（北京空間機電研究所，北京 100094）

引言

近年來，隨著光學遙感技術的快速發(fā)展，為滿足海岸帶超寬視場和高分辨率的動態(tài)監(jiān)測需求，超寬視場離軸光學系統已成為空間光學遙感器的重要發(fā)展趨勢[1]。離軸光學系統具有更多設計自由度，可消除軸外像差，具有更加優(yōu)異的性能，能實現更大視場范圍內各性能達到指標，滿足相機大幅寬的要求。

本文介紹的某海岸帶成像儀相機采用兩臺超寬視場離軸光學系統，單臺光學系統視場角為32?×1.3°，相機存在弧形畸變且畸變較大。光學設計最大相對畸變＜4%，相機畸變和線陣平行性不一致，都將直接導致最終兩臺相機圖像的拼接質量，因此開展畸變一致性裝調校正十分必要。

目前國內外現有的計算機輔助光學系統裝調技術都是通過光學零件裝調，使得RMS 波像差最小[2]，而并不以畸變作為評價指標，傳統裝調方法在鏡頭裝調階段難以開展有效的畸變均衡校正。

1 畸變一致性校正技術

1.1 全鏈路畸變仿真計算

在計算機輔助裝調的方式中，其中常用的一種方式為“反向優(yōu)化法”[2-3]，對系統進行失調仿真，將設計好的理論系統人為加入失調，建立起系統失調狀態(tài)的模型庫，得到各鏡偏轉方向與像質、視軸、畸變的多變量全鏈路仿真計算[4]，從而指導離軸光學系統鏡頭階段像質和畸變的均衡校正調整。

將主鏡、次鏡和三鏡各項最大公差輸入到CODEV 光學設計軟件中，選取初級像差作為校正對象進行仿真，計算離軸三反光學系統在不同偏心、傾斜量值下出瞳面的像差和相對畸變[5-7]。圖1列出了各反射鏡（主鏡、次鏡和三鏡）和失調量對三階像差的影響，如彗差、像散和畸變值的變化。

圖1 各反射鏡失調量對三階像差和畸變的影響Fig.1 Influence of mirror misalignment on third-order aberration and distortion

由于該系統畸變?yōu)榛⌒?，仿真計算分析主鏡傾斜和平移對像散、彗差和絕對畸變值的影響，如表1所示。

表1 主鏡失調量對像差和畸變的影響Table1 Influence of primary mirror misalignment on aberration and distortion

從圖1和表1可以看出，主鏡對像散影響較小，但對畸變影響較大，而次鏡和三鏡對像差影響較大。因此，通過次鏡和三鏡對光學系統波像差進行校正，通過主鏡Tx和Ty對光學系統畸變進行校正。

1.2 高精度畸變測量

以往的畸變測量方法如精密測角法[8]等受人文因素影響較大，測量結構不穩(wěn)定[9]。本文結合工作實踐，采用干涉儀、光電自準直儀和激光跟蹤相結合的光學系統畸變測量方法[10-11]，并根據實際測量值對鏡頭畸變進行一致性裝調校正。圖2給出了利用干涉儀、光電自準直儀、激光跟蹤儀和跟蹤儀靶球搭建的測量光路。

圖2 測量光路示意圖Fig.2 Schematic of measuring optical path

該方法利用干涉儀接收到的光波波前power值對球面反射鏡位置非常敏感的特性，并結合激光跟蹤儀的空間幾何量精密測量，可精確測量光學系統軸上和軸外視場的像高，并結合光電自準直儀的精密測角，可實現光學系統焦距的高精度測量。測試步驟如下：

1） 首先利用干涉儀建立光學系統軸上視場和軸外視場的波前測試光路；

2） 跟蹤靶球放置在光學系統焦面位置，調整靶球使得干涉條紋成為零條紋，使用跟蹤儀記錄靶球的空間位置（x1，y1，z1），使用光電自準直儀測量干涉儀平面反射鏡的法線角度值（h1，v1）；

3） 將干涉儀偏轉一定的角度（約0.2°），記錄跟蹤儀靶球的空間位置（x2，y2，z2）和干涉儀平面反射鏡的法線角度值（h2，v2）；

根據兩次記錄的跟蹤儀靶球的空間位置和干涉儀平面反射鏡的法線角度值，按（1）式和（2）式可計算得出被測光學系統的焦距值為

式中：f為被測光學系統焦距；d為跟蹤儀靶球的空間位置變化量；θ為干涉儀平面反射鏡的法線角度變化量。

4） 絕對畸變[12]在數值上是以理論像高h和主光線與理想像面相交的實際像高H之差表示

相對畸變值q′表示了光學系統不同視場下焦距值的不同。

2 實際裝調

某海岸帶離軸光學系統沿線陣方向（X方向）的畸變較大[13]，且垂直線陣方向（Y方向）存在弧形畸變。該相機線陣方向（X方向）最大相對畸變設計值為3.729%，邊緣視場在Y方向的畸變約為1.9 mm，如圖3所示。

圖3 光學系統畸變圖Fig.3 Distortion grid of optical system

該相機CCD 光敏區(qū)寬度為2.2 mm，CCD 器件在成像區(qū)域中的位置如圖3所示，要求（0°，0°）中心視場在焦面上的像點與焦面B4 譜段下邊緣距離0.5 mm，（16°，1.3°）和（?16°，1.3°）邊緣視場在焦面上的像點與焦面B1 譜段上邊緣距離0.6 mm，如圖4所示。

圖4 CCD 器件在成像區(qū)域中的位置Fig.4 Position of CCD device in imaging region

為了使得CCD 焦面放置在整個成像區(qū)域的中心位置，同時還要求兩臺相機的焦面線陣平行性優(yōu)于1'，這就要求鏡頭在系統精密裝調階段對弧形畸變進行一致性校正調整。

首先，根據自準干涉測量得到超寬視場離軸光學系統軸上和軸外各視場的波像差，使用計算機輔助裝調求解出光學系統失調量，求得三鏡和次鏡自由度的變量值和方位進行像質精密調整，測試光路如圖5所示。

圖5 裝調測試現場Fig.5 Adjustment and test site

其次，根據高精度畸變測試系統進行畸變測量，干涉儀的偏轉角度和跟蹤儀靶球的空間位置變化量按（1）式得到光學鏡頭邊緣視場的焦距，從而獲得鏡頭絕對畸變曲線。通過自編軟件解算主鏡的傾斜量作為自變量進行優(yōu)化計算，使得弧形視場兩邊視場的絕對畸變差值最小。通過對鏡頭畸變進行2次迭代調整和測試，最終鏡頭畸變校正前后的曲線測試如圖6所示。

圖6 絕對畸變校正前后曲線對比Fig.6 Comparison of curves before and after absolute distortion correction

最后，再通過三鏡的傾斜量對鏡頭像質進行補償調整[14-15]。最終，波長為632.8 nm的各個視場波像差平均值滿足了光學系統成像質量的要求。

工程中對兩臺超寬視場離軸光學系統進行了實際畸變裝調校正，兩臺相機最終的最大相對畸變和波像差值如表2所示。

表2 兩臺相機測試結果Table2 Test results of two cameras

兩臺相機最后相對畸變控制一致性精度優(yōu)于0.1%，全視場平均波像差都滿足指標要求。

3 結論

本文開展了兼顧像質和畸變的多變量全鏈路仿真，建立了高精密畸變測量系統，實現了超寬離軸光學系統畸變補償的交互迭代調整。實驗結果表明，該方法測量精度高，具有較高的重復性和實用性。