CN108072361A - 探测相机焦面预置装置和方法 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有探测相机焦面预置方法较为繁琐、效率低、无法实现真空环境下焦面预置的技术问题，本发明提供了一种探测相机焦面预置装置和方法。本发明利用星模拟器、探测相机成像的共轭关系及两者之间的离焦量关系，将探测相机的离焦量转化为星模拟器的离焦量，通过分析星模拟器在不同离焦量下被探测相机采集的弥散斑图像，得到探测相机在不同离焦量下的成像特性，避免了探测相机焦面组件的运动，无需多次固定和调整探测相机焦面组件姿态，提高了测试效率；将探测相机置于真空罐内，利用本发明考核探测相机在真空条件下的弥散斑成像特性，能实现真空环境下焦面预置。

Description

探测相机焦面预置装置和方法
技术领域
本发明属于光电测试领域，涉及一种探测相机焦面预置装置和方法。
背景技术
探测相机是指搭载于卫星、飞船和空间站平台上，用于空间目标观测、平台自身姿态测定，以及主要针对点目标成像的光电探测设备，该类设备主要由光学系统和面阵探测器组成。焦面预置是指将面阵探测器放置固定于探测相机光学系统的焦面，面阵探测器采集光学系统在其焦面附近的能量分布，分析此能量分布，得到其弥散斑大小，所述弥散斑大小随着面阵探测器与光学系统焦面的距离而变化。为了保证足够的定位精度，需要弥散斑能够分布于一定区域，一般认为弥散斑的能量分布应符合高斯分布；考虑能量守恒，弥散斑能量分布太大会造成其峰值响应的急剧下降，而峰值响应一般要求不低于探测器空间噪声的5倍，才能保证星点被有效识别，从而降低虚警率；故此，需要得到探测相机弥散斑的成像特性，并将面阵探测器调整至探测相机光学系统(即探测相机镜头)合适的焦面位置，即完成探测相机焦面预置。同时，考虑探测相机的实际工作环境，需要在地面真空环境试验中验证其探测器所处焦面的合理性，故焦面预置还应包括真空环境下的焦面预置。
现有的相机焦面预置方法，需要调整探测相机焦面组件到探测相机光学系统的距离，每次调整探测相机焦面组件时需关掉探测相机电源，调整到位后需要重新固定探测相机焦面组件并重新调整其姿态，较为繁琐且效率低，且无法实现真空环境下的焦面预置。
发明内容
为了解决现有探测相机焦面预置方法较为繁琐、效率低、无法实现真空环境下焦面预置的技术问题，本发明提供了一种探测相机焦面预置装置和方法。
本发明的技术解决方案如下：
探测相机焦面预置方法，包括以下步骤：
步骤1：根据下述公式选取星模拟器中星点板的星点直径；
d＝1.22λfcol/D
式中，d为星点板的星点直径，单位μm；
λ为探测相机响应的中心波长，单位μm；
fcol为星模拟器焦距，单位mm；
D为探测相机光学系统入瞳，单位mm；
步骤2：将星模拟器的星点板置于星模拟器焦面；
步骤3：将待进行焦面预置的探测相机固定于二维转台上，并使探测相机光学系统的入瞳位于二维转台的转轴中心；
步骤4：点亮积分球光源，使光学系统光轴与星模拟器光轴穿轴，调整积分球光源使积分球光源出口处辐亮度L、星模拟器出口辐照度E满足下式；
式中，E为星模拟器出口辐照度，单位W/m2；
L为积分球光源出口处辐亮度，单位W/m2/Sr；
步骤5：打开探测相机，利用探测相机地检采集探测相机面阵探测器接收到的弥散斑图像，根据所述弥散斑图像计算弥散斑的大小；
步骤6：沿星模拟器光学系统的光轴轴向移动积分球光源和星点板，得到星模拟器在不同离焦量Δlcol下的星点像，采集这些星点像对应的弥散斑图像，计算相应弥散斑大小，从而得到当前视场下、横坐标为星模拟器离焦量、纵坐标为探测相机所成星点像弥散斑大小的星模拟器过焦曲线；
步骤7：按照下述公式，将步骤6所得的星模拟器过焦曲线转换为当前视场下、横坐标为探测相机离焦量、纵坐标为探测相机所成星点像弥散斑大小的探测相机过焦曲线；
式中，Δlcol为星模拟器离焦量，单位mm；
Δlpro为探测相机与星模拟器共轭时，对应的探测相机离焦量，单位mm；
fpro为探测相机的焦距，单位mm；
步骤8：转动二维转台，得到探测相机不同视场下所成星点像的弥散斑大小，若某视场下弥散斑大小和该视场对应的预定值不一致，则在对应视场下，重复步骤6和7，得到该视场下探测相机过焦曲线，由此，得到该视场下探测相机面阵探测器沿轴的修切方向和修切量，进入步骤9；若所有视场下弥散斑大小和其对应的预定值均一致，则表示常温常压下探测相机焦面预置完成，进入步骤11；
步骤9：重复上述步骤8，得到不同视场下的面阵探测器相对于探测相机光学系统焦面的修切方向和修切量；
步骤10：根据步骤8所得的修切方向和修切量对探测相机焦面组件进行修切后，将星模拟器的焦面调回无穷远处，转动二维转台，计算探测相机各视场下所成弥散斑大小，若达到设定要求，则表示常温常压下探测相机焦面预置完成；若未达到设定要求，则根据步骤9的修切方向和修切量再次进行修切，直至各视场下的弥散斑大小均达到设定要求为止；
步骤11：完成常温常压下探测相机焦面预置后，将探测相机置于真空罐内，将星模拟器正对真空罐的光学窗口放置于真空罐罐外，按照步骤1-10的方法，考核探测相机在真空条件下的弥散斑成像特性，完成真空条件下探测相机焦面预置。
进一步地，在上述步骤7之前，先对同一工况下的星模拟器的过焦曲线采用多项式拟合，得到星模拟器的拟合过焦曲线；所述步骤7中，将所述拟合过焦曲线转换为横坐标为探测相机离焦量的探测相机过焦曲线。
进一步地，上述步骤5中，弥散斑大小的计算方法为：
(1)从获取的原始弥散斑图像中截取包含弥散斑的区域；
(2)以灰度最大的点为中心，最大概率覆盖弥散斑区域的像元数为边长，确定有效的弥散斑正方形区域；
(3)在所述有效的弥散斑正方形区域内，递增选取阈值，不小于阈值的点参与二维各向同性高斯拟合，以拟合结果与原始分布的相关度最大为判据，确定最佳背景预置B；
(4)以所述最佳背景阈值B为阈值，得到二维各向同性高斯拟合结果；引入异性因子，以本步骤中得到的二维各向同性高斯拟合结果与原始分布的相关度最大为判据，确定最佳异性因子，得到二维异性的高斯拟合结果；
(5)对所述二维异性的高斯拟合结果，按照异性因子确定的两维比例进行二维数值积分，得到占总能量80％区域的大小，对所述占总能量80％区域大小按等效面积圆得到圆直径，该圆直径即为弥散斑大小。
本发明同时提供了一种实现上述探测相机焦面预置方法的焦面预置装置，其特殊之处在于：包括星模拟器、二维转台、二维转台控制器和探测相机地检；
星模拟器用于提供位于无穷远、满足待进行焦面预置的探测相机衍射成像的星点目标；所述星点目标的星等为所述探测相机实际工作时用于定位的星等；所述星模拟器的星点板的星点直径按照下述公式选取：
d＝1.22λfcol/D；
所述二维转台用于固定和放置所述探测相机，带动探测相机转动；
所述二维转台控制器与二维转台相连，用于控制二维转台运动；
所述探测相机地检与所述探测相机的面阵探测器相连，用于采集所述面阵探测器接收到的弥散斑图像。
进一步地，上述星模拟器包括沿光路依次设置的积分球光源、星点板和星模拟器光学系统，其中，积分球光源的出射能量应满足下式：
式中，E为星模拟器出口辐照度，单位W/m2；
L为积分球光源出口处辐亮度，单位W/m2/Sr；
fcol为星模拟器焦距，单位mm；
d为星点板的星点直径，单位μm。
进一步地，上述星模拟器的星点板设置在伸缩筒上，由伸缩筒带动沿积分球光源输出光路的光轴运动。
进一步地，上述伸缩筒上设置有刻度，通过所述刻度可给出星模拟器的离焦量。
与现有技术相比，本发明的优点：
本发明利用星模拟器、探测相机成像的共轭关系及两者之间的离焦量关系，将探测相机的离焦量转化为星模拟器的离焦量，通过分析星模拟器在不同离焦量下被探测相机采集的弥散斑图像，得到探测相机在不同离焦量下的成像特性，该方法避免了探测相机焦面组件的运动，无需多次固定和调整探测相机焦面组件姿态，提高了测试效率；将探测相机置于真空罐内，采用本发明的方法，考核探测相机在真空条件下的弥散斑成像特性，能实现真空环境下焦面预置。
附图说明
图1是本发明探测相机焦面预置装置的结构示意图；
图2是不同工况下的多项式拟合前的过焦曲线图和多项式拟合后的拟合过焦曲线图；
图3为本发明计算弥散斑大小的流程图；
图中标号：1-星模拟器；11-积分球光源；12-星点板；13-伸缩筒；14-星模拟器光学系统；2-探测相机；21-探测相机光学系统；22-面阵探测器；3-二维转台；4-二维转台控制器；5-探测相机地检。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明。
参见图1，本发明的探测相机焦面预置装置，包括星模拟器1、二维转台3、二维转台控制器4和探测相机地检5。
星模拟器1用于提供位于无穷远、满足待进行焦面预置的探测相机衍射成像的星点目标，该星点目标的星等为所述待进行焦面预置的探测相机2实际工作时用于定位的星等；星模拟器1的光谱谱型应与被观测的星等目标谱型一致；星模拟器1提供的物与探测相机2接收所成的像共轭时，探测相机2所成的弥散斑最小。本实施例中，星模拟器1包括沿光路依次设置的积分球光源11、星点板12和星模拟器光学系统14，其中，积分球光源11的出射能量应满足探测相机对星模拟器的能量要求，即下述公式(2)；星点板12的星点直径d应根据中心波长、星模拟器焦距和探测相机光学系统入瞳确定；星点板设置在伸缩筒上，由伸缩筒带动沿积分球光源输出光路的光轴运动；伸缩筒上设置有刻度，通过该刻度可给出星模拟器的离焦量；在其他实施例中，也可通过其他方式给出星模拟器的离焦量。本发明星模拟器1的选型和设计可参考“弱光单星模拟器的设计与标定”，刘尚阔，薛勋，李坤，曹昆，赵建科，周艳，姚保利，《光学学报》，第37卷第10期，2017年10月。
待进行焦面预置的探测相机2包括探测相机光学系统21和设置在探测相机光学系统焦面附近的探测相机焦面组件；探测相机焦面组件由面阵探测器22和机械连接固定结构(图中未示出)构成；探测相机光学系统21接收来自星模拟器1的光，并成像于探测相机光学系统焦面上，面阵探测器22探测星模拟器1的星点像对应的弥散斑图像；本发明将待进行焦面预置的探测相机2设置在二维转台3上，由二维转台3带动探测相机2转动，以便面阵探测器22获取探测相机不同视场下的弥散斑。
二维转台控制器4与二维转台3相连，用于控制二维转台3运动。
探测相机地检5与探测相机的面阵探测器22相连，用于采集面阵探测器22接收到的弥散斑图像。
本发明探测相机焦面预置方法如下：
步骤1：根据下述公式(1)选取星点板的星点直径；
d＝1.22λfcol/D (1)
式中，d为星点板的星点直径，单位μm；
λ为探测相机响应的中心波长，单位μm；
fcol为星模拟器焦距，单位mm；
D为探测相机光学系统入瞳，单位mm。
步骤2：利用高斯目镜和平面反射镜，将星模拟器1的星点板12置于星模拟器1的焦面。
步骤3：将探测相机2固定于二维转台3上，并使其光学系统的入瞳置于二维转台3的转轴中心；
步骤4：点亮积分球光源11，使探测相机光学系统21光轴与星模拟器1光轴穿轴；调整积分球光源11使积分球光源出口处辐亮度L、星模拟器1出口辐照度E满足下式；
式中，E为星模拟器出口辐照度，单位W/m2；
L为积分球光源出口处辐亮度，单位W/m2/Sr；
若积分球光源过暗，则面阵探测器探测不到图像，若积分球光源过饱和，则会引起面阵探测器探测的图像失真，本发明调整积分球光源使其出口处辐亮度满足上式(2)可有效避免这两种情况发生。
步骤5：打开探测相机2，利用探测相机地检5采集面阵探测器22接收到的弥散斑图像，根据弥散斑图像计算弥散斑大小，计算方法参见图3：
(1)从弥散斑图像中手动截取包含弥散斑的区域；
(2)以灰度最大的点为中心，最大概率覆盖弥散斑区域的像元数为边长，确定有效的弥散斑正方形区域；
(3)在有效的弥散斑正方形区域内，递增选取阈值，不小于阈值的点参与二维各向同性高斯拟合，以该拟合结果与原始分布的相关度最大为判据，确定最佳背景预置B；
(4)以最佳背景阈值B为阈值，得到二维各向同性高斯拟合结果；引入异性因子，以本步骤中得到的二维各向同性高斯拟合结果与原始分布的相关度最大为判据，确定最佳异性因子，得到二维异性的高斯拟合结果；
(5)对二维异性的高斯拟合结果，按照异性因子确定的两维比例进行二维数值积分，得到占总能量80％区域的大小，对该区域按等效面积圆得到圆直径。
步骤6：沿星模拟器光学系统的光轴轴向移动积分球光源和星点板12，得到星模拟器1在不同离焦量Δlcol下的星点像，采集这些星点像对应的弥散斑图像，计算相应弥散斑大小，从而得到当前视场下星模拟器的过焦曲线，该过焦曲线用于描述当前视场下，星模拟器1在不同离焦量Δlcol下，探测相机2所成星点像的弥散斑大小，如图2所示。
图2中，横坐标为星模拟器离焦量，单位mm；纵坐标为探测相机在对应星模拟器离焦量下所成星点像的弥散斑大小，单位Pixels；为减小单点测试随机误差的影响，可对同一工况下的星模拟器的过焦曲线采用多项式拟合，得到拟合过焦曲线，图2中曲线A为多项式(罐内试验前)对应的拟合过焦曲线，曲线B为多项式(真空0度)对应的拟合过焦曲线，曲线C为多项式(真空-10度)对应的拟合过焦曲线，曲线D为多项式(真空10度)对应的拟合过焦曲线，曲线E为多项式(真空20度)对应的拟合过焦曲线，拟合过焦曲线的最低点对应的星模拟器离焦量即为当前视场下星模拟器最佳离焦量Δlcol。
步骤7：按照下述公式(3)，将步骤6得到的星模拟器过焦曲线转换为当前视场下、横坐标为探测相机离焦量、纵坐标为探测相机所成星点像弥散斑大小的探测相机过焦曲线；
星模拟器离焦量Δlcol与探测相机离焦量Δlpro有如下关系
式中，Δlcol为星模拟器离焦量，单位mm；
Δlpro为探测相机与星模拟器共轭时，对应的探测相机离焦量，单位mm；
fpro为探测相机的焦距，单位mm。
步骤8：转动二维转台3，得到探测相机2不同视场下所成星点像的弥散斑大小，若某视场下弥散斑大小和该视场下的设计值不一致，则在该视场下重复步骤6和7，得到该视场下的探测相机过焦曲线，由此，得到该视场下面阵探测器相对于探测相机光学系统焦面的修切方向和修切量，进入步骤9；若所有视场下弥散斑大小和所有视场下的设计值均一致，则表示常温常压下探测相机焦面预置完成，进入步骤11。
步骤9：重复上述步骤8，得到不同视场下的面阵探测器相对于探测相机光学系统焦面的修切方向和修切量。
步骤10：根据所述修切方向和修切量对探测相机焦面组件进行修切后，将星模拟器1的焦面调回无穷远处，转动二维转台3，计算探测相机2各视场下所成的弥散斑大小，若达到设定要求，则表示常温常压下探测相机焦面预置完成；若未达到设定要求，则根据步骤9的修切方向和修切量再次进行修切，直至各视场下的弥散斑大小达到设定要求为止。
步骤11：完成常温常压下探测相机焦面预置后，将探测相机置于真空罐内，将星模拟器正对真空罐的光学窗口放置于真空罐罐外，按照步骤1-10的方法，考核探测相机在真空条件下的弥散斑成像特性，完成真空条件下探测相机焦面预置。

Claims (7)

1.探测相机焦面预置方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据下述公式选取星模拟器中星点板的星点直径；
d＝1.22λfcol/D
式中，d为星点板的星点直径，单位μm；
λ为探测相机响应的中心波长，单位μm；
fcol为星模拟器焦距，单位mm；
D为探测相机光学系统入瞳，单位mm；
步骤2：将星模拟器的星点板置于星模拟器焦面；
步骤3：将待进行焦面预置的探测相机固定于二维转台上，并使探测相机光学系统的入瞳位于二维转台的转轴中心；
步骤4：点亮积分球光源，使光学系统光轴与星模拟器光轴穿轴，调整积分球光源使积分球光源出口处辐亮度L、星模拟器出口辐照度E满足下式；
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>4</mn> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mn>1000</mn> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;times;</mo> <mi>L</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>d</mi> </mrow>
式中，E为星模拟器出口辐照度，单位W/m2；
L为积分球光源出口处辐亮度，单位W/m2/Sr；
步骤5：打开探测相机，利用探测相机地检采集探测相机面阵探测器接收到的弥散斑图像，根据所述弥散斑图像计算弥散斑的大小；
步骤6：沿星模拟器光学系统的光轴轴向移动积分球光源和星点板，得到星模拟器在不同离焦量Δlcol下的星点像，采集这些星点像对应的弥散斑图像，计算相应弥散斑大小，从而得到当前视场下、横坐标为星模拟器离焦量、纵坐标为探测相机所成星点像弥散斑大小的星模拟器过焦曲线；
步骤7：按照下述公式，将步骤6所得的星模拟器过焦曲线转换为当前视场下、横坐标为探测相机离焦量、纵坐标为探测相机所成星点像弥散斑大小的探测相机过焦曲线；
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;l</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;l</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>f</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>f</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>l</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> </mrow>
式中，Δlcol为星模拟器离焦量，单位mm；
Δlpro为探测相机与星模拟器共轭时，对应的探测相机离焦量，单位mm；
fpro为探测相机的焦距，单位mm；
步骤8：转动二维转台，得到探测相机不同视场下所成星点像的弥散斑大小，若某视场下弥散斑大小和该视场对应的预定值不一致，则在对应视场下，重复步骤6和7，得到该视场下探测相机过焦曲线，由此，得到该视场下探测相机面阵探测器沿轴的修切方向和修切量，进入步骤9；若所有视场下弥散斑大小和其对应的预定值均一致，则表示常温常压下探测相机焦面预置完成，进入步骤11；
步骤9：重复上述步骤8，得到不同视场下的面阵探测器相对于探测相机光学系统焦面的修切方向和修切量；
步骤10：根据步骤8所得的修切方向和修切量对探测相机焦面组件进行修切后，将星模拟器的焦面调回无穷远处，转动二维转台，计算探测相机各视场下所成弥散斑大小，若达到设定要求，则表示常温常压下探测相机焦面预置完成；若未达到设定要求，则根据步骤9的修切方向和修切量再次进行修切，直至各视场下的弥散斑大小均达到设定要求为止；
步骤11：完成常温常压下探测相机焦面预置后，将探测相机置于真空罐内，将星模拟器正对真空罐的光学窗口放置于真空罐罐外，按照步骤1-10的方法，考核探测相机在真空条件下的弥散斑成像特性，完成真空条件下探测相机焦面预置。
2.根据权利要求1所述的探测相机焦面预置方法，其特征在于：在所述步骤7之前，先对同一工况下的星模拟器的过焦曲线采用多项式拟合，得到星模拟器的拟合过焦曲线；所述步骤7中，将所述拟合过焦曲线转换为横坐标为探测相机离焦量的探测相机过焦曲线。
3.根据权利要求1或2所述的探测相机焦面预置方法，其特征在于：所述步骤5中，弥散斑大小的计算方法为：
(1)从获取的原始弥散斑图像中截取包含弥散斑的区域；
(2)以灰度最大的点为中心，最大概率覆盖弥散斑区域的像元数为边长，确定有效的弥散斑正方形区域；
(3)在所述有效的弥散斑正方形区域内，递增选取阈值，不小于阈值的点参与二维各向同性高斯拟合，以拟合结果与原始分布的相关度最大为判据，确定最佳背景预置B；
(4)以所述最佳背景阈值B为阈值，得到二维各向同性高斯拟合结果；引入异性因子，以本步骤中得到的二维各向同性高斯拟合结果与原始分布的相关度最大为判据，确定最佳异性因子，得到二维异性的高斯拟合结果；
(5)对所述二维异性的高斯拟合结果，按照异性因子确定的两维比例进行二维数值积分，得到占总能量80％区域的大小，对所述占总能量80％区域大小按等效面积圆得到圆直径，该圆直径即为弥散斑大小。
4.实现权利要求1-3任一所述探测相机焦面预置方法的焦面预置装置，其特征在于：包括星模拟器、二维转台、二维转台控制器和探测相机地检；
星模拟器用于提供位于无穷远、满足待进行焦面预置的探测相机衍射成像的星点目标；所述星点目标的星等为所述探测相机实际工作时用于定位的星等；所述星模拟器的星点板的星点直径按照下述公式选取：
d＝1.22λfcol/D；
所述二维转台用于固定和放置所述探测相机，带动探测相机转动；
所述二维转台控制器与二维转台相连，用于控制二维转台运动；
所述探测相机地检与所述探测相机的面阵探测器相连，用于采集所述面阵探测器接收到的弥散斑图像。
5.根据权利要求4所述的焦面预置装置，其特征在于：所述星模拟器包括沿光路依次设置的积分球光源、星点板和星模拟器光学系统，其中，积分球光源的出射能量应满足下式：
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>4</mn> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mn>1000</mn> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;times;</mo> <mi>L</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>d</mi> </mrow>
式中，E为星模拟器出口辐照度，单位W/m2；
L为积分球光源出口处辐亮度，单位W/m2/Sr；
fcol为星模拟器焦距，单位mm；
d为星点板的星点直径，单位μm。
6.根据权利要求5所述的焦面预置装置，其特征在于：还包括伸缩筒；所述星模拟器的星点板设置在伸缩筒上，由伸缩筒带动沿积分球光源输出光路的光轴运动。
7.根据权利要求6所述的焦面预置装置，其特征在于：所述伸缩筒上设置有刻度，通过所述刻度可给出星模拟器的离焦量。
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