一種調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向與光軸平行性測(cè)試方法

魏鑫 何鴻濤 王建永 穆生博

一種調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向與光軸平行性測(cè)試方法

魏鑫 何鴻濤 王建永 穆生博

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向與光軸平行性的好壞直接影響調(diào)焦過程中光學(xué)系統(tǒng)主點(diǎn)位置、像質(zhì)均勻性、像面照度均勻性等多項(xiàng)指標(biāo)。為了在安裝過程中保證調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向與光軸平行，需要測(cè)量調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向與光軸之間的角度關(guān)系。文章通過三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)和自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀，設(shè)計(jì)了一種對(duì)感光元件非接觸式的測(cè)量方法，來測(cè)量調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)行方向與焦平面法線方向之間的角度關(guān)系，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)兩者的平行裝調(diào)。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向與焦平面法線方向的角度測(cè)量模型準(zhǔn)確可靠，數(shù)據(jù)處理算法合理可行。

調(diào)焦機(jī)構(gòu) 相機(jī)光軸 非接觸式測(cè)量 平行裝調(diào) 測(cè)試方法 航天遙感

0 引言

空間遙感相機(jī)是用于獲取目標(biāo)信息的設(shè)備，其核心是精密光學(xué)系統(tǒng)。在微重力、真空環(huán)境、溫度交變、物距變化等工作條件影響下，光學(xué)系統(tǒng)的像面位置會(huì)產(chǎn)生變化，因此需要配備調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行焦面補(bǔ)償[1-2]。

在成像跟蹤領(lǐng)域，成像跟瞄系統(tǒng)用于機(jī)動(dòng)目標(biāo)的快速捕獲、跟蹤及瞄準(zhǔn)，并對(duì)跟蹤到的目標(biāo)進(jìn)行成像，識(shí)別目標(biāo)特征[3-5]。其中，作為其重要組成部分的成像相機(jī)主要用于對(duì)捕獲到的不同距離處、不同光照條件下目標(biāo)的高分辨率成像。目標(biāo)與設(shè)備的距離發(fā)生變化，會(huì)引起像面位置也發(fā)生變化，進(jìn)而造成目標(biāo)像點(diǎn)離焦，導(dǎo)致像點(diǎn)彌散。為了獲得清晰的探測(cè)圖像，需要設(shè)置調(diào)焦機(jī)構(gòu)，然后根據(jù)目標(biāo)到相機(jī)的距離信息調(diào)整目標(biāo)像面的位置，使目標(biāo)的像始終位于焦面上，從而在跟瞄時(shí)在靶面上獲得清晰的圖像，提高信號(hào)提取能力及測(cè)量精度，改善跟蹤測(cè)量性能。對(duì)于跟蹤成像系統(tǒng)，為了使像的信息能夠準(zhǔn)確描述空間物體的位置，相機(jī)本身必須是準(zhǔn)確和穩(wěn)定的，因此，在使用前需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行內(nèi)方位元素標(biāo)定，以檢查在調(diào)焦過程中內(nèi)方位元素的穩(wěn)定性[6-7]。

調(diào)焦機(jī)構(gòu)的性能主要由光學(xué)系統(tǒng)形式、調(diào)焦精度及使用環(huán)境條件等因素決定，常用的調(diào)焦方式有：透鏡組移動(dòng)式調(diào)焦、反射鏡移動(dòng)式調(diào)焦及焦面移動(dòng)式調(diào)焦。研究表明，采用焦面移動(dòng)式調(diào)焦方式對(duì)相機(jī)內(nèi)方位元素的影響最小[8]。這種調(diào)焦方式要求調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向必須與光軸即焦平面法線方向保持一致，若調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向與光軸不一致，影響調(diào)焦過程中光學(xué)系統(tǒng)主點(diǎn)位置、像質(zhì)均勻性、像面照度均勻性等多項(xiàng)指標(biāo)。為了保證調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向與光軸平行，導(dǎo)軌運(yùn)行方向需與探測(cè)器感光面法線方向保持一致。因此，需要在安裝過程中測(cè)試調(diào)焦機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌運(yùn)行方向與探測(cè)器感光面法線的角度關(guān)系，通過多種措施保證二者平行[9-11]。某型號(hào)光電跟瞄系統(tǒng)成像相機(jī)采用同軸光學(xué)系統(tǒng)，焦面為CMOS探測(cè)器，焦面結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，因此采用沿光軸移動(dòng)焦平面的方式進(jìn)行調(diào)焦。本文針對(duì)該相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，通過三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)和自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀，設(shè)計(jì)了一種對(duì)感光元件非接觸式的測(cè)量方法，避免了接觸式測(cè)量方法可能對(duì)焦平面造成的傷害，能夠精確測(cè)量調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)行方向與焦平面法線方向之間的角度關(guān)系，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)兩者的平行裝調(diào)。該方法對(duì)采用焦面移動(dòng)式調(diào)焦方式空間相機(jī)的高精度裝調(diào)具有一定的借鑒意義。

1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)型式，本文調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用凸輪滑塊驅(qū)動(dòng)焦平面的結(jié)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、齒凸輪、凸輪軸、調(diào)焦機(jī)構(gòu)座、焦面組件、焦平面、軸承、直線導(dǎo)軌組成，機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。圖1中為光軸方向，與焦平面法線方向重合，為焦平面面內(nèi)兩個(gè)正交方向。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過齒凸輪轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)導(dǎo)軌沿軸運(yùn)動(dòng)。焦平面通過焦面組件固定在調(diào)焦機(jī)構(gòu)座上，調(diào)焦機(jī)構(gòu)座安裝在導(dǎo)軌上，借助導(dǎo)軌沿光軸方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦運(yùn)動(dòng)。

圖1 焦面調(diào)焦機(jī)構(gòu)簡圖

光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)完成后，焦平面法線方向與光軸平行，主點(diǎn)位于焦平面中心位置。調(diào)焦機(jī)構(gòu)帶動(dòng)焦平面運(yùn)動(dòng)過程中，相機(jī)主點(diǎn)位置變化主要與調(diào)焦機(jī)構(gòu)的指向誤差有關(guān)，如圖2所示。主點(diǎn)在向（或向）的偏移量滿足如下關(guān)系（由于向與向類似，故僅以向?yàn)槔治觯?/p>

式中 β為調(diào)焦機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌運(yùn)行方向與光軸Z之間的夾角；為導(dǎo)軌運(yùn)行過程中主點(diǎn)在焦面上X方向的偏移量；為調(diào)焦機(jī)構(gòu)行程。

調(diào)焦機(jī)構(gòu)指向精度誤差主要由兩部分構(gòu)成：

1）直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度誤差。本文中調(diào)焦機(jī)構(gòu)直線導(dǎo)軌選用THK公司LM超精密級(jí)滾動(dòng)導(dǎo)軌，在50mm行程內(nèi)，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度1.5μm，像元尺寸為7μm，因此導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)直線度誤差對(duì)主點(diǎn)的影響為0.2像元，滿足相機(jī)主點(diǎn)精度小于1像元要求。

2）焦平面法線方向與調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向的安裝平行度誤差。相機(jī)裝調(diào)過程中，焦平面法線方向與光學(xué)系統(tǒng)主光線是一致的。理想狀態(tài)下，為了方便使用，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向也與相機(jī)主光線的方向保持一致。因此，焦面與調(diào)焦機(jī)構(gòu)安裝時(shí)，焦平面法線與調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向必須保持平行。本文中成像相機(jī)焦面采用CMOS探測(cè)器，焦平面通過管腳焊接在電路板上，電路板通過螺釘與焦面結(jié)構(gòu)框連接。探測(cè)器安裝過程中，不管是CMOS焦面與電路板的平行度關(guān)系，還是電路板自身平面度均無法得到較好的保證?？尚械霓k法是在焦平面安裝好后測(cè)量焦平面法線與調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向的角度，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)整兩個(gè)方向的一致性。

測(cè)量平面法線方向可以通過三坐標(biāo)檢測(cè)或者經(jīng)緯儀。測(cè)試的相機(jī)焦平面表面為藍(lán)寶石保護(hù)玻璃，表面鍍減反膜，由于三坐標(biāo)探頭可能傷害到鍍膜表面，只能采用非接觸式測(cè)量，用經(jīng)緯儀自準(zhǔn)直檢測(cè)方法來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。導(dǎo)軌運(yùn)行方向不能直接測(cè)量到，可以通過三坐標(biāo)測(cè)量導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)過程中多個(gè)狀態(tài)的位置信息，擬合出導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向向量，最后通過經(jīng)緯儀與三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到焦平面法線方向與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向的角度差異，通過結(jié)構(gòu)加工補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)兩者的平行裝調(diào)。

2 測(cè)量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向測(cè)量

式中 向量的三個(gè)分量分別為導(dǎo)軌運(yùn)行方向向量與立方棱鏡坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸X，Y，Z的夾角，通過三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)直接輸出。

2.2 焦平面法線測(cè)量方法

以經(jīng)緯儀的（0°，90°），（270°，90°）方向分別為和軸建立右手正交坐標(biāo)系，稱為測(cè)量坐標(biāo)系，記為–。假設(shè)經(jīng)緯儀自準(zhǔn)空間某單位向量，其水平角和豎直角分別為和，如圖4所示，的空間向量在測(cè)量坐標(biāo)系–中可表示為[14-19]

測(cè)量過程中，通常需要用到多臺(tái)經(jīng)緯儀，每臺(tái)經(jīng)緯儀確定一個(gè)自身坐標(biāo)系。為了使經(jīng)緯儀之間坐標(biāo)統(tǒng)一需要經(jīng)緯儀之間對(duì)瞄。因此需要在測(cè)量前確定一個(gè)基準(zhǔn)經(jīng)緯儀，其他所用到的經(jīng)緯儀直接或間接地與基準(zhǔn)經(jīng)緯儀對(duì)瞄，通過對(duì)瞄數(shù)據(jù)將所有經(jīng)緯儀統(tǒng)一到基準(zhǔn)測(cè)量坐標(biāo)系下。由于經(jīng)緯儀的豎直角都是相對(duì)于大地垂直，因此，豎直角不用換算。如圖5所示，假設(shè)T1為基準(zhǔn)經(jīng)緯儀，經(jīng)緯儀T1與T2對(duì)瞄時(shí)兩臺(tái)經(jīng)緯儀水平角讀數(shù)分別為12和21，即經(jīng)緯儀T1瞄經(jīng)緯儀T2時(shí)，經(jīng)緯儀T1水平角讀數(shù)為12，反之經(jīng)緯儀T2的水平角讀數(shù)為21，T2測(cè)量向量的水平角讀數(shù)為2p，那么，向量換算到經(jīng)緯儀T1坐標(biāo)系下的水平角讀數(shù)1為

以經(jīng)緯儀T1為基準(zhǔn)坐標(biāo)系利用式（3）和（1，1），以及c面法向量在經(jīng)緯儀T1坐標(biāo)系下的水平角和豎直角讀數(shù)（2，2），可以得到立方鏡坐標(biāo)系的軸正方向和軸單位向量在T1–坐標(biāo)系下的方向向量t和t（如式（6）、（7）所示）。則立方鏡坐標(biāo)系c–的軸方向的單位向量在T1–坐標(biāo)系下的方向向量t可以用右手法則叉乘求得（結(jié)果見式（8））。

然后，再通過式（3），即可求得焦平面法線在基準(zhǔn)經(jīng)緯儀T1坐標(biāo)系下的方向向量

2.3 立方鏡坐標(biāo)系與經(jīng)緯儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

通過經(jīng)緯儀自準(zhǔn)直測(cè)得焦平面法線在基準(zhǔn)經(jīng)緯儀T1坐標(biāo)系T1–下的方向向量；同時(shí)根據(jù)經(jīng)緯儀自準(zhǔn)直測(cè)量立方鏡兩個(gè)鏡面法線方向，求得立方鏡坐標(biāo)系三個(gè)方向軸在基準(zhǔn)測(cè)量坐標(biāo)系T1–下的方向向量。為了計(jì)算出焦平面法線方向與調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向之間的角度關(guān)系，需要將調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)行方向向量與焦平面法線方向向量統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下。由式（6）~（8）可以得到立方鏡坐標(biāo)系與經(jīng)緯儀基準(zhǔn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，即

通過結(jié)構(gòu)修磨調(diào)整和平移旋轉(zhuǎn)，可將焦平面法線方向與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向調(diào)整至平行。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及精度，同時(shí)調(diào)整焦平面法線與調(diào)焦機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌方向一致，采用前文測(cè)量方法對(duì)某調(diào)焦機(jī)構(gòu)組件進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整。

采用三臺(tái)精度為1″的徠卡T3000型號(hào)經(jīng)緯儀對(duì)立方鏡及焦平面進(jìn)行測(cè)量及對(duì)瞄，得到在基準(zhǔn)經(jīng)緯儀坐標(biāo)系下，立方鏡兩個(gè)鏡面法線及焦平面法線的經(jīng)緯儀讀數(shù)：

焦面組件方向安裝跨距100mm，方向安裝跨距60mm。根據(jù)式（1）可得，焦面組件在方向調(diào)整1.43mm，在方向調(diào)整0.47mm，在方向調(diào)整1.08mm。

調(diào)焦機(jī)構(gòu)調(diào)整完成后，在實(shí)驗(yàn)室通過平行光管模擬不同物距，利用小孔靶標(biāo)測(cè)試焦面調(diào)焦行程范圍內(nèi)各個(gè)位置的中心視場坐標(biāo)，通過圖像光斑質(zhì)心算法[20]計(jì)算出調(diào)焦機(jī)構(gòu)處在不同位置時(shí)相機(jī)主點(diǎn)位置。結(jié)果如表1所示。

表1 某相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)行程范圍內(nèi)主點(diǎn)變化

Tab.1 The principal point changes in the operation travel of the focusing mechanism

從表1可以看出，在調(diào)焦機(jī)構(gòu)整個(gè)行程范圍內(nèi)，相機(jī)主點(diǎn)變化小于1個(gè)像元，精度滿足要求。因此，本文測(cè)試方法合理、可行，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

4 結(jié)束語

本文采用非接觸式測(cè)量方法，用經(jīng)緯儀測(cè)量焦平面法線方向，避免了接觸式測(cè)量方法可能造成的對(duì)焦平面的傷害。采用三坐標(biāo)測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向，利用立方鏡巧妙地將兩個(gè)測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)一到同一測(cè)量坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)了焦平面法線方向與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向互相平行裝調(diào)。本文討論的測(cè)試方法，可以應(yīng)用在對(duì)調(diào)焦過程中主點(diǎn)精度要求較高的測(cè)繪相機(jī)系統(tǒng)、光電跟瞄系統(tǒng)等相機(jī)中。

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A Measurement Method of Parallel Accuracy between the Motion Direction of the Focusing Mechanism and the Optical Axis

WEI Xin HE Hongtao WANG Jianyong MU Shengbo

（Beijing Institute of Space Mechanics & E1ectricity, Beijing 100094, China）

Parallelism between focusing-mechanism motion direction and optical axis influences the principal point position, image quality uniformity, and illumination uniformity, etc. The measurement of angular deviation between focusing-mechanism motion direction and optical axis is necessary to satisfy this parallelism parameter requirements. A non-contact measurement method by means of three-coordinate measuring machine and collimation theodolite is provided in this article, which can measure the angle between focusing-mechanism motion direction and optical axis. By structural design optimization and machining compensation, parallel alignment is realized. Testing results demonstrate that the measurement method is accurate and reliable, and the data processing is reasonable.

focusing mechanism; optical axis; non-contact measurement; parallel adjustment; measurement method; space remote sensing

V556

A

1009-8518(2019)05-0067-08

魏鑫, 何鴻濤, 王建永, 等. 一種調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向與光軸平行性測(cè)試方法[J]. 航天返回與遙感, 2019, 40(5): 67-74.

WEI Xin, HE Hongtao, WANG Jianyong, et al. A Measurement Method of Parallel Accuracy between the Motion Direction of the Focusing Mechanism and the Optical Axis[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2019, 40(5): 67-74. [DOI: 10.3969/j. issn.1009-8518.2019.05.007]

魏鑫，女，1985年生，2010年獲中國空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。主要研究方向?yàn)榭臻g遙感相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：582769868@qq.com。

2019-05-05

國家重大科技專項(xiàng)工程

（編輯：夏淑密）