CN102679963A

CN102679963A - 航天相机真空中焦面预置方法及装置

Info

Publication number: CN102679963A
Application number: CN2012101501874A
Authority: CN
Inventors: 徐亮; 赵建科; 周艳; 薛勋; 刘峰; 胡丹丹; 张洁; 昌明
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: CN102679963B

Abstract

本发明涉及一种航天相机真空中焦面预置方法及装置，该预置方法包括以下步骤：1）获取待测相机在非真空状态下的光学传递函数MTF；2）获取待测相机在真空状态下的光学传递函数MTF；3）将步骤1）所得到的非真空状态下的光学传递函数MTF的值赋予真空状态下的光学传递函数MTF的值上，即完成待测相机真空中焦面预置。本发明结合真空成像原理提供了一种能够有效的在地面对航天相机的焦面进行预置、可保证航天相机在上天后能清晰成像的航天相机真空中焦面预置方法及装置。

Description

航天相机真空中焦面预置方法及装置

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种航天相机真空中焦面预置方法及装置，尤其涉及一种航天相机在发射上天后，用于在地面对航天相机的焦面进行预置，保证航天相机上天后能够清晰成像的目的的真空中焦面预置方法及装置。

背景技术

目前众多航天光学载荷上天后，都存在焦面会偏离原来地面标定的位置，这样将直接降低其传递函数，影响成像质量。在各种航天相机的研制中所设计的光学系统都是按照真空工作条件来设计的，而实际的光机装调及测试都是在地面环境空气中完成的。然而这种地面的装配环境一般和天上的工作环境是不同的，即航天相机都会受真空环境的影响，像面产生真空离焦现象。若航天相机工作在这种像面离焦情况中，则相机不能在天空中清晰成像，满足不了航天相机对地观测的需要。

目前对于航天相机焦面真空离焦的问题有两种解决办法，第一种：通过设计焦深大，真空离焦量小的光学系统来弥补真空离焦对成像质量的影响；第二种：通过航天相机在轨实时控制像面位置，即实时调整焦面前后来保证其清晰成像。上述两种方法虽然在实际工程中已被广泛应用，但是仍然存在很多缺陷。第一种方法虽然对于长焦距航天相机可靠性很好，但是对于短焦、大相对孔径航天相机来说，其焦深太小，在真空中光学系统的离焦量超过了焦深的承受范围，则对相机的成像质量会产生较大的影响，严重时可能无法清晰成像。对于第二种方法，一般在卫星可承载负载质量较大时被采用，但对于小型航天相机，要在其焦面上安装一种自动调焦机构，这样机构将大大增加相机的整机质量。对于航天相机来说，增加相机质量来保证像质是很不可取的方法；另外，这种调焦机构的安置，将大大降低航天相机在轨工作的可靠性。因此，上述两种方法急需进一步改进。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明结合真空成像原理提供了一种能够有效的在地面对航天相机的焦面进行预置、可保证航天相机在上天后能清晰成像的航天相机真空中焦面预置方法及装置。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种航天相机真空中焦面预置方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1）获取待测相机在非真空状态下的光学传递函数MTF；

2）获取待测相机在真空状态下的光学传递函数MTF；

3）将步骤1）所得到的非真空状态下的光学传递函数MTF的值赋予真空状态下的光学传递函数MTF的值上，即完成待测相机真空中焦面预置。

上述航天相机真空中焦面预置方法在步骤3）之后还包括：

4）将步骤3）所完成的焦面预置后的待测相机置于真空环境中进行验证，查看焦面预置是否合适。

上述步骤3）中赋予的具体实现方式是

令步骤2）中所得到的真空状态下的光学传递函数MTF的值无限接近或等于步骤1）中所得到的非真空状态下的光学传递函数MTF的值。

一种用于实现航天相机真空中焦面预置方法的预置装置，其特殊之处在于：所述航天相机真空中焦面预置装置包括光源、平行光光学系统、数据采集及处理系统以及真空系统；所述数据采集及处理系统与平行光光学系统相连；所述平行光光学系统设置在光源的出射光路上；所述真空系统设置在平行光学系统的出射光路上，待测相机置于平行光光学系统后的出射光路上并与数据采集及处理系统电性连接。

上述平行光光学系统包括平行光管、设置在平行光管端部的平行光管目标靶以及光栅尺；所述光栅尺与数据采集及处理系统电性连接；所述光源的出射光依次经过平行光管目标靶以及平行光管。

上述真空系统包括真空罐；所述真空罐包括罐体以及设置在罐体上的光入射窗口；所述光入射窗口设置在经平行光光学系统的出射光路上；待测相机置于罐体内部并处于平行光管的出射光路上。

上述光入射窗口是透光玻璃。

本发明的优点是：

1、本发明所提供的航天相机真空中焦面预置方法，利用几何光学成像原理，结合光学系统在真空中焦面离焦现象，首次突破性的提出了一种航天相机在地面对其焦面预置的方法，解决了焦平面在真空中偏移量修正的问题；该方法也可扩展应用于各类相机光电对接时，焦面修切量的精确测试，这种方法的应用对于光电对接装调中修切垫的精确研磨，提供了可靠的测试保证；应用范围广，涵盖航天相机中紫外、可见、红外、透射、反射、折反射式等各类光学系统的真空焦面预置，因此具有广泛的推广前景；本发明是用于对在轨航天相机焦面预置的关键技术，该项技术的研究成功，将预示着国内航天相机地面定标技术进入一个新的台阶。因此，开展航天相机真空焦面预置的研究，将对我国航天光学载荷的发展起着推动性作用。

2、本发明所提供的航天相机真空中焦面预置装置，利用地面环境试验设备，搭建了一套较简单、可靠性好、测试精度高的焦面在真空中离焦量测试系统，其在地面上可真实模拟航天相机在轨工作情况；该装置解决了以往真空焦面离焦量，通过软件估算精度低的难题，其实际测试精度可达到±2μm，完全满足各类航天相机真空焦面预置的测试要求；同时，该装置利用环境试验设备----真空罐，在相机光学像质测试时，将待测相机放置于真空罐中，则其不受环境杂散光及气流对真实成像质量测量带来的影响，尤其对于大口径、长焦距的航天相机更为显著。

附图说明

图1是本发明所提供的航天相机真空中焦面预置装置的结构示意图；

其中：

1-真空罐；2-待测相机焦面；3-待测相机；4-真空罐窗口玻璃；5-平行光管；6-平行光管目标靶；7-光栅尺；8-数据采集及处理系统。

具体实施方式

本发明提供了一种航天相机真空中焦面预置方法，该方法结合真空成像原理解决航天相机上天后焦面离焦的问题保证了航天相机发射上天后能够清晰成像。

本发明的工作原理是：

1）获取待测相机在非真空状态下的光学传递函数MTF；

2）获取待测相机在真空状态下的光学传递函数MTF；

3）将步骤1）所得到的非真空状态下的光学传递函数MTF的值赋予真空状态下的光学传递函数MTF的值上；该赋予的方式是令步骤2）中所得到的真空状态下的光学传递函数MTF的值无限接近或等于步骤1）中所得到的非真空状态下的光学传递函数MTF的值。

如果仅进行步骤1）～步骤3），即可完成待测相机真空中焦面预置，为了使其预置的效果更加显著，本发明还在步骤3）之后提供了验证步骤，如下所示：

4）将步骤3）所完成的焦面预置后的待测相机置于真空环境中进行验证，该验证的方式的目的就是查看待测相机在真空环境中的光学传递函数MTF是否达到需要的标准，查看焦面预置是否合适，该验证方式可以是各种常用的光学方法。

参见图1，本发明提供了航天相机真空中焦面预置装置，该装置包括光源、平行光光学系统、数据采集及处理系统8以及真空系统；数据采集及处理系统8与平行光光学系统相连；平行光光学系统设置在光源的出射光路上；真空系统设置在平行光学系统的出射光路上，待测相机3置于平行光光学系统后的出射光路上并与数据采集及处理系统8电性连接。

平行光光学系统包括平行光管5、设置在平行光管5端部的平行光管目标靶6以及光栅尺7；光栅尺7与数据采集及处理系统8电性连接；光源的出射光依次经过平行光管目标靶6以及平行光管5。

真空系统包括真空罐1；真空罐包括罐体以及设置在罐体上的光入射窗口；光入射窗口设置在经平行光光学系统的出射光路上；待测相机置于罐体内部并处于平行光管的出射光路上。光入射窗口是透光玻璃。

基于本发明的工作原理以及图1所示内容，本发明的具体工作过程是：在真空罐1外的平行光管5将其焦面部件调至最佳焦面位置（即平行光管出射光为平行光），此时使待测相机3对准平行光管5进行拍摄，若待测相机3所拍摄的目标像其光学传递函数MTF满足使用要求，则此时待测相机的焦面2位置为地面标定的最佳位置。然后将真空罐1抽真空，使其能真实模拟真空的实际环境。此时再次将待测相机3对平行光管5目标进行拍摄，同时不断延光轴方向前后调整平行光管5焦平面的位置，直到待测相机3所拍摄的目标像光学传递函数MTF与抽真空前光学传递函数MTF值相同时为止，这时根据平行光管焦面后的光栅尺7读数，利用公式（1）可精确计算出待测相机焦面2位置的修切量（修切方向与平行光管5焦面移动方向保持一致）。修切完待测相机焦面2后，再次将待测相机3放置在真空罐1内并对其抽真空，同时将平行光管5焦面复位，若待测相机3再次对平行光管5目标拍摄，则其所拍摄的目标像光学传递函数MTF可满足使用要求，即完成待测相机3的真空焦面预置。

式中l_相为待测相机焦面修切量，f_相为待测相机的焦距，f_光为平行光管的焦距，l_光为平行光管的离焦量。

其中各部分的功能如下介绍：

真空罐1主要模拟真空环境，保证待测相机3能够真实的工作在真空环境中。待测相机焦面2主要是保证待测相机3在真空环境中能够前后调节，以保证待测相机3达到最佳成像的目的。待测相机3是该试验的被测试件，用于验证该定标方法的可行性。真空罐窗口玻璃4主要提供理想的光学窗口，保证待测相机3放在真空罐1中可接收到平行光管5的出射光目标，同时该窗口玻璃4要求不对待测相机3的成像质量产生影响。平行光管5主要提供无穷远的目标，用于标定待测相机3在真空中的离焦量。平行光管目标靶6用于测试待测相机的传递函数，通过调整目标靶的离焦量，计算其不同位置的传递函数，来定标待测相机焦面2的实际离焦量。光栅尺7安装在平行光管目标靶6后面，用来测量平行光管焦面6离焦量的大小。数据采集及处理系统8用于实时采集待测相机3拍摄的目标图像，并对该图像进行处理、计算其传递函数，保证待测相机3放置在真空罐1前后传递函数一致；同时对光栅尺7输出的平行光管5离焦量进行采集，利用公式（1）计算其待测相机焦面2的离焦量。

Claims

1.一种航天相机真空中焦面预置方法，其特征在于：所述航天相机真空中焦面预置方法包括以下步骤：

1）获取待测相机在非真空状态下的光学传递函数MTF；

2）获取待测相机在真空状态下的光学传递函数MTF；

2.根据权利要求1所述的航天相机真空中焦面预置方法，其特征在于：所述航天相机真空中焦面预置方法在步骤3）之后还包括：

3.根据权利要求1或2所述的航天相机真空中焦面预置方法，其特征在于：所述步骤3）中赋予的具体实现方式是

4.一种用于实现权利要求1-3任一权利要求所述的航天相机真空中焦面预置方法的预置装置，其特征在于：所述航天相机真空中焦面预置装置包括光源、平行光光学系统、数据采集及处理系统以及真空系统；所述数据采集及处理系统与平行光光学系统相连；所述平行光光学系统设置在光源的出射光路上；所述真空系统设置在平行光学系统的出射光路上，待测相机置于平行光光学系统后的出射光路上并与数据采集及处理系统电性连接。

5.根据权利要求4所述的航天相机真空中焦面预置装置，其特征在于：所述平行光光学系统包括平行光管、设置在平行光管端部的平行光管目标靶以及光栅尺；所述光栅尺与数据采集及处理系统电性连接；所述光源的出射光依次经过平行光管目标靶以及平行光管。

6.根据权利要求5所述的航天相机真空中焦面预置装置，其特征在于：所述真空系统包括真空罐；所述真空罐包括罐体以及设置在罐体上的光入射窗口；所述光入射窗口设置在经平行光光学系统的出射光路上；待测相机置于罐体内部并处于平行光管的出射光路上。

7.根据权利要求6所述的航天相机真空中焦面预置装置，其特征在于：所述光入射窗口是透光玻璃。