航天CCD相機焦面位置地面標(biāo)定方法研究

曹智睿，董吉洪

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春130033）

引言

隨著空間光學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，航天CCD相機被日益廣泛地應(yīng)用到偵查、測繪等有關(guān)國家安全的重要領(lǐng)域，其在軌成像質(zhì)量的需求越來越高。航天CCD相機焦面位置的地面標(biāo)定工作是確保相機在軌成像質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，其標(biāo)定方法和標(biāo)定精度逐漸成為相關(guān)研究人員關(guān)注的焦點。

已有的航天CCD相機焦面位置地面標(biāo)定方法主要分為2個標(biāo)定階段：第1階段，采用自準(zhǔn)直法或五棱鏡法完成標(biāo)定用平行光管分劃板的安裝；第2階段，通過測量顯微鏡目視觀察，調(diào)整焦面安裝平面與相機鏡頭實際焦平面大致重合。已有標(biāo)定方法的2個標(biāo)定階段均存在較大的標(biāo)定誤差。第1階段，采用自準(zhǔn)直法或五棱鏡法安裝平行光管的分劃板時，其極限安裝精度較低，且安裝重復(fù)精度差，因此國內(nèi)的研究人員常要求平行光管的焦距大于待標(biāo)定航天CCD相機焦距3倍至5倍，以此來減小平行光管分劃板安裝誤差帶來的影響；第2階段，通過測量顯微鏡目視觀察只能確保相機焦面安裝平面與相機鏡頭實際焦平面的大致重合，并不能確保相機CCD感光面與相機鏡頭實際焦平面的準(zhǔn)確重合。

為了提高航天CCD相機焦面位置的地面標(biāo)定精度，同時降低標(biāo)定工作對長焦距平行光管的過度依賴，提出了一種基于自準(zhǔn)直干涉測量原理和調(diào)制傳遞函數(shù)測量原理的航天CCD相機焦面標(biāo)定方法。

1 標(biāo)定原理及實施過程

新標(biāo)定方法主要分為3個標(biāo)定階段：第1階段，選擇合適的平行光管，并完成分劃板的安裝；第2階段，實現(xiàn)相機焦面安裝平面與相機焦面的大致重合；第3階段，模擬相機在軌工作環(huán)境，通過實時測量相機的調(diào)制傳遞函數(shù)實現(xiàn)相機焦面位置的精密標(biāo)定。

1.1 平行光管的分劃板安裝

平行光管分劃板的安裝流程如圖1所示，各步驟的原理及具體操作方法如下文所述。

圖1 平行光管分劃板的安裝流程Fig.1 Installation process of collimator reticle

平行光管在使用之前都需要進行波像差測試，測試采用圖2所示的自準(zhǔn)直干涉光路。實際工作中干涉儀標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的球心不可避免地與平行光管的焦面位置存在一定的軸向離焦量δ，而δ與波像差測試結(jié)果中Zenike擬合多項式的第4項系數(shù)wp存在以下對應(yīng)關(guān)系：

式中，F(xiàn)為平行光管相對孔徑的倒數(shù)。調(diào)整自準(zhǔn)直干涉光路，通過監(jiān)測wp的大小，使平行光管的軸向離焦量δ小于某一預(yù)期指標(biāo)要求，此時干涉儀球面鏡的球心位置近似為平行光管焦面位置，該過程就是平行光管焦面位置的標(biāo)定過程；δ就是平行光管焦面位置的實際標(biāo)定誤差。

圖2 平行光管波像差測試光路Fig.2 Testing light path of collimator wavefront aberration

平行光管的焦面位置確定后，將分劃板的刻劃面準(zhǔn)確安裝到該焦面位置，而這一過程需要分2個步驟實現(xiàn)。首先，將分劃板插入到自準(zhǔn)直測試光路中，調(diào)整分劃板沒有分劃線的平面與干涉儀形成自準(zhǔn)直干涉光路，并產(chǎn)生如圖3所示的干涉條紋，此時的干涉光路如圖4（a）所示；然后，測量分劃板的厚度d，并利用精密調(diào)整機構(gòu)將分劃板沿光軸向右移動距離d，此時分劃板的安裝完成，此時的干涉光路如圖4（b）所示。

圖3 分劃板沒有分劃線的平面與焦面重合時的干涉條紋Fig.3 Interference fringe when reticle plane without scribed line superposing focal plane

圖4 分劃板安裝過程光路圖Fig.4 Light path of reticle installation process

1.2 航天CCD相機焦面粗標(biāo)定

航天CCD相機焦面粗標(biāo)定階段的主要工作是通過修研相機的焦面安裝平面，使其與相機的焦面大致重合，粗標(biāo)定階段的標(biāo)定光路如圖5所示。

圖5 航天CCD相機焦面粗標(biāo)定光路圖Fig.5 Rough calibration optical path on focal plane position of CCD camera

首先，在平行光管焦面位置安裝分辨力板，在待標(biāo)定相機鏡頭的焦面安裝網(wǎng)格板，調(diào)整平行光管和待標(biāo)定相機鏡頭成圖5所示光路；然后，通過測量顯微鏡觀察待標(biāo)定相機鏡頭的不同視場處的分辨力圖像和網(wǎng)格板圖像，研磨或加墊焦面安裝平面，使觀察到的分辨力圖像和網(wǎng)格板圖像同時清晰，至此，航天CCD相機焦面的粗標(biāo)定完成。

1.3 航天CCD相機焦面精標(biāo)定

航天CCD相機焦面粗標(biāo)定完成后，將拼接好的CCD組件安裝在焦平面上，此時需要對CCD感光面的位置進行精密調(diào)整，以確保航天CCD相機具有最佳的成像質(zhì)量，精密標(biāo)定階段的標(biāo)定裝置如圖6所示。

圖6 航天CCD相機焦面精密標(biāo)定裝置Fig.6 Precise calibration device on focal plane position of CCD camera

首先，航天CCD相機焦面的精標(biāo)定需要盡可能準(zhǔn)確地模擬待標(biāo)定相機在軌運行時的工作環(huán)境，包括真空環(huán)境、熱環(huán)境等，因此精標(biāo)定工作應(yīng)在多功能的熱真空環(huán)境模擬試驗室內(nèi)進行；然后，調(diào)整待標(biāo)定相機與平行光管構(gòu)成MTF測試光路，控制待標(biāo)定相機的焦面組件連續(xù)調(diào)焦，并實時測量各焦面位置處相機的MTF；最后，將航天CCD相機的焦面定位在相機具有最大MTF時的位置，至此，航天CCD相機焦面位置的地面標(biāo)定工作圓滿完成。

2 標(biāo)定精度分析

本文以焦距20m、口徑1m的平行光管和焦距6m、口徑600mm的某型航天CCD相機為例，理論分析并計算了新標(biāo)定方法和已有標(biāo)定方法的標(biāo)定精度。

2.1 新標(biāo)定方法的標(biāo)定精度分析

由新標(biāo)定方法的標(biāo)定原理和實施過程可知，新標(biāo)定方法的主要誤差來源如圖7所示。

圖7 新標(biāo)定方法的主要誤差來源Fig.7 Main error sources of novel calibration method

平行光管分劃板安裝誤差由平行光管焦面位置標(biāo)定誤差和分劃板與焦面位置的重合誤差構(gòu)成。其中平行光管焦面位置標(biāo)定誤差δ可由公式（1）求得，而分劃板與焦面位置的重合誤差由分劃板無刻劃線平面與焦面重合誤差、分劃板厚度測量誤差、分劃板平移誤差構(gòu)成。不同實驗人員的多次實驗表明：焦距20m、口徑1m平行光管的分劃板安裝誤差可優(yōu)于±0.04mm。用該平行光管標(biāo)定焦距6m、口徑600mm的某型航天CCD相機時，平行光管分劃板安裝誤差Δ1與其所產(chǎn)生的航天CCD相機焦面標(biāo)定誤差Δ2之間滿足下列關(guān)系，

式中，Γ為航天CCD相機焦距與平行光管焦距的比值。由公式（2）計算可得，平行光管分劃板安裝誤差引起的航天CCD相機焦面位置標(biāo)定誤差小于0.004mm。

通過MTF最佳位置確定航天CCD相機焦面位置這一做法原則上是不存在誤差的，但是實際標(biāo)定過程中，航天CCD相機的調(diào)焦機構(gòu)只能以其最小調(diào)焦分辨率為單位進行離散的焦面位置調(diào)整，因此該過程將引入一個量值不超過最小調(diào)焦分辨率的焦面位置標(biāo)定誤差。通常調(diào)焦機構(gòu)的最小調(diào)焦分辨率設(shè)計值可達到0.000 5mm，在考慮空回現(xiàn)象的存在時，實際運行精度可優(yōu)于0.002mm。綜上所述，新方法對航天CCD相機焦面位置的地面標(biāo)定精度可優(yōu)于0.006mm。

2.2 已有標(biāo)定方法的標(biāo)定精度分析

已有標(biāo)定方法的標(biāo)定誤差同樣由平行光管分劃板安裝誤差和航天CCD相機焦面標(biāo)定誤差2部分構(gòu)成，不同的是已有標(biāo)定方法主要依靠人眼的主觀判斷進行操作，其標(biāo)定誤差更難以定量描述定量控制，標(biāo)定的重復(fù)性也難以保障。由于自準(zhǔn)直法和五棱鏡法對平行光管分劃板的極限安裝精度可以定量計算，因此本文僅對這一部分誤差進行分析計算，而這也足以對新安裝方法和已有安裝方法的優(yōu)劣作出比較。

依據(jù)光學(xué)測量的相關(guān)知識，利用自準(zhǔn)直法以消視差為準(zhǔn)標(biāo)定平行光管焦面時，其極限安裝精度［5］為

式中：δ為人眼的對準(zhǔn)誤差；Γ為平行光管與自準(zhǔn)直目鏡組成的自準(zhǔn)直望遠鏡的視放大率；D為平行光管的通光孔徑；De為眼瞳直徑；f為平行光管焦距。

利用五棱鏡法進行平行光管焦面標(biāo)定時，其極限安裝精度為

式中：δ為人眼的對準(zhǔn)誤差；Γ為接收五棱鏡出射光束的前置鏡（望遠系統(tǒng)）的視放大率；D為平行光管的通光孔徑；Dw為五棱鏡通光孔徑；f為平行光管焦距。

由公式（2）、（3）、（4）計算可得：用自準(zhǔn)直法和五棱鏡法標(biāo)定平行光管，其分劃板標(biāo)定誤差引起的航天CCD相機焦面標(biāo)定誤差不小于0.02mm和0.05mm。

3 實踐工作

在某航天型號項目中，需要對焦距6m、口徑600mm的CCD相機進行無窮遠焦面標(biāo)定，標(biāo)定精度要求達到±0.025mm。標(biāo)定選用試驗室現(xiàn)有的最大平行光管，即口徑1 000mm，焦距20m的平行光管。

標(biāo)定工作的具體實施步驟如下：

1）選擇標(biāo)定方法。由上文的分析計算已知，應(yīng)用口徑1 000mm、焦距20m的平行光管，已有標(biāo)定方法的極限標(biāo)定精度仍無法滿足焦距6m、口徑600mm的某型航天CCD相機的焦面標(biāo)定精度要求，因此標(biāo)定工作采用新標(biāo)定方法方法；

2）確定標(biāo)定各環(huán)節(jié)標(biāo)定公差。依據(jù)圖7所示的主要誤差來源分布，確定標(biāo)定各環(huán)節(jié)標(biāo)定公差分配如圖8所示。

圖8 標(biāo)定公差分配圖Fig.8 Diagram of calibration tolerance allocation

3）設(shè)置試驗環(huán)境：標(biāo)定工作在尺寸為Φ4.3m×9.2m的真空罐內(nèi)進行，真空罐內(nèi)溫度為20℃，氣壓為（1.3×10-3）Pa，罐內(nèi)光學(xué)平臺各向固有振動頻率小于2Hz，平行光管與真空罐通過法蘭密閉連接，兩者具有相同的溫度、真空度和振動特性；

4）按流程依次完成平行光管分劃板安裝、航天CCD相機焦面粗標(biāo)定和精標(biāo)定工作。

4 結(jié)論

本文所介紹的航天CCD相機焦面位置地面標(biāo)定方法是一種全新的焦面位置標(biāo)定方法，該方法可以定量地控制各標(biāo)定環(huán)節(jié)的誤差，從而使最終的標(biāo)定結(jié)果具有更高標(biāo)定精度和標(biāo)定重復(fù)性。以口徑1m、焦距20m的平行光管標(biāo)定口徑600mm、焦距6m的航天CCD相機為例，新標(biāo)定方法的標(biāo)定精度優(yōu)于0.006mm，是已有標(biāo)定方法標(biāo)定精度的5倍至10倍，能夠滿足現(xiàn)階段所有航天CCD相機的焦面位置的標(biāo)定精度要求。而若要達到與已有標(biāo)定方法相同的標(biāo)定精度，新方法對平行光管焦距的需求比以往降低50%以上，可以大大地節(jié)約標(biāo)定成本。

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