離軸三反測繪相機調焦機構的設計

邵明東 ，郭 疆，孫繼明

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033)

1 引 言

測繪相機在軌飛行時必須保證其主點、主距的變化在允許的范圍內，否則會造成測繪精度的下降。測繪相機原則上不允許或無需進行在軌調焦，但相機在運載過程中會受到沖擊、振動、過載等影響，在軌運行時也會受到溫度、高度、大氣壓力等變化的影響，因此會產生離焦現象［1-6］。通常在地面試驗( 如外景成像試驗、熱試驗等) 需要進行調焦才能找到最佳像面，達到試驗的目的，因此，為了保證相機的成像質量和研制過程的可實施性，須對測繪相機設計一套調焦機構，使相機具有調焦功能。

本文在分析常用的3 種調焦機構的基礎上設計了適用于離軸三反測繪相機的調焦機構，計算了調焦機構的靈敏度，并對其進行了精度檢測和實驗驗證。

2 調焦方式的選擇

空間相機有3 種常用的調焦方式:鏡組調焦、平面反射鏡調焦和焦面調焦［7］。

(1) 鏡組調焦: 借助于調整光焦度最小的反射鏡位置來實現調焦。本光學系統(tǒng)的主鏡、次鏡、第三鏡均為離軸非球面反射鏡，三鏡間光學間隔有嚴格的要求，調整其中任一個鏡都會對像質產生較大影響，且光學系統(tǒng)的參數也會隨之改變，因此不宜做調焦光學元件。

(2) 平面反射鏡調焦: 在光路中加入一平面反射鏡，用于折轉光路使光學結構緊湊，通過調整反射鏡的前后位置實現焦面位置調整。但是由于離軸三反光學系統(tǒng)有離軸角，在平面反射鏡前后運動時，主光線會在像面上產生移動，即會導致主點位置的變化，其原理如圖1 所示。主點位置的變化量:

式中:S為調焦量，α 為傾斜角。

本相機的傾斜角約為5°，一次調焦量一般為1/4 半焦深，即S=F2λ，根據相機相對孔徑1∶9，CCD 像元尺寸為7 μm，計算一次調焦量主點位移情況，得:

圖1 平面反射鏡調焦原理Fig.1 Schematic diagram of focusing by plane mirror

在一次調焦后，主點位移量為1.26 pixel，遠大于測繪相機主點幾何標定值0.2 pixel，無法滿足測繪要求。因此，在測繪相機的設計過程中應充分考慮調焦機構位置對相機主點的影響。

另外，在做調焦運動時，調焦機構的直線運動誤差也會導致主點位置的偏移，當折疊鏡距焦平面距離為1 300 mm，調焦機構直線度為2( ″) /mm，( 假設直線度線性變化) 全調焦行程為0.1 mm 時，計算主點偏移量:

調焦機構的直線度誤差對相機主點位置的影響較小，雖然可以滿足要求，但不是很理想。因此，通過平面反射鏡對離軸三反測繪相機進行調焦也是不可取的。

(3) 焦面調焦: 通過調整焦平面位置來實現像面位置的校正。只要調焦機構沿主光線運動即可避免調焦對主點位置的影響。

綜上，為使相機總體結構更加合理、調整方便，本文采用焦面調焦來實現相機的調焦功能。

3 調焦機構的要求

測繪相機調焦機構的精度對相機能否找到最佳像面，相機主點位置的穩(wěn)定性以及測繪精度有著重要影響，因此，以上方面對調焦機構的設計精度提出了具體的要求。

(1) 清晰成像對調焦精度的要求［8］

根 據 計 算 公 式 ± 2F2λ，求 得 半 焦 深 為±102 μm，調焦精度應≤±10 μm?？紤]到由裝調誤差、溫度引起反射鏡曲率變化和光學零件軸向間隔誤差引起的焦距變化量，相機光軸方向的調焦行程設計為±2 mm 即可滿足調焦要求。

(2) 測繪精度對調焦精度的要求［8-9］

相機的焦距是影響測繪高程精度的主要因素，根據文獻［9］給定的參數，可算出焦距誤差對相對高程誤差和絕對高程定位精度的影響，如圖2和圖3 所示。從圖中可以看出，焦距誤差對相對高程有較大的影響，對絕對高程定位精度影響權重更大，從而影響地面點的綜合絕對定位精度。若相機焦距的標定精度要求≤±10 μm，則調焦機構的調焦精度應≤±3 μm。

圖2 焦距誤差對相對高程的影響Fig.2 Influence of focal length error on relative photogrammetric elevation

圖3 焦距誤差對絕對高程的影響Fig.3 Influence of focal length error on absolute photogrammetric elevation

(3) 主點位置穩(wěn)定性對調焦系統(tǒng)的要求

由于該測繪相機的主點標定精度為±1.6 μm，設定調焦機構的行程為±2 mm，則在該調焦行程內要求調焦機構的直線度＜2 μm。

4 調焦機構設計

4.1 結構設計

針對本相機的特點，將調焦機構設計為通過步進電機驅動兩級齒輪副傳動和一級蝸輪蝸桿副傳動，從而帶動端部裝有絕對式光電軸角編碼器的滾珠絲杠副，推動導軌上的滑動部件帶動焦平面組件沿其法線方向前后運動。由于蝸輪蝸桿副具有自鎖功能，故該結構具有自鎖功能。在該結構中選用了具有較高直線度和平行度的導軌和絲杠，并在裝配完成后對該結構進行一定時間的反復跑合試驗，使相應的傳動部件進行磨合，以保證在使用中機構運動的順暢性和穩(wěn)定性。調焦組件傳動結構示意圖和調焦機構結構圖分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 調焦組件傳動結構示意圖Fig.4 Transmission structure diagram of focusing device

圖5 調焦機構結構圖Fig.5 Structure diagram of focusing mechanism

經分析計算得到，相機焦平面組件質量為8.6 kg，驅動的滑動部件質量為1.2 kg，驅動載荷按照10 kg 計算來選擇步進電機。

4.2 調焦靈敏度

齒輪副和一級蝸輪蝸桿副總傳動比i=62.5，步進電機步距角α=0.9°，滾珠絲杠導程s=5 mm則步進電機每走一個步距角，調焦機構的直線位移靈敏度為:

即步進電機每走一個步距角，像面移動0.2 μm。

5 試驗驗證

為檢驗調焦機構設計的合理性，檢驗其承受熱真空環(huán)境的能力，對該調焦機構進行了力學環(huán)境試驗和熱真空試驗。

(1) 力學環(huán)境試驗

由于星載遙感器在運載過程會受到沖擊、振動等力學環(huán)境的影響，需對遙感器整機進行力學環(huán)境模擬試驗。對此調焦機構隨同整機進行了X、Y、Z3 個方向的正弦振動試驗和隨機振動試驗，并在調焦支架上表面安裝加速度傳感器。其中X軸為飛行方向，Z軸為對地方向，Y軸按右手定則確定。試驗結果如表1 所示。

表1 3 個方向的正弦振動和隨機振動響應Tab．1 Responses to sine vibration and random vibration in three directions

根據該星環(huán)境與可靠性通用技術條件，結構組件在力學環(huán)境試驗中正弦振動的放大倍率＜10，隨機振動的放大倍率＜5，表明該結構能夠經受住該振動環(huán)境的考驗。表1 的數據表明，該調焦機構具備經受該力學環(huán)境模擬試驗的能力。

(2) 熱真空試驗

此調焦機構隨整機一起進行了熱真空試驗，溫度為13.5 ～22.5 ℃;壓力≤1.3 ×10-3Pa，試驗結果表明調焦機構工作正常，性能穩(wěn)定。

6 調焦精度檢測

6.1 調焦步距精度檢測

在調焦機構滑動部件上粘貼平面反射鏡，精調光電自準直儀，保證平面反射鏡法線與其光軸重合，從而檢測調焦機構的指向精度;用數字千分表打在滑動部件的一平面處，用于檢測調焦鏡移動量，如圖6 所示。

圖6 精度檢測圖Fig.6 Test diagram of accuracy

圖7 正向控制測試曲線Fig.7 Test curve of forward control

表2 正向控制檢測數據分析Tab．2 Analysis of test data for forward control (μm)

表3 反向控制檢測數據分析Tab．3 Analysis of test data for backward control (μm)

按步進電機走50 步進行一次檢測，對調焦步距設計行程進行檢測。圖7 為電機正轉檢測100次的數據，圖8 為電機反轉檢測100 次的數據，表2 為10 組正轉檢測數據的分析值，表3 為10 組反轉檢測數據的分析值［10］。從結果可以看出，測試數據沒有較大誤差，調焦步距最大誤差＜3 μm，滿足調焦精度要求。

圖8 反向控制測試曲線Fig.8 Test curve of backward control

6.2 調焦指向精度檢測

圖9 水平晃動曲線Fig.9 Curve of horizontal shake

調焦機構的指向精度主要與導軌的精度有關，本結構選用了具有較高直線度和平行度的導軌，有利于提高機構的指向精度。用0.1″的自準直儀對其進行檢測，如圖6 所示。從圖9、圖10可以看出，在調焦行程范圍內其水平晃動最大值為1.1″，垂直晃動最大值為0.8″。因此，只要在調焦機構安裝時，將其運動方向與光軸方向保持一致，就能滿足主點位置的偏移在其誤差允許范圍之內。

圖10 垂直晃動曲線Fig.10 Curve of vertical shake

6 結 論

在詳細分析了3 種調焦方式特點的基礎上，確定了符合離軸三反測繪相機需要的調焦方式，設計了由渦輪蝸桿、滾珠絲杠和直線導軌配合傳動的調焦機構;對該機構進行了精度檢測和試驗驗證，結果表明: 該調焦機構指向精度＜2″，定位精度＜3 μm，具有結構緊湊、質量輕、承載能力大、位移精度好、運行平穩(wěn)、可靠性高等特點，能夠滿足離軸三反空間相機調焦的要求。

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