空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

摘" 要：地面圖像獲取的主要手段為空間相機(jī)，目前廣泛使用在軍事、農(nóng)業(yè)及深海等領(lǐng)域中實(shí)施探測(cè)。空間相機(jī)在運(yùn)輸、發(fā)射過(guò)程，或者在軌道中因?yàn)閴毫?、溫度等原因的影響，空間相機(jī)系統(tǒng)中的光學(xué)鏡面都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，如結(jié)構(gòu)發(fā)生位移或光學(xué)鏡片面型發(fā)生變化，這就導(dǎo)致在整個(gè)空間相機(jī)系統(tǒng)中各光學(xué)元件發(fā)生折射率的變化，繼而引起焦面的位置偏移，最終出現(xiàn)空間相機(jī)成像質(zhì)量降低情況。在此情況之下，需要一套設(shè)計(jì)完善的，能夠補(bǔ)償相機(jī)離焦的調(diào)焦機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：空間相機(jī)；調(diào)焦機(jī)構(gòu)；調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；相機(jī)離焦；地面圖像

中圖分類號(hào)：V445" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0022-04

Absrtact： As an important means to obtain ground images， the space camera is currently used in agriculture， exploration， ocean， military and other fields. Due to the influence of pressure or temperature in the space camera system， there will be corresponding changes in the optical mirror surface of the space camera system， such as the displacement of the structure or the change of the shape of the optical lens， which will lead to the change of the refractive index of each optical element in the entire space camera system， which will then lead to the displacement of the focal plane， and finally the image quality of the space camera will be reduced. In this case， a well-designed focusing mechanism that can compensate for camera defocusing is needed.

Keywords： space camera; focusing mechanism; focusing mechanism design; camera defocus; ground image

隨著社會(huì)科技的不斷改革創(chuàng)新，人類對(duì)于地表信息與遙遠(yuǎn)星空信息的獲取欲望愈發(fā)強(qiáng)烈，我國(guó)對(duì)研發(fā)適用于各種用途，適用性高、應(yīng)用范圍廣的空間相機(jī)關(guān)注度越來(lái)越高。例如空間相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)焦距需要通過(guò)移動(dòng)平面反射鏡來(lái)完成。本次研究的就是應(yīng)用在空間相機(jī)反射鏡的調(diào)焦機(jī)構(gòu)。

1" 調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1" 設(shè)計(jì)需求分析

由于空間相機(jī)在運(yùn)輸過(guò)程中、發(fā)射過(guò)程中，或在軌道中受壓力、溫度等因素影響，導(dǎo)致空間相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)鏡面上發(fā)生了變化，如位置或光學(xué)鏡面發(fā)生變化，繼而對(duì)光學(xué)元件的折射率產(chǎn)生了影響，光學(xué)元件折射率的變化對(duì)聚焦平面的位置具有直接性影響。位置偏移會(huì)使空間相機(jī)的成像質(zhì)量變差。分析空間相機(jī)的離焦原因，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)提供有效支撐[1]。

本設(shè)計(jì)所研究的足印相機(jī)為空間相機(jī)的一種，如圖1所示。足印相機(jī)的主要功能是確定發(fā)射激光與相機(jī)獲取地面景物之間的位置匹配關(guān)系，所以這就對(duì)相機(jī)周圍環(huán)境的穩(wěn)定性與相機(jī)成像質(zhì)量有著較高的要求，反射鏡、足印相機(jī)透鏡組、調(diào)焦機(jī)構(gòu)和足印相機(jī)探測(cè)器構(gòu)成足印相機(jī)模塊，安裝在足印相機(jī)模塊底板上，作為模塊進(jìn)行光校。模塊底板把7個(gè)M4的不銹鋼螺釘安裝在后光學(xué)底板上，并將55%的高組分鋁基碳化硅材料用作光學(xué)底板的材料。

離焦作為空間相機(jī)圖像質(zhì)量的主要影響因素。其從生產(chǎn)至使用的每一個(gè)環(huán)節(jié)都經(jīng)歷多種環(huán)境變化，如壓強(qiáng)、溫度、重力、沖擊及振動(dòng)都會(huì)對(duì)空間相機(jī)造成一定程度的影響，導(dǎo)致空間相機(jī)離焦現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1.1.1" 相機(jī)離焦原因

首先是溫度對(duì)空間相機(jī)焦距的影響。在其內(nèi)部平臺(tái)中，每一個(gè)元器件都會(huì)出現(xiàn)熱量，并且還需要利用熱傳導(dǎo)和熱輻射的形式形成溫度場(chǎng)。在其運(yùn)行過(guò)程中，熱控元件可以將溫度控制在一個(gè)比較固定的范圍內(nèi)，足以對(duì)空間相機(jī)造成離焦現(xiàn)象。因?yàn)楦鱾€(gè)零件所用材料不同，其熱膨脹系數(shù)也不相同，造成空間相機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)收縮或者膨脹現(xiàn)象，也會(huì)造成其產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件發(fā)生形變，繼而使得空間相機(jī)內(nèi)部鏡面發(fā)生變化[2]。

大氣壓強(qiáng)能夠?qū)臻g相機(jī)焦距產(chǎn)生影響。隨著空間相機(jī)的高度發(fā)生變化，大氣壓強(qiáng)也發(fā)生變化。大氣折射率出現(xiàn)變化時(shí)，對(duì)空間相機(jī)的焦平面造成影響。溫度不斷提升，大氣密度不斷降低，導(dǎo)致折射率變小?？臻g相機(jī)在發(fā)射時(shí)，因其周圍的氣體環(huán)境出現(xiàn)了變化，導(dǎo)致排氣時(shí)氣體折射率發(fā)生變化，最后才能得到穩(wěn)定。

物距能夠?qū)臻g相機(jī)的焦距產(chǎn)生一定的影響，因?yàn)榭臻g相機(jī)的軌道高度發(fā)生變化，繼而想要獲取清晰圖像，這就需要焦平面也隨之變動(dòng)，但是一般來(lái)說(shuō)，由衛(wèi)星在軌高度引起的離焦可以忽略不計(jì)[3]。

重力對(duì)空間相機(jī)焦距也存在影響。重力引起空間相機(jī)焦平面的變化是因?yàn)槭艿厍蛞Φ挠绊懀诎惭b和調(diào)試空間相機(jī)時(shí)，空間相機(jī)處于一個(gè)重力負(fù)荷的作用下，衛(wèi)星軌跡運(yùn)行中，地球在衛(wèi)星引力下改變自身的運(yùn)動(dòng)速度?？臻g相機(jī)處于微重力狀態(tài)下，每一個(gè)部件和光學(xué)鏡面在調(diào)節(jié)中出現(xiàn)一定的變化，導(dǎo)致相機(jī)焦平面的位置發(fā)生一定變化。調(diào)焦機(jī)構(gòu)能夠有效地降低多種因素對(duì)相機(jī)離焦造成的影響，從而來(lái)提升成像的質(zhì)量[4]。

1.2" 調(diào)焦機(jī)構(gòu)指標(biāo)

鏡面CMOS對(duì)空間相機(jī)的分辨率具有直接性影響，其分辨率之中的景物成像均在同一個(gè)像源中，便不會(huì)影響到圖片的質(zhì)量，這也是空間相機(jī)都要求有一定的離焦量的主要原因，在空間相機(jī)中，其離焦量最大值應(yīng)該等于光學(xué)系統(tǒng)的半焦深，當(dāng)空間相機(jī)的離焦量小于一定程度，即半倍焦深的時(shí)候，相機(jī)的成像質(zhì)量將不會(huì)受到影響。空間相機(jī)焦面傾斜也會(huì)對(duì)其成像質(zhì)量造成影響，焦平面屬于一個(gè)狹長(zhǎng)的形狀，在調(diào)試中，會(huì)出現(xiàn)極小的傾斜或是晃動(dòng)，因此需要對(duì)空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)行程內(nèi)的晃動(dòng)量進(jìn)行控制，對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求更高，分析實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程得出，調(diào)焦過(guò)程中不能讓偏擺和晃動(dòng)的角度大于10°[5]。

在研發(fā)空間相機(jī)時(shí)，控制其重量成為了一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。衛(wèi)星重量的增大，表示衛(wèi)星制造與發(fā)射成本的提升，根據(jù)衛(wèi)星對(duì)質(zhì)量控制指標(biāo)的需求得出，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的重量應(yīng)當(dāng)小于20 kg。而衛(wèi)星在發(fā)射的過(guò)程中，因?yàn)橹苿┤紵粔虺浞?，產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，頻率范圍在5～100 Hz。因此，為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的基頻應(yīng)當(dāng)高于100 Hz。

1.3" 調(diào)焦方案

空間相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)里，因光寫系統(tǒng)截距比較長(zhǎng)，因此需要添加平面反光鏡對(duì)光進(jìn)行折疊，空間相機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，安裝的需求也更小。將折疊鏡和主鏡安裝在前背板上，焦面和三鏡均安裝在后背板上。反射鏡調(diào)焦、鏡面調(diào)焦與焦面調(diào)焦3種調(diào)焦手段是目前空間相機(jī)的主要調(diào)焦方式。在這3種調(diào)焦方式之中，鏡組調(diào)焦由于鏡頭尺寸的原因，應(yīng)用范圍較小，在小型空間相機(jī)中應(yīng)用較多，而不適合應(yīng)用在長(zhǎng)焦距、大口徑的光學(xué)系統(tǒng)中。

本文所研究的空間相機(jī)利用移動(dòng)折疊鏡來(lái)調(diào)節(jié)焦距。因空間相機(jī)的焦面尺寸比較大，利用反射鏡調(diào)節(jié)焦距時(shí)，必須把調(diào)焦機(jī)安裝在背板上，主鏡和調(diào)焦機(jī)構(gòu)的重量會(huì)大于20 kg，這將會(huì)導(dǎo)致空間相機(jī)前背板受力過(guò)大，最終導(dǎo)致其出現(xiàn)變形的情況，空間相機(jī)的懸臂長(zhǎng)度過(guò)大，同樣對(duì)其成像質(zhì)量有較大的影響。

在分析和對(duì)比多種類型的調(diào)焦方式之后，利用外加調(diào)焦機(jī)構(gòu)對(duì)焦平面組件實(shí)施調(diào)節(jié)的方式最符合本次設(shè)計(jì)要求。調(diào)焦機(jī)構(gòu)可安裝在后背板上，這樣對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的裝置與空間相機(jī)的成像質(zhì)量更加有利。同時(shí)，在空間相機(jī)的光系統(tǒng)之中，三鏡、調(diào)焦機(jī)構(gòu)、焦面組件和其他光學(xué)相關(guān)組件的安裝位置均相同，這便能夠有效地控制調(diào)焦機(jī)構(gòu)的大小，由于空間較小，這就要求調(diào)焦機(jī)構(gòu)需要足夠緊湊。

1.4" 空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)

1.4.1" 驅(qū)動(dòng)方式

空間相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)采取的驅(qū)動(dòng)方式一般為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。由于步進(jìn)電機(jī)具有多種優(yōu)點(diǎn)，如：無(wú)累積誤差，操作控制相對(duì)方便，轉(zhuǎn)速不受電壓、電流與溫度的影響，僅僅取決于脈沖頻率，相對(duì)來(lái)說(shuō)具有很高的可靠性與準(zhǔn)確性。

采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的方法能夠有效地減小振動(dòng)所造成的影響。在空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)之中，一般來(lái)說(shuō)，其輸出輸入軸不在同一平面的問(wèn)題存在，而橫向齒輪減速器上存在零件過(guò)多、徑向尺寸過(guò)大的缺陷，一般來(lái)說(shuō)斜面的減速器質(zhì)量也過(guò)大。以上的幾個(gè)減速器都有著或多或少的缺陷，并且由于空間相機(jī)對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的要求較高，對(duì)于質(zhì)量與結(jié)構(gòu)空間都要求較多，故而采取以上幾種減速器的可能性不高。

柔性齒輪發(fā)生彈性變形波由波發(fā)生器造成，導(dǎo)致諧波齒輪減速器實(shí)現(xiàn)傳輸與運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)組成主要由波發(fā)生器、鋼輪及柔輪組成。結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。諧波齒輪減速器的應(yīng)用范圍較廣，目前應(yīng)用在哈勃望遠(yuǎn)鏡、火星探測(cè)器、空間飛行器等各類空間機(jī)構(gòu)之中。諧波齒輪減速器有著重量?jī)?yōu)勢(shì)，其重量?jī)H為不同減速器的30%，甚至更低，正符合空間相機(jī)對(duì)于質(zhì)量與體積的要求。由于諧波齒輪減速器有著以上種種優(yōu)勢(shì)，例如質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)、體積的優(yōu)勢(shì)，所以本文采取是電機(jī)與諧波齒輪減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠很好地展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。如圖2所示。

1.4.2" 調(diào)焦機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿的支撐設(shè)計(jì)

蝸輪采用2個(gè)角接觸軸承背對(duì)背配對(duì)安裝，通過(guò)修磨加載預(yù)緊力，預(yù)緊力設(shè)計(jì)為40 N，軸承選用71810ACP4級(jí)角接觸軸承。通過(guò)配對(duì)后蝸輪中心處旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)可以優(yōu)于0.01 mm，潤(rùn)滑方式選用固體潤(rùn)滑。

蝸桿固定端采用71 800軸承進(jìn)行支撐，預(yù)載力設(shè)計(jì)為10 N，游動(dòng)端選用619/6軸承，采取小間隙配合，增大容差能力。軸承采用固體潤(rùn)滑，由于蝸桿跨距略大（長(zhǎng)度約106 mm），將步進(jìn)電機(jī)側(cè)軸承作為固定軸承，對(duì)面支點(diǎn)軸承作為游動(dòng)端軸承。蝸輪與蝸桿及其支撐軸承仍然采用固體潤(rùn)滑軸承，該種潤(rùn)滑方式在量子星初樣鑒定件中已經(jīng)應(yīng)用。

1.4.3" 凸輪設(shè)計(jì)

凸輪槽在蝸輪的延伸段上，用4個(gè)M2.5的螺釘將滑塊與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)固定。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下面安裝2條線性滑臺(tái)進(jìn)行直線導(dǎo)向，蝸桿帶動(dòng)蝸輪上的凸輪槽旋轉(zhuǎn)，滑塊也會(huì)將運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)化為光軸方向的前后移動(dòng)，繼而影響調(diào)焦鏡片組運(yùn)動(dòng)，方向?yàn)楣廨S方向前后，完成調(diào)焦過(guò)程，如圖3所示。蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)中步進(jìn)電機(jī)的步距角是1.8°，通過(guò)蝸桿蝸輪減速比1∶56后，蝸輪每步旋轉(zhuǎn)0°。

2" 調(diào)焦分析

2.1" 調(diào)焦精度分析

傳動(dòng)誤差指的是步進(jìn)電機(jī)、諧波齒輪減速器、滾珠絲桿共同造成的誤差。步距誤差與控制誤差共同組成了步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)誤差。滾珠絲杠傳動(dòng)精度由2部分組成，分別為絲杠、螺母軸向間隙。采用的是特定類型的滾珠絲杠，其軸向間隙0以下。絲杠的精度控制在其軸向間隙為0或以下，絲杠精度需要嚴(yán)格控制，一般大概控制帶C0級(jí)，其在300 m以內(nèi)的定為0.003 mm，轉(zhuǎn)化為調(diào)焦精度都有著嚴(yán)格要求。

編碼器的選擇上選擇以色列Netzer公司生產(chǎn)的絕對(duì)編碼器。測(cè)量的精確度能夠達(dá)到14，DS-58型絕對(duì)編碼器旋轉(zhuǎn)360°調(diào)焦形成較小，僅僅為4 mm，絕對(duì)編碼器測(cè)量誤差較小。

在空間相機(jī)工作時(shí)，溫度應(yīng)該控制在18±2 ℃，由于工作溫度發(fā)生變化會(huì)造成調(diào)焦精度的變化。本研究利用有限元分析軟件patran/nastran，分析研究溫度變化范圍為±2 ℃時(shí)調(diào)焦鏡的位移情況。通過(guò)相關(guān)處理軟件的處理與計(jì)算后，溫度在±2 ℃變化的范圍內(nèi)，空間相機(jī)調(diào)焦鏡沿著光軸方向會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，其位移大小變化為±1.4 μm。

2.2" 調(diào)焦機(jī)構(gòu)自鎖性與動(dòng)力學(xué)仿真分析

機(jī)械各個(gè)零件的接觸面在出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定的滑動(dòng)，這種滑動(dòng)和部件之間的摩擦存在較大關(guān)聯(lián)。微動(dòng)，顧名思義，指的是微小的動(dòng)作，也就是在接觸表面上產(chǎn)生極其微小的動(dòng)作，微動(dòng)的移動(dòng)單位一般是微米（μm）。因?yàn)榻佑|面出現(xiàn)的微動(dòng)是滑動(dòng)出現(xiàn)的主要原因，因此自鎖性屬于摩擦學(xué)中的一部分?？臻g相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)能夠利用蝸輪反向完成自鎖功能，在振動(dòng)環(huán)境中，蝸輪承受的負(fù)荷比較大，同時(shí)也是確保調(diào)焦機(jī)構(gòu)自鎖的主要因素。

2.3" 模態(tài)分析

由于發(fā)射成本的限制，空間相機(jī)對(duì)于質(zhì)量要求特別嚴(yán)格。在滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，空間相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)質(zhì)量與體積越輕越小則越成功。輕量化處理之后調(diào)焦機(jī)構(gòu)的質(zhì)量?jī)H為1.4 kg。

空間相機(jī)的發(fā)射條件苛刻，首先空間相機(jī)的整體結(jié)構(gòu)模態(tài)不能大于70 Hz，根據(jù)軟件對(duì)空間相機(jī)中輕量化的調(diào)焦機(jī)構(gòu)開展模態(tài)分析。調(diào)焦機(jī)構(gòu)模態(tài)分析分為三個(gè)階段：第一階段固有頻率為180.10 Hz、第二階段固有頻率為180.21 Hz，340.10 Hz為空間相機(jī)調(diào)焦結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的第三階段?？臻g相機(jī)的一階固有頻率為180.30 Hz，符合相關(guān)要求。

3" 結(jié)論

目前隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)空間光學(xué)傳感器的發(fā)展越發(fā)重視，在新時(shí)代背景之下，空間相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)同樣面臨著更高的要求。隨著空間相機(jī)的分辨率持續(xù)提高，焦平面尺寸也在不斷增大，故而調(diào)焦機(jī)構(gòu)的重量也越來(lái)越重，所以空間相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)需要有著高度的剛度與安全穩(wěn)定性。本文通過(guò)調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)焦分析，將空間相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，圍繞其調(diào)焦技術(shù)的發(fā)展、驅(qū)動(dòng)方式選取步進(jìn)電機(jī)和諧波齒輪減速器，調(diào)焦鏡直線運(yùn)動(dòng)由滾珠絲杠轉(zhuǎn)化步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，本文中設(shè)計(jì)的空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的形態(tài)相對(duì)緊湊，滿足要求。質(zhì)量較低，調(diào)焦誤差經(jīng)過(guò)分析僅為5.1 μm。滿足使用要求。

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