Высокоточные призменные модули для оптико-электронных приборов и комплексов

На правах рукописи

Потелов Владимир Васильевич

ВЫСОКОТОЧНЫЕ ПРИЗМЕННЫЕ МОДУЛИ
ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И КОМПЛЕКСОВ

Специальность: 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы
и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Москва 2009

Работа выполнена на предприятии ФНПЦ ОАО «Красногорский завод
им. С.А. Зверева».

Официальные оппоненты:	– доктор технических наук С.Н. Бездидько
	– доктор технических наук Р.М. Алеев
	– доктор технических наук В.А. Прядеин
Ведущая организация	ФГУП «НПО «Оптика»» (г. Москва)

:

Защита состоится “ 22 ” октября 2009 г. в 1500 часов

на заседании диссертационного совета Д.409.003.01. в ФГУП НИИ «Полюс»

им. М. Ф. Стельмаха» по адресу:117342, г. Москва, ул. Введенского, д.3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан “_____” _______2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Ю.А. Кротов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема создания оптико-электронных систем для изделий с высокоточной пространственной ориентацией, в частности, для дистанционного зондирования Земли из космоса, передачи азимута систем прицеливания для оперативно-тактических ракетных комплексов и бронетанковых видов вооружений, во многом зависит от успешного решения конструкторских и технологических задач, связанных с изготовлением и применением высокоточных оптических призменных и спектроделительных модулей. В последнее время изделия вышеуказанного класса приобрели особую актуальность.

Дистанционное зондирование Земли из космоса – один из основных методов изучения окружающей среды и контроля её состояния, например, при решении многих задач геологии, в том числе при поисках месторождений полезных ископаемых и подземных вод, в лесном и сельском хозяйстве, океанологии и океанографии, при выборе местности под строительство и т.д. Непрерывно увеличивается его роль при решении экологических задач и в чрезвычайных ситуациях. По данным NASA годовая экономия от эксплуатации спутников для изучения природных ресурсов Земли составляет сотни миллиардов долларов. В настоящее время для решения основных информационных задач дистанционного зондирования Земли необходимо одновременное наблюдение в нескольких спектральных диапазонах. На Международном симпозиуме IGARSS-2002 было отмечено, что в разработке систем XXI века для дистанционного зондирования Земли наблюдается тенденция перехода от односпектральных систем к комплексным многоспектральным.

Наряду с уже достигнутыми предельными пространственными информационными характеристиками (полоса захвата, пространственное разрешение, точность фотограмметрической привязки) современная аппаратура должна обеспечивать высокие радиометрические характеристики и высокое спектральное разрешение. Поэтому, кроме основного традиционного элемента оптической системы – объектива, важной составной частью современной аппаратуры становится модуль диспергирующего устройства, так как именно он осуществляет разложение излучения сложного спектрального состава в спектр.

Среди известных диспергирующих устройств (дисперсионные призмы, дифракционные решётки, светофильтры, фурье-интерферометры и др.) для космической аппаратуры дистанционного наблюдения и топографической аппаратуры существенные преимущества имеют призменные спектроделительные устройства на основе интерференционных фильтров, обеспечивающие:

– возможность апертурного спектрального деления входного излучения на несколько (3 – 6) спектральных каналов, что позволяет одновременно регистрировать один и тот же сюжет в нескольких спектральных диапазонах при идентичных условиях съёмки, повышая тем самым достоверность радиометрической информации;

– возможность формирования резких границ спектрального канала и минимального отношения сигнал/фон, что уменьшает радиометрические погрешности и существенно для ПЗС–приёмников;

– возможность аппаратного фотограмметрического совмещения «пиксел в пиксел» изображений в спектральных каналах, что повышает точность фотограмметрической привязки информации;

– возможность спектрального деления в сходящихся световых пучках, что упрощает оптическую схему и снижает массогабаритные характеристики космической аппаратуры.

Реализация указанных преимуществ может быть достигнута лишь с помощью высокоточных призменных и спектроделительных модулей, путём разработки и промышленного освоения современных технологий изготовления прецизионных призм, неравнотолщинных интерференционных фильтров, сборки и юстировки призменных оптических блоков.

Цель диссертационной работы заключалась в создании теоретических основ и промышленного освоения изготовления прецизионных призменных модулей для их использования в принципиально новых оптических и оптико-электронных приборах и комплексах.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проанализированы существующие типовые конструкции прецизионных призменных модулей в оптико-электронных приборах и комплексах.
2. Разработаны теоретические основы и проведены исследовательские работы по разработке методов изготовления оптических элементов и оптических покрытий для использования в прецизионных призменных сборках, с максимально высокими точностными параметрами.
3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования в области технологий сборки высокоточных призменных модулей методами глубокого оптического контакта и оптических клеевых соединений с целью обеспечения предельной точности позиционирования оптических элементов.
4. Исследованы закономерности и технологические факторы повышения прочностных и светотехнических параметров соединений оптических поверхностей методом глубокого оптического контакта.
5. Разработаны, комплексно исследованы методы очистки оптических поверхностей перед нанесением оптических покрытий, двуокиси кремния (SiO2) для создания глубокого оптического контакта.
6. Разработана математическая модель оптимальной пористости плёнки SiO2 с целью повышения прочностных характеристик оптических сборок.
7. Исследованы и усовершенствованы физико-механические характеристики оптических и конструкционных марок клея, используемых для прецизионной сборки призменных модулей.
8. Внедрена промышленная конструкторско-технологическая концепция изготовления высокоточных призменных модулей, изготовлены, аттестованы опытные и серийные образцы для серийно выпускаемых и перспективных изделий с высокой пространственной ориентацией.

Достоверность и обоснованность результатов проведенных исследований определялась проверкой экспериментальных и серийно изготовленных образцов оптических сборок, а также проведением оптических и эксплуатационных испытаний оптических и оптико-электронных приборов и комплексов; сравнением результатов теоретических расчетов с результатами масштабных экспериментальных работ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Проведённый комплекс теоретических и экспериментальных исследований и разработок в области создания высокоточных призменных модулей позволяет повысить выходные оптические и светотехнические параметры оптико-электронных комплексов для дистанционного зондирования Земли (пространственное разрешение, точность фотограмметрической привязки), точность передачи азимута для систем прицеливания оперативно-тактических ракетных комплексов и бронетанковых видов вооружений на 25-50%.
2. Разработанная комплексная методика расчёта и изготовления особо сложных спектроделительных покрытий для призменных модулей позволила создать принципиально новый тип оптических и оптико-электронных приборов и комплексов гиперспектральной аппаратуры дистанционного зондирования Земли.
3. Предложенные методы очистки оптических поверхностей обеспечивают повышение степени адгезии на 25-30% в случаях нанесения оптических покрытий, глубокого оптического контакта, клеевых соединений.
4. Вакуумный метод нанесения плёнки SiO2 и глубокого оптического контакта обеспечивает высокую степень воспроизводимости технологического процесса глубокого оптического контакта и повышенные эксплуатационные характеристики оптических модулей (предельная прочностная нагрузка на оптические сборки не менее 500 кг/см2).
5. Конструкторско-технологическая концепция процесса склеивания оптических элементов с высоким градиентом коэффициентов линейного температурного расширения (в пределах 20-2510-7С-1) обеспечивает выполнение всех необходимых эксплуатационных параметров, предъявляемых к оптическим призменным модулям в составе оптико-электронных комплексов специального назначения.
6. Впервые разработанные математические модели расчёта и оптимизации пористости конструкционной плёнки SiO2 обеспечивают повышение прочностных характеристик оптических сборок, изготовленных методом глубокого оптического контакта на 25-30%.
7. Результаты проведённых комплексных исследований физико-механических характеристик оптических и конструкционных марок клея позволили оптимизировать технологические факторы, влияющие на повышение выходных точностных и эксплуатационных характеристик призменных сборок, повысить стабильность и воспроизводимость технологических процессов.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые выполнен комплекс теоретических, эксплуатационных и производственных исследований, позволивший разработать принципиально новую концепцию создания конструкции и изготовления высокоточных призменных сборок для оптических и оптико-электронных систем и комплексов с улучшенными оптическими, весогабаритными и эксплуатационными характеристиками.

В работе впервые:

1. предложена конструкторско-технологическая концепция создания высокоточных призменных модулей и на её базе выработаны основные принципы изготовления как отдельных оптических элементов, так и высокоточных призменных модулей с повышенными точностными и эксплуатационными характеристиками для оптико-электронных приборов и комплексов;
2. выполнены теоретические и экспериментальные исследования поверхностных явлений при нанесении плёнки SiO2 пиролитическим и вакуумным методами с целью разработки основ промышленной технологии изготовления высокоточных оптических элементов и особо сложных оптических покрытий;
3. разработана комплексная методика изготовления металлостеклянных прецизионных призменных модулей, включая спектроделительные, с целью создания уникальных по своим оптическим и эксплуатационным параметрам многоспектральных оптических и оптико-электронных приборов и комплексов;
4. разработаны теоретические основы конструирования и изготовления высокоточных призменных модулей для оптико-электронных приборов и комплексов специального назначения с высоким пространственным разрешением, не имеющих мировых аналогов.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Разработана высокопроизводительная комплексная технологическая методика изготовления прецизионных призменных модулей, состоящая из целого ряда принципиально новых технических решений,

в частности:

– впервые разработана и внедрена конструкторско-технологическая концепция прецизионной обработки оптических элементов, обеспечивающая предельные по точности геометрические параметры, минимальную шероховатость оптических поверхностей (в пределах 5 );

– разработана и внедрена уникальная методика оптимизации и изготовления особо сложных, работающих одновременно в нескольких спектральных диапазонах и со сложным спектральным профилем, оптических покрытий, для изготовления отдельных оптических элементов для высокоточных оптико-электронных приборов и комплексов;

– разработана и внедрена в серийное производство технология глубокого оптического контакта с использованием вакуумных и пиролитических методов, с целью обеспечения прецизионной сборки призменных узлов с предельной точностью позиционирования элементов в пределах 0,1 угловой секунды;

– отработан и внедрен в производство способ изготовления высокоточных металлостеклянных призменных сборок, уточнены физико-механические параметры конструкционных марок клея.

2. Выполнение конструкторских и эксплуатационных работ по модернизации существующего технологического, метрологического, испытательного оборудования для решения задач, связанных с диссертацией, позволило резко повысить уровень стабильности и воспроизводимости технологических процессов, используемых для изготовления прецизионных оптических элементов и сборок.

3. Использование промышленной концепции изготовления прецизионных призменных модулей позволило изготовить широкую гамму оптико-электронных приборов и комплексов, не имеющих аналогов в мире.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях и семинарах.

• Всероссийская научно-техническая конференция «Опыт разработки и внедрения автоматических манипуляторов и технологических комплексов с их использованием». Москва, 1985 г.
• VI Всероссийский семинар. Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики. Москва, 28-30 мая 2003г.
• ХI Международная конференция. Оптика лазеров – 2003. С.- Петербург, июль 2003г.
• IV Межведомственная научно-практическая конференция. Информационные оптико-электронные технологии в военном деле. (Оптика для обороны и безопасности –2004) г. Сосновый Бор, Ленинградской области, 28-29 января 2004г.
• XVIII Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Москва, 25-28 мая 2004г.
• VI Международная конференция. Прикладная оптика. С.-Петербург, октябрь 2004г.
• VII Всероссийский семинар. Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики. Москва 25-28 мая 2005г.
• I Международный форум. Оптика –2006. Москва, 29-30 сентября 2005г.
• ХIХ Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Москва, 23-25 мая 2006г.
• XI Международная научно-техническая конференция. Наукоемкие химические технологии – 2006. Самара, 16-20 октября 2006г.
• Научно-техническая конференция. Направления и проблемы развития ракетно-космической обороны. ОАО МАК "Вымпел", Москва, 14 декабря 2006г.
• XIII конференция «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение». Нижний Новгород, май 2007 г.
• Третий международный форум. Оптика. Научно-практическая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Москва, май 2008 г.
• XX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Москва, май 2008 г.
• Международная конференция «Поляризационная оптика – 2008». Москва, 2008 г.
• Российская конференция по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектронике. Новосибирск, 2008 г.

Всего автором диссертации опубликовано 119 работ, в том числе по материалам диссертации – 84 печатные работы, приведенных в списке литературы в конце автореферата, – из них 31 – в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора

Диссертация написана по материалам исследовательских и экспериментальных работ, выполненных лично автором, при его непосредственном участии или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие положения и методики.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы из 281 наименований. Текст изложен на 235 страницах и сопровождается рисунками. Общий объем диссертации составляет 287 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показана актуальность проведенных исследований, сформулирована цель работы, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, изложены защищаемые положения.

В первой главе рассмотрены современные тенденции использования прецизионных призменных и спектроделительных модулей в гиперспектральной аппаратуре ля дистанционного зондирования Земли, передачи азимута систем прицеливания для оперативно-тактических ракетных комплексов, а также особенности применения вышеуказанных сборок в изделиях с высокой пространственной ориентацией.

Реализация предельных точностных и светотехнических выходных параметров призменных и спектроделительных модулей может быть достигнута лишь путём разработки и промышленного освоения современных технологий изготовления прецизионных призм особо сложных оптических покрытий со сложным спектральным профилем, работающих одновременно в различных спектральных диапазонах, сборки и юстировки призменных оптических блоков с предельной точностью.

Типовые конструкторско-технологические требования приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Типовые конструкторско-технологические требования
к высокоточному спектроделительному модулю

Требование	Погрешность изготовления	Погрешность контроля
Погрешность изготовления оптических поверхностей призм, N, N	0,2	0,1
Пирамидальность призм, угл. с	10	1
Погрешность взаимного углового положения призм, угл. с	5	1
Клиновидность призменного блока, угл. с	30	1
Погрешность взаимного линейного положения призм, мм	0,05	0,003
Погрешность воздушного промежутка, мм	0,01	0,001
Интегральное отношение фон/сигнал по уровню 0,5 в области спектра от 0,4 до 1,1 мкм в каждом канале, %	8	2
Коэффициент пропускания фона, %		0,1
Погрешность совмещения центров выходных окон каналов, мкм	0,05	0,01