曹智睿，董吉洪

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033）

引言

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

已有的航天CCD相機焦面位置地面標定方法主要分為2個標定階段：第1階段，采用自準直法或五棱鏡法完成標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，調整焦面安裝平面與相機鏡頭實際焦平面大致重合。已有標定方法的2個標定階段均存在較大的標定誤差。第1階段，采用自準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，且安裝重復精度差，因此國內的研究人員常要求平行光管的焦距大于待標定航天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確重合。

為了提高航天CCD相機焦面位置的地面標定精度，同時降低標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直干涉測量原理和調制傳遞函數(shù)測量原理的航天CCD相機焦面標定方法。

1 標定原理及實施過程

新標定方法主要分為3個標定階段：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制傳遞函數(shù)實現(xiàn)相機焦面位置的精密標定。

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所示的自準直干涉光路。實際工作中干涉儀標準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與波像差測試結果中Zenike擬合多項式的第4項系數(shù)wp存在以下對應關系：

式中，F(xiàn)為平行光管相對孔徑的倒數(shù)。調整自準直干涉光路，通過監(jiān)測wp的大小，使平行光管的軸向離焦量δ小于某一預期指標要求，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定過程；δ就是平行光管焦面位置的實際標定誤差。

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直測試光路中，調整分劃板沒有分劃線的平面與干涉儀形成自準直干涉光路，并產生如圖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，并利用精密調整機構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相機焦面粗標定

航天CCD相機焦面粗標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，粗標定階段的標定光路如圖5所示。

圖5 航天CCD相機焦面粗標定光路圖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，在待標定相機鏡頭的焦面安裝網(wǎng)格板，調整平行光管和待標定相機鏡頭成圖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相機焦面的粗標定完成。

1.3 航天CCD相機焦面精標定

航天CCD相機焦面粗標定完成后，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整，以確保航天CCD相機具有最佳的成像質量，精密標定階段的標定裝置如圖6所示。

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

首先，航天CCD相機焦面的精標定需要盡可能準確地模擬待標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，因此精標定工作應在多功能的熱真空環(huán)境模擬試驗室內進行；然后，調整待標定相機與平行光管構成MTF測試光路，控制待標定相機的焦面組件連續(xù)調焦，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定工作圓滿完成。

2 標定精度分析

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定方法和已有標定方法的標定精度。

2.1 新標定方法的標定精度分析

由新標定方法的標定原理和實施過程可知，新標定方法的主要誤差來源如圖7所示。

圖7 新標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定誤差和分劃板與焦面位置的重合誤差構成。其中平行光管焦面位置標定誤差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與其所產生的航天CCD相機焦面標定誤差Δ2之間滿足下列關系，

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，但是實際標定過程中，航天CCD相機的調焦機構只能以其最小調焦分辨率為單位進行離散的焦面位置調整，因此該過程將引入一個量值不超過最小調焦分辨率的焦面位置標定誤差。通常調焦機構的最小調焦分辨率設計值可達到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定精度可優(yōu)于0.006mm。

2.2 已有標定方法的標定精度分析

已有標定方法的標定誤差同樣由平行光管分劃板安裝誤差和航天CCD相機焦面標定誤差2部分構成，不同的是已有標定方法主要依靠人眼的主觀判斷進行操作，其標定誤差更難以定量描述定量控制，標定的重復性也難以保障。由于自準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)光學測量的相關知識，利用自準直法以消視差為準標定平行光管焦面時，其極限安裝精度［5］為

式中：δ為人眼的對準誤差；Γ為平行光管與自準直目鏡組成的自準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定時，其極限安裝精度為

式中：δ為人眼的對準誤差；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：用自準直法和五棱鏡法標定平行光管，其分劃板標定誤差引起的航天CCD相機焦面標定誤差不小于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定，標定精度要求達到±0.025mm。標定選用試驗室現(xiàn)有的最大平行光管，即口徑1 000mm，焦距20m的平行光管。

標定工作的具體實施步驟如下：

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

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

圖8 標定公差分配圖Fig.8 Diagram of calibration tolerance allocation

3）設置試驗環(huán)境：標定工作在尺寸為Φ4.3m×9.2m的真空罐內進行，真空罐內溫度為20℃，氣壓為（1.3×10-3）Pa，罐內光學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相機焦面粗標定和精標定工作。

4 結論

本文所介紹的航天CCD相機焦面位置地面標定方法是一種全新的焦面位置標定方法，該方法可以定量地控制各標定環(huán)節(jié)的誤差，從而使最終的標定結果具有更高標定精度和標定重復性。以口徑1m、焦距20m的平行光管標定口徑600mm、焦距6m的航天CCD相機為例，新標定方法的標定精度優(yōu)于0.006mm，是已有標定方法標定精度的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定精度要求。而若要達到與已有標定方法相同的標定精度，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)約標定成本。

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