с формулой (6.30), которое
решают относительно перепада температур между двумя элемен-
тами приборов или перепада температур At между прибором и
окружающей средой, который называется перегревом. Решить
это уравнение теплового баланса в явном виде не удается, так
как сами коэффициенты теплоотдачи зависят от температуры или
перепада температуры. Поэтому пользуются методом после-
довательных приближений. Однако в случае сложного тепло-
обмена этот метод также не всегда позволяет найти решение.
Более простыми инженерными способами уравнение теплового
баланса можно решить только в простых случаях теплообмена,
например при расчете теплообмена между излучателем и корпу-
сом прибора.
199
Проектирование оптико-электронных приборов
Вследствие значительных методических и математических
трудностей решения уравнений теплового баланса разработаны
различные приближенные аналитические, численные и графоана-
литические методы расчета теплообмена, а также методы анало-
гий, физического и математического моделирования. Среди них
широкое распространение получил сравнительно простой метод
аналогий между тепловыми и электрическими величинами [8].
Глава 7. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ И ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
УЗЛОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
7.1.	Узлы излучателей
7.1.1.	Источники излучения, применяемые в оптико-
электронных приборах
Источник излучения — это один из важнейших элементов
ОЭП. От правильного выбора источника во многом зависят тех-
нико-экономические параметры и характеристики всего прибо-
ра: дальность действия, чувствительность, точность, стабиль-
ность, надежность, габаритные размеры, стоимость и др.
Источники излучения, применяемые в ОЭП, по назначению
можно разделить на следующие основные группы:
-	источники излучения, используемые для выполнения
основной функции ОЭП, например для измерения угловых или
линейных перемещений различных объектов. К ним относятся
лампы накаливания, газоразрядные лампы, лазеры, светодиоды
и др.;
—	эталонные и опорные источники излучения для аттеста-
ции и калибровки ОЭП и их отдельных узлов; к ним относятся
модели черных, серых и белых тел, эталонные лампы и т.п.;
—	источники излучения для выполнения вспомогательных
операций — сигнализации о работоспособности прибора или ре-
жимах его работы, подсветки шкал и марок и т. д.
При выборе конкретного источника излучения учитывают
прежде всего заданный спектральный диапазон работы ОЭП.
Например, обычные лампы накаливания применяют в приборе,
201
Проектирование оптико-электронных приборов
если надо получить сплошной спектр излучения в диапазоне
0,4 ... 2,5 мкм. Газоразрядные лампы применяют в видимой,
УФ- и ИК-областях спектра. Лазеры и светодиоды имеют узкий
спектр излучения.
Лампы накаливания как источники излучения широко
используются в ОЭП, что обусловлено относительной стабильно-
стью их параметров, легкостью регулирования яркости, низкой
стоимостью и простотой изготовления, большой номенклатурой
ламп различных габаритных размеров и мощности, достаточно
большим сроком службы, высокой надежностью и удобством в
эксплуатации. Кроме того, у них практически отсутствует пери-
од разгорания, а узлы крепления и питания этих ламп достаточ-
но простые.
Для использования в оптических приборах можно рекомендо-
вать лампы накаливания типа ОП, к качеству стекла баллонов,
форме и расположению тела накала которых предъявляются
повышенные требования. Близки к ним по качеству лампы типа
PH (различного назначения) и кинопроекционные лампы. Для
ОЭП, работающих в условиях тряски и вибраций, следует ис-
пользовать самолетные и автомобильные лампы накаливания.
Миниатюрные и сверхминиатюрные лампы накаливания часто
используют в генераторах опорного напряжения ОЭП, оптико-
электронных малогабаритных преобразователях и т.п. Для уве-
личения потока излучения, попадающего на приемник излуче-
ния, при больших дальностях действия ОЭП иногда целесооб-
разно использовать прожекторные лампы.
Особую группу ламп накаливания составляют галогенные
лампы, основанные на восстановлении (регенерации) испарив-
шегося вольфрама под действием присутствующего в колбе га-
логена (метилена, брома и др.), который вследствие разности тем-
ператур между телом накала и колбой снова оседает на тело
накала.
Основными достоинствами галогенных ламп по сравнению с
обычными лампами накаливания являются:
-	большая стабильность потока во времени: после истечения
75% срока службы сила света этих ламп уменьшается примерно
на 5%, а у обычных ламп накаливания это уменьшение может
составлять до 25%;
-	отсутствие потемнения колбы и поэтому большая стабиль-
ность спектрального состава излучения;
-	увеличенная яркость излучения (L~ 3310® кд м 2);
-	увеличенный срок службы;
-	меньшие габаритные размеры и масса при одинаковых с
обычными лампами накаливания мощностях;
202
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
—	меньшая чувствительность к вибрациям, что объясняется
уменьшением длины электрода;
—	их оболочка отличается высокой термостойкостью, нечув-
ствительностью к резким перепадам температуры и атмосфер-
ным осадкам.
У галогенных ламп отсутствует цокольная замазка, поэтому
у них отсутствует смещение тела накала, связанное с поврежде-
нием замазки вследствие изменения температуры.
В ОЭП используются ксеноновые и ртутно-кварцевые газо-
разрядные лампы высокого и сверхвысокого давления, импуль-
сные лампы и некоторые лампы тлеющего разряда [17].
Широкое применение в ОЭП в качестве монохроматических
источников излучения нашли газоразрядные, твердотельные, по-
лупроводниковые, химические и другие лазеры. Конструктив-
ные особенности лазеров, методика их выбора и расчета рассмот-
рены в отдельных курсах и в многочисленной литературе (см.,
например, [13]).
По устойчивости к внешним воздействиям, надежности и
долговечности описанные источники излучения существенно
уступают светодиодам и инфракрасным излучающим диодам.
Они могут работать на открытом воздухе, при высоких темпера-
турах, большой влажности, в условиях воздействия агрессивных
сред и ионизирующего излучения, а их срок службы иногда до-
стигает 100 тыс.ч. Основные недостатки этих излучателей —
больший, чем у ламп накаливания, разброс энергетических па-
раметров, а также недостаточная для ряда ОЭП мощность.
Основные параметры некоторых источников излучения при-
ведены в [25]. Более подробно их конструктивные параметры
рассмотрены в [17].
7.1.2.	Некоторые особенности излучателей,
применяемых в оптико-электронных приборах
Предварительный выбор излучателя, предназначенного
для работы в составе ОЭП, часто проводят на основе энергетиче-
ского расчета, в результате которого определяется один из энер-
гетических параметров излучателя, чаще всего сила излучения
или яркость. В дополнение к общей методике такого расчета,
описанной в п. 6.1, рассмотрим некоторые особенности этих из-
лучателей, а также особенности расчета и выбора их параметров.
Часто распределение силы излучения источника в простран-
стве известно не аналитически, а в виде индикатрисы излуче-
ния. Тогда поток излучения находят путем суммирования пото-
ков, заключенных в пределах отдельных зональных телесных
203
Проектирование оптико-электронных приборов
углов в диапазоне телесного угла £2, охватываемого оптической
системой ОЭП. При этом поток излучения, попадающий во вход-
ной зрачок от симметричного источника, расположенного на
оптической оси ОЭП, определяют по формуле [17]
a^,°I +1
Ф = 2л jP	-coscci+1),
а=0	2
где 1а. и 1а — краевые значения силы света для выбранных
зон; а0 — апертурный угол оптической системы ОЭП или кон-
денсора; (Х( и aj+1 — плоские углы, соответствующие краям зон.
Для расчета потока излучения от несимметричных источни-
ков пользуются набором кривых силы света для плоскостей,
наклоненных к основной плоскости под различными углами <р.
При этом определяют среднее значение силы света для некото-
рой i-й зоны углов а:
^“ср > ~ (^«Ч>1 + ^«Ч>2 + • • + 1а<рп }/П ’
где п — число отсчетов силы света для различных углов <рР
Поток излучения внутри i-й зоны
ДФi =	{cosa; -coscci+1).
Соответственно полный поток, попадающий во входной зра-
чок оптической системы, находят путем суммирования зональ-
ных потоков ДФ,.
Тело накала ламп накаливания выполняют из вольфрама,
который является селективным излучателем. Интегральный ко-
эффициент излучения вольфрама приближенно описывается сле-
дующей зависимостью от температуры нити Т:
ет »1-ехр(-1,47-10-4т).
Отсюда следует, что при увеличении температуры величина
ег увеличивается. График зависимости е(Х, Т) = f(T) для вольфра-
0	№00 ПВО ТгК
ма при постоянных значениях X показан
на рис. 7.1.
Вольфрам — это неравнояркий из-
лучатель: его коэффициент яркости по-
стоянен в диапазоне углов излучения
О ... 10°, а при дальнейшем росте этого
угла немного увеличивается, достигая
максимума, равного 116% постоянного
Рис. 7.1. График функции efX.T) = /(Г) при
различных значениях X
204
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
значения, при а — 75°, а потом уменьшается до нуля при а = 90°.
Для приближенных расчетов иногда среднюю плотность из-
лучения вольфрамовой нити принимают равной L ~ 2105 Вт-м“2.
Энергетические параметры и характеристики ламп накали-
вания и их срок службы сильно зависят от напряжения пита-
ния. Для многих ОЭП важны стабильность во времени потока Ф,
испускаемого лампой, а также срок службы £сл, который резко
уменьшается при увеличении напряжения питания. Для оценки
с точностью 1 ... 2% нестабильности Ф и tCJI можно воспользо-
ваться формулой
Н1Н0 = {и/и.)тн,
где Н и Но — значения одной из характеристик лампы при на-
пряжениях на лампе и и ы0; тн — показатель степени, имеющий
различные значения для каждой из характеристик лампы; для
силы света и светового потока т, = 3,61; для срока службы mt^
= —11,2 ... —14,8; для световой отдачи т„ = 2,03 и для электри-
ческой мощности тР = 1,53.
Изменения энергетических характеристик Н вольфрама, вы-
зываемые изменением его температуры Т, описываются зависи-
мостью вида
Н = СнТПн,
где Сн — постоянная, зависящая от характеристики вольфра-
ма, например силы света; пн — показатель степени, завися-
щий от выбранной характеристики и абсолютной температу-
ры (табл. 7.1).
Таблица 7.1
Значения параметров пн для плотности излучения (пм),
яркости (nJ и световой отдачи (nJ при различных
температурах вольфрамовой нити
Темпе- ратура, 7, К	пм	ni	п п	Темпе- ратура, 7, К	лм	nL	п п
1000	5,65	22,75	17,3	2600	4,61	9,75	5,1
1200	5,49	19,90	14,2	2800	4,54	9,06	4,5
1400	6,34	17,40	12,0	3000	4,48	8,45	4,0
1600	5,20	15,47	10,3	3200	4,43	7,94	3,5
1800	5,06	13,90	8,8	3400	4,41	7,50	3,1
2000	4,93	12,57	7,6	3600	4,39	7,14	2,8
2200	4,81	11,48	6,7	3656	4,38	7,06	2,7
2400	4,71	10,65	5,8				
205
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.2. Спектры излучения газоразрядных ламп сверхвысокого дав-
ления:
а — ксеноновой; б — ртутной
Спектральные характеристики газоразрядных источников
излучения, используемых в ОЭП (ксеноновой и ртутной газораз-
рядных ламп сверхвысокого давления), показаны на рис. 7.2.
Эти газоразрядные лампы являются неравнояркими излучате-
лями, а их коэффициенты яркости зависят от типа ламп.
Монохроматическим источником, часто применяемым в
ОЭП, является лазер. Напомним особенности лазерного излуче-
ния, а именно: отсутствие реальной излучающей поверхности,
поскольку излучение возникает в некотором объеме активного
элемента и формируется резонатором в узконаправленный пу-
чок; модовый состав излучения, что вызывает неравномерность
распределения плотности излучения в сечении пучка и по
направлению; особая структура пучка, определяемая дифракци-
онным характером расходимости излучения, вследствие чего
размер поперечного сечения пучка изменяется по гиперболичес-
кому закону.
Для лазерного излучателя плотность потока излучения в лю-
бой точке одномодового излучения [13]
Ме =^2фДло)2^ ехр -2(гДо)2 ,
где Ф — полный поток излучения лазера; (О — размер сечения
пучка лучей лазера, отсчитываемый по уровню, равному 1/е2
максимальной освещенности; г — расстояние от оси пучка лучей
до точки, где определяется значение Ме.
Энергетическую силу света в определенном направлении при
одномодовом режиме лазера рассчитывают по следующей фор-
муле:
/^гФП^ехр -2(е/е0)2 ,
где 0 — угол между данным направлением и осью лазерного луча;
©о — угол расходимости излучения лазера; Qq — телесный угол,
206
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
внутри которого распространяется излучение лазера, Qo = 2л (1 —
- cos 6).
Поток излучения, проходящий через определенное сечение с
радиусом г,
|	2
Фе = Ф-|1—exp — 2(г/о))
В случае многомодового излучения лазера при расчете при-
ближенно считают, что распределение энергии по сечению пуч-
ка равномерное, и пользуются средними значениями М или I, а
при необходимости определяют его экспериментально.
Спектры излучения светодиодов довольно узки. Некоторые
из них представлены на рис. 7.3. Индикатрисы излучения све-
тодиодов неравномерны, и у светодиодов разных типов они не-
одинаковые.
Рис. 7.3. Спектры излучения некоторых светодиодов:
а — АЛ 102 и ЗЛ 102 красного (1) и зеленого (2) цветов; б— АЛ 118А и ЗЛ 118А
при различной температуре (t = -60°С; 25°С; 85°С)
7.1.3.	Конструкции узлов источников излучения
Конструкции узлов источников излучения включают соб-
ственно источник, элементы его крепления, юстировки, амор-
тизации, охлаждения и др. Их разрабатывают с учетом конст-
руктивных особенностей самого источника, его параметров и
характеристик.
Рассмотрим основные требования, предъявляемые к узлам
крепления источников излучения.
1.	Обеспечение стабильности положения источника и инди-
катрисы его излучения независимо от изменяющихся внешних
факторов.
2.	В конструкции узла должны быть предусмотрены необхо-
димые юстировки положения излучателя. При этом обычно (но
207
. Проектирование оптико-электронных приборов
не всегда) необходимо предусмотреть следующие юстировочные
перемещения излучающего элемента: перемещение вдоль опти-
ческой оси для совмещения изображения этого элемента с плос-
костью диафрагмы (марки) или с другой заранее предусмотрен-
ной плоскостью; перемещение в двух взаимно перпендикуляр-
ных направлениях в плоскости, перпендикулярной к оптичес-
кой оси конденсора, для совмещения центра излучающего эле-
мента с этой оптической осью; вращение излучающего элемента
вокруг оптической оси для обеспечения равномерности освеще-
ния диафрагмы, выходного зрачка конденсора или объектива
передающей оптической системы. При плохо центрированном
излучателе выходящие из конденсора пучки лучей будут иметь
тени и разрывы, что приводит к уменьшению резкости изобра-
жения излучателя, а иногда к появлению ореола вокруг него, в
результате чего увеличивается погрешность измерений.
3.	В узле крепления источника излучения должны быть пре-
дусмотрены меры для эффективного отвода от него тепловой
энергии и ослабления излучения от нагретых элементов его кон-
струкции. При этом необходимо, чтобы в состоянии теплового
равновесия температура источника излучения не превышала до-
пустимого для него предела.
4.	Размер диафрагмы конденсора или передающей оптичес-
кой системы должен быть согласован с заданной или рассчитан-
ной угловой расходимостью пучков лучей от излучателя. Иногда
размер диафрагмы выбирают минимальным, что позволяет
уменьшить угловую расходимость пучка лучей и снизить потери
потока за счет диафрагмирования во входном зрачке ОЭП, а
иногда и обеспечить достаточную равномерность распределения
потока в сечении пучка лучей.
5.	Узел крепления источника излучения должен быть прост
по конструкции, надежен при воздействии внешних условий экс-
плуатации, иметь минимальные габаритные размеры и массу.
Работоспособность и надежность источника излучения во
многом зависят от температуры окружающей среды и его соб-
ственной температуры. В технических условиях на источники
часто указывают предельную температуру, при превышении
которой их эксплуатировать нельзя. Поэтому одной из важней-
ших задач конструктора является обеспечение правильных теп-
ловых режимов работы источников излучения. Ориентировоч-
ный расчет тепловых режимов работы узлов источников излуче-
ния может быть выполнен на основе методики, изложенной в п.
6.5.
Если в результате расчета первого варианта конструкции узла
источника излучения температура нагретой зоны узла полу-
208
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
чилась выше допустимой, то необходимо интенсифицировать
охлаждение. Этого проще всего добиться за счет обеспечения
хорошей теплопроводности патрона, кожуха и других элементов
узла излучателя, т.е. для этих элементов необходимо выбирать
материалы с большим коэффициентом теплопроводности. К та-
ким материалам относятся медь и алюминий. У стали коэффи-
циент теплопроводности почти в 4 раза меньше, чем у алюми-
ния. Иногда хорошие результаты дает использование прокладок
между деталями из бериллиевой керамики. Для уменьшения теп-
лового сопротивления между патроном излучателя и кожухом
необходимо увеличивать площадь их соприкосновения. Так как
микронеровности уменьшают площадь теплового контакта, чис-
тота обработки контактирующих поверхностей должна быть
высокой.
Для интенсификации передачи тепловой энергии за счет
излучения в окружающее пространство нужно увеличивать коэф-
фициент излучения кожуха и других деталей узла, особенно
сильно нагреваемых. Чтобы увеличить коэффициент излучения
этих деталей, их поверхности следует окрашивать темными крас-
ками, дающими шероховатое покрытие: масляной краской (ко-
эффициент излучения ег=0,89 ... 0,93) или эмалью холодной
сушки (коэффициент излучения ет = 0,92 ... 0,96).
Использование ребер в нагреваемых деталях узла тоже позво-
ляет увеличить теплоотдачу за счет конвекции и теплопровод-
ности, так как ребра увеличивают площадь нагреваемой поверх-
ности. При этом материал ребер должен иметь высокую теплопро-
водность и хороший тепловой контакт с источником излучения.
Для дальнейшей интенсификации теплоотдачи в кожухе вы-
полняют отверстия или жалюзи, через которые воздух из
окружающего пространства попадает внутрь кожуха, охлаждает
излучатель и другие детали узла. Нагретый воздух, поднимаясь
вверх, выходит из кожуха через верхние отверстия, а на его место
через отверстия в нижней части кожуха поступает воздух из
окружающего пространства с более низкой температурой.
Процесс теплоотдачи можно ускорить путем использования
принудительной вентиляции в кожухе с помощью вентиляторов,
устанавливаемых в кожухе и перемешивающих воздух внутри
него. Однако применение вентиляторов увеличивает габаритные
размеры узла излучателя и усложняет его конструкцию. Разме-
щать вентиляторы следует так, чтобы выделяемая ими энергия
не ухудшала тепловой режим источника излучения. В ряде слу-
чаев отверстия в кожухе узла излучателя не допускаются, например
при работе в загрязненной среде, и для охлаждения используют
209
Проектирование оптико-электронных приборов
принудительную циркуляцию воздуха внутри закрытого кожуха с
помощью вентиляторов или тепловые трубы (см. гл. 10).
Если рассмотренные меры не обеспечивают нормальный
тепловой режим узла излучателя, то применяют жидкостное
охлаждение. Эффективность охлаждения увеличивается вслед-
ствие того, что жидкости, в частности вода, обладают большей
теплопроводностью и теплоемкостью, чем газы. Однако приме-
нение жидкостного охлаждения значительно усложняет конст-
рукцию узла излучателя, и этим способом пользуются ограни-
ченно, в основном для охлаждения некоторых газоразрядных
ламп и мощных лазеров. В качестве охлаждающей жидкости
чаще всего служит дистиллированная вода.
Иногда для предотвращения перегрева оптической системы
ОЭП за счет излучаемой источником тепловой энергии в узле
излучателя целесообразно устанавливать теплофильтры, погло-
щающие эту энергию и рассеивающие ее в пространство.
Рассмотрим примеры конструкций узлов источников излу-
чения, которые часто приходится разрабатывать конструктору
ОЭП.
Юстируемый узел крепления современной лампы
КГМ 6,6-65 показан на рис. 7.4. На основании 4 с помощью двух
пружинных пластинчатых держателей 2, выполненных из берил-
лиевой бронзы, крепится лампа. Один из держателей имеет элек-
трический контакт с основанием, а другой изолирован от него с
помощью изолирующей пластины 3. Для ослабления вибрации,
передаваемой на лампу через кольцо 6, служат пружины, уста-
Рис. 7.4. Узел крепления галогенной лампы КГМ 6,6-65
210
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
навливаемые в трех отверстиях основания 4. Эти пружины сжи-
маются шариками, размещаемыми в отверстиях.
К основанию прикрепляется прижим 5, который прижимает
к нему эбонитовую промежуточную втулку 1. К втулке 1 при-
винчивается кольцо 6, перемещающееся в корпусе конденсора.
Ввинчивая кольцо 6 в резьбовое отверстие корпуса, можно юсти-
ровать лампу в ее поперечном направлении, юстировка лампы в
продольном направлении обеспечивается винтами 7. К контак-
там 8 лампы припаиваются электрические провода.
Узел крепления кинопроекционной лампы К 10,5-80 с мати-
рованной колбой, которую можно использовать для имитации
равномерного фонового излучения, с узлом юстировочных подви-
жек показан на рис. 7.5. Штифтовый патрон лампы 1 вставляет-
ся в эбонитовую обойму 2, в которой имеются отверстия для
контактной пластины и контактной втулки. Контактная втулка
снабжена пружиной для обеспечения надежного контакта. Про-
вода кабеля 9 припаиваются к соответствующим контактам лам-
пы. Обойма 2 привинчивается к втулке 3, которая крепится вин-
тами на втулке 4, жестко скрепленной с микрометренным вин-
том 10. Узел 5 юстировочных подвижек лампы позволяет выпол-
нять юстировочные перемещения лампы по трем взаимно пер-
пендикулярным направлени-
ям. Перемещения по двум из
них обеспечиваются с по-
мощью двух винтов с барабан-
чиками 7 (на рисунке показан
один винт), а в третьем направ-
лении — с помощью винта 10,
вращающегося относительно
гайки, жестко закрепленной на
направляющих 6. При враще-
нии барабанчиков 7 лампа 1 пе-
ремещается в направляющих 6.
При вращении барабанчика 8
перемещается микрометрен-
ный винт 10 вместе с закреп-
ленной на нем втулкой 4.
Рис. 7.5. Узел крепления кино-
проекционной лампы К 10,5-80
211
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.6. Узел крепления ксеноновой газоразрядной лампы:
а — общий вид; б — зажим с обоймой; в — разрезной зажим
Общий вид узла крепления ксеноновой лампы ДКсШ 3000-
3 показан на рис. 7.6, а. Лампа 3 с наконечниками закреплена с
обеих сторон в зажимах 1 и 5, к которым привинчены изоля-
торы 2 и 4, выполненные, например, из эбонита. Цилиндричес-
кие наконечники ксеноновой лампы ввинчиваются в ее резьбо-
вой цоколь. Разрезной зажим 1 и зажим 5 с обоймой отдельно
изображены на рис. 7.6, б, в, соответственно.
Зажим с обоймой 8 (см. рис. 7.6, б) состоит из вала 7, кор-
пуса 5, втулки 8, пальца 4, ручки 1, жестко закрепленной штиф-
том 2 на валу 7, кольца 3 и обоймы 6. При вращении вала 7
обойма 6 перемещается в корпусе 5, закрепляя в нем наконеч-
ник лампы. Палец 4 служит для фиксации обоймы 6, а упорное
кольцо 3 — для фиксации вала 7.
К кронштейну 1 разрезного зажима (см. рис. 7.6, в) крепит-
ся винтами корпус 3. Для жесткости конструкции корпус 3 скреп-
лен двумя планками 2. Верхняя часть корпуса может поворачи-
ваться вокруг оси 5. Ребра корпуса предназначены для отвода
теплоты от лампы. Винт 4 служит для обжатия обеих частей
корпуса 3 наконечника лампы.
Газоразрядная лампа ДКсР 150а-1 с водяным охлаждением
(рис. 7.7) ввинчивается в наконечники, укрепленные в двух за-
жимах 3 и 8, расположенных по обе стороны лампы. На каждом
зажиме имеются изоляторы 2 и 4, к которым крепится узел охла-
ждения 6. Вода циркулирует в трубках в направлении, указан-
ном стрелками. К зажимам 8 присоединены хомуты 7 для закреп-
ления трубки. Болт 5 и прокладка 9 служат для амортизации
лампы. В системе охлаждения предусмотрена заглушка 1.
Осветитель, в котором используется оптическая лампа ОП 3-
0,25, показан на рис. 7.8. Лампа в корпусе 6 вставляется во втул-
ку 5, которая навинчивается на корпус 1 осветителя. Втулка 5
имеет наружную резьбу, на которую навинчивается гайка 4, под-
жимающая узел лампы к корпусу 1 осветителя. Втулка 2 с прикле-
212
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.7. Источник излучения с ксеноновой газоразрядной лампой с
водяным охлаждением
енным к ней свето-
фильтром и диафраг-
мой имеет возмож-
ность перемещения
внутри корпуса 1 ос-
ветителя для выс-
тавки диафрагмы в
фокальную плос-
кость двухлинзово-
го склеенного объек-
тива. Для переме-
щения втулки 2 не-
обходимо вывернуть
винт 7. Установка Рис. 7.8. Осветитель с лампой СП 3-0,25
осветителя в прибор
осуществляется с помощью кронштейна 3. Выбранная форма
внутреннего сечения втулки обеспечивает уменьшение рассея-
ния света. Осветитель снабжен поворотным зеркалом, завальцо-
ванным в держателе, прикрепленном винтами к корпусу 1.
213
Проектирование оптико-электронных приборов
Ю
Рис. 7.9. Узел крепления лазера ЛГ-55
Крепление гелий-неонового лазера ЛГ-55 иллюстрирует рис.
7.9. Лазер 6 вставляется в обойму 7 и жестко крепится в ней
хомутиками 5, притягиваемыми к обойме винтами 1. В обойму
7 впрессованы втулки 3. С помощью винтов 9 к обойме прикреп-
ляется плоская пружина 8. Во втулки 3 ввинчиваются винты 4
так, чтобы они упирались в упорные пальцы 2, жестко закреп-
ленные в кронштейне 10.
Узел крепления лазера ЛГ-44 показан на рис. 7.10. Лазер 1
крепится в кронштейне 4 с помощью фиксирующих колец 3,
которые прикреплены к кронштейну винтами 2. Юстировку ла-
зера проводят винтами 5. Кронштейн 4 крепится и фиксируется
на направляющих зажимами и винтами.
Рис. 7.10. Узел крепления лазера ЛГ-44
При монтаже микроминиатюрных ламп их приклеивают к
основанию 1 (рис. 7.11, а), где укреплены контакты 4. Выводы
лампы 2, на которые надеваются трубки 3, припаиваются к кон-
тактам 4.
Иногда требуется достаточно точно устанавливать светодио-
ды и лазерные диоды относительно друг друга и относительно
оси коллимационной линзы или объектива. При этом требуемая
214
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис.7.11. Узлы крепления малогабаритных излучателей:
а — микроминиатюрных ламп; б — лазерного диода
погрешность установки может составлять 0,01 мм вдоль опти-
ческой оси и в направлениях х и у, перпендикулярных этой оси.
Пример конструкции узла крепления лазерного диода показан
на рис. 7.11, б. Лазерный диод 1 вставляется в твердое анодиро-
ванное алюминиевое кольцо 3, которое монтируется с неболь-
шим зазором внутри корпуса 4. Наличие этого зазора обеспечи-
вает возможность небольшого наклона диода, который необхо-
дим для совпадения оси диаграммы направленности его излуче-
ния с оптической осью коллимирующей линзы или объектива.
После юстировки положения лазерного диода 1 в зазор вво-
дится специальный эпоксидный клей, имеющий большую теп-
лопроводность и малый температурный коэффициент линейного
расширения. Фланец корпуса 4 четырьмя винтами крепится на
кронштейне 2, устанавливаемом, например, на плате прибора.
За счет эллиптичности отверстий фланца можно регулировать
положение лазерного диода 1 вдоль осей х и у в плоскости, пер-
пендикулярной оптической оси коллимирующей линзы. Колли-
мирующая линза 6 приклеена эпоксидным клеем внутри мини-
атюрного тубуса 7, устанавливаемого в корпусе 4 и фиксируемо-
го в нем винтами 5. Эта линза может перемещаться для юстиров-
ки вдоль ее оптической оси с помощью, например, специального
тубуса, ввинчиваемого в корпус 4.
Эталон 8 для стабилизации длины волны лазерного диода 2
приклеивается к нему эпоксидным клеем. Для отвода тепла от
диода 2 служит стержень 9, устанавливаемый в кронштейне 2.
Узел крепления диода 2 обеспечивает его надежную работу при
тряске, вибрациях и небольших тепловых воздействиях.
215
Проектирование оптико-электронных приборов
7.2.	Оптические узлы оптико-электронных приборов
При всем разнообразии оптических систем ОЭП в конечном
счете они могут быть сведены к ограниченному числу типовых
передающих и приемных оптических систем и их комбинациям
(табл. 7.2). Рассмотрим свойства и конструктивные особенности
основных элементов и узлов оптической системы.
Таблица 7.2
Типовые оптические схемы передающих и приемных
оптических систем
Опти- ческая система	Услов- ное обозна- чение	Обобщенная схема оптической системы				Применение
1	2	3				4
Пере- дающая	ОС.1.1				—		Для формир- ования узко- направлен- них пучков излучения
	ОС.1.2		} 		2	
								
	ОС.1.3	J 1			|2	Для форми- рования пучков при использова- нии тест- объектов больших размеров
			±—-— 			——•	
	ОС.1.4	——			—		Для формир- ования узко- направлен- ных пучков лазерного излучения
216
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
ОС.2.1
Продолжение табл. 7.2
При исполь-
зовании
растровых
анализаторов
изображения,
при установке
приемника
излучения
(ПИ) вблизи
плоскости
изображения,
при исполь-
зовании
координатно-
чувствитель-
ного ПИ
Прием-
ная
ОС.2.2
При исполь-
зовании ПИ
с малым раз-
мером чувст-
вительных
площадок,
для анализа-
торов
сложной
конструкции
ОС.2.3
При исполь-
зовании дис-
пергирующих
элементов,
пространст-
венно-вре-
менных моду-
ляторов и др.
устройств,
работающих
в параллель-
ных пучках
лучей
Принятые обозначения: 1 — источник излучения; 2 — объектив; 3 — конденсор;
4 — тест-объект; 5 — полевая диафрагма; 6 — приемник излучения. Штриховыми
линиями указаны зоны возможного расположения оптических элементов:
анализаторов изображения, компенсаторов, сканирующих систем, ослабителей
оптического излучения, бленд, модуляторов и т.п.
7.2.1. Объективы
К важнейшим габаритным параметрам объектива от-
носятся: диаметр входного зрачка D, фокусное расстояние f',
относительное отверстие D]f , угловое поле 2со, длина оптиче-
ской системы объектива L, задний фокальный отрезок s'r. В
зависимости от назначения оптической системы эти параметры
217
Проектирование оптико-электронных приборов
часто дополняют другими, характерными для данной группы
приборов, например числовой апертурой А в пространстве пред-
метов, линейным увеличением р.
Основными энергетическими показателями являются коэф-
фициент пропускания т0, спектральная характеристика про-
пускания тх = т(Х), а иногда геометрическая светосила (D/f)2,
физическая светосила T0(D/f')2 и коэффициент усиления Лопт
объектива оптической системы.
Важное значение при выборе объектива имеет анализ пара-
метров и характеристик, определяющих качество оптического
изображения. Критериями качества объектива могут служить его
аберрации, зная которые, можно найти диаметр кружка рассея-
ния и распределение энергии в нем. Ранее широкое применение
как критерий качества объективов имела разрешающая способ-
ность, однако в настоящее время ее используют в основном для
визуальных систем. Более универсальной характеристикой ка-
чества оптической системы является оптическая передаточная
функция (ОПФ) и ее составляющие — функция передачи модуля-
ции (ФПМ) и функция передачи фазы (ФПФ). Применяют также
другие критерии оценки качества: функцию рассеяния, отклоне-
ние волнового фронта и др. [24].
Помимо указанных выше параметров и характеристик необ-
ходимо учитывать массу объектива, материал и форму оптиче-
ских деталей, число компонентов и их взаимное расположение,
способ изготовления, чувствительность к различным внешним
воздействиям (изменению температуры и влажности, действию
вибрации, ударов, радиации), надежность, технологические и
эксплуатационные особенности конструкции, стоимость и т.п.
От правильного выбора параметров и конструкции объектива
во многом зависит выполнение требований ТЗ на ОЭП.
Как известно, минимально необходимый для надежной ра-
боты ОЭП диаметр D входного зрачка объектива может быть
найден в результате энергетического расчета. Зная этот диаметр,
можно приступить к выбору объектива исходя из спектрального
диапазона работы ОЭП, диаметра кружка рассеяния (разрешаю-
щей способности), фокусного расстояния, углового поля и Дру-
гих габаритных параметров, а также чувствительности к различ-
ным внешним воздействиям, максимально допустимой массы,
стоимости и других технико-экономических параметров.
Рекомендуется следующий порядок выбора объектива ОЭП.
1.	На основе энергетического уравнения с учетом ориенти-
ровочного значения порогового потока ФпОЭП прибора определя-
ют минимально допустимый диаметр D входного зрачка объек-
тива.
218
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
2.	В соответствии с изложенным выше и с учетом основных
требований ТЗ выбирают тип объектива (линзовый, зеркальный
или зеркально-линзовый), спектральная характеристика кото-
рого согласуется со спектральной характеристикой приемника и
источника излучения.
3.	Исходя из требований ТЗ выбирают ориентировочные зна-
чения фокусного расстояния и относительного отверстия объ-
ектива.
В ряде случаев фокусное расстояние f определяется размером
чувствительной площадки приемника излучения: f < а/(2 tg to),
где а — минимальный размер чувствительной площадки прием-
ника. При этом для высокоточных измерительных ОЭП относи-
тельное отверстие объектива следует выбирать в диапазоне
1/10 ... 1/5. Это обусловлено тем, что при больших относи-
тельных отверстиях увеличиваются аберрации объектива и, сле-
довательно, диаметр кружка рассеяния. Так как погрешности
измерения в большинстве случаев пропорциональны этому диа-
метру, то увеличивать его нецелесообразно. Для узкопольных уг-
ломерных ОЭП, имеющих допуск на погрешности более не-
скольких угловых секунд, в целях улучшения энергетических
параметров относительное отверстие выбирают в диапазоне
D/f= 1/0,8 ... 1/2. Для некоторых приборов диаметр кружка
рассеяния может быть равным минимальному размеру площад-
ки приемника, для других — равным размеру ячейки растра.
4.	По каталогу подбирают объектив, имеющий необходимые
ориентировочные значения D, f', 2(0, диаметр кружка рассеяния,
а также габаритные, энергетические и технико-экономические
параметры.
Следует иметь в виду, что не всегда просто удается согласо-
вать основные параметры объектива D, f и 2со с размерами чув-
ствительной площадки приемника излучения. В таких случаях
следует применять оптическую систему ОЭП с конденсором.
Если в каталоге отсутствуют объективы, имеющие необхо-
димые параметры, то выбирают оптическую схему нового объек-
тива. После этого проводят ее габаритный, а затем и аберрацион-
ный расчеты. Часто проектирование нового объектива является
довольно сложной задачей, поэтому ТЗ на его разработку выда-
ется специальному оптическому отделу.
Рассмотрим пример выбора объектива.
Выберем объектив для ОЭП, предназначенного для обнаруже-
ния излучателя, по следующим исходным данным: угловое поле
2со — 3°; приемник излучения — сернисто-свинцовый фоторези-
стор ФСА-1; габаритные размеры прибора не более 400 х 300 х 200
мм, масса не более 5 кг.
219
Проектирование оптико-электронных приборов
Последовательность операций при выборе объектива следую-
щая.
1.	Из энергетического расчета (см. п. 6.1) находим минималь-
ный диаметр DmiI1 входного зрачка объектива, например 120 мм.
2.	Поскольку объектив должен работать в довольно широ-
кой области спектра (длинноволновая граница спектральной
чувствительности фоторезистора Х2 ~ 2,7 мкм), выбираем зеркаль-
ный объектив, у которого отсутствуют хроматические аберрации
и селективное поглощение энергии излучения, а продольные
габаритные размеры меньше, чем размеры линзового объектива.
Кроме того, он проще в изготовлении и дешевле линзового объек-
тива. Относительное отверстие D/f объектива можно выбирать в
диапазоне 0,5 ... 1,2, так как он имеет малое угловое поле, а
допустимый диаметр кружка рассеяния может быть равен ши-
рине чувствительной площадки фоторезистора ФСА-1 (площадь
чувствительного слоя 3x4 мм).
3.	С учетом экранирования входного зрачка зеркального объ-
ектива контрзеркалом (см. рис. 7.21) найдем наружный диаметр
зеркала из условия
(л/4)(р2-</2) = (л/4)В^,
где d — диаметр контрзеркала.
Приняв ориентировочно d = 50 мм, найдем D = 130 мм.
4.	При относительном отверстии D/f = 1:0,8 фокусное рас-
стояние объектива f = 105 мм. Диаметр кружка рассеяния, обу-
словленный сферической аберрацией, может быть вычислен по
приближенной формуле [38] dKP = 2-7,810“3х (D/f)2 f = 2,9 мм,
что вполне допустимо, так как кружок такого диаметра полнос-
тью попадает на чувствительную площадку фотоприемника.
5.	Далее производится габаритный расчет зеркального объек-
тива или по каталогу подбирается готовый объектив с D ~
= 130 мм и /' ~ 105 мм.
К конструкциям объективов предъявляют следующие требо-
вания. Они должны обеспечивать: возможность подвижки всего
объектива вдоль оптической оси в целях совмещения плоскости
изображения (например, фокальной) с плоскостью анализа;
взаимное перемещение компонентов объектива для компенсации
погрешностей выполнения их фокусного расстояния; центриров-
ку объектива; совмещение оптической оси объектива с геометри-
ческой осью прибора.
Простыми по конструкции и широко применяемыми явля-
ются двухлинзовые склеенные и несклеенные объективы. Их
устанавливают в оправе. Для крепления линз объективов обыч-
но используют резьбовые кольца. Резьбовые кольца выполняют
220
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.12. Крепление оптичес-
ких деталей резьбовыми кольца-
ми:
а — с наружной резьбой: б — с внут-
ренней резьбой; в — резьбовым и
промежуточным кольцами
с наружной и внутренней
резьбой (рис. 7.12). Размеры
колец определяют на основе
е)
требуемого светового диамет-
ра и шага применяемой резьбы. Толщина резьбового кольца с
наружной резьбой по оси составляет 6 ... 10 шагов резьбы.
Указанные размеры регламентируются конструкторскими
нормами.
Для устранения срезания световых пучков внутреннее отвер-
стие резьбовых колец иногда растачивают на конус, оставляя не-
большой участок цилиндрической поверхности. На нерабочем
торце резьбового кольца для обеспечения ввинчивания выпол-
няют либо шлицевые пазы, либо отверстия под ключ. При этом
глубина шлицев не должна быть более 1/3 толщины кольца.
Кольца с внутренней резьбой позволяют сделать узел крепления
более компактным вдоль оптической оси. Толщина упорного
буртика этих колец составляет 0,5 ... 2,0 мм в зависимости от
диаметра закрепляемой детали. Все резьбовые кольца для
предотвращения возможного самоотвинчивания фиксируются
стопорными винтами.
Достоинствами рассмотренного способа закрепления являют-
ся простота сборки и разборки узла, надежность фиксации
оптической детали. Однако вследствие перекосов резьбового коль-
ца, вызванных погрешностями его изготовления, может возник-
нуть неравномерное давление торца резьбового кольца на опти-
ческую деталь, что приведет к ее деформации, особенно замет-
ной у деталей больших диаметров. Кроме того, вследствие раз-
личий коэффициентов линейного расширения материалов опти-
ческих деталей и оправ при колебаниях температуры возможно
появление либо дополнительных напряжений, либо зазоров меж-
ду оптической деталью и зажимным кольцом. Для устранения
указанных недостатков между кольцом и деталью можно уста-
навливать пружинное кольцо. Пример подобной конструкции
узла крепления приведен на рис. 7.13.
Конструкция оправы для крепления объектива обусловли-
вается способом крепления и числом устанавливаемых в нее дета-
лей, а также характером установки оправы в приборе. Наиболее
распространенными являются круглые оправы, так как они про-
221
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.13. Крепление линзы с использованием пру-
жинного кольца:
1 — линза; 2 — оправа; 3 — прокладка; 4 — кольцо пру-
жинное; 5 — кольцо зажимное
сты по конструкции и технологичны. Оправа со-
держит конструктивные элементы, обеспечива-
ющие закрепление оптических деталей и уста-
новку оправы в корпус прибора.
Если деталь крепится в оправе резьбовым
кольцом, внутренний диаметр резьбы должен
быть на 0,1 ... 0,5 мм больше диаметра детали
для обеспечения возможности установки ее в оп-
раву.
Для закрепления системы оптических дета-
лей, между которыми должны быть выдержаны определенные
промежутки, используют разделительные кольца. Их диаметры
находят аналогично диаметрам пружинных колец, а толщину по
оси определяют как сумму h = аг + а2 + d + Д, где аг и а2 —
стрелки прогиба сферических поверхностей с их знаками; d —
воздушный промежуток; Д — припуск на подрезку кольца при
сборке для обеспечения воздушного промежутка. Разделитель-
ные кольца иногда устанавливают также между резьбовым коль-
цом и оптической деталью.
Длину посадочного пояска при закреплении нескольких
оптических деталей рассчитывают с учетом толщин деталей в
местах касания их с разделительными кольцами, толщин
разделительных и пружинных колец. При этом последняя де-
таль должна выступать за пределы пояска на 0,3 ... 1,0 мм для
обеспечения зажима резьбовым кольцом. Эта рекомендация от-
носится и к закреплению одиночной детали.
При невозможности крепления оптических деталей объек-
тива резьбовыми кольцами применяют способ завальцовки. Для
закрепления деталей завальцовкой на металлической оправе
выполняется тонкая кромка, которая в процессе завальцовки
загибается на фаску оптической детали. Крепление завальцов-
кой отличается высокой надежностью и применяется для дета-
лей диаметром 10 мм и менее, а так-
же для деталей большого диаметра
(до 80 мм) в тех случаях, когда не-
возможно закрепление резьбовым
кольцом (рис. 7.14).
Рис. 7.14. Крепление линз завальцовкой:
а — склеенной; б — одиночной; в — системы
линз с промежуточными кольцами.
222
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.15. Параметры профиля
кромки оправы линзы под заваль-
цовку
Рис.7.16. Крепление круглых оп-
тических деталей с направляю-
щим пояском на оправе
Параметры профиля кромки оправы под завальцовку приве-
дены на рис. 7.15. Отверстие оправы линзы при креплении ее
завальцовкой обычно выполняется с полем допуска Н9.
Иногда линзы крепят приклеиванием. С этой целью клей или
герметик заливают в зазор между линзой и оправой или в спе-
циально выполненные фаски. Этот способ неприменим для тон-
ких линз, поскольку при затвердевании клея они могут деформи-
роваться. Для приклеивания применяют различные клеи (ПУ-2,
ОК-50П и др.) и герметики (УТ-32, УТ-34).
Обычно круглые оправы крепятся в корпусе на резьбе, диа-
метр которой определяется конструктивными соображениями.
Наименьший диаметр резьбы выбирают так, чтобы диаметр рас-
точной канавки для выхода резьбонарезного инструмента был
больше внутреннего диаметра оправа в соответствующем сече-
нии. Разность указанных диаметров зависит от габаритных раз-
меров закрепляемой детали: для деталей диаметром до 30 мм
она не должна быть меньше 1 мм, а для деталей диаметром до
60 мм — не менее 2 мм и т.д.
Помимо наружной резьбы оправа может иметь направляю-
щий поясок, который необходим в тех случаях, когда требуется
высокая точность центрировки. При этом центрирующий поясок
1 выполняется по посадке H7/h6, а резьба — с полем допуска g6
(рис. 7.16). Оправа для фиксации положения вдоль оптической
оси обычно имеет упорный буртик 2.
Для удобства закрепления оправы снабжаются шлицами,
отверстиями под ключ или рифлением. Помимо этого, оправы
могут иметь конические расточки для уменьшения срезания пуч-
ков, а также рифления внутренних поверхностей с шагом 0,3 ...
0,5 мм и углом профиля 60° для уменьшения бликов. Чтобы
уменьшить отражение лучей и устранить блики, оправы подвер-
223
Проектирование оптико-электронных приборов
7.17. Юстировка положения объектива вдоль оптической оси
гают матовому чернению или окраске черной матовой или глу-
бокоматовой эмалью.
В качестве материалов для изготовления оправ применяют
латунь ЛС59-1, различные марки сталей и незакаленные алюми-
ниевые сплавы. Иногда используют также легкие титановые и
бериллиевые сплавы.
Для обеспечения малого воздушного зазора между несклеен-
ными компонентами линзы разделяют тонкими прокладками из
фольги толщиной 0,08 ... 0,10 мм, расположенными под углом
120°. В корпус прибора оправу объектива устанавливают чаще
всего на резьбе. Для точной центрировки объектива в посадоч-
ном гнезде корпуса может быть выполнен направляющий поясок.
Юстировка положения объектива вдоль оптической оси обе-
спечивается вращением оправы по резьбе (рис. 7.17, а). Для ком-
пенсации требуемого при юстировке перемещения оправы либо
подрезают ее торец (рис. 7.17, б), либо подгоняют осевой размер
юстировочного кольца (рис. 7.17, в), либо устанавливают в зазор
между оправой и корпусом набор прокладок (рис. 7.17, г). Для
подрезки оправы или юстировочного кольца при их изготовле-
нии должны быть предусмотрены со-
ответствующие припуски. Чтобы обес-
печить поперечное смещение оптичес-
кой оси объектива, между его оправой
и корпусом устанавливают эксцент-
ричное кольцо 3 (рис. 7.18). При одно-
Рис. 7.18. Объектив в эксцентричной оп-
раве с креплением кольцом:
а — резьбовым; б — накладным;
1 — объектив; 2 — эксцентричная оправа;
3 — кольцо эксцентричное; 4 — корпус объекти-
ва; 5 — кольцо резьбовое; 6 — кольцо накладное
224
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
временном вращении оправы и кольца можно получить неболь-
шое смещение оптической оси в любом направлении. Значение
смещения определяется эксцентриситетом втулки. Обычно экс-
центриситет составляет 0,5 ... 1,0мм, что вполне достаточно для
большинства случаев. Положение объектива после юстировки
фиксируется установочным винтом.
Многокомпонентные линзовые объективы имеют более слож-
ную конструкцию. Необходимо отметить, что в ОЭП, работаю-
щих в видимом диапазоне спектра, широко применяют серийно
выпускаемые промышленностью фотографические, киносъемоч-
ные, проекционные и репродукционные объективы (рис. 7.19).
Высокое качество изображения объективов указанных типов
достигается высокой точностью центрировки и обеспечения воз-
душных промежутков. При этом расточку гнезда под линзу и
обточку центрирующего пояска или посадочной резьбы выпол-
няют одновременно. В ряде случаев посадочный диаметр оправы
обтачивают при сборке объектива.
Рис. 7.19. Конструкции некоторых выпускаемых промышленностью
объективов:
а — «Юпитер-12»; б — «Орхидея-1»; в — «Гелиос-40»; г — «Индустар-26М»
225
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.20. Конструкция насыпного объектива:
1, 3. 7, 9, 12 — линзы в оправах; 2, 4, 6, 8. 10, 13 — кольца разделительные;
5 — диафрагма; 11 — корпус объектива; 14 — оправа фильтра; 15 — кольцо
резьбовое
Наиболее высокую точность можно получить в объективах
насыпной конструкции (рис. 7.20), когда каждую одиночную
линзу или склеенный компонент устанавливают в своей оправе.
При этом оправы всех линз и промежуточных колец должны
иметь равные диаметры с допуском, при котором зазор по отно-
шению к корпусу составляет 0,01 ... 0,02 мм. Воздушные проме-
жутки между компонентами выдерживаются путем подрезки
торцов оправ или промежуточных колец при сборке.
Из линзовых объективов других типов необходимо отметить
телеобъективы, обеспечивающие перефокусировку в процессе
работы прибора путем перемещения отрицательного компонента
объектива. Другим достоинством телеобъективов является мень-
шая длина их оптической системы по сравнению с длиной оптиче-
ской системы объективов обычных типов.
В телеобъективе (рис. 7.21) отрицательный компонент 15
устанавливается в подвижной оправе, перемещаемой с помощью
простейшего механизма (например, кулачкового, реечного,
рычажного). Для обеспечения легкого и без перекосов хода лин-
зы длина оправы должна составлять не менее двух ее диаметров.
Чтобы уменьшить трение, оправу базируют двумя поясками,
каждый из которых имеет три опоры, расположенные под углом
120° одна к другой. Одна из опор пружинящая, для чего в оправе
226
Глава 7 Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.21. Конструкция телеобъектива:
1 — линзы положительного компонента; 3 — оправа положительного компонен-
та; 3 — кольцо юстировочное; 4 — втулка разделительная; 5 — кольцо резьбо-
вое; 6 — кольцо пружинное; 7 — корпус телеобъектива; 8 — бленда; 9 — оправа
отрицательного компонента; 10 — кремальера; 11 — поводок; 12 — кольцо фо-
кусирующее; 13 — установочный винт; 14 — кольцо переходное; 15 — отрица-
тельный компонент; 16 — кольцо резьбовое
сделаны соответствующие вырезы. Цилиндрическое отверстие в
корпусе и оправу линзы при сборке телеобъектива подвергают
шлифованию и притирке.
Зеркальные объективы обычно состоят из двух компонен-
тов— главного зеркала и контрзеркала (рис. 7.22, а). Поскольку
основным недостатком зеркальных объективов является значи-
тельная чувствительность к деформациям как самих зеркал, так
и их оправ, конструкция таких объективов должна быть жест-
кой. Эти требования могут быть выполнены при изготовлении
корпуса объектива в виде трубы. Главное зеркало должно быть
закреплено способом, исключающим его деформации (посадка
на три точки, крепление за ободок центрального отверстия, ис-
пользование эластичных прокладок).
Контрзеркало крепится на оправе, имеющей перемычки, рас-
положенные под углом 120° одна к другой. Так как входной
зрачок объектива имеет кольцевую форму, для уменьшения
деформаций контрзеркала его можно крепить, используя отвер-
стие в центре.
Для устранения паразитных засветок внутри объектива обыч-
но устанавливают бленду, размеры которой определяются при
габаритном расчете. Этой же цели могут служить диафрагмы и
рифления, выполняемые на стенках корпуса и бленды.
Особенностью конструкции одного из зеркально-линзовых
объективов, показанного на рис. 7.22, б, является то, что его
контрзеркало выполнено непосредственно на обращенной к глав-
ному зеркалу поверхности ахроматического мениска. Такая схе-
ма упрощает конструкцию объектива и повышает его стабильность.
227
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.22. Конструкции объективов:
а — зеркального: 1 — кольцо резьбовое;
2 — корпус объектива; 3 — корпус контр-
зеркала; 4 — переходник; 5 — контрзер-
кало; 6 — гайка; 7 — бленда; 8 — главное
зеркало; 9 — оправа главного зеркала; 10
— кольцо зажимное;
б — зеркально-линзового: 1 — корпус;
2 — мениск; 3 — оправа мениска; 4, 11,
14 — кольца резьбовые; 5 — кольцо
промежуточное; 6, 15 — крышки;
7 — бленда; 8 — зеркало; 9 — прокладки;
10 — кольцо зажимное; 12 — оправа ком-
пенсатора; 13 — компенсатор
В зеркально-линзовый объектив кроме указанных компонен-
тов может входить линзовый компенсатор, служащий для кор-
рекции аберраций, возникающих при использовании сферичес-
ких зеркал.
7.2.2.	Конденсоры
Основными параметрами конденсора являются угол ох-
вата оохв и линейное увеличение Рк. Зная эти параметры, полу-
ченные из габаритного расчета, можно выбрать схему конден-
сора. В ОЭП в основном находят применение линзовые конден-
соры. Конденсорные системы других типов применяются редко.
Несмотря на то, что к качеству изображения, даваемого
конденсорами, не предъявляют высоких требований, тем не ме-
нее стремятся исправить их сферическую аберрацию и отступле-
ние от условия синусов. Поэтому при увеличении угла охвата
228
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.23. Крепление круглых оптических деталей
проволочным кольцом:
1 — проволочное кольцо; 2 — оправа; 3 — промежуточное
кольцо
Рис. 7.24. Крепление круглых оптических деталей
лапками:
1 — оправа; 2 — оптическая деталь; 3 — лапка: 4 — коль-
цо с лапками
оохв в целях обеспечения лучших энергетических соотношений
схема конденсора усложняется. В табл. 7.3 даны рекомендации
по применению соответствующих схем [24].
При конструировании узлов конденсоров наряду с описан-
ными выше способами крепления резьбовыми кольцами или
завальцовкой широко используют и другие более простые спосо-
бы, которые вполне удовлетворяют требованиям к качеству зак-
репления конденсорных линз.
Крепление проволочным кольцом применяют в тех случаях,
когда нет жестких требований к точности центрировки, прочно-
сти и герметичности закрепления. В оправе обычно растачивает-
ся канавка, ширина которой равна диаметру проволоки, а глу-
бина — примерно половине ее диаметра. В канавку устанавлива-
ется проволочное пружинное кольцо, которое с небольшим уси-
лием поджимает оптическую деталь к упорному буртику. В за-
висимости от габаритных размеров закрепляемой детали диаметр
проволоки выбирают от 0,4 до 1,0 мм. Проволоку для колец из-
готовляют из пружинной стали. Пример рассмотренного способа
крепления приведен на рис. 7.23.
Крепление круглых оптических деталей лапками (рис.
7.24, а), кольцами с лапками (рис. 7.24, б) или пружинными
планками применяют в случае невозможности установки зажим-
ного резьбового кольца по конструктивным соображениям, а так-
229
Проектирование оптико-электронных приборов
Параметры конденсоров
Таблица 7.3
Схема конденсора			2g" CIXB	₽K	Примечание
	Gn^*'*4*^*^		15 ... 20	-1 ... -3	Линза, рассчи- танная на мини- мум сферичес- кой аберрации
	И n si				
			50 ... 60	-1 ... -3	Две плоско вы- пуклые линзы, ^р
					
			50 ... 60	-4 ...-10	Две линзы, рас- считанные на минимум сфери- ческой аберра- ции
u	gfeUj				
уф			>60	-10 ...-15	Первая линза — апл анатически й мениск, вторая линза рассчита- на на минимум сферической аберрации
	—-				
ж?	Ж\		> 70 ... 75	-1,5 ... -5	Линзы рассчита- ны на минимум сферической аберрации
i-<b	ии.				
					
	i?				Первая линза — апл апатический мениск, осталь- ные линзы — пл ос ковып укл ые
	n s'.				
			>90	-2 ... -6	Все линзы рас- считаны на минимум сферической аберрации
					
230
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.25. Конструкция конденсора в до-
полнительным отражателем:
1 — конденсорные линзы в оправе; 2 — регу-
лировочное кольцо; 3 — корпус; 4 — источ
ннк света; 5 — отражатель в оправе
же для деталей, работающих в ус-
ловиях резких колебаний темпера-
тур, что обычно имеет место в кон-
денсорах передающих оптических
систем. Если лапки, фиксирующие
деталь, имеют большую жесткость,
то между ними и поверхностью оп-
тической детали необходимо устанавливать прокладки из рези-
ны, пробки, картона.
Для изготовления лапок применяют те же материалы, что и
для оправ, а пружинные планки выполняют из сталей 20, 60,
У8А.
В отдельных случаях в качестве конденсоров могут быть ис-
пользованы сферические или асферические зеркала. В этих слу-
чаях узлы конденсоров конструируют в соответствии с правила-
ми конструирования узлов крепления зеркал. В передающих оп-
тических системах зеркала могут служить в качестве дополнитель-
ных отражателей в сочетании с конденсором, что в ряде случаев
позволяет повысить эффективность конденсорной системы
(рис. 7.25).
7.2.3.	Бленды
Помимо полезного потока от излучателя в объектив ОЭП
может попасть вредный поток излучения от фона или помехи,
например Солнца. Большая часть этого вредного потока рассеи-
вается при его отражении от поверхностей оптических деталей и
стенок корпуса (трубы) объектива, а некоторая часть может непо-
средственно фокусироваться в плоскость приемника излучения.
Рассеянное фоновое излучение после одного или нескольких отра-
жений внутри объектива также может попасть в плоскость прием-
ника излучения. В результате этого уменьшается соотношение
сигнал/шум в ОЭП и, следовательно, ухудшаются его основные
метрологические параметры — чувствительность, точность, даль-
ность действия и др. Поэтому посторонние засветки необходимо
устранять или, по крайней мере, ослаблять.
Для уменьшения фонового излучения, попадающего в пло-
скость приемника излучения, можно использовать бленды. Блен-
дами называются устройства, устанавливаемые перед входным
231
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.26. Простейшая бленда
Рис. 7.27. Круговая бленда
зрачком оптической системы для ее защиты от засветок. Простей-
шая бленда в виде конической трубки показана на рис. 7.26.
Внутри бленда 2 окрашивается черной матовой краской, хорошо
поглощающей излучение, поэтому излучение от боковой помехи
1, пройдя входное окно бленды, рассеивается и поглощается, а
часть рассеянного света через выходное окно бленды попадает во
входной зрачок 3 объектива 4. Чтобы не допустить виньетирова-
ния полевых лучей от измеряемого объекта, угол конуса должен
соответствовать 2со. При этом внутренняя поверхность бленды
должна отстоять от крайних полевых лучей на некоторое рассто-
яние а.
Основными габаритными параметрами бленд являются
следующие: радиусы входного RL и выходного R окон бленды, а
также ее длина L6; угол со наклона внутренней поверхности
бленды к оптической оси; угол ср прямой засветки — угол меж-
ду оптической осью и лучом, проходящим через кромки входно-
го и выходного окон; угол засветки бленды <р — угол между
лучом, образующим с оптической осью наименьший угол, и этой
осью.
Эффективность применения бленды оценивают коэффициен-
том ослабления /?осл, являющимся отношением освещенности от
боковой помехи на входе бленды к освещенности, создаваемой
рассеянным светом на ее выходе.
При разработке бленд для ОЭП сталкиваются с противоречи-
ем: с одной стороны, размеры и масса бленды должны быть
минимальными, а с другой — повышение /гпсл вызывает необхо-
димость увеличения размеров бленды. В связи с этим следует
прежде всего оценить возможности тех или иных бленд по допу-
стимому углу засветки и /госл.
В ОЭП находят применение двойные (/госл < 5108), круговые
(/госл < 0,510е), кольцевые (/госл < 105) и сотовые (/госл < 103) бленды.
Однако наибольшее распространение получили круговые блен-
232
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
ды (рис. 7.27), состоящие из цилиндрического корпуса 1 и плос-
ких кольцевых диафрагм 2. Внутренние цилиндрические повер-
хности бленды имеют черные диффузно отражающие покрытия,
а на полированные оксидированные поверхности стальных ди-
афрагм нанесено просветляющее покрытие для подавления зер-
кальных составляющих рассеянного света.
Для уменьшения потока излучения от фона или помехи необ-
ходимо уменьшать телесный угол засветки, приближая его к зна-
чению углового поля оптической системы, т.е. срезать излиш-
нюю часть лучей. Внутри бленды диафрагмы целесообразно раз-
мещать так, чтобы любой луч прямой засветки после отражения
от внутренних стенок бленды не попадал во входной зрачок
объектива. Края диафрагмы бленды должны быть расположены
на линиях АС и А'С, так как в этом случае отраженные от них
лучи не проходят в отверстие полевой диафрагмы (анализатора
изображения).
При выполнении этого условия
L6 =2jR/(tgcp-tgto);
Rl = JR(tg<p+tg<o)/(tg<p—tg<o).
Число и расположение диафрагм чаще всего находят графи-
чески.
ОЭП, работающие в условиях мощных боковых засветок и
фоновых помех малой яркости, могут быть снабжены двойными
блендами (рис. 7.28). В сочетании с узкопольными центрирован-
ными зеркальными и зеркально-линзовыми объективами целе-
сообразно использовать кольцевые бленды (рис. 7.29) вместо кру-
говых, что позволяет уменьшить продольные размеры оптичес-
кой системы с блендой.
Рис. 7.28. Конструкции двой-
ных бленд:
а — коническая; б — с конической
основной блендой
Рис. 7.29. Кольцевая бленда:
1 — бленда; 2 — главное зеркало;
3 — контрзеркало; 4 — приемник из-
лучения: 5 — круговая диафрагма
233
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.30. Конструкция сотовых бленд
с различной структурой:
а — шестигранной; б — квадратной
Наименьшие размеры имеют со-
товые бленды, представляющие со-
бой систему расположенных перед
объективом трубчатых элементов
шестигранного или квадратного сечения (рис. 7.30). Однако они
не получили широкого распространения вследствие виньетиро-
вания полевых лучей и ухудшения качества изображения за счет
дифракционных явлений. Методика расчета бленд различных
конструкций подробно рассмотрена в [39].
7.2.4.	Узлы отражательных элементов
В качестве отражательных элементов в ОЭП применяют
призмы и зеркала.
Призмы. С помощью призм в ОЭП решают самые разнообраз-
ные задачи: изменяют направление пучков лучей, оборачивают
изображения, разделяют или совмещают пучки лучей, компенси-
руют сдвиг или поворот изображения, разлагают оптическое
излучение в спектр, поляризуют оптическое излучение. Их при-
менение позволяет уменьшить габаритные размеры прибора.
Следует отметить, что большинство из перечисленных задач
может быть решено с помощью системы плоских зеркал. Поэто-
му при разработке оптической схемы прибора необходимо
проанализировать возможность использования и тех, и других
элементов.
Призмы и призменные системы обладают рядом достоинств
по сравнению с системами плоских зеркал. В системах, где тре-
буется обеспечить несколько отражений, использование призм
более предпочтительно, поскольку они имеют высокую жест-
кость, в то время как зеркальная система вследствие раздельно-
го крепления каждого зеркала подвержена расстройке. Кроме
того, по той же причине юстировка призменных систем проще.
Оправы для крепления призм с большим числом отражений (боль-
ше двух) значительно проще по конструкции, чем оправы зер-
кальных систем. Это способствует уменьшению габаритных раз-
меров и массы прибора Отражающие покрытия призм всегда
являются внутренними и вследствие этого не требуют специаль-
ной защиты и более устойчивы к внешним воздействиям, чем
наружные покрытия зеркал. Во многих призмах возможно ис-
пользование эффекта полного внутреннего отражения, что вы-
годно с энергетической точки зрения.
234
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Однако в целом потери энергии в призменных системах бо-
лее значительны, так как им свойственны потери на входных,
выходных и отражающих гранях, а также в толще пропускаю-
щего материала. Очевидно, что при больших сечениях пучков
излучения габаритные размеры призм, а следовательно, и масса
их существенно возрастают. Кроме того, при работе в широком
спектральном диапазоне возникают трудности с подбором соот-
ветствующих материалов, поэтому в практике проектирования
ОЭП могут представиться случаи, когда применение призм ока-
жется нежелательным или даже невозможным.
Наиболее широко в ОЭП используются отражательные при-
змы. Основными конструктивными элементами отражательных
призм являются: рабочие грани — преломляющие, через кото-
рые пучки лучей входят в призму и выходят из нее, и отражаю-
щие; фаски на ребрах призмы; а параметрами — угол отклоне-
ния выходящего из призмы осевого луча относительно входяще-
го; углы между гранями призмы; наибольший световой диаметр
призмы; геометрическая длина хода лучей в призме.
При выборе призм следует стремиться к использованию наи-
более простых и технологичных их типов. Если необходимо
использовать сложные призмы, то рекомендуется применять со-
четания простых призм: прямоугольной (АР-90° и БР-1800), пен-
тапризмы, полупентапризмы, ромбической призмы, призмы
Дове. Основным конструктивным параметром призмы, зная ко-
торый, можно найти все ее размеры,.является наибольший диа-
метр D пропускаемого пучка лучей, определяемый как сумма
светового диаметра и припуска для изготовления фасок, обеспе-
чения юстировки и крепления призмы в оправе. Значение ука-
занного припуска в каждом конкретном случае устанавливается
особо. В связи с большим многообразием форм и конструкций
призм и призменных блоков конструкции узлов их крепления
также весьма разнообразны.
При креплении призм используются установочные винты
пружины, накладки, планки, уголь-
ники, стойки, шпонки и другие эле-
менты. Иногда призмы крепят при-
клеиванием.
Крепление призмы плоской пру-
жиной целесообразно выполнять,
если призма устанавливается в гнез-
до корпуса (рис. 7.31). Достоинства-
Рис. 7.31. Крепление призмы плоской
пружиной:
1 — пружина плоская; 2 — призма; 3 — кор-
пус; 4 — винт
235
/
/
Проектирование оптико-электронных приборов
Таблица 7.4
Типовые отражательные призмы
Отклонение луча	Число отражений			
	1	2		3
Плоские призмы				
со = 0° Z = 0	Призма Дове АР-0°	—		—
СО = 0° Z*0	—	Ромб-призма । i БС-0°		Призма Лемана ' i вл-о°
со = 45°	АР-45°	Полупентапризма БУ-45°		Призма Шмидта БР-450
(0 = 90°	1 АР-90°	Пентапризма БП-90°		
со = 180° Z # 0	—			
		i i БР-1800		i i ВР-180°
Пространственные призмы				
(0 = 90°	—	БМ-90°-90°		—
236
Глава 7 Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Продолжение таблицы 7.4
Отклонение луча	Число отражений		
	1	2	3
Составные призмы			
	Куб-призма	Призма Аббе	
со = 0°	К-0°	А-0°	ВП-0°
ми способа являются надежность фиксации и отсутствие дефор-
маций в призме при изменении температуры. При этом в случае
необходимости достаточно просто можно отрегулировать давле-
ние пружины на призму, которое обычно передается через на-
кладки. Пружины изготовляют из стальной пружинной ленты.
Для более надежной фиксации призмы в корпусе и
предотвращения ее поперечных смещений помимо пружины
могут быть использованы установочные винты и эластичные
прокладки. Крепление призмы накладкой относится к числу
наиболее распространенных (рис. 7.32). Оно характеризуется уни-
версальностью, простотой и надежностью. Оптическая деталь
фиксируется на плато уступами или планками. В плато на резь-
бе или иным способом
закрепляются стойки.
Накладка крепится вин-
тами к свободным кон-
цам стоек. Перед закреп-
лением под нее подклады-
вают эластичную про-
кладку из пробки, резины
или картона. Накладка
может закрепляться так-
же на элементах корпуса.
Рис. 7.32. Крепление призм
накладкой:
а — прямоугольной; б — пен-
тапризмы; 1 — планка; 2 — оп-
рава; 3 — накладка; 4 — про-
кладка; 5 — стойка; 6 — приз-
ма
237
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.33. Крепление призм
угольниками и планками:
а — прямоугольной; б — пента-
призмы; 1 — призма; 2 — оправа;
3 — угольник; 4 — планка
При креплении призм и
других пространственных
деталей относительно не-
больших размеров (до 30 мм)
стойки могут быть заменены
угольниками (рис. 7.33). Ог-
раничение размеров закреп-
ляемых деталей обусловлено
уменьшением жесткости
угольников при их удлине-
нии.
Призмы больших размеров можно закреплять угольниками,
если в их нерабочих зонах профрезеровать пазы (рис. 7.34). Этот
способ надежен, конструкция узла крепления имеет малые габа-
ритные размеры, но технология изготовления закрепляемой де-
тали усложняется.
Если оправа оптической детали имеет коробчатую форму или
деталь полностью размещается в углублении корпуса, то для ее
закрепления применяют планки (рис. 7.35). Практически все
призмы и призменные блоки могут быть закреплены планками.
Для устранения подвижек закрепляемых деталей в зазоре опра-
Рис. 7.34. Крепление призмы угольниками:
1 — призма; 2 — прокладка; 3 — угольник; 4 —
оправа; 5 — планка
Рис. 7.35. Крепление призмы планками в
углублении корпуса:
1 — корпус; 2 — призма; 3 — прокладка: 4 — пла-
стина; 5 — винт; 6 — планка
238
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.36. Крепление призмы сегментной шпонкой:
1 — призмЬ; 2 — шпонка сегментная: 3 — оправа; 4 — винт установочный;
5 — винт специальный
вы помещают пластины с эластичными прокладками, фиксиру-
емые установочными винтами. Следует, однако,иметь в виду, что
поскольку планки прилегают к рабочим граням призм, они не
должны препятствовать прохождению пучков лучей. Поэтому
иногда приходится несколько увеличивать габаритные размеры
призмы о учетом такого способа крепления.
В некоторых случаях оптические детали закрепляют с помо-
щью сегментных шпонок, для которых в нерабочей зоне фрезе-
руется паз (рис. 7.36). Обычно таким способом крепятся детали
удлиненной формы (например, призмы Дове, призмы АР-45°
и др.).
Неответственные некруглые пространственные детали не-
больших размеров часто закрепляют приклеиванием. О приме-
няемых марках клеящих веществ говорилось выше. Крепление
клеем (рис. 7.37, а) может сочетаться с другими способами креп-
ления, например приклеивание с накладкой (рис. 7.37, б).
При конструировании узлов крепления призм следует учиты-
вать необходимость их юстировки. В процессе разработки опти-
ческой схемы прибора обычно определяется характер юстиро-
вочных движений оптических дета-
лей и их диапазон, поэтому соответ-
ствующие юстировки детали при
конструировании ее оправы из-
вестны заранее.
В простейшем случае для юсти-
ровки положения оптической де-
Рис. 7.37. Крепление призм приклеива-
нием:
I — призма; 2 — оправа; 3 — прокладка;
4 — накладка
239
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.38. Крепление призм в юстируемых оправах:
а — с юстировкой в одной плоскости: 1 — винт юстировочный; 2 — лапка; 3 —
виит; 4 — оправа; 5 — призма; 6 — кронштейн;
б — с юстировкой в двух плоскостях: 1 — призма; 2 — корпус; 3 — плато; 4 —
оправа: 5 — гайка; 6 — винт юстировочный; 7 — шайба сферическая; 8 —
гайка; 9 — винт: 10 — лапка
тали могут оказаться достаточными подвижки оправы в зазорах
крепежных отверстий (которые иногда для этой цели выполня-
ют эллиптическими) или размещение в определенной точке
посадочной поверхности прокладок из фольги.
Небольшие перемещения детали могут быть обеспечены с по-
мощью установочных винтов. Если указанных перемещений для
юстировки системы недостаточно, конструкция узла крепления
усложняется. При этом обычно перемещается или разворачива-
ется оправа вместе с деталью. Примеры конструктивного реше-
ния подобных узлов приведены на рис. 7.38.
При выборе способа крепления и конструкции оправ для
склеенных блоков оптических деталей необходимо стремиться к
тому, чтобы зажимные усилия не приводили к расклейкам, осо-
бенно при перепадах температур. Конструкция несклеенных при-
зменных блоков должна обеспечивать стабильность взаимного
положения элементов при всех возможных условиях эксплуата-
ции. В качестве примера на рис. 7.39 показана конструкция узла
крепления призмы Пехана, состоящей из двух призм, воздуш-
ный, зазор между которыми должен быть выдержан с высокой
точностью.
Зеркала. В ОЭП находят широкое применение зеркала, и ча-
сто оптические системы ОЭП целиком состоят из зеркальных
элементов. В ОЭП используются полностью отражающие зерка-
240
Глава 7 Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис.7.39. Узел крепления призмы Пехана:
1,12 — планки; 2 — оправа; 3 — кольцо переходное; 4,5 —• винты юстировоч-
ные; 6 — венец; 7 — шарикоподшипник; 8 — корпус ; 9,10 — кольца зажимные;
11 — призма
ла и зеркала, обеспечивающие разделение пучков по интенсив-
ности (светоделительные) или по спектру (спектроделительные).
Зеркала являются универсальными элементами оптических
систем, поскольку могут выполнять как функции линзовых опти-
ческих систем (сферические и асферические зеркала), так и отра-
жательных призм (плоские зеркала) и, кроме того, могут рабо-
тать в очень широком спектральном диапазоне.
Наибольшее распространение в ОЭП получили зеркала с на-
ружным отражением. Это объясняется тем, что они наиболее
технологичны, так как имеют только одну рабочую поверхность.
Такие зеркала дешевле, поскольку к материалам, используемым
для их изготовления, не предъявляют высоких требований. На-
конец, зеркала с наружным отражением не вносят хроматичес-
ких аберраций и поэтому успешно работают как в параллель-
ных, так и в сходящихся пучках лучей. Зеркала с внутренним
отражением применяют в тех случаях, когда требуется защита
отражающего покрытия от внешних воздействий или оптичес-
кие свойства материала используются для исправления аберра-
ций оптической системы.
Основным материалом для изготовления качественных зер-
кал является оптическое стекло марок К8 и ЛК5. Для особо ста-
бильных зеркал применяют кварцевое стекло. Крупногабарит-
ные зеркала выполняются из ситаллов. Для изготовления
неответственных зеркал используют зеркальное стекло. Иногда
241
Проектирование оптико-электронных приборов
зеркала изготовляют также из различных металлов: стали, ти-
тана, алюминиевых сплавов и др. Эти зеркала имеют высокую
прочность и, обладая большей теплопроводностью, чем стеклян-
ные и кварцевые, лучше работают при наличии температурных
градиентов.
Наибольшее распространение в приборах имеют плоские зер-
кала. Их применяют для изменения направления пучков лучей,
поворота изображения, в качестве оптических элементов скани-
рующих систем. Форма плоских зеркал определяется местополо-
жением их в системе, формой падающего на них пучка, а также
диапазоном колебаний, если зеркало подвижное. В связи с этим
плоские зеркала могут иметь самую разнообразную, подчас слож-
ную форму. Однако всегда необходимо стремиться к наиболее
простой форме, так как усложнение последней приводит к техно-
логическим трудностям. При нормальном или слегка наклонном
падении на зеркало пучков круглого сечения целесообразно при-
менять круглую форму. Для зеркал, имеющих значительный на-
клон к оптической оси, более целесообразна прямоугольная фор-
ма, так как при этом будут меньшие габаритные размеры и рас-
ход стекла.
Если зеркала имеют значительные габариты или если это
необходимо по конструктивным соображениям, нерабочие участ-
ки прямоугольных зеркал удаляют. Поэтому форма зеркала мо-
жет стать восьмиугольной, трапецеидальной, эллиптической и т.п.
Световые размеры прямоугольных, восьмиугольных и эллип-
тических зеркал можно найти по формулам, приведенным в
табл. 7.5, в которой использованы следующие буквенные обо-
значения: I и b — длина и ширина зеркала (большая и малая оси
эллипса соответственно); L — расстояние от зеркала до вершины
пучка вдоль оптической оси; а — угол расходимости пучка; со —
угол отклонения оптической оси; D — диаметр пучка; d — тол-
щина зеркала; п — показатель преломления.
Если зеркало движется, его габаритные размеры определя-
ют для наиболее неблагоприятного случая, т.е. для наименьшего
значения угла со и наибольшего значения L.
Для обеспечения юстировки и закрепления зеркал их разме-
ры несколько увеличивают. Припуски определяются способом
закрепления зеркал, конструкцией оправ, юстировочными
подвижками. Иногда характер закрепления приводит к услож-
нению конструкции зеркала. В целях упрощения последней для
закрепления можно использовать пазы и отверстия, выполняе-
мые в теле зеркала.
242
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Таблица 7.5
Формулы для определения световых диаметров зеркал
Схема работы зеркала
Длина зеркала
Ширина зеркала
Толщину зеркала находят после определения полных габа-
ритных размеров зеркала. Она зависит от наибольшего размера
зеркала и точности его изготовления.
Если точность изготовления должна быть особо высокой, то
между наибольшим размером Zmax и толщиной d рекомендуется
следующее соотношение:
d>(l/5...1/7)Zmax,
243
Проектирование оптико-электронных приборов
Такие зеркала применяют в точных автоколлимационных си-
стемах, интерференционных приборах, в некоторых спектраль-
ных приборах и др.
Для точных зеркал рекомендуется соотношение
d>(l/8...1/10)Zmax.
К разряду точных относятся зеркала, применяемые в наблю-
дательных приборах, сканирующих системах, телевизионных и
других устройствах. Толщину грубых зеркал, используемых в
основном в осветительных системах, находят из соотношения
d> (1/15... 1/25) Zmax.
При определении толщины грубого зеркала важно следить
за тем, чтобы обеспечивалась его необходимая технологическая
жесткость.
Неплоские зеркала обычно имеют круглую форму. Если
сферическое или асферическое зеркало является частью объек-
тива, в центре зеркала может быть выполнено отверстие, т.е. его
форма становится кольцевой. При определении конструктивных
размеров некруглых зеркал с внутренним отражением могут быть
использованы те же рекомендации, что и для линз; для неплос-
ких зеркал с наружным отражением — рекомендации, приве-
денные выше.
Зеркала, как и другие оптические детали, снабжаются защит-
ными фасками на кромках и углах. Для зеркала круглой формы
применяют фаски, аналогичные защитным фаскам линз, а для
зеркал некруглой формы — фаски, рекомендуемые для призм.
Покрытия зеркал выбирают в соответствии с выполняемы-
ми ими функциями. В настоящее время разработано значитель-
ное число зеркальных и светоделительных покрытий с исполь-
зованием различных металлов и диэлектриков. Металлические
покрытия применяются для полностью отражающих и иногда
для светоделительных поверхностей, диэлектрические — для
светоделительных и избирательно отражающих. Выбор покры-
тия зеркал ОЭП определяется прежде всего спектральным диа-
пазоном работы прибора и оптическими
свойствами покрытия — значениями коэф-
фициентов отражения р и пропускания т.
Кроме того, необходимо принимать во вни-
мание химическую стойкость и прочность
покрытий. В табл. 7.6 приведены некоторые
Рис. 7.40. Крепление плоских зеркал лапками:
а — зеркал диаметром до 50 мм; б — зеркал диамет-
ром свыше 50 мм; 1 — зеркало; 2 — прокладка;
3 — лапка; 4 — винт; 5 — оправа
244
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
7
Рис. 7.41. Крепление зеркала лапками и
планками
1 — зеркало; 2 — оправа: 3 — лапка; 4 — винт;
5 — штифт; 6 — планка; 7 — прокладка
Рис. 7.42. Крепление зеркала планками со
скошенными краями:
1 — оправа; 2 — зеркало; 3 — планка; 4 — винт
наиболее распространенные типы по-
крытий зеркал, применяемых в ОЭП.
Некруглые плоские зеркала могут
иметь как простую (прямоугольник,
квадрат, восьмиугольник и т.п.), так
и сложную конфигурацию. Зеркала
простой формы чаще всего закрепля-
ют планками, лапками, пружинными пластинами. Конструкция
оправ может быть самой разнообразной.
Конструкция узла крепления плоского зеркала небольших
размеров (до 50 мм) показана на рис. 7.40, а. Зеркало 1 помеща-
ется на плоскую посадочную поверхность оправы 5 и фиксирует-
ся на ней с помощью трех лапок 3. Между лапкой и зеркалом
помещается упругая прокладка 2. Прокладки из фольги, бумаги
или гетинакса целесообразно поместить также между плоскостью
оправы и зеркалом. Для зеркал больших размеров выполняются
три специальных выступа над плоскостью оправы, т.е. зеркало
ставится на три опорные точки (рис. 7.40, б). Лапки устанавли-
вают так, чтобы зеркало прижималось к опорным выступам. При
этом практически отсутствуют деформации оптической детали.
Лапки или прижимы должны надежно фиксировать деталь в оп-
раве. В тех случаях, когда такая фиксация недостаточна, приме-
няют дополнительные планки (рис. 7.41).
Надежно зафиксировать деталь можно, если ее поместить в
углубление оправы, очертания которого повторяют очертания
детали. Закрепление здесь также обеспечивается лапками, а
между стенками углубления оправы и деталью устанавливаются
эластичные прокладки.
Иногда для крепления плоских деталей их боковые поверхности
делают скошенными. Фиксирующие планки также имеют скошен-
ные края (рис. 7.42).
245
Проектирование оптико-электронных приборов
Таблица 7.6
Некоторые покрытия зеркал, применяемые в ОЭП
Обозначение покрытия	Оптическая характеристика	Область применения
Зеркальные покрытия (рЛ — коэффициент отражения излучения источника А)		
25Р	рА = 94 ... 96% для неза- клеенных покрытий рА = 91 ... 93% для закле- енных покрытий	Зеркала с повышенным ко- эффициентом отражения
8И.1И	рА = 94 ... 98% для неза- клеенных покрытий рА — 91 ... 93% для закле- енных покрытий	Зеркала с внешним отра- жением для лабораторных приборов
25Р.ЗЕ.72П	= 88 ... 92% г А	Зеркала с задним отраже- нием. Лучшее покрытие для видимой области спектра
1И	рА>88%	Защищенные зеркала. Лучшее покрытие для УФ- области спектра
1И.31И	р = 85 ... 88% •А	Наружные зеркала с внеш- ним отражением
1И.21И	рл > 86%; в УФ-области спектра р ~ 80%	Наружные зеркала с внеш- ним отражением для УФ- области спектра
1И.21Е.29И (Z. = 1 мкм)	рЛ>70%	Наружные зеркала прибо- ров, работающих в ИК-об- ласти спектра
1И.24И.29И	р„ > 93% г А	Защищенные от запотева- ния зеркала лабораторных приборов с высоким коэф- фициентом отражения
9И	рА = 48 ... 55%	Зеркала с самым жестким тепловым режимом (работа в полевых и тропических условиях)
9И.5И.5Е	рЛ = 65 ... 68%	Зеркала приборов, работа- ющих в ИК-области спект- ра, обладающие высокой стойкостью
246
Глава 7 Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Продолжение таблицы 7.6
Обозначение покрытия	Оптическая характеристика	Область применения
25И	рЛ = 70% в ИК-области спектра р = 95%	Зеркала приборов, работа- ющих в ИК-области спектра
9И.2И		
Светоделительные покрытия		
25Р	р: т любое, пропускание максимально в синей, фио- летовой и УФ-областях спектра	Светоделительные заклеен- ные зеркала и призмы. Луч- шее покрытие для крупно- габаритных деталей
1И	р: т любое, потери на погло- щение и рассеяние А= 30%	Светоделительные заклеен- ные зеркала и призмы
1И.21Е	р: т любое	Наружные светоделитель- ные зеркала лабораторных приборов
9И	р: т любое, А=40%	Наружные светоделитель- ные зеркала для самых жест- ких условий
15И	Ртах = 40... 45%, потери на поглощение и рассеяние от- сутствуют	
29И.24Е.29И 24Е.29И	—	Защищенные зеркала, раз- деляющие пучок белого цве- та на световые пучки раз- ных цветов
44Р.43Р.44Р	= 50% г Атах	Незаклеенные светодели- тельные зеркала с р = 50% внутри приборов
[(44P.43PJ2] 44Р	Ртах = 64 ... 67%, потери на поглощение и рассеяние от- сутствуют	Незаклеенные светодели- тельные зеркала внутри при- боров
43Р.30Р	ри = 20%, в УФ-области спектра р = 30%	Незаклеенные светодели- тельные зеркала для види- мой и УФ-областей спектра
28Г	р = 23%	Светоделительные зеркала для самых жестких условий работы
28Г.43Р.28Г	р = 45% г max	
247
Проектирование оптико-электронных приборов
6) А
ж
Рис. 7.43. Консольное креп-
ление зеркал:
а — накладкой; б — винтами
с накладкой: 1 — зеркало;
2 — оправа; 3 — прокладка;
4 — винт; 5 — накладка
Рис. 7.44. Крепление зеркал:	5)
а — с юстировкой в одной плоскости: 1 — корпус; 2 — пружина; 3 — винт
регулировочный; 4 — зеркало; 5 — планка прижимная; 6 — прокладка;
7 — пружина; 8 — оправа; 9 — полуось; 10 — планка крепежная;
б — с юстировкой осевого перемещения и поворота в трех плоскостях: 1 — ось;
2 — фланец резьбовой с накаткой; 3 — гайка с накаткой; 4 — втулка;
5 — пружина; 6 — винт юстировочный; 7 — шайбы сферические; 8 — корпус-
шарнир; 9 — кольцо резьбовое; 10 — зеркало; 11 — кольцо пружинное;
12 — оправа зеркала; 13 — кронштейн
248
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
В некоторых случаях целесообразно использовать консоль-
ное крепление. При этом у зеркала или другой плоской детали
обычно делают выступы, которые планками и крепежными вин-
тами прижимаются к корпусной детали оправы. Этим способом
крепятся наиболее точные зеркала, так как даже при больших
усилиях зажима отсутствуют деформации рабочей поверхности.
Примеры консольного крепления плоских деталей приведены на
рис. 7.43.
Часто конструкция оправ зеркал должна обеспечивать юсти-
ровку. Конструктивное решение узла крепления плоского зер-
кала (рис. 7.44, а) позволяет юстировать его в одной плоскости.
Для высокоточных сферических зеркал иногда возникает не-
обходимость обеспечения осевого перемещения и угловых пово-
ротов в трех плоскостях (рис. 7.44, б).
Плоские зеркала часто применяют в сканирующих системах.
В этих случаях при конструировании узлов крепления зеркал
следует учитывать частоту вращения. При большой частоте кон-
струкция должна быть тщательно сбалансирована, для чего фор-
му оправы рассчитывают так, чтобы центр масс вращающегося
узла приходился на ось его вращения (рис. 7.45). Для обеспече-
ния балансировки используют вспомогательные винты, которые
ввинчиваются на ту или иную глубину в процессе сборки и на-
стройки прибора.
А-А
Рис. 7.45. Крепление зеркала сканирующей системы:
1 — накладка; 2 — сектор зубчатый; 3 — зеркало; 4 — оправа; 5 — прокладка;
6 — полуось; 7 — противовес; 8 — винт регулировочный
7.2.5. Фильтры и ослабители оптического излучения
Оптические фильтры широко применяют в ОЭП для
повышения их помехозащищенности. При соответствующем
выборе параметров фильтры позволяют увеличить отношение
249
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
сигнал/шум за счет использования различий в пропускании из-
лучения от объекта и помех.
Фильтры характеризуются коэффициентом пропускания,
определяемым как отношение потока излучения Ф, прошедшего
через фильтр, к потоку излучения Фо, падающему на фильтр;
т = Ф/Фо — интегральный коэффициент пропускания’,
= Фх/Фох — спектральный коэффициент пропускания.
Другим показателем, описывающим свойства фильтра, яв-
ляется оптическая плотность D, связанная с коэффициентом
пропускания т выражением
P = lg(l/x); Dx = lg(l/Tx).
Помимо спектральных свойств при выборе фильтра необхо-
димо учитывать его эксплуатационные и технологические пока-
затели.
В настоящее время разработаны и применяются в ОЭП филь-
тры, основанные на различных физических принципах.
Наиболее простыми и широко используемыми являются
фильтры, основанные на избирательном поглощении излучения.
Они представляют собой пластины из различных оптических
материалов: цветного оптического стекла, оптических кристал-
лов, германия, кремния, окрашенных пластмасс и т.д. Достоин-
ства этих фильтров — простота изготовления и эксплуатации,
стабильность спектральных характеристик, возможность полу-
чения различных габаритных размеров.
Для получения узкого спектрального диапазона изучения
служат интерференционные фильтры. Их работа основана на
явлении интерференции на тонких пленках. Интерференцион-
ные фильтры бывают пропускающими и отражающими. Простей-
ший пропускающий интерференционный фильтр представляет
собой подложку, прозрачную в заданном спектральном диапазо-
не, на которую последовательно наносятся слои прозрачных
диэлектрических материалов определенной толщины. В качестве
таких материалов применяют криолит, сернистый цинк, фтори-
стый магний, германий и др.
Для улучшения характеристик интерференционных фильт-
ров в настоящее время их выполняют в виде комбинации
диэлектрических слоев с высокими и низкими показателями пре-
ломления, поочередно наносимых на подложку. Многослойные
интерференционные фильтры могут состоять из 5—25 и более
слоев, поэтому их расчет и технология изготовления отличаются
значительной сложностью. Несмотря на это, они находят широ-
кое применение в ОЭП, так как позволяют получить очень узкие
полосы пропускания (1СГ3 ... 10-4 мкм в ИК-диапазоне) при боль-
ших значениях Tmax/'tmin.
250
Отражающие интерференционные фильтры наносятся на по-
верхность подложек и служат для разделения отраженного и
проходящего потоков по длинам волн (светоделители и спектро-
делители).
Наиболее эффективно применение интерференционных филь-
тров в приборах, где в качестве источников излучения исполь-
зуются лазеры. Так как интерференционный фильтр наряду с
основной полосой пропускания имеет ряд дополнительных, его
обычно используют в сочетании с отсекающим или полосовым
фильтром.
Необходимо учитывать, что спектральные характеристики
интерференционных фильтров зависят от угла падения лучей.
При увеличении угла падения максимум пропускания смещает-
ся в сторону меньших длин волн, а ширина полосы пропускания
увеличивается. Эту зависимость иногда используют в приборах
для регулирования положения максимума пропускания в неболь-
ших пределах.
Заметное влияние на свойства этих фильтров оказывает тем-
пература. Изменение температуры на 1° приводит к смещению
максимума полосы пропускания на 0,01... 0,03 нм (0,1 ... 0,3 А ).
Причем уменьшение температуры вызывает сдвиг максимума в
коротковолновую область спектра, а увеличение — в длинно-
волновую. Поэтому в некоторых случаях для устранения влия-
ния температуры фильтр приходится термостатировать.
Наряду с рассмотренными в ОЭП иногда применяются опти-
ческие фильтры других типов [38].
Ослабители служат в ОЭП для изменения интенсивности
излучения. Например, в дальномерных или угломерных устрой-
ствах при изменении дальности до излучателя значение потока
излучения, приходящего во входной зрачок приемного объекти-
ва, может изменяться весьма значительно, так как оно обратно
пропорционально квадрату расстояния. При больших перепадах
интенсивности возможно изменение режима работы приемника
излучения и электронного тракта (изменение формы сигнала
вследствие его нелинейных искажений). В связи с этим обычно
энергетический расчет прибора проводится для наибольшей даль-
ности, а для меньших расстояний поддерживается некоторый
оптимальный уровень оптического сигнала с помощью ослабите-
лей.
Другим примером использования ослабителей являются при-
боры, в которых в качестве приемников излучения применяют-
ся ФЭУ, ЭОП или передающие телевизионные трубки, свойства
которых в условиях повышенной освещенности существенно
ухудшаются. При значительном повышении освещенности не-
251
Проектирование оптико-электронных приборов
которые из них могут даже выйти из строя. В таких случаях
также целесообразно ослабление потока излучения.
Часто ослабляющие устройства служат в качестве компенса-
торов, позволяющих измерить изменение интенсивности излучения.
В зависимости от характера пропускания различают селек-
тивные и неселективные ослабители. Селективные оптические
ослабители являются оптическими фильтрами. Неселективные
ослабители в зависимости от конструктивного исполнения называ-
ются либо нейтральными фильтрами, либо просто ослабителями.
Простейшими ослабителями являются нейтральные оптичес-
кие фильтры, представляющие собой пластины из оптических
материалов, на которые испарением или катодным распылением
нанесены тонкие пленки платины, палладия, никеля, титана.
Указанные покрытия обладают практически равномерным
пропусканием в достататочно широком спектральном диапазо-
не. Коэффициент пропускания может быть любым и определяет-
ся толщиной пленки.
Наилучшими свойствами характеризуется титановое покры-
тие, обладающее наибольшей спектральной однородностью для
пленок разной толщины и высокими эксплуатационными каче-
ствами, что позволяет использовать ослабители с таким покры-
тием в самых жестких условиях работы. При работе ОЭП в види-
мом диапазоне спектра для изменения интенсивности излучения
применяют фильтры из нейтрального стекла. В тех случаях,
когда предъявляются особо высокие требования к постоянству
спектрального состава излучения, в качестве ослабителей исполь-
зуют металлические диафрагмы с отверстиями различной фор-
мы, решетки, сетки.
Если в процессе работы требуется введение в ход лучей
ослабляющих устройств с различным пропусканием, то их мож-
но конструктивно объединять в узлы смены диафрагм или свето-
фильтров. Пример такой конструк-
ции дан на рис. 7.46.
Пропускание системы сменных
нейтральных фильтров или диаф-
рагм изменяется дискретно. Для
обеспечения плавного изменения ко-
эффициента пропускания в ОЭП
применяют диски с переменной оп-
Рис. 7.46. Узел смены оптических
фильтров:
1 — кронштейн; 2 — диск; 3 — зубчатое
колесо; 4 — винт; 5 — оправа; 6 — оптичес-
кий фильтр; 7 — фиксатор; 8 — пружина
плоская, 9 — штифт
252
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис, 7.47. Ирисовая диафрагма
тической плотностью, а
также различные диаф-
рагмы и заслонки с изме-
няющейся площадью
пропускающего отверс-
тия.
Диски с переменной
оптической плотностью
представляют собой круг-
лые пластины, на кото-
рые нанесена пленка одного из указанных выше металлов. Толщи-
на пленки плавно изменяется по кругу от минимальной до макси-
мальной равномерно или по определённому закону.
Рядом достоинств обладает ирисовая диафрагма. Она имеет
малые габаритные размеры и позволяет изменять действующее
отверстие в больших пределах. Основу конструкции ирисовой
диафрагмы (рис. 7.47) составляет система тонких дугообразных
лепестков 4, каждый из которых имеет на концах штифты 2 и 3.
Штифт 3 входит в отверстие неподвижной кольцевой оправы, а
штифт 2 — в радиальный паз вращающегося кольца 5, называе-
мого коронкой. При повороте кольцевой оправы 1, связанной с
коронкой винтом, лепестки, поворачиваясь относительно непо-
движной оси, изменяют размеры пропускающего отверстия.
Методика расчета ирисовых диафрагм изложена в работе [32].
Все рассмотренные устройства для изменения интенсивнос-
ти излучения могут работать в автоматическом режиме. С этой
целью их снабжают электромеханическим приводом.
7.2.6. Волоконно-оптические элементы
Волоконно-оптические элементы находят разнообразное
применение в ОЭП.
Существуют гибкие и жесткие волоконно-оптические элемен-
ты. В зависимости от назначения гибкие волоконно-оптические
элементы (жгуты) делят на два типа: «О»—гибкие волоконно-
оптические осветительные жгуты из нерегулярно уложенного и
скрепленного у торцов световолокна, предназначенные для пе-
редачи оптического излучения; «Р» — гибкие волоконно-опти-
ческие жгуты из регулярно уложенного и скрепленного у торцов
стекловолокна, предназначенные для передачи изображения.
Жгуты первого типа обозначают: «О» — для видимой обла-
сти спектра; «О-с» — для видимой области без искажения цвет-
ности; «О-ИК» — для ближней ИК-области спектра; «О-ИК-у» —
устойчивые к у-излучению.
253
Проектирование оптико-электронных приборов
Жгуты могут иметь проклеенные и полированные торцы на
обеих сторонах либо только на одной. Вторая модификация («Э»)
позволяет осуществлять разводку волокон свободного конца по
усмотрению разработчика прибора.
Кроме того, выпускаются жгуты для преобразования формы
светового сечения («П») и ленточные элементы, состоящие из
одного слоя волокна, склеенного на определенную длину («Э-П»).
Волокна на концах жгута скрепляются клеем ОК-72Ф или
другим клеящим веществом на основе эпоксидных смол.
Проклеенные торцы жгутов полируют по плоскости и устанав-
ливают в оправки, форма которых определяется формой сечения
торца и характером крепления жгута в приборе. Наряду с про-
клеиванием торцов иногда применяют механическую фиксацию
концов волокна путем зажима в цанге или их спекания.
Параметрами гибкого волоконно-оптического жгута являют-
ся форма и размеры жгута, коэффициент пропускания. Гибкие
жгуты с регулярной укладкой волокон характеризуются также
разрешающей способностью.
Сечение торцов волоконно-оптических жгутов обычно быва-
ет круглым или квадратным. Установлен следующий ряд разме-
ров сечений торцов: 2, 3, 5, 8, 10, 15 мм. Промышленность выпу-
скает также волоконно-оптические жгуты с большими размера-
ми сечений торцов.
Длина жгута определяется назначением и характером его
использования в приборе. От длины жгута зависит коэффициент
пропускания т. Разрешающая способность жгута «Р» определя-
ется на установке, собранной на базе оптической скамьи ОСК-2,
путем наблюдения на выходном торце изображения миры, про-
ецируемого на входной торец объективом «Индустар-50». Изоб-
ражение рассматривается с помощью микроскопа с увеличением
6х ... 25х. В табл. 7.7 приведены сведения о разрешающей способ-
ности жгутов с регулярной укладкой.
Таблица 7.7
Разрешающая способность волоконно-оптических жгутов
с регулярной укладкой [32]
Диаметр или диагональ прямоуголь ного сечения, мм	Разрешающая способность, штрих/мм, не менее, для жгутов длиной, мм			
	<500	500... 800	800...1000	1000... 1400
>2,0	18	15	12	12
2,0... 1,0	15	12	12	10
4,0 ...10,0	14	12	10	8
10,0... 15,0	12	—	—	—
254
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Для защиты волокон от повреждений гибкие жгуты заклю-
чаются в оболочки из поливинилхлорида или металлорукава РЗ-
Ц-Х или РЗ-АЛ-Х.
Качество гибких волоконно-оптических элементов помимо
соответствия указанным выше параметрам определяется также
дефектами (не передающими свет участками площади торца) и
чистотой рабочих поверхностей торцов.
При использовании жгутов необходимо иметь в виду, что их
изгиб допускается только по радиусу, наименьшее значение кото-
рого составляет не менее двух диаметров жгута в защитной обо-
лочке.
Примеры конструктивного выполнения гибких волоконно-
оптических жгутов приведены на рис. 7.48.
Рис. 7.48. Гибкие волоконно-оптические жгуты:
а — с круглыми торцами в защитной поливинилхлоридной оболочке с цилинд-
рическими оправками на концах; б — с квадратными торцами в защитной обо-
лочке из металлорукава с фасонными оправами на концах; 1 — стекловолокно;
2 — защитная оболочка; 3 — оправа; 4 — выходной торец; в — со сведением
выходных торцов в единое поле: 1 — плато; 2 — кольцо регулировочное; 3 —
оправа входного торца; 4 — фланец: 5 — крепление жгута; 6 — стойка; 7 —
кольцо; 8 — винт; 9 — оправа выходного торца
255
Проектирование оптико-злекгронных приборов
Рис. 7.49. Волоконно-оптические
пластины с параллельной укладкой
волокон:
а — круглые плоские; б — прямоуголь-
ные плоские; в — круглые со сферичес-
кой и плоской рабочими поверхностями
Наряду с гибкими волоконно-оптическими элементами все
более широкое распространение получают жесткие элементы из
спеченного стекловолокна. Простейшими из них являются пла-
стины с параллельной укладкой волокон. Промышленность выпу-
скает круглые и прямоугольные пластины с параллельными рабо-
чими поверхностями и нормальным расположением волокон к
рабочим поверхностям (рис. 7.49, а, б), а также круглые с одной
плоской и другой вогнутой сферической поверхностями и
нормальным расположением волокон к плоской рабочей поверх-
ности (рис. 7.49, в). Последние применяются в электронно-луче-
вых трубках и ЭОПах для исправления кривизны поверхности
экрана.
Промышленность выпускает также волоконно-оптические
элементы для решения ряда специфических задач. К их числу
относятся фоконные линзы, которые представляют собой спечен-
ный волоконно-оптический элемент; входная поверхность эле-
мента имеет форму поверхности изображения формируемого
объективом, а выходная поверхность плоская. При этом торцы
волокон должны быть нормальны к обеим рабочим поверхнос-
тям (рис. 7.50). Такие линзы существенно повышают разрешаю-
щую способность на краях поля, которая в обычных системах
резко снижается за счет полевых аберраций.
Рис. 7.50. Волоконно-оптическая пласти-
на со сферической и плоской рабочими
поверхностями и нормальным расположе-
нием волокон к рабочим поверхностям;
1 — объектив; 2 — фоконная линза; В, В' —
сопряженные точки входной в выходной повер-
хностей
256
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
7.3.	Анализаторы изображения
7.3.1.	Назначение, классификация и основные характери-
стики
Анализатор предназначен для первичного преобразования
потока излучения, образующего изображение контролируемого
объекта, таким образом, что один или несколько параметров пре-
образованного потока становятся функционально связанными с
информативными параметрами объекта. Например, амплитуда
потока на выходе анализатора становится функцией яркости или
положения изображения объекта.
В ряде простейших ОЭП по сигналу на выходе анализатора
изображения непосредственно определяют информативные пара-
метры излучателя. Такой режим (метод) измерений с помощью
ОЭП называют прямым. Недостатком этого метода является нали-
чие погрешностей, обусловленных нестабильностью сигнала на
выходе анализатора и нелинейностью его функции преобразова-
ния,
При компенсационном (нулевом) методе измерений в ОЭП с
помощью того или иного компенсатора автоматически отрабаты-
вают выходной сигнал «на нуль», а отсчет измеряемого парамет-
ра излучателя выполняют по шкале компенсатора.
В ряде ОЭП анализатор изображения преобразует поток излу-
чения от объекта таким образом, что он становится функцией
времени, т.е. осуществляет модуляцию потока. Иногда анализа-
тор изображения выполняет и пространственную фильтрацию.
В основу классификации анализаторов изображения можно
положить различные признаки. Наиболее распространена их
классификация по виду информативного параметра сигнала на
выходе анализатора, т.е. параметра, несущего информацию об
исследуемом изображении объекта. По этому признаку различа-
ют амплитудные, фазовые, амплитудно-фазовые, частотные,
время-импульсные, поляризационные и некоторые другие ана-
лизаторы.
По конструктивному признаку различают растровые, свето-
делительные, координатные и развертывающие анализаторы изо-
бражения. К координатным и развертывающим анализаторам
изображения относят многоэлементные приемники излучения,
передающие телевизионные трубки и их твердотельные анало-
ги, например приборы с зарядовой связью.
В последнее время в ряде ОЭП начали использовать анализа-
торы на основе некоторых физических эффектов, в частности,
257
Проектирование оптико-электронных приборов
поляризации, интерференции и дифракции. Однако большого
распространения, за исключением поляризационных, такие ана-
лизаторы изображения пока не получили.
Основными характеристиками анализаторов изображения,
определяющими их качество, являются:
функция преобразования (статическая характеристика) —
зависимость сигнала Ф, формируемого анализатором изображе-
ния, от изменения одного из параметров исследуемого объекта,
например его перемещения х в плоскости изображения, т.е.
Ф = f(x);
коэффициент преобразования (чувствительность) —
отношение приращения информативного параметра сигнала,
формируемого анализатором, к изменению соответствующего
параметра излучающего объекта, например АК= ДФ/Дх;
относительная чувствительность, определяемая отноше-
нием вида Ктк = (ДФ/Фтах)/(Дх/хтах), где Фтах и хтах — макси-
мальные значения Ф и х. Коэффициент Кот позволяет сравни-
вать между собою различные анализаторы по чувствительности.
Разрешающая способность — минимальное изменение одно-
го из параметров изображения объекта, например его линейного
перемещения в плоскости анализа, вызывающее изменение ДФ
потока излучения на выходе анализатора, в р. раз превышающее
порог чувствительности Фп приемника излучения, приведенный
к анализатору. При этом обычно принимают, что р = 2.
Наибольшее распространение получили растровые анализа-
торы изображения, что объясняется простотой их конструкции
и высокой точностью. Основной частью таких анализаторов яв-
ляется растр, т.е. совокупность прозрачных и непрозрачных эле-
ментов, образующих определенную (часто периодическую) струк-
туру, которая преобразует поток излучения. Растровые анализа-
торы могут иметь как один, так и несколько движущихся или
неподвижных растров. Конструктивно они различаются по ха-
рактеру движения (вращательное, поступательное) растра или
отсутствию такового (неподвижные растры), по форме используе-
мых растров (радиально-секторные, спиральные, линейчатые и
т.п.), по относительному расположению оси вращения растра
анализатора и оптической оси объектива (концентрическое, экс-
центрическое, со скрещивающимися осями).
Важными достоинствами растровых анализаторов являются
возможность работы в широком спектральном диапазоне с ма-
лыми потерями энергии, сравнительно простая конструкция,
высокие чувствительность и точность, возможность получения
100%-ной глубины модуляции и разнообразной формы импуль-
сов модулированного потока излучения.
258
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
7.3.2.	Полудисковый анализатор изображения
В качестве растровых анализаторов изображения в ОЭП
широко применяются полудисковые и виброщелевые анализато-
ры. Принцип действия полудискового анализатора поясняет схе-
ма, приведенная на рис. 7.51, а.
При нахождении изображения излучателя в центре полудис-
ка 2 и при условии, что освещенность в изображении распреде-
лена симметрично относительно центра, через полудиск прохо-
дит постоянный поток излучения, равный половине падающего
на него потока Фо. При смещении излучателя относительно цен-
тра полудиска возникает модуляция потока излучения Ф, про-
шедшего через полудиск. Фаза первой гармоники модулирован-
ного полудиском потока излучения зависит от положения изоб-
ражения излучателя и определяется полярным углом (р радиуса-
вектора р (углом фазирования) центра изображения излучателя
(рис. 7.51, б). Значение угла <р связано с координатами х и у
конца радиуса-вектора р следующими соотношениями:
x/p = cos<p; y/p = sin(p.
Выражение для статической характеристики полудискового
анализатора изображения в случае измерения смещения х вдоль
оси х при равномерном распределении освещенности в изображе-
нии излучателя, имеющем форму круга радиусом R, и при х < R
имеет следующий вид [5]:
дф 7?arcsin(x/7?)+x^/l—x2/Rz
---~ 2	—
Фо
(7.1)
HR
где ДФ — амплитуда модулированного полудиском потока излу-
чения; Фо — половина эффективного потока, попадающего в плос-
Рис. 7.51. ОЭП в полудисковым анализатором изображения:
1 — объектив; 2 — полудиск; 3 — приемник излучения; 4 — усилитель; 5 —
электродвигатель; 6 — генератор опорного напряжения; 7,8 — фазовые детек-
торы
259
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.52. Функции преобразования
полудискового анализатора при раз-
личных распределениях освещеннос-
ти в изображении излучателя:
1 — равномерном; 2 — дифракционном;
3 — при суперпозиции дифракционных
распределений
кость анализа. Эта характеристи-
ка показана на рис. 7.52 (кривая
1). В диапазоне x/R < 0,25 с по-
грешностью не более 0,25% соот-
ДФ/Ф0 = 4х/(лВ) или ДФ/Ф0 = 4а/(ла0),	(7.2)
где а - x/f — угловое смещение излучателя относительно опти-
ческой оси объектива; ct0 = arctg (R/f) — угловой размер радиу-
са R в фокальной плоскости объектива; f — эквивалентное фокус-
ное расстояние объектива.
Как следует из (7.2), чувствительность полудискового анали-
затора при равномерной освещенности изображения излучателя
/< = ДФ/а = 4Ф0/(ла0),
а относительная чувствительность Ктя = 4/л. Разрешающую спо-
собность анализатора в этом случае определяют по формуле
Дап = цФплВ/(4Ф0Г),
где ц — требуемое отношение сигнал/шум; Фп — пороговый по-
ток приемника излучения, приведенный к анализатору.
При небольших смещениях х < R изображения излучателя в
плоскости анализа форма модулированного потока приближается
к синусоидальной, а при х > R она постепенно переходит в тра-
пецеидальную. Поэтому при небольших а коэффициент преобра-
зования потока анализатором с учетом перехода к его эффектив-
ному значению будет
= 4ДаД-/2гах0 j ~ О,9Да/ао.
При прямом методе измерений результирующая доверитель-
ная погрешность измерения координат с помощью полудисково-
го анализатора для небольших смещений х изображения излуча-
теля в плоскости анализа может быть определена по следующей
формуле:
260
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Лаан = Дау ± -Jao^ + Аалел + Да§. или
Л 17	\2 /	\2 7	\2
АКан АС6У ± | А«е | + Д^нел [	,	(7.3)
^0	«О ук И0 J Ч. J	К «О /
где Ааг, Данел, Даг и Асе, — частные доверительные погрешности,
обусловленные соответственно эксцентриситетом е оси вращения
полудиска относительно его геометрического центра (биениями
полудиска), нелинейностью статической характеристики полу-
диска, нестабильностью частоты его вращения и отступлениями
Ду углового размера полудиска от 180°.
Частная погрешность Дае изменяется при вращении полудис-
ка по синусоидальному закону Дае = (E//')sin(<p - <р0), где <р0 —
начальная фаза эксцентриситета, т.е. значение угла поворота по-
лудиска ф, при котором линейный эксцентриситет равен нулю
— Е = 0. Эта погрешность вообще является систематической.
Однако, поскольку измерения углов а с помощью анализатора
изображения могут производиться с равной вероятностью в лю-
бой момент времени t и при любой начальной фазе эксцентриси-
тета, значение Даг, изменяющееся от 0 до Е//', заранее трудно
учесть, Поэтому целесообразно эту частную погрешность рассчи-
тывать как случайную, что учтено в формуле (7.3).
Частная погрешность Досг при небольших углах рассогласо-
вания связана с соответствующей нестабильностью Диг сигнала в
цепи приемника излучения, которая обусловлена нестабиль-
ностью Дл частоты вращения полудиска и, следовательно, часто-
ты модуляции F сигнала, следующим соотношением:
a«f/«o = К^а (&uF/umax),	(7.4)
где — максимальное значение сигнала в цепи приемника
излучения, = 8ГФО, sv — вольтовая чувствительность прием-
ника излучения.
Зная нестабильность частоты вращения полудиска Дп, по
частотной характеристике применяемого резонансного усилите-
ля можно определить нестабильность Днг сигнала и по формуле
(7.4) значение Даг. Закон распределения вероятностей погрешно-
сти Даг можно считать гауссовским. Частную погрешность Досг
можно значительно ослабить путем стабилизации угловой ско-
рости электродвигателя, вращающего полудиск.
Отклонение полупериода растра полудиска от 180° на вели-
чину Ду при х = В приводит к уменьшению амплитуды первой
гармоники прошедшего через него потока излучения на величи-
ну А ф х, причем
261
Проектирование оптико-электронных приборов
Д Ф (2Ф 0 /тс) sin ( Ду/2).
Эти отклонения вызывают систематическую погрешность
До^ = а0Ду/л наведения на излучатель, которую можно заранее
учесть. Однако при несимметричном относительно центра изобра-
жения излучателя распределении освещенности вследствие угло-
вых погрешностей Ду полудиска возникают погрешности Дансс,
которые трудно учесть заранее. В этом случае рекомендуется при-
ближенно определять допуски Ду по формуле
Ay = 180°AaaH3/(sa),
где Да,„3 — заданная погрешность анализатора изображения;
s — коэффициент запаса, обычно s = 5 ... 10.
Частная погрешность Данел определяется по отклонениям от
линейности теоретической или экспериментально полученной
осредненной статической характеристики анализатора изображе-
ния и, вообще говоря, является систематической. Однако, по-
скольку снимаемые отсчеты при измерении угла в пределах от 0
до а0 имеют различные погрешности из-за нелинейности, зави-
сящие от угла а, эту погрешность целесообразно считать случай-
ной, изменяющейся в диапазоне от 0 до Ла„елтвх. Прямую, апп-
роксимирующую статическую характеристику анализатора,
обычно строят по методу наименьших квадратов. При этом за-
кон распределения вероятностей рассматриваемой погрешности
можно считать гауссовским. Следует также иметь в виду, что
иногда погрешность Данел можно учитывать как систематичес-
кую, например в случае использования микропроцессора в ОЭП.
Доверительную вероятность Рс для результирующей погреш-
ности Досв„ анализатора находят по композиции арксинусоидаль-
ного распределения вероятностей частной погрешности Дае с га-
уссовскими распределениями частных погрешностей Данел и Даг.
Доверительная вероятность зависит от отношения у значения
доверительной погрешности Да£ = - Д(у.''гл ч Да^ , распреде-
ленной по закону Гаусса, к предельному значению частной по-
грешности Дае, распределенной по арксинусоидальному закону
[5]. Значение Р, является функцией \|/, т.е. Рс = Ду). При этом
если за практические границы гауссовских распределений плот-
ностей вероятностей частных погрешностей принять Да> = 3,17of,
где Oj — среднее квадратическое значение соответствующей час-
тной погрешности, то для Дщ доверительная вероятность Рс -
~ 0,999, а отношение V = 3,17-Jo^ + бр /даЕ. Функция Рс = f (у)
для рассматриваемой композиции частных погрешностей приве-
дена в [5].
262
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Результирующая доверительная погрешность для полудис-
кового анализатора изображения ОЭП, работающего в компенса-
ционном режиме измерений, определяется следующим соотно-
шением:
Д(ХаН = jAct2e + AaF-
Относительная погрешность анализатора
Даан/аО =	/«О/ + (А«г/ао)2 •	<7-5)
С помощью формул (7.4) и (7.5) с учетом коэффициентов
влияния (весов) и некоторого коэффициента запаса s (обычно s =
= 2 ... 5) по заданной относительной погрешности измерения уг-
лового перемещения излучателя Даанз/ос0 можно вычислить до-
пуски на биения анализатора Ед и на нестабильность Длд частоты
вращения двигателя, вращающего анализатор. В частности, при
условии равного влияния частных погрешностей Да£ и Даг на
результаты измерений получим:
ДаЕ/а0 = Aaf/а0 = Ааан.з/(8-Дао)-
Отсюда можно определить допуск ед на эксцентриситет оси
вращения полудиска ед = f и с учетом формулы (7.4) допус-
тимое значение ДиГд. По полученной погрешности ДиГд можно
найти допуск Дпд на нестабильность частоты вращения двигате-
ля, если известна частотная характеристика усилителя, или по
известной для данного двигателя нестабильности Дп синтезиро-
вать требуемую частотную характеристику усилителя.
Помимо указанных в формуле (7.3) частных погрешностей
иногда приходится принимать во внимание еще частную случай-
ную погрешность Данест, обусловленную нестабильностью ампли-
тудных параметров излучателя, оптической системы, фотопри-
емника и усилителя, приведенную к анализатору изображения и
оцениваемую величиной ДФнест, и частную случайную погреш-
ность Даш из-за шумов фотоприемника. Вычисление частной
погрешности AaHfCT производится по формуле:
А<*нест ~ «0ДФ не ст/(к
отн^о)*
Она вносит существенный вклад в результирующую погрешность
при относительной нестабильности полезного сигнала ДФяест/Ф0,
сравнимой с заданной относительной погрешностью анализато-
ра Даа„/а0-
Частная погрешность Даш определяется но формуле
АаП1 = ЗФ:л^А//йГ,
где Ф* — нормированный пороговый поток фотоприемника,
Д/ — эффективная (шумовая) полоса частот электронного блока,
263
Проектирование оптико-электронных приборов
А — площадь фотоприемника. Подставив вместо К в эту форму-
лу соотношение К = KmR<bJa0, получим предельную погрешность
из-за шумов фотоприемника в виде
_зф:лцд?
” к Ф '
отн
Из этой формулы ясно, что вклад частной погрешности Даш
в погрешность Дсхан будет несущественным при условии
Л<Хщ = ЗФ*л/ад7 < одЛ<ХаН.з.
ао -^OTH^O	«О
Если случайные погрешности Даяест и Дссш соизмеримы с частной
погрешностью Да£, чаще всего являющейся доминирующей, то
их можно принять во внимание при расчете результирующей
погрешности и допусков на эксцентриситет оси вращения ед и
нестабильность частоты вращения Дпд анализатора.
Аналогичным образом по заданной погрешности Даан 3 мож-
но вычислить допуск на нелинейность статической характерис-
тики анализатора, а по нему с использованием формулы (7.1)
или рис. 7.52 определить диапазон линейности этой характери-
стики, при котором Данел не превосходит Даана/8.
7.3.3.	Виброщелевые анализаторы изображения
Виброщелевые анализаторы изображения, широко ис-
пользуемые в различных ОЭП, можно классифицировать: по
параметру формируемого ими оптического сигнала — на ампли-
тудно-фазовые, фазовые и импульсные; по характеру изменения
скорости перемещения щели — на анализаторы, скорость пере-
мещения которых изменяется по синусоидальному закону (гармо-
нические), и анализаторы с равномерной скоростью перемеще-
ния. По конструкции их делят на две группы: у анализаторов
одной группы узкая щель колеблется относительно изображе-
ния излучателя или само изображение излучателя перемещает-
ся относительно неподвижной узкой щели, а у анализаторов
другой группы относительно изображения колеблется узкий не-
прозрачный элемент, например нить.
Виброщелевые анализаторы изображения используют не
только для определения перемещений точечных или площадных
изображений излучателя, но и для регистрации перемещений
системы интерференционных полос внутри их шага (регистра-
ция дробной части полосы).
264
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.53. Схема виброщелевого ана-
лизатора изображения
Основной частью виброщеле-
вого анализатора изображения с
колеблющейся щелью (рис. 7.53)
является щелевая диафрагма
шириной В, которая совершает
колебания относительно оптиче-
ской оси объектива с амплитудой А. Если ось симметрии изобра-
жения излучателя, ширина которого равна d, находится на опти-
ческой оси объектива (начало координат О является точкой пере-
сечения оптической оси с плоскостью хоу), то при возвратно-
поступательном движении (сканировании) щели относительно
оси у с частотой fCK будет иметь место модуляция потока излуче-
ния с частотой 2fCK (рис. 7.54, а). В результате сигнал на выходе
резонансного усилителя, настроенного на частоту fCK и подклю-
ченного к приемнику излучения, будет равен нулю.
При смещении изображения излучателя на расстояние х
относительно оси у соседние импульсы смещаются на одни и те
же расстояния в разные стороны (рис. 7.54, б, в). Поэтому будет
иметь место модуляция потока излучения с частотой /ск сканиро-
вания щели.
Рис. 7.54. Формирование сигнала в
виброщелевом анализаторе изобра-
жения:
а — при отсутствии смещения изображе-
ния излучателя в плоскости анализа,
х = 0; б — при смещении изображения,
х > 0; в — при смещении, х < 0
Некоторые конструкции виброщелевых анализаторов изоб-
ражения показаны на рис. 7.68 и 7.69.
Зависимость амплитуды первой гармоники модулированно-
го потока излучения от точечного источника излучения, а
следовательно, и сигнала на выходе резонансного усилителя от
смещения х изображения излучателя при синусоидальном
сканировании щели описывается следующим соотношением:
265
Проектирование оптико-электронных приборов
(7-6)
где х = х/В; а = А/В , Фо — эффективный поток от излучателя в
плоскости анализа.
Статическая характеристика виброщелевого анализатора,
построенная по формуле (7.6) при точечном изображении излуча-
теля и амплитуде сканирования А = В/^2, показана на
рис. 7.55. Линейная зона статической характеристики амплитуд-
но-фазового виброщелевого анализатора имеет место приблизи-
тельно до значений х ~ 0,15. Его относительная чувствительность
КО1Н = 4/л.
Максимальная чувствительность виброщелевого анализато-
ра, сканирующего изображения излучателя по синусоидальному
закону (гармонические анализаторы), имеет место при условии
В = d и А = В/42.
С учетом дифракции ширина щели выбирается равной
В = d + l,275(X/')/(nZ>), где D — диаметр входного зрачка ОЭП.
При постоянной скорости сканирования изображения из-
лучателя и равномерной освещенности (в диапазоне 0 < х < А/2)
статическая характеристика описывается следующим выраже-
нием [5]:
s
№ г
Ф1(х) =
4Ф0
л
( nd
sine —
(4А
. ( пВ
sm --
Ua
тех
Sin24‘ <7Л>
Максимальная чувствительность виброщеле-
вого анализатора, перемещающегося с постоян-
ной скоростью, как следует из (7.7), имеет место
при с(-»0иА = В. В этом случае
Рис. 7.55. функция преобразования гармонического
виброщелевого анализатора изображения
266
Глава 7. Особенней:™ конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
_ , ч 2л/ЙФ0 . лх
Ф. (х) =------ sin—
1V f _п 2В
и при небольших значениях х < 0,05 чувствительность К =
= л/Й Фо/В. Относительная чувствительность Котк = л/Й /2.
Поскольку амплитуда сканирования А у виброщелевых ана-
лизаторов небольшая, он часто работает в следящем режиме.
При используемом иногда на практике соотношении
d = А = В относительная чувствительность Ктн = 2/п.
Результирующая погрешность Даан амплитудно-фазового виб-
рощелевого анализатора изображения, включенного в ОЭП, ра-
ботающий компенсационным способом,
Даан = TaoF+AoF ,	(7.8)
где До,, — частная доверительная погрешность, обусловленная
смещением оси сканирования (уход нуля); Да,, — частная дове-
рительная погрешность, обусловленная нестабильностью До ско-
рости v сканирования.
Нестабильности ДА и Дсо амплитуды А и частоты сканирова-
ния со также приводят к соответствующим нестабильностям Ava
и Дош скорости сканирования. Эти величины связаны между со-
бой следующими соотношениями:
Ava/v = АА/А и Ava/v = Дсо/со.
При использовании измерительного режима работы ОЭП
результирующую погрешность анализатора определяют по фор-
муле
Д«ан = Данел ± д/Д^+Да^ ,	(7.9)
где Данел — частная доверительная погрешность, обусловленная
нелинейностью статической характеристики анализатора.
Относительную результирующую доверительную погреш-
ность анализатора можно получить из формул (7.8), (7.9) путем
деления их левых и правых частей на измеряемый угол а. На-
пример, из (7.9) получим:
Значение частной погрешности Да„ зависит от типа исполь-
зуемого механизма для сканирования щели (сканатора). Смеще-
ние оси сканирования Дх0 наиболее часто используемых на прак-
тике электромеханических сканаторов составляет десятые доли
микрометра за несколько часов их работы. У более стабильных
267
Проектирование оптико-электронных приборов
виброударных сканаторов Лх0 =0,1 мкм. Имеются особо ста-
бильные сканаторы, у которых Дх0= 0,01 мкм в течение несколь-
ких часов работы.
Для виброщелевого анализатора, сканирующего изображе-
ние излучателя с постоянной скоростью v, при компенсацион-
ном режиме работы ОЭП и А = В частная доверительная погреш-
ность Да„ определяется соотношением [5]
Да„ = A-j2Av/8vf',	(7.10)
где До — отклонение скорости сканирования от номинального
значения, f — эквивалентное фокусное расстояние объектива.
При измерительном режиме работы ОЭП выражение для этой
частной погрешности имеет вид [5]
Даи=[лФ0/(4^)](Дц/о)2,	(7.11)
где К — чувствительность анализатора (крутизна его статичес-
кой характеристики); Фо — эффективный поток излучения,
попадающий в плоскость анализатора изображения.
Частная погрешность Данел, обусловленная нелинейностью
статической характеристики анализатора, является систематиче-
ской и в основном зависит от соотношения между шириной щели
В, амплитудой сканирования А и шириной (диаметром) d изобра-
жения излучателя в плоскости анализа, от характера сканирова-
ния (линейное или гармоническое) и распределения освещенно-
сти в изображении излучателя. Наименьшая погрешность, выз-
ванная нелинейностью статической характеристики анализато-
ра, при х < 0,1 А имеет место при линейном законе сканирова-
ния изображения излучателя в случае равномерного распределе-
ния его освещенности. Тогда погрешность Данел при использова-
нии анализатора, сканирующего изображение излучателя с рав-
номерной скоростью, может быть рассчитана по формуле
= 2А nx/(2A)-sin[rcx/(2A)]
л f'cos[nx/(2A)] ’	(7.12)
где f — эквивалентное фокусное расстояние объектива.
Как следует из (7.12), систематическая погрешность Давел
растет с увеличением х. При х/А < 0,05 эта погрешность незна-
чительна по сравнению с другими, и ее можно не учитывать.
При измерении угловых перемещений излучателя в диапазоне
от нуля до u.ij~A/f' необходимо в соответствии с (7.12) корректи-
ровать показания ОЭП или линеаризовать статическую характе-
ристику всего ОЭП путем введения коррекции в его электрон-
ный блок.
При использовании коррекции систематической погрешнос-
ти Данел виброщелевого амплитудно-фазового анализатора изобра-
268
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
жения допуски на смещение Дх0 оси сканирования и на неста-
бильность Др скорости сканирования (при условии равного влия-
ния обеих частных погрешностей на результаты измерений) мо-
гут быть рассчитаны исходя из следующего соотношения,
полученного из (7.8):
Да0 = Да„ = Даавд/л/2,	(7.13)
где Дааи л — допустимая или заданная погрешность анализатора.
Отсюда с учетом коэффициента запаса s = 2 ... 5
ДхОд = Да^/'Дл/га).	(7.14)
С учетом (7.10), (7.11) и (7.13) допуски на относительные
изменения скорости сканирования при компенсационном и из-
мерительном режимах работы ОЭП соответственно равны:
(Дц/ц)д = 4Даанд/(8а0);	(7.15)
(Дц/р)д = ^2^^Даав.д/(лФ08).	(7.16)
Рассчитав по формулам (7.14), (7.15) или (7.16) допустимые
значения ДхОд и (Др/и)д, можно подобрать соответствующие меха-
низм и привод для сканирования щели.
Конструктивные параметры амлитудно-фазового виброщеле-
вого анализатора выбираются по следующей примерной методи-
ке:
1.	Учитывая режим работа ОЭП — компенсационный или
измерительный, выбирают тип анализатора — с синусоидальным
или линейным сканированием изображения излучателя. При си-
нусоидальном сканировании крутизна статической характерис-
тики вблизи нуля выше, чем при линейном сканировании. Пос-
леднее обеспечивает меньшую нелинейность статической харак-
теристики по угловому полю;
2.	Исходя из заданного диапазона измерения углов ±а0 (или
перемещений ±хтах в плоскости анализа), заданного или расчет-
ного диаметра d излучателя в плоскости анализа выбирают ши-
рину щели В и амплитуду сканирования А по соображениям мак-
симальной чувствительности: для анализатора с синусоидальным
сканированием В = d, А = В/ -J2 , Для анализатора с равномер-
ной скоростью сканирования А = В и А = 2хтах;	/
3.	Рассчитывают скорость сканирования и, исходя из выу
ранной частоты модуляции потока f (см. п. 6.3.2), по формуя
v = 4fA;	I
4.	В зависимости от закона сканирования изображения й-
лучателя рассчитывают и строят статическую характеристику
анализатора, например по формуле (7.7);	/
269
Проектирование оптико-электронных приборов
5.	Исходя из заданной погрешности измерения Дх (или угло-
вой погрешности Да = Дх/f', по полученной статической харак-
теристике определяют минимальное приращение эффективного
потока в плоскости анализа ДФ = йГДх и сравнивают его с порого-
вым потоком фотоприемника Фп. Если ДФ > цФп, где ц — необхо-
димое отношение сигнал/шум, переходят к расчету допусков на
конструктивные параметры анализатора. Если это неравенство
не удовлетворяется, корректируют принципиальную схему все-
го ОЭП, например выбирают объектив, обеспечивающий лучшее
качество изображения или приемник излучения с лучшей обна-
ружательной способностью. Небольшого увеличения чувствитель-
ности анализатора изображения К можно добиться путем пере-
хода к синусоидальному сканированию вместо сканирования с
равномерной скоростью.
6.	Аппроксимируют функцию преобразования анализатора
прямой линией, проходящей через начало координат, и находят
погрешности Данел(Дхнел) из-за нелинейности преобразования для
различных значений а. Для анализаторов, сканирующих изоб-
ражение излучателя с постоянной скоростью, погрешность из-за
нелинейности оценивается но формуле (7.12). Если эта погреш-
ность больше, чем заданная погрешность измерений или сравни-
ма с ней, то необходимо принять меры к ее учету, как система-
тической погрешности. При компенсационном режиме измере-
ний эта погрешность не принимается во внимание из-за ее незна-
чительности; рассчитывается только приращение потока ДФ при
х —> 0 (см. п. 5).
7.	Исходя из заданной погрешности анализатора изображе-
ния (или всего ОЭП) с учетом коэффициента запаса s = 2 ... 5
определяют допуски на нестабильность оси сканирования ДхОд
(формула 7.14) и относительную скорость сканирования по фор-
мулам (7.15) или (7.16) в зависимости от закона сканирования.
8.	Вычисляют допуски на нестабильности амплитуды
(ДА/А)д и частоты (До>/а>)д сканирования по формуле
2.
9.	По вычисленным значениям допусков и основным конст-
руктивным параметрам виброщелевого анализатора А, В, о под-
ирают тип сканатора и его привод (см. гл.9).
S\ Если не удается подобрать такой сканатор, то расчет допус-
ков на его параметры повторяют при другом их распределении
кду собою; например, можно увеличить допуск на непостоян-
о скорости сканирования за счет уменьшения допуска на сме-
нив оси сканирования, если прибор работает непродолжитель-
270
Глава 7 Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
ное время. Также возможно расширение коэффициента запаса s
и изменение параметров А, В и со.
При небольшом отношении сигнал/шум Ц необходимо при-
нимать во внимание и частную погрешность Даш из-за шумов
приемника излучения. При этом в формулы (7.13) и (7.14) вме-
сто коэффициента, равного л/2 , подставляют коэффициент, рав-
ный 3 .
Кроме того, при работе ОЭП в измерительном режиме следу-
ет учитывать также частную погрешность Данест из-за нестабиль-
ности амплитуды полезного потока
Д(Хнест = ДФнест/-^‘
Соответственно изменяют формулы (7.13) и (7.14) и произ-
водят перераспределение весов погрешностей при перерасчете
допусков на параметры анализатора изображения.
Разновидностью виброщелевых анализаторов изображения
являются фазовые и времяимпульсные анализаторы. Принцип
действия их основан на измерении сдвига фаз Дер или временнбго
сдвига Д7 импульсов потока излучения, возникающих при ска-
нировании изображения излучателя относительно опорного им-
пульса. Амплитуда А для таких анализаторов должна быть боль-
ше, чем ширина В щели. Четные и нечетные импульсы потока
излучения при смещении изображения излучателя в плоскости
анализа на х смещаются по фазе в противоположные стороны на
Д<р. При равномерной скорости сканирования эти смещения свя-
заны между собой следующим соотношением:
Дф = ях/(2А).
Результирующая доверительная угловая погрешность фазо-
вого (или времяимпульсного) виброщелевого анализатора
Д(*ан = Л.',Да() + (А^скао/^ск).
где Да0 = Дх0/Л; Доск/оск — относительная нестабильность ско-
рости сканирования; «о = arctgA/f.
Частная погрешность вследствие нестабильности скорости
сканирования Да„/а0= Доск/оск. Из сравнения последнего выра-
жения с (7.11) следует, что нестабильность скорости сканирова-
ния влияет сильнее на погрешность фазового виброщелевого
анализатора, чем на погрешность амплитудно-фазового вибро-
щелевого анализатора.
Чувствительность фазового виброщелевого анализатора
незначительно отличается от чувствительности амплитудно-фа-
зовых виброщелевых анализаторов.
271
Проектирование оптико-электронных приборов
Нелинейность функции сканирования щели хск = A sincirt для
фазовых виброщелевых анализаторов приводит к относительной
погрешности:
Л“"“..(1/6)(х/Л)2.	(7.17)
Как следует из (7.17), погрешность вследствие нелинейнос-
ти функции преобразования рассматриваемого анализатора мо-
жет составлять недопустимо большие значения даже при малых
х, поэтому при работе анализатора в составе измерительных ОЭП
необходимо применять анализаторы с постоянной скоростью
сканирования. В этом случае они имеют преимущества по срав-
нению с амплитудно-фазовыми виброщелевыми анализаторами.
Во всех остальных случаях рекомендуется применять амплитуд-
но-фазовые анализаторы.
7.3.4.	Анализаторы изображения со светоделительными
элементами
Достаточно распространены на практике амплитудные
анализаторы со светоделительными призмами или пирамидами,
принцип действия которых основан на сравнении разделенных
потоков излучения. Примеры оптико-электронных угломерных
систем со светоделительной призмой представлены на рис. 7.56.
Изображение излучателя, сформированного объективом 1
(рис. 7.56, а) в плоскости ребра светоделителъной призмы 2, раз-
дваивается ею. Раздвоенные потоки Ф! и Ф2, проходят через кон-
денсоры 3 и прорези модуляторов 5, попадают на чувствитель-
ные площадки фотоприемников 6. Генерированные ими сигна-
лы усиливаются дифференциальным усилителем 7 и поступают
в блок их регистрации. Оба модулятора перекрывают потоки из-
лучения Ф1 и Ф2 синхронно. При угле рассогласования а = 0 имеет
место равенство потоков Ф, и Ф2. Возникающие в цепях фото-
приемников 6 сигналы щ и и2 также равны друг другу. Поэтому
сигнал на выходе дифференциального усилителя будет равен
нулю. При смещении изображения излучателя с ребра светоде-
лительной призмы равенство сигналов щ и и2 нарушается, вслед-
ствие чего возникает сигнал Аи = щ — и2 на выходе дифференци-
ального усилителя, пропорциональный углу а. Фаза сигнала Ди
зависит от направления смещения излучателя относительно оп-
тической оси объектива 1. Информативным параметром такого
анализатора является разность амплитуд потоков Ф! и Ф2.
Изменение разности ДФ потоков Ф] и Ф2 в зависимости от
смещения х изображения излучателя в плоскости анализа, име-
272
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.56. ОЭП с анализаторами изображения в виде светоделительной
призмы:
а — с двумя фотоприемникамн; б — с одним фотоприемником: 1 — объектив, 2
— светоделительная призма, 3 — конденсоры, 4 — зеркала, 5 — модулятор, 6 —
фотоприемник, 7 — усилитель; в — диаграммы изменения потоков в анализато-
ре с одним приемником излучения
ющего форму прямоугольника, с учетом потери постоянной со-
ставляющей разностного потока (т.е. функция преобразования)
имеет следующий вид:
АФ/Ф0 = x/R = а/а0,
где R — полуширина изображения излучателя в плоскости ана-
лиза, а0 = arctg (R/f), Фо — половина эффективного потока в
плоскости анализа (максимальная амплитуда потоков Oj и Ф2 при
а = 0). Как следует из этой формулы, функция преобразования
такого анализатора при прямоугольном изображении излучате-
ля линейна в диапазоне углов +а0, а чувствительность и относи-
тельная чувствительность соответственно равны К = Ф0/а0 и
В случае круглого изображения излучателя функция преоб-
разования данного анализатора является такой же как и для по-
лудиска (см. формулу 7.1). В том же диапазоне перемещений
х/7?<0,25 с погрешностью аппроксимации не более 0,25% она
273
Проектирование оптико-электронных приборов
является линейной (см. формулу 7.2). Относительная чувстви-
тельность в этом случае при небольших углах а равна Котн =
= 4/л.
Основными погрешностями данного анализатора являются
следующие: частная погрешность Дад<р из-за неточности нанесе-
ния растра модулятора и эксцентриситета его оси вращения от-
носительно центра растра (погрешность расфазировки Д<р раздво-
енных модулированных потоков в обоих каналах сравнения),
частная погрешность Да, из-за неидентичности вольтовых чув-
ствительностей фотоприемников и их изменений в зависимости
от падающего потока, температуры и т.п., частная погрешность
Да, из-за нестабильности частоты f модуляции потока. Иногда
приходится принимать во внимание также частную погрешность
Даш, обусловленную шумами фотоприемников, частную погреш-
ность Данест, обусловленную нестабильностью полезного потока
излучения и частную погрешность из-за нелинейности Данел фун-
кции преобразования.
Поскольку у этого анализатора изображения имеет место
сравнительно большая погрешность Да,, обусловленная неоди-
наковым изменением вольтовых чувствительностей фотоприем-
ников в зависимости от падающего на них потока, изменяюще-
гося с изменением угла а, его целесообразно использовать толь-
ко в следящем ОЭП. При работе ОЭП в следящем режиме вычис-
ление частных погрешностей можно производить по следующим
формулам:
_л/2лра0 _ 2V2As„a0
Д<₽~ *отв₽о ’	S~^OTB(sU1+^)’
Да, ~
л/2Ди,а0
Ктви0
*отВФо
Д«нест
-\/2Aiz _
__ ______нест
“(Лотн
где др — отклонение угловых размеров штрихов растра модуля-
тора от номинала, ро — угловой период растра, sVi, sV2 — вольто-
вые чувствительности соответствующих фотоприемников,
Asv=sVi~sV2 — разность чувствительностей фотоприемников,
которая может изменяться с изменением внешних условий,
Данест — короткопериодическая нестабильность выходного сиг-
нала (флуктуации), обусловленная в основном флуктуациями
потока от излучателя (при этом возможен здесь также учет флук-
туаций сигнала в электронном блоке).
274
Глава 7- Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Следует иметь в виду, что во всех этих формулах имеется
коэффициент, равный ^/2 , в отличие от аналогичных формул
для полудискового и виброщелевого анализаторов. Это объясня-
ется использованием двух фотоприемников вместо одного и, сле-
довательно, сложением дисперсий случайных частных погреш-
ностей. Вместо As,, в данном случае подставляется среднее квад-
ратическое значение флуктуации вольтовой чувствительности
фотоприемника.
Основным недостатком схем светоделительных анализаторов
изображения с двумя фотоприемниками является наличие у них
погрешности Aas вследствие неидентичности вольтовых чувстви-
тельностей и их изменений в зависимости от угла а и изменений
внешних условий, а также увеличение других частных погреш-
ностей в у[2 раз. В целях увеличения точности вместо двух фо-
топриемников в таких анализаторах применяют один фотопри-
емник (рис. 7.56, б). В этом случае разделенные призмой 2 пото-
ки Oj и Ф2 отражаются зеркалами 4 и, проходя через модулятор
5, поочередно попадают на фотоприемник 6, включенный на вход
усилителя 7. Вместо плоских зеркал можно использовать сфери-
ческие, которые одновременно выполняют функции конденсора.
Если изображение излучателя находится на оптической оси
объектива ОЭП, амплитуды потоков Ф, и Ф2 равны друг другу
(рис. 7.56, в). Поэтому результирующий поток Фх в плоскости
фотоприемника равен половине потока, попадающего в плоскость
анализа, Ф^ = Фо, Вследствие этого сигнал на выходе резонанс-
ного усилителя 7 равен нулю. При смещении изображения излу-
чателя амплитуда одного из потоков возрастает за счет уменьше-
ния другого потока. Поэтому на фотоприемник попадает моду-
лированный разностный поток, пропорциональный смещению
изображения, фаза которого зависит от направления смещения.
Доминирующей погрешностью таких систем является по-
грешность АаДч> из-за расфазировки модулированных потоков в
обоих каналах сравнения. Частная погрешность АаДф вызвана
отклонениями А0 периодов растра модулятора от его номиналь-
ного значения А0 = 360°//п , где т — число периодов растра,
эксцентриситетом е оси вращения модулятора и пирамидально-
стью призмы, а также неточностью сборки и юстировки призмы,
зеркал и модулятора. Независимо от формы изображения излу-
чателя и вида модуляции потоков в обоих каналах сравнения
при расфазировке А<р относительное изменение Ф1/Ф1тах первой
гармоники Ф! модулированного результирующего потока, попа-
дающего на приемник излучения, связано с углом рассогласова-
ния а и расфазировкой А<р следующим соотношением:
275
Проектирование оптико-электронных приборов
Ф1
^Imax
2 Дф
COS —-
2
(7.18)
где <!>! тах — максимальная амплитуда первой гармоники резуль-
тирующего модулированного потока излучения, соответствую-
щая углу а = а0.
При обосновании конструкции анализатора изображения
часто достаточно рассчитать только частную погрешность ДаДф. В
этом случае функция преобразования Ф1/Ф1тах = /(ос, Дер) анали-
затора описывается соотношением (7.18).
Семейство функций Ф1/Ф1тнх = /(ос, Дер) для различных значе-
ний Дер показано на рис. 7.57, из рассмотрения которого следует,
что при наличии расфазировки Дер уменьшается чувствительность
анализатора при небольших угловых рассогласованиях а. Кроме
того, вследствие случайного характера распределения значений
расфазировок Дер, вызванных различными отклонениями перио-
дов растра модулятора потока излучения от номинального зна-
чения, имеют место случайные флуктуации амплитуды первой
гармоники модулированного результирующего потока излучения
Фи Поэтому для данного допуска Дер на расфазировку функцию
преобразования анализатора можно рассматривать как случай-
ную. При этом область ее возможных реализаций для конкрет-
ного допуска ±Д(рд находится между прямой линией, описывае-
мой уравнением Ф,/Ф1 „„ = ос/ос0, и кривой, построенной по урав-
нению (7.18), в котором Д(р = Д<рд. Указанная область будет тем
шире, чем больше значение Дер. Значение флуктуаций ДФП ха-
рактеризующих изменение функции преобразования анализато-
ра, следует отсчитывать относительно осредненной кривой, по-
строенной в указанной области возможных реализаций этой
функции.
При увеличении углового рас-
согласования а дисперсия случай-
ной функции преобразования ана-
лизатора уменьшается, а чувстви-
тельностъ увеличивается. Для
уменьшения частной погрешности
ДосДф следует обоснованно выбирать
допуски на отклонение от номина-
Рис. 7.57. Функция преобразования
светоделительного анализатора изобра-
жения
276
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
ла угловых периодов растра модулятора и на эксцентриситет е
его оси вращения по отношению к центру растра и допуски, свя-
занные с непараллельностью осей разделенных призмой пучков
лучей, приводящие к смещениям сечений этих пучков отно-
сительно их номинального положения в плоскости модулятора.
Причинами этого являются неравенство углов наклона зеркал
ОЭП к плоскости основания всей конструкции (к плате), переко-
сы установки призмы и ее пирамидальность, а также перекосы
направляющих для перемещения призмы. Расфазировка Дф,
обусловленная перекосом направляющих Ду, изменяется при пе-
ремещении призмы с целью компенсации угловых рассогласова-
ний, а расфазировка из-за неравенства угловых наклонов зеркал
к плате, пирамидальности призмы и ее перекосов при установке
на плату для данного ОЭП является постоянной и может быть
учтена или уменьшена путем юстировки. Эта расфазировка оп-
ределяется по формуле:
Дф- 2mlAy/Rc,
где I — расстояние от зеркала до модулятора, Rc — радиус
сканирования.
При компенсационном методе работы ОЭП суммарный до-
пуск на расфазировку минимален и его вычисляют из условия
Дфд<2(Да/а0)3/* 8’
где (Да/а0)3 — заданная относительная погрешность измерения
угла a, s — коэффициент запаса, обычно s = 2 ... 5.
Отсюда допуски на отклонения угловых периодов растра от
номинала ДРД, эксцентриситет оси вращения модулятора ед и
наклоны направляющих для перемещения призмы Дуд можно вы-
числить по формуле
mjK2^2+K^2/R2+4K2 l2^2/R2 < 2(Да/а0)з/8, (7.19)
где К£, Ку — коэффициенты влияния (веса) отдельных допус-
ков, Rc — радиус сканирования, т.е. расстояние от центра растра
до центра пучка лучей в плоскости растра.
В случае равного влияния частных погрешностей Дадр, Дае,
ДОу на результаты измерений, т.е. при К$ = Кс = Ку = 1, из фор-
мулы (7.19) следует
ДРд = Ед/Лс = 2Z Дуд/7?с < ДфдД/3.	(7.20)
После установления этих допусков можно рассчитать радиус
сканирования по принятому из технологических соображений
допуску на эксцентриситет ед оси вращения модулятора или,
наоборот, рассчитать ед по принятому из конструктивных сооб-
277
Проектирование оптико-электронных приборов
ражений значению Rc. По формуле (7.20) легко определить до-
пуск Дуд на наклоны направляющих при известном из габарит-
ного оптического расчета значении I, а также при необходимос-
ти — допуск на пирамидальность светоделительной призмы Дупир,
ее перекос при установке Дупср на плате и на неравенство углов
установки зеркал относительно плоскости платы Ду3. В этом слу-
чае под значением Дуд в формуле (7.20) понимают результирую-
щий допуск Дурд — включающий допуски Дупир, Ду3, Дупср и допуск
на перекос Дун направляющих, т.е. при равном их влиянии на
результаты измерений
АУрд = л/АУпир + АУз+АУпер+АУн-
Однако следует иметь в виду, что не всегда возможно по тех-
нологическим и конструктивным причинам выбрать такие до-
пуски на параметры конструкции, которые уменьшают частную
погрешность ДаДф до пренебрегаемо низкого уровня. Тогда за счет
уменьшения коэффициента запаса s в соответствующих форму-
лах расширяют указанные допуски до технологически и конст-
руктивно приемлемых величин. В этом случае приходится учи-
тывать вклад частной погрешности ДаДф в результирующую по-
грешность анализатора Досан.
Установив допуски на указанные параметры конструкции,
уменьшающие погрешность ДаДф из-за расфазировки модулируе-
мых потоков в обоих каналах сравнения, следует рассчитать
другие частные погрешности анализатора изображения Дар Данест,
Доср, ДоСщ и сравнить с ней. Частные погрешности Доср Данест, и До^
являются случайными и рассчитываются по формулам, приве-
денным выше для полудискового анализатора изображения.
Предельная частная погрешность Дар включает две составляю-
щие. Одна из них, обусловленная некачественным изготовлени-
ем тонкого ребра светоделительной призмы, при равномерной ос-
вещенности изображения излучателя может быть определена из
следующего соотношения:
. AQa0
Да «— 0 ,
р 2К О
ОТН^
где AQ — разность площадей выколок на отражающих гранях
призмы, внутри контуров изображений излучателя,
Q — площадь изображения излучателя в плоскости ребра при-
змы.
Эта составляющая погрешности Дар является систематичес-
кой и ее легко исключить из результатов измерений юстировкой
или введением поправки. Другая составляющая частной погреш-
ности Доср вызвана расширением острого ребра светоделительной
278
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
призмы. Она приводит к детерминированному изменению чув-
ствительности анализатора по угловому полю и может корректи-
роваться.
Если частные случайные погрешности Доср Данест, и Даш срав-
нимы с погрешностью ДаДф, уменьшенной за счет установления
соответствующих допусков, результирующая погрешность ана-
лизатора вычисляется по формуле
Ассан = Дар ±^Да^, + Да^+Данест + Ч •
Если частная погрешность ДаД(р оказалась значительно мень-
ше доминирующей в этой формуле погрешности, она не прини-
мается во внимание. Для ослабления частных погрешностей Дах,
Данест, и Даш, если их влияние на результирующую погрешность
анализатора Досан существенно, необходимо, как указывалось вы-
ше, стабилизировать частоту вращения двигателя модулятора,
уменьшить нестабильность рабочих напряжений питания источ-
ника и приемника излучения, а также обеспечить стабильность
условий измерения и достаточный уровень отношения Ф0/Фп. При
необходимости, аналогично рассмотренным выше способам оп-
ределения допусков на параметры конструкции анализатора
изображения, можно назначить допуски на нестабильность час-
тоты вращения модулятора (Дп/п)д и рабочих напряжений
(Дпр/ир)д источника излучения (см. 7.1) и фотоприемника (см.
гл. 8), а по известным температурным характеристикам фото-
приемника — допуск на флуктуации температуры. Отметим так-
же, что при обосновании конструкции светоделительного анали-
затора изображения с двумя фотоприемниками, следует рассчи-
тать допуск на неравенство их вольтовых чувствительностей Asra,
пользуясь рассмотренной методикой.
При сравнительно больших смещениях изображения в пло-
скости анализа необходимо также учитывать частную погреш-
ность Дасм, обусловленную смещением энергетического центра
изображения излучателя относительно его геометрического цен-
тра.
Частная погрешность Дасм зависит от аберраций объектива
и, следовательно, от измеряемого угла а. Она может быть рассчи-
тана исходя из формулы
А«ем _ АФ
«О -^отнф0
где ДФ — разность потоков от половин изображения объекта,
обусловленная смещением энергетической оси изображения от-
носительно геометрической оси. Под энергетической осью изоб-
ражения понимается линия, делящая изображение объекта на
279
Проектирование оптико-электронных приборов
две части, облучаемые одинаковыми потоками Ф; и Ф2. При этом
точка пересечения двух энергетических осей изображения объек-
та, проведенных параллельно координатным осям х и у, являет-
ся энергетическим центром изображения.
Для круглого изображения объекта необходимое для вычис-
ления частной погрешности из-за смещения энергетической оси
изображения вдоль оси х отношение ДФ/Ф0 можно получить из
следующего соотношения:
О____________R________________
jЕ(x) h2 -x2dx-$E(x\JrZ -X2dx
ф	%	i	’
°	$E(xylR2-x2dx
-R
где E(x) — средняя освещенность элементарной площадки изоб-
ражения шириной dx, расположенной параллельно оси у, и вы-
сотой у = Jr2 — х2 , х — абсцисса центра элементарной площад-
ки. Значения Е(х) определяются, например, по точечным диаг-
раммам оптической системы прибора или экспериментально пу-
тем фотометрирования изображения излучающего объекта.
При прямоугольной форме изображения излучателя (марки)
это соотношение упрощается и имеет вид
о	R
J E(x^dx —
ф ~	r	'
°	Js(x)dx
-R
Поскольку значение Дасм зависит от угла а и изменяется в диа-
пазоне от 0 до некоторого Доссмтм1, целесообразно при расчете
результирующей погрешности анализатора считать ее случайной
с равномерным законом распределения ее вероятностей.
7.3.5.	Фазовые растровые анализаторы изображения
Достаточно простыми анализаторами изображения яв-
ляются вращающиеся с постоянной скоростью радиально-сектор-
ные анализаторы и барабаны с нанесенным на их боковую повер-
хность линейчатым растром, в которых используется фазовый
способ обработки измерительной информации [5] (рис. 7.58).
Принцип их действия основан на измерении изменяющейся в
280
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.58. ОЭП с фазовым анализатором изображения:
а — схема; б — растр анализатора; 1 — объектив; 2 — анализатор изображения;
3 — конденсор; 4 — приемник излучения; 5 — усилитель; 6 - фазометр; 7 —
электродвигатель; 8 — источник излучения; 9 — приемник излучения опорного
канала; 10 — усилитель опорного канала
зависимости от угла рассогласования а разности фаз сигналов,
полученных путем модуляции анализатором потоков от излуча-
теля (цели) и опорного излучателя.
В качестве опорного потока Ф2 можно использовать часть раз-
деленного потока Ф1 (рис. 7.59). В этом случае чувствительность
анализатора увеличивается в 2 раза по сравнению с анализатором
изображения, представленным на рис. 7.58. Поток от излучате-
ля (см. рис. 7.59) фокусируется объективом 1 в плоскости растра
анализатора. При этом он проходит через светоделительный блок
2, делится на две части, которые модулируются анализатором
изображения 3 и облучают фотоприемники 4.
Если угловое рассогласование а = 0, то фазы разделенных
модулированных потоков Ф1 и Ф2 одинаковы. Следовательно,
фазоизмерительный блок 5, например фазометр, подключенный
к обоим фотоприемникам 4, покажет нулевую фазу. При изме-
нении углового положения излучателя относительно оптической
оси объектива одно из разделенных изображений излучателя
перемещается в направлении перемещения растра, а другое — в
противоположном направлении. Поэтому фаза одного из пото-
ков увеличится на некото-
рую величину Дф, а друго-
го — уменьшится на ту же
величину Дф. В результа-
Рис. 7.59. Схема ОЭП с бара-
банным растровым анализа-
тором изображения и светоде-
лительным блоком
281
Проектирование оптико-электронных приборов
те разность фаз двух модулированных потоков ф = 2Дф будет
пропорциональна угловому рассогласованию а.
Функции преобразования соответственно дискового и бара-
банного фазовых растровых анализаторов имеют вид:
ф = т arctg(x/7?);	(7.21)
ф = т arcsin(x/J?),	(7.22)
где т — число периодов растра; х — смещение изображения в
плоскости растра; R — радиус сканирования.
Путем разложения функций (7.21), (7.22) в ряд Тейлора с
отбрасыванием членов второго порядка малости по сравнению с
x/R можно получить следующие выражения для погрешностей
(Да/а)н анализаторов изображения, обусловленных нелиней-
ностью функций преобразования соответственно дискового и
барабанного анализаторов:
(Да/а)н = (Дф/ф)н - -f'2/(3/?2)tg2 а; (7.23)
(Да/а)н = (Дф/ф)н = Г2/ (6T?2)tg2 а;	(7.24)
Как следует из сравнения (7.23) и (7.24), при одинаковых
значениях R относительная погрешность, обусловленная
нелинейностью статической характеристики дискового анализа-
тора изображения, с точностью до членов второго порядка мало-
сти по отношению к x/R в 2 раза больше, чем соответствующая
погрешность барабанного анализатора, и имеет противополож-
ный знак.
Для фазовых растровых анализаторов изображения с раз-
двоением изображения излучателя (см. рис. 7.59) в правую часть
формул (7.21) и (7.22) необходимо подставить коэффициент, рав-
ный двум. Фазовые анализаторы с поступательно перемещаемым
линейчатым растром [5] имеют линейную функцию преобразо-
вания: ф = 180° х/а — 18О°сс/ао, где а — ширина прозрачного или
непрозрачного штриха растра; oq, = arctg(a/f/) (см. рис. 7.58, б).
Частную погрешность Дан дискового анализатора можно
практически не учитывать, если выбрать радиус сканирования
R в соответствии с условием
R > f'a^sa/(3Aa3),	(7.25)
где s — коэффициент запаса, обычно 8 = 5 ... 10; Дос,/а —заданная
относительная погрешность анализатора.
Радиус R барабанного анализатора можно выбирать пример-
но в 2 раза меньше радиуса, рассчитанного по формуле (7.25).
282
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
При указанном выборе радиусов R анализаторов изображе-
ния их доминирующими частными погрешностями будут:
инструментальная погрешность Дар, обусловленная неточностью
нанесения растра; инструментальная погрешность Да£, вызван-
ная эксцентриситетом оси вращения анализатора относительно
центра его растра; погрешность Дар обусловленная нестабильно-
стью Д/н частоты f модуляции потока излучения, и погрешность
Даш вследствие шумов приемника излучения. Значения этих
частных погрешностей вычисляют по следующим формулам [5]:
Дар ~ <2адр/(/% ); Дае = e/f;
Accf = -	- ; Да = 3аФд /АЛ/,
r f'f ш 2#'Фо
где а — ширина прозрачного или непрозрачного штриха растра;
ДР — угловые погрешности растра; ро — угловой полупериод
растра; f — эквивалентное фокусное расстояние объектива;
Фп — удельный порог чувствительности приемника излучения;
А — площадь чувствительного слоя приемника излучения;
Фо — эффективный поток излучения, попадающий на приемник;
Д/ — эффективная полоса частот.
Следует, однако, иметь в виду, что для фазовых ОЭП с
раздвоением изображения излучателя отношения удельного по-
рога чувствительности ф* к эффективному потоку излучения
Фо обоих приемников примерно одинаковы. Поэтому в случае
независимости случайных шумов указанных приемников излу-
чения при расчете частной погрешности Даш в приведенную выше
формулу следует подставлять коэффициент, равный /2 . Для фа-
зовых ОЭП без раздвоения изображения излучателя эффектив-
ный поток Фо в опорном канале обычно велик и, следовательно,
отношение Фп/Ф0 достаточно мало, вследствие чего погрешно-
стью Даш в опорном канале можно пренебречь.
Функцию преобразования дискового и барабанного фазовых
анализаторов при небольших значениях угла а с относительной
погрешностью не более 1/3 (x/R) можно представить в более удоб-
ном виде
х их л/'а
гр ~ т— — — ~-----.
R а а
Как следует из этой формулы, чувствительность фазовых
анализаторов К = (nf')/a, а относительная чувствительность
К™ - 1.
283
Проектирование оптико-электронных приборов
Результирующую доверительную погрешность дискового или
барабанного фазового анализатора изображения можно вычис-
лить по формуле
Aa„ = ,/да„ +	+ Аа? + Аа^.
При больших углах а необходимо учитывать также частную
погрешность Ласм вследствие смещения энергетической оси изоб-
ражения излучателя относительно его геометрической оси.
Доверительная вероятность для Даан при этом зависит от от-
ношения v границы результирующего гауссовского распределе-
ния первых трех частных погрешностей к частной погрешности
ДаЕ, т.е.
V = л/а«р + Л«ш + М /до-
определяя границы результирующего распределения по-
грешности Даан анализатора с доверительной вероятностью Рс =
= 0,999, получим:
Ф = 1,057х,^Дар-1-Ла|1 +Д«/ Аае.
Доверительную вероятность Рс для Лаан можно определить
по графику, приведенному в [5], в зависимости от вычисленного
значения у.
На основании изложенного можно рекомендовать следующую
методику расчета основных конструктивных параметров диско-
вых и барабанных фазовых анализаторов изображения исходя
из заданной относительной погрешности Даан 3/а0.
1.	Определяют линейный период растра анализатора изобра-
жения 2а по формуле 2а = 2а0Дх/Дааи 3, где Дх — требуемая раз-
решающая способность анализатора. Одновременно должно со-
блюдаться условие а > d.
2.	По формуле (7.25) при известном фокусном расстоянии
объектива f вычисляют минимальный радиус R дискового ана-
лизатора изображения. При использовании барабанного анали-
затора полученный радиус уменьшают примерно в два раза.
3.	Определяют угловой период растра 0О, число штрихов
растра т и частоту вращения анализатора п (см. п. 7.4.2).
4.	Полагая на первом этапе расчета влияние на результаты
измерений всех частных погрешностей одинаковым, находят их
допустимые значения по формуле
Л^рд = ^аед ~ ^а/д = Аашд ~ ^аан.д/2-
5.	Вычисляют допуски на угловые погрешности растра Д0д,
эксцентриситет оси вращения анализатора ед и нестабильность
284
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
его частоты вращения Д/д по приведенным выше формулам. На-
пример, допуск на эксцентриситет оси вращения анализатора
£д = 0,5/'Даанд.
6.	Проверяют возможность использования выбранного фо-
топриемника исходя из неравенства ЗаФп/лФ0Л < Даанд. Если это
неравенство не удовлетворяется, то увеличивают отношение
(Ф0/Фп), например, путем выбора более чувствительного фотопри-
емника или увеличения яркости излучателя.
7.	При необходимости производят перераспределение допус-
ков с учетом их весов.
7.3.6.	Импульсные анализаторы изображения
Принцип действия импульсных растровых анализаторов
подробно рассмотрен в литературе [5, 38]. Угловое смещение Р
изображения излучателя в плоскости анализатора с радиальны-
ми щелями (рис. 7.60, а) относительно центра его растра приво-
дит к изменению интервала времени Д7 между основным и опор-
ным импульсами в соответствии со следующим соотношением:
д</т=р/р0,
где Т — период следования импульсов; 0О — угловой период ра-
стра анализатора.
Аналогично тому, как это было получено выше для фазового
дискового анализатора изображения, для импульсного анализа-
тора при небольших углах а с погрешностью Дан, определяемой
по формуле (7.23), можно записать:
At ~ Tmf'a./(2яКс).
Основными частными погрешностями рассматриваемого им-
пульсного анализатора являются частная погрешность вследствие
Рис. 7.60. Импульсные анализаторы изображения:
а — с радиальными щелями; б — с двумя щелями; в — с отверстием в виде
спирали Архимеда
285
Проектирование оптико-электронных приборов
неточности нанесения растра Дар и погрешность фиксации вре-
менного положения импульса Досф. Частные погрешности, обус-
ловленные нестабильностью Даг частоты вращения анализатора
и эксцентриситетом Да£ его оси вращения, при небольших углах
а незначительны. Погрешность Да£ практически компенсирует-
ся при измерении разности временных положений импульсов, а
частная погрешность Даг мала вследствие малости временного
интервала At.
Влияние частной погрешности ДоСф на результаты измерений
для импульсных анализаторов значительно. Эта погрешность со-
держит две составляющие, одна из которых Даф8 является систе-
матической и обусловлена изменениями амплитуды и формы
фотоэлектрических импульсов в процессе измерения угловых
рассогласований а, постепенным изменением (нестабильностью)
уровня срабатывания Фср (иср) схемы фиксации положения им-
пульсов, а другая Досфф является случайной (флуктуационной) и
вызвана флуктуациями этого уровня, внешними и внутренними
шумами в схеме угломера. Вклад этих составляющих в погреш-
ность Даф зависит от принятого способа фиксации положения
фотоэлектрического импульса: по фронту, по максимуму ампли-
туды импульса, по точкам перегиба огибающей, по фронту и срезу
импульса и т.д., а также от крутизны фронта импульса, его ам-
плитуды и формы.
Наиболее простым из применяемых на практике способов
фиксации положения фотоэлектрических импульсов является
фиксация по положению фронта, отсчитываемого на уровне wcp.
Этот способ характеризуется наибольшей флуктуационной по-
грешностью среди других известных способов. Фиксация по по-
ложению точки максимума амплитуды импульса обеспечивает
большую точность и легко реализуется практически, однако его
можно применять только для фиксации временнбго положения
импульсов, не имеющих участка с постоянной амплитудой.
Минимальные систематические и флуктуационные погреш-
ности обеспечивают способы фиксации по положению середины
импульса и по точкам перегиба. При использовании этих спосо-
бов точность фиксации положения симметричных импульсов не
зависит от изменения амплитуды, номинальной длительности,
формы импульсов, а для первого из этих способов и от постепен-
ного изменения номинального уровня срабатывания пср. Кроме
того, при использовании способа фиксации положения фотоэлек-
трических импульсов по точкам перегиба устраняется погреш-
ность, обусловленная указанными выше изменениями, и в слу-
чае несимметричных импульсов, образующихся при сканирова-
нии изображения излучателя, распределение освещенности в
286
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.61. Формирование фотоэлектрических импульсов:
а — при равномерном (кривая 7) и неравномерном (кривая 2) распределениях
освещенности в изображении излучателя; б — флуктуации временного положе-
ния фронта t] и среза t2 фотоэлектрического импульса
котором несимметрично относительно геометрического центра
(оси), а максимум освещенности совпадает с геометрическим
центром (рис. 7.61, а). Схема реализации такого способа более
сложна, чем схема реализации способа фиксации импульсов по
положению их середины. В этом случае систематическая погреш-
ность Д(Хф я имеет место только при изменении положения точек
перегиба, вызванном несимметричным перераспределением ос-
вещенности в изображении.
Результирующая доверительная погрешность фиксации се-
редины t0 импульсов для импульсного вращающегося дискового
анализатора определяется по формуле
ДаФ = л/ДаФе + ДссФФ’
где ДоСф,. — частная доверительная погрешность фиксации сере-
дины импульсов t0, обусловленная несимметричным относитель-
но центра изображения распределением освещенности излучате-
ля, ДИфф = ЗОфф/1С, Офф — среднее квадратическое значение флук-
туаций точки tj, К — коэффициент преобразования (чувствитель-
ность) анализатора. Частная систематическая погрешность Дафс
зависит от аберраций объектива и , следовательно, от угла рас-
согласования а, который при измерении может изменяться в оп-
ределенном диапазоне его изменения от 0 до атах с равной ве-
роятностью, где остах — максимальное значение измеряемого угла.
Поэтому эту частную погрешность целесообразно в процессе из-
мерений принимать за случайную, изменяющуюся в диапазоне
от 0 до половины максимального значения Да^ тах и отсчитыва-
емую относительно ее среднего значения, равного Дафстах/2, с ве-
роятностью, подчиняющейся закону равномерной плотности.
Расчет значений ДоСф,. производится по формуле Досфс = Д7/К,
где Д( находится путем приравнивания выражения для фронта
287
Проектирование оптико-электронных приборов
или среза импульсов значению Фср порогового уровня срабатыва-
ния, приведенного к анализатору, т.е. Фср=Ффр(г) и Фср=Фс(£),
решения полученных уравнений относительно t и определения
смещения корней tj и tz относительно их номинальных значений
tOi и t02 в виде
Ду. _ ^2~^1 _ А)2 ~ А)1
2	2
Выражение для фронта фотоэлектрического импульса при
сканировании изображения вдоль оси х может быть получено
исходя из следующей интегральной функции, характеризующей
изменение потока
X У2.
ф(х)= 11Е(х, yjdydx,
о У1
где Е(х, у) — распределение освещенности в изображении, у1 и
у2 — пределы изменения ординаты у фигуры изображения излу-
чателя для ее х-го сечения.
Перейдя в этом выражении к новой переменной t, связанной
с х, например при равномерной скорости v сканирования, соот-
ношением t = x/v, получим функцию Ффр(0, описывающую фронт
импульса. Выражение Ффр(г) получается и путем интегральной
операции свертки функции пропускания растра анализатора
изображения т =f(x) и Ф(х). Для среза импульса
Фс(О=Фтах-ФфР(«-«с).
где Фтах — максимальное значение модулированного потока,
tc — абсцисса точки, соответствующей началу уменьшения сиг-
нала.
При использовании способа фиксации положения импуль-
сов по точкам перегиба их координаты определяются по точкам
фронта (среза) импульсов, где вторая производная выражения,
описывающего фронт (срез) импульса, равна нулю, т.е.
d2<&ldt2 = 0, и имеет место изменение знака этой производной.
Флуктуационная средняя квадратическая погрешность фиксации
положения фронта импульса по точке перегиба равна
2
где иш — средняя дисперсия шумов после второго дифферен-
цирования, приведенная к входу усилителя, s = d2u(t)/dt2 —
крутизна сигнала, образующегося после второго дифференци-
рования импульсов, приведенная ко входу, в точках перегиба,
К — чувствительность анализатора изображения, приведенная
288
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
ко входу усилителя (с учетом вольтовой чувствительности фото-
приемника).
Результирующая доверительная погрешность радиально-сек-
торного импульсного анализатора изображения вычисляется по
следующей формуле
д«ан =	+ Дсср + Дссф ’	(7‘26)
где частная погрешность ДОр рассчитывается по формуле
Аар=аАР/И30.
Для импульсного анализатора с двумя наклонными щелями
(рис. 7.60, б) функции преобразования в горизонтальной и вер-
тикальной плоскостях соответственно описываются следующи-
ми соотношениями:
(Nj + N2)Аа0 = 2ах,	-N2)Да0 = 2ау tgP0,
где Д/j и N2 — число стандартных импульсов заполнения ин-
тервалов между опорным импульсом и импульсом, возникающим
при пересечении изображения излучателя первой и второй ще-
лью соответственно, Да0 — угловая цена одного интервала меж-
ду двумя последовательными стандартными импульсами, Ро —
половина угла между щелями анализатора.
Как следует из этих формул, у такого анализатора отсутству-
ет частная погрешность из-за нелинейности статической харак-
теристики. Кроме того, у него частная погрешность, обусловлен-
ная неточностью нанесения щелей, является систематической и
может быть легко устранена путем соответствующего сдвига
(юстировки) временного положения опорного импульса.
Основными для этого анализатора являются частная погреш-
ность AaL, из-за нестабильности скорости сканирования и част-
ная погрешность ДОф фиксации временных положений импуль-
сов. Поэтому результирующая погрешность определяется по фор-
муле
Ааан = Л^Аа^+Аа|.	(7.27)
При гауссовском распределении частных погрешностей в
(7.26) и (7.27) доверительная вероятность для результирующей
погрешности Рс = 0,997.
7.3.7.	Поляризационные анализаторы
Поляризационные анализаторы изображения применяют
ся как для измерения углов поворота вокруг оптической оси
объектива (углов скручивания), так и для угловых смещений в
289
Проектирование оптико-электронных приборов
плоскости, перпендикулярной оптической оси. При этом исполь-
зуется либо естественное плоскополяризованное излучение, на-
пример от лазера, либо искусственное, создаваемое с помощью
поляризаторов. Плоскости поляризации анализатора и поляри-
затора обычно устанавливают перпендикулярно друг другу. Схе-
мы построения ОЭП с поляризационными анализаторами различ-
ны. В них чаще всего используются амплитудные способы обра-
ботки измерительной информации, а иногда и фазовые.
Принцип действия амплитудного полутеневого анализатора
(составного) поясняется на рис. 7.62. Анализатор образован дву-
мя поляризующими пластинками, делящими угловое поле на две
части, плоскости поляризации и А2 которых наклонены друг
к другу под углом 90° и составляют углы +45° с плоскостью П
поляризации поляризатора (рис. 7.62, а). В случае, если а = 0,
потоки излучения, проходящего через левую и правую части
анализатора, равны Фл = Фпр. При повороте такого поляризатора
на угол а относительно первоначального положения (рис. 7.62, б)
это равенство нарушается. Согласно закону Малюса амплитуды
потоков, проходящих через разные половины анализатора и по-
падающих на разные фотоприемники, равны
Ф л = ТОФ cos2 ^45° + а),
Фпр = т0Фсоз2 ^45° -	,
где т0 — коэффициент пропускания потока, проходящего через
анализатор и другие оптические элементы, установленные меж-
ду ним и фотоприемником, Ф — поток излучения, попадающий
на одну из половин анализатора.
Рис. 7.62. Поляризационный полутеневой анализатор:
а и б — векторные диаграммы потоков Фл и Ф„р при углах а = 0 (а) и а * 0 (б);
в — схема ОЭП с полутеневым анализатором: 1 — поляризатор, 2 — анализатор,
3 — разделительная призма, 4 — фотоприемник.
290
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Как следует из этого выражения, разностный поток равен
ДФ = T0Osin2a,
где ДФ = Фпр - Фл.
Заменив в этой формуле произведение т0Ф на эффективный
поток Фо в плоскости анализатора, получим его функцию преоб-
разования
ДФ = O0sin2a.
Она монотонно увеличивается в диапазоне углов +45°. При
небольших значениях a < 3° с погрешностью не более 0,1% функ-
ция преобразования является линейной ДФ = 2Ф0а. Чувствитель-
ность при этом К = 2Ф0, а относительная чувствительность
К™-0,1.
Основными погрешностями такого анализатора являются
следующие: частная погрешность Да3, обусловленная воздействи-
ем магнитного поля Земли на плоскополяризованное излучение,
частная погрешность Да, из-за неидентичности коэффициентов
пропускания разных половин анализатора, частная погрешность
Да„ из-за неравенства углов поворота плоскости поляризации в
разных частях анализатора, частная погрешность Да, из-за не-
идентичности вольтовых чувствительностей фотоприемников и
частная погрешность Данест из-за нестабильности потока излуче-
ния. При большой дальности действия приходится также учи-
тывать частную погрешность из-за шумов фотоприемников Даш.
Частные погрешности Да, и Да„ являются систематическими и
их можно корректировать. Частная погрешность Да3 зависит от
постоянной Верде атмосферы, и она растет пропорционально
расстоянию I. При I = 30м она составляет Да3 = 0,02°, и именно
эта погрешность ограничивает точность измерений при больших I.
При малых I п устранении систематической погрешности из-
за коллимационных поворотов осей фотоприемников доминиру-
ющей является частная погрешность Да,, которая зависит от
разной чувствительности фотоприемников к поляризованному
излучению. Она определяется по формуле
S,u +S„
1>1 v2
где и sv2 — вольтовые чувствительности фотоприемников к
плоскополяризованному излучению.
Частная погрешность Данест вычисляется по следующей фор-
муле:
Данест = ДФнест/2Ф0 COs2«.
Частная погрешность Даш определяется соотношением
Даш =фп/2ф0сон2а.
291
Проектирование оптико-электронных приборов
Полутеневой (составной) анализатор может использоваться
также и для измерения углов в плоскости, перпендикулярной
оптической оси объектива.
В этом случае центр изображения излучателя проектируют
на линию раздела составного анализатора и вращают поляриза-
тор с постоянной скоростью. Образующиеся от обеих частей ана-
лизатора модулированные потоки, попадающие на фотоприем-
ник, имеют разность фаз, равную 180°, а сумма их амплитуд
пропорциональна углу рассогласования а. Функция преобразо-
вания такого составного анализатора аналогична функции пре-
образования полудискового анализатора изображения. Домини-
рующей его погрешностью является погрешность из-за биений
вращающегося поляризатора. Для ее исключения часто приме-
няют магнитооптический модулятор Фарадея (см. рис. 7.71), в
котором вместо обычного анализатора устанавливают полутене-
вой [5]. Также возможна установка между соленоидом с магни-
тоактивным элементом и анализатором двух клиньев, один из
которых выполнен из левовращающегося кварца, а другой — из
правовращающегося. Однако в этом случае падает по сравнению
с полудиском относительная чувствительность анализатора из-
за уменьшения глубины модуляции.
Доминирующими случайными погрешностями рассматрива-
емого анализатора являются: частная погрешность До^ из-за не-
стабильности амплитуды тока питания соленоида, вызывающе-
го паразитные изменения азимута линейно поляризованного
излучения; частная погрешность Досд из-за дисперсии эффекта
Фарадея, вызванная нестабильностью напряжения питания ис-
точника излучения, а иногда частная погрешность Досш из-за
шумов фотоприемника. Результирующая погрешность измере-
ния при этом составляет несколько секунд. Тем не менее путем
стабилизации источников питания соленоида и излучателя и тер-
мостабилизации анализатора удается довести результирующую
погрешность до 0,2" в диапазоне измерений несколько минут.
Отметим также, что анализатор изображения с модулятором
Фарадея применяют и для измерения углов скручивания [5].
7.3.8.	Волоконно-оптические анализаторы
Достаточно широкое распространение в различных обла-
стях техники подучили анализаторы с волоконно-оптическими
элементами, которые обеспечивают измерение небольших пере-
мещений с высокой чувствительностью (разрешающей способно-
стью в ангстремы). Они позволяют производить измерения ско-
рости, ускорения, температуры, давления и других параметров.
292
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.63. Схема волоконно-оптического анализатора изображения
У большинства из них информативным параметром сигнала яв-
ляется амплитуда, хотя используются и фаза, и состояние поля-
ризации. Это объясняется тем, что амплитудные волоконно-оп-
тические анализаторы имеют наиболее простую конструкцию,
наименьшие габариты и массу, обладают высокой надежностью.
Одна из типовых схем волоконно-оптического амплитудного
анализатора изображения поясняется на рис. 7.63. Поток излу-
чения от передающего волокна 2, подсвечиваемого излучателем
1, попадает в приемное оптическое волокно 3, расположенное на
контролируемом объекте, проходит через него, испытывая мно-
гократные отражения на внутренней поверхности волокна, и
облучает фотоприемник 4. В качестве источника излучения обыч-
но используют светодиоды, сверхминиатюрные лампы накали-
вания, а также лазерные диоды. В оптических волокнах распро-
страняются только лучи, попавшие в них под углом о, меньшим
или равным углу полного внутреннего отражения отах, который
определяется по формуле
Отах = arcsin-Jnf-nf,
где пх и п2 — показатели преломления сердечника и оболочки
волокна соответственно.
Для описания волоконно-оптических анализаторов исполь-
зуют и относительную разность показателей преломления А,
определяемую соотношением
2	2
д^ ”1 ~П2 ~ Пх-П2
2пг пх
Отсюда следует, что угол отах можно представить как
Для многомодовых волокон обычно А ~ 1% и, следователь-
но, для них отах ~ 12,6°, а для одномодовых волокон А = 0,3% и
меньше, и угол отах в несколько раз меньше.
293
Проектирование оптико-электронных приборов
Показанный на рис. 7.63 анализатор изображения применим
для измерения как продольных, так и поперечных перемеще-
ний. При продольном смещении I одного из волокон относитель-
но другого имеет место виньетирование потока излучения, попа-
дающего во второе волокно, т.е. при увеличении I уменьшается
коэффициент виньетирования Т]. При равномерном распределе-
нии потока в сечении пучка
П = а2/а1,
где А и — соответственно площади сечения пучка лучей в
плоскости торца приемного волокна и торца волокна (перекры-
тия этого сечения с торцом). Очевидно
Д =^(d + 2ZtgGmax)2,	(7.28)
где d — диаметр передающего волокна.
Если диаметр приемного волокна равен d и Аг = (nd2/4), ко-
эффициент виньетирования равен
п(») =------------
(d+2Itga_) Г1+^о 1
V a J
Запишем функцию преобразования при анализе продольных
перемещений в виде
Л /Л 21 У
ц = тФви/11+—tgomax I ,	(7.29)
где Ф — поток на входе передающего волокна, т — коэффициент
пропускания излучения в волокнах, su — вольтовая чувствитель-
ность фотоприемника.
Значение т часто близко к единице при относительно корот-
ких волокнах.
Функция преобразования (7.29) показана на рис. 7.64 при
om.v = 12,6°. Она является нелинейной, а чувствительность резко
уменьшается при увеличении l/d. Чувствительность такого ана-
лизатора описывается соотношением
Рис. 7.64. Функция преобразования во-
локонно-оптического анализатора для
измерения продольных перемещений
294
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Ди = -4тФви 1+—tgomax tgomax—.
\ a J	а
Отсюда с учетом (7.29) найдем выражение, описывающее
относительную чувствительность:
~ = ~4tgJmaXf1+ftg Л/’
и d V d J
где и — выходной сигнал.
Если Ди определяется уровнем шума иш, т.е. Ди = иш, полу-
чим	Z
4“tgomax
Опыт использования ряда подобных датчиков продольных
перемещений показывает, что они имеют очень высокую разре-
шающую способность и чувствительность.
Найдем функцию преобразования волоконного анализатора,
измеряющего поперечные перемещения z волокна (рис. 7.63 ). В
этом случае площадь перекрытия Аг равна сумме площадей двух
сегментов, образованных при пересечении окружности приемно-
го волокна и сечения пучка лучей передающего волокна (рис.
7.65). Площадь каждого из сегментов определяется как разность
площадей, соответствующих этим окружностям секторов и тре-
угольников, т.е.
T?2Z . ч г2
—(a1-sma1)+ —
Ci
где г = d/2 — радиус волокон; R — радиус сечения пучка лучей
в плоскости входного торца приемного волокна; и ос2 — углы
секторов, в которые вписывается общая площадь перекрытия
сечений пучка лучей от передающего волокна и торца приемного
(a2-sina2),	(7.30)
волокна.
После ряда элементарных
преобразований получим из
(7.30) следующую формулу:
Рис. 7.65. Площадь перекрытия
пучков лучей от передающего во-
локна приемным волокном
295
Проектирование оптико-электронных приборов
•2 „2 , 2
arccos
'R2-r2 + z2
2Rz
arccos
2Rz
Поделив это выражение на (7.28), можно найти функцию
преобразования анализатора поперечных смещений. Эта функ-
ция для ряда дискретных значений 1/ги отах =17° показана на
рис. 7.66.
Как следует из рис. 7.66 , максимальная чувствительность
имеет место при 1/г = 0, а для других значений 1/г возникает
определенная зона нечувствительности, увеличивающаяся по
мере увеличения 1/г. При уменьшении числовой апертуры пере-
дающего волокна отах чувствительность, естественно, увеличи-
вается. Одновременно увеличивается и отношение сигнал/шум.
Для уменьшения значений отах следует выбирать волокна с умень-
шенной разностью показателей преломления п1 и п2.
Вместо оптических волокон для измерений поперечных и
продольных смещений можно использовать обычные цилиндри-
ческие и даже конические световоды. В этом случае увеличива-
ются габариты анализатора и значение отах (расходимость пучка
лучей), так как они не имеют оболочки и, следовательно, п2 = 1
(в воздухе), из-за чего разность п1 — п2 становится достаточной
большой.
В оптимальном с точки зрения максимизации чувствитель-
ности случае, когда I = 0 или близко к нему, имеет место равен-
296
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
ство R = г. Кроме того, при разных I можно подобрать радиус
приемного волокна равным R. Поэтому выражение для А2 упро-
стится и примет вид
г	2
А2 = 2R2
arccos
2
2R
2
2R
1-
2
2R
Отсюда, поскольку в этом случае Aj = nR2, функцию преобразо-
вания анализатора запишем следующим образом:
и =
(7.31)
Легко видеть, что чувствительность анализатора изменяется
в зависимости от значений z0 — z/(2R), но эти изменения незна-
чительны до значений z0 ~ 0,5. Отметим также, что эта функция
преобразования является четной, вследствие чего при измерени-
ях остается неизвестным знак рассогласования (перемещения).
В случае необходимости можно обеспечить чувствительность к
направлению смещений, например, путем предварительного вза-
имного перемещения осей волокон на определенную величину
Дз0. Целесообразно ее выбрать в диапазоне Дз0 = 0,3... 0,5, чтобы
достичь наименьшей нелинейности функции преобразования.
Доминирующими погрешностями рассматриваемых волокон-
но-оптических анализаторов являются частные погрешности из-
за нестабильности потока излучения Дзнест, из-за шумов фотопри-
емника Дзш и нелинейности функции преобразования Дзнел, т.е.
из-за изменения чувствительности в зависимости от г.
Дифференцируя функцию преобразования (7.31), получим
. 2тФв L ( z Y.
А“=
тФзи = umax —максимальный сигнал.
Отсюда погрешность измерения равна
2umaJl-(z/27?)2	<7-33>
Подставляя в эту формулу вместо Дн значение иш, найдем част-
ную погрешность из-за шумов. Аналогично, подставив в (7.33)
значение нестабильности Дннест сигнала, получим Дгнест.
Для определения частной погрешности Дгнел необходимо знать
изменение чувствительности анализатора К = kul&z, которая, как
показывает анализ (7.32), уменьшается при увеличении z0 от 0
до 1 от максимального значения, равного Кт = (2umax)/izR, до нуля.
297
Проектирование оптико-электронных приборов
При изменении z0 от 0 до 0,3 чувствительность падает всего на
= 4,7% (при z0 = 0,4 падает на ~ 8,2%). Линеаризируя функцию
преобразования в рабочем диапазоне изменения z0, можно найти
и ее отклонения от реальной функции преобразования, т.е. зна-
чение частной погрешности Дгнел или ее зависимость от г, по ко-
торой легко внести соответствующие поправки в результаты из-
мерений.
Результирующую погрешность Az рассматриваемого анали-
затора без учета частной систематической погрешности Дгнел
можно определить по формуле
+Д22ест.
Как следует из формулы (7.33), значение Azn пороговой чув-
ствительности уменьшается с увеличением отношения сигнал,
/шум, т.е. (нтах/иш), и диаметра волокон 2г. В частности, при
ыш/ышах = Ю 5, диаметре волокна 2г = 100 мкм (многомодовое во-
локно) для z = 0 по формуле (7.33) пороговая чувствительность
близка к 0,8 нм.
Выражение для относительной чувствительности анализато-
ра можно получить из (7.32), учитывая, что максимальное пере-
мещение равно zmax — 2R, т.е.
отн
7.3.9.	Анализаторы изображения на основе
многоэлементных приемников излучения
Многоэлементные приемники излучения (МЭПИ), пост-
роенные на основе различных физических принципов (фотодио-
ды, фоторезисторы, приборы с зарядовой связью — ПЗС, прибо-
ры с инжекцией заряда — ПЗИ, микроболометры, приборы с
квантовыми ямами или ловушками и др.), широко используют-
ся в качестве анализаторов изображения различных ОЭП. Они
осуществляют анализ поля изображений как в ОЭП со сканиро-
ванием (например, с помощью линеек, состоящих из отдельных
чувствительных элементов, расположенных вдоль одного направ-
ления), так и в ОЭП «смотрящего» типа (например, с двумерны-
ми матричными и мозаичными приемниками).
Принципом действия всех анализаторов на базе МЭПИ явля-
ется разбиение анализируемого поля (плоскости изображений)
на отдельные участки (пиксели) и «опрос» этих участков, т.е.
снятие сигналов с них в произвольной или определенной после-
298
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
довательности с помощью отдельных чувствительных элементов
МЭПИ.
Напомним некоторые характерные черты анализаторов на
базе МЭПИ, достаточно подробно описываемых в многочислен-
ной литературе [11, 34, 38, 40 и др.].
Поскольку МЭПИ можно разделить на две группы — с пол-
ной электрической развязкой отдельных чувствительных элемен-
тов и с внутренними электрическими связями, по этому же прин-
ципу можно классифицировать и анализаторы изображений на
базе МЭПИ. В анализаторах первого типа можно осуществить
произвольную координатную выборку отдельных элементов при-
емника, т.е. отдельных участков плоскости изображений, в ко-
торой расположены чувствительные площадки элементов МЭПИ,
что является достоинством анализаторов этого типа. Наиболее
известными анализаторами второй группы являются ПЗС, рабо-
тающие в режиме накопления зарядов. Физические механизмы
работы различных МЭПИ, особенности съема информации с ана-
лизаторов на их основе, их типовые параметры и характеристи-
ки неоднократно описывались (см. например [11, 12, 34, 38, 40]).
Для оценки возможностей и расчета параметров рассматри-
ваемых анализаторов наиболее часто используются следующие
параметры МЭПИ и фотоприемных устройств (ФПУ) на их осно-
ве: общие размеры чувствительной площади МЭПИ — 1Х и 1у; раз-
меры отдельных элементов — b и h; периоды расположения эле-
ментов — Дх и Ду; координатная разрешающая способность —
Дхрх и Дхру; погрешности измерения координат Дхх и Дхр; интег-
ральная чувствительность; динамический диапазон экспозиций;
время накопления (интегрирования); уровень темнового шума;
минимальная (пороговая) облученность или экспозиция; неодно-
родность чувствительности и шумов отдельных элементов. Кро-
ме того, при выборе анализатора иногда необходимо принимать
во внимание и параметры всего ОЭП., такие как угловое поле
прибора 2со, глубину резкости, тактовую частоту (частоту опро-
са), частоту кадров и некоторые другие.
Разрешающая способность МЭПИ обычно определяется в
соответствии с теоремой Котельникова как удвоенный период рас-
положения его элементов. Разрешающую способность в линиях
на мм (пространственная частота Найквиста [38]) можно опреде-
лить по формуле:
fN=n3/(2l),
где п3 — число элементов в строке или столбце, I — размер стро-
ки или столбца.
299
Проектирование оптико-электронных приборов
Погрешность измерения Дх определяется соотношением
Дх = ^га^06-,
«из
где пиз — число элементов, перекрывающих изображение объек-
та размером Zo6; Дпэ — разрешающая способность, выраженная
числом элементов или их долей, определяемых алгоритмом из-
мерений.
Угловое поле одного элемента у связано с соответствующим
шагом Д элементов фотоприемника при его расположении в зад-
ней фокальной плоскости объектива соотношением:
V = A/f,	(7.34)
где /' — эквивалентное фокусное расстояние объектива ОЭП.
На рис. 7.67 представлены номограммы, связывающие V
и Д, по которым, например, легко определить f’ и Д исходя из
заданного значения у в соответствии с (7.34).
Угловое поле всего ОЭП вычисляется по формулам:
2^Х^1Х/Г,
Его можно выразить и через фокальное число объектива К =
= f'/D, т.е. 2(ох = lx/(K D) и 2(0^ = ly/(K D), где D — диаметр вход-
ного зрачка.
Примеры зависимостей 2 со от значений К при постоянных
значениях I вдоль одной из осей координаты для D = 200 мм
представлены на рис. 7.68. По ним легко найти, например, угло-
вое поле ОЭП для объектива с данным значением К и фотопри-
емника размера I.
Рис. 7.67. Связь между и f
для различных периодов Д рас-
положения элементов МЭПИ
Рис. 7.68. Связь между угловым
полем 2со и фокальным числом
объектива К для различных линей-
ных размеров фотоматриц I (мм)
300
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Доминирующими погрешностями анализатора на основе
МЭПИ являются:
-	частная погрешность из-за неодинаковой чувствительнос-
ти и размеров отдельных элементов — Дхн (для ПЗС она обуслов-
лена мультипликативным геометрическим шумом);
—	частная погрешность из-за неидентичности шумов отдель-
ных элементов — Дхнш;
—	частная погрешность, обусловленная несимметричным
распределением освещенности в изображении объекта — Дхиес;
-	частная погрешность, обусловленная нелинейностью
энергетических характеристик элементов приемника излучения
— Д*нел;
—	частная погрешность квантования сигнала аналого-цифро-
вым преобразователем (АЦП) — Дхкв.
Частная погрешность, обусловленная шумами приемника
излучения (радиационным, дробовым, токовым и др.), обычно
мала по сравнению с указанными выше.
Остальные частные погрешности часто не принимаются во
внимание вследствие их незначительности по сравнению с ука-
занными и возможности их исключения программными или
аппаратными средствами. Следует иногда учитывать также час-
тные погрешности, обусловленные неидентичностью спектраль-
ных характеристик отдельных элементов приемника.
В качестве примера рассмотрим методику определения час-
тных погрешностей измерений применительно к способу анали-
за изображения, основанному на вычислении координаты цент-
ра тяжести изображения объекта (центроиды). Как известно,
алгоритм определения центроиды в простейшем одномерном
случае записывается как
N
х —	-------
Ц n ’	(7.35)
1=1
где х, — координата центра i-ro элемента приемника, Uxi — сиг-
нал, снимаемый с i-ro элемента, N — число элементов, перекры-
ваемых изображением.
Необходимые для вычисления хц сигналы Uxi на выходе каж-
дого элемента приемника излучения без учета постоянных мно-
жителей, не влияющих на значение хц, можно получить из сле-
дующего соотношения:
301
Проектирование оптико-электронных приборов
• ht J E(xj-su(x)- dx,	(7.36)
6|
где E(x) — одномерная функция распределения освещенности
изображения объекта в плоскости анализа; зц(х) — распределе-
ние вольтовой чувствительности по площадке отдельного (i-ro)
элемента приемника; t„ — время интегрирования сигнала для
приемников с накоплением сигнала. Для МЭПИ без накопления
сигнала значение в этой формуле отбрасывается. Вольтовая
чувствительность при этом определяется в зависимости от типа
МЭПИ по потоку излучения или по экспозиции.
Для расчета частной погрешности Дхн можно задаться,
пользуясь генератором случайных чисел, конкретными размера-
ми и чувствительностью элементов приемника излучения (про-
извести розыгрыш случайных величин h, Ъ и su(x) в пределах
отклонений их номинальных величин от нуля до максимальных
значений) и вычислять последовательно по формулам (7.36) и
(7.35) и(х) и хц. Значение Дхн равно разности координат хц и хц0,
полученных при реальных и номинальных параметрах h,bvi su(x),
т.е. Дхн = хц - хц0.
Частная погрешность Дхнш может вычисляться аналогичным
статистическим моделированием (методом Монте-Карло) неиден-
тичности шумов отдельных элементов в пределах их допусков
при номинальных сигналах этих элементов. В этом случае реа-
лизации выходного сигнала с элементов задаются в виде
ЧХ) = ином(Х)±3аш>
где пном(х) — номинальный (идеальный) сигнал, ош — среднее
квадратическое значение неидентичности шумов отдельных эле-
ментов.
Частная погрешность Дхнес определяется для заданных рас-
пределений освещенности в плоскости анализа, изменяющихся
вследствие аберраций оптической системы по линейному (угло-
вому) полю. При этом сначала вычисляют U(x) по формуле (7.36),
а потом по формуле (7.35) — значения хц, соответствующие сим-
метричным и несимметричным распределениям Е(х), и, нако-
нец, определяют их разности, т.е. значения Дхнес = Дх). Эта
погрешность вызывает систематическое изменение нелинейнос-
ти функции преобразования в зависимости от х и может иногда
компенсироваться аппаратными или программными средствами.
Частная погрешность Дхнел определяется по формулам (7.35)
и (7.36) путем задания реальных отклонений энергетических
характеристик отдельных элементов приемника при заданном
потоке излучения, облучающего их, исходя из задайного номи-
302
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
нального распределения освещенности в плоскости анализа. Для
заданного распределения освещенности эта погрешность являет-
ся систематической, для неизвестных или меняющихся распре-
делений она является случайной.
Частная погрешность Дхкв зависит от числа разрядов N АЦП,
т.е. от интервала дискретизации сигнала ДС7КВ, равного
^UKBmax = Umaj2N,
где С7тах — максимальный сигнал, снимаемый с элемента.
Поскольку реальные значения сигналов на выходах отдель-
ных элементов могут отличаться от номинальных в пределах от
О до ± ДС7квтвх, то, задаваясь случайными значениями ДПКВ в этих
пределах, по формуле (7.35) можно определить частную погреш-
ность Дхкв при различных сочетаниях ДС7КВ для отдельных эле-
ментов. Предельное значение Дхкв соответствует случаю, когда в
разных элементах, расположенных симметрично относительно
визирной оси ОЭП, задаются максимальные отклонения Д17квтах,
но с разными знаками.
В случае, если частные погрешности Дхнес и Дхнел считать
систематическими, результирующая доверительная погрешность
анализатора определяется по формуле:
Дхаи = Дхнес + Дхвел ± чДДхн)2 + (Дх^)2 + (Дхкв)2.
Если частные погрешности Дхнес и Дхнел невозможно считать
систематическими, например при изменяющемся смещении х от
О до максимального значения хтах, их целесообразно считать
случайными с равномерным законом распределения вероятнос-
тей и результирующую погрешность вычислять как корень квад-
ратный из суммы квадратов всех частных погрешностей. Допус-
ки на указанные погрешности таких анализаторов устанавлива-
ются аналогично другим рассмотренным анализаторам (см. п.
7.3.2) с использованием допущения о равном их влиянии. Но
переход от этих допусков к допускам на первичные погрешнос-
ти, например на неоднородность чувствительностей элементов
приемника, для таких анализаторов можно производить статис-
тическим моделированием способом последовательных прибли-
жений или экстраполяцией с учетом принятого первоначально
допуска.
Таблицы 7.8 и 7.9 иллюстрируют в общих чертах тот уро-
вень, который достигнут сегодня при разработке МЭПИ, исполь-
зуемых в анализаторах и работающих как в видимой, так и в
инфракрасной областях спектра.
В настоящее время основными тенденциями совершенство-
вания МЭПИ и анализаторов на их основе являются: уменыпе-
303
Проектирование оптико-электронных приборов
Таблица 7.8
Параметры некоторых многоэлементных приемников
излучения, работающих в видимом диапазоне
оптического спектра
Тип, фирма, марка	ПЗС Sony ХС-73	ПЗС Pulnyx ТМ-1300	КМОП Fuga-19	КМОП Fuga-22
Число элементов	752x582	1300x1300	1920x152	2048x2048
Размеры элементов или шаг их располо- жения, мкм	6,5x6,3	6,7x6,7	26,4x26,4	7,5x7,5
Общий размер свето- чувствительной площади, мм	4,9x3,67	9,1x6,9	50x4	15,4x15,4
Пороговая чувствительность, лк	0,5	1,0	105 Втм~2	КГ2 Вт-м-2
Постоянное напряже- ние питания, В	12	12	5	5
Максимальная такто- вая частота, МГц	7,375	6,15	4	8
ние размеров отдельных элементов с одновременным увеличени-
ем их числа в одном МЭПИ; достижение выской однородности
параметров и характеристик отдельных элементов и обеспече-
ние их стабильности в процессе работы; расширение диапазона
спектральной чувствительности МЭПИ; повышение быстродей-
ствия (частоты опроса отдельных элементов и съема сигналов)
МЭПИ; увеличение рабочей температуры до значений близких к
комнатной, т.е. снижение требований к охлаждению при сохра-
нении высокой обнаружительной способности МЭПИ; снижение
потребляемой мощности фотоприемных устройств на базе МЭПИ;
наконец, снижение стоимости МЭПИ и ФПУ на их основе.
По мнению ряда зарубежных исследователей и разработчи-
ков в ближайшее десятилетие можно ожидать появление нового
поколения ФПУ на основе МЭПИ, работающих в ИК области
спектра (до 12 мкм), которые позволят создать анализаторы изоб-
ражений следующих трех групп:
304
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
о CS & < S < то Н « : Е-| ; । < i i ! V i i ( j 1 i i i 1 i । । i । • ( । ।	 fl Э- E E a К s J г я э э я о. а" о * S Е S и S а. с к Е Е Ф S и е п о я О ь S ф g О □. о Н и ф о S * 1 га X С Н so ф 5 я я 1 R Я \В ф О з >s i ° § 8 S Q. г- *
Великобритания Loran IRIS	микро болометр	VO + Si N	8...14	173	327x245	46,25x46,25	30 ... 60	О о VI	гН О VI
Австралия DSTO	микро болометр	нет сведений	СО т-Ч 00	253... 323	256 х 256	40x40	О ю	<0,1	нет сведений
США Hughes/SBRC	фото матрица	Hg Cd Те	7,5 ... 10,0	80	256 х 256	30x30	>400	о_ о’ VI	0,1 (13)
США Hughes/SBRC	фо то матрица	In Sb	3,3... 5,1	80	256 х 256	30x30	>400	о о VI	0,05 (10)
США Boening/Rockwell	фото матрица	Pt Si	3,4 ... 5,0	77	240 х 320	30x30	50	о о VI	0,07 (12)
Франция Sofradir	фото матрица	Hg Cd Те	3 ... 5 (8... 12)	130... 200 (80... 90)	288x4 320 х 240 640 х 480	30x30	20 ... 40	<0,01	<0,1
Страна, фирма	Тип фотопрнемника	Материал фоточувствитель- но го слоя	Рабочий спектральный диапазон, мкм	Рабочая температура, К	Формат, число элементов	Размеры пикселя, мкм	Частота кадров, Гц	Эквивалентная шумовая разность температур для температуры фона 300 К, К	Минимальная разрешаемая разность температур, К (для пространственной частоты, период/мм)
305
Проектирование оптико-электронных приборов
-	малогабаритные недорогие анализаторы с неохлаждаемы-
ми ФПУ, размерами элементов 25 х 25 мкм в матрице формата
320 х 240 пикселей, потребляемой мощности менее 10 мВт;
—	высококачественные анализаторы без охлаждения или с
термоэлектрическим охлаждением ФПУ, размерами пикселей
25 х 25 мкм при формате 1000 х 1000 элементов, частотой кад-
ров до 30 Гц;
—	многоэлементные анализаторы с охлаждением ФПУ до
120 ... 180 К, работающие в нескольких (2-х... 3-х) спектраль-
ных диапазонах, размерами пикселей 18 х 18 мкм при форматах
от 1000 х 1000 до 2000 х 2000 элементов, перестраиваемой часто-
той кадров от 30 до 480 Гц.
7.4.	Модуляторы
7.4.1.	Виды модуляторов
Значения основных параметров модулятора рассчиты-
вают или выбирают исходя из общих требований к ОЭП и к пара-
метрам модулированного сигнала. Обычно модулятор должен
обеспечить требуемый вид модуляции с заданными значениями
частот, необходимую глубину модуляции, определенную форму
модулированного сигнала и стабильность этих параметров.
Отдельную группу составляют параметры, характеризующие
надежность. К ним относятся срок службы Тс, наработка моду-
лятора до отказа, интенсивность отказов X, вероятность безот-
казной работы P(t) и др. Подобно прочим узлам ОЭП, модулятор
характеризуется такими параметрами, как габаритные размеры,
масса, потребляемая мощность, вид питающего напряжения или
тока.
В ряде ОЭП используется внутренняя модуляция, т.е.
модулирующее воздействие оказывается непосредственно на ис-
точник излучения, в других — модуляция осуществляется в
любом месте между источником и приемником излучения (вне-
шняя модуляция). Иногда применяют модуляцию и в электрон-
ном тракте, например, в цепи питания приемника излучения или
после предварительного усиления сигнала. Однако при такой
модуляции теряются некоторые достоинства модуляции как про-
цесса кодирования и обработки сигнала, например возможность
отфильтровать сигналы от внешних излучающих помех.
Внутреннюю модуляцию можно реализовать путем питания
источников излучения, чаще всего газоразрядных импульсных
306
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
ламп и светодиодов, переменным током с определенной частотой
f. Частота модуляции потока /м будет в 2 раза больше, поскольку
поток в отличие от тока питания является униполярной функци-
ей и одному периоду изменения тока соответствуют два периода
изменения потока Ф.
Общее преимущество внутренней модуляции заключается в
том, что в одном узле совмещаются функции излучателя и
модулятора, т.е. упрощается конструкция ОЭП. Кроме того, при
использовании активного метода работы ОЭП легче обеспечива-
ется помехозащищенность по отношению к внешним помехам.
Основными недостатками этого способа модуляции при ис-
пользовании газоразрядных импульсных ламп являются сравни-
тельно невысокая глубина модуляции для некоторых из них,
низкий КПД, небольшой срок службы, сложность источников
питания и большие их габаритные размеры, а также относитель-
но неширокий спектр излучения выпускаемых промышленнос-
тью газоразрядных ламп. Поток излучения, создаваемый свето-
диодами, питаемыми переменным током, как правило, весьма
невелик. Кроме того, выпускаемые в настоящее время промыш-
ленностью светодиоды могут работать только в ограниченной
области спектра (видимой и ближней инфракрасной).
Большое распространение на практике получили растровые
(механические) модуляторы, представляющие собой различные
растры, приводимые в движение с помощью электромеханичес-
ких, электромагнитных, пьезоэлектрических и других узлов
(электродвигателей, вибраторов, реле и т.п.).
Ширину прозрачных и непрозрачных участков растра обыч-
но делают одинаковой, за исключением модуляторов для импуль-
сной модуляции, Это обеспечивает максимальную мощность пер-
вой гармоники полезного сигнала. В противном случае растут
либо постоянная составляющая модулированного потока, либо
амплитуды высших гармоник.
Форма сигнала (модулирующая функция) зависит от соотно-
шения между размерами сечения пучка лучей и ячейки (полупе-
риода) растра. Оптимальной с энергетической точки зрения яв-
ляется прямоугольная форма сигнала Ф(7) (модулирующей функ-
ции). В этом случае амплитуда Фх первой гармоники модулиро-
ванного потока будет максимальной: Oj = (2/л) Фтах, где Фтах —
максимальное значение амплитуды модулированного потока.
Прямоугольная форма сигнала получается в том случае,
когда сечение пучка лучей практически можно считать точкой,
а ячейка растра по сравнению с ней имеет достаточно большие
размеры, превышающие размеры указанного сечения на два
порядка.
307
Проектирование оптико-электронных приборов
В ряде случаев требуется синусоидальная форма сигнала, при
которой нелинейные искажения электрического сигнала в элек-
тронном тракте ОЭП исключаются, так как в этом случае отсут-
ствуют высшие гармоники сигнала. Синусоидальную форму мо-
дулированного потока можно получить, в частности, при сле-
дующих условиях: 1) сечение пучка лучей или фигура изобра-
жения объекта в плоскости радиально-секторного растра долж-
на иметь форму круга, вписываемого в ячейку растра;
2) распределение энергии излучения по сечению пучка лучей дол-
жно быть равномерным, а ширина прозрачной и непрозрачных
ячеек одинаковой.
При конечном размере (меньше ширины прорези растра) се-
чения пучка или кружка рассеяния в плоскости растра модули-
рующая функция будет близкой к трапецеидальной с фронтом
импульсов 6 = nd/l, где d — диаметр сечения пучка лучей в пло-
скости растра; I — размер полупериода (ячейки) растра, отсчи-
танный вдоль окружности, по которой перемещается изображе-
ние или сечение пучка лучей относительно растра (окружность
сканирования).
В рассмотренном случае при любом распределении энергии в
сечении пучка лучей (изображении объекта) фронты трапеце-
идальных импульсов будут криволинейными.
Основными достоинствами растровых модуляторов являют-
ся простота конструкции, возможность получения разнообраз-
ных форм сигналов, возможность обеспечения 100%-ной глуби-
ны модуляции, малое спектральное поглощение потока или пол-
ное его отсутствие.
К их основным недостаткам следует отнести: невозможность
получения больших частот модуляции, нестабильность частоты
модуляции, небольшой срок службы и невысокую прочность при
больших скоростях движения. Последнее обусловлено действи-
ем больших центробежных сил на модулятор. Максимальная
частота модуляции потока при использовании растровых модуля-
торов чаще всего равна нескольким килогерцам. При частоте мо-
дуляции более 100 кГц чрезвычайно усложняется конструкция
узла привода модулятора.
Примеры конструкций растровых модуляторов представле-
ны на рис. 7.69-7.71 [5, 25].
Специфическими требованиями, предъявляемыми к оптико-
физическим модуляторам, являются: стабильность фазы свето-
вых колебаний в поперечном сечении пучка лучей, проходящих
через модулятор; минимальные нелинейные искажения моду-
лированного сигнала; большой диапазон рабочих частот модуля-
ции (широкополосность); большой динамический диапазон ра-
308
Глава 7. Особенности конструирования оптжеских и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.69. Дисковый радиально-секторный
модулятор:
1 — модулирующий диск; 2 — гайка; 3 — сег-
ментная шпонка; 4 — фланец; 5 — элек-
тродвигатель; 6 — вал электродвигателя
Рис. 7.70. Камертонный модулятор:
1 — камертон; 2 — корпус; 3 — соленоид; 4
— якорь; 5 — щелевая диафрагма
Рис. 7.71. Вибрацион-
ный модулятор
1 — объектив; 2 — якорь;
3 — щель; 4 — упоры;
5 — постоянный магнит;
6 — катушка индуктив-
ности
боты, а в ряде случаев линейность модуляционной характерис-
тики, т.е. зависимости амплитуды модулированного потока из-
лучения ф от управляющего воздействия, например от ампли-
туды иу управляющего напряжения для электрооптических мо-
дуляторов.
Электрооптический модулятор на основе продольного эффек-
та Поккельса (рис. 7.72) состоит из поляризатора и анализатора,
Рис. 7.72. Схема электрооптического модулятора на основе продольно-
го эффекта Поккельса:
1 — излучатель; 2 — объектив; 3 — поляризатор; 4 — электрооптический кри-
сталл; 5 — анализатор; 6 — приемник излучения
309
Проектирование оптико-электронных приборов
плоскости поляризации которых взаимно ортогональны, и распо-
ложенного между ними электрооптического кристалла, напри-
мер из дигидрофосфата аммония (ADP), с электродами для пода-
чи на него управляющего высоковольтного напряжения иу. Элек-
троды должны быть прозрачными или иметь отверстия для про-
хождения света. Характер поляризации света на выходах эле-
ментов показан на рис. 7.72.
Разность фаз между ортогонально поляризованными
кристаллом компонентами света (обыкновенной и необыкновен-
ной волнами) на выходе кристалла может быть определена из
соотношения
ф = (2л/Х)п„гиу,	(7.37)
где к — длина волны; пв — показатель преломления кристалла
для обыкновенной волны света; г — электрооптическая констан-
та; для ADP г =8,5 10 10 см-В *.
Допустимая угловая апертура р кристалла при продольном
электрооптическом эффекте зависит от длины кристалла Z и не
должна превышать 1,5° при I = 10 мм для кристалла из KDP. В
общем случае допустимое значение Р рассчитывают по формуле
sinp < кп^21^ -п2)],
где пе — показатель преломления необыкновенной световой вол-
ны.
Переменный поток Фвых на выходе электрооптического моду-
лятора на основе линейного эффекта Поккельса связан с пото-
ком на его входе Фвх соотношением
Фвых = ФВХ sin2 (ф/2).	(7.38)
Управляющее напряжение щ/2, при котором разность фаз
между ортогональными компонентами света ф = л, называется
полуволновым напряжением. На основе (7.37) и (7.38) выраже-
ние, описывающее модуляционную характеристику, можно
представить в виде
_	. о nUv
Фвых-ФВх sin — —,	(7.39)
„ К ч х
где uV2 = y(2<H.
Для кристаллов из KDP и ADP напряжение щ/2 равно 7,5 и
8,6 кВ соответственно при к = 0,55 мкм.
Как следует из (7.39), модуляционная характеристика моду-
лятора — функция нелинейная, причем нелинейность значи-
тельно уменьшается, если имеет место постоянное смещение,
равное примерно 0,5uz/2 при продольном электрооптическом эф-
фекте. Кроме того, из (7.39) следует, что эффективность моду-
310
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
лятора Т]э = Фвых/Фвх возрастает при увеличении управляющего
напряжения иу.
При продольном электрооптическом эффекте глубина,
модуляции на линейном участке модуляционной характеристи-
ки зависит от амплитуды переменного управляющего напряже-
ния: М = sin [(2лпог/Х) иу].
При поперечном электрооптическом эффекте имеет место по-
стоянное смещение за счет естественной анизотропии кристалла.
Глубина модуляции при продольном электрооптическом
эффекте в кристалле зависит от управляющего напряжения и не
зависит от его длины, поэтому кристалл может быть вырезан в
виде тонкой пластины. Глубину модуляции можно повысить,
применяя несколько последовательно установленных по ходу
лучей тонких пластин с электродами, к которым прикладывает-
ся одинаковое напряжение иу, либо используя поперечный эф-
фект. В последнем случае глубина модуляции увеличивается в
Z/(2d) раз, где d — толщина кристалла. Однако при использова-
нии поперечного эффекта у модулятора имеет место нестабиль-
ность разности фаз ф при изменении температуры, вызывающей
неодинаковое изменение показателей преломления световых
компонентов, плоскости поляризации которых ортогональны. В
этом случае приходится термостатировать кристалл и применять
температурную компенсацию.
Модуляторы Поккельса на кристаллах ADP (дигидрофосфа-
та аммония) и KDP (дигидрофосфат калия) требуют большого
управляющего напряжения питания, имеют небольшие габарит-
ные размеры, массу и нелинейную модуляционную характерис-
тику. Эти модуляторы обеспечивают частоты модуляции до
103 МГц и выше, работают в спектральной области примерно
0,35 ... 1,2 мкм и имеют большой динамический диапазон (до
1000) по потоку излучения, их коэффициент пропускания
тм = 30%. Потребляемая мощность составляет десятки, а иногда
и сотни ватт при напряжении питания несколько десятков кило-
вольт.
Кристаллы KDP не растворяются в спирте, ацетоне и бен-
зине, но хорошо растворяются в воде, поэтому их необходимо
герметизировать. Они хрупки и требуют специальных методов
обработки. Циклические изменения температуры вызывают их
растрескивание.
Недостатком модуляторов Поккельса является также зависи-
мость глубины модуляции М (коэффициента модуляции) от ча-
стоты, обусловленная пьезоэффектом. Для устранения этого не-
достатка необходимо выбирать большие частоты модуляции, при
которых пьезоэффект отсутствует.
311
Проектирование оптико-электронных приборов
В качестве обобщенного параметра электрооптических моду-
ляторов, характеризующего потребляемую ими мощность Рм,
используют величину q, равную отношению ф2/Рм. У модулято
ров Поккельса величина q мала.
В последние годы в качестве модуляторов Поккельса исполь-
зуются также кристаллы на основе сернистого цинка (ZnS), тел-
лурида кадмия (CdTe), арсенида галлия (GaAs), кристаллы сег-
нетоэлектрических перовскитов (ниобат лития, танталат лития
и др.), отличающиеся высокой прочностью, негигроскопич-
ностью, меньшей подверженностью влиянию изменений темпе-
ратуры окружающей среды и большим спектральным диапазо-
ном пропускания по сравнению с кристаллами из KDP и ADP.
Кроме того, кристаллы из ниобата и танталата лития требуют
меньшего по сравнению с KDP и ADP управляющего напряже-
ния. Модуляторы на кварце имеют хорошее пропускание до
X = 4 мкм, потребляют малую мощность (обычно несколько ватт),
но работают на фиксированных частотах от 4 до 100 МГц.
Основные параметры ряда отечественных модуляторов Пок-
кельса приведены в табл. 7.8.
Модуляционная характеристика модулятора на основе квад-
ратического эффекта Керра (модулятора Керра) имеет вид
фвых = фвх sin2 0,5л(иу/ц
(7.40)
Схемы этих модуляторов аналогичны схемам модуляторов
Поккельса. Наибольшее распространение в таких модуляторах
получили жидкостные ячейки Керра, полуволновое напряжение
которых
их/2 =	/(2BZ),
где В — постоянная Керра (для нитробензола В — 24х10“п см-В’2
при температуре t = 20°С и длине волны X = 0,55 мкм).
Спектральный диапазон работы жидкостного модулятора
Керра зависит в основном от рабочего вещества — наполнителя
ячейки и охватывает область спектра ориентировочно 0,4 ... 2,1
мкм. Коэффициент пропускания тм не более 0,15. Допустимые
частоты модуляции составляют несколько гигагерц.
Квадратическая зависимость Ф = f (uy) приводит к нелиней-
ным искажениям оптического сигнала. Модуляторы Керра тре-
буют большого управляющего напряжения (несколько кило-
вольт). Кроме того, нитробензол, используемый в качестве рабо-
чего вещества жидкостных модуляторов Керра, под влиянием
электролиза довольно быстро темнеет и становится непригодным
для работы. Нитробензол и другие жидкости, применяемые в
этих модуляторах, токсичны и химически агрессивны.
312
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Таблица 7.10
Основные параметры некоторых электрооптических
модуляторов [25]
Параметр	Значение параметров для модуляторов типа			
	МЛ-3	МЛ-4	МЛ-5	МЛ-7
Материал	KDP	Ниобат	Ниобат	Арсенцд
		ЛИТИЯ	ЛИТИЯ	галлия
Полуволновое напряже- ние, В	730	180	185	3000
Спектральный диапазон	0,35... 1,2	0,45 ... 2	0,45 ... 2	10,6
пропускания, мкм Диапазон рабочих час- тот, МГц	0... 10	0... 10	0... 200	0... 25
Апертура, мм	3	1	2,4	3
Удельная управляющая	3,68	0,186	—	51,0
мощность, Вт/МГц Габаритные размеры, мм				—	—
Масса, г	—	—	—	—
Емкость, пФ	30	25	—	25
	Значение параметров для модуляторов типа			
Параметр				
	МП-3	ДП-663	2036У1	олмш-юом
				
Материал	KDP	KDP	Арсенид	KDP
			галлия	
Полуволновое напряже- ние, В	2500±250	370	3000	430... 450
Спектральный диапазон	0,35... 1,2	0,35 ... 1,2	2 ... 12	0,35 ... 1,2
пропускания, мкм Диапазон рабочих час- тот, МГц	0... 10	0... 100	0 ... 100	0 ... 100
Апертура, мм	—	2,5	7	—
Удельная управляющая мощность, Вт/МГц	—	1,26	—	—
Габаритные размеры, мм	100x160	125x70x60	—	90x160
Масса, г	1300	400	—	1500
Емкость, пФ	—	30	—	—
Весьма перспективны модуляторы Керра на кристаллах. Они
требуют малых управляющих напряжений (-10 ... 100 В). Но
кристаллы, например танталат-ниобат калия (KTN), имеют боль-
шую оптическую неоднородность и создают вследствие этого
большие фазовые неоднородности потока излучения.
313
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.73. Принципиальная схема маг-
нитооптического модулятора Фарадея:
1 — поляризатор; 2 — магнитоактивный
сердечник; 3 — соленоид; 4 — анализатор
Широкое применение в оптико-электронных поляриметрах
и других приборах нашел магнитооптический модулятор Фара-
дея (рис. 7.73), основными элементами которого являются маг-
нито-активный сердечник, изготовленный из материалов с вы-
сокой прозрачностью в данной области спектра, хорошей темпе-
ратурной стабильностью и большой постоянной Верде, и солено-
ид, магнитное поле которого изменяется по гармоническому за-
кону, вызывая периодические изменения (вращение) азимута
линейно поляризованного излучения.
При установке за катушкой с сердечником анализатора изоб-
ражения на его выходе имеет место амплитудная модуляция. При
этом поток на выходе анализатора связан с потоком на входе
модулятора соотношением
фвых = фвх cos2 (a+cpsincot),
где a — угол между электрооптическим вектором излучения, па-
дающего на модулятор, и плоскостью поляризации поляризато-
ра; со — частота напряжения питания катушки; ф — угол пово-
рота плоскости поляризации света; ф = CHI cos 6; С — постоян-
ная Верде магнитоактивного сердечника, зависящая от длины
волны X света и температуры, Н — напряженность приложенно-
го магнитного поля; I — длина пути света в магнитоактивной
среде; 6 — угол между направлением распространения света и
направлением магнитного поля.
Основные преимущества модуляторов Фарадея по сравнению
с электрооптическими — более простая конструкция, значитель-
но меньшее управляющее напряжение, широкий спектральный
диапазон пропускания (от УФ- до ИК-области спектра), завися-
щий от применяемых в нем материалов сердечника (например,
кварц, As2S3, различные парамагнитные стекла, иттриевый фер-
рогранат и др.), хорошая стабильность параметров ряда модуля-
торов Фарадея при большом изменении температуры окружаю-
щей среды. Эти модуляторы высокочастотные: частота модуля-
ции составляет десятки мегагерц. Их недостатками являются
меньшая по сравнению с электрооптическими модуляторами
глубина модуляции вследствие ограниченного вращения плос-
кости поляризации, значительная зависимость угла поворота
Ф от X (дисперсия) и нелинейность модуляционной характерис-
тики.
314
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.74. Принципиальная схема акустооптического
модулятора
В ОЭП находят применение также акусто-
оптические модуляторы, состоящие из прозрач-
ной для света фотоупругой среды 1, например
из плавленного кварца, и пьезодатчика 2,
выполняемого обычно из кристаллического
кварца или титаната бария (рис. 7.74). Парамет-
ры ряда зарубежных акустооптических модуляторов приведены
в табл. 7.11. Эти модуляторы разделяют на двулучепреломляю-
щие и дифракционные. Принцип действия первых аналогичен
принципу действия электрооптического модулятора. Отличие
заключается в том, что разность фаз между оптическими компо-
нентами световой волны, плоскости поляризации которых орто-
Таблица 7.11
Характеристики ряда акустооптических модуляторов
Параметр	EFL-M120	EFL-M150	EFL-M200	EFL-M040B01
Спектральный диапазон, мкм	0,4 .	.. 1,2	0,4 ... 1,7	0,46 ... 1,2
Среднее значение частот- ного диапазона, МГц	120	150	200	40
Коэффициент пропуска- ния, %	94			95
Постоянная времени, нс Управляющая мощность, Вт	15 0,8	12 0,6	9 0,4	50 2 '
Входное сопротивление, Ом	50			
Апертура, мм2	1x5	0,5x5		1,5x10
Максимальная входная мощность, Вт	1,2	1	0,6	3
Рабочее вещество	ТеО2			Отекло
315
Проектирование оптико-электронных приборов
гональны, создается под действием механических напряжений
упругой среды, а не электриче кого поля. Деформация в крис-
талле создается продольной стоячей акустической волной. Ука-
занная разность фаз на выходе акустооптической среды описы-
вается соотношением
Дф = (2nd/X) Ди = (л d/X) n3p AZ,
где d — толщина акустооптической среды; Ди — разность пока-
зателей преломления компонентов световой волны, поляризован-
ных ортогонально; п — показатель преломления среды в отсут-
ствие деформации; р — эффективный упругооптический коэффи-
циент; AZ — деформация среды.
Такие модуляторы являются узкополосными и работают на
фиксированных частотах. Максимальная частота модуляции по-
тока ограничена допустимой деформацией, и при использовании
титаната бария в качестве упругой среды она достигает 30 МГц.
Важным преимуществом таких модуляторов является возмож-
ность работы с пучками лучей большой расходимости, достига-
ющей ±8°.
Другой разновидностью акустооптическкх модуляторов яв-
ляются дифракционные модуляторы, у которых стоячая акусти-
ческая волна создает в фотоупругой среде пространственное рас-
пределение показателя преломления, изменяющееся по ампли-
туде в такт с изменениями интенсивности акустической волны,
т.е. фазовую дифракционную решетку с изменяющимся коэффи-
циентом пропускания дифрагированного потока излучения. Ча-
стота модуляции при этом равна частоте акустической волны и
достигает сотен мегагерц. Глубина модуляции зависит от интен-
сивности акустической волны и оптической длины d фотоупру-
гой среды.
Достоинством акустооптических модуляторов являются про-
стота конструкции, низкое управляющее напряжение (часто по-
рядка нескольких вольт), достаточно широкий спектральный
диапазон работы Xj — А,2 = 0,3 ... 2,1 мкм (и более). Недостатки
этих модуляторов — малая глубина модуляции, большие фазо-
вые искажения.
7.4.2.	Выбор основных параметров модуляторов
Основными конструктивными параметрами вращаю-
щихся растровых модуляторов являются угловой период у0 рас-
тра, соотношение между прозрачной и непрозрачной частями
этого периода, линейный полупериод d растра, число периодов
т растра, диаметр D модулятора. Модулятор с поступательно
316
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
перемещаемым растром имеет те же основные параметры: ли-
нейный полупериод растра, длину растра и т.д.
Линейный полупериод растра выбирают из условия d>dK,
где d„ — диаметр изображения излучателя или сечения пучка
лучей в плоскости растра с учетом требуемой формы модулиро-
ванного потока Ф(7). Необходимые для получения различной
формы модулированного потока соотношения между значения-
ми dK и линейным полупериодом растра d приведены в [20].
Угловой период вращающегося растра определяют исходя из
значения d по формуле
Yo = 2arctg(d/J?),
где R — расстояние от центра модулятора до центра изображе-
ния излучателя или сечения пучка лучей плоскостью растра.
Число периодов растра можно определить из соотношения
т = 36О°/уо. Отсюда исходя из требуемой для максимизации от-
ношения сигнал/шум частоты модуляции f или по другим сооб-
ражениям (см. п. 6.3) находят частоту вращения электродвига-
теля п ~ f/m или линейную скорость v поступательно переме-
щаемого растра v = 2df.
Параметры электрооптических, магнитооптических, оптико-
акустических и пьезоэлектрических модуляторов конструктор
ОЭП обычно не рассчитывает, поскольку они приводятся в спра-
вочных данных. Но при их сопоставлении конструктору прихо-
дится иногда рассчитывать ряд параметров, пользуясь паспорт-
ными или справочными данными на эти модуляторы, например
коэффициент нелинейных искажений k„ н, коэффициент эффек-
тивности т]э, потребляемую мощность Рм, глубину модуляции М
и т.п.
Причиной нестабильности модулированного потока излуче-
ния при использовании растровых модуляторов являются их по-
грешности, обусловленные неточностью соотношения между про-
зрачными и непрозрачными частями растра и отклонениями его
периода от номинального значения и называемые часто погреш-
ностями рисунка растра Ду (Дс(), а также погрешности вследствие
эксцентриситета £ оси вращения модулятора относительно цен-
тра растра и нестабильности скорости перемещения растра До
или Ди.
Искажения формы сигнала на выходе растровых модулято-
ров выражаются в ее отклонении от теоретически предусмотрен-
ной формы сигнала Ф(7). Вследствие погрешностей изготовления
и сборки модуляторов и нестабильности скорости их перемеще-
ния может иметь место модуляция на частотах, отличных от
номинальной частоты модуляции f, в том числе на частотах,
317
Проектирование оптико-электронных приборов
кратных ей. В ряде случаев помимо основной модуляции, на-
пример, амплитудной, возникает дополнительная паразитная
модуляция — частотная или фазовая.
Минимальные значения погрешностей нанесения рисунка ра-
стра Ду (Ad) и эксцентриситета е определяются технологически-
ми возможностями производства и зависят от габаритных разме-
ров модулятора. Например, в настоящее время угловые погреш-
ности при диаметре модулятора около 30 ... 40 мм могут быть
доведены до значений около 0,5' ... 1,0'. Нестабильность скоро-
сти перемещения или частоты вращения Дн зависит от неста-
бильности привода модулятора (см. гл. 9). Если назначить слиш-
ком жесткие допуски на параметры модуляторов ОЭП, то их из-
готовление потребует сложного станочного оборудования и ока-
жется чрезвычайно дорогим, а в ряде случаев и невозможным.
Однако слишком большие допуски на изготовление модуляторов
приведут к недопустимо большим погрешностям всего ОЭП.
Поэтому в каждом конкретном случае очень важно правильно
рассчитать эти допуски.
При амплитудной модуляции нестабильность ДФ модулиро-
ванного потока излучения вызывает пропорциональные флуктуа-
ции Ди амплитуды полезного сигнала, которые приводят к изме-
няющимся пропорционально им погрешностям измерения инфор-
мативных параметров излучателя, например угла рассогласова-
ния а, т.е.
ДФ/Фгаах = Ктя Да/а0,	(7.41)
где Фпшх — максимальный поток на выходе модулятора; 7fOTH —
относительная чувствительность анализатора изображения (см.
п. 7.3); oCq — диапазон линейности функции преобразования ана-
лизатора; часто а0 = arctg (dK/f), где d„ — диаметр изображения
излучателя; /' — фокусное расстояние объектива.
Погрешности Ду рисунка растра, а у вращающихся модуля-
торов эксцентриситет е оси вращения модулятора по отношению
к центру растра, а также нестабильность Дн частоты вращения
модулятора вызывают в ОЭП с амплитудной модуляцией соответ-
ствующие паразитные изменения амплитуды потока Фвых и, сле-
довательно, потока Фп.„, попадающего на чувствительную пло-
щадку приемника излучения, которые обозначим ДФ7, ДФЕ и ДФ„
соответственно. Результирующее паразитное изменение ампли-
туды потока излучения при взаимно независимых случайных ве-
личинах ДФ7, ДФ£ и ДФ„ будет равно:
ДФ = д| (ДФ7 )2 + (ДФЕ )2 + (ДФ„ )2 •	(7.42)
318
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Подставив в выражение (7.41) вместо ДФ его значение из
(7.42), получим:
' ДФу
ДФЕ
Фщах,
= ^отнд«/«о •	(7.43)
ф
max 7
Паразитные изменения потоков ДФ7, ДФе и ДФ„ приводят к соот-
ветствующим пропорциональным изменениям амплитуды элек-
трического сигнала Ди7, Дие и Ди„, поэтому формулу (7.43) можно
записать в виде
' Дит f
Да 1
<^max
ДиЕ
^max >
где umax — максимальная амплитуда полезного сигнала.
Аналогичную формулу можно написать для модуляторов с
поступательно перемещаемыми растрами. Поскольку для таких
модуляторов отсутствует погрешность вследствие эксцентриси-
тета, то будет справедлива формула
Да 1

Дц„
и
\ шах 7
«О -К-отн
где Дии/ишах — нестабильность сигнала, обусловленная неста-
бильностью скорости растра.
Паразитное изменение Ди„ амплитуды полезного сигнала
вследствие нестабильности частоты вращения растра зависит от
формы частотной характеристики усилителя и значения Ди.
Действительно, в амплитудных ОЭП, как правило, используют-
ся узкополосные резонансные усилители переменного тока, на-
строенные на частоту модуляции f и имеющие резонансную ча-
стотную характеристику. При этом нестабильность частоты вра-
щения Дн растра, а следовательно, и нестабильность частоты Д/
вызывает уменьшение амплитуды первой гармоники полезного
сигнала (рис. 7.75) на значение Ди„. Зная и
допустимое значение Дипд, по частотной^
характеристике усилителя можно опре-
делить допустимую нестабильность Днд
частоты вращения модулятора, отклады-
вая Дипд по оси и от значения и = umax и
Рис. 7.75. Частотная характеристика усили-
теля прибора
f-Jf f f*lf
319
Проектирование оптико-электронных приборов
проводя прямые, параллельные оси f, до пересечения с частот-
ной характеристикой (см. рис. 7.75). Нестабильность частоты Дпд
определяют из соотношения Дпд = &f/m.
Аналогичным образом можно найти допустимую нестабиль-
ность Дид скорости перемещения растра для модуляторов с посту-
пательно перемещаемыми растрами.
Паразитные изменения Ди7 амплитуды полезного сигнала из-
за погрешностей рисунка растра модулятора зависят от формы
модулирующей функции Ф(0» т.е. Ф(у), периода растра, закона
распределения отклонений Ду периодов от номинала и являются
различными для разных участков растра модулятора (его пери-
одов) . При неизвестном законе распределения погрешностей
растра Ду часто достаточно определить паразитное изменение
Ди7 амплитуды полезного сигнала, обусловленное максимальным
отклонением Ду периода растра от номинала. Реальные значе-
ния Ди7 в процессе работы модулятора будут изменяться (флук-
туировать) от 0 до Диг Максимальную флуктуацию Ди7 сигнала
найдем как разность амплитуд Фх и Ф1у гармонических состав-
ляющих потока на частоте модуляции соответственно при Ду = О
и Ду, т.е.
Ди7 = su (Фх-Ф1у),
гдe_su — вольтовая чувствительность приемника излучения. Фх
и Ф1у находят путем перемножения постоянного потока Фвх на
входе модулятора на соответствующие коэффициенты при пер-
вой гармонике разложения идеальной и реальной модулирую-
щих функций в ряд Фурье. Задавшись в определенном диапазо-
не дискретными значениями отклонений Ду угловых периодов
растра модулятора от номинального значения у0, таким образом
можно получить зависимость относительного уменьшения
полезного сигнала от относительных откло-
Паразитное изменение Ди7 сигнала име-
ет максимальное значение при синусоидаль-
ной модуляции потока. На рис. 7.76 пока-
зан график зависимости Ди7/итах = <р(Ду/у0)
при синусоидальной модуляции. По этому
графику легко определить значения
Ди7/итах, если известно предельное значение
относительной погрешности Ду/у0. Поль-
Рис. 7.76. График зависимости Ди7/игаах =
= <р(Ду/у0) при синусоидальной модуляции пото-
ка излучения
au7/uraax амплитуды
нений Ду/у0.
/,о
0,9
М
о / г з лг/ггь

320
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
зуясь этим графиком, можно также найти допуск (Ду/у0)д на по-
грешность растра, если задано допустимое значение (Ди7/игаах)д.
Эксцентриситет оси вращения модулятора относительно цен-
тра растра для амплитудных ОЭП приводит к паразитной час-
тотной (фазовой) модуляции, следствием чего и являются пара-
зитные изменения сигнала Дие/итах. Изменения Дие/игаах = <р(у)
подчиняются синусоидальному закону при точечном изображе-
нии излучателя в плоскости растра и близким к нему законам
при других формах изображения. При этом закон распределе-
ния изменений Ди£/итах будет арксинусоидальным, для которого
коэффициент перехода от средней квадратической погрешности
к предельной k = 1,41. Поскольку линейный эксцентриситет Е
можно представить в угловой мере ДуЕ = (е/7?) siny, где R — рас-
стояние от центра растра до изображения излучателя в плоско-
сти растра, то влияние этого эксцентриситета на изменение сиг-
нала аналогично влиянию угловых погрешностей нанесения ра-
стра.
Следовательно, методика расчета функции Дие/игаах = <р(Е/Я)
в целом аналогична рассмотренной выше методике расчета фун-
кции Ди7/итах = <р(Ду/у0). Поэтому для ориентировочных расчетов
Ди7/итах можно пользоваться графиком, приведенным на рис. 7.76
для наиболее неблагоприятного случая.
На основании изложенного можно рекомендовать один из ва-
риантов расчета и выбора параметров радиально-секторных мо-
дуляторов, заключающийся в следующем.
1.	Полагая влияние частных погрешностей ДФ7/Фшах и
ДФ„/Ф0 на заданную результирующую погрешность ДФ/Фгаах =
= Ди/игпах измерения амплитуды полезного сигнала одинаковым,
с учетом коэффициента запаса s = 2 ... 5 находим:
ДФ7 _ ДФ„ < 1 АФ
Фо ~ Фо -8л/2Фтах‘
2.	По частотной характеристике усилителя определяем допу-
стимую нестабильность Д/ частоты полезного сигнала.
3.	Исходя из заданного или выбранного значения частоты
модуляции f (значение f зависит от типа приемника излучения,
частотных характеристик полезного сигнала, фона и помех, ди-
намических характеристик ОЭП) вычисляем относительное изме-
нение частоты полезного сигнала Д///.
4.	Выбираем тип привода модулятора. При этом можно поль-
зоваться рекомендациями, изложенными в гл. 9. Для выбранно-
го типа двигателя определяем частоту вращения п растра.
5.	Находим число периодов растра т = f/n.
6.	Вычисляем угловой период растра у0 = 360°/тп.
321
Проектирование оптико-электронных приборов
7.	Определяем минимальный диаметр модулятора Draln =
= 2md/n.
Реальный диаметр модулятора D выбираем большим Dmin с
учетом габаритных размеров узла крепления модулятора и оп-
тической системы.
8.	Пользуясь рассмотренной выше методикой расчета функ-
ций Ди7/ишах = <р(Ду/у0), определяем вид этой функции.
9.	По полученной функции Ди7/игаах = <р(Ду/у0) или ее гра-
фику (рис. 7.76) находим допустимое значение относительной
угловой погрешности растра (Ду/у0)д.
10.	Вычисляем допуск на угловой период растра Дуд =
= (Ду/Уо)дТо-
11.	Допуск Дуд распределяем на два частных допуска: Ду —
допуск на угловой период рисунка растра и ДуЕ — допуск на уг-
ловой эксцентриситет его центра по отношению к оси вращения
модулятора, т.е.
ДУД = ^72Ду2 + /гЕ2ДУе,
где ky и kE — постоянные коэффициенты, учитывающие веса со-
ответствующих допусков.
В простейшем случае, при равном влиянии угловых погреш-
ностей Ду растра и эксцентриситета Дуе на погрешность измере-
ния
Ду = ДуЕ = Дуд/л/2, е = ДуЕП/2.
Если в результате расчета получилось слишком малое значе-
ние Ду/Уо, которое трудно технологически обеспечить, указанный
расчет необходимо повторить, задаваясь вначале увеличенным
значением Ди7/итах и уменьшенным за счет этого значением
Ди„/игаах в соответствии с формулой
Ди7 Ди;? Л Ди
——ч-----— <-------.
Мтах Мтах ® Мтах
Это объясняется тем, что обычно легче стабилизировать ча-
стоту вращения двигателя, чем обеспечить жесткие допуски на
угловые размеры модулятора.
Аналогичную методику можно использовать для расчета до-
пусков на модуляторы с поступательно перемещаемым растром,
с учетом того, что у них отсутствует нестабильность сигнала, обус-
ловленная эксцентриситетом е.
Нестабильность ДФВЫХ модулированного потока электроопти-
ческих модуляторов обусловлена в основном нестабильностью
управляющего напряжения иу. Величина ДФВЫХ для этих мо-
322
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
дуляторов может быть найдена по заданной или известной не-
стабильности Дну управляющего напряжения путем дифферен-
цирования функций, описывающих их модуляционные характе-
ристики, например (7. 39) и (7.40) соответственно для модулято-
ров на основе продольного линейного эффекта Поккельса и на
основе квадратического эффекта Керра.
В частности, для модуляторов на основе квадратического
электрооптического эффекта Керра относительная нестабиль-
ность модулированного потока излучения
ДФ
ВЫХ __
вх
7ШуДиу
2
МА/2
ф

Исходя из заданного значения ДФВЫХ/ФВХ по этой формуле
можно также определить допуск Диу_д на нестабильность управ-
ляющего напряжения.
Относительная нестабильность модулированного потока для
магнитооптического модулятора Фарадея зависит от паразитно-
го поворота плоскости поляризации магнитооптического крис-
талла, обусловленного в основном нестабильностью тока пита-
ния соленоида М, а также дисперсией эффекта Фарадея. Неста-
бильность тока питания /\1 катушки соленоида вызывает пово-
рот плоскости поляризации на Дф = wCl Ы, где w — число вит-
ков катушки, С — постоянная Верде магнитооптического крис-
талла, I — длина пути света в кристалле. Паразитное изменение
ДФВЫХ потока, обусловленное поворотом плоскости поляризации
на Д<р вследствие нестабильности Ы, определяют по формуле
дфвых/фвых = 2 [cos(a + <р) sin(a+<р)] Дф =
= Дф sin [2 (а + ф)] = ClwM sin [2 (а + ф)].
Нестабильность, обусловленную дисперсией эффекта Фара-
дея, которая для ряда магнитооптических материалов, напри-
мер иттриевого феррограната, высока и равна примерно 1000
°/см при изменении длины волны на 0,1 мкм, рассчитать весь-
ма сложно, и ее определяют экспериментально.
7.5.	Оптико-механические компенсаторы
Оптико-механические компенсаторы широко используются
в ОЭП различного назначения и прежде всего в приборах, пред-
назначенных для слежения за положением объектов и измерения
их координат в угловом поле [5, 9, 38]. С помощью компенсаторов
323
Проектирование оптико-электронных приборов
устраняется неоднозначность соотношения между выходным
сигналом и угловым рассогласованием, связанная с изменением
самого рассогласования, условий прохождения излучения через
среду, а также с нестабильностью чувствительности приемника
и параметров электронного тракта. Необходимостью устранения
указанной неоднозначности и обусловлен переход от инди-
каторного к компенсационному (следящему) режиму работы.
Компенсаторы позволяют получить большой коэффициент
преобразования, что обеспечивает значительное изменение вы-
ходного параметра при малых изменениях входного.
Обычно входным параметром является малое угловое рас-
согласование а, а выходным — угловое Р или линейное х пере-
мещение оптического элемента компенсатора. В связи с этим
основной характеристикой компенсатора является статическая
характеристика 0 = f (а) или х = f (а).
Статическая характеристика большинства компенсаторов не-
линейна. Это приводит к появлению методической погрешности
измерений в угломерных системах с компенсаторами. Данная
погрешность оценивается допустимым значением нелинейности
Да„ел, а пределы изменения угловых рассогласований, в которых
методическая погрешность не превышает указанных величин,
определяют диапазон линейности компенсатора ал.
В качестве оптических элементов компенсаторов применя-
ются плоскопараллельные пластины, оптические клинья, лин-
зы, зеркала. При этом оптические элементы могут покачиваться
относительно оси, перпендикулярной к оптической оси прибора,
вращаться вокруг нее, перемещаться вдоль или поперек этой оси.
Возможны комбинации двух и более оптических элементов, неко-
торые из которых неподвижны или движутся. Таким образом,
число возможных конструктивных схем компенсаторов велико.
Наиболее простым и давно исполь-
зуемым компенсатором является точ-
ный винтовой механизм (рис. 7.77).
Принцип работы компенсатора состо-
ит в следующем. Анализатор 2 изобра-
жения, фиксирующий рассогласование
а, с помощью микровинта 4 перемеща-
ют поперек оптической оси объектива
1 до полной компенсации указанного
рассогласования и определяют соот-
ветствующий угол поворота винта 0.
является одним из элементов каретки
(рамки), перемещающейся по направляющим при вращении мик-
ровинта 4, который установлен в подшипники (скольжения или
вращения).
Рис. 7.77. Компенсатор с
микровинтом
Гайка 3 с
324
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рабочая формула компенсатора имеет вид
oc = arctg[sp/(27t£6)],
а приближенная
a = Sp/(2n/0'6),
где S — шаг винтовой пары.
Методическую погрешность Ас/.„,.л компенсатора определяют как
разность значений, полученных по обеим формулам, с использова-
нием данных табл. 7.12.
Помимо нелинейности ос-
новными источниками погреш-
ности являются также: погреш-
ности изготовления пары винт
— гайка (периодическая и на-
копленная), погрешность мерт-
вого хода, направляющих и под-
шипников.
Периодическая погреш-
ность рассматриваемого ком-
пенсатора составляет 0,3 ... 0,8
мкм, накопленная погрешность
на шесть — восемь оборотов
винта не превышает 0,5 ... 1,5
мкм, мертвый ход — не более
0,8 мкм [9].
Таблица 7.12
Переход от градусной меры
к радианной	___
Угол Р		<«Р
в градус- ной мере	рад	
60"	0,000291	0,000291
10'	0,002909	0,002909
20'	0,005818	0,005818
30'	0,008727	0,008727
40'	0,011635	0,011635
50'	0,014544	0,014545
1°	0,017453	0,017455
1°30'	0,026179	0,026186
2е	0,034906	0,034921
При расчете этого компенсатора необходимо иметь в виду.
что минимально допустимый шаг винта S = 0,25 мм. При кон-
струировании следует стремиться к увеличению S как по техно-
логическим соображениям, так и для уменьшения износа пары.
Для устранения мертвого хода в компенсаторе целесообразно
использовать пружины, обеспечивающие притягивание гайки к
винту. В некоторых случаях для уменьшения деформаций винт
закрепляется в одном подшипнике, а с противоположной сторо-
ны устанавливается точечная опора.
Для увеличения коэффициента преобразования винтовые
механизмы можно сочетать с другими передачами, например с
зубчатыми, рычажными, кулачковыми и др.
Компенсатор с качающейся плоскопараллельной пластиной
(ППП) относится к числу наиболее распространенных, что обус-
ловлено простотой его конструкции и
достаточно высокой точностью измере-
ний (рис. 7.78). Обычно плоскопарал-
Рис. 7.78. Компенсатор с качающейся плос-
копараллельной пластиной
325
Проектирование оптико-электронных приборов
дельная пластина 2 размещается между объективом 1 и плоско-
стью изображения 3. Для уменьшения влияния ППП на каче-
ство изображения при наклоне ее устанавливают возможно бли-
же к плоскости изображения.
Смещение х изображения при наклоне ППП на угол Р относи-
тельно нулевого положения, при котором оптическая ось перпен-
дикулярна к поверхности ППП, определяется выражением
х = d sin р (1 - cos р/ Jn2 - sin2
где d — толщина ППП; п — показатель преломления стекла
ППП.
При малых значениях Р смещение х = d [(n - 1)/п] tg р.
Разложив это выражение в ряд Маклорена, ограничившись
двумя членами разложения и приняв п = 1,5, получим:
x = 0,002d 3 Р° +0,0003 р
где Р° в градусах.
Второй член этого выражения характеризует нелинейность
компенсатора Дх, которая не должна быть больше соответству-
ющей Данел, т.е.
Д*тах = Д«нел^/р" »
где р" = 206 265".
Очевидно, это возможно, если угол наклона ППП не превы-
шает некоторого значения РП1ах.
Относительная погрешность за счет нелинейности
Дх/х = 0,0001 (Р°)2, откуда
р^ = юо7д^ = 100^AaHejI/a.
На основе этого выражения и формулы для х можно вычислить
требуемую толщину ППП:
п 1
Следует отметить, что в приведенных выше выражениях угол
наклона ППП равен углу падения осевого луча на поверхность.
При наличии угла рассогласования а угол падения i, = а + р, что
необходимо учитывать в отдельных случаях при расчете ком-
пенсатора.
В компенсаторах рассматриваемого типа для поворота пла-
стины применяют червячные передачи, рычажные пары в сочета-
нии с микровинтами и другие механизмы с достаточно большим
передаточным числом.
Компенсаторы с оптическими клиньями могут быть уста-
новлены как в параллельных (перед объективом), так и в сходя-
326
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.79. Компенсатор с парой вращающихся клиньев
щихся пучках (за объективом). В первом случае (рис. 7.79, а)
клиновой компенсатор включает два одинаковых оптических
клина 1, разворачивающихся относительно оптической оси в про-
тивоположных направлениях на равные углы р. В этом случае
перемещение изображения в плоскости анализа 3 будет проис-
ходить вдоль прямой линии, направление которой зависит от
первоначальной ориентации клиньев. В самом деле, если перед
объективом 2 вращается одиночный клин, изображение, давае-
мое объективом, будет перемещаться по окружности радиусом
г1,2 = <7(п - 1)/Об/р", где о — преломляющий угол клина; п —
показатель преломления материала клина. При вращении двух
клиньев в противоположных направлениях составляющие пере-
мещений вдоль оси у взаимно компенсируются (рис. 7.79, б), а
вдоль оси х — удваиваются. Следовательно, рабочая формула рас-
сматриваемого компенсатора:
a = 2o(n-l)sinp.
Статическая характеристика компенсатора нелинейна, и по-
этому допустимое значение Р < 5°. Для расширения диапазона
работы компенсатор обычно снабжают синусным механизмом,
который компенсирует указанную нелинейность. Схема одного
из вариантов такого компенсатора представлена на рис. 7.80.
Оправы 1 и 2 клиньев имеют поводки 3 с роликами, касающиеся
толкателей вилки 4 с гайкой 5. При вращении микровинта 6
вилка, воздействуя на ролики, поворачивает клинья в противо-
положных направлениях. Поскольку sin Р = Sp*/(7?-360°), где
S — шаг резьбы микровинта, Р* —
угол поворота микровинта, R — ра-
диус поводка, то
а = 2о(п-1)5р*/Гт?-360°\
Рис. 7.80. Клиновой компенсатор с си-
нусным механизмом
327
Проектирование оптико-электронных приборов
т.е. такой компенсатор теоретически имеет линейную характе-
ристику. В действительности вследствие методических погреш-
ностей синусного механизма статическая характеристика
компенсатора нелинейная.
Рис. 7.81. Клиновой компенсатор
с одиночным клином в сходя-
щемся пучке
грань клина, для малых углов
Схема клинового компенса-
тора в сходящемся пучке лучей
представлена на рис. 7.81. Ком-
пенсация смещения Д построен-
ного объективом 1 изображения
в плоскости 3 обеспечивается
линейным смещением клина 2 на
расстояние х от начального поло-
жения.
Угол 5 отклонения луча, па-
дающего под углом Е! на входную
определяется зависимостью
Смещение изображения в фокальной плоскости, даваемое
клином, Д = хЗ/р". Однако смещение изображения при наличии
углового рассогласования Д = а/о'6/р" . Откуда
Если выставить входную грань клина нормально к оптиче-
ской оси, то Е] = а.
Таким образом, нелинейность статической характеристики
тем выше, чем больше измеряемый угол рассогласования. Прак-
тически устранить нелинейность статической характеристики
компенсатора можно, использовав не один клин, а два. При этом
клинья следует ориентировать в соответствии с рис. 7.82. Один
из клиньев должен быть неподвижным. Для этого случая
Д = хс(п - 1). При расчете компенсатора подбирают подходящее
сочетание величин х, о, п и стремятся к тому, чтобы преломля-
ющий угол о клина был допустимым в отношении хроматизма,
а х выбирают из конструктивных соображений обычно не более
/Об/2 . Как правило, о < 1°. Если хроматизм, вносимый клином,
окажется больше допустимого, то его ахроматизируют.
Уравнения ахроматизации имеют вид:

8vi_____. п 8у2
(n1-l)(v1-v2)’	2
328
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.82. Клиновой компенсаторе
двумя клиньями в сходящемся
пучке
Рис. 7.83. Афокальный линзо-
вый компенсатор в параллель-
ном пучке
где О] и о2 — преломляющие углы клиньев, образующих ахро-
матический клин; 5 — требуемый угол отклонения луча; Vj и
v2 — коэффициенты дисперсии для оптических материалов кли-
ньев с показателями преломления п, и п2 соответственно.
Из линзовых компенсаторов достаточно широко применяют-
ся афокальный линзовый компенсатор в параллельном пучке
(рис. 7.83) и телескопическая линза, перемещающаяся поперек
оптической оси в сходящихся пучках (рис. 7.84). Первый из на-
званных компенсаторов состоит из двух линз — положительной
1 (см. рис. 7.83) и отрицательной 2 — с равными по абсолютному
значению фокусными расстояниями | /л |. При совпадении опти-
ческих осей линз они эквивалентны по действию на пучки ППП.
При смещении одной линзы по отношению к другой на х пучок
параллельных лучей отклоняется на угол а = arctg (х/ /л ).
Такой компенсатор относится к числу наиболее точных, од-
нако требует высокой точности измерения перемещения х и вы-
полнения фокусного расстояния /л [6]. Последнее требование
особенно трудно удовлетворить, так как линзы компенсатора
длиннофокусные.
Если, например, а = 10', а х = 20 мм, то /л = 7 м. Относи-
тельная погрешность фокусного расстояния линзы Д/л//л =
= Да/а. Если Да = 0,3", то Д/л//л = 0,0005, что практически не-
возможно обеспечить. Поэтому для исключения влияния неточ-
ности фокусного расстояния подвижная линза такого компенса-
тора перемещается через механизм (обычно рычажный) с изме-
329
Проектирование оптико-электронных приборов
Афокальные линзовые компенсаторы в параллельных пуч-
ках нашли широкое применение в дальнометрии при измерении
параллактических углов. Схема компенсатора на основе теле-
скопической линзы 2, перемещающейся поперек оптической оси
объектива 1 в сходящемся пучке, представлена на рис. 7.84. Сме-
щение изображения в фокальной плоскости 3 определяется вы-
ражением [6]
* АГ
Д = х +
х3 (1—п)
2г3п3
Г
где х — поперечное смещение телескопической линзы; Г — угло-
вое увеличение телескопической линзы; ДГ = Г - 1; т\ = —---d
ДГп
— радиус первой поверхности телескопической линзы; d — тол-
щина телескопической линзы; t — расстояние от линзы до плос-
кости изображения. Если обозначить Г/ДГ = М, принять п = 1,5
и подставить в приведенную выше формулу для Д выражение
для гп то получим:
Д = —
М
2х3
d2M3’
тогда а =
Д
/об
1 Г х 2х3
Второй член правой части последнего выражения характе-
ризует отклонение от линейности статической характеристики и
может быть существенно уменьшен за счет увеличения толщины
телескопической линзы.
Исследования рабочей формулы компенсатора показывают,
что допуски на толщину линзы и радиусы оказываются весьма
жесткими. Например, для х = ±10 мм, Д = ±0,5 мм, М = 20 и
ДМ = 0,1% получаются Ad = ±0,02 мм; &г/г =0,2%. Расширение
допусков достигается юстировкой величины t.
7.6.	Узлы диспергирующих элементов
Наиболее распространенными диспергирующими эле-
ментами спектральных приборов являются спектральные при-
змы и дифракционные решетки [31].
Спектральные призмы изготовляют из оптических материа-
лов, прозрачных в рабочей области спектра и обладающих боль-
шой дисперсией, однородностью и изотропностью.
Основными параметрами спектральной призмы являются
(рис. 7.85):
330
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Рис. 7.85. Спектральная призма:
Вг и В2 — ширина соответственно пада
ющего на призму и выходящего из нее пун
ков; t — длина основания призмы; е0 —
угол падения пучка на призму
преломляющий угол призмы 6;
угол отклонения <р, минимальное значение которого
<pmin = 2 arcsin (n sin 6/2) - 6;
dtp 2sin(6/2) dn
угловая дисперсия призмы Dn = —— = ,	,
dX ^l-n2sin2(e/2) dX
где dn/dA — дисперсия материала призмы;
теоретическая разрешающая способность призмы R, =
= t dn/dA, где t — длина основания призмы.
Как следует из приведенных выражений, существенным
параметром является дисперсия вещества. Поэтому при выборе
материала для изготовления призм учитывают его прозрачность
для различных участков оптического спектра:
—	в ближней УФ-области чаще всего используют кристалличе-
ский и плавленый кварц SiO2, а в дальней УФ-области — кри-
сталлы LiF, CaF2 и др.;
—	в видимой и ближней ИК-области обычно применяют флин-
ты и тяжелые флинты, обладающие наибольшей дисперсией из
оптических стекол. Эти стекла прозрачны в диапазоне 0,36 ... 2
мкм;
-	в средней и дальней ИК-областях используют кристаллы,
получаемые искусственным путем: LiF, CaF2, BaF2, NaCl, KC1,
КВт, KPC-5, KPC-6. Эти материалы дороги и в большинстве сво-
ем гигроскопичны, поэтому при нерабочем состоянии приборов
их призмы, изготовленные из указанных материалов, должны
храниться в герметичной упаковке.
Размеры t спектральных призм для различных приборов со-
ставляют 1 ... 30 см. В среднем t = 4 ... 8 см. Наиболее часто
используются призмы с углом 0 = 60° или несколько отличным
от него. Для уменьшения размеров призм, особенно из дорогих
материалов, некоторые приборы строят по автокод лимационной
схеме. В этом случае угол 6 призмы уменьшают вдвое, а на ее
вторую грань наносят отражающее покрытие.
Для увеличения преломляющего угла, обеспечения оп-
ределенного угла между входящими и выходящими лучами,
увеличения угловой дисперсии применяют специальные призмы
331
Проектирование оптико-электронных приборов
и призменные системы: Резерфорда, Амичи, Корню, Аббе, Лит-
трова и др. [31].
Спектральные призмы обычно закрепляют с использовани-
ем стоек и накладок (см. рис. 7.32), но возможны и другие спо-
собы. При этом конструкция оправы должна обеспечивать пово-
рот призмы в плоскости измерений. Кроме того, при работе в
широкой области спектра обычно применяют несколько призм,
которые меняют в зависимости от рабочего участка спектра. К
такому прибору придается набор призм из различных оптичес-
ких материалов, каждая из которых закрепляется в своей опра-
ве. При необходимости выполнения измерений в определенном
спектральном диапазоне оправа с соответствующей призмой
устанавливается на посадочное место прибора, что обеспечивает
быстроту и удобство перенастройки последнего. Если замена
призм затруднительна или даже невозможна (например, в при-
борах для космических исследований), спектральные приборы
выполняются многоканальными. Причем каналы могут быть как
полностью независимыми, так и совмещенными, в которых не-
посредственно перед спектральными призмами происходит раз-
деление пучков путем селективного отражения и пропускания
на светоделительных зеркалах.
Указанный недостаток приборов со спектральными призма-
ми отсутствует в приборах с дифракционными решетками, кото-
рые получили особенно широкое распространение в УФ- и ИК-
областях спектра. Из существующих в настоящее время прозрач-
ных и отражательных, плоских и вогнутых дифракционных ре-
шеток наибольшее распространение получили ступенчатые
отражательные плоские решетки — эшелетты, представляющие
собой последовательность параллельных с треугольным профи-
лем зеркальных штрихов равного шага (рис. 7.86). При падении
на такую решетку параллельного пучка лучей на каждой зер-
кальной полоске имеет место дифракция, как на узкой щели.
Вследствие интерференции лучей, дифрагирующих на различ-
Рис. 7.86. Отражательная ди-
фракционная решетка:
d — постоянная эшелетта; N —
нормаль к общей поверхности эше-
летта; N' — нормаль к зеркальной
грани штриха; 8 — угол блеска;
а — угол падения лучей на эше-
летт; р — угол дифракции эшелет-
та; <р — угол падения лучей иа зер-
кальную грань штриха: xg — угол
дифракции от зеркальной грани
штриха
332
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
вых штрихах, а также вследствие того, что угол дифракции за-
висит от длины волны, отражательная решетка вызывает
пространственное разделение лучей с различными длинами волн,
т.е. дает спектр, представляющий собой комбинацию спектраль-
ных максимумов. Подробно принципы формирования спектров
у решеток с различной геометрией изложены в [31].
Приведем только наиболее важные соотношения. Основное
уравнение отражающей дифракционной решетки — условие мак-
симумов — имеет вид тк = d (sin р — sin а), где т — целое чис-
ло; к — длина волны; d — период решетки; а — угол падения
луча (угол между направлением падающего луча и нормалью N
к решетке); р — угол дифракции (угол между направлением диф-
рагированного луча и нормалью к решетке).
Угловая дисперсия Вр = dp/da = mA’j/cos р = (sin а + sin Р)/
/(к cos Р) , где т — порядок спектра; = l/d — число штрихов
на 1 мм. Теоретическая разрешающая способность решетки за-
висит от общего числа штрихов N и определяется как
RT = mLN^ = L (sin a + sin P)/A., где L — длина нарезанной части
решетки. Одним из важных параметров профилированной решет-
ки является угол блеска 3 = (а + Р)/2.
Как следует из приведенных выражений, высокую разреша-
ющую способность прибора с профилированной отражающей
решеткой можно получить либо путем использования решеток с
малым углом блеска (8 <40°) и большим числом (работа в
низких порядках спектра), либо применяя решетки с большим
углом блеска (3 = 60 ... 70°) и малым числом = 10 ... 100 на
1 мм (работа в высоких порядках спектра).
Дифракционные решетки изготовляют на специальных дели-
тельных машинах путем гравирования слоя металла (обычно
алюминия), нанесенного на стеклянную подложку (чаще всего
из стекла ЛК7).
Помимо плоских решеток применяются вогнутые (сферичес-
кие и тороидальные), использование которых позволяет упрос-
тить оптическую схему спектрального прибора. Однако техно-
логия их изготовления сложна, и поэтому их применяют редко.
Основные параметры и размеры выпускаемых промышлен-
ностью дифракционных решеток можно найти в справочной ли-
тературе [32]. При разработке узлов крепления дифракционных
решеток необходимо иметь в виду, что они весьма чувствитель-
ны к деформациям и требуют более высокой точности установки,
чем зеркала. В связи с этим сама дифракционная решетка долж-
на выполняться на подложке, толщину которой d выбирают из
соотношения d>(l/5 ... 1/8) 1тт, где Zmax —максимальный раз-
мер поверхности решетки.
333
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 7.87. Крепление дифракционной решетки
Закрепление самой решетки в оправе
должно исключать ее деформацию и обыч-
но выполняется путем фиксации ее на три
опорные поверхности малой площади, рас-
положенные под углом 120° (или близким
к нему) относительно центральной зоны ре-
шетки. В стационарных приборах узлы
крепления решеток снабжают высокоточ-
ными устройствами юстировки их про-
странственного положения (рис. 7.87). В
приборах с малыми размерами (например,
для космических исследований) юстировка
положения решеток выполняется путем
подгонки опорных поверхностей пришли-
фовкой или шабрением. Менее ответствен-
ные решетки можно крепить в оправах уп-
рощенных конструкций, аналогичных оп-
равам зеркал (см. рис. 7.41).
7.7.	Сканирующие устройства оптико-электронных
приборов
Сканирующие устройства (сканаторы) можно разделить
на две большие группы: оптико-механические и электромехани-
ческие, в которых один из элементов оптической системы совер-
шает вращательное, колебательное или более сложное движение,
и сканаторы без движущихся элементов. К первой группе мож-
но отнести:
-	вращающиеся многогранные призмы, пирамиды, пластин-
ки, клинья, зеркала и другие оптические элементы:
-	вибрационные сканаторы;
-	торсионные, пьезоэлектрические и гальванометрические
устройства. Ко второй группе относятся:
-	передающие телевизионные трубки;
—	электрооптические отклоняющие устройства (дефлекторы);
—	акустооптические дефлекторы и ряд других.
В многочисленной литературе [12, 40 и мн.др.] содержится
достаточно подробная классификация сканирующих систем, рас-
сматриваются общие принципы их построения, приводятся ре-
комендации по выбору и расчету их параметров для решения
ряда конкретных практических задач. Вкратце рассмотрим осо-
334
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
бенности наиболее распространенных на практике сканирующих
устройств.
Вращающиеся многогранные призменные или пирамидаль-
ные зеркала используются во многих сканирующих системах.
Им свойственны такие достоинства, как широкий спектраль-
ный рабочий диапазон, высокое пространственное разрешение,
малые потери мощности излучения (потока) за счет малого по-
глощения в оптических деталях, малые искажения структуры
сканирующего пучка лучей, практически постоянная угловая
скорость сканирования.
Вращающимся отклоняющим элементом (сканатором) не
обязательно должно быть зеркало: им может быть, например,
преломляющая пластинка, призма или дифракционная решет-
ка, а также вращающаяся голограмма, эквивалентная призмен-
ному или пирамидальному зеркальному сканатору.
Комбинируя систему вращающихся зеркал (призм, пирамид),
можно заметно увеличить линейный диапазон сканирования,
обеспечить различные траектории сканирования, увеличить
к.п.д. сканирования [38].
Недостатками устройств подобного рода являются: доста-
точно жесткие допуски на изготовление, юстировку, балансиров-
ку; высокие требования к приводу сканатора; малые сроки рабо-
тоспособности высокоскоростных подшипников, обычно исполь-
зуемых в приводах таких устройств; невысокий к.п.д. сканиро-
вания, т.е. слишком большое время между отдельными прос-
мотрами сканируемого пространства; большие динамические
нагрузки и напряжения, возникающие во вращающихся с боль-
шой скоростью элементах конструкции; вибрации и звуковые
эффекты, возникающие в высокоскоростных вращающихся кон-
струкциях, а также возникновение нежелательного гиро-
скопического эффекта. Часто габариты и масса таких оптико-
механических сканаторов чрезмерно велики, а возможности из-
менения параметров сканирования (траектории, закона и часто-
ты сканирования) в процессе работы системы затруднены.
Вибрационные сканаторы часто строятся на базе гальвано-
метрических конструкций. В них достигаются частоты скани-
рования в несколько сотен и даже тысяч герц и разрешение бо-
лее чем 1000 строк. Потребляемая мощность, габариты и масса
таких сканаторов, как и пьезоэлектрических, торсионных, виб-
рационных с пружинным или магнитным приводом, малы.
Сравнительно невелика их стоимость. Их основными недостат-
ками являются: невысокое быстродействие, сравнительно не-
большие диапазоны сканирования, малые размеры (апертуры)
335
Проектирование оптико-электронных приборов
сканирующих элементов, необходимость иметь привод с обрат-
ной связью, если требуется высокая точность задания амплиту-
ды и частоты сканирования.
Часто для осуществления двумерной траектории сканирова-
ния (двумерной развертки) используется комбинация из двух
сканаторов, каждый из которых осуществляет сканирование по
одной из осей координат, например, сочетание вращающейся
многогранной призмы и гальванометрического сканатора. При
этом необходимо согласовать амплитуды, частоты и фазы двух
одномерных сканирующих движений (вращения, колебания).
В силу того, что такие специфические элементы оптико-
электронных приборов и систем, как передающие телевизион-
ные трубки, изучаются достаточно подробно в специальных
учебных курсах, в настоящем учебнике они не рассматривают-
ся.
Приведем некоторые данные о сканаторах без подвижных
элементов, в которых используется ряд электрооптических эф-
фектов (Керра, Поккельса, Коттон-Мутона и др.). При этом обыч-
но изменяются показатель преломления вещества, из которого
изготовлен сканатор, и фазовая структура проходящего через
него пучка [12, 40].
Сравнительно с другими типами сканирующих устройств
разрешение простых электрооптических сканаторов (дефлекто-
ров) невелико (число разрешаемых элементов N = 100 — 500), а
требования к питанию усложнены.
При увеличении числа электрооптических элементов, состав-
ляющих дефлектор, до 10-ти удается повысить разрешение до N
= 210 = 1024, однако конструкция таких сканаторов сравнитель-
но сложна. При потребляемой мощности в 400 Вт удается осу-
ществить до 5105 переключений в секунду.
Акустооптические сканаторы (дефлекторы) довольно широ-
ко используются для управления пространственным положени-
ем лазерных пучков. Их работа основана на модуляции колеба-
нием звуковой частоты /3 показателя преломления материала,
из которого изготовлен дефлектор, и, как следствие, на возник-
новении в материале дифракционной картины (решетки). При
прохождении через эту решетку монохроматического излуче-
ния с длиной волны А происходит отклонение лучей на угол
Брэгга а ~ ~k/f3. Если звуковая частота меняется в диапазоне Д/3,
то угол дифракции изменяется в диапазоне
Да = 2—• ДД,
где v3 — скорость звука.
336
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
Разрешение таких сканаторов, определяемое как
N_
2^3 ’
может приближаться к 1000. При достигаемых сегодня частотах
управления порядка 100 МГц и N = 1000 минимальное время
переключения акустооптического дефлектора составляет около
10 мкс. Девиация звуковой частоты ДД при этом должна состав-
лять около 30 МГц.
Анализ параметров и технико-экономических характерис-
тик известных на сегодня конструкций сканирующих устройств
показывает, что в сложных условиях эксплуатации, свойствен-
ных, например, системам дистанционного зондирования, уст-
ройствам навигации и ориентации летательных аппаратов, сис-
темам технического зрения промышленных роботов и др.,
предпочтение отдается оптико-механическим и электромехани-
ческим сканаторам. Поэтому рассмотрим вкратце методику ин-
женерного расчета основных параметров этих устройств.
К числу таких параметров устройств со сканирующими оп-
тическими элементами в виде вращающихся зеркал или призм
относятся следующие:
1.	геометрические, а именно:
—	число отражающих граней сканатора,
-	расстояние от отражающей грани (края отражающей гра-
ни) до центра вращения сканатора,
-	ширина и высота отражающей грани (форма и размеры),
-	угол между отражающими гранями,
-	размер (диаметр) оси вращения или посадочного узла (втул-
ки, отверстия) сканатора,
-	наклон отражающих граней по отношению к оси враще-
ния;
2.	оптические, а именно:
-	плоскостность (допуск на плоскость) отражающих граней
(в полосах для рабочей длины волны),
-	коэффициент отражения граней (для рабочего спектраль-
ного диапазона),
-	качество обработки (чистота отражающей грани);
3.	конструктивные, а именно:
-	материал подложки отражающих поверхностей (корпуса)
сканатора,
-	скорость вращения,
-	рабочая температура (и/или диапазон рабочих температур).
337
Проектирование оптико-электронных приборов
В общем случае число отражающих граней m сканатора оп-
ределяет угловой размер сканируемого пространства (угол ска-
нирования) QMaKC как
т = 2л/Окс.
Обозначая число разрешаемых градаций N внутри угла QMaKC
как отношение QMaKC к минимальному разрешаемому углу
т.е. N = Q„hkc/Qm„h> и принимая (на первом этапе расчета), что
минимальное разрешение определяется дифракцией, т.е. Q„„H =
= "k/D, где D — диаметр пучка лучей, падающего на сканирую-
щий элемент, получим для излучения с длиной волны
7V=n2D/(2mX).
Если в качестве сканирующего элемента используется вра-
щающаяся многогранная призма, а радиус сечения цилиндра, в
которое вписывается сечение этой призмы, равен R, то масса
призмы приблизительно равна
М = 2pnRh,
где р — плотность материала, из которого изготовлена призма,
h — высота призмы в осевом направлении.
Динамические ограничения, налагаемые на конструкцию
сканатора, могут быть описаны через полосу пропускания час-
тот или импульсную реакцию. Крутящий момент Мк, требуемый
для обеспечения заданного углового ускорения dQ2/dt2, опреде-
ляется для момента инерции I как
MK=l(dQ2/dt2).
Динамическая энергия сканатора равна
VT=(V2)l-(dQ/df)z,
а максимум механической энергии, необходимой для обеспече-
ния поворота на угол Q, определяется как
W = (l/2) MKQ.
Из этих простых соотношений легко определить время, необ-
ходимое для поворота сканирующего элемента на угол Q:
t = 2/lQ)/MK.
Момент инерции простейшего сканирующего элемента —
плоского круглого зеркала диаметром D и толщиной h при плот-
ности материала зеркала р равен
j._ h-D^np
~ 48 ‘
338
Глава 7. Особенности конструирования оптических и оптико-механических узлов ОЭП
При синусоидальном возвратно-колебательном сканировании
такого зеркала его деформация 5 может достичь величины
к 0,06 D -Мк
8 =------z—Ч
Eh3
где Е — модуль Юнга для материала зеркала. Для сканатора —
многогранной призмы
1 = 1Д2т-Д2).
При схеме сканатора с двойным прохождением пучком лу-
чей на одну и ту же грань-зеркало при использовании призмы с
т гранями создаются 2т строк сканирования. Поэтому для за-
данной частоты сканирования строки f угловая скорость призмы
должна быть равной
<о = 2nf/m,
а кинетическая энергия вращения призмы равна
WK = Io)2/2.
Если вращающаяся призма испытывает осевую прецессию с
угловой скоростью Q, возникает гироскопический момент, опре-
деляемый как
Мг =1аО..
Иногда для оценки механических напряжений, возникаю-
щих при вращении призмы, полезно знать линейную скорость ол
точек, находящихся на периферии призмы, которая равна
ил = юЛ. Призмы из кварца или стали выдерживают скорость ол
в несколько сотен м/с.
Очевидно, что при небольшом числе граней призмы умень-
шаются механические перегрузки и гироскопический момент,
меньше требования к балансировке конструкции и т.д.
Как следует из приведенных выше формул, по мере роста
частоты сканирования уменьшаются предельно достигаемые
углы сканирования (прокачки) зеркала. Размеры зеркал также
должны быть уменьшены при увеличении частоты. Это свой-
ственно не только сканаторам с произвольно устанавливаемой
или изменяемой частотой сканирования, но и сканаторам с
фиксированной частотой (торсионным, вибрационным). Для пос-
ледних потребляемая их приводом мощность растет по мере от-
клонения частоты от собственной резонансной частоты сканиру-
ющего элемента.
339
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 8. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА И ВЫБОРА
ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
8.1.	Предварительный выбор приемника излучения и
его согласование с оптической системой и
электронным трактом
Основой для выбора важнейших параметров и характери-
стик приемника излучения, а следовательно и типа приемника,
может явиться энергетический расчет ОЭП (см. § 6.1.3). Анализ
основного энергетического уравнения, описывающего алгоритм
работы конкретного прибора и представленного в виде функции
параметров источника излучения, передающей оптической сис-
темы, среды распространения потока, приемной оптико-элект-
ронной системы (см. например формулы (6.5) и (6.6), позволяет
выбрать спектральный диапазон работы приемника излучения,
его обнаружительную способность, чувствительность, площадь
чувствительного слоя, требования к постоянной времени.
В то же время при разработке ОЭП необходимо учитывать не
только эти параметры, но и ряд других технико-экономических
требований, специфичных для приборов, в составе которых дол-
жен работать приемник. Например, для пеленгаторов, локато-
ров, звездных датчиков следует выбирать те приемники излуче-
ния, которые обеспечивают наиболее высокую обнаружительную
способность и достаточное быстродействие, имеют малые разме-
ры и массу, а часто и хорошую устойчивость к изменяющимся
внешним условиям. Для высокоточных лабораторных ОЭП це-
лесообразно выбирать высокостабильные приемники излучения,
имеющие высокую чувствительность и линейность энергетичес-
кой характеристики; для переносных ОЭП — малогабаритные
340
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
высокочувствительные приемники излучения с низким напря-
жением питания или без него и т.п.
Одновременно со спецификой различных ОЭП необходимо
учитывать особенности отдельных классов и типов приемника.
Так, если ОЭП предназначен для работы в видимой области спек-
тра, можно использовать фотоэлементы, ФЭУ, а также фоторе-
зисторы на основе CdS и CdSe. ФЭУ целесообразно применять в
быстродействующей и импульсной аппаратуре лишь при малых
потоках излучения и в отсутствие фонового излучения, так как
при засветках у ФЭУ сильно ухудшается эквивалент шума тем-
нового тока. Кроме того, ФЭУ имеют сравнительно большие га-
баритные размеры, требуют применения стабилизированного вы-
соковольтного источника питания и весьма чувствительны к
воздействию электромагнитных и других внешних полей, а так-
же к вибрации.
В малогабаритной быстродействующей аппаратуре иногда
целесообразно использование высокочастотных фотодиодов, сре-
ди которых наибольшее распространение нашли Р—I—N-фото-
диоды и особенно лавинные фотодиоды, имеющие малую посто-
янную времени т = 10~8 с, а иногда и менее. Кроме того, лавин-
ные фотодиоды обладают внутренним усилением фототока, т.е.,
по существу, они являются полупроводниковыми аналогами ФЭУ
с потенциально более высоким отношением сигнал/шум ц. Но на
практике это их преимущество не всегда удается реализовать
вследствие значительной зависимости коэффициента усиления
лавинных фотодиодов от нестабильности температуры и напря-
жения питания. Для реализации усилительных свойств лавин-
ных фотодиодов применяют различные способы их термостаби-
лизации и стабилизации источника питания [2].
Достаточно широко в качестве приемников излучения в ОЭП
используются передающие телевизионные трубки — диссектор,
суперортикон, ортикон и др. Наряду с преобразованием потока
излучения в электрический сигнал одновременно они выполня-
ют функции анализатора изображения. Эти трубки имеют весь-
ма высокую обнаружительную способность и чувствительность,
низкую постоянную времени, но сложны по конструкции. Отме-
тим, что трубки с накоплением заряда, например суперортико-
ны, обладают более высокой обнаружительной способностью, чем
ФЭУ и диссекторы, но имеют более высокую постоянную време-
ни. В быстродействующей аппаратуре наибольшее распростра-
нение получили диссекторы, которые по многим параметрам и
характеристикам аналогичны ФЭУ.
Широко применяют в ОЭП также твердотельные аналоги
телевизионных передающих трубок — приборы с зарядовой свя-
341
Проектирование оптико-электронных приборов
зью (ПЗС) и приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ). По сравне-
нию с телевизионными передающими трубками ПЗС и ПЗИ име-
ют меньшие габаритные размеры и массу и требуют меньшего
напряжения питания.
Всё большее распространение получают многоэлементные
фотодиодные, фоторезисторные и некоторые другие линейки и
матрицы с полной электрической развязкой отдельных чувстви-
тельных элементов, которые в отличие от ПЗС позволяют осуще-
ствить произвольную координатную выборку сигналов с отдель-
ных элементов. Пока они уступают ПЗС по числу элементов и
пространственному разрешению, по диапазону амплитуд прини-
маемых сигналов, по габаритам отдельных элементов и всего
приемника, однако их достоинства (произвольная выборка, бо-
лее широкий спектральный диапазон и др.) и успехи технологии
их изготовления делают эти приемники весьма перспективными
для многих ОЭП.
Для работы в инфракрасном диапазоне разработаны гибрид-
ные мозаичные приемники, в которых фоточувствительный слой
состоит из отдельных фотодиодов или фоторезисторов, соединен-
ных с ПЗС-ячейками, с помощью которых осуществляется счи-
тывание сигналов.
Разрабатываются многоцветные многоэлементные приемни-
ки, работающие в нескольких спектральных диапазонах.
Параметры ряда современных матричных приемников излу-
чения приведены в таблице 8.1.
Выбор типа многоэлементного приемника излучения (МПИ)
определяется обычно такими его параметрами как:
—	размеры чувствительного слоя одного элемента, от кото-
рых во многом зависит пространственная разрешающая способ-
ность МПИ и всего прибора;
—	общее число элементов, определяющее общую площадь
чувствительного слоя приемника, а следовательно, размеры мгно-
венного углового поля ОЭП;
-	чувствительность, зависящая как от материала, из которо-
го изготовлен приемник, так и от размеров чувствительного слоя
элемента;
—	однородность параметров отдельных элементов и, прежде
всего, их чувствительности;
—	уровень шумов, определяемый не только составляющими
шума, присущими одноэлементным приемникам, но и рядом
специфичных составляющих («геометрический» шум, перекрес-
тные связи и некоторые другие).
Все эти параметры тесно связаны между собой, а также с
параметрами оптической системы и электронного тракта.
342
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
Таблица 8.1 Типичные значения параметров современных матричных приемников излучения	Рабочая температура, К	260 ... 300	260 ... 300	55 ... 80	60 ... 120	О 00 о	55 ... 80	О 00 о	09 •" 0S	300	260 ... 300	55 ... 80
	Неоднород- ность чувст- вительности отдельных элементов, %		гН	’’Т		см	0,25	20	г—<	20	1	1
	Уровень темнового (фонового шума, Элект- ро н/элемент)	1—ч	т—(	80 ... 500	100 ... 1000	80 ... 500	20 ... 100	300 ... 3000	20 ... 100	000 OS	ю см	80 ... 500
	Размеры элемента, мкм	10 ... 30	0S •" 01	40 ... 60	40 ... 60	20 ... 60	20 ... 40	40 ... 60	20 ... 40	OS	0S •" 01	40 ... 60
	Число элементов	400x400	480 х 640 2000х 2000	256х 256	256 х 256	512х 512	488 х 640	256х 256	400x400	245x 328 240x 336	2048х 2048 512x512	65000 ... 327000
	Тип фото- матрицы	ПЗС	ПЗС	гибридная	гибридная	гибридная 	ПЗС	гибридная	ПЗС	монолитная гибридная	КМОП	КМОП
	Материал	й	й	InSb	HgCdTe	PtSi	PtSi	£ к	IrSi, GeSi	болометры	й	JnSb
	Спектральный диапазон	УФ	видимый	средневолно- вый ИК (3 ... 5 мкм)				длинновол- новый И (8 ... 12 мкм)			видимый	3 . ..5 мкм
343
Проектирование оптико-электронных приборов
Например, чем меньше размеры чувствительного слоя одно-
го элемента, тем меньше детали изображения могут разрешать-
ся приемником. Однако, уменьшение размеров элемента, т.е.
площади его чувствительного слоя, снижает чувствительность
элемента, поскольку выходной сигнал растет (при небольших
освещенностях линейно) с увеличением площади чувствитель-
ного слоя. При заданном угловом поле, просматриваемом МПИ,
и постоянном относительном отверстии объектива ОЭП, выбран-
ном например, на основе энергетических или точностных расче-
тов (см.гл.6), т.е. при постоянной величине площади всего чув-
ствительного слоя МПИ, уменьшение размеров элементов МПИ
ведет к увеличению их числа, что далеко не всегда приемлемо с
точки зрения ряда технологических и технико-экономических
факторов (усложнение технологии изготовления МПИ, ухудше-
ние однородности параметров и характеристик отдельных эле-
ментов, резкое удорожание МПИ и др.).
С другой стороны увеличение числа элементов МПИ с сохра-
нением их размеров при этом требует увеличения фокусного
расстояния объектива для сохранения углового разрешения в
пространстве объектов. При постоянстве диаметра входного зрач-
ка объектива это приводит к уменьшению относительного отвер-
стия и, следовательно, к ухудшению светосилы ОЭП, т.е. к умень-
шению его чувствительности.
Кроме того, при проектировании ОЭП, предназначенных для
построения изображений, например в тепловизионных системах,
следует учитывать эффект наложения (возникновение побочных
изображений), возникающий при пространственной выборке
изображения МПИ с периодом расположения отдельных элемен-
тов Т3, если максимальная пространственная частота в спектре
изображения превышает так называемую частоту Найквиста
f = 0,5/Тэ (половину частоты выборки).
Согласование параметров и характеристик приемника излу-
чения и оптической системы в общем случае начинается с выбо-
ра рабочего спектрального диапазона, т.е. с оценки рациональ-
ности соответствия спектральных характеристик пропускания
оптической системы и чувствительности приемника друг другу,
а также спектрам излучения наблюдаемого или обнаруживаемо-
го источника и пропускания среды на трассе распространения
оптического сигнала от источника к ОЭП. Как уже отмечалось,
степень такого соответствия определяется энергетическим рас-
четом всей системы.
Далее обычно проводится оценка соответствия или выбор
рациональных геометро-оптических параметров оптической си-
стемы и приемника. Их взаимосвязь следует из хорошо извест-
344
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
ного в прикладной оптике инварианта Лагранжа-Гельмгольца,
действительного для двух любых сечений световой трубки [10,
38] :
nl sin о = п'Г sinu',
где пип' — показатели преломления среды в пространстве пред-
метов и изображений; I и Г — поперечные размеры предмета и
его изображения; о и о' — передний и задний апертурные углы
оптической системы.
Отсюда, например, можно установить связь между диамет-
ром входного зрачка объектива ОЭП (Л = /), его угловым полем
(2со = 2g), размером чувствительной площадки приемника I' и
предельным углом падения о' лучей на эту площадку.
Типовые цепи включения приемников излучения в электри-
ческую схему показаны на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Типовые схемы включения приемников излучения:
а — приемник-генератор ЭДС (термоэлемент, фотодиод, работающий в гальва-
ническом режиме); б — приемник-генератор тока (ФЭУ, фотоэлемент и т.п.);
в — приемник-генератор изменения сопротивления (фоторезистор, болометр)
Конденсаторы, показанные штриховыми линиями, представ-
ляют собой собственную емкость приемника излучения и емкость
монтажа цепи его включения.
Электрический сигнал ис, вырабатываемый в цепи включе-
ния приемника излучения, как правило, мал и не пригоден для
непосредственного использования в исполнительных устрой-
ствах, блоках индикации и регистрации. Его необходимо усили-
вать и согласовывать с последующим электронным трактом. Эти
функции выполняют цепь связи и усилитель. В цепь связи часто
включают предварительный усилитель.
Согласование необходимо вследствие того, что внутреннее
сопротивление многих приемников излучения может быть или
очень низким (единицы и десятки ом), или достаточно высоким
(от сотен килоом до сотен мегаом) по сравнению с входным сопро-
тивлением усилителей, в том числе построенных на интеграль-
ных микросхемах (ИМС), а собственная емкость приемников
345
Проектирование оптико-электронных приборов
излучения изменяется от единиц до нескольких сотен пикофа-
рад, что тоже накладывает определенные ограничения на выбор
параметров согласующих цепей. Кроме того, для предотвраще-
ния потерь полезной информации от излучателя среднее квадра-
тическое значение напряжения шумов электронного тракта, при-
веденное к его входу и ш э вх, должно быть в несколько раз мень-
ше среднего квадратического значения напряжения шумов при-
емника излучения.
В качестве согласующих каскадов (или цепей связи) в ОЭП
часто используют катодный, эмиттерный или истоковый повтори-
тель для высокоомных приемников излучения (рис. 8.2, а, б, в),
трансформаторную цепь (рис. 8.2, г) для низкоомных приемни-
ков и КС-цепь (рис. 8.2, д), если входное сопротивление пред-
варительного усилителя Квх и собственное сопротивление прием-
ника примерно одинаковы.
Рис. 8.2. Согласующие каскады фотоприемных устройств:
а — катодный повторитель; б — эмиттерный повторитель; в — истоковый повто-
ритель; г — трансформаторная цепь; д — КС-цепь
Для согласования низкоомных приемников излучения при-
меняются также малошумящие транзисторы, включенные по
схеме с общей базой, или несколько транзисторов, параллельно
включенных по схеме с общим эмиттером, а для ряда приемни-
ков — операционные усилители, которые могут иметь как боль-
шие, так и малые входные сопротивления.
Приемник излучения с цепью его включения и согласующим
каскадом называют фотоприемным устройством (ФПУ). Однако
в связи с тем, что в различных ОЭП все более широкое примене-
ние находят многоэлементные приемники излучения, выполня-
346
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
ющие одновременно функции преобразования потока излучения
в электрический сигнал и анализа изображения (что позволяет
получить выигрыш в чувствительности ОЭП), под ФПУ следует
понимать узлы, включающие собственно приемник излучения и
элементы, реализующие определенные преобразования сигнала,
например, селекцию оптического сигнала с помощью многоцвет-
ных фильтров, предварительное усиление электрического сигна-
ла ивх, электрическое согласование приемника излучения со вхо-
дом электронного тракта, а также в ряде случаев простейшую
предварительную обработку сигнала, например, фильтрацию, за-
поминание его и т.п. Кроме того, в ФПУ могут быть также вклю-
чены узлы, осуществляющие охлаждение или термостабилиза-
цию приемника излучения, стабилизацию его рабочей точки по
напряжению питания (для ФПУ на основе лавинных фотодио-
дов), автоматическую регулировку питания и внутреннюю ком-
мутацию электрического сигнала (для многоэлементных прием-
ников излучения в виде ПЗС).
Энергетические показатели работы ФПУ определяются требо-
ваниями по мощности рассеяния и предельной температуре. Сле-
дует учитывать, что при повышении температуры снижаются
предельно допустимые напряжения и мощности, ухудшаются
также электрические характеристики, возможно появление ме-
ханических дефектов, трещин в кристаллах, обрывов соедини-
тельных проводников и металлизаций, нарушений герметично-
сти. К таким же последствиям могут привести резкие изменения
температуры.
Рассмотрим некоторые используемые на практике ФПУ на
базе различных приемников излучения.
8.2.	Фотоприемные устройства
на фоторезисторах
Электрическую схему предусилителя ФПУ (или усилителя
ОЭП) необходимо разрабатывать с учетом большого числа специ-
фических требований, основными из которых для многих ОЭП
являются следующие:
—	электрическая схема предусилителя или усилителя долж-
на быть предельно простой;
—	предусилитель или усилитель должен нормально функцио-
нировать при значительном разбросе (до 20 ... 30%) параметров
347
Проектирование оптико-электронных приборов
входящих в него элементов в диапазоне температур -60 ...
+125°С;
-	уровень собственных шумов, приведенных ко входу
предусилителя, должен быть в 3 ... 10 раз ниже уровня шумов
приемника, а выходное сопротивление должно быть не более
50 ... 150 Ом [2];
-	динамический диапазон ФПУ по напряжению без учета
действия АРУ должен быть не менее 60 дБ для импульсных сиг-
налов и не менее 40 дБ для гармонических сигналов, чтобы обес-
печить требуемое число градаций передаваемого сигнала.
Кроме того, операционные усилители, применяемые в ФПУ,
должны иметь минимальный дрейф нуля, а усилители считыва-
ния, применяемые, например, в кодовых преобразователях, дол-
жны иметь узкую область переброса и минимальную зону гисте-
резиса.
Обобщенная структурная схема ФПУ на основе фоторезисто-
ра с усилителем показана на рис. 8.3. Сопротивление нагрузки
Ян часто выбирают равным темновому сопротивлению Rr фоторе-
зистора, что целесообразно с точки зрения обеспечения макси-
мальной чувствительности ФПУ. В некоторых случаях сопротив-
ление RH подбирают экспериментально, исходя из условия мак-
симизации отношения сигнал/шум.
Рис. 8.3. Обобщенная структур-
ная схема ФПУ на основе фото-
резистора:
1 — согласующий каскад; 2 — уси-
литель; 3 — выходной каскад;
4 — блок автоматической регули-
ровки усиления; 5 — фильтр
Разделительный конденсатор Ср обычно используется в ФПУ,
предназначенных для приема гармонических или импульсных
сигналов. В качестве разделительного элемента может служить
и микроминиатюрный трансформатор.
Согласующий каскад 1 (или предусилитель) обеспечивает
оптимальное согласование фоторезистора с усилителем и увели-
чение амплитуды фотосигнала до значения, достаточного для
последующей обработки. При выборе принципиальной схемы
согласующего каскада необходимо, чтобы его коэффициент шума
F был минимальным. Это требование вытекает из условия дости-
жения максимальной обнаружительной способности приемника
излучения, что возможно при F—> 0. Удовлетворить это требова-
ние сравнительно несложно, поскольку при современной техно-
логии изготовления приемников излучения и электронных эле-
348
Глава 8 Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
ментов последние имеют меньшие шумы и, кроме того, в элект-
ронном тракте легче осуществить противошумовую коррекцию.
По значениям темнового сопротивления RT и среднего квад-
ратического напряжения шумов фоторезисторов ишфД/, приведен-
ного к единичной полосе частот Д/, согласующие каскады ФПУ
можно разделить на три группы:
для низкоомных фоторезисторов (например, на основе герма-
ния, легированного медью — Ge : Си, и тройных соединений
HgCdTe) с RT = 20 ... 1000 Ом и ишфд, = 0,5 ... 10 нВ-Гц 1/2;
для охлаждаемых фоторезисторов (например, на основе ан-
тимонида и арсенида индия) с RT = 1,0 ... 10 кОм и ншфД/ = 10 ...
... 50 нВ-Гц-1/г;
для высокоомных фоторезисторов (например, на основе халько-
генидов свинца) с RT = 1 ... 10 МОм и ншфД/ = 50 ... 1000 нВГц“1/2.
Согласующие каскады для низкоомных фоторезисторов
выполняют с использованием малошумящих транзисторов, вклю-
ченных по схеме с общей базой (ОБ) и работающих в режиме
микротоков (ток эмиттера 1Э < 0,5 мА). Ряд типовых схем ФПУ
на основе фоторезисторов описан в [2].
Можно использовать параллельные включения нескольких
транзисторов по схеме с общим эмиттером (ОЭ). При этом сред-
нее квадратическое значение тока сигнала в нагрузке каскада
увеличивается в п раз, где п — число параллельно включенных
транзисторов, а среднее квадратическое значение шумов увеличи-
вается только в -4п раз, так как шумы отдельных транзисторов
не коррелированы между собой. Вследствие этого отношение
сигнал/шум такого каскада увеличивается в п раз по мощности
по сравнению с отношением сигнал/шум каскада с одним
транзистором.
Иногда применяются согласующие каскады со специально
разработанными микроминиатюрными трансформаторами,
позволяющими реализовать ФПУ с малыми шумами при неболь-
ших темновых сопротивлениях фоторезистора.
Согласующие каскады для охлаждаемых фоторезисторов с
темновым сопротивлением Вт = 1 ... 10 кОм строят на транзисто-
рах, включенных по схеме с ОЭ. Причем для фоторезисторов с
темновым сопротивлением около 1 кОм применяют германиевые
транзисторы, а для фоторезисторов с темновым сопротивлением,
близким к 10 кОм, — кремниевые.
Предусилители для высокоомных фоторезисторов выполня-
ют на полевых транзисторах. Для фоторезисторов с темновым
сопротивлением до 1 МОм полевые транзисторы включают по
схеме с общим истоком (ОИ), а при RT> 1 МОм используют эмит-
терные или истоковые повторители.
349
Проектирование оптико-электронных приборов
В целях снижения уровня шумов ФПУ можно применять
охлаждение как самого фоторезистора и нагрузки, так и осталь-
ных элементов ФПУ до температуры Т = 6 ... 100 К. В этом слу-
чае ФПУ строят на основе полевых транзисторов.
Пороговый поток транзисторных ФПУ с фоторезисторами
можно определить по формуле
Фпфпу = ^ + 4feT7?HA/(F-l)/S2,	(8.1)
где Фп — пороговый поток фоторезистора; k — постоянная Боль-
цмана; Т — температура ФПУ; А/ — эффективная (шумовая) по-
лоса пропускания; F — коэффициент шума транзисторного пред-
усилителя; su — вольтовая чувствительность фоторезистора,
— сопротивление нагрузки.
В (8.1) безразмерный коэффициент шума транзисторного
предусилителя примерно равен коэффициенту шума транзисто-
ра, который обычно в справочниках приводят в децибелах (fBF1).
Значение безразмерного коэффициента шума определяют из соот-
ношения: F = Ю^10.
При использовании обратной связи в предусилителе коэффи-
циент шума F3 для часто применяемого на практике эмиттерного
повторителя можно вычислить по приближенной формуле
F ~ FT(1+R /RH),
а	1 у	al a J
где FT — коэффициент шума транзистора; _йэ — сопротивление
цепи эмиттера.
На линейном участке характеристики /?ф = /(Ф) с увеличе-
нием постоянной засветки вольтовая чувствительность растет.
Однако при этом уменьшается обнаружительная способность, что
ведет к уменьшению отношения сигнал/шум.
При наличии фонового излучения часто целесообразно
использовать мостовые схемы включения фоторезистора (рис.
8.4, а). При этом в диагональ моста включают высокочувстви-
тельные и высокоточные электроизмерительные приборы, что
недопустимо при прямом методе измерений вследствие большо-
го фототока, вызванного фоновой засветкой. Один из фоторези-
Рис. 8.4. Некоторые схемы
включения фоторези-
сторов:
а — мостовая; б — транс-
форматорная
350
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
сторов можно освещать излучением полезного сигнала и фона, а
другой — только излучением фона. На практике находят приме-
нение и другие варианты освещения фоторезисторов [11].
При использовании трансформаторной схемы включения
фоторезисторов (рис. 8.4, б) получают выигрыш в вольтовой
чувствительности, поскольку к фоторезистору подводится почти
все напряжение ир источника питания, за исключением неболь-
шого падения напряжения на активном сопротивлении первич-
ной обмотки, а постоянный фоновый поток не влияет на значе-
ние сигнала. Кроме того, изменение сопротивления нагрузки R„
не сказывается на режиме работы фоторезистора, так как это
сопротивление не связано с цепью питания фоторезистора.
8.3.	Фотоприемные устройства на фотодиодах
Схемы включения фотодиодов, работающих в фотодиодном
и фотогальваническом режимах, показаны на рис. 8.5. Для по-
вышения вольтовой чувствительности фотодиодов необходимо
увеличивать сопротивление нагрузки RH. При фотодиодном ре-
жиме работы максимальное значение нагрузки 2?нтах связано с
максимальным потоком излучения Фтах, который может заре-
гистрировать фотодиод, следующим соотношением:
^нтах = Up/(S7<^)max+-^s)’	(8.2)
где пр — рабочее напряжение питания фотодиода; st — его токо-
вая чувствительность; I, — ток термически генерированных
неосновных носителей (темновой ток) через P—N - переход. При
этом точка пересечения прямой нагрузки с вольт-амперной
характеристикой, соответствующей максимальному потоку из-
лучения, должна находиться в области фотодиодного режима.
Максимальная вольтовая чувствительность в этом случае
S“max ~ ир/(Фщах + Is/Sl )’
Рис. 8.5. Схемы включения фотодиодов на активную (а, б) и реактив-
ную (в, г, д) нагрузки в фотогальваническом (б, г, д) и фотодиодном
(а, в) режимах
351
Проектирование оптико-электронных приборов
Если фототок 1ф »Is, максимальная вольтовая чувствитель-
ность не зависит от параметров фотодиода, т.е. sumax = ггр/Фтах и
R„ ~ ИрДфтах- При /ф «1„ эта чувствительность тем больше, чем
меньше значение Is, т.е. sumax = 8^/1,.
При работе фотодиода с модулированным сигналом от излуча-
теля на фоне немодулированной засветки необходимо, чтобы его
вольтовая чувствительность по переменному потоку была макси-
мальной, а по постоянному потоку (от фона) — минимальной.
Для этого целесообразно использовать трансформаторную или
дроссельную схему включения_фотодиода, позволяющую полу-
чить большое сопротивление Д по переменному току (индук-
тивное сопротивление) и малое активное сопротивление Д по
постоянному току. При работе с разными нагрузками по посто-
янному и переменному токам величина R„ определяет режим
работы фотодиода, а Д — вольтовую чувствительность. Сопро-
тивление нагрузки по постоянному току желательно выбирать
намного меньше, чем значение Д1тах, вычисленное по формуле
(8.2).
При фотогальваническом режиме работы фотодиодов макси-
мальное сопротивление нагрузки по постоянному току, обеспечи-
вающее линейность энергетической характеристики, определя-
ют по формуле
^нтах ~
где k = 1,38 10-23 Дж-К-1— постоянная Больцмана; Т—абсо-
лютная температура фотодиода, К; е — заряд электрона;
е = 1,610~19 А с. Максимальная вольтовая чувствительность при
этом
SlkT/(eIs)
“max l + kT/(eIsZuy
где ZH — полное сопротивление нагрузки.
Следует, однако, учитывать, что, поскольку сопротивление
P—N - перехода зависит от 1ф, оптимальное сопротивление на-
грузки в условиях сильного изменения фототока подобрать не-
возможно. Поэтому для случая, когда 50 < I$/Is < 1010, с погреш-
ностью не более 3 ... 4% сопротивление нагрузки можно найти
по формуле
_0,88ЛАГ1п(-ГфД.)
” a. It/I, ’
где А — коэффициент, зависящий от материала фотодиода, обыч-
но А — 1 ... 4 (для германиевых фотодиодов он равен единице).
352
Глава 8 Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
а — синусоидального модулированного сигна-
ла; б — импульсного сигнала с оптимальным
фильтром (ОФ)
Рис. 8.7. Функциональная схема ФПУ с
фотодиодом, включенным на входе
операционного усилителя
Кроме того, необходимо учитывать, что при увеличении Rn
одновременно с ростом отношения сигнал/шум увеличивается и
постоянная времени ФПУ тФПУ, определяемая равенством
ТфПУ = Л/<и + <+<»
где тп я — постоянная времени приемника излучения; Ту(, — посто-
янная времени усилителя; тах — постоянная времени его вход-
ной цепи. Поэтому для улучшения быстродействия ОЭП часто
применяют схемы ФПУ с операционным усилителем или с це-
пью коррекции постоянной времени.
Для приема синусоидально модулированного и импульсного
сигналов можно использовать схемы, показанные на рис. 8.6.
Применяют также схемы с операционными усилителями,
охваченными отрицательной обратной связью по напряжению
(рис. 8.7). Операционные усилители обладают очень большим ко-
эффициентом усиления (до 100 дБ), широкой полосой пропуска-
ния (до 100 МГц), высоким (до 1000 МОм) входным сопротивле-
нием и низким выходным сопротивлением. Частотная характе-
ристика операционного усилителя с обратной связью в первом
приближении определяется сопротивлением Roc и весьма малой
емкостью Сос цепи обратной связи, и верхняя частота /в частот-
ной характеристики может быть определена по формуле
/в=1/(2яЯо.сСо.с).
При большом коэффициенте усиления напряжение сигнала
на выходе усилителя нвь1х = — ФПУ на основе операцион-
ных усилителей имеет больший динамический диапазон по
сравнению с ФПУ на основе усилителя с большим входным
сопротивлением, у которого используется цепь коррекции для
уменьшения тус = ЯВХСВХ.
353
Проектирование оптико-электронных приборов
В качестве корректирующей цепи может быть использована,
например, дифференцирующая цепь, имеющая большой коэффи-
циент передачи на высоких частотах и малый коэффициент пере-
дачи на низких частотах.
Входное сопротивление ФПУ с операционным усилителем
при наличии обратной связи
Rbx ~ Ro.c/^0 »
где Roc — сопротивление в цепи обратной связи; Ко — коэффи-
циент усиления операционного усилителя при разомкнутой
обратной связи.
Входное сопротивление операционного усилителя при замк-
нутой обратной связи является нагрузкой фотодиода. При Ко =
= 104 ... 105 это сопротивление обычно не превышает значения
порядка десятков ом. Использование низкоомной нагрузки позво-
ляет увеличить быстродействие ФПУ, поскольку в этом случае
исключается влияние собственной емкости фотодиода. Уменьше-
ние нагрузки фотодиода также позволяет уменьшить нелиней-
ность энергетической характеристики всего ФПУ.
Преимуществом такой схемы ФПУ является отсутствие
необходимости стабилизации коэффициента усиления операци-
онного усилителя.
Вольтовая чувствительность ФПУ при приеме постоянного
потока излучения
% = sIRo.c .
а при приеме синусоидального модулированного потока излуче-
ния
su = 5/^о.с/^ + (2я/-м)27?о2с-Со2с,
где /м — частота модуляции потока излучения; Со с — емкость в
цепи обратной связи.
Среднее квадратическое напряжение шума на выходе ФПУ
определяют по формуле
_ v F2 . (~-2 , -2	, ~-2 \ р2
иш.вых ФПУ - АФПУ JUm-y + I 1т-У + 1ш Фл + 1ш о-с |-К0.с ’
где ЙГфпу — коэффициент усиления по напряжению ФПУ;
Пш.у — среднее квадратическое напряжение шума усилителя;
1ш.у, Гш.фд, im.o.c —средние квадратические значения шумовых то-
ков соответственно усилителя, фотодиода, сопротивления обрат-
ной связи.
Для современных операционных усилителей спектральные
плотности средних квадратических значений шумового тока и
354
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
напряжения шума составляют соответственно
1Ш.У , = (1 ... 2) 10 14 АГц1/2; Um.yf = (1 ... 7) 10~8 ВГц1/2
Среднее квадратическое значение шумового тока фотодиода,
работающего в фотодиодном режиме,
Гш.Фд = Л/2е/тА/,
где 1Т — темновой ток фотодиода; А/ — эффективная полоса
пропускания.
При фотогальваническом режиме работы фотодиода
Гш.фд — ^kT^/Ra,
где k — постоянная Больцмана; Т — температура P—N - перехо-
да; Ra — динамическое сопротивление несмещенного P—N-nepe-
хода.
Среднее квадратическое значение шумового тока сопротив-
ления в цепи обратной связи
im.o.c ^kTbf/R^.
Следует иметь в виду, что на спектральную плотность шума
фотодиода существенное влияние оказывает емкость Р-А-пере-
хода. Выбор операционного усилителя с минимально возможным
значением входной емкости позволяет уменьшить зависимость
шума от емкости фотодиода.
При использовании малошумящих операционных усилите-
лей доминирующими становятся шумы фотодиода и резистора
обратной связи. Среднее квадратическое значение выходного
шума
Пш.вых ФПУ = ^фпу
Отношение сигнал/шум в этом
-
>2
Ь0.С •
t.o.c
случае
S/Ф
В случае работы фотодиода в фотогальваническом режиме
сопротивление Roc выбирают больше, чем эквивалентное сопро-
тивление несмещенного Р-А-перехода, т.е. Roc > Ra. Поэтому
значение гш фд намного больше среднего квадратического значе-
ния теплового шума в нагрузке im.o.c, и выражение для отноше-
ния сигнал/шум принимает вид:
Uc	8;Ф
1^ш.вых ^kT\f/Ra '
355
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 8.8. Функциональная схема ФПУ с цепью коррекции в виде
дифференцирующего устройства
Схему ФПУ с цепью коррекции постоянной времени (рис.
8.8) часто применяют в импульсных ОЭП типа пеленгаторов,
локаторов, тепловизоров и т.п. В этой схеме сопротивление на-
грузки фотодиода выбирают большим. В результате повышается
напряжение сигнала на входе предусилителя, и вследствие уве-
личения его входного сопротивления постоянная времени вход-
ной цепи твх = тоже увеличивается. Величина Свх является
суммой емкостей фотодиода и входа предусилителя.
Увеличение твх приводит к ослаблению высокочастотных
составляющих сигнала. Для исключения этого ослабления и
включается корректирующая цепь, например дифференцирую-
щая цепочка R2, С, R3, имеющая большой коэффициент переда-
чи на высоких частотах и малый — на низких частотах. При
этом большое сопротивление нагрузки фотодиода обеспечивает
высокую чувствительность и обнаружительную способность ОЭП.
Существенным недостатком ФПУ с корректирующими це-
пями является малый динамический диапазон [2]. Поэтому на
практике часто предпочтение отдают схеме ФПУ с операцион-
ным усилителем, имеющей больший динамический диапазон и
одинаковую чувствительность при одном и том же предусилите-
ле, по сравнению с рассмотренной выше схемой ФПУ. Увеличе-
ние динамического диапазона при идентичности предусилителей
примерно равно отношению коэффициентов усиления при разом-
кнутой и замкнутой цепи обратной связи.
Во многих импульсных ОЭП полезный сигнал должен вос-
производиться с минимальными искажениями при обеспечении
максимального отношения сигнал/шум. Следовательно, ФПУ
этих ОЭП должны иметь достаточно широкую полосу пропуска-
ния Д/. Но при увеличении полосы пропускания одновременно с
уменьшением искажений полезного сигнала увеличиваются
шумы. В этом случае выбирают оптимальную схему ФПУ с уче-
том указанных факторов, действия которых на качественные
показатели ФПУ противоположны.
356
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
Выбор оптимальной структуры ФПУ заключается в определе-
нии максимального отношения сигнал/шум р, при заданном
минимальном искажении формы сигнала. В [2] показано, что при
любой форме огибающей видеоимпульсов оптимальной является
Гауссовская форма частотной характеристики электронного трак-
та, а практически оптимальная полоса пропускания на уровне
0,5 максимального значения определяется выражением
Д/Опт = (0,9...1,0)/твх,
где твх — длительность импульса на входе ФПУ на уровне 0,5
максимального значения.
При этом длительность импульса на выходе ФПУ твых =
= (1,4 ... 1,5) твх. Если полосу пропускания рассматриваемого
ФПУ можно увеличить до значения Д/= (1,35 ... 1,5)/твх, то точ-
ность воспроизведения формы импульса повышается, а отноше-
ние (1 уменьшается всего на 10%. При дальнейшем увеличении
Д/ значение ц значительно уменьшается. Чтобы различить им-
пульсы минимальной длительности, следующие друг за другом
через интервал времени, равный длительности импульсов, верх-
нюю границу полосы пропускания ФПУ на уровне, равном 0,7
максимума, необходимо выбирать в соответствии с неравенством
4^1/(2TBxmin),
где TBXmin — минимальная длительность импульса.
Нижняя граница полосы пропускания ФПУ определяется из
соотношения [2]
/н <1п[1/(1-о)]/(2лтвхгаах),
где о — спад плоской вершины прямоугольного импульса на вы-
ходе ФПУ в относительных единицах; твхтвх — максимальная
длительность импульса.
Полоса частот ФПУ для ряда импульсных ОЭП может быть
очень широкой, что приводит к необходимости сложной проти-
вошумовой коррекции сигнала.
Пороговый поток ФПУ на основе фотодиодов, работающих в
фотогальваническом режиме, ограничивается шумами предуси-
лителя Цщ.пу .
В фотодиодном режиме пороговый поток фотодиодов
ограничивается в основном дробовыми шумами. Пороговый по-
ток ФПУ с цепями коррекции в этом случае можно определить
по формуле
ФпФПУ = Aj 2^JtA//?h + UmФПУ вх fsu ,
где иш.вхФПУ — шум ФПУ, приведенный ко входу.
357
Проектирование оптико-электронных приборов
При использовании лавинных фотодиодов пороговый поток [2]
^л/ЗД/зД; l4kTF
где А/ — полоса пропускания ФПУ; s{ — токовая чувствитель-
ность фотодиода; 1Т — темновой ток фотодиода в безлавинном
режиме; F — коэффициент шума ФПУ,
Из этой формулы следует, что обнаружительная способность
лавинного фотодиода растет с увеличением сопротивления на-
грузки R„. Максимально допустимое значение R„ выбирают, ис-
ходя из условия обеспечения необходимого времени установле-
ния фронта выходного импульса тф:
max /Q ’
где Со — суммарная емкость фотодиода и входного каскада пре-
дусилителя.
Рис. 8.9. Принципиальная
схема ФПУ с лавинным и
опорным фотодиодами
Включение в схему ФПУ опор-
ного лавинного фотодиода (рис. 8.9),
имеющего одинаковые с рабочим
лавинным фотодиодом вольт-ампер-
ные характеристики, обеспечивает
температурную стабилизацию уст-
ройства. Напряжение смещения исм
в этой схеме подается на рабочий
лавинный фотодиод VD1 с делителя,
образованного опорным затемнен-
ным лавинным фотодиодом VD2 и
ограничительным резистором R1,
т.е.
UCM = Mp--fT2-Rl>
где /т2 — темновой ток опорного лавинного фотодиода VD2.
При изменении окружающей температуры происходит
изменение темнового тока /т2 опорного лавинного фотодиода, а
следовательно, и синхронное изменение напряжения смещения
исм, благодаря чему и обеспечивается температурная стабилиза-
ция коэффициента М лавинного умножения. Работа этой схемы
возможна в том случае, если пробивное напряжение опорного
лавинного фотодиода будет несколько меньше пробивного напря-
жения рабочего лавинного фотодиода, рабочее напряжение опор-
ного фотодиода близко к его пробивному напряжению, а рабочие
точки обоих фотодиодов находятся на линейных участках их
вольт-амперных характеристик во всем диапазоне изменения
температуры окружающей среды. При этом напряжение пита-
358
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
ния определяется по точке пересечения нагрузочной характери-
стики, проведенной через рабочие точки вольт-амперных харак-
теристик опорного фотодиода, соответствующие крайним значе-
ниям окружающей температуры, с напряжением исм.
На практике используются также схемы терморегулируемо-
го источника смещения (рис. 8.10) со стабилитронами VD1, VD2
и компенсирующими терморезисторами R3 и R4. При
положительных температурах сопротивление терморезистора R4
« Rl + R2, поэтому при его изменении напряжение на делителе
почти не изменяется. При пониженных температурах сопротив-
ление резистора R4 имеет большое значение, вследствие чего
заметно уменьшается напряжение на делителе Rl - R2. Анало-
гично может осуществляться коррекция напряжения смещения
и при повышении температуры с помощью терморезистора R3.
“Т—СЗ—
21 ИР/
--------"р
Рис. 8.10. Принципиальная
схема ФПУ со стабилизацией
лавинного фотодиода с по-
мощью стабилитронов и термо-
резисторов
8.4.	Фотоприемные устройства с приемниками
излучения на основе внешнего фотоэффекта
В схеме ФПУ с фотоэлементом (рис. 8.11) при работе по
переменному (модулированному) потоку для исключения
постоянной составляющей сигнала используют разделительный
конденсатор Ср, емкость которого
Ср»(2...10)ти/(Яи + Явх),
где тн — l/fM — период модуляции или длительность импульса; fK
— частота модуляции потока излучения; RBll — входное сопро-
тивление предусилителя или входной цепи ФПУ.
Емкость блокировочного
конденсатора Сбл, подключаемо-
го параллельно источнику пита-
ния для обеспечения низкого
выходного сопротивления ис-
точника питания и ослабления
электрических наводок на про-
Рис. 8.11. Схема ФПУ с фотоэле-
ментом
359
Проектирование оптико-электронных приборов
вода «фотоэлемент — источник», при работе с короткими им-
пульсами длительностью около нескольких наносекунд можно
определить из выражения
Сбл^Апах*и/Ди>
где /твх — максимальный импульсный ток фотоэлемента; t„—
время его протекания; Ди — изменение напряжения на блокиро-
вочном конденсаторе, которым обычно задаются.
При работе фотоэлемента по постоянному потоку излучения
конденсаторы Сбл и Ср в схему не включают. Нагрузочное сопро-
тивление R„ фотоэлемента обычно выбирают достаточно большим,
поскольку при его увеличении увеличивается фотосигнал. При
измерении слабых потоков излучения сопротивление нагрузки
RK выбирают исходя из условия создания оптимального режима
работы фотоэлемента, обеспечивающего максимальное отноше-
ние сигнал/шум Ц [25]. При комнатной температуре для обеспе-
чения оптимального режима работы фотоэлемента его нагрузоч-
ное сопротивление RK должно удовлетворять следующему нера-
венству:
^>>0,05/^,	(8.3)
где 7ф — среднее значение фототока, A; RB — сопротивление
нагрузки, Ом.
Следует учитывать, что слишком большие сопротивления на-
грузки ограничивают частотный диапазон ФПУ. Верхняя гра-
ница fB частотного диапазона определяется входным сопротивле-
нием RBX предусилителя, которое или равно сопротивлению RK,
или связано с ним соотношением = -R^x +	, где Rp — со-
противление переходной цепи:
/в < (2л/?эхСвх)-1.	(8.4)
Здесь Свх — входная емкость предусилителя, состоящая из меж-
электродной емкости фотоэлемента и емкости монтажа Со вход-
ной цепи.
Поскольку серийные фотоэлементы сферической конструк-
ции имеют собственную емкость С ~ 40 ... 50 пФ, а емкостью
монтажа часто можно пренебречь, то вместо (8.4) получим при
Свх = 50 пФ
£ = 3-107^.	(8.5)
Из (8.3) и (8.5) следует, что режим оптимальной пороговой чув-
ствительности осуществим только при относительно малой час-
тоте модуляции сигнала. При большой частоте модуляции в
соответствии с (8.5) приходится выбирать сравнительно малое
сопротивление нагрузки RB. В этом случае шумами усилителя
360
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
пренебрегать нельзя и пороговый поток ФПУ с фотоэлементом
следует вычислять по формуле
Фпфпу = д/2el^f + AkTbf/R* /,
где /т — среднее значение тока термоэмиссии фотокатода; А/ =
“ (4Я.С»)-*.
При уменьшении входного сопротивления RK шум предуси-
лителя становится преобладающим, если выполняется неравен-
ство /фйн « 0,05 В. При таком условии шум усилителя значи-
тельно превышает дробовый шум фотоэлемента. Следовательно,
шумом фотоэлемента можно пренебречь, и пороговый поток ФПУ
будет равен:
0,1 е А/
. - 1
фп ФПУ ~
Si
где R3KB — эквивалентное (шумовое) сопротивление лампового
предусилителя.
При использовании транзисторных предусилителей для опре-
деления их шумов вместо эквивалентного (шумового) сопротивле-
ния используют коэффициент шума F. В этом случае среднее
квадратическое значение шума предусилителя, приведенное ко
входу, можно приближенно определить по формуле
u^^kTR^F-l).
С учетом того, что su = s;RH, пороговый поток ФПУ в рассматри-
ваемом случае можно представить в следующем виде:
Фпфпу = ^-^kTR^f(F-l).
При достаточно большом значении R„, когда соблюдается
условие (8.3), и при исключении постоянных фоновых засветок
фотоэлемента (Фф = 0) его пороговый поток может быть вычис-
лен по формуле
ф^^ла/А/-
Кроме того, следует учитывать, что увеличение Кн приводит не
только к снижению быстродействия ФПУ с фотоэлементами, но
иногда и к нелинейности их энергетических характеристик. Это
имеет место, если нагрузочная прямая иф = ир - I$RB в семействе
вольт-амперных характеристик фотоэлемента пересекает соответ-
ствующую характеристику 1Ф = Диф) на ее криволинейном учас-
тке, т.е. рабочая точка находится вне зоны насыщения.
361
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 8.12. Принципиальная
схема ФПУ с ФЭУ:
R1 —R6 — делитель напряжения
Таким образом, ФПУ с
фотоэлементами целесооб-
разно применять для реги-
страции постоянных или
медленно изменяющихся слабых потоков излучения. В импуль-
сном режиме фотоэлементы можно применять без усилителей для
регистрации мощных световых сигналов.
Достаточно сложные ФПУ с ФЭУ (рис. 8.12) целесообразно
применять для обнаружения и регистрации слабых сигналов при
высокой частоте модуляции в том случае, когда ФПУ с
фотоэлементами непригодны. В ФПУ с ФЭУ можно использовать
низкоомные нагрузки, так как коэффициент усиления М ФЭУ
достаточно велик и может быть легко удовлетворено следующее
неравенство, необходимое для обеспечения оптимального режи-
ма:
D 0,05
R„ »----77---X--’
М2(1+В)/т
где (1 -I- В) — фактор шума ФЭУ, обычно 1 + В = 2,5.
Значения Вн тах для ФПУ с ФЭУ находят так же, как для
ФПУ с фотоэлементами. Пороговый поток для ФПУ с ФЭУ опре-
деляют аналогичным образом, но с учетом фактора шума 1 -I- В и
коэффициента усиления М. В частности, когда преобладающи-
ми являются дробовые шумы, то
ФпфПУ = —^2е1тфкМ2(1 + В)Д/,
si
где Дфк — темновой ток фотокатода ФЭУ.
Для обеспечения стабильности сигнала ис с выхода ФЭУ не-
обходимо использовать высокостабильные источники питания.
Нестабильность Дир/ир их напряжения связана с нестабильностью
сигнала txuju,, следующим соотношением:
= (°>7 • • • 1,0)п Дис/ис,
где п — число каскадов ФЭУ.
При использовании ФПУ на основе ФЭУ для измерения и
обнаружения слабых токов целесообразно компенсировать тем-
новой ток анода 7та [11]. Для этого параллельно входной цепи
усилителя включают высокоомный переменный резистор В (рис.
8.13). Регулируя сопротивление этого резистора, можно компен-
362
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
Рис. 8.13. Схема компенсации темнового тока ФЭУ
(см. рис. 8.14)
сировать темновой ток анода ФЭУ встречным
током питания, после чего измерять или реги-
стрировать сигнал от источника излучения.
ФПУ с ФЭУ необходимо тщательно защи-
щать от внешних электростатических и маг-

нитных полей путем установки специальных цилиндрических
экранов, например из пермаллоя.
Во многом аналогичны ФПУ с ФЭУ устройства на основе
диссекторов. Диапазон линейности энергетической характерис-
тики диссекторов значительно шире, чем у ФЭУ, и они могут
работать при больших освещенностях их фотокатодов (около
2000 ... 3000 лк). Однако обнаружительная способность диссек-
торов примерно на 30% ниже, чем у ФЭУ. Другие параметры
диссектора аналогичны параметрам ФЭУ.
Сила анодного тока 7а диссектора
4 = Л^фкФэл >
где М — коэффициент усиления фотоумножительной камеры
диссектора; 8фк — интегральная чувствительность его фотокато-
да; Фэл — поток излучения на фотокатоде от одного элемента
изображения.
8.5.	Фотоприемные устройства с тепловыми
приемниками излучения
Наиболее перспективными для ОЭП среди тепловых при-
емников излучения являются пироэлектрические приемники.
Они имеют очень большое темновое сопротивление (порядка
1010 ... 10й Ом) и очень малые выходные токи (порядка 10“12 ...
... 10“13 А), что значительно усложняет их согласование с элект-
ронным трактом.
ФПУ на основе пироэлектрических приемников должны
иметь большое входное сопротивление и малую входную емкость.
Лучше всего этим требованиям удовлетворяют полевые транзи-
сторы, имеющие входное сопротивление на низких частотах
(-10 ... 100) МОм. Входное сопротивление ФПУ на основе исто-
кового повторителя (рис. 8.14) можно рассчитать по формуле
(smax-RH -l)/(2smaxi?H -1),
где Д,и — сопротивление цепи «затвор - исток»; Ки = smaxJ?H/
/(smax^H + 1) — коэффициент усиления транзистора по напряже-
363
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 8.14. Принципиальная
схема ФПУ с пироэлектричес-
ким приемником на основе ис-
токового повторителя
Рис. 8.15. Принципиальная схема
ФПУ с пироэлектрическим прием-
ником излучения, подключенным
на вход операционного усилителя
нию; smax — максимальная крутизна характеристики и = f{I)
транзистора; RK — сопротивление нагрузки.
Значение эффективной входной емкости в этом случае
Свх=Сзс + (1-*ц)Сзи,
где Сзс, Сзя — емкости цепей «затвор — сток» и «затвор — исток»
соответственно.
Нагрузочное сопротивление 7?н может иметь значения от еди-
ниц до десятков гигаом.
Основной недостаток рассмотренной схемы ФПУ с истоко-
вым повторителем — невысокая температурная стабильность
параметров. Поэтому чаще применяют ФПУ с дифференциаль-
ными усилителями или с операционными усилителями, охва-
ченными обратной связью. Кроме того, пироэлектрический при-
емник можно включать непосредственно на вход операционного
усилителя (рис. 8.15).
Пороговый поток ФПУ с пироэлектрическими приемниками
излучения часто определяют по формуле
фпФПУ ~	+	,
Рис. 8.16. Схема
включения термо-
элементов
где и ш — среднее квадратическое значение напряжения шума
предусилителя, приведенное к его входу.
Схема ФПУ с термоэлементом показана
на рис. 8.16. Один из термоэлементов облу-
чается потоком от излучателя, а второй тер-
моэлемент используется для компенсации па-
разитных сигналов, обусловленных неста-
бильностью температуры. Оптимальное со-
противление нагрузки R„ термоэлемента, при
которой обеспечивается максимальная мощ-
ность сигнала, выбирают из условия R„ = RT,
364
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
где 7?т — темновое сопротивление термоэлемента. При этом мощ-
ность на нагрузке
u2„R. _ а2ДТ2
(R,+RI)2 «г '
где и„ — термоЭДС термоэлемента; ост — коэффициент термо-
ЭДС; АТ — разность температур спая.
Малое темновое сопротивление RT термоэлементов обусловли-
вает использование трансформаторов для согласования нагрузоч-
ного сопротивления с входным сопротивлением усилителя.
Пороговый поток термоэлемента определяется тепловыми и
радиационными шумами. ФПУ с термоэлементами имеют доста-
точно сложную конструкцию и малое быстродействие.
Болометры в ФПУ включают по
мостовой схеме (рис. 8.17), что обес-
печивает компенсацию изменений
параметров болометра при измене-
нии температуры внешней среды.
Питание мостовой схемы осуществ-
ляется постоянным или переменным
током с частотой несколько сот или
тысяч герц. Сопротивление нагруз-
ки R„ в схемах с болометрами выби-
рают равным темновому сопротивле-
Рис. 8.17. Мостовая схема
включения болометров
нию приемника.
В связи с тем что металлические болометры имеют низкое
темновое сопротивление, а полупроводниковые — высокое,
металлические болометры включают на вход усилителя через
трансформатор, а полупроводниковые — через согласующий кас-
кад с большим входным и малым выходным сопротивлениями,
например эмиттерный повторитель.
8.6.	Фотоприемные устройства с многоэлементными
приемниками излучения
Фотоприемные устройства с многоэлементными приемни-
ками излучения содержат линейку или матрицу с фоточувстви-
тельными элементами, генераторы разверток, токопроводящие
шины, коммутаторы, предварительный усилитель видеосигнала
и некоторые другие блоки.
365
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 8.18. Схема ФПУ с
ПЗС-приемником излуче-
ния
В настоящее время
наибольшее распрост-
ранение получили ФПУ
с ПЗС — матрицами
(рис. 8.18). Каждый фо-
точувствительный эле-
мент матрицы через го-
ризонтальные и верти-
кальные шины и клю-
Рис. 8.19. Схема обработки сигна-
ла с выхода ПЗС-приемника
чи соединен с соответствующими элементами сдвиговых регист-
ров столбцов и строк, выводящих зарядовые пакеты из матрицы
в выходной диод, включенный
в обратном направлении, кото-
рый управляет током транзи-
стора, выполняющего функ-
ции предварительного усили-
теля (рис. 8.19). Этот предуси-
литель часто находится в од-
ном кристалле с указанными
выше элементами, что позво-
ляет уменьшить выходную ем-
кость ПЗС, которая в значи-
тельной мере определяет вход-
ную емкость Свх предваритель-
ного усилителя. Различные
схемы организации считыва-
ния сигналов в таких ФПУ
приведены в [38, 40].
Типовая схема ФПУ с ПЗИ-приемником излучения показа-
на на рис. 8.20. В этом случае элементарную светочувствитель-
ную ячейку составляют два МОП-конденсатора, один из кото-
рых подключен к горизонтальному сдвиговому регистру, а дру-
гой — к вертикальному сдвиговому регистру. Считывание ин-
формации с ячеек в выходное устройство производится путем
одновременного снятия напряжения смещения с обоих МОП-
конденсаторов в произвольной последовательности (произволь-
ная выборка).
Основными недостатками ФПУ с ПЗИ являются искажения
сигналов, снимаемых с ячеек, вследствие шунтирования опра-
шиваемой ячейки в момент ее коммутации емкостями других
366
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
Рис. 8.20. Схема ФПУ с ПЗИ-приемником излучения
ячеек столбца (или строки) и увеличение тепловых шумов за счет
увеличения емкости опрашиваемых ячеек в Nv раз, где Ny — чис-
ло ячеек в столбце. Такой же недостаток в определенной мере
присущ фотодиодным и фоторезисторным матрицам, схемы ко-
торых приведены в [2, 38, 40].
Весьма перспективны ФПУ на основе многоэлементных
КМОП-приемников, изготавливаемых с помощью современной
КМОП (CMOS) технологии. Каждый чувствительный элемент
такого ФПУ представляет собою комплементарный металл —
окисел-полупроводник транзистор. Упрощенная принципиальная
схема одного элемента КМОП-приемника излучения представле-
на на рис. 8.21, а. Он эквивалентен фотодиоду, к которому пос-
ледовательно подключено сопротивле-
ние. В результате фототок непрерывно
преобразуется в напряжение на выхо-
де элемента, а затем сигналы с элемен-
тов считываются по произвольному за-
кону. Это является отличительным
свойством КМОП по сравнению с ПЗС
(упрощенная схема работы одного эле-
Рис. 8.21. Принципиальные схемы работы
одного элемента МЭПИ:
а — КМОП-приемника; б — ПЗС-приемника
367
Проектирование оптико-электронных приборов
। Прямой доступ в элементы
Рис. 8.22. Схема обработки сигнала
с КМОП-приемником:
1 — матрица, 2 — ЭВМ с дисплеем
мента ПЗС представлена на рис.
8.21, б), у которого под воздей-
ствием падающих на элемент
фотонов в течение определенно-
го времени, контролируемого
механическим или электронным
затвором, накапливаются элект-
рические заряды, а потом сигна-
лы, образующиеся на отдельных элементах, считываются в оп-
ределенной последовательности.
Схемы обработки сигнала с КМОП-приемниками и с ПЗС
показаны на рис. 8.22 и 8.23. Из сравнения этих схем видно, что
КМОП имеют более простую схему обработки сигнала, так как
отсутствует блок формирования кадра и есть возможность досту-
па по программе в любой элемент (использование произвольной
выборки сигнала). Другими важными преимуществами КМОП-
приемников являются: очень большой динамический диапазон,
составляющий 70 ... 120 дБ, что позволяет регистрировать объек-
ты с малым контрастом; для этих приемников требуются малые
напряжения питания (обычно не более 5 В) и мощности рассея-
ния; они обеспечивают более высокую частоту кадров, имеют
низкую стоимость. При их использовании наблюдается практи-
ческое отсутствие смаза изображения.
Рис. 8.23. Схема обработки сигнала с ПЗС-приемником:
1 — матрица, 2 — преобразователь сигнала, 3 — аналого-цифровой преобразова-
тель, 4 — блок обработки кадра, 5 — ЭВМ с дисплеем
У современных КМОП-приемников отмечаются большие геомет-
рические шумы по сравнению с ПЗС. Однако этот недостаток смягча-
ется за счет использования способа коррекции таких шумов.
368
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
Рис. 8.24. Схема ФПУ с КМОП-прием-
ником излучения с активным пикселем:
1 — ячейка с активным элементом, 2 — вер-
тикальный сдвиговый регистр, 3 — горизон-
тальный регистр, 4 — усилители столбцов с
обратной связью, 5 — усилители с двойной
коррелированной выборкой, 6 — видеосигнал,
7 — опорный сигнал строк
Схема ФПУ с КМОП-приемни-
ком излучения с активным пикселем
показана на рис. 8.24. Отдельные
ячейки 1 этого МЭПИ, управляемые
вертикальным 2 и горизональным 3
регистрами, содержат два элемента,
один из которых часто обеспечивает
усиление сигнала. В каждом столб-
це матрицы имеются дифференци-
альные усилители с обратной связью
4, выходы которых подключены к
усилителям с двойной коррелирован-
ной выборкой 5, компенсирующим тепловые шумы. С выхода 5
видеосигналы считываются построчно через коммутаторы, под-
ключенные к горизонтальному регистру 3, и поступают на вы-
ход ФПУ 6. Построчный опрос производится с помощью опорно-
го сигнала 7.
С помощью усилителей столбцов 4 компенсируются геомет-
рические мультипликативные шумы. Время считывания строки
может равняться времени считывания сигнала с одной ячейки,
если сигналы с элементов строки считываются одновременно.
Вследствие этого полоса пропускания сигнала может быть умень-
шена в число раз Nx, равное числу элементов в строке, что при-
водит к уменьшению шума.
Недостатком такого ФПУ является сложность его схемы,
включающей Nx дополнительных усилителей. Эти усилители,
выполняемые по интегральной технологии, располагаются в од-
ном кристалле вместе с другими элементами ФПУ.
Основными шумами ФПУ с МЭПИ являются:
— геометрический мультипликативный шум, зависящий от
неоднородности: чувствительностей отдельных элементов прием-
ника, их размеров, усиления сигналов с этих элементов, а также
от величины полезного сигнала (экспозиции) — Um ;
-	дробовый шум — t/др ;
—	геометрический аддитивный шум, связанный с неоднород-
ностью темновых токов отдельных элементов — С7га ;
369
Проектирование оптико-электронных приборов
-	аддитивный временной тепловой шум элементов приемни-
ка и усилителя — UT , а в ПЗС — шум из-за неполной эффектив-
ности переноса зарядов — Un ;	_
—	радиационный фоновый шум — Up .
Необходимое для выбора последующих электронных узлов
среднее квадратическое значение приведенного ко входу резуль-
тирующего токового шума ФПУ с МЭПИ можно определить по
следующей формуле
Д*ш.вх= ^р+^М+^а+»др+^+^-
Для конкретного ФПУ некоторые из этих шумов не прини-
маются во внимание, например шум in .
Для МЭПИ с накоплением сигнала удобно значение шумов
выражать в этой формуле в виде средних квадратических значе-
ний флуктуации числа «шумовых» электронов, приходящихся
на один элемент МЭПИ. Тогда формула для расчета результиру-
ющего среднего квадратического значения флуктуации аш вх чис-
ла электронов, приходящихся на один элемент, за время накоп-
ления сигнала, примет вид:
°ш.вх= Vara+°rM + <^p+a?+an+°p-
Среднее квадратическое значения шума ога зависит от отно-
сительного разброса q плотности темновых токов ут отдельных
элементов МЭПИ при их рабочей температуре. Полагая плотность
распределения указанных разбросов гауссовской, значения ога
можно вычислить по формуле
п Зе ’
где е — заряд электрона; tv — время интегрирования (накопле-
ния); Аэ — площадь элемента. Для кремниевых ФПУ jT = 10 10 ...
... 10'11 Асм 2 при температуре t = 20°С. Для ФПУ без накопле-
ния зарядов
Ога =9-ЛА/3-
Значение <УГМ зависит от величины выходного сигнала i с эле-
мента и относительного разброса р этих сигналов. Полагая, что
плотность распределения этих разбросов описывается функцией
Гаусса, можно записать следующее соотношение
°гм=Р-N3 ТГ*И/3.
где т| — квантовая эффективность МЭПИ с учетом коэффициен-
та заполнения (для кремниевых приемников Т) = 0,3 ... 0,4 элек-
трона на квант); N3— число эффективных квантов, попадающих
370
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
на элемент в одну секунду, в пределах спектральной чувстви-
тельности приемника.
Число N3 может быть определено по методике, изложенной,
например, в [38]. Для ФПУ без накопления сигнала
<*гМ = Р*/3-
Значения адр и ат вычисляются по следующим формулам
°т = Т*А/е> ^др=л/И^/е,
где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура
МЭПИ; Свх обычно принимается равной примерно 0,1 ... 0,25 пФ.
Шум переноса зарядов для современных ПЗС часто мал по
сравнению с рассмотренными выше шумами. Формулы для его
определения приведены в [38].
Радиационный шум учитывается в том случае, когда он со-
поставим с другими шумами. Это имеет место в приборах, у ко-
торых осуществляется компенсация доминирующих и перечис-
ленных выше шумов ФПУ. Формулы для вычисления ор приве-
дены в [38].
Пороговую экспозицию (для ФПУ с накоплением) можно
расчитать по формуле:
Нп = НОШ.ВХ/Т] Кк-Аэ [Вт-см^с1]
где ц — требуемое отношение сигнал/шум, Кк — контраст объекта
с фоном.
Пороговая освешенность Еп МЭПИ определяется как Е„ ~
Некоторые из указанных шумов корректируют тем или иным
способом. Например, временной тепловой шум может быть ос-
лаблен путем осреднения сигналов с отдельных элементов (пик-
селей) по нескольким кадрам или электронной фильтрацией. В
большинстве случаев доминирующим является геометрический
шум. По своей сути это пространственно-изменяющийся шум,
превращающийся во временной шум при электронном сканиро-
вании (считывании сигналов с отдельных элементов).
Аддитивную составляющую геометрического шума (неиден-
тичность шумов отдельных элементов при равномерном слабом
фоне или затемнении фотоприемника) можно ослабить, напри-
мер, путем вычитания из текущих сигналов отдельных элемен-
тов эталонных сигналов с этих элементов, полученных заранее
при испытаниях фотоприемника путем осреднения многих кад-
ров и занесенных в память микропроцессора. Мультипликатив-
ную составляющую геометрического шума можно корректиро-
вать путем записи в память коэффициентов усиления каждого
элемента фотоприемника. Этот способ неэффективен при высо-
коскоростных измерениях.
371
Проектирование оптико-электронных приборов
8.7.	Выбор и расчет основных параметров
предусилителей фотоприемных устройств
Исходными данными для расчета предусилителей ФПУ и
выбора элементов их схем являются: основные параметры и ха-
рактеристики выбранного приемника излучения, минимальное
значение полезного сигнала на входе предусилителя uBxmin, сред-
нее квадратическое значение шумов щэиемника излучения
и ш п и, отношение сигнал/шум Ц = ивх т1п/ и ш п и , рабочая частота
модуляции /м или диапазон частот спектра полезного сигнала
А/ = /в... /н, оптимальное сопротивление нагрузки Д,, значение
сигнала на выходе ФПУ или всего электронного блока ивых, тре-
буемое для надежной работы выходного блока, например испол-
нительного привода.
Коэффициент усиления КФПУ сигнала предусилителем ФПУ
определяется особенностями применения ОЭП, в состав которых
входит ФПУ. Значение этого коэффициента зависит от требуе-
мого сигнала ивыхФПУ на выходе ФПУ или на входе усилителя,
следующего за ФПУ, от внешних электрических, электромагнит-
ных или механических воздействий и т.п. Его можно рассчитать
по формуле
-^ФПУ = ивыхФПу/ивхт1п ’
Минимальный сигнал uBX min = з/Фт1п7?н. Если значение Фт1п
неизвестно, то исходя из заданного отношения р этот сигнал
находят по формуле:
Ивх min ~ Ш.п.и 
Значение сигнала ивыхФПУ часто оценивают приближенно,
например, распределением общего коэффициента усиления элек-
тронного тракта Ks = ивых/ивх mln по отдельным каскадам.
Иногда сигнал ивыхфпу определяют по значению требуемого
сигнала на входе усилителя мощности или промежуточного
усилителя, которое может быть заранее выбрано. Обычно коэф-
фициент усиления КФПУ принимают равным 10 ... 100, так как
при этом практически устраняется влияние шумов последующе-
го электронного тракта на шум предусилителя ФПУ. В некото-
рых случаях коэффициент усиления КФПУ может быть найден по
входному сопротивлению предусилителя 7?вх, выбранному в це-
лях уменьшения коэффициента шума F из рекомендуемых усло-
вий 7?вх = (5..10)Д, по формуле связи 7?вх и КФПУ. Например,
для эмиттерного повторителя эта формула имеет вид: RBX = ДД! +
+ КФПУ), где Др — входное сопротивление транзистора.
372
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
После выбора Кфау обычно рассчитывают полосу частот про-
пускания А/ ФПУ (см. п. 6.3).
При двухкратной синусоидальной модуляции потока излу-
чения полосу частот пропускания ФПУ выбирают на уровне,
равном 0,7 umax, в частности, Д/07 = 2fy, где fy — управляющая
частота модуляции потока излучения.
При прямоугольной форме импульсов потока излучения по-
лоса частот пропускания ФПУ иногда выбирается как
Д4,т= 4—4 >
где fB — верхняя граница полосы пропускания; fB = 1/(2тт1п);
fB — нижняя граница полосы пропускания; /н = In (1 - а)-1/
/(2лттах); Tmin, ттах — минимальная и максимальная длительности
прямоугольного импульса на входе ФПУ: а — спад плоской вер-
шины прямоугольного импульса на выходе ФПУ в относитель-
ных единицах.
При этом должно выполняться условие:
4 <1/(2лТп н),
гДе тп.н — постоянная времени приемника излучения.
Если указанное неравенство не выполняется, то корректиру-
ют инерционность цепи приемника излучения или выбирают
приемник с меньшим значением тп н.
Эффективную (шумовую) полосу пропускания частот для
ФПУ без коррекции инерционности приемника излучения в слу-
чае окрашенного шума, спектральная плотность Еш(7) которого
описывается выражением вида Еш(7) = E0f0l/f, а частотная
характеристика имеет прямоугольную форму, определяют по
формуле [20]
Д/ш = /oi 1п(/в/4),
где /01 — частота, на которой задано значение спектральной плот-
ности шума приемника излучения Ео. Если шум белый, то А/ш =
= Л - 4-
Обычно отношение Д/ш/Д/о,7 определяется частотной харак-
теристикой ФПУ. В каждом конкретном случае его подбирают
экспериментально. Для приближенных расчетов часто принима-
ют Д/ш = 1.22 Д/07.
Для ФПУ, представляющего собой апериодическое звено (та-
ким звеном является приемник излучения), в случае белого шума
Д/ш = l,57f„ или Д/ш = 1,57Д/0,т.
Максимальное напряжение фотосигнала на выходе предуси-
лителя ФПУ при воздействии на его вход максимального потока
излучения Фтах можно найти по формуле
373
Проектирование оптико-электронных приборов
Umax = Фщах8и^ФПУ •
Если максимальное напряжение фотосигнала на выходе пре-
дусилителя ФПУ превышает максимально допустимое, то необхо-
димо ввести схемы АРЧ или АРУ с коэффициентом регулирова-
ния
^рег ^тах /^доп ’
где итп — максимально допустимое напряжение на выходе элек-
тронного предусилителя ФПУ.
На основании полученных в результате проведенных расче-
тов коэффициента усиления электронного тракта й?ФПУ, верхней
/„ и нижней /н границ полосы пропускания, или полосы пропус-
кания Д/о>7 (шумовой полосы пропускания Д/ш), коэффициента
регулирования чувствительности в канале АРУ и нагрузоч-
ного сопротивления фотоприемника Rv осуществляется расчет
значений параметров и подбор элементов электрической схемы
ФПУ (транзисторов, микросхем, конденсаторов и др.). Способом
такого расчета посвящены отдельные учебные курсы, они также
достаточно широко освещены в литературе.
После выбора элементов схемы ФПУ определяют суммарное
среднее квадратическое значение его шумов, приведенное ко
входу:
иш ФПУ = л]и ш.п.и+ и ш.у ’
а также пороговый поток Фп ФПУ и минимальное отношение сиг-
нал/шум на выходе ФПУ:
Фп ФПУ = иш ФПУ lSu ’ Нвых = Umin/ (U ш ФПУ-^ФПУ ) >
где umin — минимальное значение сигнала на выходе ФПУ.
Затем сравнивают величины Фп ФПУ или цвых с заданными зна-
чениями Фп 3 или щ. Если условия Фп ФПУ < f ‘Ф,,., или цвых > TJX,, где
у — коэффициент запаса (у = 1 ... 2), не соблюдаются, то выби-
рают новую принципиальную схему ФПУ и рассчитывают ее эле-
менты.
8.8.	Конструкции узлов приемников излучения
и фотоприемных устройств
Конструктивное оформление узла приемника излучения
или ФПУ в значительной мере определяет требования к конструк-
ции прибора в целом. Основными требованиями к этим узлам
являются малые габаритные размеры и масса, простота конст-
рукции, обеспечение защиты от внешних воздействий (электри-
374
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
ческих и магнитных полей, вибрации, радиации и т.п,). При
конструировании узлов их крепления следует учитывать также
конструктивное исполнение приемника или ФПУ, вид и пара-
метры источника питания, необходимость охлаждения и юсти-
ровки положения чувствительной площадки приемника и т.п.
По конструктивному исполнению приемники излучения и
ФПУ на их основе можно условно разделить на несколько групп.
К первой группе относятся неохлаждаемые фоторезисторы, фо-
тодиоды, фототриоды, пироэлектрические приемники, боломет-
ры. Все они имеют чувствительную площадку малых или сред-
них размеров, выполненную либо в виде тонкослойного покры-
тия на пластине-подложке, либо в виде тонкой пластины полу-
проводникового или пироэлектрического материала. Поэтому
конструкция таких приемников и соответствующих ФПУ ком-
пактна и обычно представляет собой герметичный корпус с вход-
ным окном перед чувствительной площадкой и выводами. Кор-
пусы приемников и ФПУ этой группы могут быть металлически-
ми или пластмассовыми.
Отечественная промышленность выпускает малогабаритные
ФПУ на основе различных приемников излучения первой груп-
пы, выполненных в едином корпусе.
Крепление приемников
сравнительно простое. На
рис. 8.25 показан пример
конструкции узла крепления
фотодиода. Между оправой 2
и корпусом 1 приемника ус-
тановлена тонкостенная втул-
ка 3 из диэлектрического ма-
териала. Приемник фиксиру-
ется в гнезде оправы пласти-
ной 4, закрепленной винтами
5. Выводы 7 приемника зак-
излучения и ФПУ этой группы
Рис. 8.25. Конструкция узла
крепления фотодиода
рываются экранирующим
колпачком 6, который служит для уменьшения паразитных элек-
тромагнитных наводок. При круглой форме корпуса приемника
его можно укреплять в гнезде оправы зажим-
ным кольцом.
Если габаритные размеры приемника или
ФПУ невелики, используют вариант крепле-
ния, показанный на рис. 8.26. Приемник 1
Рис. 8.26. Конструкция узла крепления малогаба-
ритного приемника излучения
В
375
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 8.27. Конструкция узла
крепления с осевым перемеще-
нием приемника излучения:
1 — приемник излучения; 2 — за-
жимное кольцо; 3 — винт; 4 — по-
водок; 5 — стойка; 6 — оправа
Рис. 8.28. Конструкция узла
крепления координатно-чувстви-
тельного приемника излучения
помещен в тонкостенную втулку 4 из диэлектрика и зафиксиро-
ван в переходном фланце 2 стопорным винтом 3.
В рассмотренных конструкциях практически невозможна
или неудобна юстировка положения чувствительной площадки
приемника. По условиям работы прибора и конструктивным
особенностям приемника излучения часто требуются различные
юстировочные движения: вдоль оптической оси (фокусировка),
в двух взаимно перпендикулярных направлениях поперек оси
(центрировка), разворот вокруг оптической оси и др.
Конструкция узла крепления приемника, показанная на рис.
8.27, обеспечивает его точное перемещение вдоль оптической оси.
Для координатных приемников точная юстировка положения в
поперечных направлениях может быть достигнута размещением
приемника в оправе с двумя парами установочных винтов «под
шпильку» (рис. 8.28). При отпускании одного из винтов 1 пары
и зажиме другого оправа 4 перемещается в соответствующей
плоскости относительно фланца 2. Ориентирование приемника 5
относительно осей координат плоскости изображения обеспечи-
вается за счет эллиптичности отверстий под крепежные винты
фланца. Приемник фиксируется в оправе с помощью зажимного
резьбового кольца 3.
Как известно, некоторые приемники и ФПУ, например пиро-
электрические, весьма чувствительны к вибрации. При использо-
вании их в составе ОЭП прежде всего необходимо проанализиро-
вать характер и параметры вибрации, возникающей в приборе
за счет работы электромеханических и кинематических узлов
прибора, преобразователей напряжений с использованием сило-
вых трансформаторов, условий эксплуатации ОЭП и под действи-
ем других факторов, и в случае необходимости предусмотреть в
конструкции узла крепления приемника амортизирующие эле-
376
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
Рис. 8.29. Конструкция узла крепления приемни-
ка излучения, чувствительного к вибрации:
1 — приемник излучения; 2 — оправа; 3 — вкладыш из
пенополиуретана; 4 — зажимное кольцо; 5 — корпус
менты. В простейшем случае это может быть
вкладыш из пенополиуретана (рис. 8.29).
Если такой прием не эффективен, применя-
ют специальные амортизаторы, иногда может
потребоваться даже амортизация всего при-
бора (см. рис. 10.1.3).
Некоторые приемники излучения нуждаются в защите от
внешнего теплового воздействия. Это относится прежде всего к
тепловым приемникам — болометрам и термоэлементам. Такие
приемники помещают в вакуумированный баллон, а их чувстви-
тельную площадку устанавливают напротив окна, пропускаю-
щего излучение в рабочем спектральном диапазоне.
Ко второй группе можно отнести ФПУ и приемники на осно-
ве внешнего фотоэффекта: фотоэлементы, ФЭУ, ЭОП, передаю-
щие телевизионные трубки. Особенность этих приемников зак-
лючается в том, что все они представляют собой стеклянный
вакуумированный баллон, иногда значительных размеров и
сложной формы. Кроме того, большинство приемников этой груп-
пы требуют высокого напряжения питания, достигающего у ЭОП
десятков киловольт.
Конструктивно фотоэлементы и ФЭУ, выпускаемые промыш-
ленностью, могут быть оформлены с цоколем или с жесткой
системой штырьков. Поэтому для них в конструкции крепления
используется пластмассовая или керамическая колодка, которая
служит также монтажной платой для делителя напряжения. Для
повышения надежности фиксации ФЭУ в колодке, особенно при
горизонтальном его расположении, баллон приемника фиксиру-
ют с помощью захватов или хомутов с использованием эластич-
ных прокладок, как это показано на рис. 8.30. Делитель напря-
жения обычно закрывается экранирующим кожухом.
Рис. 8.30. Конструкция узла крепления ФЭУ:
1 — ФЭУ; 2 — прокладка; 3 — хомут; 4 — колодка; 5 — защитный колпачок;
6 — винт; 7 — экранированный кабель; 8 — кронштейн
377
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 8.31. Конструкция узла крепления
ФЭУ в экранированном корпусе:
1 — прокладка; 2 — ФЭУ; 3 — экранирующий
стакан; 4 — втулка; 5 — корпус; 6 — дели-
тель; 7 — изолирующий стакан; 8 — прижим;
9 — экранированный кабель; 10 — винт
Часто требуется эк-
ранировать целиком
весь ФЭУ (рис. 8.31). В
этом случае для умень-
шения габаритных раз-
меров узла крепления
целесообразно использо-
вать ФЭУ с гибкими вы-
водами. Необходимо от-
метить, что почти все
малогабаритные ФЭУ
выпускаются в этом кон-
структивном исполне-
нии.
Юстировка положения фотокатода ФЭУ в оптической схеме
обеспечивается обычно подвижками всего узла крепления.
Особенность конструкции узла крепления телевизионных
передающих трубок заключается в наличии фокусирующе-откло-
няющей системы (ФОС), обеспечивающей развертку изображе-
ния на чувствительной площадке трубки. Корпус ФОС служит
как бы оправой, в которой с помощью эластичных прокладок
фиксируется трубка. Для каждой разновидности телевизионных
трубок выпускают типовые ФОС.
Конструкция ФОС с установленным в ней диссектором
ЛИ-607 приведена на рис. 8.32. Телевизионная трубка укрепля-
ется в ФОС неподвижно. Юстировка положения трубки в опти-
ческой системе может быть реализована перемещением всего узла
крепления, однако в силу громоздкости ФОС часто удобнее со-
вмещать плоскость изображения с чувствительной площадкой
трубки подвижками оптических элементов прибора.
К третьей группе могут быть отнесены охлаждаемые прием-
ники и ФПУ. Как известно, охлаждение чувствительного слоя
приемников излучения существенно снижает уровень собствен-
ных шумов и таким образом повышает их обнаружительную спо-
собность. Кроме того, у большинства приемников при охл аж де-
Рис. 8.32. Конструкция узла
крепления диссектора:
1 — кольцо; 2 — защитный ко-
жух из пенопласта; 3 — ФОС;
4 — диссектор; 5 — контактная
колодка; 6 — винт
378
Глава 8. Особенности расчета и выбора фотоприемных устройств
нии диапазон спектральной чувствительности сдвигается в длин-
новолновую область спектра. Развитие техники охлаждения (кри-
огенной техники) позволяет создавать малогабаритные криоген-
ные системы, обеспечивающие самые различные уровни темпе-
ратур вплоть до гелиевого уровня 4,5 К. Поэтому охлаждение
приемников излучения находит все более широкое применение в
оптико-электронном приборостроении.
В табл. 8.2 приведены криотехнические параметры, необхо-
димые для некоторых типов приемников излучения [25].
Используемые на практике способы и устройства для охлажде-
ния приемников излучения рассмотрены в п. 10.1.3.
Таблица 8.2
Криотехнические параметры некоторых приемников
излучения
Тип приемника	Длинновол- новая гра- ница спек- тральной чувстви- тельности, мкм	Температу- ра крио- статирова- ния Т , К р	Погреш- ность поддер- жания, ДТ , К р
Фоторезисторы из Ge, легированного:			
Cd, Си, Zn, Sn	40	4,2	0,5
Hg, Си	25	10 ... 35	1,0
Фоторезисторы и фотодиоды из CdHgTe	15	80	0,5
Фотодиоды из InSb, фоторезисторы	6	77	0,5
из PbS	4	80 ... 150	5,0
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 9. ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА И РАСЧЕТА
ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
9.1.	Назначение и состав электропривода оптико-
электронного прибора. Общие требования к
нему
Электропривод широко применяют в ОЭП различного на-
значения для модуляции потока излучения, сканирования изо-
бражения или поля обзора, слежения за подвижными излучате-
лями, автоматического позиционирования, управления переме-
щением ряда элементов и узлов прибора, например отдельных
компонентов оптической системы, переключения элементов и
узлов в целях их резервирования и т.п.
В зависимости от характера решаемой задачи электропри-
вод ОЭП может состоять только из двигателя или включать по-
мимо него различные кинематические, электромеханические и
другие узлы и элементы. В качестве исполнительных элементов
привода используются микроэлектродвигатели постоянного и пе-
ременного тока, электромагниты, реле, а иногда и некоторые
преобразователи, например пьезоэлектрические.
Общими требованиями, предъявляемыми к исполнительным
элементам электропривода ОЭП, являются следующие: линей-
ная зависимость скорости перемещения приводимого в движе-
ние элемента, например вала, от управляющего напряжения
(тока), подаваемого на вход двигателя; минимальная неравно-
мерность этой скорости перемещения, возможность ее плавного
регулирования в широких пределах; минимальные погрешности
положения приводимого в движение элемента; высокие быстро-
действие, КПД и надежность; динамическая устойчивость рабо-
380
Глава 9. Особенности выбора и расчета электропривода ОЭП
ты; малая чувствительность к воздействию окружающей среды
(изменения температуры, давления, влажности, воздействия
вибраций и электромагнитных полей и т.п.); простота конструк-
ции и управления; минимальные габаритные размеры и масса, а
также низкий уровень создаваемых радиопомех или их отсут-
ствие.
Недостатками приводов с использованием электродвигателей
являются в ряде случаев сложность кинематических цепей и
необходимость использования сравнительно больших управляю-
щих напряжений (токов), вследствие чего требуется применять
усилители мощности. Поэтому для упрощения конструкции ОЭП
их электропривод целесообразно строить по возможности на ос-
нове электромагнитов, а иногда и других элементов.
9.2.	Электродвигатели ОЭП
Кратко рассмотрим основные исполнительные элементы
электроприводов, применяемых в ОЭП.
Электродвигатели постоянного тока широко применяют в
приводах механических (растровых) модуляторов, сканирующих
оптических систем, блоков позиционирования, переключения эле-
ментов, в системах фокусировки и т.п.
Основными преимуществами микродвигателей постоянного
тока являются: большой диапазон регулирования частоты вра-
щения, высокое быстродействие, малые объем и масса на едини-
цу мощности, более высокий КПД по сравнению с КПД
микроэлектродвигателей переменного тока той же мощности.
Большинство электродвигателей постоянного тока имеют об-
мотку возбуждения, находящуюся под постоянным напряжени-
ем, изменением которого регулируют частоту вращения вала. В
приборном приводе применяются также малогабаритные
электродвигатели с постоянными магнитами, используемыми для
возбуждения, которые имеют меньшие мощности потерь и габа-
ритные размеры по сравнению с двигателями с независимым
возбуждением. Частоту вращения этих двигателей регулируют
путем изменения напряжения питания, подводимого к их якор-
ной цепи.
Важным параметром двигателя является электромеханичес-
кая постоянная Гэм, представляющая собой интервал времени,
за который двигатель развивает скорость, равную половине ско-
рости холостого хода. У электродвигателей постоянного тока
Tm=Jna/M„, где J — момент инерции якоря, п0 — частота вра-
щения при холостом ходе, МП — пусковой момент.
381
Проектирование оптико-электронных приборов
К недостаткам двигателей постоянного тока с коллектором и
щетками следует отнести малый срок службы, большой момент
трения, высокий износ, сильный шум и возникновение
электрических помех вследствие искрения щеток.
Этих недостатков не имеют электродвигатели постоянного
тока без коллектора и щеток, которые называют моментны-
ми, или электронными. Характерными особенностями этих дви-
гателей являются: наличие силовой обмотки якоря, расположен-
ной на статоре и состоящей из нескольких катушек, сдвинутых
относительно друг друга в пространстве (одна катушка соответ-
ствует обмотке фазы электродвигателя); ротор выполнен в виде
постоянного магнита; наличие бесконтактных датчиков положе-
ния оси магнитного потока ротора по отношению к осям силовой
обмотки статора, которые определяют момент коммутации тока
в этих обмотках; использование бесконтактного транзисторного
коммутатора, осуществляющего коммутацию катушек силовой
обмотки статора по сигналам с датчиков положения, например
трансформаторных или фотоэлектрических. При этом частота
переключения катушек обмотки якоря определяется угловой
скоростью ротора, т.е. регулируется самим двигателем.
Моментный двигатель в основном имеет те же характеристи-
ки, что и электродвигатель с независимым возбуждением. Ис-
пользуемое на практике число катушек силовой обмотки якоря
обычно не более трех-четырех. Статор двигателя монтируют в
корпус, обеспечивающий тепловой режим двигателя при всех
условиях эксплуатации, а его ротор должен быть установлен на
вал, изготовленный из немагнитного материала.
Моментные двигатели в настоящее время широко использу-
ются в различных ОЭП без редукторов. В этом случае их момент
трогания зависит только от момента трения подшипников. Час-
тоту вращения этих двигателей регулируют путем изменения
амплитуды тока в обмотках статора.
Асинхронные двухфазные электродвигатели с короткозам-
кнутым полым немагнитным ротором широко применяют в
качестве исполнительных элементов фотоэлектрических следя-
щих систем, что обусловлено отсутствием вращения при снятии
напряжения управления, широким диапазоном регулирования
частоты вращения, устойчивостью работы во всем диапазоне
изменения скоростей при питании обмотки управления от уси-
лителя, малым моментом инерции ротора, высоким быстродей-
ствием, надежностью работы, малым моментом трения, большим
сроком службы, отсутствием электрических помех. Пусковой мо-
мент двигателя зависит от напряжения управления иу.
382
Глава 9. Особенности выбора и расчета электропривода ОЭП
Управление двухфазными асинхронными двигателями осу-
ществляется обычно изменением амплитуды или фазы напряже-
ния на обмотке управления. В следящих системах ОЭП обычно
применяют первый способ, так как он обеспечивает более устой-
чивые механические характеристики и широкий диапазон регу-
лирования частоты вращения nmax/nmin= 100 ... 200.
Частота вращения двигателя при холостом ходе
п0 = ^2сс/ (1+сс2 пс,
где а = иу/ив — коэффициент сигнала, пс = &Gf/p — синхронная
частота вращения, f — частота питающего напряжения, р —
число пар полюсов двигателя, ив — напряжение обмотки воз-
буждения.
Механическая мощность на валу двигателя (в ваттах)
А = Мдп/97400,
где Мд — момент нагрузки на валу.
Электромеханическая постоянная времени двигателя
Тэм = 0,145Jnc/[(l+Л2а2)Мп],
где J — момент инерции ротора; k — коэффициент трансформа-
ции, равный отношению числа витков обмоток возбуждения и
управления; Мп — пусковой момент двигателя.
Недостатками двигателей рассмотренного типа являются
малый КПД, большие габаритные размеры и масса по сравнению
с теми же параметрами аналогичных по мощности двигателей
других типов и двигателей постоянного тока (примерно в 2-4
раза).
Двигатели переменного тока используются в ОЭП также для
приведения в движение каких-либо элементов прибора с постоян-
ной скоростью, например в модуляторах, сканирующих систе-
мах и т.п. Если при этом не предъявляют особых требований к
стабильности частоты вращения, с успехом можно использовать
асинхронные двигатели типа УАД и ЭМ. Если требуется относи-
тельно высокая стабильность частоты вращения, целесообразно
применять синхронные двигатели. В настоящее время промыш-
ленность выпускает синхронные электродвигатели различных ти-
пов: реактивные, гистерезисные, с постоянными магнитами [25].
В ОЭП достаточно широко используются также шаговые
электродвигатели, у которых выходной вал совершает дискрет-
ное угловое перемещение. Наилучшие динамические свойства
имеет шаговый двигатель, построенный на основе многофазных
синхронных электрических машин.
383
Проектирование оптико-электронных приборов
Управление шаговыми двигателями реализуется с помощью
электронных коммутаторов, на которые подается импульсное на-
пряжение от специальных генераторов или программных уст-
ройств. Шаговые двигатели хорошо согласуются с цифровыми
системами автоматического управления. Специфическими пара-
метрами этих двигателей являются угловой шаг Р, частота
приемистости /пр — максимальная частота управляющих импуль-
сов, при которой возможен поворот ротора из неподвижного
положения. Направление вращения ротора шагового двигателя
можно менять за счет соответствующей коммутации обмоток его
статора с помощью управляющих импульсов.
9.3.	Привод растровых модуляторов и анализаторов
Наиболее простой привод растровых модуляторов состоит
из микроэлектродвигателя, на валу которого укреплен диск с
нанесенным на него растром. Привод в этом случае выбирают по
частоте вращения п микроэлектродвигателя, определенной ис-
ходя из известной или ранее выбранной частоты модуляции f
полезного сигнала по формуле: п — f/m, где т — число периодов
растра, и по нестабильности Дп этой частоты вращения, опре-
деляемой в соответствии с заданной погрешностью ОЭП по мето-
дике, приведенной в п. 7.4.
Если частота модуляции f сигнала достаточно высока или
размер сечения модулируемого пучка лучей велик, что вызыва-
ет увеличение размеров растра, то иногда приходится увеличи-
вать частоту вращения растра за счет использования редуктора
с передаточным отношением i<l. Это нежелательно, так как
быстроходные редукторы отличаются сильным изнашиванием и
требуется тщательная балансировка модулятора, повышение его
жесткости и прочности, что усложняет конструкцию модулято-
ра и повышает его стоимость.
Поэтому в таком случае целесообразно использовать быстро-
ходные двигатели, например типа ДПМ и ДПР. Если же неста-
бильность частоты их вращения оказывается больше допусти-
мой, то следует применять специальные системы стабилизации
частоты вращения двигателей. Важным достоинством рассмат-
риваемых двигателей является простота регулирования их час-
тоты вращения путем изменения напряжения питания.
При сравнительно невысокой частоте модуляции полезного
сигнала приходится применять редуктор с передаточным отноше-
нием i > 1 или тихоходные редукторные двигатели типа ДСД.
При использовании редукторов в приводах модуляторов испол-
384
Глава 9. Особенности выбора и расчета электропривода ОЭП
нительный микроэлектродвигатель выбирают по требуемой для
преодоления сил сопротивления мощности N№ и пусковому мо-
менту Мл. Максимальную мощность NmKX на валу двигателя опре-
деляют из соотношения:
^max = (1.2...1,5)Mmaxwmax,
где Мтах — максимальный статический момент нагрузки, приве-
денный к валу двигателя, который находят с учетом моментов
трения и КПД редуктора; (отах — максимальная частота враще-
ния вала двигателя.
Выбранный двигатель должен отвечать условиям: Мл > Мтл„
nN№> Nmax.
Привод для возвратно-поступательного перемещения модуля-
тора (анализатора изображения), часто называемый вибратором,
или сканатором, может быть выполнен с использованием электро-
магнитов в качестве исполнительных элементов или электромаг-
нитных поляризованных реле, что позволяет упростить его кон-
струкцию.
Типовая схема такого сканатора
изображена на рис. 9.1. Устройство
содержит якорь 3 с диафрагмами 2,
укрепленный на плоской стальной
пружине 4, и постоянные электромаг-
ниты 1, питаемые токами разной по-
лярности. Один конец пружины жес-
тко крепится к корпусу 5, а другой
может свободно перемещаться. Якорь
3 попеременно притягивается к полю-
сам электромагнитов 1.
Рис. 9.1. Схема электроме-
ханического сканатора с
двумя постоянными элект-
ромагнитами
Достоинствами рассматриваемых сканаторов являются прос-
тота конструкции, механическая прочность, сравнительно высо-
кая стабильность и меньшая чувствительность к толчкам и виб-
рациям, чем у сканаторов с колеблющимися оптическими эле-
ментами. Их недостатки — малый диапазон перемещений (око-
ло десятка долей миллиметра) и наличие ухода нулевого поло-
жения, обусловленное изменением частоты
возбуждения.
Виброударный сканатор (рис. 9.2) име-
ет более высокую устойчивость оси скани-
рования, чем рассмотренные выше скана-
торы. Якорь такого сканатора состоит из
закрепленной одним концом в корпусе 1
плоской пружины 2 и укрепленного на ее
свободном конце стального шарика 6. Схе-
Рис. 9.2. Схема виб-
роударного сканатора
385
Проектирование оптико-электронных приборов
ма включения в цепь питания возбуждающих колебаний якоря
катушек 3 аналогична примененной в сканаторе, изображенном
на рис. 9.1. Характерным для данной конструкции является
наличие жестких упоров 5, закрепленных на корпусе 1, в зазоре
между которыми колеблется шарик 6. К шарику прикреплен фо-
топриемник 4 или диафрагма.
Важной особенностью виброударных сканаторов является
возможность получения с их помощью относительно больших
амплитуд сканирования (около 1 мм) при частоте сканирования
1 кГц.
Электромагнитные вибраторы, работающие в гармоническом
режиме, представляют собою колебательную систему с очень низ-
ким коэффициентом затухания (около 10 2). Нестабильность ам-
плитуды колебаний якоря этих вибраторов сильно зависит от
нестабильности частоты и напряжения (тока) возбуждения.
Относительное изменение у амплитуды вынужденных коле-
баний электромагнитных вибраторов, обусловленное изменением
частоты тока возбуждения Дсо, определяется при со < сор по следу-
ющему соотношению:
2е2 Дсо „ Дсо
-------= С—,
1-Е СО СО
(9.1)
где е = со/сор; <ор — собственная частота вибратора; С= 2е2/
/(1 — е) — коэффициент, зависящий от £.
Как следует из (9.1), стабильность амплитуда колебаний тем
выше, чем меньше коэффициент С. Анализ зависимости С= 2е2/
/(1 — е) показывает, что значение С значительно уменьшается при
выборе частоты со из условия
СО«СОр,	(9.2)
Однако при выборе частоты со тока возбуждения следует учи-
тывать, что если одна из высших гармоник тока возбуждения
близка к собственной частоте якоря, то его колебания становят-
ся асимметричными и даже небольшие изменения силы тока
приводят к значительным смещениям оси сканирования. Поэто-
му при выборе частоты тока возбуждения помимо выполнения
условия (9.2) необходимо обеспечивать также достаточно боль-
шое различие между второй и третьей гармониками частоты тока
питания электромагнита вибратора и собственной частотой яко-
ря сор.
Собственную частоту якоря, представляющего собой плос-
кую пружину длиной I, шириной q и толщиной h, закрепленную
на одном конце и с шариком массой т — на другом конце, мож-
но рассчитать по формуле
386
Глава 9. Особенности выбора и расчета электропривода ОЭП
Eqh3
со = --------------
р ^2(hqlp + 2ni)l3
где р — плотность материала пружины; Е — модуль его упру-
гости.
Собственную частоту виброударных сканаторов в ряде слу-
чаев целесообразно выбирать весьма высокой (порядка несколь-
ких сотен герц).
В вибраторах применяют электромагниты постоянного и
переменного токов. Для приближенного расчета электромагнит-
ной силы FM, развиваемой электромагнитами постоянного тока,
можно воспользоваться формулой [15]
F -1* М*)- I2ILo
“ 2 dx 2(1-/х)2’
где I — сила тока; L — индуктивность магнитной цепи; х —
перемещение якоря; Lo — начальная индуктивность; I — пос-
тоянный коэффициент.
Для электромагнитов переменного тока электромагнитная
сила
= [фтах/(2ц0^)] sin2 cot,
где Фтах — амплитуда магнитного потока; ц0 — абсолютная маг-
нитная проницаемость, ц0= 12,56610“7 Гн м-1; А — площадь се-
чения магнитного зазора; со — частота изменения магнитного
потока; t — время.
Значения FM должно с учетом коэффициента запаса, равного
примерно 1,5 ... 2, превосходить силу упругости плоской пру-
жины.
Возвратно-поступательное перемещение можно получить
также с помощью линейных двигателей. Максимальный ход ли-
нейных двигателей постоянного тока и электродинамических ли-
нейных двигателей достигает 100 мм. Очень простыми, надеж-
ными и малогабаритными являются линейные двигатели в виде
пьезоэлектрических пластин. Их максимальный ход составляет
примерно 0,5 мм. При использовании столбика из нескольких
механически соединенных пьезоэлементов длину хода удается
увеличить до нескольких миллиметров.
Схема простейшего привода модулятора с пьезоэлектричес-
ким двигателем показана на рис. 9.3. При подаче переменного
напряжения на обкладки пьезоэлектрических пластин 2 и 3 че-
рез фольгу 4 растр 1 колеблется относительно основания 5 с часто-
той этого напряжения. Рабочее усилие у таких двигателей мо-
387
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 9.3. Схемы пьезоэлект-
рических сканаторов с растром,
расположенным в вертикаль-
ной (а) и горизонтальной (б)
плоскостях
жет достигать 5 Н, а у двигателей в виде набора пьезоэлектри-
ческих кристаллов рабочее усилие значительно больше и зави-
сит только от прочности соединения специальных фиксаторов,
устанавливаемых на одном конце столбика.
Достоинствами этих приводов по сравнению с электромагнит-
ными приводами являются высокие резонансные частоты и про-
стота изготовления, а недостатками — большая нелинейность и
больший гистерезис в пьезоэлементе.
9.4.	Привод сканирующих оптических систем
Основными узлами сканирующих оптических систем яв-
ляются кинематически связанные между собою оптический эле-
мент, изменением положения которого обеспечивают сканирова-
ние, механизм, осуществляющий движение оптического элемен-
та, преобразователь, регистрирующий мгновенное положение
оптического элемента, например потенциометр, и исполнитель-
ный элемент. Кинематические схемы сканирующих систем ОЭП
разнообразны. Конструктивное исполнение привода сканирую-
щих оптических систем зависит от принятого закона движения
или траектории сканируемого оптического элемента, угла поля
обзора юо63 и мгновенного углового поля сомгя, периода сканирова-
ния Тск, времени возврата tE и КПД сканирования Т|ск. Некоторые
из этих параметров выбирают на основе энергетического и точ-
ностного расчетов (см. п. 6.1).
Наиболее широко в ОЭП используют линейное, построчное,
круговое, розеточное и спиральное сканирование. Типичное ли-
нейное сканирование осуществляется в щелевых модуляторах,
которые совершают возвратно-поступательные перемещения
относительно изображения. В частном случае линейное сканиро-
вание может быть реализовано путем перемещения самого при-
емника излучения.
Построчное сканирование в поле обзора 2(ообз часто осуществ-
ляется с помощью вращающегося зеркала 5, установленного
перед объективом 6 (рис. 9.4). Привод зеркала содержит испол-
388
Глава 9. Особенности выбора и расчета электропривода ОЭП
Рис. 9.4. Схема привода со сканирую-
щим зеркалом, установленным перед
объективом
нительный микроэлектродвигатель
3, потенциометр 2 и зубчатые пе-
редачи 1 и 4. Мгновенное угловое
поле 2<вмгн определяется угловым
полем объектива.
В качестве двигателей такого
привода сканирующей системы
чаще всего используют микроэлектродвигатели постоянного тока
типа ДПМ и ДПР, а в ряде случаев шаговые двигатели.
Недостатком этого привода является необходимость исполь-
зования мощного двигателя и относительно большие перегрузки
в кинематических цепях. Это обусловлено большими размерами
зеркала, установленного перед объективом. Привод сканирую-
щей системы можно упростить, если установить сканирующее
зеркало в сходящемся пучке лучей, т.е. за объективом.
Схема привода такой системы показана на рис. 9.5. Недоста-
ток этой схемы — нелинейность функции, описывающей изме-
нение смещения изображения излучателя в зависимости от угла
поворота зеркала, особенно увеличивающаяся при больших уг-
лах поворота. Для устранения ее в приводах необходимо приме-
нять компенсирующие кинематические звенья, например кула-
чок (рис. 9.5). Для этой цели могут быть использованы и рычаж-
ные механизмы. Достоинством сканирующих приводов с кулач-
ковыми и рычажными механизмами является также увеличе-
ние КПД сканирования за счет использования не только прямо-
го, но и возвратного движения сканирующего элемента. В каче-
стве исполнительного элемента в этой схеме часто целесообразно
применять электромагнит.
Если сканирование изображения
должно выполняться только в пря-
мом ходе, то в обратном ходе для
увеличения КПД сканирования ска-
нирующий элемент целесообразно
перемещать с более высокой скорос-
Рис. 9.5. Схема сканирующей системы с
зеркалом, установленным за объективом:
1 — объектив; 2 — сканирующее зеркало;
3 — многоэлементный приемник излучения;
4 — пружина; 5 — рычаг; 6 — ролик; 7 —
кулачок; 8 — электродвигатель
389
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 9. Особенности выбора и расчета электропривода ОЭП
тью, чем в прямом ходе. Однако при реверсе существенно увели-
чивается угловое ускорение й привода, что приводит к увеличе-
нию динамического момента на оси двигателя, т.е. к росту тре-
буемой мощности двигателя.
Приводы с кулачковыми механизмами позволяют получить
также довольно простые двухкоординатные сканирующие сис-
темы. Пример такой системы, установленной перед прибором 12,
показан на рис. 9.6. Здесь с помощью редуктора 2 с двигателем
1 кинематически связаны кулачки 3 и 9 строчной развертки и
кулачок 6 кадровой развертки. Кулачки входят в соприкоснове-
ние с шаровыми опорами 4, 7 и 10, установленными на плоском
отражающем зеркале 11. Зеркало во время движения прижато к
кулачкам пружинами 5 и 8. При вращении кулачков зеркало
осуществляет построчное сканирование.
Рис. 9.6. Схема привода двухкоординатной зеркальной сканирующей
системы
Розеточное сканирование можно реализовать с помощью
пары вращающихся встречно с разной скоростью клиньев 1 и 2
(рис. 9.7). В случае, если угловая скорость одного из клиньев
больше угловой скорости другого клина в 3 раза, розетка будет
иметь четыре лепестка.
Предварительный
выбор электродвигателя
привода сканирующей
Рис. 9.7. Схема сканирую-
щей системы с двумя вра-
щающимися клиньями:
1,2 — клинья; 3 — объектив;
4 — приемник излучения; 5 —
зубчатый редуктор; в — дви-
гатель
системы обычно выполняют по его номинальным мощности NH
на валу и пусковому моменту Мп н исходя из следующих усло-
вий:
М >М и N >N ,
П.Н— п.р	Н — р’
где Np и Мп р — расчетные мощность и пусковой момент соответ-
ственно.
Для расчета Мп р необходимо в этом случае учитывать при-
веденный к валу двигателя динамический момент Мj = = <Jnp (b,
где Jnp — приведенный к валу двигателя момент инерции приво-
да, (Ь — угловое ускорение вала двигателя.
Шаговые двигатели выбирают аналогичным образом. При
этом передаточное отношение привода
i = В f /5
Нш'и/ max ’
где Рш — угловой шаг двигателя; fK — частота управляющих
импульсов, которая должна быть меньше частоты приемистости
fnpi Smax — максимальная частота вращения нагрузки или послед-
него в редукторе вращающегося элемента (например, трибки),
кинематически связанного с линейно перемещаемым элементом,
например с рейкой.
9.5.	Привод следящих оптико-электронных систем
Наибольшее применение в современных следящих оптико-
электронных системах находят электромеханические приводы.
Такой привод включает исполнительный электродвигатель, уп-
равляемый элемент обратной связи (например, оптико-механи-
ческий компенсатор с отсчетной системой), преобразователь сиг-
нала (например, потенциометр) и редукторы, кинематически свя-
зывающие управляемый элемент с электродвигателем и преоб-
разователем.
Основными требованиями, предъявляемыми к высокоточно-
му следящему приводу ОЭП, являются минимальные значения
статической и динамической погрешностей, устойчивость рабо-
ты, т.е. отсутствие в процессе управления незатухающих коле-
баний, малые габаритные размеры и масса, часто достаточно
высокое быстродействие и отсутствие вредного влияния нели-
нейности в звеньях системы.
Редуктор следящего привода должен удовлетворять следую-
щим требованиям:
—	малая инерционность кинематической цепи редуктора,
чтобы исключить дополнительные инерционные нагрузки на
электродвигатель;
391
390
Проектирование оптико-электронных приборов
—	минимальное значение момента трогания кинематической
цепи редуктора. Это объясняется тем, что трение без смазочного
материала (сухое трение) вызывает нелинейность системы регу-
лирования следящей системы и, поскольку трение покоя больше
трения движения, слишком большой момент трогания может
нарушить плавность работы привода, т.е. привести к скачкооб-
разному изменению управляющего воздействия;
—	минимальный мертвый ход в кинематической цепи редук-
тора и его стабильность в процессе эксплуатации. Иногда счита-
ют, что допустимое значение мертвого хода не должно превы-
шать половины погрешности следящей системы;
—	жесткость кинематической цепи редуктора должна быть
такой, чтобы исключить возможность появления частот крутиль-
ных колебаний в области полосы пропускания рабочих частот
следящей системы и упругого люфта в кинематических цепях,
который суммируется при реверсе с мертвым ходом;
-	простота конструкции, малые габаритные размеры и масса.
Проектирование привода следящих оптико-электронных си-
стем обычно ведут на основе хорошо разработанных методов
синтеза и анализа систем автоматического регулирования. Одна-
ко оптико-электронные следящие системы имеют некоторые
особенности, которые должны быть учтены при их проектирова-
нии. К ним относятся необходимость учета возможных измене-
ний попадающего во входной зрачок потока в зависимости от
изменения дальности действия оптико-электронной системы,
порогового потока приемника излучения или всей системы вслед-
ствие изменения фонов и помех, отношения сигнал/шум, а так-
же нелинейности основных узлов системы, таких как приемник
излучения, анализатор изображения и др.
Методика выбора привода оптико-электронной следящей си-
стемы зависит от ее структурной (функциональной) схемы. В ка-
честве примера рассмотрим функциональную схему угломерной
оптико-электронной следящей системы (рис. 9.8), построенной с
анализатором изображения в виде светоделительной призмы 4.
Поток от излучателя фокусируется объективом 1 в плоскости
светоделительной призмы 4, делится ею на два потока, которые
поочередно пропускаются вращающимся радиально-секторным
модулятором 6 на приемник излучения 7. Сигнал с приемника
излучения усиливается усилителем 8 и подается в обмотку уп-
равления асинхронного электродвигателя 10, в обмотку возбуж-
дения которого подключен сигнал от генератора опорного напря-
жения 9, состоящего, например, из светодиода и фотодиода, ус-
тановленных по разные стороны модулятора 6. Электродвигатель
10 через редуктор 11 поворачивает оптический компенсатор 2,
392
Глава 9. Особенности выбора и расчета электропривода ОЭП
Рис. 9.8. Функциональная схема оптико-электронной следящей систе-
мы с анализатором изображения в виде светоделительной призмы
например плоскопараллельную пластину, на угол Р до тех пор,
пока изображение излучателя не вернется в исходное нулевое
положение. При этом сигнал на выходе приемника излучения
становится равным нулю. Таким образом, путем автоматичес-
кой компенсации сдвига изображения и осуществляется слеже-
ние за угловым положением излучателей.
Для измерения или регистрации возникающих угловых
рассогласований а компенсатор 2 через редуктор 3 кинематичес-
ки связан с преобразователем сигнала 5, например потенциомет-
ром, сигнал и с выхода которого пропорционален углу Р и,
следовательно, а. Структурная схема этой следящей системы
изображена на рис. 9.9. Аналогичную структурную схему имеют
Рис. 9.9. Структурная схема оптико-электронной следящей системы с
анализатором изображения в виде светоделительной призмы
393
Проектирование оптико-электронных приборов
оптико-электронные системы для стабилизации узконаправлен-
ного пучка света, ориентации и навигации и др. В качестве уп-
равляемого элемента систем служит компенсатор.
Возможная методика выбора приводов оптико-электронных
следящих систем с компенсаторами заключается в следующем.
1.	Выбирают тип компенсатора в соответствии с соображе-
ниями, приведенными в п. 7.5.
2.	Выбирают преобразователь сигнала (см., например, [5]).
3.	Строят возможные точные кинематические цепи между
осью вращения компенсатора (выходным валом) и преобразова-
телем исходя из передаточного отношения привода, полученно-
го для выбранных компенсатора и преобразователя.
4.	Рассчитывают погрешности этих цепей, приведенные к оси
преобразователя, и выбирают такую кинематическую цепь, для
которой указанная погрешность будет минимальной.
5.	Предварительно выбирают электродвигатель следящей си-
стемы и рассчитывают кинематическую цепь между двигателем
и выходным валом (определяют передаточное отношение цепи,
разбивают его на отдельные составляющие и вычисляют пара-
метры элементов привода, например зубчатых колес).
6.	Составляют выражения для расчета результирующей
погрешности Дам вследствие мертвого хода, приведенной к вы-
ходному валу (нагрузке), и результирующего момента инерции
еЛпр, приведенного к оси электродвигателя, кинематической цепи
между электродвигателем и нагрузкой, проводят их анализ в це-
лях минимизации значений Дам и <7пр и на его основе изменяют
передаточные отношения отдельных ступеней редуктора и дру-
гие параметры кинематических цепей.
7.	Проводят динамические расчёты следящего привода (оп-
ределяют передаточную характеристику, логарифмическую ам-
плитудно-частотную характеристику, устойчивость системы и
другие качественные показатели).
8.	Путем вычитания полученной логарифмической ампли-
тудно-частотной характеристики следящего привода из желае-
мой характеристики находят логарифмические амплитудно-час-
тотные характеристики корректирующих звеньев, их вид и ме-
ста включения. Для коррекции амплитудно-частотных характе-
ристик могут быть использованы также аналоговые и цифровые
вычислительные устройства.
9.	Определяют параметры и характеристики скорректиро-
ванной следящей системы (устойчивость, динамическую погреш-
ность, время переходного процесса) и проверяют их соответствие
требованиям ТЗ.
394
Глава 9. Особенности выбора и расчета электропривода ОЭП
Методика выбора кинематической схемы привода следящих
оптико-электронных систем, у которых отсутствует оптический
компенсатор, несколько отличается от рассмотренной. У этих
систем выходной вал привода перемещает либо непосредственно
объектив оптико-электронной системы, совмещая его оптичес-
кую ось с направлением на излучатель, либо рабочий инстру-
мент, корректируя его положения относительно объекта, напри-
мер обрабатываемой детали, а преобразователь сигнала часто
устанавливается непосредственно на выходном валу. В этом слу-
чае обычно известна требуемая угловая скорость перемещения
выходного вала (нагрузки) совых. Поэтому можно предварительно
выбрать двигатель (исходя из изложенных выше соображений),
имеющий частоту вращения пд, вычислить передаточное отно-
шение редуктора по формуле ip = 2ппда/а>вых, построить его кине-
матическую цепь, провести анализ погрешностей редуктора,
уточнить параметры кинематической цепи между двигателем и
выходным валом и уточнить возможность использования пред-
варительно выбранного двигателя. После этого следует выпол-
нить динамические расчеты в соответствии с п. 7—9 изложенной
выше методики.
В качестве двигателя следящих оптико-электронных систем
часто можно рекомендовать асинхронные двухфазные электро-
двигатели переменного тока, имеющие хорошие динамические
характеристики, простое управление, малые габаритные разме-
ры и различные частоты питающих напряжений (50; 330; 400;
500; 800; 1000 Гц), что позволяет упростить электронную схему
преобразования сигнала, если частоту модуляции сигнала при-
нять равной частоте питающего напряжения.
В кинематических схемах привода могут быть использованы
различные механизмы: зубчатые, кулачковые, рычажные, вин-
товые, червячные, клиновые и т.п. Их выбор определяется, в
основном, значением передаточного отношения, требуемыми по-
грешностью, моментом нагрузки, износоустойчивостью, габарит-
ными размерами, массой и стоимостью. Весьма широкое распро-
странение в качестве приводов ОЭП получили зубчатые механиз-
мы.
Кинематические цепи между валом двигателя и нагрузкой
строят исходя из полученного передаточного отношения ip, ми-
нимума момента инерции <7пр, приведенного к оси двигателя, что
позволяет выбрать меньший по мощности двигатель и тем са-
мым упростить конструкцию привода. Затем обеспечивают вы-
полнение других требований, приведенных выше.
Построение кинематической цепи отсчетного преобразовате-
ля ведется исходя из передаточного отношения i между выход-
395
Проектирование оптико-электронных приборов
ним валом (вал компенсатора) и осью преобразователя, опреде-
ляемого по формуле
^ = ак/апр«
где ак — диапазон линейности компенсатора; апр — диапазон
измерений преобразователя, и относительной погрешности пре-
образователя, которая должна быть меньше относительной по-
грешности компенсатора, т.е. Дапр/апр < Дак/так, у — заданный
постоянный коэффициент запаса, у = 2 ... 5.
Поскольку рассматриваемая цепь увеличивает погрешность
преобразования, необходимо по возможности использовать про-
стую ее схему, и привод должен иметь по возможности малую
собственную погрешность. При i > 1 погрешность компенсатора,
приведенная к оси преобразователя, уменьшается в I раз, т.е.
Дак.пр ~ AuK/i. Уменьшаются также погрешности первых ступеней
передачи при достаточно большом значении i. Это следует из
формулы
Да - Аак ।	,
Z i i i
где ij — передаточное отношение j-й ступени, Да7 — погрешность
этой ступени.
Таким образом, указанные погрешности в этом случае су-
щественного вклада в результирующую погрешность, приведен-
ную к оси преобразователя, не вносят. Значение результирую-
щей погрешности в большей степени будет зависеть от погреш-
ностей последних ступеней передачи. Кроме того, при большом
значении i требуется преобразователь с очень малым значением
погрешности Дапр = что иногда бывает затруднительно.
Момент инерции всей кинематической цепи, наоборот, в
большей степени зависит от первых ступеней цепи, чем от после-
дних. Это следует из формулы
з
npi
* Ы
где J-, — моменты инерции j-x ступеней.
Поэтому иногда передаточное отношение отсчетной
кинематической цепи определяют путем минимизации момента
инерции.
При i < 1 ситуация меняется на обратную, т.е. погрешность
первых ступеней отсчетной кинематической цепи вносит сущест-
венный вклад в ее результирующую погрешность, а моменты
инерции первых ступеней могут мало влиять на момент инерции
всей цепи.
396
Глава 9. Особенности выбора и расчета электропривода ОЭП
Двигатель исполнительного привода оптико-электронных
следящих систем может быть выбран по различным методикам
[25]. Одна из распространенных методик основана на анализе
фазовых характеристик следящей системы. Номинальные пара-
метры двигателя в этом случае выбирают по точке фазовой траек-
тории, координаты которой сон и со соответствуют наибольшей
динамической мощности Nmax. Выбор такой точки фазовой тра-
ектории обоснован, так как основную часть мощности электро-
двигателя в переходных режимах составляет динамическая мощ-
ность. Требуемый номинальный момент двигателя приближенно
можно определить из следующего соотношения:
Мн = <р“н/р + МсТЛрППр.
где Jnp — приведенный к валу двигателя момент инерции при-
вода, <7пр = <7ДВ + </н/*р > ^д» — собственный момент инерции ро-
тора двигателя; JH — момент инерции нагрузки исполнитель-
ного механизма; Мст — статический момент нагрузки; т]пр — КПД
привода; для маломощных редукторов с исполнительными дви-
гателями мощностью не более 20 Вт т]пр = 0,7 ... 0,9.
Предварительно электродвигатель может быть выбран из
следующих условий:
Мп > Мк; NaB > (1,2...1,5) Nmax = (1,2...1,5)Мнсон.
Но поскольку номинальные параметры двигателя, определен-
ные таким способом, соответствуют лишь одной точке фазовой
характеристики, а в процессе работы следящей оптико-электрон-
ной системы возможны другие значения вращающего момента и
угловой скорости, то часто необходима проверка выбранного дви-
гателя на механическую перегрузку. Эту проверку выполняют
путем построения нагрузочной характеристики двигателя со
= f(M) с учетом характера реального изменения угловой ско-
рости, ускорения нагрузки и реальных входных детерминирован-
ных и случайных воздействий на следящую систему и сравнения
ее с механической регулировочной характеристикой двигателя.
При этом, если механическая характеристика двигателя цели-
ком охватывает площадь, ограниченную нагрузочной характе-
ристикой, то выбранный электродвигатель удовлетворяет дина-
мическим характеристикам следящей системы.
В ряде случаев при выборе электродвигателя высокоточных
следящих оптико-электронных систем можно пользоваться раз-
личными рекомендациями по назначению коэффициентов запа-
са по угловой скорости, моменту инерции и мощности, а также
коэффициентов, характеризующих линейность и плавность при-
вода, по допустимому люфту редуктора. В частности, для систем
397

Проектирование оптико-электронных приборов
с погрешностями положения выходного вала около 210 4 ... 10 3,
работающих при случайных входных воздействиях и помехах,
коэффициент у, характеризующий плавность хода и линейность
привода, рекомендуется выбирать равным 10 ... 20. При этом
требуемая номинальная мощность электродвигателя Nns =
=(5 ... 10)Мстюн.
Заключительный этап выбора электродвигателя — его про-
верка по тепловому режиму. Но для маломощных двигателей
следящих оптико-электронных систем такую проверку обычно
не проводят.
Глава 10. УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ОТ
ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
10.1.	Защита оптико-электронных приборов
от тепловых воздействий
К системам и устройствам для обеспечения требуемых
тепловых режимов ОЭП, их отдельных узлов и элементов отно-
сятся системы охлаждения узлов и элементов, например охлаж-
дающие теплообменники и вентиляционные устройства различ-
ных типов; системы стабилизации температуры в определенном
узком диапазоне ее изменения; тепловые трубы, а также радиа-
торы для отвода теплоты от транзисторов, диодов, интегральных
микросхем, приемников излучения, других элементов ОЭП.
10.1.1.	Использование конвекции
Простейшим способом охлаждения ОЭП является сво-
бодная конвекция внутри него. В узких щелях шириной менее 5
мм внутри герметичного корпуса прибора конвекция отсутству-
ет [15]. Поэтому для улучшения теплообмена расстояния между
отдельными элементами и узлами внутри корпуса прибора не-
обходимо выбирать более 5 мм.
В случае равенства теплоотдачи с обеих сторон закрытого
металлического корпуса перепад температуры между его внутрен-
ним и наружным пространством [15 ]
At = 2Ppac/[(aK + aH)SK],
где SK — площадь поверхности корпуса; оск, оси — коэффициенты
теплоотдачи (теплообмена) за счет конвекции и теплового излу-
чения соответственно; Ррас — рассеиваемая прибором мощность.
399
Проектирование оптико-электронных приборов
Для пластмассовых корпусов перепад температур между их
внутренним и наружным пространством рассчитывают по фор-
муле следующего вида [15]:
“ (^рас/5к)[2/(ак +ССи) + 1/сСт]»	(Ю.1)
где От — коэффициент теплоотдачи за счет теплопроводности,
которым для металлических корпусов пренебрегают вследствие
его большого значения.
В приборах, корпус которых выполнен с перфорациями, кон-
векция, как указывалось в п. 6.5, более интенсивна. Тепловой
поток, отводимый от вентилируемого корпуса, в этом случае мо-
жет быть определен по формуле [15]
Р
рас'в 1+1/(1+O,5-7y)’
где а* = ак(7у+1)+аи; у = (2£в/£и)100 — коэффициент вен-
тиляции (перфорации), %; 8В—площадь перфорационных отвер-
стий.
Отношение мощностей рассеяния теплоты вентилируемого и
невентилируемого корпусов из различных материалов иллю-
стрирует рис. 10.1, а на рис. 10.2 приведена зависимость отно-
шения разностей температур внутри прибора и снаружи для вен-
тилируемого Д£в и невентилируемого Д< корпусов от V-
Вынужденная конвекция эффективней свободной. Тепловой
поток, отводимый с помощью вынужденной конвекции,
Фк =ак.в5к А*’
О	в 16 V'/.

Рис. 10.1. Отношение мощностей рассеяния
теплоты вентилируемого Ррас в и невентили-
руемого Рр„ корпусов из различных мате-
риалов в зависимости от у:
1 — из пористого полиуретана; 2 — из полисти-
рола; 3 — из металла
Рис. 10.2. Зависимость от у отношения раз-
ностей температур внутри прибора и внеш-
ней среды для вентилируемого и невентили-
руемого корпусов:
1 — из металла; 2 — из полистирола; 3 — из по-
ристого полиуретана
400
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
где ак в — коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвек-
ции, который изменяется в диапазоне 20 ... 120 Вт-м 2 К ' [15].
Для эффективного использования охлаждающих потоков возду-
ха в корпусе прибора необходимо предусмотреть каналы для их
прохождения и предотвратить подсос постороннего воздуха пу-
тем соответствующей герметизации корпуса. В зависимости от
расположения вентиляторов в корпусе прибора различают при-
точную и вытяжную вентиляции. При приточной вентиляции
вентилятор устанавливают в нижней части корпуса, а при вытяж-
ной — в верхней его части. В результате подсоса постороннего
воздуха в верхней части корпуса объемный расход воздуха пада-
ет вследствие уменьшения его скорости, в связи с чем узлы и
элементы, расположенные в верхней части, охлаждаются хуже.
При вытяжной вентиляции, наоборот, хуже охлаждаются узлы
и элементы, расположенные в нижней части корпуса. Поэтому
для предотвращения указанных недостатков используют комби-
нированную приточно-вытяжную вентиляцию.
Иногда в ОЭП применяют жидкостное охлаждение отдель-
ных элементов или узлов. В этом случае жидкость, например
вода, пропускается через узлы прибора по специальному каналу
и охлаждается в теплообменниках, расположенных, как прави-
ло, вне прибора. При водяном охлаждении коэффициент оскв =
= 200 ... 3000 Вт-м_2-К-1 [33]. Разновидностями жидкостного
охлаждения являются испарительное и конденсационное охлаж-
дение. Они применяются для теплоотвода в труднодоступных
местах, а также при точечных источниках тепловой энергии
высокой плотности, например, для охлаждения мощных полу-
проводниковых приборов. Коэффициент теплопередачи при этом
ок.в = 500 ... 2000 Вт-м-2-К-‘ [33].
10.1.2.	Использование термостатов
Термостатом называется устройство, которое, находясь
в среде с меняющейся в широком интервале температурой, обес-
печивает внутри некоторого объема с помещенным в него объек-
том термостатирования заданную температу-
ру или малый интервал ее изменения в тече-
ние длительного времени. Конструктивно тер-
мостат (рис. 10.3) состоит из камеры 1 с объек-
том термостатирования 2, источника тепловой
энергии 3, теплоизолирующей оболочки 4 с
защитным кожухом 5. Элементы конструкции
и электрические соединения 8 являются теп-
Рис. 10.3. Схематическое изображение термостата
s
-ч-
j~a
401
Проектирование оптико-электронных приборов
ловыми связями объекта термостатирования с камерой и окру-
жающей средой. Внутри камеры 1 устанавливается датчик 7 кон-
троля температуры с контрольными и исполнительными устрой-
ствами 6, которые управляют источником тепловой энергии. Для
выравнивания поля температур в рабочей зоне термостата его
камеру выполняют из хорошо проводящего теплоту материала,
нагревательные или холодильные элементы располагают по стен-
кам камеры равномерно, используют внутри камеры конвекцию
среды и т.п.
При проектировании термостатов необходимо обеспечить за-
данные температурный диапазон в объекте, точность термоста-
тирования, допустимую неравномерность поля температур в объ-
екте или в объеме камеры, нормальную работу при изменении
внешних тепловых потоков, допустимую мощность источников
теплоты, необходимое время выхода на заданный режим (быстро-
действие), заданные массу и объем.
Электрические и механические связи с объектом следует вы-
полнять из материалов с большим тепловым сопротивлением.
При разработке конструкции термостатов целесообразно выби-
рать форму камеры в виде шара, цилиндра или куба с надежным
тепловым контактом узлов конструкций; стенки камеры для
выравнивания их поля температуры должны быть массивными
и выполненными из материалов с высоким коэффициентом
теплопроводности, например из алюминия. Для оболочки тер-
мостата следует применять теплоизоляцию из материала с ма-
лым коэффициентом теплопроводности, например из пеноплас-
та или фетра, или создавать вакуумную прослойку, а для умень-
шения теплоотдачи от термостата в окружающую среду его сле-
дует помещать в кожух из тонкого листового металла с малым ко-
эффициентом излучения и хорошо обработанной поверхностью.
В термостатах с нагревательным элементом рабочую темпера-
туру Т, приходится выбирать выше максимальной температуры,
которая может быть внутри прибора или его отдельного узла при
любых условиях эксплуатации, что является основным недо-
статком термостатов рассмотренного типа, так как в этом случае
ОЭП может работать при повышенных температурах.
От указанного недостатка свободны термостаты, в которых
заданная температура поддерживается с помощью полупроводни-
ковых термобатарей. Такие батареи обладают способностью вы-
делять теплоту, когда через них течет ток в одном направлении,
и поглощать теплоту, когда ток течет в противоположном направ-
лении. Термостаты с полупроводниковыми батареями позволяют
поддерживать температуру, которая ниже температуры окружа-
ющей среды. Их недостатком по сравнению с рассмотренными
402
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
выше термостатами являются большие масса и энергопотреб-
ление.
При необходимости поддерживать температуру одного из уз-
лов или элементов прибора с погрешностью до сотых или тысяч-
ных долей градуса можно использовать двойной термостат, один
из которых устанавливается внутри другого, менее точного.
10.1.3.	Устройства для охлаждения приемников излуче-
ния и других элементов оптико-электронных
приборов
Для охлаждения приемников излучения и ряда других
узлов и элементов ОЭП (оптической системы, электронного бло-
ка, излучателей и т.п.) используют различные способы ох-
лаждения, наибольшее распространение среди которых получи-
ли: испарительные или криостатные; способы, основанные на
дросселировании газов (эффект Джоуля-Томпсона); термо-
электрические, основанные на эффекте Пельтье; радиационные,
основанные на лучистом теплообмене с окружающей средой,
например с космическим пространством, и комбинированные —
одновременное сочетание нескольких способов.
При выборе способа охлаждения узла ОЭП необходимо учи-
тывать требуемые температуру охлаждения, стабильность ее
поддержания, холодопроизводительность, т.е. мощность, ис-
пользуемую для отвода теплоты в окружающую среду, длитель-
ность непрерывной работы, время выхода на рабочий режим (пу-
сковой период), энергопотребление, автономность, массу, габа-
ритные размеры, условия эксплуатации, простоту обслуживания,
характер конструктивного сопряжения с охлаждаемым узлом,
удобство размещения в ОЭП и т.п.
Наиболее широко в ОЭП используются испарительные спо-
собы охлаждения, основанные на непосредственном контакте
хладагента с охлаждаемым узлом, например приемником излу-
чения, находящимся в сосуде Дьюара. Он представляет собой два
тонкостенных стеклянных стакана (вставленных один в другой)
с отражающим покрытием, у которых заварены торцы. Между
стаканами создается вакуум. Во внутренний объем криостата в
виде сосуда Дьюара помещают хладагент — сжиженный или
отвержденный газ, охлаждающий внутренний стакан до собствен-
ной температуры этого газа. Температура охлаждения определя-
ется или температурой кипения хладагента при его жидком
агрегатном состоянии, или температурой сублимации хладаген-
та при его твердом агрегатном состоянии. В табл. 10.1 приведе-
ны теплофизические параметры некоторых хладагентов.
403
Проектирование оптико-электронных приборов
Таблица 10.1
Теплофизические параметры некоторых хладагентов
Хладагент	Температура кипения при давлении 0,1 МПа, К	Плотность жидкости, ГСМ3	Диапазон рабочих температур в твердотель- ных системах, К	Плотность в твердом состоянии, ГСМ'3
Гелий	4.22	0.125	—	0.16
Водород	20.38	0.071	8.3 ... 14	0.09
Неон	27.10	1.206	13.5 ... 24	1.44
Азот	77.86	0.804	43.4 ... 63	0.95
Аргон	87.29	1.393	47.8 ... 83	1.70
Метан	111.67	0.426	59.8 ... 90	0.52
Этан	184.53	0.546	95... 104	—
Диоксид углерода	194.70 *	1.180	125 ... 194	1.6
Аммиак	239.76	0.682	—	0.8
* Температура сублимации				
Криостат (рис. 10.4) состоит из наружного 3 и внутреннего 1
сосудов [25]. К наружному сосуду приварено входное окно 6, вы-
полненное из оптического материала, пропускающего излучение
в области спектральной чувствительности приемника. Приемник
7 прикреплен к наружной стенке внутреннего сосуда напротив
окна 6. На стенке сосуда 1 напылены две металлические дорож-
ки—выводы 4, соединенные с одной стороны с контактами при-
емника, а с другой — с выводными штырьками 5. Во внутрен-
нюю полость криостата залит сжиженный газ 2. Такой криостат
1 6
эксплуатируется только в вертикальном поло-
жении, что предотвращает выливание хлада-
гента. Недостатком этой конструкции являет-
ся также горизонтальное положение чувстви-
тельной площадки приемника излучения. Его
можно устранить путем установки приемника
на боковую стенку внутреннего сосуда. При
этом следует поменять и место установки вход-
ного окна. От указанного недостатка свободна
конструкция криостата, в котором в качестве
хладагента используется брикет отвержденно-
го газа, поджимаемого ко дну внутреннего со-
суда пружиной через вкладыш из теплоизоля-
ционного материала.
Рис. 10.4. Конструкция охлаждаемого приемника
излучения с криостатом
404
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
Криостаты с отвержденным хладагентом целесообразно ис-
пользовать при тепловой нагрузке до 0,5 Вт в диапазоне измене-
ния температуры 10 ... 110 К, а срок службы их при этом состав-
ляет 100 ... 10000 ч. Повышение холодопроизводительности этих
криостатов приводит к резкому увеличению массы и габарит-
ных размеров и делает их применение невыгодным по сравне-
нию с другими системами охлаждения. Криостаты с жидкостным
охлаждением могут быть использованы в диапазоне изменения
температуры 4 ... 100 К, но их недостатком является небольшой
срок службы ~ 4 ... 100 ч.
Основными достоинствами рассмотренных криостатов явля-
ются простота конструкции и эксплуатации, надежность в рабо-
те, высокая стабильность температуры охлаждения, а также
отсутствие потребления энергии. Некоторым их недостатком
является необходимость систематического восполнения хлада-
гента, если требуется продолжительный и непрерывный срок их
службы.
В дроссельном охлаждающем устройстве (рис. 10.5) сжатый
газ, находящийся в сосуде 1, направляется через теплообменник
2 на дроссельное устройство 3, выполненное в виде трубки с от-
верстием небольших размеров (около 25 ... 75 мкм) на конце.
Выходя из дроссельного устрой-
ства 3, газ резко расширяется, его
давление падает, что и приводит к
охлаждению. Охлажденный газ
поступает через охлаждаемую зону
4 в теплообменник 2, снижая тем-
Рис. 10.5. Структурная схема
дроссельного охлаждающего
устройства
пературу поступающего в дроссель
газа. Это вызывает еще большее
снижение температуры в охлажда-
емой зоне 4. Процесс снижения температуры продолжается до
появления жидкой фазы. При установке чувствительной площад-
ки приемника излучения в зоне охлаждения от него отводится
тепловая энергия.
На практике используют различные варианты конструктив-
ного исполнения микрохолодильников, основанных на дроссе-
лировании газов (рис. 10.6). Охлаждаемая чувствительная пло-
щадка приемника излучения 3 установлена в вакуумной полос-
ти сосуда Дьюара 10 перед окном 1. Во внутреннем стакане сосу-
да Дьюара помещен дроссельный микрооохладитель, который вы-
полнен в виде тонкой металлической трубки 8, навитой на стер-
жень 9, установленный в держателе 5. Один конец трубки подве-
ден к входному штуцеру 7, другой — к коллектору 11, в котором
выполнено дроссельное отверстие.
405
Проектирование оптико-электронных приборов
а — в вакуумной полости; б — в газонаполненном объеме
Сжатый газ направляется от коллектора на дно микроохла-
дителя 2, после чего испаряется и отводится к выходному шту-
церу 6, охлаждая по пути сжатый газ, подводимый по трубке 8.
Тепловой контакт с охлаждаемой чувствительной площад-
кой приемника 3 обеспечивается с помощью слоя специальной
теплопроводящей пасты 4.
Такая конструкция проста и довольно надежна, но перепад
температуры между зоной охлаждения и чувствительной площад-
кой приемника довольно велик — до 10 К. Этот перепад может
быть уменьшен путем размещения чувствительной площадки
непосредственно на дне микрохолодильника, что возможно, од-
нако, лишь при вынесении приемника из вакуумной полости
сосуда Дьюара в газонаполненный внутренний объем. Один из
возможных вариантов такой конструкции представлен на
рис. 10.6, б. Особенностью конструкции является наличие нако-
пителя 12, который обеспечивает автономный режим работы
микрохолодильника после отключения подачи сжатого хлада-
гента. Накопитель представляет собой пористую набивку из
стекловолокна, аккумулирующую жидкость в процессе работы
микроохладителя.
Микроохладители можно использовать также для охлажде-
ния миниатюрных элементов ОЭП, размещаемых близко от дрос-
селя, что позволяет выполнить микроохладитель и ОЭП в виде
единого и сравнительно простого по конструкции изделия. В
случае крупногабаритных ОЭП требуются специальные теплооб-
менники для передачи холода от хладагента к корпусу ОЭП.
Известны быстродействующие дроссельные микроохладите-
ли с пусковым периодом в несколько микросекунд, у которых
низкотемпературные узлы выполняют из материалов с малой
удельной теплоемкостью, а габаритные размеры этих узлов вы-
406
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
бирают минимально возможными. Некоторые дроссельные мик-
роохладители со специальными тепловыми экранами и фильтра-
ми обеспечивают стабильность температуры охлаждения узлов и
элементов ОЭП с погрешностью -10 3 К.
Использование дроссельных систем позволяет довести темпе-
ратуру охлаждения узлов и элементов до 78 К (температура кипе-
ния жидкого азота). Более низкие температуры охлаждения
можно получить, используя многокаскадные микрохолодильни-
ки, в которых предыдущий каскад обеспечивает понижение тем-
пературы на входе последующего, а также применяя вместо азо-
та газы с более низкими температурами кипения.
Газ из выходного штуцера дроссельного микроохладителя
может выбрасываться в атмосферу или поступать через микро-
компрессор обратно в микроохладитель. В соответствии с этим
дроссельные системы делят на разомкнутые и замкнутые. Разом-
кнутые дроссельные системы имеют оптимальный ресурс -15 ч
при холодопроизводительности до 3 Вт. Замкнутые системы
имеют значительно больший ресурс работы (до 2103 ч) и высо-
кую хладопроизводительность (до 100 Вт), но они более сложны
по конструкции. Конструктивное исполнение микроохладителей
для систем охлаждения обоих типов одинаково [8, 25].
Габаритные размеры современных дроссельных микроохла-
дителей сравнительно невелики, иногда любой из них не превы-
шает 19 мм [8, 25]. Недостатком дроссельных систем является
возможность закупорки дроссельного отверстия примесями газа.
Наиболее миниатюрными устройствами для охлаждения
узлов и элементов ОЭП являются термоэлектрические полупро-
водниковые холодильники. Основными их достоинствами явля-
ются большой срок службы, что объясняется отсутствием в их
конструкции подвижных элементов и расходуемого хладагента,
бесшумность в работе, отсутствие вибрации, а также простота
эксплуатации.
Рассмотрим конструкцию узла пленочного фоторезистора
(рис. 10.7), охлаждаемого с помощью термоэлектрического холо-
дильника и расположенного в ва-
куумированной стеклянной колбе.
Температура фоторезистора ниже
на 100° температуры окружающей
среды. Поскольку один каскад
термоэлектрической батареи не
обеспечивает указанный перепад
Рис. 10.7. Конструкция термоэлект-
рического холодильника
407
Проектирование оптико-электронных приборов
температур, в конструкции применена трехкаскадная батарея.
К теплопроводящему основанию 15 через специальные теп-
лопереходы 14 присоединяется первый каскад термоэлектричес-
кой батареи 13. Последовательно с ним через теплопереходы 12
соединяются термоэлементы второго каскада 11.
Коллекторы холодных спаев второго каскада выполнены в
виде разрезанного по диаметру фигурного стержня 10, в верхней
части которого находится термоэлемент 9 третьего каскада, со-
единенный последовательно с термоэлементами второго каска-
да. В коллекторе 6 холодного спая третьего каскада закреплен
микротермистор 8, являющийся датчиком схемы стабилизации
температуры. Фоторезистор, расположенный в колбе 5, надева-
ется непосредственно на термоэлемент третьего каскада. Для
уменьшения внешнего теплового воздействия используется пе-
нопластовая теплоизоляция 3 и 4. Снаружи термобатарея закры-
та кожухом 2. Фоторезистор крепится посредством эпоксидного
компаунда 7, а питание термобатареи осуществляется через две
гибкие шины 1.
Недостатками термоэлектрических холодильников являют-
ся сравнительно низкий перепад температур, обеспечиваемый
ими (перепад температур горячего и холодного спаев одного кас-
када At» 70°, а при использовании нескольких каскадов перепад
температур At= 140 ... 160°), низкий КПД (-50%) и часто боль-
шие токи питания (-10 А), что требует специального источника
питания.
Пассивное радиационное охлаждение целесообразно ис-
пользовать для сред с высокой степенью разрежения, например
в космосе, при малом собственном Тепловыделении узлов и эле-
ментов ОЭП. Такое охлаждение позволяет поддерживать темпе-
ратуру узлов и элементов ОЭП в диапазоне 60 ... 120 К. Для
обеспечения теплового излучения в космическое пространство
охлаждаемые узлы ОЭП нужно экранировать от тепловых пото-
ков Солнца, Земли и корпуса космического аппарата. При этом
тепловое излучение в космическое пространство осуществляют с
помощью радиатора, прикрепляемого к корпусу космического
аппарата через охлаждающие опоры с малой теплопроводностью.
Расчет его площади рассмотрен в п. 10.1.5.
Радиатор часто устанавливают внутри внешней ступени, при-
крепляемой к корпусу космического аппарата через охлаждаю-
щие опоры с зеркально отражающими внутренними поверхно-
стями. Между радиатором и внешней охлаждающей ступенью
устанавливается многослойная тепловая изоляция. Внешняя по-
верхность радиатора должна иметь большой коэффициент излу-
чения, а его дно и боковые поверхности — низкий коэффициент
излучения, что необходимо для уменьшения теплообмена с бо-
408
Глава Ю. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
Рис. 10.8. Зависимость теоретической площади
внутренней ступени радиатора S от температу-
ры Т его охлаждения при различных мощнос-
тях излучения радиатора:
1 — 1 мВт; 2 — 10 мВт; 3 — 100 мВт; 4 — рекоменду-
емая область
лее теплой внешней ступенью. Площадь
такого радиатора может быть определена по
графику, приведенному на рис. 10.8.
Весьма перспективными устройствами
для отвода теплоты от приемников излуче-
ния и других элементов ОЭП являются теп-
ловые трубы.
Тепловая труба — устройство, предназначенное для перено-
са теплового потока с одного конца трубы в другой за счет исполь-

' LL
Т в
VWWW
Рис. 10.9. Схема тепло-
вой трубы
зования скрытой теплоты фазового превращения теплоносите-
ля, помещенного внутри герметичной трубы. Внутренняя поверх-
ность тепловой трубы (рис. 10.9) выложена капиллярно-порис-
той структурой 2, которая насыщена смачивающей жидкостью
и граничит с паровым объемом в цент-
ральной части трубы. Капиллярно-пори-
стая структура может быть выполнена в
виде металлической сетки, спеченных
шариков, металловолокна, стеклоткани
и даже системы каналов на внутренней
поверхности корпуса 1 трубы. В качестве
теплоносителя выбирают воду, спирты,
фреоны, ацетон, аммиак и т.п. При тем-
пературах ниже 200 К в качестве тепло-
носителей используют сжиженные газы
(криогенные тепловые трубы).
При подводе теплового потока Фп к испарительной зоне А
теплоноситель в этой зоне начинает испаряться. Пары, пройдя

транспортную зону Б, поступают в противоположный конец
трубы В — в конденсационную зону, где отводится тепловой по-
ток Фо. В этой зоне пар конденсируется в жидкость, которая под
действием капиллярных сил снова поступает по капиллярно-
пористой структуре (фитилю) в зону испарения. При конденса-
ции пара выделяется тепловой поток Фо, отводимый в теплооб-
менник. Между зонами испарения А и конденсации В возника-
ют небольшие перепады температур, а боковая поверхность
цилиндрического корпуса 1 в транспортной зоне Б практически
не меняет температуру. Поэтому можно считать, что через зону
Б переносится весь тепловой поток, т.е. Ф = Фп = Фо. В тепловой
409
Проектирование оптико-электронных приборов
трубе, называемой гравитационным термосином, возврат тепло-
носителя происходит под действием гравитации.
Тепловые трубы могут иметь различную форму и конфигура-
цию. Их теплопроводность в несколько раз превышает теплопро-
водность меди и серебра. Плотность теплового потока, переноси-
мого такими трубами, составляет ~10~2 ... 10"1 Вт-м-2, а их рабо-
чее положение может быть любым. С помощью тепловых труб
теплоотдающая поверхность может быть вынесена за пределы
функциональных узлов ОЭП; они позволяют создать области
сравнительно равномерного температурного поля, решать зада-
чи термостабилизации отдельных элементов или узлов прибора
при минимальных габаритных размерах. Весьма эффективно
использование тепловых труб для охлаждения одного из элемен-
тов в группе, если место для вентилятора или микрохолодильни-
ка отсутствует.
10.1.4.	Защита от тепловых воздействий оптико-элект-
ронных приборов, устанавливаемых на космичес-
ких аппаратах
При выборе устройств для защиты от тепловых воз-
действий ОЭП, устанавливаемых на космических аппаратах,
необходимо учитывать, что теплообмен в космическом простран-
стве в основном осуществляется за счет излучения. При этом осо-
бое внимание приходится уделять обеспечению требуемых теп-
ловых режимов оптической системы и приемника излучения.
Температура оптической системы таких ОЭП определяется глав-
ным образом ее теплообменом с блендой и платформой, на кото-
рой расположена эта система. Теплообмен с приемником из-
лучения и электронным блоком обычно оказывает влияние толь-
ко на перепад температур в оптической системе и практически
не влияет на ее среднюю температуру. Для приближенной оцен-
ки температуры TQ C оптической системы в виде объектива с блен-
дой можно воспользоваться следующей формулой:
Т0.с = (гп °о.п + о0.6 + Тк оо.к)(о0.п + о0.6 + о0.к)-1,
где Тп, Т6иТг — температуры платформы, бленды и космиче-
ского пространства соответственно; аоп, оо6 и оок — тепловые
проводимости между оптической системой и соответственно плат-
формой, блендой и космическим пространством.
Значительные изменения температуры бленды могут вызы-
вать существенные изменения температуры объектива. Поэтому
их следует конструктивно «развязывать». Для уменьшения теп-
лообмена излучением необходимо уменьшать диапазон измене-
410
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
ния температур бленды путем теплоизоляции поверхности пос-
ледней диафрагмы, обращенной в космос, и увеличения тепло-
вой проводимости между блендой и платформой.
Перепады температур между объективом и блендой, объек-
тивом и космическим пространством значительны, что является
причиной больших тепловых потоков между ними даже при
относительно низких проводимостях Оо6 и оок. Поэтому если
значения всех проводимостей, входящих в формулу для определе-
ния Тос, соизмеримы между собой, даже незначительное изме-
нение одной из них вследствие изменения внешних условий или
параметров конструкции ОЭП приводит к существенному изме-
нению температуры Тос. В результате тепловой режим оптиче-
ской системы становится неустойчивым, что вызывает неконтро-
лируемые изменения ряда параметров ОЭП. Повысить устой-
чивость теплового режима оптической системы можно за счет
значительного увеличения одной из проводимостей ао „, Оо6 или
Сок (целесообразнее всего проводимости Оо п). При этом тепловой
поток между оптической системой и платформой становится
преобладающим по сравнению с другими тепловыми потоками.
В результате даже значительные изменения проводимостей о0 6 и
Оо к не приведут к практическому изменению температуры объек-
тива, и она останется близкой к температуре платформы.
При составлении уравнения теплового баланса необходимо
учитывать не только мощность внутреннего тепловыделения, но
и мощность поглощаемого блендой солнечного излучения. Тепло-
вой поток от Солнца, поглощаемый блендой, можно вычислить
по формуле
Фб = фАа6 cosy,
где Q — солнечная постоянная, Q = 0,14 Вт см2; А —площадь
входного зрачка бленды; аб — коэффициент поглощения поверх-
ности бленды; у — угол визирования Солнца.
Для охлаждения узлов ОЭП, устанавливаемых на борту кос-
мического аппарата, целесообразно применять, как было отме-
чено выше, радиационное
охлаждение. На рис.
10.10 показана конструк-
ция узла приемников из-
лучения 2 в виде ПЗС,
охлаждаемых с помощью
термоэлектрических бата-
Рис. 10.10. Конструкция узла приемников
излучения, установленного на космическом
аппарате
411
Проектирование оптико-электронных приборов
рей 1, которые через тепловые трубы 3 отводят теплоту к радиато-
ру 4, рассеивающему тепловой поток в космическое пространство.
10.1.5.	Выбор и расчет радиаторов
а)	6)
Рис. 10.11. Конструкции некоторых
радиаторов:
а — пластинчатого ребристого; б — цилинд-
рического ребристого; в — для мощных тран-
зисторов; г — охлаждающей скобы
Радиаторами называют металлические теплоотводы,
обеспечивающие интенсификацию теплообмена с окружающей
средой отдельных элементов и узлов ОЭП путем конвекции и
излучения. По конструк-
ции различают пластинча-
тые, штырьковые и другие
радиаторы, выполняемые
из алюминиевых, магние-
вых и бериллиевых спла-
вов. Конструкции некото-
рых из применяемых на
практике радиаторов пока-
заны на рис. 10.11. Для
охлаждения маломощных
полупроводниковых эле-
ментов применяют также
охлаждающие скобы.
Наиболее просты пла-
стинчатые радиаторы, ко-
торые используют как при
естественной, так и при вынужденной конвекции. Однако они
менее эффективны, чем штырьковые, которые наиболее компак-
тны по сравнению с радиаторами других типов, хотя и более
сложны по конструкции.
Максимальный перегрев основания радиатора относительно
среды определяют по формуле
4max = ^pmax-^c = 4/feH.P.	(Ю.2)
где Тртах — максимальная температура основания радиатора в
месте крепления полупроводникового элемента; Тс — температу-
ра среды; Atp — средний перегрев основания радиатора относи-
тельно среды; Аир — коэффициент, учитывпощий неравномер-
ность температурного поля основания радиатора при различной
его протяженности L. Для L, равных 0; 40; 80; 120; 160 и
180 мм, значения Й!нр соответственно равны 1; 0,98; 0,96; 0,92;
0,86 и 0,77 [33].
Для пластин и штырьковых радиаторов размером до 120х
х120 мм значение Ан р иногда принимают равным 0,96 для естест-
венной и 0,93 для вынужденной конвекции при скорости возду-
ха до 4 м/с. Перегрев радиатора относительно среды
412
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
Н = ГРФР’	(ю.з)
где гр — тепловое сопротивление радиатора, K/Вт; Фр — мощ-
ность, рассеиваемая радиатором. Методика расчета Д£р приведе-
на в [8, 33]. Если на радиаторе установлено п элементов, то
п
Фр = ^Фрт > где Фр; — мощность, рассеиваемая i-м элементом.
Разность температур корпуса элемента и основания радиато-
ра Д<к р = гкФр, где гк — тепловое сопротивление контакта корпу-
са элемента и радиатора. Разность температур AiK р возникает в
основном вследствие неидеальности теплового контакта, нали-
чия прокладок и т.п.
Для уменьшения значения Д£кр необходимо использовать
материалы с большим коэффициентом теплопроводности X при
высокой чистоте обработки контактирующих поверхностей и
достаточном усилии затяжки винтов. Для контакта без прокла-
док и смазочного материала с достаточной затяжкой имеет место
приближенное равенство rK = 2,2/SK, где SK — площадь контакт-
ной поверхности, см2. При установке электроизоляционной про-
кладки из слюды толщиной 0,025 ... 0,5 мм значение гк увеличи-
вается на 50%. Применение специальных паст и смазочных ма-
териалов уменьшает гк примерно на 50% [33].
Разность температур коллекторного перехода и корпуса
Д£п к = гп кФр, где гп к — тепловое сопротивление переход- корпус
элемента, которое обычно задается в ТУ на элемент. Если на ра-
диаторе установлен один полупроводниковый элемент, то темпе-
ратура его перехода
Т = Т +Ф (г Ik 4-г+г
П -*С р\р/ н.р 1 'к плр
если несколько элементов, то температура перехода i-ro элемента
Т =Т +г Ф Ik +Ф (r +r
ш -*с р р/ н.р ргук
Критерием правильности выбора радиатора является обеспе-
чение заданного значения температуры Тп. При поверочном рас-
чете радиатора должны быть заданы мощность рассеяния Фр,
температура Тп доп, тепловое сопротивление переход-корпус гп к,
скорость и направление охлаждающего воздуха v и давление
окружающей среды.
Расчет радиатора в виде пластины может быть выполнен с
помощью графика функции, описывающей изменение площади
радиатора от мощности рассеяния для различных перегревов Aip
(рис. 10.12), если материал пластины алюминиевый сплав Д16,
ее толщина 2 ...3 мм и применяется естественная конвекция.
413
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава I0. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
Рис. 10.12. Графики для выбора площади
пластинчатого радиатора с учетом излучения
при е = 0,9 (сплошные линии) и без учета
излучения (штриховые линии) для естествен-
ной конвекции при нормальном давлении
При этом площадь радиаторной пласти-
ны впл вычисляют по формуле Sp =
= 0,5 SnjI. Более точное значение площа-
ди пластины вычисляют по формуле
£пл = ф/(аЧ)’
где а — суммарный коэффициент тепло-
отдачи (см. п. 6.5); ос = ак + оси + 0^. При
этом средний допустимый перегрев осно-
вания радиатора определяют по следую-
щей формуле
Ч.доп =	- Тс - Фр (гп.к + Гк)]^.р -	(10.4)
Последовательность расчета пластинчатого ребристого радиа-
тора следующая [33].
1Рассчитывают суммарную площадь сечения каналов меж-
ду ребрами SK = (z — 1) bh, где z—число ребер радиатора; h и Ь —
высота и ширина канала между ребрами радиатора соответ-
ственно (см. рис. 10.11).
2.	Задаются тремя или более значениями средней темпера-
туры Тр основания радиатора. Оценку величины Тр можно вы-
полнить по формуле (10.3), а дальнейший расчет проводят для
трех значений Тр.
3.	Рассчитывают значения определяющей температуры Тср
для естественной конвекции или температуры Т для вынужден-
ной конвекции соответственно по формулам
7ср = 0,5(Тр + ТС); Т=Тс + Фр/(2и£кРСр),
где р — плотность воздуха при температуре Тср, кг-м-3; Ср — теп-
лоемкость воздуха при температуре Тср, Дж-кг*,-К-1.
4.	Находят безразмерное число Рейнольдса (см. п. 6.5) по
формуле Re = vL/v, где L — длина ребра; v — коэффициент
кинематической вязкости; v — скорость воздуха.
5.	Пользуясь табл. 6.2, с учетом исходных данных опреде-
ляют безразмерное число Нуссельта Nu. Например, при скорос-
ти воздуха в каналах радиатора v ~ 2 м с-1 число Нуссельта мож-
но записать в виде Nu = 0,032 Re [33].
6.	Вычисляют коэффициент конвективного теплообмена
ак = Nu XL1.
7.	Рассчитывают тепловой поток Фр к, отдаваемый поверхно-
стями ребер радиатора через конвекцию, по формуле
Фр к = zXmSpAtp th(mft),
где ш = ^2ак/(Х5) ; Sp — площадь поперечного сечения ребра ра-
диатора, Sp = L5, 5 — толщина ребра.
8.	Определяют среднюю температуру ребра радиатора по при-
ближенной формуле Трср = (Тр/2) [1 + l/ch(mft)].
9.	Вычисляют коэффициент облученности <р = b/(b + 2ft), где
Ь — расстояние между ребрами радиатора, м.
10.	Находят коэффициент теплоотдачи через излучение аи =
= епрФ1,2/ (Т’р.ср, Тс) (см. п. 6.5). При этом величину епр приближен-
но принимают равной коэффициенту излучения радиатора ер.
11.	Определяют количество теплоты, отданной радиатором
за счет излучения, по формуле
%.и = аА(Трлр-Тс),
где SH=2i[(z-l)(ft + 5)+5]+2ftZz.
12.	Вычисляют количество теплоты, отданной радиатором в
окружающую среду при заданных значениях Тр, по формуле
ф _= ф +ф
р.л р.к р.н*
13.	Строят тепловую характеристику радиатора Тр = /(Фр) и
по ней по заданному значению Фр определяют среднюю темпера-
туру основания радиатора и перегрев Д<р.
14.	Вычисляют средний допустимый перегрев основания
радиатора по формуле (10.5), где сопротивление гк выбирают на
основе приведенных выше рекомендаций.
15.	Сравнивают полученные значения Aip и Д£рдоп друг с дру-
гом. Если выполняется условие Д<р < Д<рдоп, то данный радиатор
обеспечивает нормальный тепловой режим полупроводникового
элемента. При невыполнении этого условия выбирают другой
радиатор и аналогичным образом проводят его тепловой расчет.
Для отвода теплоты от мощных транзисторов, выпрямитель-
ных диодов и тиристоров используют прессованные радиаторные
профили, имеющие очень высокие термические характеристи-
ки, что обеспечивается выбором расстояний между ребрами этих
профилей из условия минимизации их теплового сопротивления.
Особенностью расчета радиаторов для охлаждения приемни-
ков излучения, устанавливаемых на космических аппаратах, яв-
ляется то, что радиатор отводит теплоту только за счет излуче-
ния в космическое пространство. Теплообмен конвекцией для
таких радиаторов отсутствует. Поэтому площадь S поверхности
415
414
Проектирование оптико-электронных приборов
этих радиаторов можно приближенно найти из следующего ра-
венства:
Фп.и = Фи=«и«Д^
где Фпн— поток, выделяемый в узле приемника излучения; Фн
— поток, излучаемый радиатором; а„ — коэффициент тепло-
отдачи излучением радиатора; At — перепад температур между
приемником излучения и космическим пространством, At = Тп н
— Тк; Тп и и Тк — соответственно температуры приемника излуче-
ния и космического пространства, Тк ~ 4 К.
10.2.	Герметизация в оптико-электронных приборах
Герметизация ОЭП или их отдельных узлов выполняется
в целях обеспечения практической непроницаемости корпуса
прибора для жидкостей и газов, предотвращения попадания в
корпус пыли, песка, грязи, плесневых грибков и т. п., а также
механических повреждений. Различают индивидуальную, час-
тичную и полную герметизацию.
Индивидуальная герметизация допускает замену компонен-
тов ОЭП при выходе их из строя и ремонт узлов. При общей
герметизации, которая проще и дешевле индивидуальной, заме-
на компонентов и ремонт возможны только при демонтаже кор-
пуса, что в ряде случаев может вызвать затруднения. Выбор вида
герметизации зависит от заданного срока службы прибора. Если
срок службы мал и отсутствует необходимость в юстировке ОЭП,
то целесообразно герметизировать весь прибор. В противном слу-
чае герметизируют отдельные узлы или элементы.
Для частичной герметизации применяют пропитку, обвола-
кивание и заливку компонентов и узлов ОЭП лаками, пластмас-
сами или компаундами.
Наиболее распространенный способ полной герметизации —
применение металлических корпусов с воздушным заполнени-
ем. Используют также газовое заполнение корпуса, что улучша-
ет тепловой режим элементов по сравнению с заполнением
компаундами в результате охлаждения путем конвекции газа,
предотвращает окисление смазочных материалов, понижает ве-
роятность образования разрядной дуги между контактами реле
и т.п.
Иногда ОЭП или его узлы размещают в разъемном герметич-
ном корпусе. Недостатками такого способа являются повышен-
ные требования к механической прочности корпуса, трудность
выполнения и контроля надежного разъемного герметичного
416
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
соединения; преимущества — относительно легкий доступ к уз-
лам и элементам ОЭП.
При размещении ОЭП в неразъемном, например паяном, кор-
пусе существенно затрудняется доступ к узлам прибора, но об-
легчается конструкция.
10.2.1.	Разъемная герметизация
Разъемную герметизацию применяют для защиты уз-
лов и элементов ОЭП, если требуется их замена при ремонте,
юстировке и настройке. Герметичность разъемного корпуса дос-
тигается уплотнением стыков корпуса с кожухом с помощью уп-
лотнительных прокладок: эластичных с принудительным уп-
лотнением (рис. 10.13, а), эластичных с самоуплотнением (рис.
10.13, б) и металлических (рис. 10.13, в) [33].
д)
Рис. 10.13. Уплотнение стыков корпуса с помощью прокладок:
а — эластичных с принудительным уплотнением; б — эластичных с самоуплот-
нением; в — металлических
В узлах с принудительным уплотнением удельное давление
на прокладку выбирают таким, чтобы контактное давление во
всем диапазоне рабочих температур всегда оказывалось выше дав-
ления окружающей среды. В качестве материала прокладок здесь
наряду с мягким металлом часто используется эластичный уп-
ругий материал, преимущественно резина. Резиновые проклад-
ки помещают в замкнутую по объему камеру. При этом резина
находится в сильно напряженном состоянии.
Металлические уплотнительные прокладки изготовляют из
алюминия, никеля, меди, индия, свинца и др. Алюминиевые про-
кладки работают до температуры примерно 673 К, медные — до
353 К [33]. Прокладки, работающие на срез или предназначен-
ные для гребешковых и клиновых уплотнений, могут быть изго-
товлены из медной ленты толщиной до 1 мм, отожженной в водо-
роде при температуре 1223 К. Индий применяют в виде тонкой
проволоки диаметром 0,7 ... 1,5 мм, которая укладывается меж-
ду фланцами с перекрытием концов. Индий наносится и в виде
покрытия на фланцы или медные кольца. Он имеет высокую пла-
417
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 10.14. Использование
металлических прокладок:
а — прокладки в свободном
состоянии; б — прокладки
после деформации
стичность и не требует
больших усилий затяж-
ки, как другие металлы.
Применение метал-
лических прокладок иллюстрирует рис. 10.14. Рекомендуемые
соотношения между размерами d и Ь этих прокладок следующие
[33]: при d < 5 мм 6=1 мм, при d = 50 ... 100 мм Ь = 1,5 мм, а
при d = 100 ... 3000 мм 6 = 2 мм. Следует отметить, что уплот-
нение за счет пластических деформаций металлических прокла-
док не всегда обеспечивает надежную герметизацию. Например,
кольца из красной меди обладают большим температурным ко-
эффициентом линейного расширения, вследствие чего при на-
гревании они дополнительно обжимаются в уплотнении. При
многократном повторении этого процесса уплотнение нарушает-
ся из-за усадки в виде наклепа. Срок службы такого уплотнения
уменьшается и при воздействии вибраций, поэтому его следует
применять с осторожностью, особенно если узел уплотнения ра-
ботает в труднодоступном месте.
Наибольшее распространение на практике получили различ-
ные резиновые уплотнения, прокладки для которых показаны
на рис. 10.15. При длительной эксплуатации, широком диапазо-
не изменений давления и незначительной деформации применя-
ют прокладки, форма сечения которых показана на рис. 10.15,
а. Широко распространены круглые и полукруглые прокладки
(рис. 10.15, б). Они просты в изготовлении и выдерживают широ-
кий диапазон давлений. Прокладки Х-образной формы (рис.
10.15, в) не требуют сильного сжатия, и их используют при низ-
Рис. 10.15. Сечения эластичных уплотнительных прокладок
418
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
ких давлениях. Прокладки, показанные на рис. 10.15, г, приме-
няют для уплотнений с большим сроком службы. Резино-метал-
лические прокладки (рис. 10.15, д) устанавливают между плос-
костями, и специальные канавки для них не требуются.
В агрессивных для резины средах применяют тороидальные
прокладки, армированные пластмассой (рис. 10.15, е). На рис.
10.15, ж показано сечение прокладки, внутрь которой подается
газ под давлением 0,28 ... 0,35 МПа (2,8 ... 3,5 атм). Эти про-
кладки предназначены для уплотнения люков и окон. Прокладки
с сечением, форма которого показана на рис. 10.15, з, использу-
ют для уплотнения плоских фланцев с откачкой воздуха из по-
лости между кольцами. Металлическая лента в прокладке (рис.
10.15, и) предназначена для защиты резины от воздействия внеш-
ней среды, например радиации.
При использовании резиновых прокладок важно помнить,
что резина, помещенная в замкнутый объем, передает давление
как жидкость, а напряжение во всех точках резины выравнива-
ется за несколько минут.
При уплотнении неподвижных соединений диаметр d сече-
ния тороидальной прокладки выбирают в зависимости от ее
внутреннего диаметра D в соответствии со следующими данны-
ми [33]:
D, мм . .	. . 4...10	10 ...20	10 ...50	20 ... 160	150 ... 272
d, мм . .	. . 1,8 ± 0,08	2 ±0,08	2,5 ±0,1 3 ± 0,15	4 ±0,15
D, мм . .	. . 150 ...300	250 ...330	330 ...390	400 ... 505
d, мм . .	. . 4,5 ± 0,2	5 ± 0,2	6 ± 0,2	7 ± 0,25
Для тороидальных
прокладок применяют в
основном гнезда двух
типов: клиновидные
(рис. 10.16, а), которые
рекомендуются для уп-
лотнения узлов, работа-
ющих в агрессивных
средах, и прямоуголь-
ные (рис. 10.16, б) —
для узлов, работающих
в обычных или малоаг-
рессивных средах. На-
тяг тороида по его внут-
реннему диаметру D'
вследствие растяжения
Рис. 10.16. Гнезда для тороидальных про-
кладок:
а — клиновидные: I = 2,8 ... 9,3; h — 0,4 ... 2;
R = 1,2 ... 4,2; б — прямоугольные: I = 2,1 ...
... 8,5; Ь - 1,1 ... 4,9; R = 0,3 ... 1,5; г = 0,15 ...
... 0,5 (все размеры даны в миллиметрах)
419
Проектирование оптико-электронных приборов
а>
в)
Рис. 10.17. Конструкции с герметич-
ным соединением крышек с корпуса-
ми:
1 — корпус; 2 — крышка; 3 — прокладка
при установке на вал или в канав-
ку а = (D + d)/(D' + d), где d —
диаметр сечения тороида; D — по-
садочный диаметр гнезда для уп-
лотнительной прокладки. Увели-
чение натяга ускоряет процесс старения резины. Обеспечить за-
данный натяг можно, установив на внутренний диаметр тороида
односторонний допуск в минус. Увеличение конструктивного
зазора 53 (см. рис. 10.16) вызывает вытекание резины в зазор и
ускоренное разрушение прокладки. Для обеспечения уплотне-
ния по всей поверхности необходим жесткий допуск на эксцен-
триситет. На всех деталях, которые вставляются в резиновые про-
кладки или протягиваются через них, следует снимать фаску.
На рис. 10.17 показаны примеры конструкций с герметичным
соединением крышек с корпусами. Органы управления и элект-
рические соединения герметизируют с помощью резиновых чех-
лов и шайб, а также эластичных прокладок.
10.2.2.	Неразъемная герметизация
При неразъемной герметизации ОЭП или его узлов их
помещают во влаго- и газонепроницаемый корпус, в котором
поддерживав ся неизменное барометрическое давление, что поз-
воляет использовать прибор или узел в различных условиях экс-
плуатации. В этом случае не применяют компаунды и клей, так
как температурные коэффициенты линейного расширения дета-
лей корпуса и заливочных материалов различные, что приводит
к образованию трещин. Герметизацию при этом обеспечивают,
используя сварку и пайку. При конструировании сварных
герметичных корпусов необходимо правильно выбрать их мате-
риалы. При сварке плавлением целесообразно использовать со-
единение встык, при роликовой сварке—внахлестку [33]. Роли-
ковую сварку применяют для получения особо прочных и плот-
ных швов.
Хорошие результаты дает лазерная и электронно-лучевая
сварка. Лучом лазера сваривают тугоплавкие металлы, привари-
вают контакты в полупроводниковых приборах, основаниях ин-
тегральных схем и т.п. С помощью лазера легко свариваются
различные металлы и сплавы, и часто не требуется специальной
защиты от влияния атмосферы. Сварка в вакууме в совокупности
420
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
с высокой интенсивностью нагрева электронным лучом обес-
печивает высокое качество сварного шва, так как в процессе
сварки удаляются газы, окислы, примеси и загрязнения с поверх-
ности металла и из его внутренних слоев. Шов получается
высокопрочным и надежным, а деформации незначительны.
Примеры конструкций сварных соединений герметичных
корпусов показаны на рис. 10.18 [33].
Рис. 10.18. Конструкции сварных соединений герметичных корпусов:
а — сварка оплавлением в точке 1; б — приварка в отдельных точках 2; в —
приварка фланцев 3 и 4
Для герметизации узлов электронного блока часто использу-
ют пайку. При выборе припоев для вакуумплотного соединения
необходимо учитывать ряд факторов, к основным из которых
относятся давление паров металла, чистота припоя, способность
его к смачиванию и растеканию при температуре пайки и спо-
собность припоя образовывать с соединяемыми металлами хи-
мически стойкие и механически прочные сплавы. Для обеспече-
ния капиллярного засасывания припоя в зазор между деталями
взаимное перекрытие соединяемых поверхностей должно быть
не менее 2 ... 3 мм. При пайке деталей из материалов с различ-
ными коэффициентами линейного расширения наружная деталь
должна иметь больший коэффициент линейного расширения,
чтобы обеспечить сжатие припоя при остывании. Для внешних
соединений на корпусах герметичных приборов гермопроводни-
ки укрепляют пайкой.
10.3.	Защита оптико-электронных приборов
от динамических воздействий
В процессе эксплуатации и транспортирования ОЭП под-
вергаются различным видам динамических воздействий — виб-
рациям и ударам, которые вызывают увеличение погрешности,
уменьшение надежности и срока службы приборов, а иногда и
их поломку. Помимо внешних факторов причинами вибраций и
421
Проектирование оптико-электронных приборов
ударов могут быть колебания, вызванные несбалансированнос-
тью вращающихся в приборе деталей, неточностью их изготов-
ления, зазорами между деталями и т.п.
При предварительной оценке защищенности ОЭП от динами-
ческих воздействий их узлы и элементы можно представить как
простейшие колебательные системы, характеризуемые резонанс-
ной частотой колебаний f0. Поведение колебательных систем при
воздействии на них вибраций зависит от отношения частоты f
вынужденных колебаний (частоты вибраций) к резонансной ча-
стоте f0. Для простейших колебательных систем, которые можно
представить в виде балки, закрепленной одним концом, отноше-
ние амплитуды х собственных колебаний к амплитуде х0 вынуж-
денных колебаний, называемое коэффициентом динамичности
или виброизоляции у, при отсутствии демпфирования описы-
вается соотношением:
Y = l/(l-f2//2).
При уменьшении частоты вынужденных колебаний по от-
ношению к резонансной частоте f0 коэффициент динамичности у
увеличивается, а при /—> 0 у —> 1, т.е. колеблющийся узел при-
бора (деталь) повторяет колебания основания, на котором уста-
новлен данный узел. Чтобы обеспечить комфортные условия,
резонансная частота для узлов и деталей ОЭП должна быть зна-
чительно больше частоты вынужденных, заданных в ТЗ, колеба-
ний. Собственную резонансную частоту конструкции прибора
можно повысить путем усиления силовых элементов конструк-
ции (т.е. увеличения размеров поперечного сечения, сокраще-
ния длины, использования материала с большим модулем упру-
гости и способа закрепления детали или узла на основании при-
бора в нескольких точках) или уменьшением массы отдельных
узлов ОЭП.
Многие узлы и элементы ОЭП имеют достаточно высокие соб-
ственные резонансные частоты, и при соблюдении определенных
требований к их закреплению или при увеличении жесткости
несущих элементов конструкции они могут нормально работать
при больших частотах вибраций. Если в приборе имеются узлы
и элементы, жесткость которых по техническим или экономи-
ческим соображениям увеличить невозможно, то для обеспече-
ния виброизоляции эти узлы или детали устанавливают на амор-
тизаторах. Сущность такой виброизоляции (защиты) основана
на выборе амортизатора с собственной резонансной частотой f0,
отличающейся от частоты возмущающей силы f.
Собственная резонансная частота fa колебаний в вертикаль-
ном направлении может быть вычислена по формуле
422
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
/0 = 15,8-Ж’
где г0 — деформация амортизатора под воздействием нагрузки,
мм. Если частоты f и f0 совпадают, то имеет место не ослабление,
а увеличение в несколько раз амплитуды колебаний узла или
элемента по сравнению с амплитудой колебаний основания хо.
Поэтому только в том случае, когда частота вынужденных коле-
баний выше частоты f0, имеет место ослабление вибраций. Обыч-
но для обеспечения защиты от вибраций отношение f/f0 выбира-
ют не менее 2 ... 5.
Для наиболее распространенных конструкций амортизато-
ров коэффициент динамичности у имеет максимальное значение
при f = f0. В общем случае узел, закрепленный на амортизато-
рах, может иметь шесть степеней свободы (три за счет перемеще-
ния вдоль осей координат х, у, z и три за счет вращения вокруг
этих осей) и соответственно шесть резонансных частот. Коэффи-
циент динамичности ряда типовых блоков можно определить по
известным значениям f и f0, пользуясь номограммами, приведен-
ными в литературе [33].
Одним из важнейших параметров амортизаторов является
жесткость, под которой понимают нагрузку, вызывающую де-
формацию амортизатора, равную 1 мм:
С = ^o/zo,
где Ро—нагрузка на амортизатор; z0—деформация амортизатора.
Как следует из этой формулы, увеличение жесткости С при
постоянной нагрузке Ро или уменьшение нагрузки Ро при
постоянной жесткости С приводит к уменьшению деформации
г0. При этом частота собственных колебаний амортизатора
/0 ~ 15,8-Jzq1 увеличивается. При неизменной частоте вынуж-
денных колебаний f отношение f/f0 уменьшается и качество виб-
роизоляции в результате этого ухудшается. При уменьшении
жесткости амортизатора С или увеличении нагрузки, наоборот,
качество виброизоляции улучшается.
Используемые для виброизоляции амортизаторы всегда за
счет внутреннего трения в их материале вносят затухание в коле-
бания. Затухание может быть создано также специальными уст-
ройствами, вводимыми в его конструкцию и называемыми дем-
пферами. В результате в момент резонанса амплитуда колебаний
узла или элемента, установленного на амортизаторе, будет иметь
конечное значение, тем меньшее, чем больше затухание. Поэто-
му демпфирование тоже является одним из способов виброзащиты.
Обычно амортизаторы располагают симметрично относитель-
но центра масс амортизируемого узла. В этом случае нагрузка на
423
Проектирование оптико-электронных приборов
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
все амортизаторы будет одинакова: Рг = Р0/п, где п — число
амортизаторов.
В технических условиях на амортизаторы приводится значе-
ние номинальной нагрузки Рн, на которую рассчитан амортиза-
тор каждого типа. Число амортизаторов и их тип должны быть
выбраны так, чтобы фактическая нагрузка на амортизатор была
меньше номинальной.
Следует, однако, иметь в виду, что при увеличении числа
амортизаторов и неизменной нагрузке уменьшается нагрузка на
каждый амортизатор, но жесткость амортизаторов при этом ос-
тается неизменной. Поэтому деформация каждого амортизатора
уменьшается, что вызывает увеличение частоты его собственных
колебаний и, следовательно, ухудшение качества виброизоляции.
Помимо вибраций на узлы и элементы ОЭП могут воздейство-
вать ударные нагрузки. Действие удара сводится к тому, что ос-
нование, на котором закреплен узел, за короткий промежуток
времени приобретает большую скорость, т.е. на него действует
большое ускорение. Если же тот или иной узел закреплен на ос-
новании с помощью амортизаторов, то за счет их деформации
скорость узла приобретает максимальное значение за больший
промежуток времени, т.е. на него воздействует меньшее уско-
рение.
При достаточно большом ударном воздействии может возник-
нуть полная деформация амортизаторов, после чего произойдет
жесткое соударение узла с основанием, на котором он закреп-
лен. При этом на узел будет действовать большое ускорение,
соответствующее импульсу ударного воздействия.
Чтобы защитить прибор от воздействия ударных перегрузок,
необходимо применять жесткие амортизаторы. Однако такие
амортизаторы плохо защищают прибор от воздействия вибраций,
так как они имеют малую деформацию и, следовательно, высо-
кую собственную резонансную частоту и большой коэффициент
динамичности.
Таким образом, если прибор необходимо защитить от воздей-
ствия вибраций и ударов одновременно, к амортизатору следует
предъявить явно противоречивые требования. Эти противоречия
разрешаются на практике использованием в одной конструкции
двух амортизаторов: мягкого для защиты от вибраций и жестко-
го для защиты от ударов. Более жесткий (противоударный)
амортизатор не должен включаться в работу, когда на прибор
действуют вибрационные перегрузки. При воздействии больших
ударных перегрузок, после того как мягкий амортизатор дефор-
мировался на свой рабочий ход, возникающие усилия должен
воспринимать противоударный амортизатор.
424
Воздействие значительных постоянно действующих ускоре-
ний эквивалентно увеличению веса блока в т раз, где тп —
коэффициент перегрузки. В этом случае необходимо с учетом
перегрузки вычислить нагрузку на амортизатор и сравнить ее с
максимально допустимой нагрузкой. Если расчетная нагрузка
на данный амортизатор превышает максимально допустимое зна-
чение, следует выбрать другой амортизатор, имеющий большую
жесткость.
Помимо регулярных вибраций на ОЭП воздействуют также
случайные вибрации. Различают узкополосные и широкополос-
ные случайные вибрации. Узкополосные случайные вибрации
делят на вибрации с постоянной частотой f и переменной ампли-
тудой А и на вибрации с переменными частотой и амплитудой.
Реакция прибора на узкополосную случайную вибрацию
эквивалентна его реакции на гармонические вибрации. При
воздействии на прибор нескольких узкополосных случайных
вибраций он реагирует на них, как на полигармоническую виб-
рацию. Аналогичная реакция возникает при воздействии на
прибор широкополосной случайной вибрации, поскольку ее мож-
но представить как сумму узкополосных случайных вибраций.
При воздействии на прибор узкополосной случайной вибра-
ции с переменной средней частотой fcp резонансные колебания
будут возбуждаться последовательно, а при воздействии широко-
полосной случайной вибрации резонансные колебания возбуж-
даются одновременно, что может привести к значительному ухуд-
шению вибропрочности конструкции. Так как амортизаторы
обычно обладают определенными демпфирующими свойствами,
в амортизируемой конструкции прибора происходит фильтрация
широкополосной случайной вибрации, и в результате на нее бу-
дет действовать в основном узкополосная вибрация, которая
эквивалентна полигармонической вибрации.
При оценке виброзащищенности выбранных амортизаторов
от воздействия случайных вибраций определяют характеристи-
ки колебаний виброизолируемого прибора или его отдельного
узла и проверяют выполнение известных условий [33], выража-
ющих соотношения между этими характеристиками и парамет-
рами действующих вибраций.
Основные параметры амортизаторов, используемых в ОЭП,
рассматриваются ниже.
Резинометаллические амортизаторы типа АП и АЧ выпу-
скаются из резины марок 1847 или 2959-1 со стальной или латун-
ной арматурой. Упругим элементом этих амортизаторов являет-
ся резиновая шайба специальной формы, привулканизирован-
ная к металлической втулке и пластине. Резинометаллические
425
Проектирование оптико-электронных приборов
амортизаторы просты по конструкции, компактны, легки и име-
ют низкую стоимость. Вибропрочность обеспечивается в течение
40 ... 50 ч при ускорении а = 9810 см-с“2 и частоте f = 50 Гц, их
ударная прочность — 10 000 ударов при а = 3875 ... 5542 см с-2
и не более 60 ударов в минуту. Срок службы — два года. Среднее
значение деформаций этих амортизаторов любого размера
z0 = 1,6 мм при номинальной нагрузке и температуре t = 20°С.
При температуре t = —45°С и номинальной нагрузке деформация
z0 = 0,9 мм. По указанным значениям z0 по формуле /0 « 1 5,8-^Zq1
можно определить частоту f, выше которой эти амортизаторы
обеспечивают виброизоляцию при воздействии вертикальной
вибрации.
Основными недостатками резины как упругого элемента яв-
ляются следующие: она плохо выдерживает большие и длитель-
ные деформации, ее жесткость резко увеличивается при пониже-
нии температуры (при t = —30°С жесткость возрастает примерно
в 1,5 раза, а при t = — 60°С резина вообще не пригодна для эксп-
луатации), при высоких положительных температурах (более
+80°С) под воздействием солнечной радиации резина «стареет»
и в ней образуются поверхностные трещины.
От указанных недостатков свободны металлические пружи-
ны. В пружинных амортизаторах типа АД упругим элементом
является фасонная стальная пружина, сконструированная так,
что при увеличении нагрузки входящие друг в друга витки пру-
жины осаживаются на опорную пластину и выключаются из
работы.
Это приводит к увеличению жесткости амортизатора, кото-
рая рассчитана так, чтобы частота собственных колебаний пру-
жины менялась незначительно. Такие амортизаторы называют-
ся равночастотными. С их помощью можно амортизировать ОЭП
различной массы при небольшом числе типоразмеров амортиза-
торов. Поскольку, как недостаток, пружины имеют очень малое
собственное затухание, в пружинном амортизаторе применяют
специальный демпфер в виде резинового баллона с калиброван-
ными отверстиями, в который заключен амортизатор типа АД.
При деформации амортизатора воздух выходит через отверстия,
за счет чего и создается дополнительное затухание вибраций.
Амортизаторы типа АД выпускаются восьми типоразмеров,
каждый из которых обладает равночастотностью в заданном
диапазоне нагрузок. Виброизоляция ОЭП или его узлов обеспе-
чивается для частот выше 10 ... 12 Гц.
На рис. 10.19 показаны примеры крепления узлов ОЭП с по-
мощью амортизаторов типа АП и АД.
426
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
Рис. 10.19. Конструкция амортизируемого узла прибора с использова-
нием амортизаторов:
а — резинометаллического типа АП: 1 — корпус узла; 2 — втулка; 3 — резино-
вая шайба амортизатора; 4 — пластина амортизатора; 5 — основание узла; 6 —
втулка амортизатора; 7 — ограничительные шайбы; б — типа АД: 1 — корпус
прибора; 2 — шайба ограничительная; 3 — фланец резиновый; 4 — пружина; 5
— баллон резиновый; 6 — корпус амортизатора; 7 — пластина опорная
Одним из основных недостатков амортизаторов типа АД яв-
ляется уменьшение степени демпфирования при уменьшении дав-
ления воздуха. Этот недостаток устранен в амортизаторах типа
АФД (рис. 10.20) путем использования демпфера с трением без
смазочного материала. В таком амор-
тизаторе, широко применяемом для
виброизоляции ОЭП, упругими эле-
ментами являются конические пру-
жины 4 и 6, нижняя из которых име-
ет большую жесткость, чем верхняя.
Профиль пружин рассчитан так, что
амортизаторы обладают равночастот-
ностью. Диск 7 прижимается к кор-
пусу 1 распорной пружиной 8, благо-
даря чему обеспечивается демпфиро-
вание вибраций за счет трения диска
7 о корпус 1.
Эти амортизаторы обеспечивают
Рис. 10.20. Конструкция
амортизатора типа АФД
также демпфирование при вибрациях, действующих в горизон-
тальной плоскости за счет трения шайб 2 и 3 о диск 7. Для защи-
ты от воздействия ударных нагрузок в нижней части амортиза-
тора установлена упругая шайба 5, сплетенная из тонкой прово-
локи. Крепление ОЭП или их узлов выполняется винтом к втул-
ке, опирающейся на коническую пружину амортизатора типа
АФД, имеющую резиновую оболочку с гофром для фиксации
втулки в корпусе. Корпус амортизатора крепится к основанию
427
Проектирование оптико-электронных приборов
четырьмя винтами. Благодаря значительному демпфированию
частота собственных колебаний в осевом направлении находится
в диапазоне 13 ... 17 Гц, а характеристики амортизаторов типа
АФД практически не меняются при изменениях температуры ок-
ружающего воздуха в диапазоне -60 ... +150°С, а давления и
влажности воздуха в любых пределах.
Основным недостатком амортизаторов типа АФД является
большая, чем у амортизаторов типа АД, зона нечувствительнос-
ти. Поэтому амортизаторы типа АФД в основном применяют в
ОЭП, устанавливаемых на борту летательных аппаратов.
В некоторых случаях могут быть использованы амортизато-
ры типа АРМ.с регулируемой резонансной частотой, включаю-
щие набор алюминиевых фланцев с вкладышами из антикор-
розионной стали, упругодемпфирующие элементы и стяжной
болт для регулирования резонансной частоты. Эти амортизато-
ры работоспособны в диапазоне температуры -60 ... +150°С, при
воздействии вдоль оси амортизатора ударов и линейных ускоре-
ний любого направления с ускорением а < 58 860 мм-с'1. Их ос-
новным недостатком является сложность конструкции.
Амортизаторы типа AM (скобочные) имеют наиболее простую
конструкцию, малую массу и большой прогиб. Частоты их соб-
ственных колебаний в горизонтальной и вертикальной плоско-
стях соответственно равны: fOr = 40 Гц и /Ов = 25 Гц. Основным
недостатком скобочных амортизаторов является значительный
разброс их параметров.
Следует отметить также, что виб-
Рис. 10.21. Схема исполь-
зования амортизацион-
ного параллелограммного
подвеса
роизоляция ОЭП, устанавливаемых на
борту летательных аппаратов для за-
щиты от линейных колебаний, не все-
гда эффективна вследствие перекачки
механической энергии этих колебаний
в энергию угловых колебаний. Для ус-
транения возникающих угловых виб-
раций ОЭП часто используют аморти-
зационный подвес с параллелограм-
мом, шарниры которого имеют малые
трения и зазоры (рис. 10.21) [3]. При
этом для устранения влияния низко-
частотных колебаний ОЭП часто при-
меняют гироскопическую стабилиза-
цию.
428
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
10.4.	Экранирование в оптико-электронных
приборах
Эффективной защитой от воздействия электромагнитных
полей является экранирование, уменьшающее энергию внешнего
электромагнитного поля, попадающего в ОЭП. В зависимости от
типа и частоты поля различают экранирование электромаг-
нитных полей низких, средних и высоких частот.
При экранировании часть электромагнитной энергии отра-
жается от поверхности экрана, часть ее проникает в экран и
поглощается в нем. Определенная часть электромагнитной энер-
гии проходит внутрь экрана, частично отражаясь от его второй
стенки. Достигаемое при этом ослабление электромагнитного
поля называют экранирующим действием. Оно характеризуется
коэффициентом (эффективностью) экранирования, который
определяют как отношение напряженностей поля за экраном и
перед ним, т.е. Э = Н/Н'.
Логарифм величины, обратной коэффициенту экранирова-
ния, называют экранным затуханием (затуханием экранирова-
ния). Его выражают через натуральные или десятичные лога-
рифмы:
B = ln(H'/H), A = 20lg(H'/H).
Для экранирования низкочастотных магнитных полей ис-
пользуют материалы с высокой магнитной проницаемостью,
например листовую сталь, пермаллой, муметалл, хайперник и
некоторые другие. Затухание магнитостатического экрана зави-
сит от его формы. Для экрана в форме полой сферы толщиной d,
значительно меньшей ее радиуса г (d « г), экранное затухание [15]
A = 201g[l+|ird/(2r)],
где — относительная магнитная проницаемость, Цг = ц/цо, Ц —
магнитная проницаемость материала; Цп — магнитная постоян-
ная, ц0= 1,256-10 8 Гн ем-1.
Для полого цилиндра при условии d « г, где dur — соответ-
ственно его толщина и радиус основания [15],
A=201g[l+2[ird/(3r)].
Экранирование магнитного поля средних и высоких частот
осуществляется за счет индуцирования в экране вихревых то-
ков. Экранирующее действие вихревых токов определяется дву-
мя факторами: обратным полем, создаваемым токами, протекаю-
щими по экрану и вытесняющими первоначальное поле, и поверх-
ностным эффектом в материале экрана (скин-эффектом).
429
Проектирование оптико-электронных приборов
На высоких частотах действуют оба фактора, и коэффициент
экранирования определяют по следующей формуле [33]:
0,5 +
Таблица 10.2
Эквивалентная глубина проник-
новения 8 для некоторых мате-
риалов при различных частотах
f [15]
f, Гц	8, мм		
	Медь	Алюми- ний	Железо
50	9,44	12,3	1,8*
102	6,67	8,7	1,3*
103	2,11	2,75	0,41*
104	0,667	0,87	0,13*
105	0,211	0,275	0,36**
10е	0,0667	0,087	0,11**
107	0,0211	0,0275	0,04**
108	0,0067	0,0087	0,01**
109	0,00211	0,0028	
* При рг = 200		** При	Ur= 1.
дящий материал. Толщину экрана
вия d > 38.
D
2,8тпц8 )
3 =
где D = 2г; т — коэффици-
ент формы экрана (для пря-
моугольного экрана тп = 1,
для цилиндрического тп =2
и для сферического тп =3);
8 — показатель проницаемо-
сти, называемый эквива-
лентной глубиной про-
никновения (табл. 10.2), на
которой напряженность по-
ля падает в е раз по сравне-
нию с напряженностью на
поверхности экрана,
5 = 1Д/лцЛ1,
где f — частота магнитного
поля, Гц; а — электрическая
проводимость материала эк-
рана, мОм’ммЛ
Для экранирования вы-
сокочастотных полей следу-
ет выбирать хорошо прово-
иногда определяют из усло-
На средних частотах коэффициент экранирования рассчиты-
вают по формуле
3 ~	.
Следует, однако, иметь в виду, что в диапазоне средних ча-
стот 0,1 ... 1,0 кГц экранирование магнитного поля часто недо-
статочно эффективно и его используют редко. Ослабление маг-
нитного поля на этих частотах — весьма трудная задача. Поэто-
му в области низких частот предпочитают не пользоваться эле-
ментами, создающими помехи, например трансформаторами.
Одним из основных условий, при которых обеспечивается
высокая эффективность экранов, является наличие чистых
неокисленных стыков в экране, перпендикулярных к направле-
нию силовых линий поля. Кроме того, экран не должен иска-
жать направления наводимых в нем вихревых токов, для чего
430
Глава 10. Устройства и системы защиты ОЭП от воздействия внешних факторов
стыки и швы должны идти в направлении этих токов. Экран
должен быть закрыт со всех сторон и заземлен для отвода блуж-
дающих токов.
Экранирующее действие перфорированных экранов зависит
от размера отверстий. Если их размеры малы по сравнению с
длиной волны помехонесущего поля, то они не оказывают ника-
кого влияния на коэффициент экранирования. В случае широ-
ких отверстий, размеры Ь которых значительно больше расстоя-
ний а между ними, коэффициент экранирования цилиндричес-
кого экрана [15]
Э = Кпа/{2г),
где К„ — коэффициент перфораций, К„ ~ 1 - а/Ь.
У вентилируемых ОЭП, к экранированию которых предъяв-
ляются повышенные требования, необходимо использовать
дополнительные металлические сетки. Для увеличения затуха-
ния электромагнитного поля экраны следует размещать ближе к
экранируемым узлам и элементам ОЭП.
Для экранирования электрических полей или подавления
паразитной емкости связи во всех диапазонах частот обычно
используют коротко заземленные тонкие листы, пленки, про-
волочные решетки и сетки из материала с высокой электричес-
кой проводимостью.
Проектирование оптико-злектронных приборов
Глава 11. КОМПОНОВКА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ
11.1. Общие принципы компоновки
В зависимости от назначения и условий работы ОЭП при-
меняют следующие компоновочные схемы: децентрализованную
(разбросанную), полностью централизованную и централи-
зованную с автономным пультом управления.
При децентрализованной компоновочной схеме каждый из
блоков прибора конструируется отдельно и размещается авто-
номно, а функционирование прибора обеспечивается системой
соединительных кабелей. Такую схему часто применяют в тех
случаях, когда ОЭП служит для измерения каких-либо парамет-
ров без доступа оператора. Например, в ОЭП для измерения
ширины горячего проката оптический блок устанавливают не-
посредственно на прокатном стане, вблизи контролируемой по-
лосы металла, т.е. в самых неблагоприятных условиях (высокая
температура, вибрации, пыль и т.п.), электронный блок и блок
питания размещают поблизости, но вне указанной зоны, т.е. в
более благоприятных условиях, а блок индикации и регистра-
ции — в кабине оператора прокатного стана, т.е. в комфортных
условиях. Децентрализованную схему компоновки используют
также в полевых приборах, что связано с необходимостью их
транспортирования и ограничением их массы. В качестве приме-
ра можно привести компоновочную схему портативного тепло-
визора AGA (рис. 11.1).
Достоинствами децентрализованной схемы являются просто-
та компоновки отдельных функциональных блоков, возможность
их произвольного размещения, достаточно высокая надежность,
связанная с быстрой заменой вышедших из строя блоков про-
стым переключением соединительных кабелей. Недостатками
рассматриваемой схемы являются наличие соединительных ка-
432
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
Рис. 11.1. Компоновочная схема портативно-
го тепловизора (пример децентрализованной
компоновки):
1 — оптический блок; 2 — электронный блок с пультом
управления и индикации; 3 — соединительные кабели;
4 — блок питания
белей значительной длины, необходимость
обеспечения индивидуальной защиты от вред-
ных воздействий (температуры, влажности,
вибраций и т.д.) каждого функционального
блока
При полностью централизованной компо-
новочной схеме все блоки прибора размеща-
ются в общем корпусе. Такая схема свой-
ственна стационарно устанавливаемым при-
борам, и ее наиболее широко используют в
оптико-электронном приборостроении. По
этой схеме выполняют многие лабораторные
приборы: фотометры, спектрометры, гониометры и др. В каче-
стве примера на рис. 11.2 приведен общий вид денситометра
СР-21. По этой же схеме строят приборы для астроориентации,
космических исследований, а также различное технологическое
оборудование с использованием лазеров, контрольно-измеритель-
ные приборы и т.п.
Иногда компоновку прибора требуется выполнять по цент-
рализованной схеме с автономным пультом управления. Приме-
ром такого прибора может служить фотоэлектрическое устрой-
ство для дистанционного задания и измерения угла поворота
объекта, в котором фотоэлектрический датчик, привод, элект-
ронный блок и блок питания скомпонованы в общем корпусе,
установленном на объекте, а пульт управления и индикации
Рис.11.2. Денситометр СР-21
433
Проектирование оптико-электронных приборов
вынесен в зону размещения оператора. Возможен также вариант
с автономным оптическим блоком и централизованной компо-
новкой остальных блоков прибора.
Достоинствами централизованной схемы являются компакт-
ность прибора, минимальная длина междублочных связей, воз-
можность обеспечения одновременной защиты всех блоков от
внешних воздействий. К недостаткам этой схемы следует отнес-
ти возможность взаимного влияния отдельных блоков или эле-
ментов и сложность транспортирования, если габаритные разме-
ры и масса прибора получаются большими.
Независимо от выбранной компоновочной схемы при конст-
руировании прибора необходимо учитывать следующие общие
принципы.
1.	Конструкцию необходимо делить на узлы по функциональ-
ному признаку.
2.	Узлы и блоки прибора по возможности должны быть за-
конченными с точки зрения производства и не требовать после
сборки дополнительной обработки совместно с другими частя-
ми, позволять автономную проверку качества их функциониро-
вания.
3.	Конструкция должна обеспечивать возможность сборки
как отдельных узлов, так и прибора в целом.
4.	Число деталей, входящих в сборку, должно быть по воз-
можности наименьшим.
5.	Элементы и блоки необходимо устанавливать так, чтобы
они не препятствовали прохождению лучей.
6.	Необходимо согласовывать движения перемещающихся
частей прибора таким образом, чтобы исключить их столкнове-
ние и попадание в ход лучей.
7.	При монтаже в общем кожухе отдельные узлы и блоки во
время работы не должны оказывать вредного взаимного воздей-
ствия (влияния теплового излучения, бликов, наводок, вибра-
ций и т.п.).
8.	В условиях эксплуатации прибора необходимо предусмот-
реть возможность быстрой замены отдельных элементов или
блоков.
9.	Конструкция деталей, входящих в сборку, должна быть
технологичной. Для деталей серийного и массового производства
необходимо стремиться к сокращению механической обработки
резанием. Корпусные детали и детали сложной формы следует
изготовлять, используя точное литье, штамповку и другие ме-
тоды обработки без снятия стружки.
Для деталей единичного и мелкосерийного производства при-
менение литья или штамповки экономически нецелесообразно.
434
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
Сложные и корпусные детали рационально изготовлять из от-
дельных элементов, соединяя их сваркой, клепкой, сборкой на
винтах и т.п.
10.	При компоновке следует учитывать требования по герме-
тизации, термостатированию, экранированию, а также требо-
вания к конструкции, определяемые условиями эксплуатации и
размещения прибора.
В настоящее время не существует какой-либо общей методи-
ки выполнения компоновки ОЭП. Конструирование и компонов-
ку приборов выполняют в каждом конкретном случае индивиду-
ально. Однако опыт проведения проектно-конструкторских ра
бот в оптико-электронном приборостроении позволяет составить
примерную схему этого процесса (рис. 11.3).
Исходными материалами конструирования являются все
виды схем, положения ТЗ, определяющие назначение и область
применения прибора, габаритные и присоединительные разме-
ры, требования эргономики и технической эстетики.
В процессе проектирования, как уже отмечалось, на стадиях
технического предложения и эскизного проекта выполняются
предварительные проработки конструктивных решений. Таким
образом, к моменту выполнения технического проекта, цель ко-
торого — разработать окончательный вариант конструкции при-
бора, его основные схемы составлены с максимальной степенью
приближения к реальной конструкции. Это относится прежде
всего к оптической и кинематической схемам, поскольку имен-
но они определяют конструкцию прибора или его оптического
(оптико-механического) блока. Не менее важной является раз-
работка монтажных схем на основе принципиальных электри-
ческих схем, что позволяет выполнить компоновку электронных
блоков прибора (см. п. 11.3).
Для облегчения процесса компоновки часто выполняют оп-
тико-кинематическую схему. Наряду с этим при конструирова-
нии узлов и компоновке прибора в целом необходимо предусмат-
ривать возможность последующей сборки, юстировки и контро-
ля параметров. При сборке и юстировке отдельных узлов и при-
бора в целом конструкция их должна позволять проводить
предусмотренные методикой юстировки подвижки и развороты
оптических деталей или систем деталей. Поэтому при составле-
нии методики юстировки должно быть определено, какие дета-
ли и в каких пределах могут перемещаться или разворачиваться
для обеспечения требуемых технических характеристик и каче-
ства изображения. При этом следует стремиться к тому, чтобы
каждая оптическая деталь при юстировке имела только одно
перемещение.
435
Проектирование оптико-электронных приборов
Сигма	Схема	Схема электрическая	Схема	Схема
оптическая	кинематическая	принципиальная	соединении	раамещения
Рис. 11.3. Общая схема конструирования и компоновки ОЭП
436
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
11.2. Компоновка оптико-механических блоков
Первым этапом компоновки оптического блока обычно
является разработка конструкций узлов крепления оптических
деталей с учетом требований юстировки. Одновременно прово-
дится конструирование узлов модулятора, приемника, источни-
ка излучения и других функциональных элементов прибора,
основанных на использовании готовых изделий. Следует отме-
тить, что привод не всегда удается сконструировать в виде само-
стоятельного узла. При относительно простой кинематической
схеме передаточного механизма привода, например, представля-
ющего собой систему зубчатых колес, как правило, удается ском-
поновать его в виде редуктора. Если кинематическая схема при-
бора сложная (например, включает рычажные передачи и мно-
гочисленные кинематические связи между оптическими узлами),
а также если по соображениям защиты от помех, вибраций и
теплового излучения электродвигатели должны быть вынесены
из зоны размещения элементов оптической системы, кон-
струирование привода выполняют при общей компоновке опти-
ческого (оптико-механического) блока или прибора в целом.
Рассмотрение различных конструкций ОЭП свидетельствует
о том, что независимо от принятой компоновочной схемы можно
выделить следующие основные способы компоновки прибора в
целом или отдельных его блоков: 1) в едином корпусе; 2) с при-
менением трубы в качестве несущего элемента; 3) с помощью
рамы, выполненной из труб, угольников и других профилей;
4) на монтажной плите; 5) на монтажных платах с колонками;
6) с нанизыванием узлов; 7) с использованием направляющей;
8) в стойку с использованием модульных узлов и блоков; 9) в ко-
жух в виде пульта.
Способы компоновки 3—8 в большинстве случаев требуют
применения кожуха, защищающего прибор от посторонних зас-
веток и воздействия окружающей среды.
Рассмотрим примеры различных способов компоновки. Ос-
новной несущей деталью фотоэлектрического преобразователя,
предназначенного для контроля размеров деталей при их сорти-
ровке (рис. 11.4), является литой кожух 8, в котором установле-
ны элементы кинематики 3, блок фоторезисторов 2, выводная
колодка 7, коллимирующая оптическая система 1 Источник
света вынесен за пределы корпуса во избежание нагрева элемен-
тов кинематики и фоторезисторов. Измерительный шток 5 с
пружиной 6 размещен в трубке 4, которая служит также для
закрепления преобразователя в посадочном отверстии.
437
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 11.4. Конструкция фотоэлектри-
ческого преобразователя для контроля
размеров деталей
Компоновка в едином корпусе ха-
рактерна для приборов относительно
небольших размеров, когда необходимо
добиться их компактности и высокой
жесткости. При массовом или крупно-
серийном способе производства корпус-
ные детали изготовляют обычно мето-
дами точного литья, а при единичном и
мелкосерийном — на универсальном
оборудовании. В соответствии с этим и
должны быть сконструированы корпус-
ные детали.
Примером компоновки с примене-
нием трубы в качестве несущего элемен-
та является конструкция фотоэлектри-
ческого автоколлиматора (рис. 11.5).
Достоинством этого способа компонов-
ки являются высокая жесткость и ста-
бильность конструкции, поэтому его
широко используют при создании кон-
трольно-юстировочной аппаратуры, вы-
сокоточных угломерных устройств.
Пример компоновки с помощью рамы, выполненной из про-
фильного проката, дан на рис. 11.6. Этот способ компоновки мо-
жет быть рекомендован для приборов и стендов, имеющих значи-
тельные габаритные размеры. Кроме того, его часто применяют
на этапе макетирования. Достоинством такой компоновки явля-
ется простота изготовления несущей конструкции и монтажа
узлов, их доступность при настройке и юстировке. Недостатком
компоновки с помощью рамы может быть нестабильность конст-
рукции, особенно при изготовлении ее с помощью сварки. По
этой же причине следует избегать сложных каркасов и стремить-
ся к симметрии их конфигурации. Для повышения жесткости и
стабильности в конструкцию рамы можно вводить косынки (пла-
стины, связывающие звенья каркаса вблизи узлов соединения).
Длина ребер рамы должна быть подобрана или рассчитана таким
образом, чтобы при изменении температурного режима не про-
исходило недопустимых деформаций рамы в целом или отдель-
ных ее участков.
Способ компоновки на монтажной плите применяют при кон-
струировании приборов высокой стабильности, оптические эле-
438
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
Рис. 11.5. Компоновка фотоэлек-
трического автоколлиматора с
применением трубы в качестве
несущего элемента
Рис. 11.6. Компоновка с помощью
рамы из профильного проката
менты которых должны
располагаться в одной
плоскости. Этим спосо-
бом выполнена компонов-
ка спектрометра СФ-18
(рис. 11.7). Все элементы
оптической системы уста-
новлены на кронштейнах
2 или стойках 1 и закреп-
лены на монтажной пли-
те 3, которая жестко свя-
зана с чугунной станиной
4. Такой способ компонов-
ки часто применяют для
Рис. 11.7. Компоновка спектрофото-
метра СФ-18 на монтажной плите
приборов, имеющих небольшие габаритные размеры, а также для
соединения отдельных узлов в группы при использовании, на-
пример, рамной системы.
Способ компоновки на монтажных платах с колонками яв-
ляется развитием предыдущего способа при расположении эле-
ментов оптической схемы в раз-
ных плоскостях. Как видно на рис.
11.8, в конструкцию прибора
включены три монтажные платы
1, соединенные между собой ко-
лонками 2. На двух верхних пла-
Рис. 11.8. Компоновка на монтаж-
ных платах с колонками
439
Проектирование оптико-электронных приборов
тах в оправах, на стойках и кронштейнах размещены оптичес-
кие элементы, а на нижней плате закреплен блок усилителей.
Компоновку с нанизыванием узлов применяют в том случае,
когда все узлы могут быть собраны на платах, имеющих одина-
ковую конфигурацию. Так, узлы объектива 1, светоделителя 2,
модулятора 3, конденсоров 4, приемников излучения 5 и
электронный блок 6 фазового угломера (рис. 11.9) смонтирова-
ны на пластинах круглой формы, нанизанных на систему из трех
стержней 7. Достоинством этой схемы компоновки являются
единообразие несущих элементов, простота сборки и юстировки.
Жесткость и стабильность такой конструкции не намного ниже
аналогичных параметров конструкции при компоновке с приме-
нением трубы в качестве несущего элемента, а масса прибора
значительно меньше. Поэтому компоновку с нанизыванием уз-
лов часто применяют при конструировании крупногабаритных
приборов, которые имеют осесимметричную схему и к которым
предъявляют повышенные требования относительно жесткости.
Компоновка с использованием направляющей применяется при
проектировании приборов, в которых при эксплуатации требу-
ется изменять взаимное положение элементов (изменять рассто-
яние между элементами, менять их местами) В основном это от-
носится к стендовому оборудованию или приборам для научных
исследований. В качестве примера такой компоновки можно при-
вести оптическую скамью (ГОСТ 16810—79). Подобного рода ком-
поновку выполняют также на направляющей треугольного про-
филя.
Рис. 11.9. Компоновка о нанизыванием узлов
Во многих случаях при конструировании оптических блоков
ОЭП используют одновременно несколько рассмотренных спосо-
бов компоновки (рис. 11.10).
Компоновку на базе модульных узлов и блоков применяют в
основном при конструировании электронных стоек.
440
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
Следует отметить, что во многих ОЭП компоновка с исполь-
зованием модульных узлов и блоков сочетается с другими спосо-
бами компоновки. Это прежде всего относится к централизован-
ной схеме, когда все функциональные блоки прибора размеща-
ются в общем корпусе. При компоновке в стойку блоки должны
помещаться в ней по глубине и полностью заполнять лицевую
сторону. При конструировании электронных стоек необходимо
выдерживать их габаритные размеры в соответствии с ГОСТ
20504-81. Компонуемые в стойку блоки и модули должны иметь
размеры, также оговоренные ГОСТ 20504-81.
В табл. 11.1 приведены рекомендуемые ряды размеров соот-
ветствующих изделий. Стойки могут быть выполнены в виде
шкафа или тумба. Для установки и фиксации блоков в стойках
делают направляющие, а на лицевой стороне устанавливают за-
Таблица 11.1
Рекомендуемые размеры стоек и вставных блоков
Тип изделия	Ряды габаритных размеров, мм		
	высота Н	ширина В	глубина L
Стойки: стационарные КЗСС передвижные кзсд настольные КЗСН	1200, 1400, 1600 1800, 2000, 2200 600, 800, 1000 1200, 1400, 1600 1800, 2000, 2200 600, 800	600	450, 650
Шкафы КЗШН	800, 100, 1600 1800, 2200	800, 1000	
Тумбы КЗТН	650, 710, 740 880	600, 800	450, 650 850
Вставные блоки: частичные каркасы К1КЧ блочные каркасы К2КБ комплектные каркасы К-КК	138, 258	37, 77	155
		117, 157, 197, 217, 237, 277, 317, 357 397, 437	155, 275
	78, 118, 158, 198, 238, 278	572	180, 300 420
		446, 486	
441
3111'111

Рис.11.10. Фотоэлектрический автоколлиматор АФ-1Ц:
1 — объектив; 2 — кожух; 3 — призма светоделительная; 4 — зеркало, 5 — компенсатор линзовый; 6 — блок призм;
7 — окуляр; 8,23 — марки; 9 — фотоприемник; 10 — предусилитель; 11 — коромысло; 12 — основание; 13 — рычаг;
14 — корпус; 15 — ось; 16 — маховик фиксации; 17 — маховик поворота; 18 — модулятор; 19 — генератор опорного
напряжения(ГОН); 20 — предусилитель ГОНа; 21 — редуктор; 22 — электродвигатель; 24 —маховик наклона
Проектирование оптико-электронных приборов_________________________________ Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
Проектирование оптико-электронных приборов
Рис. 11.11. Компоновка модуль-
ного блока:
1 — соединитель; 2 — направляющий
штырь; 3,4 — модули; 5 — лицевая
панель; 6 — ручка; 7 — шасси
жимные винты. Электрические
соединения в стойках первого
типа обеспечиваются системой
кабелей и соединителей, стыку-
емых вручную. В стойках второго типа электрические соедине-
ния блоков осуществляются обычно с помощью ножевых соеди-
нителей, причем вставки крепятся жестко на задних частях бло-
ков, а колодки — на задней стенке стойки. Стыковка соедините-
ля обеспечивается при вдвигании блока в стойку по направляю-
щим. Для улучшения и облегчения стыковки блоки обычно снаб-
жают направляющими штырями (рис. 11.11). Провода между
соединителями увязывают в жгуты. Стойки второго типа слож-
нее по конструкции и дороже, но более удобны в эксплуатации и
лучше по внешнему виду.
11.3. Компоновка электронного тракта
Компоновка электронного тракта ОЭП — часть процесса
конструирования, связанного с размещением в пространстве или
на плоскости различных радиодеталей, микросхем и блоков. Эту
задачу чаще всего решают, используя готовые элементы с за-
данными формами, размерами и массой, которые следует рас-
положить с учетом электрических, механических, тепловых и
других видов связей. Компоновочные характеристики электрон-
ного узла должны находиться в соответствии с параметрами
среды, в которой работает прибор, т.е. необходимо учитывать
дополнительные объемы для устройства герметизации и уплот-
нений, установки виброзащитных амортизаторов и систем ох-
лаждения.
Для обеспечения рациональной компоновки электронного
тракта необходимо прежде всего выяснить его иерархическую
структуру (рис. 11.12).
В зависимости от сложности ОЭП его электронный тракт
может включать ряд устройств, выполненных в виде шкафов,
стоек, сложных по конструкции блоков, пультов управления,
соединенных между собой и с оптическими блоками с помощью
кабелей. В свою очередь, устройства конструктивно представля-
444
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
Рис. 11.12. Иерархическая структура электронного тракта
ют собой корпусы, в которых расположены блоки, содержащие
электронные узлы и различные вспомогательные устройства,
например для вентиляции, охлаждения, герметизации и т.п.
Корпусы электронных устройств обычно имеют несущий каркас
из профильных элементов, соединенных сваркой, клепкой или
резьбовыми крепежными элементами, и кожух из металличес-
кого листа или пластмасс. Кожухи устройств могут быть съем-
ными и несъемными. В последнем случае кожухи могут иметь
съемные стенки, отверстия, люки, дверцы для доступа к внут-
ренним частям в целях регулировки и обслуживания. К корпус-
ным элементам крепятся розетки и вилки электрических соеди-
нителей. Соединители для подключения блоков и внешних уст-
ройств коммутируются между собой с помощью проводного мон-
тажа. При этом внутренний проводной монтаж выполняют в виде
жгутов или плоских кабелей. Жгуты состоят из изолированных
проводов, объединенных пространственно перевязкой. Для их
фиксации используются скобы и зажимы. Плоские кабели пред-
ставляют собой параллельные проводники, соединенные изоля-
ционным материалом. Их достоинством является строго фикси-
рованное взаимное положение проводников, что облегчает мон-
таж и проверку блоков и важно для устройств, работающих на
высоких частотах. Блоки внутри стоек могут крепиться как на
неподвижных, так и на вращающихся или выдвижных рамах и
шасси.
Блоки конструктивно могут быть выполнены в виде пане-
лей, на которых закрепляются отдельные электронные узлы,
электрически связанные проводным или печатным монтажом, и
которые снабжены соответствующими соединительными элемен-
445
Проектирование оптико-электронных приборов
тами В качестве соединительных элементов между узлами и
электромонтажом панели используют разъемные, зажимные,
пружинные узлы.
Наиболее распространенной конструкцией электронных уз-
лов является сменная ячейка с соединителем, состоящая из пла
ты, на одной или обеих сторонах которой установлены электро-
радиоэлементы и интегральные микросхемы, соединенные меж-
ду собой в соответствии со схемой объемным (проводным) или
печатным электромонтажом.
В настоящее время объемный (проводной) монтаж применя-
ют редко, в основном в тех случаях, когда на панелях или пла-
тах устанавливаются крупногабаритные элементы (электрон-
ные лампы, трансформаторы, индикаторы и т.п.). Кроме того,
иногда такой вид монтажа используется в мелкосерийном про-
изводстве.
Пример конструктивного оформления электронного узла спо-
собом объемного монтажа приведен на рис. 11.13.
Основным видом электромонтажа в настоящее время явля-
ется печатный. Печатный монтаж обладает следующими преиму-
ществами в сравнении с объемным: объединение электрорадио-
элементов и электромонтажа в единую конструктивную едини-
цу, повышение плотности компоновки и монтажа, уменьшение
массы и размеров, технологичность, сокращение времени изго-
товления и экономия материалов, уменьшение ошибок при мон-
таже, повышение надежности и прочности соединений, возмож-
ность автоматизации процессов разработки, изготовления и сбор-
ки. Вместе с тем следует указать и некоторые недостатки печат-
ных плат: нежелательные емкостные и индуктивные связи, труд-
ность внесения изменений, увеличение времени разработки.
Наиболее распространенным материалом для изготовления
печатных плат является фольгированный стеклотекстолит (СФ)
Рис. 11.13. Функциональный электронный узел с объемным
монтажом
446
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
(ГОСТ 12652-74) различной толщины (0,5 ... 3,0 мм), который
может быть облицован фольгой с одной или с обеих сторон.
Размеры печатных плат следует выбирать в соответствии с
ГОСТ 10317—79. Платы рекомендуется выполнять прямоуголь-
ной формы с соотношением сторон 1:1, 1:2, 2:3 и 5:2 при макси-
мальных размерах 140x200 мм, в отдельных случаях, до 240х
хЗбО мм. В технически обоснованных случаях допускается при-
менение плат с формой, отличной от прямоугольной.
При компоновке печатных плат необходимо руководствовать-
ся правилами, установленными ГОСТ 2.417-78 и ГОСТ 23752-79.
Для облегчения процесса компоновки и выполнения чер-
тежа печатной платы следует пользоваться координатной сеткой,
которую наносят тонкими сплошными линиями с шагом 1,25
или 2,50 мм в зависимости от расстояния между выводами мно-
говыводных электро- и радиоэлементов. В узлах координатной
сетки располагают центры монтажных и переходных отверстий.
Диаметры отверстий зависят от диаметров выводов навесных
элементов. Вокруг отверстий выполняются контактные площад-
ки, а само отверстие зенкуется с обеих сторон. Рекомендуемые
соотношения размеров элементов отверстий приведены в табл.
11.2. При установке многоконтактных навесных элементов с рас-
стояниями между выводами, не соответствующими шагу приня-
той координатной сетки, с узлом координатной сетки совмеща-
ется центр одного из основных
отверстий. Положение осталь-
ных отверстий задается в пря-
моугольной или полярной си-
стеме координат относительно
основных отверстий.
Обычно при разработке пе-
чатных плат исходят из того,
что печатный монтаж разме-
щается с одной стороны пла-
ты, а навесные элементы —
с другой.
При конструировании пе-
чатных плат необходимо учи-
тывать технологические осо-
бенности существующих мето-
дов изготовления, наиболее
распространенными из кото-
рых являются химический,
электрохимический и комби-
нированный [28, 33].
Таблица 11.2
Параметры отверстий в
печатных платах
		Диаметр		ММ	
Диаметр выводов элемента, мм		отверстия в плате	зенковок с углом 70° с двух сторон отверстия		контактной площадки
0,5	...0,6	0,8	1,1		2,2
0,7	...0,8	1,0	1,5		2,5
0,9	... 1,0	1,3	1,8		3,0
1,2	...1,3	1,5	2,0		3,5
1,3	... 1,5	1,8	2,2		4,0
1,8	...2,0	2,2	2,8		5,0
2,0	...2,2	2,5	3,0		5,5
2,4	... 2,6	2,8	3,2		6,0
447
Проектирование оптико-электронных приборов
ТаОмгч* I
faptrttttyvi патентов лгааюы* V** пюп, егоЛ^ота огяЛ	Размеры, ям, не яуйв?е	
	Л (i&fo&HbiX MfflhW	S fvua ntt»ai
Stu/mt печотммв фсМника	0.5	0.25
Лгатгят	gtyr,» птятаю г^и>)3в«чкат	0,5	0.25
fbcrMmvt cwrOy л&тйктиыъ ixmnsimnn m тпмяп^Ы- «*№* и кагтлхгтюй M^etagxira	0,5	0Л5
ТЫ/тца 2
Ofc/na- чепце	jftzaae^*» emltfi:- awx. m	ffviWWJjrM^W кМяпят»^	яемтв*#, JWf	влитие «wtw-	
®	Of**'	2J	Ц*ОЛ t Uf/t tmpse	Crm	t5
e	to**,*	2.5	1520,2 t Mf* старей	£cm	52
c		2,»	f,8t0>t 1(м»нш	tcm	H
Э	4 J»*'	5.0	2.020.2 c gtfi cmvm.	tcm	6
•	0.0^	2.5		/ЙЙСТ	2t
©		....				
Рис. 11.14. Чертеж печатной платы (левая часть)
448
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
Рис. 11.14. Чертеж печатной платы (правая часть)
449
Проектирование оптико-электронных приборов
Печатные элементы на чертеже платы положено штриховать.
Однако, если ширина проводников оговаривается в технических
требованиях, их удобнее изображать сплошной контурной линией.
Технические требования обычно указываются на чертеже в
следующей последовательности: способ изготовления платы; шаг
координатной сетки; допустимые отклонения очертаний про-
водников, контактных площадок и других печатных элементов
от заданных чертежом; ширина печатных проводников; наимень-
шее расстояние между проводниками; требование к подрезке и
смещению контактных площадок; указание о покрытиях.
Участки платы, которые нельзя занимать проводниками,
указываются штрихпунктирными линиями. Такими участками
могут быть места для закрепления платы, установки соедините-
лей, маркировки и др. На чертеже платы приводится также таб-
лица условных обозначений отверстий различных диаметров.
Пример чертежа печатной платы приведен на рис. 11.14.
Печатная плата с навесными элементами называется печат-
ным узлом. Для его изготовления разрабатывается сборочный
чертеж, дающий полное представление о компоновке навесных
электро- и радиоэлементов и других деталей на печатной плате.
Чертеж должен содержать:
—	габаритные и установочные размеры;
—	позиционные и условные обозначения электро- и радиоэле-
ментов;
—	условные обозначения выводов приборов (трансформато-
ров, реле и т.п.);
—	местные сечения и разрезы в местах крепления установоч-
ных деталей (стоек, скоб, втулок и т.п.);
—	марку припоя (обычно ПОС—61 ГОСТ 21931—76);
—	марку лакового покрытия.
Изображения навесных элементов даются в упрощенном
виде, если это не препятствует правильному чтению чертежа.
Расположение и установка элементов различных видов оговари-
ваются нормативно-техническими документами, в частности
ОСТ 4.010.030-81.
Пример выполнения чертежа печатного узла приведен на рис.
11.15.
В качестве навесных элементов печатных плат широкое при-
менение получили интегральные микросхемы — миниатюрные
функциональные узлы стандартной формы и размеров. Микро-
схемы могут выполнять функции одного или нескольких эле-
ментов преобразования сигналов (усилителей, триггеров, гене-
раторов и др.).
450
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
Рис. 11.15. Чертеж печатного узла
Микросхемы бывают полупроводниковыми и пленочными.
В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлемент-
ные соединения выполнены в объеме и на поверхности полу-
проводника. Такие микросхемы выпускаются обычно предприя-
тиями электронной промышленности и используются разработ-
чиками ОЭП в качестве покупных элементов.
Пленочные микросхемы часто разрабатывают и изготовля-
ют на предприятиях оптической промышленности. При этом
использование таких микросхем позволяет оптимизировать схе-
мы обработки сигналов и конструктивное исполнение электрон-
ных блоков, поскольку свойства микросхем могут наилучшим
образом соответствовать решаемой задаче.
451
Проектирование оптико-электронных приборов
Правила конструирования микросхемы рассматриваемых
видов определяет ОСТ 4.010.043 «Микросборки. Установка бес-
корпусных элементов и микросхем. Конструирование». Для каж-
дого типа бескорпусных элементов соответствующим ТУ разра-
ботаны правила монтажа на подложке и некоторые конструк-
тивные и технологические ограничения [28]. Корпусы микросбо-
рок должны соответствовать ГОСТ 17467—79. Предпочтительные
размеры подложек: 60x48, 50x24, 60x16, 48x30, 48x20, 48x25,
36x24, 30x24, 30x16, 24x20, 20x15 мм.
В настоящее время конструирование печатных плат и микро-
сборок осуществляется ручным, полуавтоматизированным и ав-
томатизированным методами [29]. Выбор соответствующего ме-
тода зависит от сложности принципиальной электрической схе-
мы, конструктивно-технологических требований к прибору и на-
личия на предприятии соответствующего оборудования.
Независимо от принятого метода процесс конструирования
выполняется в основном в следующей последовательности:
-	изучение технического задания и принципиальной элект-
рической схемы прибора;
—	разбиение электронных устройств ОЭП на схемно и
конструктивно законченные части (стойки, шкафы, блоки, мо-
дули и т.д.);
—	выбор оптимальной элементной базы с учетом существую-
щей на предприятиях комплектации;
—	компоновка печатных плат или микросборок;
—	трассировка проводных и печатных соединений;
—	проверка проводящего рисунка на соответствие принципи-
альной электрической схеме;
—	разработка таблиц печатных соединений, проводного мон-
тажа, оригиналов фотошаблонов печатных плат и микросборок;
—	выпуск конструкторской документации в соответствии с
нормативно-техническими требованиями.
При компоновке электронных узлов и блоков необходимо
обеспечивать допустимый минимум паразитных электрических
взаимодействий. Кроме того, для узлов с повышенным тепловы-
делением следует проводить расчет тепловых режимов. При этом
учитывают мощность и расположение источников выделения
теплоты в узле, физические свойства материалов деталей, кон-
струкций и расположение самого узла, параметры окружающей
среды и др. В зависимости от результатов расчетов в конструк-
ции узла могут быть предусмотрены радиаторы для отвода и
равномерного распределения тепловой энергии. В некоторых слу-
чаях может потребоваться обдув элементов или вентиляция внут-
реннего объема, в котором размещается электронный узел. Воп-
452
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
росы теплообмена в электронных узлах рассмотрены в пп. 6.5,
10.1 и [8].
Сущность ручного метода конструирования состоит в следую-
щем. После выбора элементной базы, размеров и технологии из-
готовления печатной платы выполняется компоновка платы, т.е.
размещение навесных элементов. При этом целесообразно выде-
лить группы функционально связанных элементов, составить
таблицы соединений и в каждой выделенной группе провести
размещение навесных элементов на площади, определенной кон-
струкцией платы и шагом координатной сетки, с частичной трас-
сировкой проводников. Из выделенных групп элементов вблизи
соединителя размещается та, которая имеет наибольшее коли-
чество внешних связей. Из оставшихся групп следом за первой
размещают ту, которая имеет с ней наибольшее число связей, а
также должна быть связана с соединителем. Таким образом груп-
пы навесных элементов размещаются одна за другой. После раз-
мещения всех элементов корректируют положение некоторых из
них с учетом нежелательных взаимосвязей, трудностей трасси-
ровки отдельных проводников; мощности рассеяния и т.п. Наи-
более мощные элементы необходимо располагать по краям пла-
ты или вблизи теплоотводящих шин.
В случае невозможности трассировки отдельных цепей про-
изводится перестановка элементов или допустимая замена адре-
сов в таблице соединений.
Компоновка элементов может быть выполнена различными
способами: аппликационным, графическим, графоаналитичес-
ким, натурным и др. [25, 33].
Ручной метод конструирования оправдан при разработке не-
сложных блоков с небольшим числом элементов и обладает невы-
сокой производительностью.
Полуавтоматизированный метод конструирования печат-
ных плат осуществляется двумя способами. При первом способе
элементы на плате размещают с помощью ЭВМ, а трассировку
соединений осуществляют вручную.
Исходной информацией для машинного размещения элемен-
тов являются: данные о конфигурации и размерах пространства,
в котором устанавливаются электронные узлы; число и геометри-
ческие размеры конструктивных элементов, подлежащих раз-
мещению; схема соединений; ограничения на взаимное располо-
жение отдельных элементов. На основании указанной информа-
ции решается задача определения позиций каждого размещае-
мого элемента, при которых оптимизируется выбранный пока-
затель качества и обеспечиваются наиболее благоприятные усло-
вия для электрического монтажа.
453
Проецирование оппко-элецронных приборов
В качестве критериев качества размещения могут служить
минимум суммарной взвешенной длины соединений; минимум
числа проводников, длина которых больше заданной; минимум
числа пересечений проводников; расстояния между элементами,
соединенными наибольшим числом связей; длина наиболее длин-
ных связей; параметры паразитных связей между элементами и
проводниками и др.
В зависимости от степени их трудности разделяют следую-
щие задачи размещения:
—	однотипных элементов с заранее заданными однотипными
установочными местами на коммутационном поле;
—	элементов нескольких разных типов с кратными размера-
ми и заранее определенными установочными местами на комму-
тационном поле;
—	разногабаритных элементов, таких, как электро- и радио-
элементы, интегральные схемы и другие, на произвольном по
конфигурации коммутационном поле.
Задачи размещения решаются на ЭВМ с помощью различ-
ных алгоритмов. При этом большинство из реализованных прак-
тически алгоритмов являются приближенными [29].
Второй метод (полуавтоматического) конструирования
предусматривает: ручное размещение элементов на печатной
плате, ввод в ЭВМ данных ручного размещения элементов, трас-
сировку печатных проводников на ЭВМ.
Трассировка монтажных соединений выполняется с помощью
различных алгоритмов: волновых, лучевых, канальных, эвристи-
ческих и др. При этом все коммутационное, поле покрывается
масштабной сеткой, каждая клетка которой является дискретой.
Размер дискреты выбирают из технологических ограничений на
ширину проводников и зазор между ними. Трассировка полу-
чается путем последовательного заполнения ячеек масштабной
сетки трассами. Конфигурация проводников определяется после-
довательностью выполнения трассировки. Выбор алгоритма трас-
сировки зависит от сложности схемы, требуемого машинного
времени для выполнения трассировки. Часто трассировку выпол-
няют, используя последовательно несколько алгоритмов.
Полуавтоматический метод целесообразно применять при
конструировании электронных узлов с большой номенклатурой
электро- и радиоэлементов при использовании разнообразных
схемных решений электронных функциональных узлов, что ха-
рактерно для электронных узлов ОЭП.
Автоматизированный метод конструирования электронных
блоков реализуется с помощью САПР, в состав которых помимо
подсистем предварительной обработки информации (ППОИ), ин-
454
Глава 11. Компоновка оптико-электронных приборов
формационной подсистемы (ИП) и подсистемы документирова-
ния (ПД) в зависимости от назначения САПР могут входить:
подсистема автоматизированного проектирования микросборок
(ПАЛМ), подсистема автоматизированного проектирования пе-
чатных плат (ПАПП) и подсистема автоматизированного проек-
тирования блоков (ПАПБ) [29].
ППОИ обеспечивает автоматизированный ввод, контроль и
преобразование исходной информации. ИП предназначена для
информационной связи подсистем САПР и включает базы дан-
ных, средства управления данными и средства управления зада-
чами. ПД служит для получения конструкторской документа-
ции по результатам автоматизированного проектирования и вы-
полняет формирование: образа документа, графических элемен-
тов конструкторской документации, текстовой документации,
информации, а также выпуск управляющих перфолент (УПЛ)
для графических средств и технологического оборудования, кон-
троль информации на УПЛ.
С помощью ПАЛМ осуществляется конструкторское проекти-
рование цифровых и аналогово-цифровых гибридных интеграль-
ных схем (микросборок). Прикладные программы ПАЛМ позво-
ляют выполнять расчет пленочных резисторов, размещение ком-
понентов и элементов на подложке гибридных интегральных схем
(ГИС), расчет тепловых режимов по результатам размещения,
автоматическую коррекцию размещения с учетом тепловых ре-
жимов, ручную коррекцию размещения, назначение выходных
цепей ГИС, трассировку соединений, ручную Коррекцию трасси-
ровки, формирование описания топологического чертежа, кон-
троль технологии.
С помощью ПАПП осуществляется конструкторское проекти-
рование различных плат как с печатным, так и с проводным мон-
тажом путем выполнения следующих процедур: компоновки (по-
крытия) схемы ячейки, размещения элементов на плате, назначе-
ния контактов соединителя, ручной коррекции размещения, рас-
слоения цепей, трассировки монтажных соединителей в каждом
слое, ручной коррекции трассировки и доразводки неразведен-
ных цепей, формирования топологии платы, контроля тополо-
гии.
С помощью ПАПБ осуществляется конструкторское проекти-
рование блоков, состоящих из ячеек типовой конструкции, объ-
единяемых в типовой конструкции блока монтажными соедине-
ниями на основе либо печатного, либо проводного монтажа. Ис-
ходная информация задается либо описанием схемы блока, либо
таблицей соединений между ячейками и выходными соедините-
лями блока. Программное обеспечение ПАПБ позволяет выпол-
455
Проектирование оптико-электронных приборов
пять следующие процедуры: преобразование функциональной
схемы в принципиальную (покрытие), компоновку ячеек (разре-
зание), размещение ячеек в блоке, расчет тепловых режимов,
ручную (или автоматическую) корректировку размещения по ре-
зультатам тепловых расчетов, трассировку монтажных соедине-
ний, расслоение цепей, формирование выходной информации.
В результате автоматизированного проектирования выпу-
скается комплект конструкторской документации следующих
видов:
—	текстовая документация — спецификация, таблица конт-
роля цепей, таблицы координат цепей и контактных площадок,
ведомость покупных изделий, ведомость машинных носителей
информации и т.п.;
—	графическая документация либо в виде УПЛ в кодах графо-
построителя, либо в виде чертежей, выполненных на графопо-
строителе;
—	комплект УПЛ для технологического оборудования (коор-
динатографов, сверлильных станков, автоматов сборки и монта-
жа, автоматов контроля).
В настоящее время существуют различные подсистемы авто-
матизированного конструкторского проектирования электрон-
ных узлов, реализуемые с помощью средств компьютерной гра-
фики.
Глава 12. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСПЫТАНИЯХ
И ПОВЕРКАХ ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ
12.1.	Виды и организация испытаний
Под испытаниями в соответствии с ГОСТ 16504-81 пони-
мается экспериментальное определение параметров и показателей
качества продукции в процессе функционирования или при ими-
тации условий эксплуатации, а также при воспроизведении воз-
действий на продукцию по заданной программе.
Число контролируемых при испытаниях параметров ОЭП
может быть различным и достаточно большим, поскольку малое
число параметров не дает полного представления о качестве испы-
туемого ОЭП. Причем одни свойства ОЭП контролируются ка-
чественно, а другие — количественно. Важное значение имеют
выбранные критерии оценки качества ОЭП, т.е. условия, кото-
рым должны удовлетворять значения показателей качества.
Испытания могут быть производственными или эксплуатаци-
онными, т.е. проводиться на стадии изготовления ОЭП или на
стадии их эксплуатации.
Цели испытаний могут быть различными. Исследовательс-
кие испытания проводят для изучения определенных свойств
ОЭП, в частности, для определения зависимостей между предель-
но допустимыми значениями конструктивных параметров ОЭП
и значениями режимов их функционирования (граничные
испытания). Контрольные испытания проводят для оценки ка-
чества ОЭП, сравнительные — для сравнения характеристик
качества двух или нескольких ОЭП. Доводочные испытания
выполняют для оценки влияния вносимых изменений в целях
457
Проектирование оптико-электронных приборов
достижения требуемых показателей качества, а аттестацион-
ные испытания проводят для оценки уровня качества ОЭП при
их аттестации.
Контрольные испытания имеют следующие разновидности:
—	определительные, проводимые для выявления параметров
ОЭП с заданными значениями погрешности и доверительной
вероятности;
—	оценочные, выполняемые без заданных значений погреш-
ности и доверительной вероятности;
—	предварительные, которые проводят для определения
возможности предъявления ОЭП на приемочные испытания, к
ним, в частности, относятся испытания опытных образцов;
—	приемочные, выполняемые для решения вопроса о целесооб-
разности постановки на производство опытных образцов (партий)
ОЭП;
-	приемо-сдаточные испытания готовых ОЭП, проводимые
при приемочном контроле;
—	периодические испытания, объемы и сроки которых
устанавливаются в соответствии с технической документацией;
—	типовые испытания, осуществляемые после внесения изме-
нений в конструкцию или технологию изготовления ОЭП.
Приемочные испытания могут осуществляться ведомствен-
ными, межведомственными или государственными комиссиями.
В зависимости от этого их и называют соответственно ведомствен-
ными, межведомственными или государственными.
Приемо-сдаточные испытания являются составной частью
производственного процесса и завершают изготовление прибора.
Этому виду испытаний подвергают все собранные приборы для
проверки их соответствия требованиям технических условий
(ТУ). Приемо-сдаточные испытания проводятся на контрольно-
испытательной станции (КИС) с участием представителей отдела
технического контроля (ОТК) и заказчика. Испытуемые прибо-
ры должны пройти предварительный контроль, выполняемый
на всех стадиях производства. Сведения о результатах этого кон-
троля должны содержаться в прилагаемом к каждому прибору
заключении ОТК и представителя заказчика.
Испытания проводят в определенной последовательности в
соответствии с картой технологического процесса испытаний и с
использованием необходимых испытательной аппаратуры и из-
мерительных приборов.
Испытательную аппаратуру перед проведением испытаний
проверяют и пломбируют. На измерительные приборы должно быть
выдано заключение об их аттестации и годности к использованию
в соответствии с действующими нормативными документами.
458
Глава 12. Общие сведения об испытаниях и поверках оптако-электронных приборов
Процесс проведения приемо-сдаточных испытаний включает
ряд этапов. На первом этапе проверяют и изучают сопроводитель-
ную документацию и выполняют внешний осмотр приборов. Это
позволяет оценить дефекты, выявленные и исправленные в про-
цессе предварительной подготовки прибора к испытаниям. Да-
лее проводят собственно испытания, в процессе которых прове-
ряют общие и специальные характеристики прибора, установ-
ленные ТУ и инструкциями с учетом особенностей конструкции,
назначения и условий эксплуатации прибора. На заключитель-
ном этапе проверяют прибор на отсутствие механических повреж-
дений и коррозии, которые могли возникнуть в процессе испы-
таний. Приборы пломбируют и отправляют на упаковку.
В процессе испытаний ведут технологический паспорт (жур-
нал), в котором отображают весь ход испытаний, помещают све-
дения о возникших дефектах, об их устранении, а также прото-
колы, в которых записывают результаты испытаний.
На основании указанных материалов в сопроводительные до-
кументы прибора (паспорт и формуляр) вносят следующие дан-
ные: заключение о пригодности к эксплуатации, отметки о ре-
зультатах заводских и приемо-сдаточных испытаний, гарантий-
ные сроки эксплуатации. Прибор, не прошедший приемо-сдаточ-
ных испытаний, возвращают в цех для выявления причин брака
и его устранения .
В зависимости от объемов и сроков испытания делятся на
следующие виды [21]:
-	нормальные испытания, обеспечивающие получение
необходимой информации в такие же сроки, как и в предусмот-
ренных условиях в обычном режиме эксплуатации;
-	ускоренные испытания, позволяющие получить необходи-
мую информацию в более короткий срок, чем в предусмотрен-
ных условиях и режимах эксплуатации;
-	форсированные испытания, основанные на интенсифика-
ции процессов, вызывающих отказы и повреждения;
—	сокращенные ускоренные испытания без интенсификации
процессов, вызывающих отказы и повреждения.
В зависимости от условий проведения испытания могут быть
натурными (полигонными), стендовыми и эксплуатационны-
ми. При натурных испытаниях ОЭП функционирует в соответ-
ствии со своим алгоритмом при взаимодействии с оператором
или системой управления, окружающей средой и связанными с
ними системами, т.е. в условиях, близких к эксплуатационным.
Проведение натурных испытаний ОЭП и их узлов не всегда
может быть организовано при их разработке и изготовлении,
например для ОЭП, предназначенных для космических аппара-
459
Проектирование оптико-электронных приборов
тов. Кроме того, натурные испытания чрезвычайно дороги и
требуют длительного времени для их проведения.
Стендовые испытания проводятся на специально изготовлен-
ных испытательных стендах, с помощью которых моделируют
внешние воздействия на ОЭП. При этом используется как физиче-
ское, так и математическое моделирование. В этом случае взаимо-
действующие с ОЭП системы и окружающую среду заменяют
имитаторами.
Иногда выделяют раздельно два типа испытаний [21]:
1-й тип — для определения параметров ОЭП или его элементов;
2-й тип — для оценки пригодности ОЭП для конкретной техниче-
ской системы, с этой целью при испытании определяют характе-
ристики процессов, возникающих при взаимодействии ОЭП с дру-
гими системами и окружающей средой.
Испытания 1-го типа позволяют исключить грубые ошибки
при проектировании ОЭП. Испытания 2-го типа необходимы в
тех случаях, когда отдельные подсистемы объединяют в единую
систему и получается ОЭП с качественно новыми свойствами.
Испытания — это сложная и ответственная задача, от реше-
ния которой зависит качество приборов, поэтому часто целесо-
образно использовать системы управления процессами испыта-
ний. В процессе испытаний осуществляется взаимодействие ОЭП
с техническими средствами испытаний (ТСИ), которые обеспе-
чивают управление режимом испытаний, сбором и обработкой
информации с помощью средств контроля и принятия решений.
В соответствии с этим созданы ТСИ, в состав которых входят
различные подсистемы, в частности: имитационные и моделиру-
ющие стенды, система сбора, обработки, хранения и отображе-
ния информации, система контроля параметров и диагностиро-
вания, система программного и оперативного управления на ос-
нове ЭВМ и др.
Основными требованиями, предъявляемыми к ТСИ, яв-
ляются:
—	адекватность множества воспроизводимых имитационны-
ми стендами воздействий множеству действительных величин,
влияющих на качество функционирования ОЭП;
—	соответствие метрологических характеристик имитацион-
ных стендов заданным требованиям;
—	возможность контроля стендов, т.е. наличие соответствую-
щего контрольно-измерительного оборудования;
-	соответствие габаритных размеров и присоединительных
устройств стенда и ОЭП.
460
Глава 12. Общие сведения об испытаниях и поверках оптико-электронных приборов
12.2.	Механические испытания
Достаточно представительным видом испытаний являют-
ся механические испытания, в ходе которых ОЭП и его элемен-
ты подвергаются следующим воздействиям:
-	- синусоидальным вибрациям заданной частоты для оценки
прочности;
—	синусоидальным вибрациям с изменяющимися частотами
для определения резонансных частот и проверки устойчивости
параметров;
—	случайным вибрациям для оценки устойчивости парамет-
ров;
-	одиночным и многократным ударам для проверки прочно-
сти и устойчивости ОЭП и его элементов;
-	линейному ускорению для проверки устойчивости пара-
метров;
—	транспортной тряске для проверки устойчивости ОЭП в со-
ставе объекта и в упакованном виде;
—	качке для проверки устойчивости параметров ОЭП при изме-
нении направления движения с изменяющимся ускорением.
Указанные воздействия могут быть реализованы в одной,
двух или трех плоскостях в зависимости от технических усло-
вий на прибор.
Проверка на механическую прочность проводится в нерабочем
состоянии приборов. Проверка на механическую устойчивость вы-
полняется при рабочем (включенном) состоянии приборов.
Испытания на вибропрочность и виброустойчивость выпол-
няются на вибростендах. В зависимости от требуемой жесткости
ОЭП устанавливают диапазон частот, амплитуду колебаний и
максимальное ускорение. При испытаниях чаще всего использу-
ют механические и электродинамические вибростенды. Механи-
ческие вибростенды снабжены эксцентриковым или центробеж-
ным механизмом, сообщающим платформе с закрепленным на
ней испытуемым прибором колебания с частотой до 200 Гц, Бо-
лее высокие частоты вибрации (до 10 кГц) могут быть получены
на вибродинамических стендах, основанных на взаимодействии
магнитного поля постоянного магнита и переменного магнитно-
го поля катушки. Вследствие этого взаимодействия платформа с
прибором, установленная на амортизаторах, совершает возврат-
но-поступательные колебания, амплитуда которых для низких
частот обычно не превышает 0,5 мм, а для высоких частот со-
ставляет несколько микрометров. Электродинамические стенды
могут обеспечивать и случайные колебания при использовании
генератора белого шума.
461
Проектирование оптико-электронных приборов
При испытаниях на вибропрочность выявляют дефекты сбор-
ки и юстировки, прочность конструкции и ее отдельных узлов,
надежность контактов и т.п.
Испытанию на воздействие ударных нагрузок подвергают
обычно приборы в нерабочем состоянии, т.е. проверяют их удар-
ную прочность. В некоторых случаях проверяют и ударную ус-
тойчивость приборов. Используемые на практике ударные стен-
ды различных типов отличаются друг от друга диапазоном удар-
ных ускорений, частотой ударов, наибольшей массой испы-
туемых приборов и наибольшей высотой падения.
Ударный стенд эксцентрикового типа [25] представляет со-
бой стол, на поверхности которого закрепляют испытуемый при-
бор. С помощью эксцентрика стол приподнимается на некото-
рую высоту над упорами с упругими прокладками, а затем со-
вершает свободное падение, ударяясь упорами в прокладки.
Ударное ускорение и длительность ударного импульса регулиру-
ют путем изменения высоты падения стола и эластичности про-
кладок.
В ударном стенде копрового типа, используемом для одиноч-
ных ударов, ускорение создается за счет удара маятника, отведен-
ного на некоторый угол от положения равновесия, по неподвиж-
ному основанию, на котором закрепляют испытуемый прибор,
Значение перегрузки, которая может достигать 3000 g, зависит
от массы маятника и угла его отклонения.
При испытаниях на ударные воздействия оговариваются ча-
стота ударов в минуту, общее число ударов за весь период испы-
тания, длительность ударного импульса и ударное ускорение.
Некоторые переносные ОЭП подвергают ударным испытаниям
при падении. При этом в соответствии с техническими условия-
ми на прибор оговариваются высота свободного падения, толщи-
на и материал прокладки, на которую совершается падение, и
толщина стальной плиты, помещаемой под прокладкой.
Испытания приборов на воздействие линейных ускорений
проводят на центрифугах. При испытаниях прибор крепится на
траверсе или столе центрифуги на определенном расстоянии от
оси вращения. С противоположной стороны устанавливается
противовес или аналогичный прибор. Частота вращения центри-
фуги [25]
n = (S0/it^Kg/R,
где К — коэффициент перегрузки; g = 9,81 м с“2; В — радиус
вращения, м.
Так как значения ускорения, при которых испытывают при-
боры, могут достигать 200 g, этот вид испытаний представляет
462
Глава 12. Общие сведения об испытаниях и поверках оптико-электронных приборов
собой особую опасность для обслуживающего персонала. Поэто-
му центрифуги должны иметь надежное ограждение или уста-
навливаться в особом помещении.
Испытания на транспортную тряску для ОЭП, упакован-
ных в ящики, проводят в натурных условиях, т.е. в кузове гру-
зового автомобиля, который движется по неровной дороге со
скоростью 20 ... 40 км-ч'1 на расстояние до 1000 км. Использу-
ются также стенды, имитирующие транспортную тряску с час-
тотой 40 ... 80 Гц. Платформа стенда испытывает ускорения за
счет работы кулачковых механизмов, которые воспроизводят
функцию, имитирующую реальную тряску.
12.3.	Климатические испытания
Многие ОЭП должны нормально функционировать в
сложных климатических условиях при изменении температуры,
влажности, воздействии на них атмосферных осадков, агрессив-
ных сред (морской воды, тумана и т.п.), пыли и других факторов.
Поэтому ОЭП необходимо подвергать климатическим испы-
таниям:
—	на устойчивость к быстрому изменению температуры
окружающей среды от минимальной до максимальной и к цик-
лическим изменениям температуры в этом диапазоне;
—	на воздействие окружающей среды повышением и пони-
жением температуры и влажности;
—	на воздействие атмосферных конденсированных осадков
(росы или инея);
-	на воздействие дождя;
—	на водозащищенность;
-	на воздействие соляного (морского) тумана и других агрес-
сивных сред;
-	на статическое и динамическое воздействие пыли и песка.
Комплексные и климатические испытания проводят при раз-
личном сочетании указанных воздействий. Кроме того, возмож-
ны и дополнительные испытания, оговариваемые в частных
технических условиях на прибор.
Можно выделить две группы климатических испытаний:
1	) на устойчивость эксплуатационных параметров при пре-
дельных рабочих значениях влияющих факторов и при их изме-
нениях;
2	) на устойчивость показателей качества при предельных до-
пустимых значениях влияющих факторов и при их изменениях.
463
Проектирование оптико-электронных приборов
В первом случае параметры приборов должны находиться в
заданных пределах при их эксплуатации, во втором — парамет-
ры приборов, их внешний вид и другие показатели не должны
иметь необратимых изменений после прекращения испытаний.
При испытаниях на повышение или понижение температу-
ры приборы помещают в специальные камеры: термостаты и
криостаты, обеспечивающие нагрев до 200°С и охлаждение до —
100°С соответственно. В частных технических условиях должны
быть указаны режимы испытаний: скорость изменения темпера-
туры, продолжительность испытания при различных значениях
температуры, режим последующего изменения температуры до
заданной рабочей температуры, значения перепадов температур
различных частей прибора и т.п.
Испытания при повышенной температуре проводят в термо-
статах, повышение температуры в которых обеспечивают элект-
рические, водяные или паровые обогреватели. Термостаты дол-
жны иметь контрольно-измерительные приборы, например дат-
чики с термопарами и самопишущими приборами с погрешнос-
тью не более ±1°С. При этом проверяют функционирование при-
боров, отсутствие дефектов в оптических узлах, например рас-
клеек, деформаций в кинематических звеньях, состояние
электроизоляции, смазочного материала и уплотняющей или гер-
метизирующей замазки.
Испытания при пониженной температуре проводят в холо-
дильных камерах — криостатах, в которых поддерживается необ-
ходимая низкая температура. При испытаниях на холодоустой-
чивость после выдержки при минимальной температуре непо-
средственно в холодильной камере проверяют функционирова-
ние прибора и его выходные характеристики, внешний вид и
наличие дефектов в различных узлах прибора.
Испытания при повышенной влажности проводят в камерах
теплоты и влаги — гидростатах, в которых влажность можно
довести до 98% путем испарения воды, при этом обеспечивается
повышение температуры до 35°С. В процессе испытаний прове-
ряют устойчивость приборов к коррозии, качество лакокрасоч-
ных покрытий, уплотняющих элементов и электроизоляции. В
некоторых случаях после повышения влажности прибор нагре-
вают или его охлаждают и проверяют появление влаги или из-
морози внутри него.
Иногда полевые приборы испытывают на водонепроницае-
мость в специальных дождевальных камерах, в которых струй-
ки воды направляют на прибор под различными углами. Темпе-
ратура воды в этих случаях должна соответствовать температуре
реального дождя. Попадающие на прибор струи искусственного
464
Глава 12. Общие сведения об испытаниях и поверках оптико-электронных приборов
дождя должны равномерно распределяться по его поверхности.
Дождевание обычно продолжается не менее 30 мин. Контроль
интенсивности орошения осуществляют путем изменения коли-
чества выпавших осадков на единицу площади прибора с помо-
щью водосборных сосудов.
Устойчивость приборов к воздействию морского тумана или
других агрессивных сред проверяют путем распыления соответ-
ствующего раствора пульверизатором с последующим контролем
качества покрытий и коррозии металлов после воздействия в те-
чение нескольких суток.
Испытания на пылеустойчивость проводят в камерах, через
которые со скоростью до 15 м-с-1 продувают смесь частиц песка,
мела и глины размером до 50 мкм в течение 1 ... 2 ч. При этом
контролируют давление, создающее воздушную струю, и коли-
чество частиц. При статическом воздействии пыли в камере со-
здают определенную запыленность, которую контролируют пу-
тем подсчета пылевых частиц в единице объема. После испыта-
ний проводят внешний и внутренний осмотр прибора в целях
выявления пылевых частиц внутри прибора и повреждений по-
крытий, особенно оптических деталей.
12.4.	Термобарические испытания
Многие ОЭП используются в системах, функционирую-
щих при различных давлениях, больших или меньших атмосфер-
ного давления, в условиях разреженной атмосферы или вакуума
и изменения температуры. Изменение давления вызывает изме-
нение показателя преломления воздуха и деформации герметич-
ных корпусов приборов и даже их разрушение. Поэтому целью
термобарических испытаний является определение изменения
качественных характеристик приборов и их устойчивости под
воздействием изменений давления и температуры.
Испытания проводят в термобарокамерах, обеспечивающих
повышенное или пониженное давление, броневаннах и бронека-
мерах. В броневаннах испытывают приборы, погруженные в воду,
в бронекамерах — приборы, заполняемые газами. В процессе
испытаний в термобарокамерах проверяют функционирование
приборов, их герметичность, состояние смазки, уплотнений,
качество изоляции. При испытаниях в броневаннах и бронека-
мерах проверяют в основном прочность уплотнений и герметиза-
ции корпусов.
В некоторых случаях приборы проверяют на прочность избы-
точным давлением изнутри, заполняя их водой или газом, напри-
465
Проектирование оптико-электронных приборов
мер гелием. При этом прибор помещают в броневанну для предо-
хранения обслуживающего персонала от травм, возможных при
разрыве корпуса прибора при высоком давлении (иногда до 30 ...
... 40 МПа). Перед погружением прибора его предварительно
заполняют газом или водой. При погружении над поверхностью
прибора должен быть слой воды толщиной не менее 5 мм. После
погружения давление увеличивают до расчетного. При наруше-
нии герметичности на месте течи появляются пузырьки, кото-
рые и фиксируют. Для повышения прозрачности воды в ванне в
нее добавляют квасцы и выдерживают воду в течение 1 ... 2 сут.
Для проверки герметичности приборов можно использовать
также вакуумный способ испытаний. В качестве контрольного
газа при этом применяют гелий, хорошо проникающий в малые
отверстия, содержание которого в атмосфере весьма незначи-
тельно, что обеспечивает точность измерений вследствие незначи-
тельности влияния на испытания атмосферного гелия. Кроме
того, гелий инертен, негорюч и нетоксичен.
Для контроля за утечкой гелия используют масс-спектромет-
рические течеискатели, например типа ПТИ-4А, ПТИ-1. При
этом чаще всего применяют два метода вакуумных испытаний:
гелиевой камеры и натекания в гелиевую камеру.
При использовании метода гелиевой камеры в нее помеща-
ют испытуемый прибор, внутри которого создают вакуум, а в
камеру под избыточным давлением подают гелий. При наличии
течи гелий проникает внутрь прибора и контролируется течеис-
кателем, соединенным с внутренней частью прибора. Чувстви-
тельность этого метода составляет 0,13-Ю-6 л-Па с1.
При втором методе прибор помещают в вакуумную камеру,
соединенную с системой откачки и течеискателя, после чего вну-
треннюю полость заполняют гелием под давлением, который при
наличии течи вытекает в камеру, где и улавливается течеискате-
лем. Течь прибора в этом случае определяют с учетом течи самой
камеры. Чувствительность метода составляет 10-5 л-Пас1.
12.5.	Специальные методы испытаний
К специальным методам испытаний относятся: оптичес-
кие, электрические испытания на надежность, устойчивость к
солнечной радиации, к воздействию микроорганизмов, ионизи-
рующего и лазерного излучений и некоторые другие. В процессе
оптических испытаний проверяют качество функционирования
ОЭП и их узлов, т.е. их энергетические, спектральные, простран-
ственные, геометрические, фоновые, пространственно-частотные,
466
Глава 12. Общие сведения об испытаниях и поверках оптико-электронных приборов
динамические и некоторые другие характеристики в стабильных
нормальных (оговоренных в ТЗ и ТУ) условиях. Их разновидно-
стью являются параметрические оптические испытания, при
которых исследуют влияние изменений отдельных параметров
на качество функционирования приборов, и поверки приборов,
которые более подробно рассмотрены в п. 12.6.
Оптические испытания проводят на универсальных и спе-
циальных стендах, имитирующих различные характеристики и
параметры излучателей, помех и фона.
При электрических испытаниях оценивают помехозащищен-
ность ОЭП и их узлов от воздействия естественного или искус-
ственного электромагнитного поля, электрическую прочность
изоляции и электрическое сопротивление изоляции.
Помехозащищенность ОЭП от воздействия электромагнит-
ных полей проверяют в специальных помещениях, экранируе-
мых от неуправляемых электромагнитных полей. Внутри поме-
щения располагают электромагнитные устройства, воспроизво-
дящие электромагнитные помехи заданной интенсивности. Элек-
трическое сопротивление и прочность изоляции проверяют на
специальных стендах при воспроизведении образцовых токов и
высоких напряжений.
Испытаниям на надежность подвергают многие функцио-
нальные узлы ОЭП. В процессе испытаний контролируют основ-
ные показатели надежности, например ресурс работы, наработ-
ку на отказ. Эти испытания проводят на специальных стендах,
имитирующих работу функциональных узлов.
Весьма важным для проведения испытаний на надежность
является планирование испытаний, заключающееся в определе-
нии числа испытуемых узлов и контролируемых параметров,
способа варьирования параметров воздействий на прибор и др.
Задача определения объема испытаний при этом сводится к за-
даче вычисления наработки (времени, числа циклов работы и
т.п.), которую должны показать отобранные для испытаний п
приборов, чтобы подтвердить ресурс работы с заданной довери-
тельной вероятностью и заданным числом отказов.
Испытания на устойчивость к воздействию солнечной ради-
ации проводят в специальных камерах, оснащенных имитатора-
ми Солнца на основе газоразрядных ксеноновых ламц в качестве
источников излучения, спектральный состав излучения которых
близок к спектру солнечного излучения. Время выдержки при-
боров в камерах составляет 24 ч при температуре до +60°С.
Приборы, предназначенные для работы в условиях тропиче-
ского климата, подвергают испытаниям на грибоустойчивость в
камерах грибкообразования. При температуре +40°С и влажности
467
Проектирование оптико-электронных приборов
90 ... 95% прибора опрыскивают водной суспензией из спор
плесневых грибков и других микроорганизмов, а затем выдер-
живают в камере до 30 сут. После испытаний приборы осма-
тривают и проверяют их работоспособность. В связи с опаснос-
тью заражения обслуживающего персонала испытания проводят
с соблюдением правил техники безопасности, а испытанные при-
боры дезинфицируют или уничтожают.
12.6.	Метрологическая аттестация и поверки
оптико-электронных приборов
Оценка метрологических качеств приборов и их готов-
ности к выполнению измерений осуществляется путем контроля
их параметров и метрологических характеристик, к которым
относятся диапазон измерений, погрешность, чувствительность
и некоторые другие.
Контроль метрологических характеристик ОЭП проводит го-
сударственная или ведомственная метрологическая служба пу-
тем их испытаний, поверок и аттестации, а также надзора за их
состоянием и применением.
Метрологическая аттестация приборов заключается в их ис-
следовании, выполняемом метрологическим органом для опреде-
ления их метрологических свойств и выдачи документа с указа-
нием полученных данных. При этом устанавливается соответ-
ствие прибора его назначению. Поверка приборов заключается в
определении метрологическим органом их погрешностей и уста-
новлении пригодности к применению.
Составными элементами поверки прибора являются метод,
средства и операция. Методы поверки — совокупность приемов
ее проведения. К средствам поверки относятся технические сред-
ства (аппаратура, установка), предназначенные для контроля
метрологических характеристик поверяемых приборов. Опера
ция поверки — отдельный самостоятельный этап поверки, в
результате которого выявляется фактическое значение метроло-
гической характеристики поверяемого прибора.
Поверка приборов заключается в передаче размера единицы
физической величины от эталона или образцового средства изме-
рений к приборам (рабочим средствам измерений). Эта передача
проводится на основе нормативного документа, называемого
поверочной схемой, которая устанавливает соподчинение средств
измерений различных уровней точности по целесообразной си-
стеме. В зависимости от широты распространения поверочной
схемы на применение средства измерения различают государ-
ственные, ведомственные и локальные поверочные схемы.
468
Глава 12. Общие сведения об испытаниях и поверках оптико-электронных приборов
Эталон, воспроизводящий единицу измерений с наивысшей
точностью, называют первичным. В некоторых случаях первич
ный эталон не может быть применен и вместо него используют
специальный эталон, утверждаемый в установленном порядке.
Первичный и специальный эталоны относятся к государствен-
ным эталонам. В целях предотвращения изнашивания и обеспе-
чения сохранности первичных эталонов в метрологической прак-
тике, как правило, используют вторичные эталоны, подчинен-
ные первичным.
Образцовое средство измерений является промежуточным
звеном между эталоном и поверяемым прибором. В зависимости
от точности их делят на разряды.
Поверочные схемы для ОЭП различного назначения устанав-
ливаются нормативно-технической документацией.
Во главе поверочных схем ОЭП стоят эталоны угла, метра,
силы света, различные эталоны энергетических величин, а иног-
да и некоторые другие. Эталоны ряда энергетических величин
созданы в последние годы на основе прецизионных оптико-фи-
зических узлов и элементов. Для поверки ряда ОЭП широко
применяют следующие эталоны энергетической фотометрии:
Государственный специальный эталон единицы силы излуче-
ния и энергетической освещенности непрерывного оптического
излучения сплошного спектра в диапазоне длин волн X = 0,2 ...
... 10,6 мкм (ГОСТ 8.195-81), пределы воспроизведения величин
10 ... 100 Вт ср-1 и 10 ... 100 Втм-2 соответственно, погрешность
воспроизведения -З Ю'3.
Государственный специальный эталон и государственная по-
верочная схема для средств измерений спектральной плотности
энергетической яркости оптического излучения в диапазоне длин
волн 0,04 ... 0,25 мкм (ГОСТ 8.197-86), пределы воспроизведения
величины 10® ... 1015 Вт ср '-м'3, погрешность воспроизведения
не более 2,7%,
Государственный специальный эталон единицы потока излу-
чения в диапазоне длин волн 0,4 ... 1,4 мкм (ГОСТ 8.273-78),
пределы воспроизведения величины 106 ... 2-Ю'2 Вт при X ~
= 0,95 мкм, погрешность воспроизведений 0,4% при X = 0,95 мкм.
Государственный первичный эталон единицы силы света
(ГОСТ 8.023-86), пределы воспроизведения 30 ... 110 кд, погреш-
ность воспроизведения 0,25%.
Для поверки ОЭП с лазерами используют также ряд этало-
нов непрерывного и импульсного лазерного излучения (ГОСТ
8.275—88, ГОСТ 8.276-78, ГОСТ 8.198-85).
Кроме того, многие вопросы аттестации и поверок описаны
в специализированной литературе и в отраслевых стандартах.
469
Проектирование оптико-электронных приборов
Приложение
КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ. ОБЩИЕ
ПОЛОЖЕНИЯ
1.	Цель и задачи курсового проектирования
Выполнение курсового проекта по курсу «Проектирование
ОЭП» является важным этапом при подготовке квалифици-
рованных специалистов и может рассматриваться как подго-
товительный этап к выполнению дипломного проекта.
Цель курсового проекта заключается в практическом освое-
нии студентами знаний, полученных ими в лекционных и практи-
ческих курсах по специальности, их углублении и в развитии у
студентов навыков самостоятельной работы расчетного и кон-
структорского характера.
При выполнении проекта от студентов потребуется:
-	умение пользоваться технической литературой, справоч-
ными материалами, нормалями, каталогами и стандартами;
-	знание основ методики расчета элементов схем, выбора
источников и приемников излучения, оптических схем, деталей,
узлов прибора (в том числе с использованием ЭВМ);
-	знание правил оформления конструкторской документа-
ции в соответствии с ЕСКД и другими стандартами;
—	знание технологии изготовления деталей и сборки прибо-
ров и других вопросов технологического порядка.
2.	Содержание курсового проекта и требования к
его оформлению
Проект выполняется в соответствии в техническим задани-
ем (ТЗ) на проектирование.
Техническое задание составляется руководителем курсового
проекта и должно включать:
— назначение и возможную область применения проектиру-
емого прибора;
470
Приложение
-	основные технические данные проектируемого прибора;
-	условия эксплуатации;
—	состав графической и расчетной частей проекта;
—	перечень литературы, необходимой для предварительного
изучения вопросов обоснования выбора схемы, расчета и кон-
струирования проектируемого прибора.
Техническое задание может содержать ориентировочную
схему проектируемого прибора с указанием необходимых усовер-
шенствований или требований по обоснованию применения эле-
ментов схемы прибора. Проект должен быть рассчитан на усло-
вия современного серийного производства с использованием но-
вейших достижений науки и техники, с применением прогрес-
сивной технологии. В отдельных случаях допускается разработ-
ка макетных образцов и лабораторных установок в условиях
единичного экспериментального производства, например если
тема проекта определена задачами НИР или НИРС, проводимых
на кафедре.
Техническое задание оформляется на специальном бланке,
подписывается руководителем и утверждается заведующим ка-
федрой. Студент расписывается в принятии ТЗ к исполнению.
Курсовой проект должен включать графическую часть объе-
мом не менее трех-четырех листов формата А1 и расчетно-поясни-
тельную записку.
В состав графической части как обязательные входят следу-
ющие материалы:
—	комбинированная функциональная схема;
—	оптическая принципиальная схема;
—	сборочные чертежи проектируемого устройства;
-	рабочие чертежи деталей.
В зависимости от сложности и насыщенности комбинирован-
ная функциональная и оптическая принципиальная схемы при-
бора могут выполняться на листах формата А1 или А2. Вместо
оптической схемы может быть выполнена оптико-кинематичес-
кая схема.
По указанию руководителя проекта в графическую часть
могут быть включены чертежи узлов прибора; электрические
схемы рассчитанных блоков; схемы, поясняющие принцип рабо-
ты или обработки сигнала, и т.д.
Требования к комбинированной функциональной и оптичес-
кой принципиальной схемам прибора рассмотрены в п. 2.8.
Сборочные чертежи выполняются в соответствии с требова-
ниями ГОСТ 2.301 ... 2.316-68 и должны полностью раскрывать
конструкцию прибора и взаимосвязь деталей. На чертежах дол-
жны быть указаны габаритные и присоединительные размеры.
471
Проектирование оптико-электронных приборов
Чертежи должны включать все необходимые для соблюдения
указанных условий проекции, виды, разрезы и сечения. На поле
чертежа размещают текст технических требований, выполнение
которых необходимо обеспечить при изготовлении, сборке и на-
стройке прибора. К сборочному чертежу составляется специфика-
ция, включаемая в пояснительную записку,
Помимо сборочных чертежей, могут выполняться общие
виды, теоретические, габаритные и монтажные чертежи прибо-
ра, если в этом возникает необходимость.
Рабочие чертежи деталей выполняются, как правило, на
листах формата А4 и размещаются на листе формата А1 без раз-
резания последнего. При этом для изображения должны быть
выбраны детали различных типов:
-	оптические (линза, зеркало, призма, шкала и др.);
—	детали, получаемые токарной обработкой;
—	детали, получаемые фрезерной обработкой;
—	детали кинематических звеньев (зубчатое колесо, червяк,
винт, направляющая и др.);
—	корпусные детали, получаемые комбинированными мето-
дами, в том числе литьем, штамповкой и др.
На чертеже детали должны быть указаны все данные, необхо-
димые для ее изготовления и контроля: размеры, предельные
отклонения, покрытия, термообработка, шероховатость поверх-
ностей и др.
Оформление расчетно-пояснительной записки производится
обычно после выполнения чертежно-графической части проек-
та. Однако все необходимые материалы для текстовой части
проекта следует собирать и фиксировать в течение всего периода
работы над проектом.
Расчетно-пояснительная записка должна быть выполнена
чисто и аккуратно на листах писчей белой нелинованной бумаги
в переплете из плотной бумаги или картона в соответствии с
требованиями ГОСТ 7.32-91 «Отчет о научно-исследовательской
работе. Общие требования и правила оформления».
Расчетно-пояснительная записка включает:
—	титульный лист;
-	задание на курсовое проектирование;
-	реферат;
—	содержание;
—	вводную часть;
—	описание принципа действия прибора;
—	описание оптической и др. схем прибора;
-	описание конструкции прибора;
—	расчетную часть;
472
Приложение
—	список использованных источников;
—	приложения (в том числе спецификацию).
В вводной части расчетно-пояснительной записки должен
быть приведен краткий обзор существующих схем реализации,
аналогов конструкций и разработок, анализ исходных данных и
основные предпосылки для выбора принципиальной схемы при-
бора или устройства.
Описание принципа действия прибора обычно выполняется
по чертежу функциональной схемы и дополнительным поясни-
тельным чертежам. Здесь следует показать назначение каждого
узла и элемента прибора, типы этих элементов, связи элементов
и узлов между собой — оптические, механические, электричес-
кие и др., взаимодействие каждого узла, элемента, блока с дру-
гими элементами, а также работу всего прибора в целом.
При описании оптической схемы необходимо показать ход
световых пучков, характер их преобразования, размеры изобра-
жения, особенности оптических элементов.
При описании электрических схем показывается преоб-
разование сигнала в элементах схемы, значения входных и вы-
ходных параметров, коэффициенты усиления и пр.
Описание конструкции выполняется по сборочным чертежам.
Здесь показывается связь узлов и элементов, способы крепле-
ния, некоторые сведения по юстировке с указанием элементов
конструкции, служащих для этой цели, приводятся некоторые
конструктивные параметры (габариты, массы, пределы переме-
щений, способы охлаждения, герметизации, смазки, уплотнения
и т.п.).
Расчетная часть проекта является обоснованием выбора каж-
дого элемента конструкции. Она состоит из ряда расчетов, основ-
ными из которых являются:
-	габаритный оптический расчет;
—	энергетический (светотехнический) расчет;
—	кинематический расчет;
—	точностной расчет.
Перечень расчетов и их объем согласовывается с руководи-
телем проекта при выдаче задания.
Изложение пояснительной записки должно быть четким, по
возможности кратким, логически последовательным, но вместе
с тем полностью раскрывающим существо рассматриваемых во-
просов.
При выполнении записки необходимо пользоваться общепри-
нятой терминологией, сокращениями и обозначениями, опреде-
ляемыми соответствующими стандартами. Текстовая часть либо
связывается с чертежно-графической частью проекта, либо со-
473
Проектирование оптико-электронных приборов
провождается необходимыми по ходу изложения рисунками,
схемами, графиками и т.д., на которые в тексте должны быть
сделаны ссылки.
Все рисунки и схемы должны выполняться в соответствии с
требованиями ЕСКД.
В списке литературы указываются источники, которые были
использованы при проектировании для выбора схемы, для выпол-
нения расчетов и т.д. При этом в тексте расчетно-пояснительной
записки в соответствующих местах приводятся ссылки на поряд-
ковый номер литературы в наклонных скобках.
Общий объем расчетно-пояснительной записки — 30—40
страниц.
3. Последовательность выполнения
курсового проекта
Задание на курсовой проект студенты получают на одном из
первых занятий, посвященном курсовому проектированию. В
дальнейшем студенты должны являться на занятия, установ-
ленные расписанием, и отчитываться за выполненную работу по
курсовому проектированию в соответствии с приведенным ниже
графиком.
При курсовом проектировании студентами не разрабатыва-
ется полный комплект конструкторской документации, а проек-
тирование прибора завершается на этапе детальной разработки
конструкции и отдельных рабочих чертежей.
Этапы	Недели	Наименование этапов
1	1,2	Анализ ТЗ и возможных схем построения прибора или устройства. Выбор функциональной схемы прибора или устройства
2	3, 4,5	Выполнение основных расчетов. Составление оп- тической, кинематической и др. схем
3	6,7	Проведение эскизной компоновки прибора или устройства
4	8,9	Разработка сборочного чертежа. Составление спе- цификации
5	10, 11	Выполнение чертежей схем
6	11, 12	Выполнение рабочих чертежей и деталей
7	13, 14	Окончательное уточнение расчетов Оформление расчетно-пояснительной записки
8	14, 15	Защита проекта
474
Приложение
Анализ технического задания является одним из наиболее
важных этапов выполнения курсового проекта. Здесь студентам
необходимо тщательно уяснить назначение и технические харак-
теристики проектируемого прибора или устройства, а также опре-
делить реальность его создания, поэтому работа на данном этапе
заключается:
-	в изучении технического задания и дополнительных мате-
риалов, рекомендованных руководителем проекта;
—	в анализе различных вариантов схем с целью выбора опти-
мального либо, если для разработки предложена готовая схема,
в обосновании применения тех или иных элементов и их взаимо-
действия.
Выбор варианта схемы проектируемого прибора должен со-
провождаться необходимыми предварительными расчетами и
учитывать функциональные и технологические требования.
Порядок проведения и примеры расчетов рассмотрены в соот-
ветствующих разделах настоящей книги.
Компоновку прибора можно проводить, пользуясь матери-
алами гл. 11.
К сборочному чертежу составляется спецификация, включа-
емая в пояснительную записку. Форма спецификации определя-
ется ГОСТ 2.108—68.
Спецификация заполняется в следующем порядке: докумен-
тация, сборочные единицы, детали, стандартные изделия, про-
чие изделия, материалы. Разделы спецификации «Комплексы»
и «Комплекты» в курсовом проекте обычно отсутствуют.
Обязательному заполнению подлежит графа спецификации
«Обозначение». Обозначение строится следующим образом:
-	буквенная часть, представляющая собой аббревиатуру
названия прибора (например, АКФ — автоколлиматор фото-
электрический) ;
-	двухзначные номера сборочных единиц, входящих в сбороч-
ный чертеж прибора, после буквенной части ставится 00.
Рабочие чертежи деталей выполняются в соответствии с тре-
бованиями ЕСКД.
Масштаб чертежа определяется габаритами и сложностью
детали, в зависимости от чего выполняется необходимое число
проекций, разрезов, сечений, видов.
На рабочих чертежах требуется указать все данные, необхо-
димые для изготовления и контроля детали: размеры и их до-
пуски, допустимые отклонения формы и расположения поверх-
ности, шероховатость поверхностей, покрытия и отделку поверх-
ностей, термообработку, материал с указанием названия, марки
и номера ГОСТ.
475
Проектирование оптико-электронных приборов
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Автоматизация проектирования оптико-электронных при-
боров: Учеб, пособие для оптических специальностей вузов /
Л.П. Лазарев, В.Я. Колючкин, А.Н. Метелкин и др. М.: Маши-
ностроение, 1986. 216 с.
2.	Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микро-
электронные фотоприемные устройства. М.: Энергоатомиздат,
1984. 208 с.
3.	Бабаев А.А. Амортизация, демпфирование и стабилиза-
ция бортовых оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1984.
232 с.
4.	Боднер В.А., Алферов А.В. Измерительные приборы: Учеб,
для вузов. Т. 1. Теория измерительных приборов. Измеритель-
ные преобразователи. М.: Изд-во стандартов, 1986. 392 с.
5.	Высокоточные угловые измерения / Д.А. Аникст,
К.М. Константинович, И.В. Меськин и др.; Под ред. Ю.Г. Яку-
шенкова. М.: Машиностроение, 1987. 480 с.
6.	Грейм И.А. Оптические дальномеры и высотомеры гео-
метрического типа. М.: Недра, 1983. 320 с.
7.	Гуткин Л.С. Проектирование радиосистем и радиоуст-
ройств: Учеб, пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1986. 288 с.
8.	Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной
аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. 247 с.
9.	Елисеев С.В. Геодезические инструменты и приборы.
М.: Недра, 1973. 392 с.
10.	Заказнов Н.П. Прикладная геометрическая оптика.
М.: Машиностроение, 1984. 184 с.
11.	Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и опти-
ко-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. 175 с.
12.	Катыс Г.П Восприятие и анализ оптической информа-
ции автоматической системой. М.: Машиностроение, 1986. 416 с.
13.	Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных при-
боров с лазерами. М.: Сов. радио, 1978. 264 с.
14.	Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надеж-
ности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М.: Сов.
радио, 1975. 472 с.
476
Список литературы
15.	Конструирование приборов. В 2-х кн. Кн. 1 / Под ред.
В. Краузе; Пер. с нем. В.Н. Пальянова; Под ред. О.Ф. Тищенко.
М.: Машиностроение, 1987. 384 с.
16.	Латыев С.М. Компенсация погрешностей в оптических
приборах. Л.: Машиностроение, 1985. 248 с.
17.	Литвинов В.С., Рохлин Г.Н. Тепловые источники опти-
ческого излучения (теория и расчет). М.: Энергия, 1985. 248 с.
18.	Ллойд Дж. Системы тепловидения / Пер. с англ.; Под
ред. А.И. Горячева. М.: Мир, 1978. 465 с.
19.	Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-элект-
ронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983. 696 с.
20.	Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оп-
тико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990. 432 с.
21.	Петров В.П. Контроль качества и испытание оптических
приборов. Л.: Машиностроение, 1985. 222 с.
22.	Плотников В.С. Геодезические приборы. М.: Недра, 1987.
396 с.
23.	Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигна-
лов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение. Ле-
нингр/отд-ние, 1989. 387 с.
24.	Прикладная оптика / М. И. Апенко, А. С. Дубовик,
Г.В. Дурейко и др. М.: Недра, 1982. 612 с.
25.	Проектирование оптико-электронных приборов /
А.С. Елизаренко, Ю.Б. Парвулюсов, В.П. Солдатов, Ю.Г. Яку-
шенков; Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Машиностроение, 1981.
264 с.	,
26.	Прохоров А.Ф. Конструктор и ЭВМ. М.: Машинострое-
ние, 1987. 272 с.
27.	Радиоавтоматика / В.А. Бессекерский, А.А. Елисеев,
А.В. Небылов и др.; Под ред. В.А. Бессекерского. М.: Высш,
школа, 1985. 271 с.
28.	Разработка и оформление конструкторской документа-
ции РЭА: Справочное пособие. Э.Г. Романычева, А.А. Иванова,
А.С. Куликова, Т.П. Новикова. М.: Радио и связь, 1984. 266 с.
29.	Системы автоматизации проектирования в радиоэлект-
ронике: Справочник / Е.В. Авдеев, А.Т. Еремин, И.П. Норен-
ков, М.И. Песков; Под ред. И.П. Норенкова. М.: Радио и связь,
1986. 363 с.
30.	Системы автоматизированного проектирования. В 9 кн.
/ И.П. Норенков. Кн. 1. Принципы построения и структура.
М.: Высш, школа, 1986. 127 с.
31.	Скоков И.В. Оптические спектральные приборы. М.: Ма-
шиностроение, 1984. 240 с.
477
Проектирование оптико-электронных приборов
32.	Справочник конструктора оптико-механических прибо-
ров / Под ред. В.А. Панова. Л.: Машиностроение, 1980, 742 с.
33.	Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конст-
руирования / Под ред. Р.Г. Варламова. М.: Сов. радио, 1980.
680 с.
34.	Справочник по инфракрасной технике. В 4-х томах. Под
ред. У. Волфа и Г. Цисиса. / Пер. с англ.; под ред. М.М. Мирош-
никова и Н.В. Васильченко. Т.1. М.: Мир, 1995. 608 с.
35.	Таленс Я.Ф. Работа конструктора. Л.: .Машиностроение,
1987. 225 с.
36.	Технические средства АСУ: Справочник в 2-х т. Т. 2.
Технические средства СМ ЭВМ. Под ред. Г.Б. Кезлинга. Л.:
Машиностроение, 1986. 719 с.
37.	Шарловский Ю.В. Механические устройства малых оп-
тических систем. М.: Машиностроение, 1979. 128 с.
38.	Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных
приборов. М.: Логос, 1999. 480 с.
39.	Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы
борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Сов.
радио, 1981. 180 с.
40.	Infrared and Electro-Optical Systems Handbook./Ed. by J.C.
Accetta and D.L. Shumaker. Vol. 1-8. SPIE and ERIM, 1993.
3000 pages.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Аберрации оптической системы 218
—	термооптические 192
Амортизаторы, параметры 426
—	демпфирующие 422
—	пружинные 426
—	резиново-металлические 422
Анализ при проектировании 53
Анализатор человека зрительный 115
--тактильный 122
Антропометрия 123
Аттестация метрологическая 468, 469
Б
Безотказность 134
Бленда двойная 232
—	кольцевая 233
—	круговая 232
—	сотовая 234
Блок оптико-механический 437-444
—	электронный 444-456
Блоки вставные 433
В
Вентиляция естественная 401
—	принудительная 401
Вероятность безотказной работы 136
Воздействие биологических факторов
104
—	влаги 102
—	давления окружающей среды 103
—	ионизирующего излучения 107
—	магнитного поля 107
—	механическое 105-107
—	полей СВЧ 107
—	пыли и песка 104
—	солнечного излучения 104
—	тепловое 102-104
Волоконно-оптические элементы 253
Выбор амортизатора 422-428
—	анализатора изображения 257-305
—	вида модуляции 168-171
—	источника излучения 150
—	компенсатора рассогласования 323-
330
—	конденсора 165-168, 228-231
— модулятора 171
— объектива 147-150, 218-220
— оптической системы 147-150, 216
— полосы пропускания электронного
тракта 173-176
— привода следящей системы 391-398
— приемника излучения 150, 151
— рабочих частот модуляции 171-176
— системы охлаждения приемника из-
лучения 403-410
—	согласующего каскада 344-351
Г
Герметизация, виды 416
—	неразъемная 419-421
—	разъемная 416-419
д
Диаметр входного зрачка объектива
148, 150
—	конденсора 166
Диапазон измерений 9
—	спектральный 150
Диафрагма ирисовая 253
Дисперсия угловая дифракционной ре-
шетки 333
---спектральной призмы 331
Дифракционные решетки 332
Документы ремонтные 88
—	эксплуатационные 87
Долговечность 134
Е
Единая система конструкторской доку-
ментации ЕСКД 73
Единица сборочная 86
Ж
Жгуты волоконно-оптические 253-256
3
Завальцовка линз 222
Задание техническое ТЗ 72-76
Задачи проектирования 72
Записка пояснительная 77
Зеркала плоские 242
— сферические 244
479
Проектирование оптико-электронных приборов
Зона высокоточного зрения 115
—	окружения 115
—	периферийная 116
—	точного зрения 115
Зоны климатические 101
—	размещения органов управления
116, 121
И
Излучение тепловое 399-401
Индикаторы 115, 116
Инерционность ПИ 341
Интенсивность отказов 136, 137
Информация патентная 24
Испытания государственные 458
—	климатические 463-468
—	контрольные 457
—	механические 461-463
—	предварительные 458
— приемосдаточные 458
— термобарические 465-468
Исследования патентные 25
Источники излучения газоразрядные
203
---лазерные 203
----светодиодные 207
---тепловые 201
—	научно-технической информации 24
К
Кабели соединительные 445
Каскад согласующий 346
Качество конструкторских работ 94-96
Классификация источников излучения
201
—	приемников излучения 341
—	ОЭП 7
Климат 100, 101
Кольца пружинные 222, 229
— разделительные 222
— резьбовые 221, 229
Комбинирование 34
Компенсаторы оптико-механические,
параметры 324
-------клиновые 326
-------линзовые афокальные 329
---— с микровинтами 324
-------с плоскопараллельными плас-
тинами 325-326
-------с телескопическими линзами
329
Компоновка машинная 454
—	оптических блоков 4370150444
—	печатных плат 446-452
—	пультов управления 121
—	электронных блоков 444-454
Конденсоры 228-231
Криостаты 403-408
Критерии оценки качества ОЭП 8-17
Л
Лазеры 206
Лампы газоразрядные 266, 212
— накаливания 202-206
----галогенные 202, 210
м
Макетирование ОЭП 82
Методы проектирования 18-23
— распределения допусков 177
— суммирования погрешностей 187
Микрохолодильники 406
Модели алгоритмические 60-66
— аналитические 61
— погрешностей 13-17
— статистические 64
Моделирование ОЭП математическое
60-67
----физическое 60
Модуляторы акустооптические 315
— магнитооптические 314
— растровые механические 307-309
— электрооптические 309
----Керра 312-313
----Поккельса 309-312
Модуляция амплитудная двухкратная
169
---- однократная 169
—	амплитудно-импульсная 169
—	внешняя 307
—	внутренняя 306
—	времяимпульсная 170, 174
—	паразитная 319
—	фазовая 171, 176
—	частотная 170, 176
н
Наводка паразитная 429-431
Надежность 135-139
Наработка средняя до отказа 136
Нормирование конструкторских работ
98
Нормоконтроль 9-99
О
Обеспечение метрологическое 79, 468
Образец опытный ОЭП 84
Объективы 217-228
—	насыпные 226
Операция проектная 45
Оправы зеркал 244-245
— объективов 221-226
----эсцентричные 224
— призм 238
Органы научно-технической информа-
ции 26
—	управления 116-121
Ослабители оптического излучения 251
Отказ 135
Отношение сигнал/шум 148-150
Оценка уровня техники 23-28
480
Предметный указатель
П
Пакеты прикладных программ 41
Паспорт патентный 87
—	технический 87
Патентоспособность 23-25, 133
Плата печатная 444-452
Плотность оптическая 250
Погрешность гистерезиса 13
—	динамическая 179, 180
—	дополнительная 11
—	инструментальная 14, 184-189
—	методическая 10, 14
—	общая 11, 16
—	основная 11
—	растра модулятора 317-320
—	систематическая 12
—	случайная 12
Поиск информационный 23-27
—	патентный 24, 133
Показатели надежности 134-136
—	техники безопасности 112
—	технологичности 130-132
—	функционирования 8
—	экономические 28-32
Поле зрения человека 115
— угловое мгновенное 115
---ОЭП 148, 150
Последовательность разработки 72
Предложение техническое 76-78
Призмы отражательные 238
—	спектральные 330-332
Признаки классификации ОЭП 6
Проектирование автоматизированное
40-71
—	блочно-модульное 37
—	восходящее 38
—	конструкторское 19, 21
—	нисходящее 37
—	рабочее 83-85
—	системное 36
—	системотехническое 19
—	схемотехническое 19
—	техническое 81-83
—	эскизное 78-81
Пропускание оптической системы 148
—	оптического фильтра 250
Процедура проектная 41
Психология инженерная 115
Пульты управления 124-126
Р
Работа конструктора корректировочная
94-96
---организационная 93
—	— производственная 93
		творческая 93
		техническая 93
— научно-исследовательская НИР 72,
73
—	опытно-конструкторская ОКР 73
Р адиаторы 412-416
Размеры тела человека 123
Разрешающая способность анализатора
258
----глаза 116
----жгутов волоконно-оптических 254
----оптической системы 218
----спектральной призмы 331
----тепловизионного ОЭП 156
Районы климатические 101
Растры анализаторов 258
— модуляторов 307-308
Расчет аберрационный 163
— габаритный оптический 147-150,
163-167, 220
—	динамический 179-184
—	кинематический 395
—	конденсора 165-167
—	модулятора радиально-секторного
316, 321
—	надежности 137
—	параметров источников излучения
150-152,204-206
----приемников излучения 150-152
----сканирующей системы 152-154,
336-339
—	поверочный 176
—	радиаторов 412-415
—	точностной 176-179
—	энергетический 140-147, 155-158
Резервирование 138
Ресурс технический 136
С
Светодиоды 207, 215
Синтез аппаратурный 49-53
—	параметрический 50
—	структурный 51
Система автоматизированного проекти-
рования САПР 40-45
— измерения колебаний 189-192
— оптическая зеркальная 240-249
— зеркально-линзовая 227-228
— линзовая 217-231
— передающая 151
— приемная 147-150
Системы оптико-электронные следящие
391-398
—	сканирующие 334-339, 388-390
— тепловизионные 155-158
—	угломерные 189-192
Сканирование 334-336
Соединители 445
Спецификация 83, 86
Стандартизация в ОЭП 127-129
Стандарты государственные ГОСТ 127,
128
—	отраслевые ОСТ 127, 128
Стойки электронные 462
Структура проектирования 72
— САПР 40-48, 60 67
481
Проектирование оптико-электронных приборов
Схема компоновки 432-436
—	ОЭП оптическая принципиальная
88-90
—	структурная 89
—	электрическая функциональная 88
т
Телеобъективы 227
Термостатирование 401-403
Технологичность 130-132
Точность потенциальная 177
Траектория сканирования 335
Требования по безопасности 112
— по надежности 134-139
— по стандартизации 127-129
-технико-конструктивные 108-113
— технико-экономические 132-134
— технические 74
— технологические 130-132
— функциональные 108-113
— эргономические 114-126
— эстетические 114
Труба тепловая 409, 410
У
Унификация конструкций 35, 131
Уравнение основное энергетическое
141, 149
Условия работы ОЭП 100-108
— технические 84, 86
Устройства фотоприемные на фотодио-
дах 351-359, 366-372
---на тепловых ПИ 363-365
---на фоторезисторах 347-351
---с фотоэлементами 359-361
---с ФЭУ 362, 363
Ф
Факторы биологические 104
— метеорологические 102-104
Фильтры оптические 249-253
---интерференционные 250
---нейтральные 252
Фокусное расстояние конденсора 166
— — объектива 164
Формуляр патентный 87
—	технический 83, 87
Функция влияния 16
—	модулирующая 307
—	передаточная оптическая 218
—	преобразования 9, 16
—	распределения 12
X
Характеристики метеорологические
109, 468, 469
Холодильник термоэлектрический 408
ц
Центрировка объективов 220
ч
Частота модуляции 168-173
—	пространственная 158
—	сканирования 171
—	собственная 106, 422
Чертеж габаритный 86
—	контрольно-сборочный 86
—	монтажный 86
—	общего вида 86
—	сборочный 86
—	теоретический 86
Ш
Шкалы 116
Шумы ПИ 350, 355, 361, 371
э
Экранирование 110, 429-431
Эксцентриситет оси вращения модуля-
тора 318
Элементы стекловолоконные жесткие
253
— электропривода исполнительные
380-398
Электропривод ОЭП, назначение и
структура 380
— дискретный 383
— растровых модуляторов 384-388
— сканирующих систем 388-391
— следящих систем 391-398
ю
Юстировка зеркал 245
— источников излучения 207
—	объективов 224
—	призм 240
482
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ..............................................3
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ........................................6
1.1.	Краткая классификация оптико-электронных приборов...6
1.2.	Основные критерии оценки качества оптико-электронных
приборов............................................... 8
1.3.	Точностные критерии качества оптико-электронных приборов.10
Глава 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ..................................18
2.1.	Уровни проектирования..............................18
2.2.	Оценка существующего уровня
развития техники.......................................23
2.3.	Технико-экономическое обоснование .................28
2.4.	Методы решения нешаблонных задач...................32
2.5.	Блочно-иерархический подход
к проектированию.......................................36
Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОМ
ПРИБОРОСТРОЕНИИ........................................40
3.1.	Структура САПР.....................................40
3.2	Использование САПР на различных этапах разработки ..45
3.3.	Синтез при проектировании .........................49
3.4.	Анализ при проектировании .........................53
3.5.	Оптимизация в процессе проектирования..............56
3	6. Моделирование как элемент САПР...................60
3.7. Обобщенная (полная) модель
оптико-электронной системы......................... 66
Глава 4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В СООТВЕТСТВИИ С ДЕЙСТВУЮЩИМИ
ГОСУДАРСТВЕННЫМИ	СТАНДАРТАМИ..............72
4.1.	Общие вопросы организации
процесса проектирования............................... 72
4.2.	Техническое задание................................74
483
Проектирование оптико-электронных приборов
4.3.	Техническое предложение.........................................76
4.4.	Эскизное проектирование.........................................78
4.5.	Техническое проектирование .....................................81
4.6.	Рабочее проектирование..........................................83
4.7.	Конструкторская документация....................................85
4.8.	Организация конструкторских работ, выполняемых при
проектировании оптико-электронных приборов....................93
Глава 5. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
КОПТИ КО- ЭЛЕКТРОННЫМ ПРИБОРАМ...............................100
5.1.	Требования по внешним условиям
и условиям эксплуатации......................................100
5.2.	Технико-конструктивные требования..............................108
5.3.	Требования технической эстетики................................114
5.4.	Требования стандартизации......................................127
5.5.	Технологические требования.....................................130
5.6.	Технико-экономические требования...............................132
5.7.	Требования к надежности........................................134
Глава 6. РАСЧЕТ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ..................................140
6.1.	Энергетические расчеты оптико-электронных приборов.............140
6.1.1.	Цель и порядок энергетического расчета...................140
6.1.2.	Выбор сценария работы и энергетической модели
оптико-электронного прибора.................................142
6.1	3. Расчет основных габаритных параметров приемной
оптической системы........................................ 147
6.1.4.	Расчет и выбор параметров источников и приемников
излучения на основе энергетических соотношений.............150
6.1.5.	Выбор и расчет основных параметров сканирующей системы.....152
6.1.6.	Энергетический расчет тепловизионной системы...............155
6.1.7.	Энергетический расчет автоколлиматора......................158
6.2.	Особенности габаритного расчета приемных оптических
систем оптико-электронных приборов............................163
6.3.	Расчет и выбор динамических параметров
оптико-электронных приборов ..................................168
6.3.1.	Сравнительная оценка и выбор вида модуляции
оптического сигнала .......................................168
6.3.2.	Выбор рабочих частот модуляции.............................171
6.3	3. Выбор и расчет полосы пропускания электронного тракта . ..173
6.4	Точностные расчеты оптико-электронных приборов.................176
6.4.1.	Основные этапы точностных расчетов........................ 176
6.4.2.	Расчет и минимизация динамической и шумовой погрешностей.179
6.4.3.	Расчет инструментальных погрешностей.....................184
6.5	. Расчет тепловых режимов работы
оптико-электронных приборов .................................192
484
Оглавление
Глава 7. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ
И ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ УЗЛОВ ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ................................201
7.1.	Узлы излучателей............................................201
7.1.1.	Источники излучения, применяемые в
оптико-электронных приборах...............................201
7.1.2.	Некоторые особенности излучателей,
применяемых в оптико-электронных приборах.................203
7.1.3.	Конструкции узлов источников излучения..............207
7.2.	Оптические узлы оптико-электронных приборов.............216
7.2	1 Объективы........................................... 217
7.2.2.	Конденсоры ........................................ 228
7.2.3.	Бленды..............................................231
7.2.4.	Узлы отражательных элементов........................234
7.2.5.	Фильтры и ослабители оптического излучения..........249
7.2.6.	Волоконно-оптические элементы.......................253
7.3.	Анализаторы изображения.................................257
7.3.1.	Назначение, классификация и основные характеристики.257
7	3 2. Полудисковый анализатор изображения ............ 259
7.3.3.	Виброщелевые анализаторы изображения ...............264
7.3.4.	Анализаторы изображения со светоделительными элементами.272
7.3.5.	Фазовые растровые анализаторы изображения...........280
7.3.6.	Импульсные анализаторы изображения .................285
7.3.7	Поляризационные анализаторы .........................289
7.3.8.	Волоконно-оптические анализаторы....................292
7.3.9.	Анализаторы изображения на основе
многоэлементных приемников излучения......................298
7.4.	Модуляторы ...........................................  306
7.4.1.	Виды модуляторов ...................................306
7.4.2.	Выбор основных параметров модуляторов...............316
7.5.	Оптико-механические компенсаторы .......................323
7	6. Узлы диспергирующих элементов.........................330
7.7.	Сканирующие устройства оптико-электронных приборов......334
Глава 8. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА И ВЫБОРА
ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ.......................................340
8.1.	Предварительный выбор приемника излучения и его согласование с
оптической системой и электронным трактом...................340
8.2.	Фотоприемные устройства
на фоторезисторах........................................347
8.3.	Фотоприемные устройства на фотодиодах...................351
8.4.	Фотоприемные устройства с приемниками излучения на основе
внешнего фотоэффекта........................................359
8.5.	Фотоприемные устройства с тепловыми приемниками
излучения...................................................363
8.6.	Фотоприемные устройства с многоэлементными приемниками
излучения...................................................365
485
Проектирование оптико-электронных приборов
8.7.	Выбор и расчет основных параметров предусилителей
фотоприемных устройств.................................  372
8.8.	Конструкции узлов приемников излучения
и фотоприемных устройств.................................374
Глава 9. ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА И РАСЧЕТА
ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ ........................................380
9.1.	Назначение и состав электропривода оптико-электронного
прибора. Общие требования к нему.........................380
9.2.	Электродвигатели ОЭП................................381
9.3.	Привод растровых модуляторов и анализаторов.........384
9.4.	Привод сканирующих оптических систем................388
9.5.	Привод следящих оптико-электронных систем...........391
Глава 10. УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ ...............................399
10.1.	Защита оптико-электронных приборов
от тепловых воздействий..................................399
10.1.1.	Использование конвекции........................399
10.1.2.	Использование термостатов......................401
10.1.3.	Устройства для охлаждения приемников излучения
и других элементов оптико-электронных приборов........403
10.1.4.	Защита от тепловых воздействий оптико-электронных приборов,
устанавливаемых на космических аппаратах...............410
10.1.5.	Выбор и расчет радиаторов......................412
10.2.	Герметизация в оптико-электронных приборах.........416
10.2.1.	Разъемная герметизация.........................417
10.2.2.	Неразъемная герметизация.......................420
10.3.	Защита оптико-электронных приборов
от динамических воздействий .............................421
10.4.	Экранирование в оптико-электронных приборах........429
Глава 11. КОМПОНОВКА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ.................................................432
11.1.	Общие принципы компоновки..........................432
11.2.	Компоновка оптико-механических блоков..............437
11.3.	Компоновка электронного тракта.....................444
Глава 12. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСПЫТАНИЯХ
И ПОВЕРКАХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ........................................457
12.1.	Виды и организация испытаний.......................457
12.2.	Механические испытания.............................461
12.3.	Климатические испытания............................463
12.4.	Термобарические испытания..........................465
486

12.5.	Специальные методы испытаний..............
12.6.	Метрологическая аттестация и поверки
оптико-электронных приборов.................
ПРИЛОЖЕНИЕ
КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ... 4 Э
1.	Цель и задачи курсового проектирования.......
2.	Содержание курсового проекта и требования к его оформлении, 4/(1
3.	Последовательность выполнения
курсового проекта............................... 4 4
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................... 4 
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ............................ 479
Учебное издание
ПАРВУЛЮСОВ Юрий Борисович
РОДИОНОВ Сергей Аронович
СОЛДА ТО В Виктор Петрович
ШЕХОНИН Александр Александрович
ЯКУШЕНКОВ Юрий Григорьевич
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ
Учебник
Оригинал-макет подготовлен в УПП “Репрография”
МИИГАиК Б.В.Кузнецовым, С.Н.Мельниковым,
Е.В. Мельниковой
УПП “Репрография” МИИГАиК
103064, Москва, Гороховский пер., 4
ЛР № 071045 от 09.06.2000
Издательская корпорация “Логос”
105318, Москва, Измайловское ш., 4
Подписано в печать 30.06.2000.
Гарнитура Школьная. Формат 60x90/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 30,5.
Уч.-изд.л. 35,67. Тираж 1000 экз. Заказ 999
Налоговая льгота - общероссийский классификатор продукции ОК-005-93, том 2:
953000 Гигиенический сертификат № 77.99.2.953.П.10163.4.00 от 05.04.2000
Отпечатано с готовых диапозитивов Марийским
полиграфическо-издательским комбинатом
424000, Йошкар-Ола, ул. Комсомольская, 112