星載離軸多光譜相機焦平面的裝調與檢測

梅　貴，翟　巖，苗健宇，浦前帥，余　達，張博研

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

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星載離軸多光譜相機焦平面的裝調與檢測

梅貴*，翟巖，苗健宇，浦前帥，余達，張博研

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

摘要：針對某離軸多光譜相機焦平面高精度的裝調要求，設計了焦平面組件，闡述了裝調、檢測的儀器設備和方法。首先將焦平面組件安裝至鏡頭，測量并解算出CCD光敏面的角度和位移偏差，接著根據偏差確定調整墊修研量，進行初次修墊并重新安裝，然后利用調整工裝微調CCD姿態至滿足指標要求，調整墊處打銷釘定位，最后根據擬合出的最佳焦平面位置再次修研調整墊，利用銷釘復位完成裝調工作。檢測結果表明，相機的CCD光敏面相對于設計焦平面三維角度偏差分別為Δα=-6.7″，Δβ=1.9′，Δγ=13.2″，三維位移偏差分別為Δx=-0.004 mm，Δy=0.006 mm，Δz=-0.070 mm，相機四譜段、全視場MTF優于0.25，滿足設計和裝調要求。測量和解算誤差分析表明，所用的設備與方法能夠滿足裝調精度的要求，可以為此類相機的研制提供一定的技術參考。

關鍵詞:多光譜相機；焦平面；裝調；測量；調制傳遞函數

1引言

多光譜遙感技術始于20世紀60年代，在工作過程中用幾個譜段對同一位置目標進行成像，可以同時獲得目標的圖像和光譜信息。為實現多光譜成像，常采用多線陣電荷耦合器件(CCD)作為相機的圖像傳感器[1]，波段一般包含有完整的紅、綠、藍三原色譜段，成像數據融合后可以得到彩色圖像。由于不同的地物目標具有各自不同的光譜特性，因此多光譜相機可以獲取諸如植被、地質、水質等地物屬性，配合全色相機(或者譜段)、測繪相機等，在資源考察，農林、水文和地質勘查，環境監測，災害調查以及測繪制圖、軍事偵察等方面有著廣泛的應用，對于軍事和民生都具有重要的意義。國內外的眾多衛星上均搭載有多光譜相機，如IKNONS系列、QuickBird系列、GeoEye系列、WorldView系列、Pleiades系列等國外高分辨率商業衛星[2-6]，國內如環境減災-1A及1B、天繪一號、資源一號及三號、高分一號等衛星[7-11]。

離軸三反光學系統具有可以同時實現長焦距與大視場，沒有中心遮攔，無色差、對雜散光抑制能力強等諸多優點[12-13]，非常適合多光譜成像，但是由于其結構的復雜性和非對稱性，實際制造和裝調難度較大。

焦平面組件是空間相機的重要組成部分，它與鏡頭的總成是將CCD的光敏面裝調至與光學系統的設計焦平面重合的過程，將這一過程稱為焦平面的裝調。由于光學系統設計中存在場曲，光機加工、裝調均會帶來偏差，焦平面實際是一個空間曲面，CCD光敏面不可能與之重合。把鏡頭在CCD全視場范圍內成像質量平均最優的平面稱為最佳焦平面，通常是數學方法擬合的平面。因此，一般而言焦平面的裝調是將CCD光敏面修調至最佳焦平面位置的過程，其結果直接決定了相機的成像質量能否嚴格反映光學系統設計、光學加工和鏡頭的裝調水準。針對某三線陣測繪衛星搭載的離軸多光譜相機，闡述了其焦平面的設計、裝調與檢測方法。由于多光譜相機需要嚴格匹配測繪正視相機進行攝像，對兩者CCD的相對位置和姿態關系提出了很高的要求，因此多光譜相機的焦平面裝調精度要求苛刻。本文給出了適應性的裝調方法與過程，檢測數據和外景成像試驗表明，裝調結果滿足設計要求，相機像質良好。

2焦平面裝調參數

2.1光學系統組成

圖1　多光譜相機光學系統示意圖 Fig.1　Schematic of optical system of a multispectral camera

多光譜相機光學系統為一次成像離軸三反系統，如圖1所示。鏡頭包括主鏡、第三鏡兩個離軸非球面鏡和一個球面次鏡。這樣設計使孔徑光闌位于次鏡處，光學系統相對比較對稱，并且由于是像方準遠心光路，光學系統發生離焦時(焦深范圍內)，各視場的像高將基本保持不變，即每個像元與地面對應的點的物象關系基本保持不變。

2.2CCD結構

多光譜CCD結構如圖2所示，具有藍、綠、紅、近紅外(分別標記為B、G、R、NIR)4個譜段，每條譜段6 000像元，像元尺寸為13 μm×13 μm。為了便于裝調，譜段上下方各有11個三角形標記點，記作M1～M22，沿譜段長度方向7.8 mm間距一個，將譜段10等分，上、下、中間標記點，即M6與M17的頂點連線記為lineH；譜段左右各有一個十字絲標記，兩十字絲水平連線記為lineZ。CCD光敏面幾何中心定義為：lineH與lineZ的交點，記為O′。

2.3焦平面裝調參數

光學系統坐標系O-XYZ如圖1所示，+X為衛星飛行方向，+Z為光學系統光軸方向(指向星下點)，+Y與+X、+Z構成右手坐標系，坐標原點O為焦平面幾何中心；CCD光敏面坐標系為O′-X′Y′Z′，三軸方向定義如圖2所示。相機焦平面的裝調目的可以直觀地認為是將O′-X′Y′Z′與O-XYZ調整至重合。顯而易見，CCD光敏面有六維參數需要調整，定義它相對于焦平面沿X、Y、Z軸的旋轉角度偏差為Δα、Δβ、Δγ，位置偏差為Δx、Δy、Δz。這六維偏差均會對相機的性能產生影響，因此需要嚴格控制。

圖2　多光譜CCD結構示意圖 Fig.2　Schematic of multispectral CCD geometry

3焦平面組件設計

根據CCD的封裝結構，多光譜相機焦平面組件設計如圖3所示，它主要由導熱銅片、CCD、CCD框、連接板、濾光片、濾光片座、標定燈架及CCD驅動電箱(以下簡稱驅動箱)組成。CCD在工作時會產生熱量，組件溫度迅速上升，導致焦平面發生熱變形，進而影響成像質量。因此在CCD背部陶瓷片上粘接導熱銅片并與驅動箱連接以加快散熱，同時為了減小熱變形，CCD框與濾光片座均采用超低熱膨脹系數的殷鋼(4J32)材料。考慮到CCD未自帶多譜段濾光片，需要自行研制并安裝，CCD的4條譜段必須與濾光片的4條通光帶嚴格對準。為了減小CCD相對驅動箱底部安裝基準的姿態偏差，需要嚴格控制單個零件的尺寸和形位公差。

圖3　焦平面組件結構簡圖 Fig.3　Diagram of focal plane subassembly

4焦平面-調焦組件裝配

圖4　焦平面-調焦組件結構示意圖 Fig.4　Schematic of focal plane-focusing subassembly

圖5　螺釘連接偏差示意圖 Fig.5　Schematic of screw fastening deviation sketch

系統采用焦平面移動調焦方式來補償系統因熱、力學環境導致的離焦，即把焦平面組件安裝于調焦機構上。調焦機構為雙導軌絲杠螺母式，經過調焦行程、精度測試合格后與驅動箱連接，接口為兩側各3個M4螺釘孔，如圖4所示，CCD光敏面將沿導軌方向與調焦機構作同步移動。在使用螺釘連接時，M4螺釘孔對應的光孔直徑為Φ4.5 mm，由于光孔直徑大于絲孔大徑，光孔中心連線與絲孔中心連線可能會出現偏離角，即CCD光敏面Z′軸與調焦機構導軌方向有偏差。如圖5所示，將偏離角記為θ，O1、O2為光孔圓心，O3、O4為對應的絲孔圓心，假定孔間距為L，光孔半徑為R1，絲孔半徑為R2，則有：

O1O2=O3O4=L，

(1)

根據圖6中的幾何關系可知：

(2)

(3)

(4)

將式(1)～(3)代入式(4)整理可以得到：

(5)

上式中取R1=2.25，R2=2，L=160，可以求得θ最大值為10′45″，因此必須精確測定并消除這一偏差。

5焦平面裝調

5.1裝調設備與環境

考慮到與測繪相機建立精確的幾何關系，焦平面的裝調精度要求很高，而裝調精度與測量精度密不可分，理論上，測量精度能達到的水平即為裝調能達到的極限水平，因而一套高精度的檢測和調整設備必不可少。為此研制了0.5″高精度二維轉臺及其電控系統，750 mm口徑、7 500 mm焦距平行光管。使用的設備還包括：高精度四維調整架，微位移調整裝置，電子水平儀，0.5″萊卡經緯儀，帶有十字絲、光源的自準直目鏡，微光攝像機，顯示器等，主要設備的布置如圖6所示。

圖6　焦平面裝調裝置示意圖 Fig.6　Schematic of equipments for focal plane alignment

為了減少外界振動對裝調工作的影響，平行光管與二維轉臺擁有獨立的隔振地基，同時考慮到焦平面位置對溫度的敏感性，實驗室配有恒溫控制系統，保證12 h內溫度保持在(18±1) ℃范圍內。

5.2裝調方法與過程

5.2.1裝調方法

焦平面的裝調實質是最佳焦平面位置的確定(簡稱定焦)過程，一般在全視場內等間隔取若干個點，確定每個點由初始位置到最佳像質位置對應的調焦量，擬合出最佳焦平面位置，然后根據調焦量確定調整墊的修研量，定焦精度主要取決于調焦量的獲取精度和修墊精度。調焦量大小直接決定了修墊量，因此其獲取精度對定焦精度的影響很大，通常有兩種方法：

(1)利用圖6所示裝調時的裝置，觀察選定位置的CCD像元或者標記點，如2.2節所述，以標記點為例，通過調焦，觀察標記點清晰度的變化，選擇最清晰位置，記錄調焦量。這種方法的優點在于方便、快速，可以與裝調同時進行；缺點是非常依賴觀察者的經驗，獲取精度難以保證，一般適用于焦平面裝調精度要求不高的場合。

(2)在圖6中，將目鏡、攝像機等設備移除，換成調制傳遞函數(MTF)檢測用黑白條紋目標板和積分球光源，相機接入MTF檢測用的軟硬件，采集選定CCD像元處的MTF[14]，通過調焦可以得到MTF-調焦曲線，取峰值對應的位置計算調焦量。這種方法的優點在于精度較高且穩定，缺點在于無法與調整同時進行；CCD工作時長保護機制的限制致使檢測過程耗時較長；調整墊逐步修研過程中由于地檢設備的反復接拔線也極為耗時。

5.2.2偏差測定

裝調之前，鏡頭應當經過詳細的光學檢驗，全視場MTF、波相差、焦距等均滿足設計要求。將光學系統坐標系O-XYZ引出，安裝刻有十字絲的立方鏡，建立立方鏡坐標系o-xyz，作為焦平面組件裝調基準，要求y軸與Y軸，z軸與Z軸安裝誤差不超過2″。

利用萊卡經緯儀和電子水平儀調整平行光管光軸與二維轉臺臺面水平，鏡頭安裝于四維高精度調整架上，將調整架安裝并緊固于二維轉臺上，此時可對鏡頭進行六維調整，使鏡頭入光口全部包含在平行光管口徑內，并且鏡頭立方鏡的z軸與光管光軸平行，y軸水平。

上述工作完成后，將焦平面-調焦組件安裝于托架上，托架安裝于鏡頭前端面，多光譜整機如圖7所示，兩步安裝均采用調整墊連接，通過這2個豎直墊和2個水平墊的修研來調整CCD的位置與姿態。

圖7　整機結構示意圖 Fig.7　Structure schematic of the camera

圖8　顯示器顯示標記點示意圖 Fig.8　Schematic of pixel mark in screen

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，B為編碼器總碼值，Lf為對應的調焦機構總行程，dh為標記點M1與M11頂點的水平距離，dv為上下標記點底邊的垂直距離，f′為相機焦距，β為相機設計離軸角。

5.2.3修研與微調

根據式(10)的計算結果可以確定調整墊的初修量。修墊時，每一組按照相機上的安裝方式和間距固定于高精度工裝板上，利用加工中心同時去量，以保證修量的精確度。由于加工中心去量精度有限，通常還需要對調整墊進行研磨。修研完畢，重新將焦平面-調焦組件安裝于鏡頭上，重復之前的測量、計算工作，偏差要求嚴格的Δα與Δy如第4節中的分析，很可能不滿足要求，需要設計一個微位移工裝來調整，如圖9所示，工裝固定于托架上，調焦機構底板處設置四組M5×0.5細牙螺桿與螺母，螺桿旋轉至與底板接觸，將底板與托架連接螺釘略微擰松使焦平面-調焦組件剛好可以左右竄動，按照不同的組合旋開和旋緊螺桿即可實現Δα和Δy的調整。在這兩維偏差各自調整時會相互影響，因此可以先將Δy調整到位，然后在調整Δα的同時微調Δy的耦合偏移量。當相機立方鏡z軸與光管光軸方位一致時，標記點M6頂點位于十字絲豎線上，觀察標記點M1和M11，同時最清晰，此時Δα和Δy調整完畢，如此M1、M11、M17構成的焦平面位置一般可以滿足裝調要求但未達到最佳。由于焦平面場曲的存在，M1與M11同時清晰時，M2～M10并不一定同樣清晰，按照5.2.1節所述取5個點擬合出最佳直線。焦平面X向視場很小，場曲的影響可以忽略，Δβ修正后，經過上述最佳直線與光軸垂直的面即可確定為最佳焦平面，根據此最佳焦平面位置，豎直調整墊還需要進一步修研，為了保證之前的裝調狀態不變，每個調整墊處打2個銷釘定位，拆下豎直調整墊，修研后利用銷釘復位，至此焦平面裝調完畢。

圖9　焦平面微調工裝 Fig.9　Schematic of fine-tuning mechanism of the focal plane

5.3檢測結果

按照5.2節的裝調方法，完成了焦平面的裝調，經過實測并按式(6)計算，得到裝調偏差如表1所示，可以看出均滿足設計指標。

隨著油田企業業務的開展，檔案資料的內容也逐漸增加，給檔案管理工作帶來了更高的難度。此外，對于油田企業的檔案來說，不僅僅需要做好保存工作，而且要挖掘檔案的潛在價值，為當前工作更高質量、更高效率地開展提供必要的借鑒。而這些工作的開展，都離不開一套完善的檔案信息化管理制度。由于油田企業對于檔案管理工作重視不足，配套的信息化管理制度也沒有建立起來。有些企業即便是有檔案信息化數據運行管理制度，在實際工作中沒有嚴格執行，管理制度形同虛設，檔案管理人員工作中存在較大的隨意性。

表1　焦平面裝調偏差實測結果

檢測綠譜段0視場和±1視場以及藍譜段和近紅外譜段0視場的MTF，畫出相應的MTF-調焦曲線，如圖10(a)、(b)所示，可以看出CCD左右兩端和上下兩譜段的MTF峰值對應的調焦位置非常接近，即CCD光敏面與最佳焦平面位置很吻合。相機最佳焦平面處四譜段各5個視場MTF(奈奎斯特頻率38.5 lp/mm處)如表2所示，全視場MTF均滿足設計要求，將鏡頭的MTF與之作對比，如圖11所示，可以看出，相機與鏡頭的MTF在全視場范圍內趨勢較為一致，裝調效果較好。

圖10　MTF-調焦曲線 Fig.10　Curve of MTF-focusing

FieldMTF(B)MTF(G)MTF(R)MTF(NIR)MTF(Lens)-1ω0.3320.3550.3400.2650.681-0.5ω0.3410.3660.3470.2710.7050ω0.3430.3700.3510.2730.712+0.5ω0.3420.3680.3490.2720.709+1ω0.3340.3580.3440.2680.689

圖11　全視場MTF對比圖 Fig.11　Comparison curve of all-field MTFs

5.4裝調誤差分析

焦平面裝調的誤差主要來源于使用的儀器設備的調整、測量誤差及方法誤差[15-16]，如表3所示。

表3　焦平面裝調中的各種誤差

由表3中各誤差項可以得到角度測量綜合誤差為：

(11)

位移測量綜合誤差(碼值轉化為距離)為：

(12)

則由多元函數y=f(x1，x2，…，xn)的誤差與各測量值x1，x2，…，xn誤差之間的關系式[17]

(13)

可以得到式(10)中六維偏差的檢定誤差為：

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

帶入數據求得σΔα=8.1″，σΔβ=1.6′，σΔγ=2.5″，σΔx=5.6 μm，σΔy=5.6 μm，σΔz=1.6 μm，可以滿足表1中的裝調要求。

5.5外景成像試驗

為了初步驗證成像質量，需要對裝調完畢的多光譜相機進行外景成像試驗。由于在實驗室進行焦平面裝調時，是按無窮遠物距確定的焦面位置，在有限距離成像時，將產生離焦，影響像質。相機對成像區域的距離是l，則相應產生的離焦量Δl′根據應用光學公式計算得到：

(20)

為了消除這一影響，可根據準確測得的目標距離，在無窮遠物距基礎上調焦Δl′，保證室外成像時，像面準確，成像清晰。

圖12　多光譜相機外景成像試驗圖 Fig.12　Outdoor imaging test of the camera

按照上述方法對相機進行了調焦，圖12為同一時刻四譜段對同一目標區域進行推掃成像獲取的原始灰度圖像(限于文檔大小，作者進行了格式處理)，圖像寬度方向對應CCD線陣方向，長度方向對應推掃方向，可以看出四個譜段獲取的影像在整個視場內層次分明，細節清楚；根據全視場影像獲取的景物，實測相機視場角的大小，與裝調所測數據較為吻合。因此可以初步判斷相機的焦平面位置裝調較為準確。該相機目前已經有兩臺在軌正常運行，獲取了大量優質的多光譜影像，用戶給予了很好的評價，驗證了本文所述裝調方法的可行性。

6結論

焦平面的裝調是遙感相機研制過程中的重要環節，本文針對某測繪衛星搭載的多光譜相機焦平面裝調精度要求高的問題，設計了其焦平面組件，闡述了裝調、檢測的儀器設備和方法，確定了相機的最佳焦平面位置。裝調完成后的檢測結果表明，相機的CCD光敏面相對于設計焦平面三維角度偏差分別為Δα=-6.7″，Δβ=1.9′，Δγ=13.2″，三維位移偏差分別為Δx=-0.004 mm，Δy=0.006 mm，Δz=-0.070 mm，相機四譜段、全視場MTF均優于0.25，滿足設計和裝調要求，測量和解算誤差分析表明，所用的設備與方法可以滿足裝調精度要求，相機外景成像像質良好。

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收稿日期:2016-03-16；

修訂日期:2016-04-28

基金項目：國家自然科學基金資助項目(No.61405191)；吉林省科技發展計劃青年科研基金資助項目(No.20150520102JH)

文章編號2095-1531(2016)04-0491-10

中圖分類號：V447+.1； V443+.5

文獻標識碼:A

doi:10.3788/CO.20160904.0491

作者簡介：

梅　貴(1984—)，男，江蘇高郵人，助理研究員，2006年、2009年于清華大學分別獲得學士、碩士學位，主要從事空間遙感器光機結構設計方面的研究。E-mail：meigui840428@163.com

Focal plane alignment and testing for an off-axis multispectral space borne camera

MEI Gui*, ZHAI Yan, MIAO Jian-yu, PU Qian-shuai, YU Da, ZHANG Bo-yan

(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)*Correspondingauthor,E-mail：meigui840428@163.com

Abstract:To meet the requirements of high alignment accuracy for a multispectral camera, a focal plane subassembly is designed. Meanwhile, the instruments, fixtures and methods for alignment and measurement are described. First of all, the focal plane subassembly is mounted to the optics so that deflections and shifts of the CCD photosensitive area related to the image plane could be measured and calculated. According to the results given previously, the removal dimension of adjustment spacers is determined and preliminary modification is applied to the spacers. Thereafter, the focal plane subassembly is remounted. Then, the CCD is fine adjusted to its correct orientation and location, and locating pins are embedded into the spacers to hold this adjustment. Finally, based on the fitted optimum focal plane position, spacers are carefully ground and restored. Thus, the alignment is completed. Test results show that, three-dimensional deflections are Δα=-6.7″, Δβ=1.9′ and Δγ=13.2″ respectively; three-dimensional shifts are Δx=-0.004 mm, Δy=0.006 mm and Δz=-0.070 mm respectively. The Modulation Transfer Functions(MTF) corresponding to four spectra and whole field of view are more than 0.25, which can meet the design and alignment specifications. The measurement and calculation error analysis shows that the equipments and methods can meet the precision requirements and provide technique references for homologous cameras.

Key words:multispectral camera;focal plane;alignment;measurement;Modulation Transfer Function(MTF)

Supported by National Science Foundation of China(No.61405191), Jilin Provincial Project of Science & Technology Development of China(No.20150520102JH)