CN104034352B - 采用激光跟踪仪和干涉检验测量空间相机场曲的方法 - Google Patents

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Abstract

采用激光跟踪仪和干涉检验测量空间相机场曲的方法，涉及空间光学遥感技术领域，解决现有空间相机的场曲检测过程中存在检测设备的通用性差，检测精度及效率低等问题，空间相机的焦点是平行光入射相机后球面波的汇聚点，而采用干涉仪、平面镜进行相机系统波像差自准检测时，将干涉仪的出射球面波的汇聚中心放置在空间相机的焦点处，经空间相机变成平行光，再由平面反射镜反射至汇聚点，进入干涉仪发生干涉，干涉仪出射球面波的汇聚中心就是空间相机的焦点。本发明测量精度高；测量原理简单明确，不需要制造专用的设备，通用性强，且测量的像场大小范围大，测量的视场点数不受限制，使用方便；可以与相机的各视场波像差检测同时进行，测量效率高。

Description

采用激光跟踪仪和干涉检验测量空间相机场曲的方法
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方法。
背景技术
在空间相机的研制中，光学系统设计会残留场曲，光学元件的加工误差和安装位置偏差都会导致不同视场的焦点位置变化。场曲破坏空间相机成像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一种像差。
根据场曲的定义，场曲的直接测量方法是：利用平行光管产生物光并入射至空间相机中，在空间相机的焦面位置放置光电探测器、精密调整架及位置测量设备，探测平行光经过相机后汇聚的焦点并记录其位置；调整光管(或相机)测试不同视场的焦点，得到全视场的场曲。公开号为103278179A，公开日为2013.09.04的专利，名称为《空间相机场曲检测装置及检测方法》就是根据这个原来进行场曲测量的方法。这种方法制造一个大口径标准镜头，将点光源放置在大口径标准镜头的焦点位置处以产生大口径的平行光，该平行光入射相机并在相机的焦点处汇聚为弥散光斑；在相机的焦面上设置30个测量点对应30个光学探头，通过数据采集和图像处理分析在探头接收到的弥散斑图像最小时记录支撑探头的微位移平台的位置，分别测量即可得到30个像场。这种方法能够实现空间相机的场曲测量，但是需要制造专门的标准镜头、微位移平台、光学探头、成本非常高，尤其是对大口径的空间相机，要实现全口径的场曲测试，必须制造对应的大口径的标准镜头，成本和技术难度都非常大；系统较为复杂，涉及点光源、大口径标准镜头、探头、图像采集及分析处理、微位移平台，且判断焦点的标准为成像的弥散斑，误差源较多；调整时间长，测试效率低，测试焦面点的数量受设计和成本限制。
在空间相机波像差检验过程中，最常采用的是基于干涉仪的自准直检验方法，即利用干涉仪产生在空间相机焦点处汇聚的球面波，经过相机后由高精度平面镜反射，再次汇聚至焦点，因此干涉仪出射光汇聚的焦点就是空间相机的焦点，利用这种自准检测光路也可以实现场曲的测量。公开号为102540751A，公开日为2012.07.04，名称为《一种检测投影物镜畸变和场曲的方法》，采用的就是波像差检测的自准光路进行场曲的测量。该方法采用9×9针孔掩模板、波前传感器和干涉仪测量组件进行测量。波前探测器探测焦距为f的被测物镜经准直光路后的出射波的曲率半径R，利用近似公式Az＝-f2/R计算出场曲Az。第一种方法中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Az则利用的是近似公式Az＝-f2/R，造成场曲的计算误差。
这两种方法都需要再制造一定的设备和仪器来专门进行场曲的检测，不同视场大小的空间相机就不要制造不同尺寸的设备进行检测，通用性弱。
发明内容
本发明为了解决现有空间相机的场曲检测过程中存在检测设备的通用性差、检测精度及效率低等问题，提供一种采用激光跟踪仪和干涉检验测量空间相机场曲的方法。
采用激光跟踪仪和干涉检验测量空间相机场曲的方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、调整平面反射镜、空间相机和干涉仪的相对位置和角度，采用干涉仪对空间相机的某一视场角进行自准干涉检测，获得该视场角的拟合波像差系数的离焦项，调整干涉仪将离焦系数调至绝对值小于0.1时，记录离焦系数大小和符号；
步骤二、调整激光跟踪仪的靶标球，采用干涉仪对靶标球的球面检测，获得靶标球的面形结果，调整靶标球的面形结果中的离焦系数，使离焦系数的绝对值小于0.1，并记录离焦系数大小和符号；
步骤三、采用激光跟踪仪测量所述靶标球的空间坐标位置，该坐标位置作为当前该视场角对应的焦点位置；
步骤四、重复步骤一至步骤三，实现空间相机的全视场焦点位置测量，根据测量记录的坐标位置及离焦系数，获得空间相机的场曲。
本发明的原理：空间相机的焦点是平行光入射相机后球面波的汇聚点，而采用干涉仪、平面镜进行相机系统波像差自准检测时，是将干涉仪的出射球面波的汇聚中心放置在空间相机的焦点处，经过空间相机变成平行光，再由平面反射镜反射至汇聚点，最后进入干涉仪发生干涉，因此干涉仪出射球面波的汇聚中心就是空间相机的焦点。采用同一干涉仪对激光跟踪仪的靶标球的球面进行干涉检测时，干涉仪出射光的汇聚中心刚好汇聚至靶标球的球心时，干涉仪得到的是无倾斜、无离焦的检测结果，此时采用激光跟踪仪对靶标球进行坐标测量，得到的是靶标球球心的坐标，因此激光跟踪仪测量的坐标就是空间相机的焦点位置；分别测量各个视场的焦点，就能够计算场曲。
本发明的有益效果：本发明利用空间相机的自准检测光路，采用激光跟踪仪和靶标球干涉检测来测量场曲，测量精度高；测量原理简单明确，不需要制造专用的设备，通用性强，且测量的像场大小范围大，测量的视场点数不受限制，使用方便；可以与相机的各视场波像差检测同时进行，测量效率高。
附图说明
图1为本发明所述的采用激光跟踪仪和干涉检验测量空间相机场曲的方法中测量空间相机焦点的示意图；
图2为本发明所述的采用激光跟踪仪和干涉检验测量空间相机场曲的方法中采用激光跟踪仪测量空间相机其它视场对应的焦点(用来拟合场曲)的示意图；
图中：1、平面反射镜，2、空间相机，3、激光跟踪仪，4、干涉仪，5、靶标球，6、干涉仪出射光汇聚焦点(也是相机无穷远焦点及靶标球球心)，7、第二焦点。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，采用激光跟踪仪测量空间相机场曲的方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、调整平面反射镜1、空间相机2和干涉仪4的相对位置和角度，实现空间相机2某一视场的自准波像差检测；
步骤二：通过干涉仪4进行检测并查看干涉仪4软件中拟合波像差系数的离焦项，调整干涉仪4将离焦系数调整至绝对值小于0.1并记录离焦系数大小和符号；
步骤三：将激光跟踪仪3的靶标球5放置在安装球座上并放在干涉仪4出射光的焦点6附近，然后精细调整与球座相连的三维平移调整架，实现靶标球5的球面干涉检测(干涉仪4保持位置不动)；将靶标球5的面形检测结果中的离焦系数调整至绝对值小于0.1并记录其大小和符号；
步骤四：采用激光跟踪仪3测量靶标球5的空间坐标，得到的是靶标球5球心的坐标；去除倾斜和离焦带来的位置误差后该位置就是空间相机2当前视场对应的无穷远焦点，即干涉仪出射光汇聚焦点6的坐标。
步骤五：调整自准平面镜1和干涉仪4至其他视场自准检测状态，重复上述步骤二至四，实现空间相机2的需求的其他焦点(图2中的第二焦点7)的空间坐标测量；
步骤六：依靠上述测量得到的各视场焦点的空间坐标及离焦系数，计算场曲、平面度等参量；绘制场曲曲线；进行误差分析和重复性精度测量。
具体实施方式二、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的采用激光跟踪仪测量空间相机场曲的方法的实施例：
a、调整平面反射镜1相对于空间相机2的角度，达到需要的视场角(可借助经纬仪等角度测量仪器实现)，然后调整干涉仪4的位置和角度，使干涉仪4出射的球心为焦点6的球面波经过空间相机2、平面镜1后，再反射回来的球面波也汇聚到焦点6，在干涉仪4中形成干涉条纹(光路为图中空心箭头的光线)，并调整至较小的离焦(可通过干涉仪4的软件查看)，这样就实现了该视场角的空间相机2的自准检测。去除离焦的误差后，该视场角对应的空间相机2的无穷远焦点与干涉仪4的出射光汇聚焦点6的坐标位置是重合的；记录离焦的系数；
b、将激光跟踪仪3放置在检测光路附近(保证靶标球5放置在焦点6时激光跟踪仪3能够进行测量)；将靶标球5放置在球座上并连接在具有三维平移的调整架上；将靶标球5放置到焦点6附近，然后调整调整架使得靶标球5的球面在干涉仪4中形成干涉条纹(光路为图中实心箭头的光线，此时相机自准光路被遮挡)，继续调整使得球面检测结果的离焦较小，并记录离焦系数；采用激光跟踪仪3测量得到靶标球5的球心坐标(x1,y1,z1)；
c、将靶标球5移开，调整平面反射镜1、干涉仪4的位置和角度，达到需求的空间相机2的视场角，保持激光跟踪仪3和空间相机2的位置不变，重复上述步骤a和b，得到第二焦点7的空间坐标(x2,y2,z2)；
d、按照步骤c，继续进行其他视场的测试，得到空间相机2的n个焦点坐标；
e、测量完各视场对应的焦点坐标后，去除离焦的系数误差(依据公式：d＝w·8(f/#)2，为w为离焦系数，a步骤中f/#为空间相机2的F/#，b步骤中的f/#为靶标球5的R/#)，再利用这些数据进行拟合得到场曲曲率、曲面、平面度等参数，拟合和参数计算可借助激光跟踪仪2的软件完成；
f、重复步骤a-e，进行多次测量和精度分析。

Claims (2)

1.采用激光跟踪仪和干涉检验测量空间相机场曲的方法，其特征是，该方法由以下方法实现：
步骤一、调整平面反射镜(1)、空间相机(2)和干涉仪(4)的相对位置和角度，采用干涉仪(4)对空间相机(2)的某一视场角进行自准干涉检测，即：使干涉仪(4)出射的球心为焦点(6)的球面波经过空间相机(2)和平面反射镜(1)后，再反射回来的球面波也汇聚到焦点(6)，在干涉仪(4)中形成干涉条纹；获得空间相机(2)该视场角的拟合波像差系数的离焦项，调整干涉仪(4)将离焦系数调至绝对值小于0.1时，记录离焦系数；
步骤二、将激光跟踪仪(3)的靶标球(5)放置在焦点(6)处，然后调整调整架使靶标球(5)的球面在干涉仪(4)中形成干涉条纹，获得靶标球(5)的面形结果，调整靶标球(5)的面形结果中的离焦系数，使离焦系数的绝对值小于0.1，记录离焦系数；采用激光跟踪仪(3)测量得到靶标球(5)的球心坐标；该坐标位置作为当前该视场角对应的焦点位置；
步骤三、将靶标球(5)移开，重复步骤一和步骤二，获得空间相机(2)的全视场对应的焦点坐标和离焦系数，去除离焦系数误差后，获得空间相机(2)的场曲。
2.根据权利要求1所述的采用激光跟踪仪和干涉检验测量空间相机场曲的方法，其特征在于，步骤二中将靶标球(5)放在球座上并连接三维平移的调整架，调整调整架，使靶标球(5)的球面在干涉仪(4)中形成干涉条纹。
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