邵明東 ，郭 疆，孫繼明

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033)

1 引 言

測(cè)繪相機(jī)在軌飛行時(shí)必須保證其主點(diǎn)、主距的變化在允許的范圍內(nèi)，否則會(huì)造成測(cè)繪精度的下降。測(cè)繪相機(jī)原則上不允許或無(wú)需進(jìn)行在軌調(diào)焦，但相機(jī)在運(yùn)載過程中會(huì)受到?jīng)_擊、振動(dòng)、過載等影響，在軌運(yùn)行時(shí)也會(huì)受到溫度、高度、大氣壓力等變化的影響，因此會(huì)產(chǎn)生離焦現(xiàn)象［1-6］。通常在地面試驗(yàn)( 如外景成像試驗(yàn)、熱試驗(yàn)等) 需要進(jìn)行調(diào)焦才能找到最佳像面，達(dá)到試驗(yàn)的目的，因此，為了保證相機(jī)的成像質(zhì)量和研制過程的可實(shí)施性，須對(duì)測(cè)繪相機(jī)設(shè)計(jì)一套調(diào)焦機(jī)構(gòu)，使相機(jī)具有調(diào)焦功能。

本文在分析常用的3 種調(diào)焦機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了適用于離軸三反測(cè)繪相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)，計(jì)算了調(diào)焦機(jī)構(gòu)的靈敏度，并對(duì)其進(jìn)行了精度檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 調(diào)焦方式的選擇

空間相機(jī)有3 種常用的調(diào)焦方式:鏡組調(diào)焦、平面反射鏡調(diào)焦和焦面調(diào)焦［7］。

(1) 鏡組調(diào)焦: 借助于調(diào)整光焦度最小的反射鏡位置來實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。本光學(xué)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(xué)間隔有嚴(yán)格的要求，調(diào)整其中任一個(gè)鏡都會(huì)對(duì)像質(zhì)產(chǎn)生較大影響，且光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)也會(huì)隨之改變，因此不宜做調(diào)焦光學(xué)元件。

(2) 平面反射鏡調(diào)焦: 在光路中加入一平面反射鏡，用于折轉(zhuǎn)光路使光學(xué)結(jié)構(gòu)緊湊，通過調(diào)整反射鏡的前后位置實(shí)現(xiàn)焦面位置調(diào)整。但是由于離軸三反光學(xué)系統(tǒng)有離軸角，在平面反射鏡前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，主光線會(huì)在像面上產(chǎn)生移動(dòng)，即會(huì)導(dǎo)致主點(diǎn)位置的變化，其原理如圖1 所示。主點(diǎn)位置的變化量:

式中:S為調(diào)焦量，α 為傾斜角。

本相機(jī)的傾斜角約為5°，一次調(diào)焦量一般為1/4 半焦深，即S=F2λ，根據(jù)相機(jī)相對(duì)孔徑1∶9，CCD 像元尺寸為7 μm，計(jì)算一次調(diào)焦量主點(diǎn)位移情況，得:

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

在一次調(diào)焦后，主點(diǎn)位移量為1.26 pixel，遠(yuǎn)大于測(cè)繪相機(jī)主點(diǎn)幾何標(biāo)定值0.2 pixel，無(wú)法滿足測(cè)繪要求。因此，在測(cè)繪相機(jī)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮調(diào)焦機(jī)構(gòu)位置對(duì)相機(jī)主點(diǎn)的影響。

另外，在做調(diào)焦運(yùn)動(dòng)時(shí)，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)誤差也會(huì)導(dǎo)致主點(diǎn)位置的偏移，當(dāng)折疊鏡距焦平面距離為1 300 mm，調(diào)焦機(jī)構(gòu)直線度為2( ″) /mm，( 假設(shè)直線度線性變化) 全調(diào)焦行程為0.1 mm 時(shí)，計(jì)算主點(diǎn)偏移量:

調(diào)焦機(jī)構(gòu)的直線度誤差對(duì)相機(jī)主點(diǎn)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(duì)離軸三反測(cè)繪相機(jī)進(jìn)行調(diào)焦也是不可取的。

(3) 焦面調(diào)焦: 通過調(diào)整焦平面位置來實(shí)現(xiàn)像面位置的校正。只要調(diào)焦機(jī)構(gòu)沿主光線運(yùn)動(dòng)即可避免調(diào)焦對(duì)主點(diǎn)位置的影響。

綜上，為使相機(jī)總體結(jié)構(gòu)更加合理、調(diào)整方便，本文采用焦面調(diào)焦來實(shí)現(xiàn)相機(jī)的調(diào)焦功能。

3 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的要求

測(cè)繪相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的精度對(duì)相機(jī)能否找到最佳像面，相機(jī)主點(diǎn)位置的穩(wěn)定性以及測(cè)繪精度有著重要影響，因此，以上方面對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)精度提出了具體的要求。

(1) 清晰成像對(duì)調(diào)焦精度的要求［8］

根 據(jù) 計(jì) 算 公 式 ± 2F2λ，求 得 半 焦 深 為±102 μm，調(diào)焦精度應(yīng)≤±10 μm。考慮到由裝調(diào)誤差、溫度引起反射鏡曲率變化和光學(xué)零件軸向間隔誤差引起的焦距變化量，相機(jī)光軸方向的調(diào)焦行程設(shè)計(jì)為±2 mm 即可滿足調(diào)焦要求。

(2) 測(cè)繪精度對(duì)調(diào)焦精度的要求［8-9］

相機(jī)的焦距是影響測(cè)繪高程精度的主要因素，根據(jù)文獻(xiàn)［9］給定的參數(shù)，可算出焦距誤差對(duì)相對(duì)高程誤差和絕對(duì)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(duì)相對(duì)高程有較大的影響，對(duì)絕對(duì)高程定位精度影響權(quán)重更大，從而影響地面點(diǎn)的綜合絕對(duì)定位精度。若相機(jī)焦距的標(biāo)定精度要求≤±10 μm，則調(diào)焦機(jī)構(gòu)的調(diào)焦精度應(yīng)≤±3 μm。

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

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

(3) 主點(diǎn)位置穩(wěn)定性對(duì)調(diào)焦系統(tǒng)的要求

由于該測(cè)繪相機(jī)的主點(diǎn)標(biāo)定精度為±1.6 μm，設(shè)定調(diào)焦機(jī)構(gòu)的行程為±2 mm，則在該調(diào)焦行程內(nèi)要求調(diào)焦機(jī)構(gòu)的直線度＜2 μm。

4 調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)本相機(jī)的特點(diǎn)，將調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩級(jí)齒輪副傳動(dòng)和一級(jí)蝸輪蝸桿副傳動(dòng)，從而帶動(dòng)端部裝有絕對(duì)式光電軸角編碼器的滾珠絲杠副，推動(dòng)導(dǎo)軌上的滑動(dòng)部件帶動(dòng)焦平面組件沿其法線方向前后運(yùn)動(dòng)。由于蝸輪蝸桿副具有自鎖功能，故該結(jié)構(gòu)具有自鎖功能。在該結(jié)構(gòu)中選用了具有較高直線度和平行度的導(dǎo)軌和絲杠，并在裝配完成后對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定時(shí)間的反復(fù)跑合試驗(yàn)，使相應(yīng)的傳動(dòng)部件進(jìn)行磨合，以保證在使用中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的順暢性和穩(wěn)定性。調(diào)焦組件傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖和調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 調(diào)焦組件傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Transmission structure diagram of focusing device

圖5 調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of focusing mechanism

經(jīng)分析計(jì)算得到，相機(jī)焦平面組件質(zhì)量為8.6 kg，驅(qū)動(dòng)的滑動(dòng)部件質(zhì)量為1.2 kg，驅(qū)動(dòng)載荷按照10 kg 計(jì)算來選擇步進(jìn)電機(jī)。

4.2 調(diào)焦靈敏度

齒輪副和一級(jí)蝸輪蝸桿副總傳動(dòng)比i=62.5，步進(jìn)電機(jī)步距角α=0.9°，滾珠絲杠導(dǎo)程s=5 mm則步進(jìn)電機(jī)每走一個(gè)步距角，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的直線位移靈敏度為:

即步進(jìn)電機(jī)每走一個(gè)步距角，像面移動(dòng)0.2 μm。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，檢驗(yàn)其承受熱真空環(huán)境的能力，對(duì)該調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)和熱真空試驗(yàn)。

(1) 力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)

由于星載遙感器在運(yùn)載過程會(huì)受到?jīng)_擊、振動(dòng)等力學(xué)環(huán)境的影響，需對(duì)遙感器整機(jī)進(jìn)行力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)。對(duì)此調(diào)焦機(jī)構(gòu)隨同整機(jī)進(jìn)行了X、Y、Z3 個(gè)方向的正弦振動(dòng)試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，并在調(diào)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(duì)地方向，Y軸按右手定則確定。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 3 個(gè)方向的正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)Tab．1 Responses to sine vibration and random vibration in three directions

根據(jù)該星環(huán)境與可靠性通用技術(shù)條件，結(jié)構(gòu)組件在力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中正弦振動(dòng)的放大倍率＜10，隨機(jī)振動(dòng)的放大倍率＜5，表明該結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受住該振動(dòng)環(huán)境的考驗(yàn)。表1 的數(shù)據(jù)表明，該調(diào)焦機(jī)構(gòu)具備經(jīng)受該力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)的能力。

(2) 熱真空試驗(yàn)

此調(diào)焦機(jī)構(gòu)隨整機(jī)一起進(jìn)行了熱真空試驗(yàn)，溫度為13.5 ～22.5 ℃;壓力≤1.3 ×10-3Pa，試驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)焦機(jī)構(gòu)工作正常，性能穩(wěn)定。

6 調(diào)焦精度檢測(cè)

6.1 調(diào)焦步距精度檢測(cè)

在調(diào)焦機(jī)構(gòu)滑動(dòng)部件上粘貼平面反射鏡，精調(diào)光電自準(zhǔn)直儀，保證平面反射鏡法線與其光軸重合，從而檢測(cè)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的指向精度;用數(shù)字千分表打在滑動(dòng)部件的一平面處，用于檢測(cè)調(diào)焦鏡移動(dòng)量，如圖6 所示。

圖6 精度檢測(cè)圖Fig.6 Test diagram of accuracy

圖7 正向控制測(cè)試曲線Fig.7 Test curve of forward control

表2 正向控制檢測(cè)數(shù)據(jù)分析Tab．2 Analysis of test data for forward control (μm)

表3 反向控制檢測(cè)數(shù)據(jù)分析Tab．3 Analysis of test data for backward control (μm)

按步進(jìn)電機(jī)走50 步進(jìn)行一次檢測(cè)，對(duì)調(diào)焦步距設(shè)計(jì)行程進(jìn)行檢測(cè)。圖7 為電機(jī)正轉(zhuǎn)檢測(cè)100次的數(shù)據(jù)，圖8 為電機(jī)反轉(zhuǎn)檢測(cè)100 次的數(shù)據(jù)，表2 為10 組正轉(zhuǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析值，表3 為10 組反轉(zhuǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析值［10］。從結(jié)果可以看出，測(cè)試數(shù)據(jù)沒有較大誤差，調(diào)焦步距最大誤差＜3 μm，滿足調(diào)焦精度要求。

圖8 反向控制測(cè)試曲線Fig.8 Test curve of backward control

6.2 調(diào)焦指向精度檢測(cè)

圖9 水平晃動(dòng)曲線Fig.9 Curve of horizontal shake

調(diào)焦機(jī)構(gòu)的指向精度主要與導(dǎo)軌的精度有關(guān)，本結(jié)構(gòu)選用了具有較高直線度和平行度的導(dǎo)軌，有利于提高機(jī)構(gòu)的指向精度。用0.1″的自準(zhǔn)直儀對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，如圖6 所示。從圖9、圖10可以看出，在調(diào)焦行程范圍內(nèi)其水平晃動(dòng)最大值為1.1″，垂直晃動(dòng)最大值為0.8″。因此，只要在調(diào)焦機(jī)構(gòu)安裝時(shí)，將其運(yùn)動(dòng)方向與光軸方向保持一致，就能滿足主點(diǎn)位置的偏移在其誤差允許范圍之內(nèi)。

圖10 垂直晃動(dòng)曲線Fig.10 Curve of vertical shake

6 結(jié) 論

在詳細(xì)分析了3 種調(diào)焦方式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定了符合離軸三反測(cè)繪相機(jī)需要的調(diào)焦方式，設(shè)計(jì)了由渦輪蝸桿、滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌配合傳動(dòng)的調(diào)焦機(jī)構(gòu);對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了精度檢測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明: 該調(diào)焦機(jī)構(gòu)指向精度＜2″，定位精度＜3 μm，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、承載能力大、位移精度好、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性高等特點(diǎn)，能夠滿足離軸三反空間相機(jī)調(diào)焦的要求。

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