Анимированная разгадка
На анимированную загадку.
Это форма плоского зеркала для моего весёлого изделия, в зависимости от того, на каком расстоянии от входного объектива его поставить.
(голубым обозначена фоточувствительная область фотоприёмной матрицы, срез по диагонали, мелкие клетки - миллиметры, крупные клетки - сантиметры)
Аналитически оно чего-то у меня не выводилось, хотя теперь, "задним числом", зная, что должно вывестись - может, и получится.
Вся хитрость - в ДВУХ поворотах на 45° по двум разным осям, плюс ненулевой диаметр объектива, из-за чего и получается гремучая смесь из прямых и скруглённых сегментов.
Изначально оптическая система задумывалась максимально простой: объектив на 1-2 линзах с относительным отверстием 1:11, да ещё и работающий в очень узком диапазоне длин волн (только то, что излучают наши собственные ИК светодиоды), так что хроматические аберрации - это не про нас, астигматизм/кома на таком отн. отверстии - незаметны, ну разве что остаётся дисторсия и искажение поля, но первая очень предсказуема и исправляется "программно", а второе - при такой глубине резко изображаемого пространства (ГРИП), как у нас - тоже не играет большой роли.
Фотоприёмная матрица квадратная, поэтому, казалось бы, как её расположить - тоже никаких вопросов. Разумеется, "вдоль осей прибора", хоть горизонтально, хоть вертикально - без разницы.
Но в какой-то момент меня "осенило": её надо развернуть на 45 градусов, т.е снимать не "горизонтальные" и не "вертикальные" видео, а "диагональные". Потому как наш прибор никому картинку показывать и не обязан, она для его "внутреннего потребления" - так что если так нам лучше, то можем сделать. См. про вертикальные видео.
А затем "осенило" второй раз: если мы хотим получить малогабаритное устройство, и при этом хорошо защитить фотоприёмную матрицу от радиации (чтобы в ней не появлялись "битые пиксели" с бешеной скоростью), нужно оптическую ось "переломить", как показано на картинке выше. Тогда матрица ляжет аккурат на толстенный шпангоут КА, а напротив неё будет стоять массивная "железяка" - стыковочный механизм с внутренним переходом, так что чисто геометрически мы существенно снизим полученную дозу.
Теперь "внизу", на посадочной поверхности, сидит плата (я надеюсь, одна-единственная, на которую влезет ВСЁ), на ней, под углом 45° к передней кромке прибора - фотоприёмная матрица. Вообще, довольно удачное расположение: так можно угол сунуть практически в край платы, и хватит места для дорожек и конденсаторов "обвязки", коих там не перечесть.
А над ней должно стоять плоское зеркало, которое переотразит лучи на фотоприёмную матрицу. И разумеется, оно должно иметь минимально необходимые размеры: все НУЖНЫЕ НАМ лучи отразить, а всё остальное желательно как можно быстрее поглотить на элементах конструкции.
Я долгое время полагал, что существует некоторое оптимальное положение зеркала, где-то посерединке между матрицей и объективом, при котором прибор получится наиболее низкопрофильным. Размышлял так: если зеркало поставить сразу за объективом, свету придётся долго "спускаться вниз" к матрице. А если слишком прижать его к матрице, оно увеличится в размерах, т.к свет из кружка диаметром 3,3 мм расширяется до размеров чувствительной зоны матрицы, около 16х16 мм.
"Моделирование" показало: ничего подобного, надо действительно прижать зеркало как можно ближе к матрице! Это немного обидно, потому что теперь нужно копать поглубже, учесть толщину покровного стекла над кристаллом матрицы, и длину оптического пути через него, потом принять во внимание всевозможные конструктивные ограничения, которые могут не позволить поставить зеркало вплотную к этому покровному стеклу.
И всё-таки этот "гордиев узел" почти что удалось разрубить. Вся проблема, что он на стыке компетенций разных специалистов. Наши оптики обычно не заморачиваются такими вещами, как "перелом" оптической оси плоским зеркалом, и диафрагмы (полевые и апертурные) всегда считают исключительно круглые, пусть нам в конечном итоге картинка нужна квадратная, и "на этом можно сэкономить". А дальше, имея "идеальную" (в виде висящих в пустоте линз, насаженных на оптическую ось) оптическую систему, они отдают её конструкторам, чтобы те уже спроектировали её в металле. В общем-то, оно работает, но получающиеся оптические системы зачастую выходят жутко переусложнёнными. Оптикам сказали сделать расстояние от кромки до матрицы в 40 мм, и они будут мучаться и выдерживать это расстояние (возможно, устанавливая что-то вроде "перископа"), "не догадываясь", что оно взято от балды, и если при расстоянии в 32 мм оно резко упростится - надо так и сделать! Также и конструктора получают оптическую систему "какая уж она получилась" - и выполняют. Поэтому, если хочется сделать всё предельно простым, компактным и технологичным - ничего не остаётся, как самостоятельно вчерне всё это рассчитать, и потом уже их озадачить, чтобы сделали "как положено", со всей документацией.
Впрочем, пока это "задел на будущее", тут как в "чертежах Брюса Партингтона": "Чертежи чрезвычайно сложны, включают в себя около тридцати отдельных патентов, из которых каждый является существенно необходимым для конструкции в целом". Чтобы вся идея "взлетела", нужно скомпоновать на одной плате вообще всю схему (сейчас она еле влезала на 3 платы), включая источник питания, который будет удовлетворять всем требованиям (см космическое питание), спроектировать новый облегчённый корпус, в то же время выдерживающий перегрузки в 27g и, конечно же, "подковать блоху", т.е уместить всю цифровую часть в одну-единственную ПЛИС 5576ХС6Т (2880 ЛЭ, 5 килобайт памяти, аналог Flex10k). Если хоть что-то одно не получится или, как минимум, затянется - вся затея насмарку, возвращаемся к "кирпичу", который звёзд с неба не хватает, но модифицируется куда проще. Надо добавить памяти - воткнём. Не хватило одной ПЛИС - так и быть, поставим их две, или микропроцессор какой "прикрутим", место есть...
Но если всё получится - это станет стандартом де-факто для подобных систем, будет летать лет 50 с минимальными доработками, ибо сделать лучше практически невозможно...
Это форма плоского зеркала для моего весёлого изделия, в зависимости от того, на каком расстоянии от входного объектива его поставить.
(голубым обозначена фоточувствительная область фотоприёмной матрицы, срез по диагонали, мелкие клетки - миллиметры, крупные клетки - сантиметры)
Аналитически оно чего-то у меня не выводилось, хотя теперь, "задним числом", зная, что должно вывестись - может, и получится.
Вся хитрость - в ДВУХ поворотах на 45° по двум разным осям, плюс ненулевой диаметр объектива, из-за чего и получается гремучая смесь из прямых и скруглённых сегментов.
Изначально оптическая система задумывалась максимально простой: объектив на 1-2 линзах с относительным отверстием 1:11, да ещё и работающий в очень узком диапазоне длин волн (только то, что излучают наши собственные ИК светодиоды), так что хроматические аберрации - это не про нас, астигматизм/кома на таком отн. отверстии - незаметны, ну разве что остаётся дисторсия и искажение поля, но первая очень предсказуема и исправляется "программно", а второе - при такой глубине резко изображаемого пространства (ГРИП), как у нас - тоже не играет большой роли.
Фотоприёмная матрица квадратная, поэтому, казалось бы, как её расположить - тоже никаких вопросов. Разумеется, "вдоль осей прибора", хоть горизонтально, хоть вертикально - без разницы.
Но в какой-то момент меня "осенило": её надо развернуть на 45 градусов, т.е снимать не "горизонтальные" и не "вертикальные" видео, а "диагональные". Потому как наш прибор никому картинку показывать и не обязан, она для его "внутреннего потребления" - так что если так нам лучше, то можем сделать. См. про вертикальные видео.
А затем "осенило" второй раз: если мы хотим получить малогабаритное устройство, и при этом хорошо защитить фотоприёмную матрицу от радиации (чтобы в ней не появлялись "битые пиксели" с бешеной скоростью), нужно оптическую ось "переломить", как показано на картинке выше. Тогда матрица ляжет аккурат на толстенный шпангоут КА, а напротив неё будет стоять массивная "железяка" - стыковочный механизм с внутренним переходом, так что чисто геометрически мы существенно снизим полученную дозу.
Теперь "внизу", на посадочной поверхности, сидит плата (я надеюсь, одна-единственная, на которую влезет ВСЁ), на ней, под углом 45° к передней кромке прибора - фотоприёмная матрица. Вообще, довольно удачное расположение: так можно угол сунуть практически в край платы, и хватит места для дорожек и конденсаторов "обвязки", коих там не перечесть.
А над ней должно стоять плоское зеркало, которое переотразит лучи на фотоприёмную матрицу. И разумеется, оно должно иметь минимально необходимые размеры: все НУЖНЫЕ НАМ лучи отразить, а всё остальное желательно как можно быстрее поглотить на элементах конструкции.
Я долгое время полагал, что существует некоторое оптимальное положение зеркала, где-то посерединке между матрицей и объективом, при котором прибор получится наиболее низкопрофильным. Размышлял так: если зеркало поставить сразу за объективом, свету придётся долго "спускаться вниз" к матрице. А если слишком прижать его к матрице, оно увеличится в размерах, т.к свет из кружка диаметром 3,3 мм расширяется до размеров чувствительной зоны матрицы, около 16х16 мм.
"Моделирование" показало: ничего подобного, надо действительно прижать зеркало как можно ближе к матрице! Это немного обидно, потому что теперь нужно копать поглубже, учесть толщину покровного стекла над кристаллом матрицы, и длину оптического пути через него, потом принять во внимание всевозможные конструктивные ограничения, которые могут не позволить поставить зеркало вплотную к этому покровному стеклу.
И всё-таки этот "гордиев узел" почти что удалось разрубить. Вся проблема, что он на стыке компетенций разных специалистов. Наши оптики обычно не заморачиваются такими вещами, как "перелом" оптической оси плоским зеркалом, и диафрагмы (полевые и апертурные) всегда считают исключительно круглые, пусть нам в конечном итоге картинка нужна квадратная, и "на этом можно сэкономить". А дальше, имея "идеальную" (в виде висящих в пустоте линз, насаженных на оптическую ось) оптическую систему, они отдают её конструкторам, чтобы те уже спроектировали её в металле. В общем-то, оно работает, но получающиеся оптические системы зачастую выходят жутко переусложнёнными. Оптикам сказали сделать расстояние от кромки до матрицы в 40 мм, и они будут мучаться и выдерживать это расстояние (возможно, устанавливая что-то вроде "перископа"), "не догадываясь", что оно взято от балды, и если при расстоянии в 32 мм оно резко упростится - надо так и сделать! Также и конструктора получают оптическую систему "какая уж она получилась" - и выполняют. Поэтому, если хочется сделать всё предельно простым, компактным и технологичным - ничего не остаётся, как самостоятельно вчерне всё это рассчитать, и потом уже их озадачить, чтобы сделали "как положено", со всей документацией.
Впрочем, пока это "задел на будущее", тут как в "чертежах Брюса Партингтона": "Чертежи чрезвычайно сложны, включают в себя около тридцати отдельных патентов, из которых каждый является существенно необходимым для конструкции в целом". Чтобы вся идея "взлетела", нужно скомпоновать на одной плате вообще всю схему (сейчас она еле влезала на 3 платы), включая источник питания, который будет удовлетворять всем требованиям (см космическое питание), спроектировать новый облегчённый корпус, в то же время выдерживающий перегрузки в 27g и, конечно же, "подковать блоху", т.е уместить всю цифровую часть в одну-единственную ПЛИС 5576ХС6Т (2880 ЛЭ, 5 килобайт памяти, аналог Flex10k). Если хоть что-то одно не получится или, как минимум, затянется - вся затея насмарку, возвращаемся к "кирпичу", который звёзд с неба не хватает, но модифицируется куда проще. Надо добавить памяти - воткнём. Не хватило одной ПЛИС - так и быть, поставим их две, или микропроцессор какой "прикрутим", место есть...
Но если всё получится - это станет стандартом де-факто для подобных систем, будет летать лет 50 с минимальными доработками, ибо сделать лучше практически невозможно...