航天相機(jī)快速定焦的關(guān)鍵參數(shù)

鐘卉 郭悅 賈馨

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航天相機(jī)快速定焦的關(guān)鍵參數(shù)

鐘卉 郭悅 賈馨

（北京空間機(jī)電研究所，北京100094）

在航天相機(jī)的裝調(diào)中，焦平面的位置是影響航天相機(jī)的成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素，如何準(zhǔn)確且快速地在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中預(yù)置相機(jī)的焦平面是體現(xiàn)光學(xué)裝調(diào)水平的重要指標(biāo)。通過(guò)深入研究定焦原理，建立光學(xué)模型進(jìn)行理論推導(dǎo)和光學(xué)仿真，發(fā)現(xiàn)了定焦過(guò)程中平行光管焦面的離焦量與相機(jī)焦面組件的偏移量之間的定量關(guān)系，提出了離焦放大率的定義并將其作為定焦關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定焦的方法，克服了傳統(tǒng)定焦方法中應(yīng)用恒定值的軸向放大率定焦而需要反復(fù)迭代的缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：裝調(diào)實(shí)例的裝調(diào)效率較傳統(tǒng)裝調(diào)方法提高了約3倍。由于對(duì)焦平面的精度要求主要取決于鏡頭的焦深大小，因此大相對(duì)孔徑短焦的相機(jī)對(duì)焦面偏移量更為敏感，使用該關(guān)鍵參數(shù)指導(dǎo)裝調(diào)，可以快速準(zhǔn)確地確定最佳焦面位置，降低反復(fù)拆裝焦面組件的風(fēng)險(xiǎn)，尤其適用于短焦相機(jī)的定焦，能大大節(jié)省工作量，提高裝調(diào)效率。同時(shí)，由于離焦放大率和平行光管焦面的離焦量成線性關(guān)系，也有利于進(jìn)行多個(gè)具有相同光學(xué)參數(shù)的相機(jī)的快速定焦。

快速定焦 軸向放大率 航天相機(jī)

0 引言

定焦技術(shù)是航天相機(jī)研制中的關(guān)鍵技術(shù)之一。從光學(xué)角度看，可以將航天相機(jī)看作是鏡頭和探測(cè)器焦面的組合，為了保證相機(jī)的成像質(zhì)量（quality，下同），焦面與鏡頭的安裝應(yīng)該有精確的位置關(guān)系。航天相機(jī)的焦距相對(duì)于成像距離而言，可以忽略不計(jì)，可認(rèn)為航天相機(jī)都是對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)成像[1-2]。在一個(gè)給定物距下，光學(xué)系統(tǒng)中存在唯一的共軛像點(diǎn)，使得該系統(tǒng)有最好的成像質(zhì)量[3]。另外，對(duì)于多鏡頭多光譜相機(jī)，定焦精度也會(huì)影響其光譜配準(zhǔn)精度，從而影響多光譜成像效果[4]。為了得到最佳的成像質(zhì)量，尤其是對(duì)于沒(méi)有調(diào)焦機(jī)構(gòu)的相機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室里就需要將焦面探測(cè)器準(zhǔn)確預(yù)置在鏡頭的像方焦面上，這一過(guò)程就稱為定焦[5-8]。鏡頭的焦距可以通過(guò)相關(guān)方法精確測(cè)定，理論上，只需要將探測(cè)器放在已精確測(cè)定的鏡頭的像方焦面上即可。但是在鏡頭制造和裝調(diào)誤差的影響下，鏡頭后截距的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值可能有較大的偏離，這一偏離值很可能大于裝配精度要求，而導(dǎo)致無(wú)法純粹依靠機(jī)械件的加工精度來(lái)保證定焦精度[9-10]。所以，準(zhǔn)確檢測(cè)出相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際像面的精確位置是焦面裝調(diào)的關(guān)鍵。在航天相機(jī)的裝調(diào)中，焦平面的位置是影響相機(jī)最終成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)有成熟的定焦方法是以合適光學(xué)參數(shù)的平行光管為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)光學(xué)或者電子學(xué)的方法判斷平行光管無(wú)窮遠(yuǎn)焦面與相機(jī)焦面是否共軛。首先測(cè)得與當(dāng)前光學(xué)系統(tǒng)焦平面位置共軛的平行光管靶面的離焦量，將此離焦量除以光學(xué)系統(tǒng)的軸向放大率以得到相機(jī)焦面與最佳焦面的偏移量，根據(jù)此偏移量調(diào)整相機(jī)焦平面沿光軸方向的位置。

軸向放大率不是一個(gè)定值，而是隨著成像位置的變化而變化。它與共軛面的位置有關(guān)，故同一光學(xué)系統(tǒng)，物（像）面的位置不同，對(duì)應(yīng)的放大率不同。但是在實(shí)際操作中，總是將軸向放大率取一個(gè)定值來(lái)近似處理，這對(duì)于中長(zhǎng)焦鏡頭的定焦比較簡(jiǎn)單便捷，但是對(duì)于短焦鏡頭，則往往需要經(jīng)歷三次甚至三次以上的調(diào)整過(guò)程才能完成定焦，導(dǎo)致定焦的過(guò)程不僅耗力而且耗時(shí)。

光學(xué)定焦和電子學(xué)定焦兩種方法的結(jié)合，既可以消除光學(xué)定焦法存在的人為不確定性導(dǎo)致的裝調(diào)精度不高、定焦重復(fù)性差的問(wèn)題，又可以克服電子學(xué)定焦法效率低的缺點(diǎn)。但是這兩種方法有一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，就是如何根據(jù)測(cè)得的平行光管處的離焦量準(zhǔn)確計(jì)算出焦面組件的實(shí)際偏移量。因此研究這兩者的相對(duì)關(guān)系對(duì)實(shí)現(xiàn)快速定焦具有重要意義。

1 定焦原理與方案

通常采用的定焦方法是，選擇口徑大于待測(cè)鏡頭的口徑、焦距是鏡頭焦距的3~5倍[11]的平行光管。先將相機(jī)鏡頭裝在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，調(diào)整平行光管和相機(jī)鏡頭，使平行光管和鏡頭光軸平行。先使用理論設(shè)計(jì)的墊片厚度，將焦面組件預(yù)裝至相機(jī)上的理論設(shè)計(jì)位置，形成完整的成像系統(tǒng)[12]。然后利用光學(xué)定焦或電子學(xué)定焦方法進(jìn)行定焦。

光學(xué)定焦的平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，光源通過(guò)半反半透鏡照亮焦面探測(cè)器，探測(cè)器的像元形成“景物”，通過(guò)相機(jī)鏡頭和平行光管形成的“像”被帶顯微物鏡的攝像頭接收，此時(shí)可以在顯示器上直接觀察到探測(cè)器像元所成的“像”，也能直接測(cè)量像元所成的像在光軸上的位置[13-15]。具體過(guò)程為：首先，標(biāo)定平行光管無(wú)窮遠(yuǎn)位置，將靶標(biāo)（通常為背景透光的十字刻線靶標(biāo)）放在平行光管無(wú)窮遠(yuǎn)焦面處；然后，搭建光學(xué)定焦光路，將放置在精密讀數(shù)平移臺(tái)上的顯微攝像頭沿著軸向移動(dòng)，在顯示器上看清相機(jī)焦面共軛像時(shí)，平移臺(tái)有一個(gè)軸向位移讀數(shù)，看清靶標(biāo)上十字刻線時(shí)，平移臺(tái)又有一個(gè)軸向位移讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為相機(jī)焦面共軛像與平行光管無(wú)窮遠(yuǎn)焦面的差值。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，以測(cè)量不同視場(chǎng)的相機(jī)焦面共軛像與平行光管無(wú)窮遠(yuǎn)焦面的差值，確定相機(jī)焦面不同位置的偏移量，據(jù)此調(diào)節(jié)焦面組件的位置。

圖1 光學(xué)定焦示意

電子學(xué)定焦的平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示，積分球光源照亮靶標(biāo)后形成“景物”，該“景物”通過(guò)平行光管和相機(jī)鏡頭成像在相機(jī)的焦面探測(cè)器上；然后，對(duì)焦面探測(cè)器獲得的景物“圖像”進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相機(jī)調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）[16]。沿著平行光管光軸方向移動(dòng)靶標(biāo)的位置，記錄移動(dòng)量及相機(jī)對(duì)應(yīng)的MTF值；以靶標(biāo)沿平行光管光軸的位置為橫坐標(biāo)，所對(duì)應(yīng)的相機(jī)MTF值為縱坐標(biāo)，得到相機(jī)的過(guò)焦曲線，通過(guò)這些點(diǎn)擬合出二次曲線，找到MTF極大值對(duì)應(yīng)的靶標(biāo)位置，就是該相機(jī)最佳焦面所在的位置。將該位置與平行光管的無(wú)窮遠(yuǎn)焦面位置的差距，除以軸向放大率，計(jì)算得到相機(jī)焦面探測(cè)器對(duì)應(yīng)的偏移量。轉(zhuǎn)動(dòng)二維轉(zhuǎn)臺(tái)，就可以測(cè)試相機(jī)不同視場(chǎng)的離焦量。據(jù)此調(diào)整探測(cè)器的位置，以使得相機(jī)得到最佳的成像質(zhì)量。

圖2 電子學(xué)定焦示意

無(wú)論是光學(xué)定焦還是電子學(xué)定焦，都需要根據(jù)測(cè)試得到的平行光管處的離焦量來(lái)計(jì)算相機(jī)焦面的偏移量。

2 模型構(gòu)建和關(guān)鍵參數(shù)分析

上述兩種定焦光路的實(shí)質(zhì)都是平行光管和相機(jī)的組合光學(xué)系統(tǒng)，該組合系統(tǒng)的成像性質(zhì)分析如下。

圖3 定焦光學(xué)模型示意

以上參數(shù)的符號(hào)規(guī)則均為：從左向右為正，反之為負(fù)。

式中

由組合系統(tǒng)的牛頓公式可得：

（3）

將式（2）和式（3）帶入式（1）得：

由該式可知，軸向放大率并不能真實(shí)反映平行光管離焦量和鏡頭焦面偏移量之間的比例關(guān)系，即。故針對(duì)兩者比值的定義提出了離焦放大率的概念，離焦放大率就是平行光管處離焦量與鏡頭焦面偏移量的比值，即：

（5）

從圖4中曲線可以看出，這兩個(gè)放大率有兩個(gè)交點(diǎn)，代表兩種極限情況：

圖4 平行光管離焦量與放大率的關(guān)系曲線

（8）

3 軟件仿真與裝調(diào)實(shí)例分析

用焦距50mm平行光管對(duì)一個(gè)焦距5mm的鏡頭進(jìn)行定焦（因?yàn)槭诸^沒(méi)有焦距小于50mm的平行光管），所用探測(cè)器像元尺寸為6.5μm。仿真參數(shù)為：鏡頭焦距=5mm，平行光管焦距=50mm，兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)間的相對(duì)位置設(shè)為=245mm，鏡頭焦面偏移量在±0.08mm之間。將以上仿真參數(shù)代入光學(xué)仿真軟件中，分析不同的鏡頭焦面偏移下的和的數(shù)值關(guān)系，得到的仿真結(jié)果見表1。

表1 光學(xué)軟件仿真結(jié)果

Tab.1 Results for Zemax

表1與圖4（圖4中的圓點(diǎn)和三角點(diǎn)分別為表1中所列的離焦放大率和軸向放大率的Zemax軟件仿真值）對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，圓點(diǎn)的軌跡與離焦放大率的實(shí)線軌跡重合，而三角點(diǎn)的軌跡與軸向放大率的虛線軌跡重合，也就說(shuō)明軟件仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)模型的數(shù)值運(yùn)算一致，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。由表中數(shù)據(jù)可知，和都是隨著平行光管離焦量的變化而變化的，僅當(dāng)離焦量為0時(shí)，兩者等同。因此在裝調(diào)過(guò)程中，放大率不能選為一個(gè)恒定值，優(yōu)選離焦放大率，可以簡(jiǎn)化裝調(diào)中的測(cè)試步驟，提高裝調(diào)速度。

實(shí)際裝調(diào)中，首先，架設(shè)和調(diào)整光路，使得平行光管的光軸和鏡頭的光軸平行，且平行光管的口徑覆蓋鏡頭的口徑[18]。然后，在恒溫隔振條件下將焦面組件裝至相機(jī)相應(yīng)的設(shè)計(jì)位置。使用顯微攝像頭測(cè)試得到相機(jī)焦面共軛像與平行光管無(wú)窮遠(yuǎn)焦面的差值，即為平行光管離焦量。然后，依據(jù)對(duì)應(yīng)的放大率確定鏡頭焦面偏移量，即焦面組件與鏡頭間的修調(diào)量。根據(jù)此修調(diào)量調(diào)整相機(jī)鏡頭焦面位置。此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直至焦面組件位于鏡頭的最佳焦面位置，即完成相機(jī)焦面的精密定焦。

由于鏡頭裝調(diào)的誤差以及結(jié)構(gòu)件的加工誤差，實(shí)際焦平面位置和最佳焦面位置總是有一定偏差的。如果應(yīng)用傳統(tǒng)的共軛面附近的軸向放大率（此例中=100）來(lái)推算，裝調(diào)過(guò)程見表2。

由表2中數(shù)據(jù)可知，前幾次的調(diào)整量基本都是錯(cuò)誤的，只有最后一次的調(diào)整，因?yàn)榻姑嬉呀?jīng)在最佳焦面位置附近，所以調(diào)整量才是比較準(zhǔn)確的。這說(shuō)明依靠反復(fù)換墊片嘗試定焦，雖然有可能在最后找到最佳的安裝位置，但會(huì)造成周期漫長(zhǎng)，耗費(fèi)大量人力，并且由于需要頻繁拆裝探測(cè)器焦面，還會(huì)提高損傷探測(cè)器焦面的風(fēng)險(xiǎn)。

在本次定焦過(guò)程中，如果直接應(yīng)用離軸放大率的方法，就可以一次將焦面位置調(diào)整到位，節(jié)省人力并減小風(fēng)險(xiǎn)。具體步驟如下：首先，使用顯微攝像頭測(cè)得此時(shí)平行光管離焦量；然后，測(cè)得探測(cè)器像元通過(guò)定焦光路所成的像高，為了減少測(cè)量誤差，可以一次測(cè)量10個(gè)像元的像高取其平均值，以得到垂軸放大率，裝調(diào)過(guò)程見表3。從表中可以看出，應(yīng)用離焦放大率可以實(shí)現(xiàn)快速定焦，裝調(diào)實(shí)例的裝調(diào)效率較傳統(tǒng)裝調(diào)方法提高了約3倍。

表2 應(yīng)用軸向放大率進(jìn)行定焦

Tab.2 Results for focusing with longitudinal magnification

表3 應(yīng)用離焦放大率進(jìn)行定焦

Tab.3 Results for focusing with defocusing magnification

中長(zhǎng)焦鏡頭的軸向放大率和離焦放大率在焦面偏移在毫米甚至亞毫米量級(jí)時(shí)，定焦過(guò)程中使用離焦放大率或者軸向放大率都差別不大。因?yàn)楹教煊弥虚L(zhǎng)焦鏡頭的相對(duì)孔徑一般較小，焦深較大，而短焦鏡頭的相對(duì)孔徑一般較大，焦深較小，對(duì)兩者的區(qū)別更敏感，故本文所用方法更適用于短焦相機(jī)（通常焦距小于200mm）。

4 結(jié)論

本文通過(guò)深入分析航天相機(jī)的定焦原理，分析了定焦的關(guān)鍵參數(shù)之間的定量關(guān)系，提出了利用離焦放大率實(shí)現(xiàn)航天相機(jī)快速定焦的方法，該方法尤其適用于短焦鏡頭。該方法克服了傳統(tǒng)定焦方法中應(yīng)用恒定值的軸向放大率定焦而需要反復(fù)迭代的缺陷，能在不損失裝調(diào)精度的情況下，極大地簡(jiǎn)化裝調(diào)步驟，裝調(diào)實(shí)例的裝調(diào)效率較傳統(tǒng)裝調(diào)方法提高了約3倍，從而能大大降低焦面裝調(diào)的時(shí)間和成本，減小探測(cè)器器件損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

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（編輯：劉穎）

The Key Parameters for Rapid Focusing of Space Camera

ZHONG Hui GUO Yue JIA Xin

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Focusing is a very important part in the alignment of space camera．How to place the focal plane of the camera accurately and quickly in laboratory environment is an important index of optical alignment. Based on the study of the principle of focusing and the optical modal, an efficient way of focusing based on defocusing magnification is proposed through theoretical analysis and optical simulation. This method overcomes the drawback of the traditional way of focusing, which takes the longitudinal magnification as a fix value and needs repeated iteration. Experimental results show that the efficiency of the adjustable instance is increased by about 3 times than traditional method. Because the accuracy of the position of the focal plane mainly depends on the focal depth of the lens, the short focal length lens with large relative aperture is more sensitive to the offset of the focal plane. The defocusing magnification is helpful to locate the optimal position of focal plane quickly and accurately. The focusing workload could be greatly reduced and the risk of repeated disassembly focal plane is decreased.This method is perfect for short focal length lens. In addition, because of the linear relationship between the defocusing amount and defocusing magnification, multiple cameras which have the same optical parameters could be rapid focused.

fast focusing; longitudinal magnification; space camera

TP705

A

1009-8518(2017)04-0082-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.04.010

鐘卉，女，1987年生，2012年獲得北京理工大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。研究方向?yàn)楣鈾C(jī)裝調(diào)與測(cè)試。E-mail：zhonghui0412@163.com。

2016-11-16