Optical instruments for space missions work in hostile environment, it’s thus necessary to accurately study the effects of ambient parameters variations on the equipment. In particular, optical instruments are very sensitive to ambient conditions, especially temperature. This variable can cause dilatation and misalignment of the optical elements, and can also lead to rise of dangerous stresses in the optics. Their displacements degrade the quality of the sampled images. In this work the optics and mountings of a stereo-camera for the BepiColombo mission are modelled and processed by a thermo-mechanical FEM analysis, reproducing expected operative conditions. The output is elaborated into a MATLAB optimisation code, based on non-linear least square algorithm to determine the equation of the best fitting nth polynomial or spherical surfaces of the deformed lenses and mirrors; model accuracy is 10-8 m. The obtained mathematical surface representations are then directly imported into ZEMAX for sequential raytrace analysis. The results are spot diagrams, chief ray coordinates on the detector, MTF curves and Diffraction Encircled Energy variations due to simulated thermal loads. This helps also to design and compare different optical housing systems for a feasible solution. Different types of lenses and prisms constraints have been designed and analysed. The results show the preferable use of kinematic constraints instead of glue to correctly operate the instrument to maintaine in focus in orbit around Mercury considering an operative temperature between -20°C and +30°C.

Gli strumenti ottici che vengono utilizzati nelle missioni spaziali risentono delle variazione delle condizioni ambientali, per questo è necessario studiare l’effetto di queste ultime sull’equipaggiamento. In particolare gli strumenti ottici sono molto sensibili alle variazioni di temperatura, perché questa grandezza può causare la deformazione e il disalinneamento delle ottiche, inoltre può comportare l’insorgere di tensioni rilevanti che possono provocare la loro rottura. In questa tesi sono state effettuate delle analisi termo-elastiche utilizzando un software ad elementi finite (Nastran) riproducendo le condizioni operative in cui si troverà la stereocamera coinvolta nella missione BepiColombo. I risultati delle analisi sono stati elaborati in MATLAB per determinare le equazioni matematiche delle superfici degli elementi ottici deformati utilizzando un’ottimizzazione non lineare ai minimi quadrati, e considerando equazioni polinomiali, sferiche e planari. Le superfici matematiche sono state importate in un software raytrace (ZEMAX) per poter verificare la performance ottica dello strumento. I risultati mostrano come le variazioni di temperatura influenzino gli Spot Diagrams, la Diffraction Ensquare Energy e le curve MTF. Per migliorare la risposta del telescopio ai carichi termici sono stati ideati dei vincoli cinematici, il loro utilizzo compromette molto meno la performance della stereocamera rispetto a vincoli rigidi per le ottiche. È stata valutata l’influenza delle variazioni dei parametri ottici (focale, spostamento del centro ottico, spostamento degli Spot Diagrams sul piano immagine e distorsioni) sulla ricostruzione della profondità della superficie di Mercurio utilizzando la propagazione dell’incertezza secondo le metodologie GUM e Monte Carlo. Infine è stato ideato unsetup strumentale per determinare gli spostamenti e le rotazioni di alcuni elementi ottici della sterocamera in camera di vuoto riproducendo le condizioni operative dello strumento.

Tecniche di taratura di stereocamere per missioni planetarie / Segato, Elisa. - (2010 Jan 28).

Tecniche di taratura di stereocamere per missioni planetarie

Segato, Elisa
2010

Abstract

Optical instruments for space missions work in hostile environment, it’s thus necessary to accurately study the effects of ambient parameters variations on the equipment. In particular, optical instruments are very sensitive to ambient conditions, especially temperature. This variable can cause dilatation and misalignment of the optical elements, and can also lead to rise of dangerous stresses in the optics. Their displacements degrade the quality of the sampled images. In this work the optics and mountings of a stereo-camera for the BepiColombo mission are modelled and processed by a thermo-mechanical FEM analysis, reproducing expected operative conditions. The output is elaborated into a MATLAB optimisation code, based on non-linear least square algorithm to determine the equation of the best fitting nth polynomial or spherical surfaces of the deformed lenses and mirrors; model accuracy is 10-8 m. The obtained mathematical surface representations are then directly imported into ZEMAX for sequential raytrace analysis. The results are spot diagrams, chief ray coordinates on the detector, MTF curves and Diffraction Encircled Energy variations due to simulated thermal loads. This helps also to design and compare different optical housing systems for a feasible solution. Different types of lenses and prisms constraints have been designed and analysed. The results show the preferable use of kinematic constraints instead of glue to correctly operate the instrument to maintaine in focus in orbit around Mercury considering an operative temperature between -20°C and +30°C.
Gli strumenti ottici che vengono utilizzati nelle missioni spaziali risentono delle variazione delle condizioni ambientali, per questo è necessario studiare l’effetto di queste ultime sull’equipaggiamento. In particolare gli strumenti ottici sono molto sensibili alle variazioni di temperatura, perché questa grandezza può causare la deformazione e il disalinneamento delle ottiche, inoltre può comportare l’insorgere di tensioni rilevanti che possono provocare la loro rottura. In questa tesi sono state effettuate delle analisi termo-elastiche utilizzando un software ad elementi finite (Nastran) riproducendo le condizioni operative in cui si troverà la stereocamera coinvolta nella missione BepiColombo. I risultati delle analisi sono stati elaborati in MATLAB per determinare le equazioni matematiche delle superfici degli elementi ottici deformati utilizzando un’ottimizzazione non lineare ai minimi quadrati, e considerando equazioni polinomiali, sferiche e planari. Le superfici matematiche sono state importate in un software raytrace (ZEMAX) per poter verificare la performance ottica dello strumento. I risultati mostrano come le variazioni di temperatura influenzino gli Spot Diagrams, la Diffraction Ensquare Energy e le curve MTF. Per migliorare la risposta del telescopio ai carichi termici sono stati ideati dei vincoli cinematici, il loro utilizzo compromette molto meno la performance della stereocamera rispetto a vincoli rigidi per le ottiche. È stata valutata l’influenza delle variazioni dei parametri ottici (focale, spostamento del centro ottico, spostamento degli Spot Diagrams sul piano immagine e distorsioni) sulla ricostruzione della profondità della superficie di Mercurio utilizzando la propagazione dell’incertezza secondo le metodologie GUM e Monte Carlo. Infine è stato ideato unsetup strumentale per determinare gli spostamenti e le rotazioni di alcuni elementi ottici della sterocamera in camera di vuoto riproducendo le condizioni operative dello strumento.
Optical design, Telescope, Raytrace analysis, Optimization, Least Square, Non-linear Data Fitting, BepiColombo, SIMBIO-SYS, kinematic constraints
Tecniche di taratura di stereocamere per missioni planetarie / Segato, Elisa. - (2010 Jan 28).
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11577/3426956
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