一種離軸三反相機(jī)焦面裝調(diào)的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種離軸三反相機(jī)焦面裝調(diào)的方法。離軸三反相機(jī)對焦面裝調(diào)有著嚴(yán)格的要求，既要保證相機(jī)焦面各視場的無窮遠(yuǎn)共面性，保證相機(jī)焦面組件中CCD器件的兩端在同一水平面內(nèi)，還要保證相機(jī)CCD器件的中心與衛(wèi)星基準(zhǔn)在誤差范圍內(nèi)。特別是對于離軸三反系統(tǒng)，其成像CCD器件的位置與焦面安裝面存在一定的傾斜角度，在對上述一種裝配需求進(jìn)行調(diào)整時(shí)，其它兩指標(biāo)的結(jié)果也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)變化，使得滿足以上要求更加困難。介紹了一種通過仿真預(yù)估指導(dǎo)焦面裝調(diào)的方法，并對方法中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，最后在離軸三反相機(jī)上對該方法進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)焦面的高精度裝配要求。
【專利說明】一種離軸三反相機(jī)焦面裝調(diào)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種離軸三反相機(jī)焦面裝調(diào)的方法，應(yīng)用于航天光學(xué)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，對航天遙感測繪相機(jī)的分辨率要求越來越高，并且也希望其視場盡可能的寬。由于大孔徑折射和折反式光學(xué)系統(tǒng)都需采用特殊光學(xué)材料或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來消二級光譜，使其應(yīng)用受到一定的限制。而反射光學(xué)系統(tǒng)由于具有不產(chǎn)生色差，適用于寬光譜成像；光路可折疊，便于縮短筒長使結(jié)構(gòu)緊湊；各反射面可采用非球面，利于提高像質(zhì)和減少零件數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化；對溫度變化不敏感，同時(shí)具有空氣中和真空中焦面位置一致等特性，而特別適用于空間環(huán)境。離軸三反光學(xué)系統(tǒng)易于設(shè)計(jì)成長焦距兼大視場，并且無中心遮攔，因此成為航天遙感測繪相機(jī)的發(fā)展熱點(diǎn)和趨勢。本發(fā)明就離軸三反相機(jī)焦面裝調(diào)技術(shù)進(jìn)行了討論。[0003]離軸三反相機(jī)的光路簡圖如圖3所示，其中焦面主要裝調(diào)難點(diǎn)為焦面與其裝調(diào)水平面存在夾角θ，使得其裝調(diào)難度加大?？臻g衛(wèi)星對相機(jī)的焦面裝調(diào)有著嚴(yán)格的要求，對于相機(jī)的焦面裝調(diào)精度要求CCD器件線陣安裝于相機(jī)的無窮遠(yuǎn)焦面位置，CCD器件的左右兩端離無窮遠(yuǎn)焦面的裝配誤差小于P ;CCD器件線陣左右兩端不水平度測試精度優(yōu)于1'；相機(jī)視軸在水平面和豎直面內(nèi)的投影與衛(wèi)星基準(zhǔn)偏差不大于3，。對于離軸三反系統(tǒng)，其焦面位置與安裝平面存在一定的傾斜角度，使得上述三個(gè)裝配要求相互關(guān)聯(lián)，即按照其中一個(gè)要求進(jìn)行裝調(diào)時(shí)，其他兩指標(biāo)的結(jié)果同時(shí)變化，因此依照傳統(tǒng)的裝配方法很難滿足，需要裝配時(shí)三種要求進(jìn)行整體考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種離軸三反相機(jī)焦面裝調(diào)的方法，解決離軸三反相機(jī)的焦面裝調(diào)問題。針對離軸三反相機(jī)的特點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種通過仿真分析輔助焦面裝調(diào)測試的方法，具體由相機(jī)的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、仿真輔助裝調(diào)兩個(gè)部分組成。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種離軸三反相機(jī)焦面裝調(diào)的方法，其特征在于由基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換階段和仿真輔助裝調(diào)階段配合完成，所述基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換階段實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0006]步驟(1)建立平行光管坐標(biāo)系，用平行光管的光軸方向代表衛(wèi)星的+Z方向，平行光管豎直向上的方向代表衛(wèi)星+X方向，平行光管水平面與+Z垂直的方向?yàn)樾l(wèi)星的+Y方向，三個(gè)方向符合右手定則；
[0007]步驟(2)中建立相機(jī)坐標(biāo)系(V -V Y' V，用粘在相機(jī)上的立方鏡的法線引出，具體坐標(biāo)方向如圖2所示。其中沿光軸方向?yàn)閆'軸，豎直向上為X'軸，水平方向與Z'軸垂直為Y'軸，三個(gè)方向符合右手定則。通過已知的衛(wèi)星與相機(jī)立方鏡的矩陣推算出相機(jī)+Z'在衛(wèi)星坐標(biāo)系YOZ平面的投影Z"與+Z方向的水平夾角TIzra〃、相機(jī)+Z'與其在衛(wèi)星坐標(biāo)系Y0Z平面的投影Z"的豎直夾角nz, 和相機(jī)+Y'與其在衛(wèi)星坐標(biāo)系Y0Z平面 的投影Y"與+Y方向的豎直夾角nY, ，式中nYMZ,嫌為+Y衛(wèi)星與+Z'相機(jī)之間的夾 角，n ZMZ, #機(jī)為+z衛(wèi)星與+z'相機(jī)之間的夾角，n XMZ, #機(jī)為+x衛(wèi)星與+z'相機(jī)之間 的夾角，n XMY,嫌為+x衛(wèi)星與+y'相機(jī)之間的夾角：
[0008]II Z0Z" =atan (cos (II Y衛(wèi)星z,相機(jī)）/cos (II z 衛(wèi)星z,相機(jī)））
[0009]n z, oz" =90 _ n x衛(wèi)星z,相機(jī)
[0010]n Y, oy" =90 _ n x 衛(wèi)星 相機(jī)
[0011]步驟（3)利用經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)平行光管，將平行光管光軸的豎直角度調(diào)整為90°，水 平角度調(diào)整為0，再根據(jù)步驟（2)中所得夾角調(diào)整相機(jī)與平行光管之間的關(guān)系，使之和相機(jī) 與衛(wèi)星之間的角度關(guān)系相匹配，以上基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換階段結(jié)束；
[0012]所述仿真輔助裝調(diào)階段實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0013]步驟（4)根據(jù)步驟（3)中將相機(jī)和平行光管調(diào)整好位置后，利用平行光管的傳函 靶標(biāo)計(jì)算出相機(jī)的無窮遠(yuǎn)焦面位置，調(diào)整相機(jī)的焦面組件的墊片厚度，保證焦面組件中的 CCD器件（CCD器件是相機(jī)的電荷耦合器件）位于相機(jī)的最佳焦面位置處，并且根據(jù)平行光 管的靶標(biāo)在CCD器件上的成像位置調(diào)整焦面組件與鏡頭的相對位置，使平行光管靶標(biāo)成像 在CCD器件的位置能夠滿足相機(jī)視軸在水平面和豎直面內(nèi)的投影與衛(wèi)星Z方向偏差不大于 3'；
[0014]步驟（5)利用ProE仿真軟件畫出步驟（4)調(diào)整后的相機(jī)焦面組件中（XD器件和 墊片的相對位置，其中需畫兩組位置大小相同的墊片，其中一組墊片位置不動(dòng)，作為原始基 準(zhǔn)，另外一組墊片變化位置，作為調(diào)整基準(zhǔn)，以便于將變化后的墊片位置與未變化的墊片位 置進(jìn)行比對；
[0015]步驟（6)根據(jù)步驟（5)得到的相機(jī)焦面組件中（XD器件和墊片的相對位置，以相機(jī) 的光軸方向?yàn)閆軸，相機(jī)的CCD器件線陣方向?yàn)閅軸，根據(jù)右手定則做出一個(gè)坐標(biāo)系0-XYZ， 使得CCD器件和墊片這一組合體繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)可以保證旋轉(zhuǎn)后相機(jī)的CCD器件在相機(jī)的共 焦面位置不變。再以垂直于相機(jī)底面方向?yàn)閆'軸，任意水平方向?yàn)閅'軸重新設(shè)定一個(gè)坐 標(biāo)系 O' -V Y' V ；
[0016]步驟（7)根據(jù)步驟（6)建立的兩個(gè)坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系O' -V V V中測量(XD 器件兩端沿Z'軸方向是否高度一致，若不一致則繞步驟（6)中建立的坐標(biāo)系0-XYZ的Z軸 旋轉(zhuǎn)CCD器件和一組墊片的組合體，旋轉(zhuǎn)至CCD器件兩端高度一致后，測量此時(shí)旋轉(zhuǎn)后的墊 片與原墊片位置的高度差，從而指導(dǎo)相機(jī)墊片厚度的調(diào)整，進(jìn)而完成相機(jī)焦面的裝調(diào)。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0018](1)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)易于設(shè)計(jì)成長焦距兼大視場，并且無中心遮攔，因此成為航 天遙感測繪相機(jī)的發(fā)展熱點(diǎn)和趨勢，其相機(jī)焦面不同于以往與其裝調(diào)水平面平行的裝調(diào) 方法，而焦面與其裝調(diào)水平面存在夾角成為主要裝調(diào)難點(diǎn)，這必將對相機(jī)焦面的裝調(diào)的方 法提出更高的要求。
[0019](2)本發(fā)明利用平行光管的坐標(biāo)系代替衛(wèi)星坐標(biāo)系，使得測試相機(jī)與平行光管之 間的角度關(guān)系即可得到相機(jī)與衛(wèi)星的角度關(guān)系。
[0020](3)本發(fā)明利用仿真的方法輔助裝調(diào)，不需要對相機(jī)裝調(diào)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，只需將相 機(jī)狀態(tài)進(jìn)行仿真旋轉(zhuǎn)，即可得到相機(jī)需調(diào)整的參數(shù)，大大提高裝調(diào)效率。[0021](4)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了相機(jī)CXD器件線陣安裝于相機(jī)的無窮遠(yuǎn)焦面位置，CXD器件的左右兩端離焦裝配誤差小于P ;CCD器件線陣左右兩端不水平度測試精度優(yōu)于I';相機(jī)視軸在水平面和豎直面內(nèi)的投影與衛(wèi)星基準(zhǔn)偏差不大于3'的裝配精度要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明流程圖；
[0023]圖2為相機(jī)、平行光管位置擺放示意圖；
[0024]圖3為相機(jī)焦面裝調(diào)初始仿真示意圖；
[0025]圖4為相機(jī)焦面裝調(diào)仿真示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明的基本思路為:利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法將衛(wèi)星的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至平行光管的坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)相機(jī)與衛(wèi)星角度關(guān)系的實(shí)時(shí)調(diào)整。又對相機(jī)焦面墊片的實(shí)際位置進(jìn)行仿真分析和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)離軸三反相機(jī)的高精度焦面裝調(diào)。
[0027]如圖1所示:本發(fā)明一種離軸三反相機(jī)焦面裝調(diào)的方法所采用的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)步驟，由基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換階段和仿真輔助裝調(diào)階段配合完成，所述基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換階段實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0028]步驟(1)如圖2所示，其中I表示三反離軸相機(jī)，2代表平行光管，3代表照明光源，4代表相機(jī)成像系統(tǒng)，5代表相機(jī)測試時(shí)所用轉(zhuǎn)臺，6代表隔振地基。測試時(shí)建立平行光管坐標(biāo)系，平行光管的光軸 方向代表衛(wèi)星的+Z方向，豎直向上的方向?yàn)樾l(wèi)星的+X方向，水平面與+Z垂直的方向?yàn)樾l(wèi)星的+Y方向，三個(gè)方向符合右手定則；
[0029]步驟(2)中建立相機(jī)坐標(biāo)系(V -V V V，用粘在相機(jī)上的立方鏡的法線引出，具體坐標(biāo)方向如圖2所示。其中沿光軸方向?yàn)閆i軸，豎直向上為y軸，水平方向與Zi軸垂直為y軸，三個(gè)方向符合右手定則。通過已知的衛(wèi)星與相機(jī)立方鏡的矩陣推算出相機(jī)+Z'在衛(wèi)星坐標(biāo)系YOZ平面的投影Z"與+Z方向的水平夾角TIzra〃、相機(jī)+Z'與其在衛(wèi)星坐標(biāo)系YOZ平面的投影Z"的豎直夾角nz, 和相機(jī)+Y'與其在衛(wèi)星坐標(biāo)系YOZ平面的投影Y"與+Y方向的豎直夾角!^, ，式中ΠΥΜΖ, 嫌為+Y衛(wèi)星與+Z'相機(jī)之間的夾角，Π ζΜζ, #機(jī)為+Z衛(wèi)星與+Z'相機(jī)之間的夾角，Π χΜζ, #機(jī)為+X衛(wèi)星與+Z'相機(jī)之間的夾角，Π XMY,嫌為+X衛(wèi)星與+Y'相機(jī)之間的夾角:
[0030]Π zoz" =atan (cos (TI y衛(wèi)星z'相機(jī))/cos (TI z 衛(wèi)星r 相機(jī)))
[0031]TI z, οζ" =90 _ Π x衛(wèi)星z,相機(jī)
[0032]TI y, ου" =90 - Π χ 衛(wèi)星 y? 相機(jī)
[0033]步驟(3)利用經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)平行光管，將平行光管光軸的豎直角度調(diào)整為90°，水平角度調(diào)整為0，再根據(jù)步驟(2)中所得夾角調(diào)整相機(jī)與平行光管之間的關(guān)系，使之和相機(jī)與衛(wèi)星之間的角度關(guān)系相匹配，以上基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換階段結(jié)束；
[0034]所述仿真輔助裝調(diào)階段實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0035]步驟(4)根據(jù)步驟(3)中將相機(jī)和平行光管調(diào)整好位置后，利用平行光管的傳函靶標(biāo)計(jì)算出相機(jī)的無窮遠(yuǎn)焦面位置，調(diào)整相機(jī)的焦面組件的墊片厚度，保證焦面組件中的CCD器件位于相機(jī)的最佳焦面位置處，并且根據(jù)平行光管的靶標(biāo)在CCD器件上的成像位置調(diào)整焦面組件與鏡頭的相對位置，使平行光管靶標(biāo)成像在CCD器件的位置能夠滿足相機(jī)視軸在水平面和豎直面內(nèi)的投影與衛(wèi)星Z方向偏差不大于3'；
[0036]步驟(5)利用ProE仿真軟件畫出步驟(4)調(diào)整后的相機(jī)焦面組件中CXD器件和墊片的相對位置，如圖3所示，其中7和8為畫出的兩組位置大小相同的墊片，其中墊片7位置不動(dòng)，作為原始基準(zhǔn)，墊片8在仿真中變化位置，作為調(diào)整基準(zhǔn)，以便于將變化后的墊片8位置與未變化的墊片7位置進(jìn)行比對，從而得到焦面組件墊片的調(diào)整量，其中9為焦面組件中CXD器件的位置；
[0037]步驟(6)根據(jù)步驟(5)得到的相機(jī)焦面CXD器件和墊片的相對位置，如圖4所示，以相機(jī)的光軸方向?yàn)閆軸，相機(jī)的CCD器件線陣方向?yàn)閅軸，根據(jù)右手定則做出一個(gè)坐標(biāo)系O-XYZ,使得CCD器件和墊片這一組合體繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)可以保證旋轉(zhuǎn)后相機(jī)的CCD器件在相機(jī)的共焦面位置不變。再以垂直于相機(jī)底面方向?yàn)閆'軸，任意水平方向?yàn)閅'軸重新設(shè)定一個(gè)坐標(biāo)系O' -V Y' I'；
[0038]步驟(7)根據(jù)步驟(6)中建立的兩個(gè)坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系O' -V V V中測量CCD器件兩端沿V軸方向是否高度一致，若不一致則繞步驟(6)中建立的坐標(biāo)系O-XYZ的Z軸旋轉(zhuǎn)CCD器件和墊片8的組合體，旋轉(zhuǎn)至CCD器件兩端高度一致后，測量此時(shí)墊片8與原墊片7位置的高度差，如圖4所示，從而指導(dǎo)相機(jī)墊片厚度的調(diào)整，進(jìn)而完成相機(jī)焦面的裝調(diào)。
[0039]本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種離軸三反相機(jī)焦面裝調(diào)的方法，其特征在于由基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換階段和仿真輔助裝調(diào)階段配合完成，所述基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換階段實(shí)現(xiàn)步驟如下: 步驟(1)建立平行光管坐標(biāo)系，用平行光管的光軸方向代表衛(wèi)星的+Z方向，平行光管豎直向上的方向代表衛(wèi)星+X方向，平行光管水平面與+Z垂直的方向?yàn)樾l(wèi)星的+Y方向，三個(gè)方向符合右手定則； 步驟(2)中建立相機(jī)坐標(biāo)系(V -V V V，用粘在相機(jī)上的立方鏡的法線引出，其中沿光軸方向?yàn)閆'軸，豎直向上為Y'軸，水平方向與Z'軸垂直為Y'軸，三個(gè)方向符合右手定則，通過已知的衛(wèi)星與相機(jī)立方鏡的矩陣推算出相機(jī)+Z'在衛(wèi)星坐標(biāo)系YOZ平面的投影Z"與+Z方向的水平夾角TIzra〃、相機(jī)+Z'與其在衛(wèi)星坐標(biāo)系YOZ平面的投影Z"的豎直夾角112, W和相機(jī)+Y'與其在衛(wèi)星坐標(biāo)系YOZ平面的投影Y"與+Y方向的豎直夾角Π Y', οY'〃，式中Π Y'衛(wèi)星z,相機(jī)為+Y衛(wèi)星與+Z'相機(jī)之間的夾角，Π z衛(wèi)星z,相機(jī)為+Z衛(wèi)星與+Z'相機(jī)之間的夾角，Π 相機(jī)為+X衛(wèi)星與+Z'相機(jī)之間的夾角，Π 相機(jī)為+X衛(wèi)星與+Y'相機(jī)之間的夾角:

【文檔編號】G03B43/00GK103869595SQ201410060916
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】馬麗娜, 張繼友, 蔡偉軍, 王東杰 申請人:北京空間機(jī)電研究所