留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

宽视场航天相机像面测量技术

胡凯 丛海佳 陈凡胜 金钢

胡凯, 丛海佳, 陈凡胜, 金钢. 宽视场航天相机像面测量技术[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(5): 20200336. doi: 10.3788/IRLA20200336
引用本文: 胡凯, 丛海佳, 陈凡胜, 金钢. 宽视场航天相机像面测量技术[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(5): 20200336. doi: 10.3788/IRLA20200336
Hu Kai, Cong Haijia, Chen Fansheng, Jin Gang. Measurement technology of image plane of wide-field space camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(5): 20200336. doi: 10.3788/IRLA20200336
Citation: Hu Kai, Cong Haijia, Chen Fansheng, Jin Gang. Measurement technology of image plane of wide-field space camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(5): 20200336. doi: 10.3788/IRLA20200336

宽视场航天相机像面测量技术

doi: 10.3788/IRLA20200336
基金项目: 国家自然科学基金(61975222,11905281)
详细信息
    作者简介:

    胡凯,男,助理研究员,硕士,主要从事航天空间有效载荷光机系统装调与检测工作

    通讯作者: 丛海佳,女,助理研究员,硕士,主要从事光学系统设计、光学精密测试技术等方面的研究。; 金钢,男,高级工程师,硕士,主要从事航天红外有效载荷数字化总装与测试技术方面的工作。
  • 中图分类号: TN206

Measurement technology of image plane of wide-field space camera

  • 摘要: 宽视场高质量的航天相机是未来有效载荷的发展方向,基于宽视场航天相机的装调需求,提出了一种干涉测量与几何量测量相结合的像面测量方法。搭建了宽视场航天相机像面测量平台,利用激光干涉仪确定各视场的焦点位置,激光跟踪仪获取各焦点位置坐标,通过坐标换算和拟合完成像面的绘制,像面测量误差可控制在0.01 mm内。通过该方法,完成了一款离轴三反航天相机的像面绘制,系统焦距1200 mm,相对孔径1∶2.4,视场角10°×1°。测试的像面与光学设计软件ZEMAX输出的理想像面进行比对,像面形状及位置基本吻合,平面度偏差0.009 mm。测试结果表明光学系统装调到位,为探测器配准工序的完成提供了重要依据。
  • 图  1  自准直光路示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of self-collimating optical path

    图  2  干涉测量示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of interferometry measurement

    图  3  像面测量总体流程图

    Figure  3.  Overall flow chart of image plane measurement

    图  4  航天相机像面测量平台

    Figure  4.  Space camera image plane measurement platform

    图  5  光学系统结构图

    Figure  5.  Structure diagram of optical system

    图  6  坐标系建立

    Figure  6.  Coordinate system establishment

    图  7  焦点位置测试装置

    Figure  7.  Focus position test device

    图  8  像面拟合分布图

    Figure  8.  Image plane fitting distribution

    图  9  光学系统波前图

    Figure  9.  Wavefront diagram of optical system

    图  10  理论像面拟合分布图

    Figure  10.  Fitting distribution of the ideal image plane

    表  1  激光跟踪仪测试数据

    Table  1.   Laser tracker test data

    No.X′/mmY′/mmZ′/mm
    1−689.141−593.635141.747
    2−674.485−592.964143.519
    3−660.163−593.858141.097
    4−645.744−593.183143.007
    5−631.403−593.99140.678
    6−617.007−593.297142.705
    7−602.635−594.105140.465
    8−588.276−593.318142.597
    9−581.068−593.755141.462
    10−573.882−594.154140.392
    11−559.526−593.317142.560
    12−545.132−594.073140.517
    13−530.763−593.272142.803
    14−516.355−593.936140.829
    15−501.998−593.131143.232
    16−487.578−593.757141.337
    17−473.396−592.911143.850
    18−674.640−596.212134.667
    19−645.853−596.368134.144
    20−617.074−596.505133.839
    21−588.290−596.565133.739
    22−559.488−596.564133.716
    23−530.676−596.466133.942
    24−501.865−596.297134.307
    25−473.220−596.122134.966
    26−688.913−590.404150.618
    27−660.023−590.641149.963
    28−631.310−590.844149.527
    29−602.582−590.903149.315
    30−573.894−590.906149.234
    31−545.187−590.897149.417
    32−516.452−590.792149.710
    33−487.739−590.576150.215
    下载: 导出CSV

    表  2  ZEMAX理论像面焦点坐标

    Table  2.   Focus coordinates of ZEMAX ideal image plane

    No.X/mmY/mmZ/mm
    1−104.9860.000−31.067
    2−83.9120.000−31.060
    3−62.8890.000−31.065
    4−41.9050.000−31.052
    50.0000.000−31.050
    641.9050.000−31.051
    762.8890.000−31.062
    883.9120.000−31.058
    9104.9860.000−31.063
    10−104.986−10.472−31.067
    11−83.912−10.472−31.068
    12−62.889−10.472−31.07
    13−41.905−10.472−31.064
    140.000−10.472−31.061
    1541.905−10.472−31.063
    1662.889−10.472−31.066
    1783.912−10.472−31.065
    18104.986−10.472−31.065
    19−104.986−5.236−31.068
    200.000−5.236−31.055
    21104.986−5.236−31.065
    22−104.9865.236−31.064
    230.0005.236−31.038
    24104.9865.236−31.06
    25−104.98610.472−31.059
    26−83.91210.472−31.048
    27−62.88910.472−31.054
    28−41.90510.472−31.034
    290.00010.472−31.024
    3041.90510.472−31.033
    3162.88910.472−31.052
    3283.91210.472−31.045
    33104.98610.472−31.056
    下载: 导出CSV
  • [1] Meng Qingyu, Wang Hongyuan, Wang Yan, et al. Off-axis three-mirror freeform optical system with large linear field of view [J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(10): 1018002. (in Chinese)
    [2] Gong Dapeng. Research on focal plane technology of space remote-sensing camera[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2015. (in Chinese)
    [3] Yu Daoyin, Tan Hengying. Engineering Optics[M]. Beijing: China Machine Press, 2006. (in Chinese)
    [4] Li Xiaotong, Cen Zhaofeng. Geometrical Optics, Aberrations and Optical Design[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2007. (in Chinese)
    [5] Wang Cong, Chen Jiayi, Li Mengjuan, et al. Centering of Φ1.3m aspheric reflector based on interferometry [J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(1): 0113001. (in Chinese)
    [6] Yang Zipeng, Liu Min, Zhou Youjun, et al. Study on processing scheme and precision measurement method of payload adapter with irregular shape [J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(S1): S117001. (in Chinese)
    [7] Zhong Xing, Jin Guang, Wang Dong, et al. Focal plane assembly and calibrating of CMOS star sensor [J]. Opto-Electronic Engineering, 2011, 38(9): 1-5. (in Chinese)
    [8] Zhang Jian. Uncertainty analysis for Super-accuracy Fizeau interferometer[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science, 2011. (in Chinese)
    [9] Yu Chenghao, Ke Ming, Zhao Zhentang. The accuracy assessment for the measurement of laser tracker [J]. Engineering of Surveying and Mapping, 2006, 15(6): 39-42. (in Chinese)
    [10] Xu Yaming, Zheng Qi, Guan Xiao. Precision analysis of Leica AT960 absolute laser tracker [J]. Journal of Geomatics, 2020, 45(1): 8-12. (in Chinese)
  • [1] 王辰星, 达飞鹏.  基于经验模态分解法的光学条纹图像处理研究进展 . 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0303013-0303013-11. doi: 10.3788/IRLA202049.0303013
    [2] 孙永雪, 夏振涛, 姜守望, 王珂, 孙征昊.  可见光全天时遥感相机光学系统设计 . 红外与激光工程, 2020, 49(1): 0114003-0114003(6). doi: 10.3788/IRLA202049.0114003
    [3] 李斌, 陈佳夷, 王海超, 霍腾飞, 李新华.  面型误差和失调量对同轴三反系统像质的影响 . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 918002-0918002(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0918002
    [4] 孙沁园, 陈磊, 郑东晖, 朱文华, 张瑞, 丁煜.  采用短相干光源的动态斐索干涉仪 . 红外与激光工程, 2018, 47(2): 220001-0220001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0220001
    [5] 李杏华, 张冬, 高凌妤, 郭倩蕊, 景泉, 胡震岳.  离轴三反系统中视轴的偏转误差研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 918005-0918005(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0918005
    [6] 杨亮亮.  衍射光学元件斜入射衍射效率的测量 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 117003-0117003(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0117003
    [7] 赵宇宸, 何欣, 张凯, 刘强, 崔永鹏, 孟庆宇.  轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1218001-1218001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1218001
    [8] 曹智睿, 付跃刚.  点源透射比测试的高性能光陷阱技术研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(1): 117006-0117006(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0117006
    [9] 吴婷, 邹岩, 李之通, 惠勇凌, 李强.  两种透明介质微小折射率差高精度测量的新方法 . 红外与激光工程, 2017, 46(4): 417005-0417005(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0417005
    [10] 孟庆宇, 汪洪源, 王严, 纪振华, 王栋.  大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1018002-1018002(8). doi: 10.3788/IRLA201645.1018002
    [11] 王蕴琦, 刘伟奇, 张大亮, 孟祥翔, 康玉思, 魏忠伦.  基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(4): 418003-0418003(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0418003
    [12] 李树旺, 邵士勇, 梅海平, 饶瑞中.  大气吸收性成分的光热干涉法测量 . 红外与激光工程, 2016, 45(S1): 163-168. doi: 10.3788/IRLA201645.S111002
    [13] 李永昌, 金龙旭, 武奕楠, 王文华, 吕增明, 韩双丽.  离轴三反大视场空间相机像移速度场模型 . 红外与激光工程, 2016, 45(5): 513001-0513001(7). doi: 10.3788/IRLA201645.0513001
    [14] 王彬, 伍凡, 叶玉堂.  离轴三反系统计算机辅助装调 . 红外与激光工程, 2016, 45(11): 1118006-1118006(7). doi: 10.3788/IRLA201645.1118006
    [15] 孙文卿, 陈磊, 李金鹏, 乌兰图雅, 何勇.  非圆孔径离散采样点正交多项式波前拟合 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 1068-1072.
    [16] 韩志刚, 陈磊.  对包络变化及移相误差不敏感的宽带光八步移相算法 . 红外与激光工程, 2015, 44(4): 1236-1242.
    [17] 戴士杰, 易丹, 李伟超, 常淑英, 王志平.  分段非均匀条纹生成方法及其在双频解相位中的应用 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2849-2853,2857.
    [18] 郭永祥, 李永强, 廖志波, 王静怡.  新型离轴三反射光学系统设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(2): 546-550.
    [19] 王涌鹏, 罗佳, 白剑, 梁宜勇.  高精度长焦距测量系统反射镜安装误差分析 . 红外与激光工程, 2014, 43(2): 562-568.
    [20] 张庭成, 廖志波.  离轴三反成像光谱仪光学系统设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1863-1865.
  • 加载中
图(10) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  21
  • HTML全文浏览量:  5
  • PDF下载量:  14
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-07
  • 修回日期:  2020-12-29
  • 刊出日期:  2021-05-21

宽视场航天相机像面测量技术

doi: 10.3788/IRLA20200336
    作者简介:

    胡凯,男,助理研究员,硕士,主要从事航天空间有效载荷光机系统装调与检测工作

    通讯作者: 丛海佳,女,助理研究员,硕士,主要从事光学系统设计、光学精密测试技术等方面的研究。; 金钢,男,高级工程师,硕士,主要从事航天红外有效载荷数字化总装与测试技术方面的工作。
基金项目:  国家自然科学基金(61975222,11905281)
  • 中图分类号: TN206

摘要: 宽视场高质量的航天相机是未来有效载荷的发展方向,基于宽视场航天相机的装调需求,提出了一种干涉测量与几何量测量相结合的像面测量方法。搭建了宽视场航天相机像面测量平台,利用激光干涉仪确定各视场的焦点位置,激光跟踪仪获取各焦点位置坐标,通过坐标换算和拟合完成像面的绘制,像面测量误差可控制在0.01 mm内。通过该方法,完成了一款离轴三反航天相机的像面绘制,系统焦距1200 mm,相对孔径1∶2.4,视场角10°×1°。测试的像面与光学设计软件ZEMAX输出的理想像面进行比对,像面形状及位置基本吻合,平面度偏差0.009 mm。测试结果表明光学系统装调到位,为探测器配准工序的完成提供了重要依据。

English Abstract

    • 随着我国航天事业的发展,航天遥感仪器的需求量越来越大,而宽视场是航天相机的一个重要发展方向。在轨道高度一定的情况下增大视场可以增加图像幅宽,在分辨率一定的情况下提高遥感器成像效率,因此,越来越多的航天相机向宽视场方向发展[1]

      航天相机在研制过程中,光学系统装调完成后所形成的像面即是航天相机的像面,像面位置及其与航天相机的相对关系也随之确定。下一工序就是探测器配准,将探测器组件调整到位,实现探测器组件焦平面与像面准确匹配,达到最佳成像质量[2]。像面位置是影响光学系统成像质量的一个重要指标,可以为探测器配准工序的完成提供重要依据,通过实测的像面位置能够快速、准确地完成探测器配准,从而获得较理想的成像质量。

      在光学系统装调阶段,对于小视场的光学系统来说,可以通过经纬仪、干涉仪等手段准确地获得系统焦点位置,从而间接获得系统的像面。而对于宽视场的光学系统来说,如果继续采用经纬仪或者干涉仪等手段获取精确的单个视场焦点位置代替整个像面的位置,就会因为视场大导致边缘视场离焦,给探测器配准工作带来难度。

      为了解决宽视场光学系统用单个视场焦点位置代替整个像面的位置会导致边缘视场离焦的问题,文中提出了一种光学系统像面测量的方法,搭建了宽视场航天相机像面测量平台,快速、定量、有序地完成了一款宽视场离轴三反航天相机的像面测量。通过测试结果判断光学系统是否装调到位,并为后续探测器配准提供了重要的装调方向。实践证明该方法具有较强的工程借鉴意义。

    • 在光学系统装调阶段,使用波像差对光学系统成像质量进行全面的评价。当采用干涉检验法检测系统成像质量时,通常使用自准直检测光路,通过干涉条纹直接得到光波携带的波像差信息[3-4]图1为装调过程中的自准直光路示意图。

      图  1  自准直光路示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of self-collimating optical path

      自准直检测光路中,干涉仪焦点的位置即为当前视场下光学系统的焦点位置,如果能精确获取全视场下焦点坐标,就可以通过坐标换算得到光学系统像面分布情况。因此,文中采用激光跟踪仪进行坐标测量,运用干涉测量和几何量测量相结合的方法进行像面测量。

      激光跟踪测量系统的基本原理是在目标点上安置目标球,跟踪头发出的激光发射到目标球上,又返回到跟踪头,当目标移动时,跟踪头调整方向来对准目标。同时,返回光束为检测系统所接收,用来测算目标的空间位置。激光跟踪测量系统本质上是一种球坐标测量系统。它测量目标点的距离、水平和竖直方向的偏转角,从而得到以跟踪仪测量中心为原点的目标点空间三维坐标[5-6]

      激光跟踪仪的目标球的圆度优于0.003 mm,目标球不锈钢表面经过抛光处理,可以反射光,像面测量时,将激光跟踪仪的目标球放置在干涉仪焦点位置,当目标球球心与干涉仪焦点位置重合时,可以形成干涉条纹。调节目标球的位置使干涉图为零条纹且Power值为零,将激光干涉仪焦点定位到目标球球心上,从而获得焦点的坐标位置。目标球球心定位干涉测量示意图如图2所示。

      图  2  干涉测量示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of interferometry measurement

    • 搭建光学系统装调测试自准直光路,在像面测试工作之前完成光学系统的装调,使系统成像质量满足指标要求。像面测量总体流程图如图3所示。

      图  3  像面测量总体流程图

      Figure 3.  Overall flow chart of image plane measurement

      步骤1:根据标准平面镜相对于光学系统的角度关系,调节标准平面镜至中心视场位置。调节激光干涉仪,使全孔径干涉图为零条纹且Power值为零,经过调节后,激光干涉仪焦点与光学系统的焦点重合;

      步骤2:使用激光跟踪仪建立测量坐标系,定义坐标原点位置;

      像面测量之前,首先要选定激光跟踪仪的安放位置,将激光跟踪仪的主体控制器固定放置在光学系统一侧,可同时探测到像面位置和光学系统,避免不必要的转站。像面测量时,通过测量相机机械基准面和基准点建立测量坐标系。

      步骤3:利用干涉法将目标球的球心调至光学系统中心视场的焦点位置,激光跟踪仪记录该点坐标位置;

      步骤4:调节标准平面镜和激光干涉仪确定光学系统各个视场的焦点位置,激光跟踪仪记录各个焦点位置的坐标;

      步骤5:将获取的各个焦点的空间坐标绘制成像面;

      步骤6:利用ZEMAX输出实际镜面面形下光学系统的理论像面。将测量得到的实际像面与理论像面对比,如满足装调要求,则测量结束,如不满足,则对光学系统重新装调,直至满足要求,测量结束。

    • 宽视场航天相机属于大视场大口径光学系统,虽然光学设计像差已优化到最小,但由于视场大,轴外像差不可能完全被校正,必然会存在一定的剩余像差[7]

      光学系统的成像质量由主镜、次镜和三镜保证,三块单镜组件最终的装调面形误差影响系统成像质量。另外,光学系统装调不到位也会引入像差。以上原因都会导致实际装调后的光学系统的最佳像面与光学设计的理想像面不完全重合,最佳像面位置是各视场成像质量综合评定的结果。

      因此,在光学系统装调阶段搭建像面测量平台测量像面的分布情况,既可以判断光学系统装调是否到位,又可以获得像面相对航天相机的空间位置,为后续探测器组件配准提供装调方向。

      航天相机像面测量平台包括激光干涉仪、三维平移台、标准平面镜以及激光跟踪仪,激光跟踪仪由主体控制器和目标球组成。激光干涉仪放置在光学系统像面一侧,标准平面镜放置在光学系统入瞳一侧,激光跟踪仪的主体控制器放置在光学系统一侧。航天相机像面测量平台如图4所示。

      图  4  航天相机像面测量平台

      Figure 4.  Space camera image plane measurement platform

    • 利用光学设计软件ZEMAX完成一款航天相机光学系统的设计,图5为航天相机光学系统结构图,光学系统是由主镜、次镜和三镜组成的离轴三反系统。相对孔径1∶2.4,视场10°×1°,系统像面大小211.59 mm×20.94 mm,其中XYZ为光学坐标系。

      图  5  光学系统结构图

      Figure 5.  Structure diagram of optical system

      首先对单镜组件进行装调,主镜、次镜和三镜组件的面形精度误差RMS分别为:0.061λ,0.050λ,0.059λλ为632.8 nm)。之后进行离轴三反光学系统的装调,根据像差理论将光学系统的波像差调整到最小。

    • 对上述光学系统进行像面测量,建立激光跟踪仪测量坐标系,如图6所示。坐标原点O为相机的安装孔投影到安装面的点,光轴指向探测器为Y′方向,垂直安装面方向为Z′方向,右手定则得到X′方向。

      图  6  坐标系建立

      Figure 6.  Coordinate system establishment

      利用激光干涉仪测试光学系统中心视场成像质量,通过调节激光干涉仪,使干涉图为零条纹且Power值为零。将激光跟踪仪目标球固定在高精度六维调节架上,调节目标球,使其球心与激光干涉仪的焦点重合,干涉图为零条纹且Power值为零,此时目标球球心位置为光学系统中心视场焦点,激光跟踪仪记录该点坐标位置。焦点位置测试装置如图7所示。

      图  7  焦点位置测试装置

      Figure 7.  Focus position test device

      通过调节标准平面镜和激光干涉仪确定光学系统各视场的焦点位置,激光跟踪仪记录各焦点位置的坐标。激光跟踪仪获得各视场的焦点空间坐标如表1所示。其中中心视场焦点在测量坐标系下的坐标为X′:−581.068 mm,Y′:−593.755 mm,Z′:141.462 mm。

      表 1  激光跟踪仪测试数据

      Table 1.  Laser tracker test data

      No.X′/mmY′/mmZ′/mm
      1−689.141−593.635141.747
      2−674.485−592.964143.519
      3−660.163−593.858141.097
      4−645.744−593.183143.007
      5−631.403−593.99140.678
      6−617.007−593.297142.705
      7−602.635−594.105140.465
      8−588.276−593.318142.597
      9−581.068−593.755141.462
      10−573.882−594.154140.392
      11−559.526−593.317142.560
      12−545.132−594.073140.517
      13−530.763−593.272142.803
      14−516.355−593.936140.829
      15−501.998−593.131143.232
      16−487.578−593.757141.337
      17−473.396−592.911143.850
      18−674.640−596.212134.667
      19−645.853−596.368134.144
      20−617.074−596.505133.839
      21−588.290−596.565133.739
      22−559.488−596.564133.716
      23−530.676−596.466133.942
      24−501.865−596.297134.307
      25−473.220−596.122134.966
      26−688.913−590.404150.618
      27−660.023−590.641149.963
      28−631.310−590.844149.527
      29−602.582−590.903149.315
      30−573.894−590.906149.234
      31−545.187−590.897149.417
      32−516.452−590.792149.710
      33−487.739−590.576150.215

      利用MATLAB软件将表1测试的焦点坐标进行像面拟合,拟合出的像面分布情况如图8所示。

      图  8  像面拟合分布图

      Figure 8.  Image plane fitting distribution

    • 将主镜、次镜和三镜最后装调面形图.dat文件代入光学系统ZEMAX设计文件中,镜子曲率半径、厚度、离轴量等参数均为实测值,图9为面形代入前后光学系统波前图。

      代入镜子实际面形后的光学系统,像面的分布情况会发生变化,用ZEMAX分别对各个视场进行分析,得出每个视场在光学坐标系下对应的焦点坐标,如表2所示。

      表 2  ZEMAX理论像面焦点坐标

      Table 2.  Focus coordinates of ZEMAX ideal image plane

      No.X/mmY/mmZ/mm
      1−104.9860.000−31.067
      2−83.9120.000−31.060
      3−62.8890.000−31.065
      4−41.9050.000−31.052
      50.0000.000−31.050
      641.9050.000−31.051
      762.8890.000−31.062
      883.9120.000−31.058
      9104.9860.000−31.063
      10−104.986−10.472−31.067
      11−83.912−10.472−31.068
      12−62.889−10.472−31.07
      13−41.905−10.472−31.064
      140.000−10.472−31.061
      1541.905−10.472−31.063
      1662.889−10.472−31.066
      1783.912−10.472−31.065
      18104.986−10.472−31.065
      19−104.986−5.236−31.068
      200.000−5.236−31.055
      21104.986−5.236−31.065
      22−104.9865.236−31.064
      230.0005.236−31.038
      24104.9865.236−31.06
      25−104.98610.472−31.059
      26−83.91210.472−31.048
      27−62.88910.472−31.054
      28−41.90510.472−31.034
      290.00010.472−31.024
      3041.90510.472−31.033
      3162.88910.472−31.052
      3283.91210.472−31.045
      33104.98610.472−31.056

      利用MATLAB软件将表2得到的焦点坐标进行像面拟合,拟合出的像面分布情况如图10所示。

      图  9  光学系统波前图

      Figure 9.  Wavefront diagram of optical system

      图  10  理论像面拟合分布图

      Figure 10.  Fitting distribution of the ideal image plane

    • 图8所示的实际像面与图10所示的ZEMAX输出的理想像面进行对比分析。在测量坐标系下,实测像面偏移量分别为Δx:0.12 mm、Δy:0.09 mm、Δz:0.10 mm,实测像面平面度0.049 mm,理论像面平面度0.040 mm,偏差0.009 mm,两个像面形状吻合性较好。根据获得的实测像面位置,在相机总装模型上进行探测器模拟匹配,仿真结果显示,探测器达到最佳位置时,机械接口完全可以匹配。以上测量和仿真结果说明光学系统已装调到位,可开展后续工作。

    • 像面测量过程中结合了干涉测量和几何量测量,影响像面测量精度的因素主要是激光干涉仪测量精度、激光跟踪仪的测量精度以及目标球获取焦点位置误差[8-9]

      使用的测量设备有:4D phasecam 6000激光干涉仪,在气流和温度有效控制下,测量精度≤0.01λ λ为632.8 nm),测量误差μ1≤6.328×10−6 mm。Leica AT 960激光跟踪仪,利用激光干涉测距,测距精度较高,但激光本身受大气温度、压力、湿度及气流流动的影响,在测试时对此设备进行了大气参数的补偿[10]。在实验室环境相对稳定的情况下,测量距离2 m,距离重复测量精度优于0.007 mm。全量程坐标精度μ2≤0.007 mm。激光跟踪仪的目标球的圆度优于0.003 mm,球偏心≤0.003 mm,干涉法获取焦点时,干涉图调至零条纹且Power值为零,调节引入的倾斜及轴向误差≤0.001 mm,测量误差μ3≤0.004 mm。

      综上,采用该方法进行光学系统像面测量,最终分析得到的综合测量精度${\mu} = \sqrt {{{\mu} _1} + {{\mu}_2} + {{\mu}_3}} $=8 μm,根据探测器接口设计要求,位移公差为±0.5 mm,测量精度为公差要求的1.7%,完全能满足测量要求。

    • 文中提出了一种干涉测量与几何量测量相结合的像面测量方法,该方法实现了光学系统在装调阶段的像面测量,测量精度可以达到0.008 mm。通过此方法,完成了视场10°离轴三反航天相机的像面绘制,并与ZEMAX输出的理论像面进行对比验证,平面度偏差0.009 mm,两个像面形状及位置基本吻合,由此判断出光学系统已装调到位。同时根据实测像面位置,在相机总装模型上将探测器进行模拟配准,指导实际探测器装调工作,提高探测器配准精度和效率。

参考文献 (10)

目录

    /

    返回文章
    返回