劉海英,王 躍,王 英,朱海濱,孫洪宇,姜彥名,趙漢卿

(吉林東光精密機(jī)械廠，吉林 長春 130103)

引言

航空偵察作為一種偵察手段，自產(chǎn)生以來一直是軍事偵察領(lǐng)域的重要組成部分，設(shè)計高分辨率、大視場偵察相機(jī)已經(jīng)成為航空偵察相機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。然而圖像傳感器的尺寸卻受到工藝的限制不可能做得很大，所以圖像傳感器的尺寸已成為限制相機(jī)視場的主要因素。視場拼接技術(shù)是解決大視場問題的關(guān)鍵。目前視場拼接主要有成像器件機(jī)械拼接、多鏡頭多面陣拼接和單鏡頭多面陣拼接。成像器件機(jī)械拼接就是在像面上將多片圖像傳感器緊密的排列起來，機(jī)械拼接的優(yōu)點在于采用機(jī)械拼接的相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)相對比較簡單，缺點是成像元器件成品都有封裝結(jié)構(gòu)，具有一定的幾何尺寸，實際像元大于有效像元，因此直接將2個成像芯片拼在一起中間會產(chǎn)生縫隙，在成像時產(chǎn)生拍攝盲區(qū)，丟失圖像信息。為了實現(xiàn)無縫拼接，傳統(tǒng)方法是拆除單個成像芯片封裝，將有效像元順次拼接，但這種方法工藝復(fù)雜，成本高，很少被采用。多鏡頭多面陣成像器件拼接是每片成像芯片，使用一套獨立的光學(xué)系統(tǒng)，通過物理“捆綁”構(gòu)成具有較大成像面積的等效相機(jī)系統(tǒng)，其優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，缺點是結(jié)構(gòu)龐大。單鏡頭多面陣成像器件拼接是多片成像器件使用同一套鏡頭，由多面陣成像芯片共同構(gòu)成焦平面，因此光學(xué)系統(tǒng)較為復(fù)雜，對各面陣成像芯片的安裝精度要求非常高，成像器件片數(shù)越多，裝調(diào)困難較大，光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)還要受多種因素的影響而降低。因此在設(shè)計時，要求光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)盡可能達(dá)到或接近衍射極限，還要考慮環(huán)境溫度、氣壓、高度等因素的變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響，在設(shè)計時應(yīng)采取相應(yīng)的措施消除或減弱對像質(zhì)的影響。

1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)如下：

照度范圍: 4 000 lx ～ 100 000 lx；

光譜范圍: 0.48 μm～0.75 μm；

探測器靶面尺寸：36.168 mm×24.112 mm；

像元尺寸：5.5 μm；

組合視場：20.5°×6.9°；

相對孔徑：1∶4；

全視場最大畸變：<0.5‰；

光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)：MTF≥0.5(全視場)。

1.2 焦距的確定

光學(xué)系統(tǒng)焦距長短要根據(jù)地面分辨率指標(biāo)要求確定。垂直型航空相機(jī)地面分辨率指標(biāo)RG、航拍高度H、選用的CCD芯片像元尺寸d及焦距之間的關(guān)系可根據(jù)下式確定：

(1)

式中：f′為相機(jī)焦距；RG為地面分辨率；n為像元數(shù)；H為飛行高度；d為像元尺寸。

依據(jù)產(chǎn)品裝調(diào)水平、系統(tǒng)使用環(huán)境及設(shè)計經(jīng)驗，一般n在1.5～3之間選擇。

從公式(1)可以看出，相機(jī)地面分辨率與鏡頭焦距、像元尺寸、像元數(shù)有關(guān)。增大鏡頭焦距，相機(jī)重量隨之增加；而減小像元尺寸會導(dǎo)致成像靈敏度降低，因此確定系統(tǒng)焦距時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及使用條件綜合考慮。

1.3 視場角的確定

光學(xué)系統(tǒng)視場角的大小由物鏡焦距和接收器件的尺寸決定。單片成像芯片成像不滿足視場角要求，為了擴(kuò)大視場，采用雙片成像器件進(jìn)行拼接。視場角計算公式為

(2)

式中:ω為半視場角；y′為CCD器件1/2尺寸；f′為鏡頭焦距。

光學(xué)系統(tǒng)成像組件拼接視場示意圖如圖1所示，拼接后的視場角可以增加近1倍。單片成像芯片視場10.36°×6.9°，雙片成像芯片拼接后的視場20.5°×6.9°。

圖1 拼接視場示意圖Fig.1 Schematic diagram of splicing field

1.4 光學(xué)組件結(jié)構(gòu)形式

光學(xué)組件由窗口玻璃、地物反射鏡、攝影物鏡、像方反射鏡、分光棱鏡、像面等組成。為減小相機(jī)外形尺寸，反射鏡采用折疊光路，最后一片透鏡用于內(nèi)調(diào)焦。采用雙高斯準(zhǔn)對稱結(jié)構(gòu)形式校正軸外像差，如彗差、垂軸色差、畸變等，用厚透鏡校正像散、場曲。為了避免膠合鏡在膠合過程中對面型的影響，設(shè)計中將膠合鏡分離為單透鏡，這樣有利于成像質(zhì)量的提高，并且減少了膠合工序。單透鏡材料選用折射率較高、色散較小、工藝性較好的玻璃。在滿足系統(tǒng)校正軸外像差要求的同時，很好地校正了系統(tǒng)的帶球差、二級光譜、位置色差等，保證軸上點和軸外點沒有太大的差別，使整個視場內(nèi)成像質(zhì)量比較均勻，以利于提高整個系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。地面景物光線通過光學(xué)窗口、地物反射鏡進(jìn)入成像物鏡，再通過折疊光路的像方反射鏡及分光鏡分別成像在大面陣CCD1靶面和CCD2靶面上，通過光學(xué)拼接形成一幅拼接圖像，從而擴(kuò)大視場。通過光電轉(zhuǎn)換，實時獲取圖像信息。

圖2 光學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of optical system

2 光學(xué)系統(tǒng)3種工作模式

通過地物反射鏡的3種工作模式，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)垂直照相、自動對焦及像移補(bǔ)償功能。

2.1 垂直拍照模式

如圖2所示，地物反射鏡位于位置Ⅰ時，地物反射鏡與光軸成45°放置。此工作模式用于相機(jī)垂直拍照。相機(jī)可在此模式下，完成航空拍照，并將圖像存儲在記錄器中或?qū)崟r傳至地面控制站，供圖像判讀使用。

2.2 基于圖像處理的自準(zhǔn)值自動對焦模式

如圖2所示，地物反射鏡位于位置Ⅱ時，地物反射鏡與光軸成90°放置，此工作模式用于相機(jī)自動對焦。航空照相，由于溫度、大氣壓力和照相距離等環(huán)境因素變化的影響，會造成相機(jī)焦面位置前后移動，產(chǎn)生離焦。離焦使像點在成像模塊上形成彌散圈，造成影像模糊，分辨率下降。本光學(xué)系統(tǒng)采用基于圖像處理的自準(zhǔn)值自動調(diào)焦方法，自動調(diào)焦原理如圖3所示。

圖3 自準(zhǔn)直自動對焦原理圖Fig.3 Schematic diagram of auto-collimation and auto-focusing

鑒別率板與成像模塊光敏面共面，且垂直于光軸，內(nèi)置分辨率板圖像，光線通過相機(jī)物鏡后，經(jīng)過反射鏡反射回來，再次經(jīng)過相機(jī)物鏡，成像在成像模塊光敏面上，由控制系統(tǒng)對成像模塊接收到的數(shù)字圖像，計算清晰度函數(shù)，控制系統(tǒng)內(nèi)調(diào)焦透鏡向前后移動，直至清晰度函數(shù)值最大，將物鏡離焦量控制到最小。最后，根據(jù)高度信息對由拍攝距離變化引起的離焦量加以修正。這種調(diào)焦方式可以修正大氣壓力、溫度等變化及沖擊、振動引起的結(jié)構(gòu)變形等因素引起的離焦，通過調(diào)節(jié)內(nèi)調(diào)焦鏡的位置，使外景在成像模塊感光面上清晰成像。

2.3 像移補(bǔ)償模式

如圖2所示，地物反射鏡位于位置Ⅲ時，通過控制地物反射鏡旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角速度實現(xiàn)航空拍照像移補(bǔ)償。利用旋轉(zhuǎn)反射鏡進(jìn)行像移補(bǔ)償?shù)幕驹砣鐖D4圖所示。

圖4 像移補(bǔ)償原理Fig.4 Schematic diagram of forward image motion compensation

圖4(a)中A點經(jīng)反射鏡及鏡頭成像在a，在相機(jī)曝光時間內(nèi)，由于飛行的運動，景物A相對于飛機(jī)運動到了A′,像點運動到了a′,造成了影像位移。如果在快門曝光的同時，旋轉(zhuǎn)反射鏡，只要反射鏡轉(zhuǎn)動的角速度適當(dāng)，則可以使像點a相對靜止不動。反射鏡旋轉(zhuǎn)方向如圖4(b)，當(dāng)反射鏡旋轉(zhuǎn)使像點產(chǎn)生的補(bǔ)償速度(VIMC)大小等于像移速度而方向與之相反時，即影像靜止不動，從而達(dá)到像移補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

3 物鏡設(shè)計結(jié)果

物鏡設(shè)計結(jié)果如圖5～圖9所示。

圖5 系統(tǒng)MTFFig.5 FFT MTF

圖6 點列圖Fig.6 Spot diagram

圖7 全視場MTFFig.7 Full field of view MTF

圖8 離焦MTFFig.8 Off-focus MTF

圖9 場曲和畸變Fig.9 Field curvature and distortion

由圖5數(shù)據(jù)可以得出：衍射極限MTF=0.703 6(91 lp/mm)，視場中心MTF=0.663，全視場MTF=0.576。

由圖6數(shù)據(jù)可以得出：艾里斑直徑為5.98 μm，設(shè)計結(jié)果中點列圖0.7ω內(nèi)RMS均小于艾里斑直徑，1ω小于1個像素，成像質(zhì)量較好。

由圖7設(shè)計數(shù)據(jù)得出：物鏡在全視場范圍內(nèi)成像質(zhì)量一致。由圖8設(shè)計數(shù)據(jù)得出：鏡頭在最佳焦面前后離焦±0.04 mm時，MTF在0.5以上，說明MTF在最佳焦面前后變化很緩慢，設(shè)計結(jié)果有利于鏡頭裝配調(diào)試，環(huán)境適應(yīng)性大。

由圖9數(shù)據(jù)可以得出：全視場最大畸變<0.5‰，滿足指標(biāo)要求。

從上述曲線和數(shù)據(jù)可以看出，鏡頭中心光學(xué)傳遞函數(shù)值與鏡頭的衍射極限傳遞函數(shù)值比較接近，子午視場和弧矢視場的光學(xué)傳遞函數(shù)基本吻合，整個視場內(nèi)成像質(zhì)量比較均勻，系統(tǒng)成像質(zhì)量好。由設(shè)計結(jié)果可知，設(shè)計的攝影物鏡MTF≥0.5(全視場)，滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求。

4 系統(tǒng)消熱差設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)在-40℃～+60℃溫度范圍內(nèi)工作，如此大的溫度變化會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)鏡片的厚度、間隔、曲率半徑以及光學(xué)材料的折射率發(fā)生改變。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的焦點隨溫度、氣壓變化漂移，嚴(yán)重影響成像性能。為了使系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性更好，本系統(tǒng)采用一種全新的基于圖像處理的自準(zhǔn)直自動對焦方法，進(jìn)行系統(tǒng)的消熱差。

自準(zhǔn)直自動對焦原理圖如圖3所示。每次照相前，相機(jī)自動對焦伺服系統(tǒng)首先要進(jìn)行校準(zhǔn)，以便確定相機(jī)開始照相之前相機(jī)的焦距。這時的相機(jī)焦距不同于相機(jī)所標(biāo)定的焦距，相機(jī)標(biāo)定的焦距是相機(jī)出廠時在規(guī)定的環(huán)境條件下(即一定的大氣壓力和環(huán)境溫度)測得的，而照相前由于相機(jī)的環(huán)境條件改變，所以焦距不同。這種校準(zhǔn)叫做對無窮遠(yuǎn)調(diào)焦。校準(zhǔn)時，反射鏡與相機(jī)鏡頭的主光軸垂直，同時自動對焦燈照亮光柵標(biāo)板，光柵標(biāo)板的影像通過鏡頭再由反射鏡反射到光電聚焦傳感器上，通過對拍攝到的反射鏡返回圖像進(jìn)行分析處理，計算清晰度函數(shù)后獲取離焦信息，然后將離焦信息提供給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)控制伺服電機(jī)驅(qū)動調(diào)焦機(jī)構(gòu)調(diào)整內(nèi)調(diào)焦鏡位置對相機(jī)進(jìn)行調(diào)焦，再次拍攝圖像以檢查調(diào)焦結(jié)果，直到調(diào)至最佳焦面位置，從而實現(xiàn)自動對焦。

圖10 自動調(diào)焦MTF(航高5 000 m，溫度-17.5℃ ，氣壓0.53 Pa)Fig.10 Automatic focusing MTF(altitude of 5 000 m, temperature of -17.5℃, air pressure of 0.53 Pa)

與傳統(tǒng)自準(zhǔn)直調(diào)焦系統(tǒng)相比，其優(yōu)點為：以CCD器件自身作傳感器，直接閉環(huán)測控，調(diào)焦精度高；不需增加額外的測試手段，有利于減小系統(tǒng)體積和質(zhì)量，提高可靠性，適應(yīng)性強(qiáng)，與其他調(diào)焦方法相比更適合航空相機(jī)實現(xiàn)自動對焦。圖10和圖11為不同條件下自動調(diào)焦MTF。

圖11 自動調(diào)焦MTF(航高 8 000 m，溫度-37.5℃ ，氣壓0.35 Pa)Fig.11 Automatic focusing MTF(altitude of 8 000 m, temperature of -37.5℃, air pressure of 0.35 Pa)

5 拍攝效果

利用該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的航空相機(jī)進(jìn)行實驗室動態(tài)檢測及航拍試驗，測試指標(biāo)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。圖12為實測物鏡MTF，圖13為試驗室內(nèi)測試動態(tài)分辨率靶標(biāo)圖。測試條件為模擬飛機(jī)航高6 000 m，航速為700 km/h的運動。圖14為外景航拍試驗靶標(biāo)圖，測試條件為飛機(jī)飛行高度為3 044 m，飛行速度為387 km/h。

圖12 實測物鏡MTFFig.12 Measured objective MTF

圖13 試驗室內(nèi)測試動態(tài)分辨率靶標(biāo)圖 Fig.13 Dynamic resolution target map for laboratory testing

圖14 外景航拍試驗靶標(biāo)測試圖Fig.14 Testing chart of target for exterior aerial photography test

6 結(jié)論

大視場航空相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，采用雙高斯準(zhǔn)對稱結(jié)構(gòu)形式，通過雙成像模塊光學(xué)拼接擴(kuò)大視場角，調(diào)整最后一片透鏡實現(xiàn)內(nèi)置自動調(diào)焦，控制地物反射鏡實現(xiàn)垂直照相、自動調(diào)焦及前向像移補(bǔ)償3種功能模式的轉(zhuǎn)換。該光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)了全視場無漸暈,在91 lp/mm處MTF接近衍射極限，物鏡在全視場范圍內(nèi)成像質(zhì)量一致。通過實驗室及室外航拍試驗驗證，該光學(xué)系統(tǒng)滿足設(shè)計指標(biāo)要求。