航天立體測(cè)繪相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的改進(jìn)思考與展望

哈爾濱市第三中學(xué) 黑龍江哈爾濱 150000

航空地圖攝像機(jī)是獲取地面信息的重要方式之一。精確的檢測(cè)和聚焦方法直接影響相機(jī)的穩(wěn)定性。這是恒星長(zhǎng)焦和高品質(zhì)立體相機(jī)所需的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于光學(xué)系統(tǒng)航天立體攝像機(jī)，振動(dòng)，沖擊和復(fù)雜的和可變的溫度和壓力下在所述軌道的大焦距當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射會(huì)改變空氣的折射率，折射率的光學(xué)系統(tǒng)的透鏡。透鏡材料的比率，曲率，厚度，電壓的變化，膨脹和收縮的所有金屬框架的半徑導(dǎo)致該目標(biāo)表面從所述CCD攝像機(jī)的焦平面偏離，從而降低了圖像的分辨率，并直接影響到該圖的精度的事實(shí)。因此，設(shè)計(jì)了一組聚焦機(jī)構(gòu)來補(bǔ)償CCD目標(biāo)表面的位移。介紹了焦距調(diào)節(jié)的操作原理，凸輪調(diào)焦機(jī)構(gòu)的組成，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的傳遞原理和誤差分析。

1 調(diào)焦方式的選擇

聚焦結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)系統(tǒng)，聚焦精度和環(huán)境條件決定。不同的光學(xué)系統(tǒng)具有不同的聚焦方法,即使相同的光學(xué)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和環(huán)境上不同，聚焦方法也是不同的,通常的聚焦方法如下。

1.1 鏡子運(yùn)動(dòng)

鏡組的移動(dòng)類型可分為前組，中組和后組移動(dòng)，前鏡組移動(dòng)。通過移動(dòng)鏡頭光學(xué)鏡頭的前鏡頭，改變焦距來實(shí)現(xiàn)聚焦，通常用于小型流行相機(jī)。鏡頭組或后組移動(dòng)，焦距隨鏡頭中的組鏡頭或后組鏡頭移動(dòng)而變化，鏡頭通常用于超級(jí)望遠(yuǎn)鏡頭。

1.2 焦平面鏡的運(yùn)動(dòng)

如果光學(xué)系統(tǒng)的反向攔截很長(zhǎng)，可以在最后一個(gè)鏡頭和圖像平面之間添加一個(gè)鏡子來改變光路以縮短相機(jī)的長(zhǎng)度?？梢酝ㄟ^調(diào)整鏡子沿鏡頭背面光軸的位置來實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)調(diào)節(jié),長(zhǎng)焦距相機(jī)，具有高聚焦精度。

1.3 焦平面運(yùn)動(dòng)

通過移動(dòng)圖像介質(zhì)（膠片或CCD）的圖像表面使其與用于聚焦的光學(xué)系統(tǒng)的焦平面重合，它適用于具有小安裝空間和短焦距的相機(jī)。結(jié)合航空航天立體攝像機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)的特性，CCD攝像機(jī)（焦平面）的表面沿光軸移動(dòng)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)非常穩(wěn)定。航空航天相機(jī)有兩個(gè)主要的聚焦機(jī)制：一個(gè)是螺母的焦點(diǎn)，另一個(gè)是凸輪的焦點(diǎn),這兩種聚焦方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。螺母聚焦方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但攝像機(jī)處于工作環(huán)境（真空，低溫等），容易粘住，抗振性和沖擊性差，聚焦方法精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。冷焊后，運(yùn)動(dòng)部件（齒輪，凸輪，蝸輪，蝸桿）沒有冷焊或堵塞，但凸輪曲線的加工非常困難。由于工作環(huán)境的條件和航空立體聲相機(jī)的精度，我們選擇了具有兩個(gè)凸輪曲線的聚焦模式，并通過凸輪動(dòng)作將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為CCD的線性運(yùn)動(dòng)。

2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

2.1 凸輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪引導(dǎo)機(jī)構(gòu)是致動(dòng)器，其實(shí)現(xiàn)CCD目標(biāo)的表面在光軸方向上的線性移動(dòng)并確定聚焦量，這是反映聚焦精度的重要部分。

凸輪由多個(gè)精密鋼球支撐在固定氣缸上。軸承架通過保持件固定，以便通過環(huán)修復(fù)提供支撐框架和固定缸之間的位置的相對(duì)調(diào)節(jié)，以便在球和固定缸之間提供間隙。小凸輪可以在固定的氣缸上自由旋轉(zhuǎn)，并且凸輪機(jī)構(gòu)的軸向位置相對(duì)于固定氣缸是恒定的。凸輪和齒圈通過特殊螺釘連接在一起。適配器軸通過兩個(gè)精密軸承連接到凸輪上（軸承在凸輪槽中移動(dòng)，軸承兩側(cè)和凸輪槽之間的間隙為零。這種設(shè)計(jì)旨在消除正負(fù)磁帶。該機(jī)構(gòu)還可以克服滾子上的凸輪槽寬度引起的滾子跳躍不規(guī)則，安裝在軸座上，軸座固定在鏡筒上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪表面和CCD目標(biāo)旋轉(zhuǎn)，光軸方向的線性運(yùn)動(dòng)和圍繞光軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和光軸方向的旋轉(zhuǎn)受到限制機(jī)構(gòu)的限制，凸輪使圖像透鏡管的過渡區(qū)域沿光軸方向線性移動(dòng)。軸和軸座，由此，聚焦馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成邊緣.CCD目標(biāo)表面的光軸的直接移動(dòng)方向。

2.2 聚焦機(jī)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)

聚焦機(jī)制是相機(jī)顯示器的關(guān)鍵部件之一。 CCD相機(jī)卡的目標(biāo)表面的偏移由聚焦機(jī)構(gòu)補(bǔ)償,為了確保相機(jī)圖像的質(zhì)量，它不僅需要具有高聚焦精度的聚焦機(jī)構(gòu)，而且還需要足夠的強(qiáng)度和剛度。在聚焦機(jī)構(gòu)中，過渡軸和軸座的機(jī)械性能相對(duì)較弱。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用冗余設(shè)計(jì)，即在凸輪上對(duì)稱設(shè)計(jì)兩個(gè)凸輪曲線以形成兩個(gè)凹槽。雙軸和雙軸座連接到CCD靶表面的示例性管，這可以提高凸輪機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，確保聚焦精度，減小CCD陣列表面光軸的方向，并改善其優(yōu)點(diǎn),另外光軸的線性運(yùn)動(dòng)屬于平滑運(yùn)動(dòng)[1]。

3 檢調(diào)焦機(jī)構(gòu)工作原理

航空立體測(cè)繪相機(jī)檢測(cè)聚焦機(jī)構(gòu)的控制原理框圖如圖1所示。

圖1 檢調(diào)焦工作原理框圖

控制系統(tǒng)主要由兩個(gè)電路組成。主循環(huán)是閉環(huán)控制循環(huán)。CCD目標(biāo)表面的位置由檢測(cè)器組件檢測(cè)。位置數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。聚焦控制器讀取處理存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)并將其與理想校準(zhǔn)值進(jìn)行比較，然后將比較差（目標(biāo)散焦量）發(fā)送到電源驅(qū)動(dòng)器以控制聚焦電機(jī)操作，并調(diào)整聚焦電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，機(jī)構(gòu)被傳送到凸輪致動(dòng)器以移動(dòng)CCD目標(biāo)表面，使得場(chǎng)景圖像清晰地形成在攝像機(jī)的焦平面上，次級(jí)回路是開環(huán)控制回路，并且地面遠(yuǎn)程控制站通過攝像機(jī)根據(jù)相機(jī)發(fā)送的實(shí)際圖像質(zhì)量。注入遠(yuǎn)程命令以調(diào)整攝像機(jī)，并通過編碼器檢測(cè)CCD目標(biāo)移動(dòng)。

4 結(jié)語

基于散焦原因的分析和各種聚焦方法的比較，介紹了使用準(zhǔn)成像遠(yuǎn)心光路形式的光學(xué)結(jié)構(gòu)的相機(jī)聚焦機(jī)構(gòu)。凸輪和導(dǎo)軌一起用于選擇凸輪。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成CCD目標(biāo)表面的線性運(yùn)動(dòng)，并且通過調(diào)整圖像平面運(yùn)動(dòng)來解決散焦問題。