CN103278179A

CN103278179A - 空间相机场曲检测装置及检测方法

Info

Publication number: CN103278179A
Application number: CN2013101800300A
Authority: CN
Inventors: 钟兴; 金光; 张元�; 刘春雨; 王天聪; 孔令胜
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: CN103278179B

Abstract

空间相机场曲检测装置及检测方法，涉及空间光学遥感领域，该装置包括大口径标准镜头；接收大口径标准镜头平行光且位于其下端的空间相机；其下表面位于大口径标准镜头焦面位置的光学引擎；与光学引擎相连的Z方向微位移平台；与Z方向微位移平台相连的数据处理显示及同步控制***；与数据处理显示及同步控制***相连的30个光学探头和XY方向微位移调节架，30个光学探头安装在XY方向微位移调节架上以三行十列排布；其上表面位于空间相机焦面位置的平板，30个光学探头位于平板的下端；分别固定在平板两端的两个Z方向调节支座。本发明测量、计算误差小，有效地解决了空间相机场曲的检测问题。

Description

空间相机场曲检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及空间光学遥感技术领域，具体涉及一种空间相机场曲检测装置及检测方法。

背景技术

在空间相机的研制中，光学元件的安装位置误差将引起场曲，场曲破坏像面清晰度的一致性，因此，场曲是空间相机研制过程中需要严格控制的像差。

目前在空间相机计算机辅助装调和波像差检验过程中，最常采用的是基于干涉仪的自准直检验方法，由于空间相机光学***的焦点和干涉仪标准镜的焦点难以精确地重合，因此，波像差拟合过程中离焦一般作为***误差将被去除（各个视场均如此），这样做带来的问题是：即使每个视场波像差都很好，也无法证明这些视场的像点共面，也就是说，光学***的场曲是无法有效检测的，在空间相机的成像过程中，一旦光学***中残留场曲，将会出现局部的图像不清晰现象，大大影响空间相机的使用性能，而在现有条件下，想要消除光学***中的场曲，必须在焦平面安装完成后，对各个位置的静态传函进行测试，若发现有场曲，必须先将焦平面拆卸再进行安装，并重新调整反射镜的位置，效率十分低下。

中国专利（公开号为102540751A，公开日为2012.07.04）公开了“一种检测投影物镜畸变和场曲的方法”，利用一9×9针孔掩模板、一波前传感器和一干涉仪测量组件，对物镜的场曲和畸变进行测量，这种方法利用波前探测器探测焦距为f的被测物镜经一准直光路后的出射波的曲率半径R，利用近似公式△z=-f²/R计算出场曲△z，这种方法主要存在的问题是：因为波前探测器测量出的曲率半径R是拟合数据，不能够剥离离焦造成的测量误差，而计算场曲△z则利用的是近似公式△z=-f²/R，造成场曲的计算误差，不能有效地拟合出空间相机的场曲曲线，这对于空间相机的场曲测量是绝对不允许的，因此该方法不能有效地解决空间相机的场曲检测问题。

发明内容

为了解决现有一种检测投影物镜畸变和场曲的方法存在的不能有效地检测空间相机场曲的问题，本发明提供一种测量误差小、计算精度高空间相机场曲检测装置及其检测方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

空间相机场曲检测装置，包括：

大口径标准镜头；

接收来自所述大口径标准镜头的平行光且位于其下端的空间相机；

其下表面位于所述大口径标准镜头焦面位置的光学引擎；

与所述光学引擎相连的Z方向微位移平台；

与所述Z方向微位移平台相连的数据处理显示及同步控制***；

与所述数据处理显示及同步控制***相连的30个光学探头和XY方向微位移调节架，所述30个光学探头安装在所述XY方向微位移调节架上并以三行十列排布；

其上表面位于所述空间相机焦面位置的平板，所述30个光学探头位于所述平板的下端；

分别固定在所述平板两端的两个Z方向调节支座。

所述数据处理显示及同步控制***主要由数据采集卡、中央处理计算机、显示器和控制器组成，所述数据采集卡分别与所述30个光学探头和中央处理计算机相连，所述中央处理计算机分别与所述XY方向微位移调节架、显示器和控制器相连，所述控制器与所述Z方向微位移平台相连。

所述Z方向微位移平台主要由大理石平台和PI促动器组成，位移精度<0.001mm，位移速度>0.5mm/s。

所述光学引擎选择硅基液晶，最大亮度>3000lm，光学引擎频率>120Hz，谱段为500nm～600nm，像素为1920×1028。

所述平板采用K9光学玻璃制成，尺寸为60mm×300mm×15mm，表面平面平行度优于30″，上表面为漫透射表面，透过率>50%；下表面为抛光表面，透过率>99％。

所述光学探头主要由显微镜头、CCD相机和微调整机构组成，视场范围为20mm×20mm。

每个光学探头与相邻光学探头的视场范围在X方向上重叠5mm且在Y方向上也重叠5mm。

空间相机场曲检测装置的检测方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一、控制器接收中央处理计算机的指令控制Z方向微位移平台移动，使光学引擎的下表面位于大口径标准镜头的焦面位置，中央处理计算机记录下此时Z方向微位移平台的位置Z00；

步骤二、移动Z方向调节支座使平板的上表面位于空间相机的焦面位置，选取空间相机的30个视场点，计算出对应光学引擎上的30个像素Xij，控制器接收中央处理计算机的指令控制光学引擎点亮这30个像素Xij；

步骤三、每个像素Xij发出的光经大口径标准镜头后形成平行光入射到空间相机上，再汇聚到平板的上表面形成弥散斑；

步骤四、中央处理计算机控制XY方向微位移调节架移动，使30个光学探头位于对应的弥散斑下方，每个光学探头均透过平板对其对应的弥散斑成像，形成30个弥散斑图像；

步骤五、数据采集卡采集这30个弥散斑图像并传递给中央处理计算机，显示器显示这30个弥散斑图像并对其大小进行实时监测，同时，控制器控制Z方向微位移平台持续步进移动，当显示器显示某个光学探头所接收到的弥散斑图像最小时，记录下此最小弥散斑图像对应的光学引擎的像素Xij及此时Z方向微位移平台的位置Zij，这30个像素Xij所对应的30个最小弥散斑图像都找到后，停止移动Z方向微位移平台；

步骤六、根据这30个像素Xij所对应的Z方向微位移平台的移动量Zij-Z00，利用中央处理计算机中的软件计算出这30个像素Xij所对应的30个视场点的场曲△Z'ij，对这30个场曲△Z'ij进行二维曲面拟合，得到空间相机的场曲曲线，采用的计算公式如下：

Δ Z^{'} ij = f - \frac{1}{\frac{1}{f} + \frac{1}{f_{p}} - \frac{1}{f_{p} + (Zij - Z 00)}}

其中，f为空间相机的有效焦距；f_p为大口径标准镜头的有效焦距；步骤二、步骤三、步骤五和步骤六中，所述i和j的取值分别为：i=1，2，3；j=1，2…10。

所述30个光学探头安装在所述XY方向微位移调节架上并以三行十列排布，每个光学探头与相邻光学探头的视场范围在X方向上重叠5mm且在Y方向上也重叠5mm。

所述的对这30个场曲△Z'ij进行二维曲面拟合具体采用的是最小二乘方法实现。

工作原理说明：对于无穷远成像的空间相机，可以利用平行光照射空间相机的方法检定空间相机的焦面位置。放置在大口径标准镜头焦面位置的光源发出发散光束，经过大口径标准镜头汇聚为平行光束，平行光束入射到空间相机汇聚为一个弥散光斑，弥散光斑最小的位置即为空间相机的焦面位置，如果光源偏离大口径标准镜头的焦面位置为δ₁，根据高斯光学原理，则弥散光斑最小位置偏离空间相机的焦面位置为δ₂，δ₁与δ₂的关系如下：

δ_{2} = f - \frac{1}{\frac{1}{f} + \frac{1}{f_{p}} - \frac{1}{f_{p} + δ_{1}}}

式中，f为空间相机的有效焦距，f_p为大口径标准镜头的有效焦距。利用此方法，测定空间相机各个视场的离焦量，即可拟合出空间相机的场曲曲线。

本发明的有益效果是：

一、本发明根据空间相机焦面的大小设置了30个测量点，分别对应30个光学探头，测量和显示分析弥散斑图像的过程是实时同步的，测量的数据也是十分精确的，避免了采用波前传感器测量时由于离焦造成的测量误差；

二、本发明在计算场曲时采用的是精确的计算式，并不是近似的公式，而计算式中各个数据的测量和分析是实时同步的，并且是较为精确的，因此通过精确的计算式再加上精确的测量数据，得到的场曲必然是相当精确的数据，场曲的计算误差得以消除，就能有效地拟合出空间相机的场曲曲线，这对于空间相机的场曲测量是十分必要的，因此该方法有效地解决了空间相机的场曲检测问题；

三、在空间相机的场曲检测过程中，可以实现对光学***的场曲进行现场实时检测，弥补了现有计算机辅助装调中干涉检验只能提供波像差数据的不足，有效地指导了装调过程，降低了测量误差。

附图说明

图1为本发明的空间相机场曲检测装置的结构示意图；

图2为3×10个光学探头有效视场分布示意图；

图3为Cij光学探头视场范围与邻近光学探头视场范围交叠示意图。

图中：1、Z方向微位移平台，2、光学引擎，3、大口径标准镜头，4、空间相机，5、Z方向调节支座，6、平板，7、光学探头，8、XY方向微位移调节架，9、数据处理显示及同步控制***，10、数据采集卡，11、中央处理计算机，12、显示器，13、控制器，14、光学探头C11的视场范围，15、光学探头C21的视场范围，16、光学探头C31的视场范围，17、光学探头C110的视场范围，18、光学探头Cij的视场范围，19、与邻近光学探头视场交叠区域，20、非交叠区域。

具体实施方案

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的空间相机场曲检测装置，通过测量空间相机4特定视场的离焦量拟合出空间相机4的场曲曲线，主要由Z方向微位移平台1、光学引擎2、大口径标准镜头3、Z方向调节支座5、平板6、光学探头7、XY方向微位移调节架8和数据处理显示及同步控制***9组成，如图1所示，x方向和z方向相互垂直，图1中的y方向指的是与纸面垂直并朝向纸外的方向，如图2和图3所示，x方向和y方向相互垂直，图2和图3中的z方向指的是与纸面垂直并朝向纸外的方向。

本实施方式中的Z方向微位移平台1主要由大理石平台和PI促动器组成，位移精度<0.001mm，位移速度>0.5mm/s。

本实施方式中的光学引擎2选用大面阵的硅基液晶，安装在Z方向微位移平台1上，可以随Z方向微位移平台1在Z方向移动，最大亮度>3000lm，光学引擎频率>120Hz，谱段为500nm～600nm，像素为1920×1028。

本实施方式中的大口径标准镜头3的口径为300mm，焦距为2000mm，视场角为2°×2°，光学引擎2的下表面位于大口径标准镜头3的焦面位置。

本实施方式中的空间相机4为待测空间相机，位于大口径标准镜头3和平板6之间位置。

本实施方式中的Z方向调节支座5为两个，分别对称安装在平板6的两端，均为其上端与平板6两端固定在一起，用于将平板6调节到空间相机4的焦面位置，其Z方向调节范围为±5mm，调节精度优于0.05mm。

本实施方式中的平板6采用K9光学玻璃制成，尺寸为60mm×300mm×15mm，表面平面平行度优于30″；平板6的上表面由纳米工艺制作成为具有朗伯特性的漫透射表面，光线垂直入射时，透过率>50%；平板6的下表面为透过率良好的抛光表面，下表面透过率>99％；平板6位于空间相机4的焦面位置。

本实施方式中的光学探头7主要由显微镜头、CCD相机和微调整机构组成，其视场范围为20mm×20mm，显微镜头用于光学成像，选用olympus cx31型工业显微镜，CCD相机用于记录图像，选用AVTGE1910型CCD相机，微调整机构可以实现光学探头7水平方向的微调整；如图2所示，本发明采用30个光学探头7按照三行十列排布，每个光学探头7的编号为Cij（i=1，2，3；j=1，2…10），x方向上从左到右，第一行为光学探头C11至光学探头C110，第二行为光学探头C21至光学探头C210，第三行为光学探头C31至光学探头C310，每个光学探头7对应一个视场范围；如图3所示，为了保证空间相机4整个像面被这30个光学探头7的视场无缝覆盖，每个光学探头7与相邻光学探头7的视场范围在X方向重叠5mm且在Y方向也重叠5mm；这30个光学探头7均安装在XY方向微位移调节架8上，30个光学探头均靠***板6的下表面，可以随XY方向微位移调节架8在X方向和Y方向移动，同时通过微调整机构可以实现光学探头7在水平方向的微调整。

数据处理显示及同步控制***9由数据采集卡10、中央处理计算机11、显示器12和控制器13组成，数据采集卡10一端与XY方向微位移调节架8上的30个光学探头7相连，另一端与中央处理计算机11相连，中央处理计算机11分别与XY方向微位移调节架8、显示器12和控制器13相连，控制器13与Z方向微位移平台1相连；数据采集卡10采集这30个光学探头7探测到的30个弥散斑图像信息并传递给中央处理计算机11，显示器12显示出这30个实时弥散斑图像并对图像大小进行实时监测，中央处理计算机11控制XY方向微位移调节架8分别在X方向和Y方向移动，控制器13接收中央处理计算机11给出的具体指令控制Z方向微位移平台1在Z方向步进移动，同时将Z方向微位移平台1的位置信息反馈给中央处理计算机11，中央处理计算机11通过给控制器13发送指令控制光学引擎2点亮各像素。

本发明的空间相机场曲检测装置的检测方法的具体步骤如下：

步骤一、控制器13接收中央处理计算机11给出的指令控制Z方向微位移平台1在Z方向移动，同时带动光学引擎2使光学引擎2的下表面位于大口径标准镜头3的焦面位置，控制器13将Z方向微位移平台1的位置信息反馈给中央处理计算机11，中央处理计算机11记录下此时Z方向微位移平台1的位置Z00；控制器13接收到的中央处理计算机11的指令具体指的是使Z方向微位移平台1在Z方向移动的命令，控制器13执行该命令；

步骤二、移动Z方向调节支座5，同时带动平板6使平板6的上表面位于空间相机4的焦面位置；空间相机4的焦面位置是通过利用平行光照射空间相机4来确定的；

步骤三、选取空间相机4的30个视场点，人工计算出对应光学引擎2上的30个像素Xij（i=1，2，3；j=1，2…10），控制器13接收中央处理计算机11给出的指令控制光学引擎2点亮这30个像素Xij（i=1，2，3；j=1，2…10）；

步骤四、每个像素Xij（i=1，2，3；j=1，2…10）发出的光经过大口径标准镜头3后都会形成一束平行光入射到空间相机4上，这束平行光经过空间相机4后汇聚在平板6的上表面上并形成弥散斑；30个像素Xij（i=1，2，3；j=1，2…10）分别对应30个弥散斑；

步骤五、中央处理计算机11控制XY方向微位移调节架8在X方向和Y方向移动，同时带动30个光学探头7并将其调整到对应的弥散斑下方，一个光学探头7对应一个弥散斑，每个光学探头7均透过平板6对其对应的弥散斑进行成像，最终形成30个弥散斑图像；

步骤六、数据采集卡10采集这30个弥散斑图像信息并传递给中央处理计算机11，在显示器12上显示出这30个弥散斑图像并对其大小进行实时监测，同时，控制器13控制Z方向微位移平台1在Z方向持续步进移动，在移动过程中，如果显示器12上显示某个光学探头7所接收到的弥散斑图像最小时，找出与之对应的平板6上表面的最小弥散斑，记录下此最小弥散斑对应的光学引擎2的像素Xij（i=1，2，3；j=1，2…10）以及此时Z方向微位移平台1的位置Zij（i=1，2，3；j=1，2…10），使弥散斑图像扩散程度最小，30个像素Xij（i=1，2，3；j=1，2…10）所对应的30个最小弥散斑都找到后，停止移动Z方向微位移平台1；

步骤七、光学引擎2的下表面位于大口径标准镜头3的焦面位置时，Z方向微位移平台1的位置为Z00，而每个最小弥散斑所对应的Z方向微位移平台1的位置为Zij（i=1，2，3；j=1，2…10），因此30个像素Xij（i=1，2，3；j=1，2…10）所对应的Z方向微位移平台1的移动量为（Zij-Z00），根据30个像素Xij（i=1，2，3；j=1，2…10）所对应的Z方向微位移平台1的移动量（Zij-Z00），利用中央处理计算机11中的软件计算出这30个像素Xij（i=1，2，3；j=1，2…10）所对应的空间相机4的30个视场点的场曲△Z'ij（i=1，2，3；j=1，2…10），采用的公式如下：

Δ Z^{'} ij = f - \frac{1}{\frac{1}{f} + \frac{1}{f_{p}} - \frac{1}{f_{p} + (Zij - Z 00)}}

其中，f为空间相机4的有效焦距；f_p为大口径标准镜头3的有效焦距；一个像素Xij（i=1，2，3；j=1，2…10）对应计算出一个场曲△Z'ij（i=1，2，3；j=1，2…10），在30个场曲△Z'ij（i=1，2，3；j=1，2…10）都计算完成后，采用最小二乘方法对这30个场曲△Z'ij（i=1，2，3；j=1，2…10）进行二维曲面拟合，拟合出空间相机4的场曲曲线，进而得到空间相机4的场曲信息。

Claims

1.空间相机场曲检测装置，其特征在于，包括：

大口径标准镜头；

其下表面位于所述大口径标准镜头焦面位置的光学引擎；

与所述光学引擎相连的Z方向微位移平台；

与所述Z方向微位移平台相连的数据处理显示及同步控制***；

分别固定在所述平板两端的两个Z方向调节支座。

2.根据权利要求1所述的空间相机场曲检测装置，其特征在于，所述数据处理显示及同步控制***主要由数据采集卡、中央处理计算机、显示器和控制器组成，所述数据采集卡分别与所述30个光学探头和中央处理计算机相连，所述中央处理计算机分别与所述XY方向微位移调节架、显示器和控制器相连，所述控制器与所述Z方向微位移平台相连。

3.根据权利要求1所述的空间相机场曲检测装置，其特征在于，所述Z方向微位移平台主要由大理石平台和PI促动器组成，位移精度<0.001mm，位移速度>0.5mm/s。

4.根据权利要求1所述的空间相机场曲检测装置，其特征在于，所述光学引擎选择硅基液晶，最大亮度>3000lm，光学引擎频率>120Hz，谱段为500nm～600nm，像素为1920×1028。

5.根据权利要求1所述的空间相机场曲检测装置，其特征在于，所述平板采用K9光学玻璃制成，尺寸为60mm×300mm×15mm，表面平面平行度优于30″，上表面为漫透射表面，透过率>50%；下表面为抛光表面，透过率>99％。

6.根据权利要求1所述的空间相机场曲检测装置，其特征在于，所述光学探头主要由显微镜头、CCD相机和微调整机构组成，视场范围为20mm×20mm。

7.根据权利要求1所述的空间相机场曲检测装置，其特征在于，每个光学探头与相邻光学探头的视场范围在X方向上重叠5mm且在Y方向上也重叠5mm。

8.如权利要求1所述的空间相机场曲检测装置的检测方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：

Δ Z^{'} ij = f - \frac{1}{\frac{1}{f} + \frac{1}{f_{p}} - \frac{1}{f_{p} + (Zij - Z 00)}}

9.根据权利要求8所述的空间相机场曲检测装置的检测方法，其特征在于，所述30个光学探头安装在所述XY方向微位移调节架上并以三行十列排布，每个光学探头与相邻光学探头的视场范围在X方向上重叠5mm且在Y方向上也重叠5mm。

10.根据权利要求8所述的空间相机场曲检测装置的检测方法，其特征在于，所述的对这30个场曲△Z'ij进行二维曲面拟合具体采用的是最小二乘方法实现。