魏鑫 何鴻濤 王建永 穆生博

一種調(diào)焦機構(gòu)運動方向與光軸平行性測試方法

魏鑫 何鴻濤 王建永 穆生博

（北京空間機電研究所，北京 100094）

調(diào)焦機構(gòu)運動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)主點位置、像質(zhì)均勻性、像面照度均勻性等多項指標(biāo)。為了在安裝過程中保證調(diào)焦機構(gòu)運動方向與光軸平行，需要測量調(diào)焦機構(gòu)運動方向與光軸之間的角度關(guān)系。文章通過三坐標(biāo)測量系統(tǒng)和自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀，設(shè)計了一種對感光元件非接觸式的測量方法，來測量調(diào)焦機構(gòu)運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)計與加工補償實現(xiàn)兩者的平行裝調(diào)。試驗結(jié)果表明，調(diào)焦機構(gòu)運動方向與焦平面法線方向的角度測量模型準(zhǔn)確可靠，數(shù)據(jù)處理算法合理可行。

調(diào)焦機構(gòu) 相機光軸 非接觸式測量 平行裝調(diào) 測試方法 航天遙感

0 引言

空間遙感相機是用于獲取目標(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)的像面位置會產(chǎn)生變化，因此需要配備調(diào)焦機構(gòu)進行焦面補償[1-2]。

在成像跟蹤領(lǐng)域，成像跟瞄系統(tǒng)用于機動目標(biāo)的快速捕獲、跟蹤及瞄準(zhǔn)，并對跟蹤到的目標(biāo)進行成像，識別目標(biāo)特征[3-5]。其中，作為其重要組成部分的成像相機主要用于對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，會引起像面位置也發(fā)生變化，進而造成目標(biāo)像點離焦，導(dǎo)致像點彌散。為了獲得清晰的探測圖像，需要設(shè)置調(diào)焦機構(gòu)，然后根據(jù)目標(biāo)到相機的距離信息調(diào)整目標(biāo)像面的位置，使目標(biāo)的像始終位于焦面上，從而在跟瞄時在靶面上獲得清晰的圖像，提高信號提取能力及測量精度，改善跟蹤測量性能。對于跟蹤成像系統(tǒng)，為了使像的信息能夠準(zhǔn)確描述空間物體的位置，相機本身必須是準(zhǔn)確和穩(wěn)定的，因此，在使用前需要對相機進行內(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：透鏡組移動式調(diào)焦、反射鏡移動式調(diào)焦及焦面移動式調(diào)焦。研究表明，采用焦面移動式調(diào)焦方式對相機內(nèi)方位元素的影響最小[8]。這種調(diào)焦方式要求調(diào)焦機構(gòu)運動方向必須與光軸即焦平面法線方向保持一致，若調(diào)焦機構(gòu)運動方向與光軸不一致，影響調(diào)焦過程中光學(xué)系統(tǒng)主點位置、像質(zhì)均勻性、像面照度均勻性等多項指標(biāo)。為了保證調(diào)焦機構(gòu)運動方向與光軸平行，導(dǎo)軌運行方向需與探測器感光面法線方向保持一致。因此，需要在安裝過程中測試調(diào)焦機構(gòu)導(dǎo)軌運行方向與探測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]。某型號光電跟瞄系統(tǒng)成像相機采用同軸光學(xué)系統(tǒng)，焦面為CMOS探測器，焦面結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，因此采用沿光軸移動焦平面的方式進行調(diào)焦。本文針對該相機調(diào)焦機構(gòu)，通過三坐標(biāo)測量系統(tǒng)和自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀，設(shè)計了一種對感光元件非接觸式的測量方法，避免了接觸式測量方法可能對焦平面造成的傷害，能夠精確測量調(diào)焦機構(gòu)運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)計與加工補償，實現(xiàn)兩者的平行裝調(diào)。該方法對采用焦面移動式調(diào)焦方式空間相機的高精度裝調(diào)具有一定的借鑒意義。

1 調(diào)焦機構(gòu)設(shè)計

空間相機調(diào)焦機構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)型式，本文調(diào)焦機構(gòu)采用凸輪滑塊驅(qū)動焦平面的結(jié)構(gòu)。該機構(gòu)主要由步進電機、齒凸輪、凸輪軸、調(diào)焦機構(gòu)座、焦面組件、焦平面、軸承、直線導(dǎo)軌組成，機構(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)兩個正交方向。電機的旋轉(zhuǎn)運動通過齒凸輪轉(zhuǎn)化為直線運動，帶動導(dǎo)軌沿軸運動。焦平面通過焦面組件固定在調(diào)焦機構(gòu)座上，調(diào)焦機構(gòu)座安裝在導(dǎo)軌上，借助導(dǎo)軌沿光軸方向移動，實現(xiàn)調(diào)焦運動。

圖1 焦面調(diào)焦機構(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，主點位于焦平面中心位置。調(diào)焦機構(gòu)帶動焦平面運動過程中，相機主點位置變化主要與調(diào)焦機構(gòu)的指向誤差有關(guān)，如圖2所示。主點在向（或向）的偏移量滿足如下關(guān)系（由于向與向類似，故僅以向為例分析）：

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

調(diào)焦機構(gòu)指向精度誤差主要由兩部分構(gòu)成：

1）直線導(dǎo)軌運動直線度誤差。本文中調(diào)焦機構(gòu)直線導(dǎo)軌選用THK公司LM超精密級滾動導(dǎo)軌，在50mm行程內(nèi)，導(dǎo)軌運動直線度1.5μm，像元尺寸為7μm，因此導(dǎo)軌運動直線度誤差對主點的影響為0.2像元，滿足相機主點精度小于1像元要求。

2）焦平面法線方向與調(diào)焦機構(gòu)運動方向的安裝平行度誤差。相機裝調(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)焦機構(gòu)的運動方向也與相機主光線的方向保持一致。因此，焦面與調(diào)焦機構(gòu)安裝時，焦平面法線與調(diào)焦機構(gòu)運動方向必須保持平行。本文中成像相機焦面采用CMOS探測器，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。可行的辦法是在焦平面安裝好后測量焦平面法線與調(diào)焦機構(gòu)運動方向的角度，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)整兩個方向的一致性。

測量平面法線方向可以通過三坐標(biāo)檢測或者經(jīng)緯儀。測試的相機焦平面表面為藍(lán)寶石保護玻璃，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量，用經(jīng)緯儀自準(zhǔn)直檢測方法來實現(xiàn)測量。導(dǎo)軌運行方向不能直接測量到，可以通過三坐標(biāo)測量導(dǎo)軌運動過程中多個狀態(tài)的位置信息，擬合出導(dǎo)軌運動方向向量，最后通過經(jīng)緯儀與三坐標(biāo)測量系統(tǒng)間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到焦平面法線方向與導(dǎo)軌運動方向的角度差異，通過結(jié)構(gòu)加工補償，實現(xiàn)兩者的平行裝調(diào)。

2 測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 導(dǎo)軌運動方向測量

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

2.2 焦平面法線測量方法

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，的空間向量在測量坐標(biāo)系–中可表示為[14-19]

測量過程中，通常需要用到多臺經(jīng)緯儀，每臺經(jīng)緯儀確定一個自身坐標(biāo)系。為了使經(jīng)緯儀之間坐標(biāo)統(tǒng)一需要經(jīng)緯儀之間對瞄。因此需要在測量前確定一個基準(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)緯儀對瞄，通過對瞄數(shù)據(jù)將所有經(jīng)緯儀統(tǒng)一到基準(zhǔn)測量坐標(biāo)系下。由于經(jīng)緯儀的豎直角都是相對于大地垂直，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對瞄時兩臺經(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，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；同時根據(jù)經(jīng)緯儀自準(zhǔn)直測量立方鏡兩個鏡面法線方向，求得立方鏡坐標(biāo)系三個方向軸在基準(zhǔn)測量坐標(biāo)系T1–下的方向向量。為了計算出焦平面法線方向與調(diào)焦機構(gòu)運動方向之間的角度關(guān)系，需要將調(diào)焦機構(gòu)運行方向向量與焦平面法線方向向量統(tǒng)一到一個坐標(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)軌運動方向調(diào)整至平行。

3 試驗驗證

為了驗證測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及精度，同時調(diào)整焦平面法線與調(diào)焦機構(gòu)導(dǎo)軌方向一致，采用前文測量方法對某調(diào)焦機構(gòu)組件進行了測量，并對其結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整。

采用三臺精度為1″的徠卡T3000型號經(jīng)緯儀對立方鏡及焦平面進行測量及對瞄，得到在基準(zhǔn)經(jīng)緯儀坐標(biāo)系下，立方鏡兩個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)焦機構(gòu)調(diào)整完成后，在實驗室通過平行光管模擬不同物距，利用小孔靶標(biāo)測試焦面調(diào)焦行程范圍內(nèi)各個位置的中心視場坐標(biāo)，通過圖像光斑質(zhì)心算法[20]計算出調(diào)焦機構(gòu)處在不同位置時相機主點位置。結(jié)果如表1所示。

表1 某相機調(diào)焦機構(gòu)行程范圍內(nèi)主點變化

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

從表1可以看出，在調(diào)焦機構(gòu)整個行程范圍內(nèi)，相機主點變化小于1個像元，精度滿足要求。因此，本文測試方法合理、可行，測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

4 結(jié)束語

本文采用非接觸式測量方法，用經(jīng)緯儀測量焦平面法線方向，避免了接觸式測量方法可能造成的對焦平面的傷害。采用三坐標(biāo)測量運動目標(biāo)的運動方向，利用立方鏡巧妙地將兩個測量系統(tǒng)統(tǒng)一到同一測量坐標(biāo)系下，實現(xiàn)了焦平面法線方向與導(dǎo)軌運動方向互相平行裝調(diào)。本文討論的測試方法，可以應(yīng)用在對調(diào)焦過程中主點精度要求較高的測繪相機系統(tǒng)、光電跟瞄系統(tǒng)等相機中。

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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)焦機構(gòu)運動方向與光軸平行性測試方法[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)計專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。主要研究方向為空間遙感相機結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail：582769868@qq.com。

2019-05-05

國家重大科技專項工程

（編輯：夏淑密）