一种离轴三反相机焦面装调的方法
【专利摘要】本发明属于航天光学遥感器【技术领域】，涉及一种离轴三反相机焦面装调的方法。离轴三反相机对焦面装调有着严格的要求，既要保证相机焦面各视场的无穷远共面性，保证相机焦面组件中CCD器件的两端在同一水平面内，还要保证相机CCD器件的中心与卫星基准在误差范围内。特别是对于离轴三反系统，其成像CCD器件的位置与焦面安装面存在一定的倾斜角度，在对上述一种装配需求进行调整时，其它两指标的结果也会进行相应变化，使得满足以上要求更加困难。介绍了一种通过仿真预估指导焦面装调的方法，并对方法中的关键技术进行了阐述，最后在离轴三反相机上对该方法进行验证，实现了相机焦面的高精度装配要求。
【专利说明】一种离轴三反相机焦面装调的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天光学遥感器【技术领域】，涉及一种离轴三反相机焦面装调的方法，应用于航天光学。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展，对航天遥感测绘相机的分辨率要求越来越高，并且也希望其视场尽可能的宽。由于大孔径折射和折反式光学系统都需采用特殊光学材料或复杂的结构来消二级光谱，使其应用受到一定的限制。而反射光学系统由于具有不产生色差，适用于宽光谱成像；光路可折叠，便于缩短筒长使结构紧凑；各反射面可采用非球面，利于提高像质和减少零件数，实现系统轻量化；对温度变化不敏感，同时具有空气中和真空中焦面位置一致等特性，而特别适用于空间环境。离轴三反光学系统易于设计成长焦距兼大视场，并且无中心遮拦，因此成为航天遥感测绘相机的发展热点和趋势。本发明就离轴三反相机焦面装调技术进行了讨论。[0003]离轴三反相机的光路简图如图3所示，其中焦面主要装调难点为焦面与其装调水平面存在夹角θ，使得其装调难度加大。空间卫星对相机的焦面装调有着严格的要求，对于相机的焦面装调精度要求CCD器件线阵安装于相机的无穷远焦面位置，CCD器件的左右两端离无穷远焦面的装配误差小于P ;CCD器件线阵左右两端不水平度测试精度优于1'；相机视轴在水平面和竖直面内的投影与卫星基准偏差不大于3，。对于离轴三反系统，其焦面位置与安装平面存在一定的倾斜角度，使得上述三个装配要求相互关联，即按照其中一个要求进行装调时，其他两指标的结果同时变化，因此依照传统的装配方法很难满足，需要装配时三种要求进行整体考虑。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足，提出一种离轴三反相机焦面装调的方法，解决离轴三反相机的焦面装调问题。针对离轴三反相机的特点，本发明提出了一种通过仿真分析辅助焦面装调测试的方法，具体由相机的基准转换、仿真辅助装调两个部分组成。
[0005]本发明的技术解决方案:一种离轴三反相机焦面装调的方法，其特征在于由基准转换阶段和仿真辅助装调阶段配合完成，所述基准转换阶段实现步骤如下:
[0006]步骤(1)建立平行光管坐标系，用平行光管的光轴方向代表卫星的+Z方向，平行光管竖直向上的方向代表卫星+X方向，平行光管水平面与+Z垂直的方向为卫星的+Y方向，三个方向符合右手定则；
[0007]步骤(2)中建立相机坐标系(V -V Y' V，用粘在相机上的立方镜的法线引出，具体坐标方向如图2所示。其中沿光轴方向为Z'轴，竖直向上为X'轴，水平方向与Z'轴垂直为Y'轴，三个方向符合右手定则。通过已知的卫星与相机立方镜的矩阵推算出相机+Z'在卫星坐标系YOZ平面的投影Z"与+Z方向的水平夹角TIzra〃、相机+Z'与其在卫星坐标系Y0Z平面的投影Z"的竖直夹角nz, 和相机+Y'与其在卫星坐标系Y0Z平面 的投影Y"与+Y方向的竖直夹角nY, ，式中nYMZ,嫌为+Y卫星与+Z'相机之间的夹 角，n ZMZ, #机为+z卫星与+z'相机之间的夹角，n XMZ, #机为+x卫星与+z'相机之间 的夹角，n XMY,嫌为+x卫星与+y'相机之间的夹角：
[0008]II Z0Z" =atan (cos (II Y卫星z,相机）/cos (II z 卫星z,相机））
[0009]n z, oz" =90 _ n x卫星z,相机
[0010]n Y, oy" =90 _ n x 卫星 相机
[0011]步骤（3)利用经纬仪瞄准平行光管，将平行光管光轴的竖直角度调整为90°，水 平角度调整为0，再根据步骤（2)中所得夹角调整相机与平行光管之间的关系，使之和相机 与卫星之间的角度关系相匹配，以上基准转换阶段结束；
[0012]所述仿真辅助装调阶段实现步骤如下：
[0013]步骤（4)根据步骤（3)中将相机和平行光管调整好位置后，利用平行光管的传函 靶标计算出相机的无穷远焦面位置，调整相机的焦面组件的垫片厚度，保证焦面组件中的 CCD器件（CCD器件是相机的电荷耦合器件）位于相机的最佳焦面位置处，并且根据平行光 管的靶标在CCD器件上的成像位置调整焦面组件与镜头的相对位置，使平行光管靶标成像 在CCD器件的位置能够满足相机视轴在水平面和竖直面内的投影与卫星Z方向偏差不大于 3'；
[0014]步骤（5)利用ProE仿真软件画出步骤（4)调整后的相机焦面组件中（XD器件和 垫片的相对位置，其中需画两组位置大小相同的垫片，其中一组垫片位置不动，作为原始基 准，另外一组垫片变化位置，作为调整基准，以便于将变化后的垫片位置与未变化的垫片位 置进行比对；
[0015]步骤（6)根据步骤（5)得到的相机焦面组件中（XD器件和垫片的相对位置，以相机 的光轴方向为Z轴，相机的CCD器件线阵方向为Y轴，根据右手定则做出一个坐标系0-XYZ， 使得CCD器件和垫片这一组合体绕Z轴旋转时可以保证旋转后相机的CCD器件在相机的共 焦面位置不变。再以垂直于相机底面方向为Z'轴，任意水平方向为Y'轴重新设定一个坐 标系 O' -V Y' V ；
[0016]步骤（7)根据步骤（6)建立的两个坐标系，在坐标系O' -V V V中测量(XD 器件两端沿Z'轴方向是否高度一致，若不一致则绕步骤（6)中建立的坐标系0-XYZ的Z轴 旋转CCD器件和一组垫片的组合体，旋转至CCD器件两端高度一致后，测量此时旋转后的垫 片与原垫片位置的高度差，从而指导相机垫片厚度的调整，进而完成相机焦面的装调。
[0017]本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0018](1)离轴三反光学系统易于设计成长焦距兼大视场，并且无中心遮拦，因此成为航 天遥感测绘相机的发展热点和趋势，其相机焦面不同于以往与其装调水平面平行的装调 方法，而焦面与其装调水平面存在夹角成为主要装调难点，这必将对相机焦面的装调的方 法提出更高的要求。
[0019](2)本发明利用平行光管的坐标系代替卫星坐标系，使得测试相机与平行光管之 间的角度关系即可得到相机与卫星的角度关系。
[0020](3)本发明利用仿真的方法辅助装调，不需要对相机装调进行多次实验，只需将相 机状态进行仿真旋转，即可得到相机需调整的参数，大大提高装调效率。[0021](4)本发明实现了相机CXD器件线阵安装于相机的无穷远焦面位置，CXD器件的左右两端离焦装配误差小于P ;CCD器件线阵左右两端不水平度测试精度优于I';相机视轴在水平面和竖直面内的投影与卫星基准偏差不大于3'的装配精度要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明流程图；
[0023]图2为相机、平行光管位置摆放示意图；
[0024]图3为相机焦面装调初始仿真示意图；
[0025]图4为相机焦面装调仿真示意图。
【具体实施方式】
[0026]本发明的基本思路为:利用坐标转换的方法将卫星的坐标系转换至平行光管的坐标系中，实现相机与卫星角度关系的实时调整。又对相机焦面垫片的实际位置进行仿真分析和坐标旋转实现离轴三反相机的高精度焦面装调。
[0027]如图1所示:本发明一种离轴三反相机焦面装调的方法所采用的技术方案实现步骤，由基准转换阶段和仿真辅助装调阶段配合完成，所述基准转换阶段实现步骤如下:
[0028]步骤(1)如图2所示，其中I表示三反离轴相机，2代表平行光管，3代表照明光源，4代表相机成像系统，5代表相机测试时所用转台，6代表隔振地基。测试时建立平行光管坐标系，平行光管的光轴 方向代表卫星的+Z方向，竖直向上的方向为卫星的+X方向，水平面与+Z垂直的方向为卫星的+Y方向，三个方向符合右手定则；
[0029]步骤(2)中建立相机坐标系(V -V V V，用粘在相机上的立方镜的法线引出，具体坐标方向如图2所示。其中沿光轴方向为Zi轴，竖直向上为y轴，水平方向与Zi轴垂直为y轴，三个方向符合右手定则。通过已知的卫星与相机立方镜的矩阵推算出相机+Z'在卫星坐标系YOZ平面的投影Z"与+Z方向的水平夹角TIzra〃、相机+Z'与其在卫星坐标系YOZ平面的投影Z"的竖直夹角nz, 和相机+Y'与其在卫星坐标系YOZ平面的投影Y"与+Y方向的竖直夹角!^, ，式中ΠΥΜΖ, 嫌为+Y卫星与+Z'相机之间的夹角，Π ζΜζ, #机为+Z卫星与+Z'相机之间的夹角，Π χΜζ, #机为+X卫星与+Z'相机之间的夹角，Π XMY,嫌为+X卫星与+Y'相机之间的夹角:
[0030]Π zoz" =atan (cos (TI y卫星z'相机)/cos (TI z 卫星r 相机))
[0031]TI z, οζ" =90 _ Π x卫星z,相机
[0032]TI y, ου" =90 - Π χ 卫星 y? 相机
[0033]步骤(3)利用经纬仪瞄准平行光管，将平行光管光轴的竖直角度调整为90°，水平角度调整为0，再根据步骤(2)中所得夹角调整相机与平行光管之间的关系，使之和相机与卫星之间的角度关系相匹配，以上基准转换阶段结束；
[0034]所述仿真辅助装调阶段实现步骤如下:
[0035]步骤(4)根据步骤(3)中将相机和平行光管调整好位置后，利用平行光管的传函靶标计算出相机的无穷远焦面位置，调整相机的焦面组件的垫片厚度，保证焦面组件中的CCD器件位于相机的最佳焦面位置处，并且根据平行光管的靶标在CCD器件上的成像位置调整焦面组件与镜头的相对位置，使平行光管靶标成像在CCD器件的位置能够满足相机视轴在水平面和竖直面内的投影与卫星Z方向偏差不大于3'；
[0036]步骤(5)利用ProE仿真软件画出步骤(4)调整后的相机焦面组件中CXD器件和垫片的相对位置，如图3所示，其中7和8为画出的两组位置大小相同的垫片，其中垫片7位置不动，作为原始基准，垫片8在仿真中变化位置，作为调整基准，以便于将变化后的垫片8位置与未变化的垫片7位置进行比对，从而得到焦面组件垫片的调整量，其中9为焦面组件中CXD器件的位置；
[0037]步骤(6)根据步骤(5)得到的相机焦面CXD器件和垫片的相对位置，如图4所示，以相机的光轴方向为Z轴，相机的CCD器件线阵方向为Y轴，根据右手定则做出一个坐标系O-XYZ,使得CCD器件和垫片这一组合体绕Z轴旋转时可以保证旋转后相机的CCD器件在相机的共焦面位置不变。再以垂直于相机底面方向为Z'轴，任意水平方向为Y'轴重新设定一个坐标系O' -V Y' I'；
[0038]步骤(7)根据步骤(6)中建立的两个坐标系，在坐标系O' -V V V中测量CCD器件两端沿V轴方向是否高度一致，若不一致则绕步骤(6)中建立的坐标系O-XYZ的Z轴旋转CCD器件和垫片8的组合体，旋转至CCD器件两端高度一致后，测量此时垫片8与原垫片7位置的高度差，如图4所示，从而指导相机垫片厚度的调整，进而完成相机焦面的装调。
[0039]本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
【权利要求】
1.一种离轴三反相机焦面装调的方法，其特征在于由基准转换阶段和仿真辅助装调阶段配合完成，所述基准转换阶段实现步骤如下: 步骤(1)建立平行光管坐标系，用平行光管的光轴方向代表卫星的+Z方向，平行光管竖直向上的方向代表卫星+X方向，平行光管水平面与+Z垂直的方向为卫星的+Y方向，三个方向符合右手定则； 步骤(2)中建立相机坐标系(V -V V V，用粘在相机上的立方镜的法线引出，其中沿光轴方向为Z'轴，竖直向上为Y'轴，水平方向与Z'轴垂直为Y'轴，三个方向符合右手定则，通过已知的卫星与相机立方镜的矩阵推算出相机+Z'在卫星坐标系YOZ平面的投影Z"与+Z方向的水平夹角TIzra〃、相机+Z'与其在卫星坐标系YOZ平面的投影Z"的竖直夹角112, W和相机+Y'与其在卫星坐标系YOZ平面的投影Y"与+Y方向的竖直夹角Π Y', οY'〃，式中Π Y'卫星z,相机为+Y卫星与+Z'相机之间的夹角，Π z卫星z,相机为+Z卫星与+Z'相机之间的夹角，Π 相机为+X卫星与+Z'相机之间的夹角，Π 相机为+X卫星与+Y'相机之间的夹角:
【文档编号】G03B43/00GK103869595SQ201410060916
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】马丽娜, 张继友, 蔡伟军, 王东杰 申请人:北京空间机电研究所