CN110779688B

CN110779688B - 一种大视场面阵器件视场拼接精度测试方法

Info

Publication number: CN110779688B
Application number: CN201910989611.6A
Authority: CN
Inventors: 钟卉; 贾馨; 郭悦; 王静; 张晔之; 王向东; 于宗伟; 阴刚华
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2039-10-17
Also published as: CN110779688A

Abstract

本发明一种大视场面阵器件视场拼接方法，步骤如下：1)设置N组镜头；所述镜头数量N≥2；每个镜头对应的焦面组件中所含的面阵器件数量分别为M_N个；M_N的取值大于等于1；2)对N个镜头分别对应的焦面组件进行内视场拼接；3)将镜头与对应的焦面组件对接，调整光轴方向；4)将镜头之间的焦面组件进行外视场拼接。5)重复步骤4)完成其余焦面组件的外视场拼接，直至完成所有面阵器件的视场拼接。本发明拼接方法可操作性强，具有很强的实用价值。

Description

一种大视场面阵器件视场拼接精度测试方法

技术领域

本发明涉及一种大视场面阵器件视场拼接精度测试方法，属于航天光学遥感器技术领域，可应用于需要使用多片面阵探测器的航空、航天相机。

背景技术

由于器件封装尺寸和工艺的限制，若需要得到大面阵的器件，就需要进行器件拼接。面阵器件若要实现拼接，需要使用复杂的拼接反射镜形式，在工程实现上难度较大，而且要求镜头的后截距够长，这对于焦距相对小的镜头，在设计上不可行。另一种现有技术是使用多个镜头，每个镜头使用部分视场，通过多个镜头实现视场拼接。从设计上，是通过控制各个镜头的光轴角度以及各片器件的角度来实现的，一般是通过经纬仪精密测角实现，但是在实际工程中，器件角度的测量难度大，实现困难，而且测角法也只适用于可见光谱段，近红外谱段就不适用了，因此这种方法的可操作性较低。

现有技术是使用精密测角设备或者精密二维转台，如论文《多模块相机视场合成配准的测试技术》中需要精密转动和准确示值的二维转台，才能完成测试数据的读取和配准。如公开号为CN104320565B的中国专利公开了一种多镜头探测器阵列曲面像元拼接方法，提到的拼接方法主要是分别控制不同行和不同列的探测器中心点的夹角，但是只控制角度是不够的，还需要控制各探测器之间的距离，而且该专利重点是探测器阵列的布局方式，提到的角度控制方法在实际装调中不可行。

《基于同心球透镜的四镜头探测器阵列拼接成像系统》中提到的曲面拼接成像系统设计，并没有提到实际各镜头探测器如何装调到理论设计位置。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种大视场面阵器件视场拼接精度测试方法，从实际装调的角度实现现有的探测器视场拼接，解决现有技术存在的装调精度低、工程实现困难的问题。

本发明的技术方案是：一种大视场面阵器件视场拼接精度测试方法，步骤如下：

1)设置N组镜头；所述镜头数量N≥2；每个镜头对应的焦面组件中所含的面阵器件数量分别为M_N个；M_N的取值大于等于1；

2)对N个镜头分别对应的焦面组件进行内视场拼接；

3)将镜头与对应的焦面组件对接，调整光轴方向；

4)将镜头之间的焦面组件进行外视场拼接。

5)重复步骤4)完成其余焦面组件的外视场拼接，直至完成所有面阵器件的视场拼接。

所述步骤2)的具体过程为：

2a)所述内视场拼接采用大视场拼接装置；所述大视场拼接装置包括精密三维导轨、拼接镜头、光源、半反半透镜、显微摄像系统、图像采集系统；

2b)安装组成单个焦面组件的N个器件的拼接基板以及它们两者之间的调节垫片及紧固螺钉；

2c)定义X向和Y向为分别平行于面阵器件像元的行和列方向，Z向为垂直于面阵器件像元平面的方向，X、Y、Z方向符合右手坐标系定义；分别将N个镜头对应的焦面组件放置在大视场拼接装置上，在图像采集系统中实时观测像元的放大图像；器件像元排布为矩形，取其四个角点为测量点；控制精密三维导轨的移动，先测试Z向差异，分别测试并记录一片器件的四个角上的Z向位置值，然后通过调节垫片的厚度，补偿器件的共面度差异，实现焦面组件内对应的M_N个面阵器件的Z向共面度的调整以及与拼接基板安装面的平行；然后测试X、Y向差异，分别测试并记录各片器件四个角点的X、Y位置值，然后通过紧固螺钉对应的通孔的余量调节器件的位置，实现各片器件之间的X、Y方向平行且距离准确。

2d)依次完成N个焦面组件的内视场拼接。

所述内视场拼接采用大视场拼接装置的工作量程为：X向550mm×Y向300mm×Z向50mm；X、Y方向测量精度达到0.1μm，Z方向测量精度达到1μm。

所述步骤3)调整光轴方向，即Z轴方向的调整采用高精度拼接精度测试装置；所述高精度拼接精度测试装置由二维转台、景物模拟器、图像采集和处理系统组成，测试精度优于0.1个像元。

所述步骤3)的具体过程为：

31)在开始前，精密标定特征靶标的无穷远位置；打开照明系统，照亮特征靶标，此时在探测器上得到特征靶标的图像；

32)沿光轴方向调整特征靶标的前后位置，找到成像最清晰的位置，测量得到该位置与标定的无穷远位置的差值，进而计算得到垫片调整量Δd＝d*(f₁/f₂)²，式中f₁：相机焦距；f₂：平行光管焦距；d：成像清晰位置与标定的无穷远位置的差值；

33)再根据共轭位置的方向判断垫片的变化方向，即是增厚还是减薄；若清晰位置比标定位置更靠近镜头，则垫片需要减薄，即减去Δd；反之，若清晰位置比标定位置更远离镜头，则垫片需要增厚，即加Δd；

34)垫片调整过程反复迭代，逐渐收敛，直至清晰位置与标定位置重合，d小于等于镜头的1/4倍焦深；此时，Z向位置调整完毕。

所述步骤4)的具体过程为：

4a)从N个镜头中任选两个镜头A和B，并称它们对应的焦面组件为A和B；从这两个焦面组件的重叠视场中找到两组对应测量点，即目标值；

4b)所述外视场拼接使用高精度拼接精度测试装置，使用带有特征靶标的景物模拟器提供一个模拟景物，且保证镜头A和B对同一个模拟景物成像；经图像采集和处理后，得到并记录模拟景物在焦面组件A上的成像像元数；调整二维转台，直至焦面组件A上的成像像元数为(X01，Y01)，同时得到该模拟景物在焦面组件B上的成像像元数(x1，y1)；继续调整二维转台，直至焦面组件A上的成像像元数为(X02，Y02)，同时得到该模拟景物在焦面组件B上的成像像元数(x2，y2)；则(x1，y1)和(x2，y2)记录为测试值；

4c)根据步骤4b)得到的目标值(X1，Y1)和(X2，Y2)以及实测值(x1，y1)和(x2，y2)，以及探测器的像元排布规律和像元尺寸，得到拼接误差：

Δx＝(x1-X1)*e

Δy＝(y1-Y1)*e

式中Δx：像元行方向拼接误差；

Δy：像元列方向拼接误差；

e：像元尺寸；

4d)根据步骤4c)得到的拼接误差，分别对探测器位置进行X和Y方向的补偿调整，具体方法为：选定焦面组件A为基准组件，焦面组件A不动，调整焦面组件B的位置，像元行方向调整位移Δx，像元列方向调整位移Δy。调整方向为误差的补偿方向，即使得误差变小的方向；

4e)调整完毕后重复步骤4b)、4c)、4d)，直至最终测试得到的拼接误差Δx和Δy小于1μm。

所述步骤4a)从这两个焦面组件的重叠视场中找到两组对应测量点的具体方法为：

选择焦面组件A的成像像元数(X01，Y01)和(X02，Y02)，它们在相机中对应的焦面组件B的成像像元数应当分别为(X1，Y1)和(X2，Y2)；所述X01、X02、X1和X2为器件行像元对应的像元数；Y01、Y02、Y1和Y2为器件列像元对应的像元数；(X1，Y1)和(X2，Y2)记录为目标值。

所述步骤4b)中所述特征靶标为一个背景不透光，十字刻线透光的狭缝，刻线宽度对应10～20个像元宽度。

所述步骤4b)中的特征靶标在两个镜头上的成像位置根据图像质心算法得到，测试精度优于0.01个像元。

所述步骤4d)的具体方法为：

选定焦面组件A为基准组件，焦面组件A不动，调整焦面组件B的位置，像元行方向调整位移Δx，像元列方向调整位移Δy；调整方向为误差的补偿方向，即使得误差变小的方向。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明使用内视场的焦面器件拼接和外视场的镜头视场拼接的组合模式来实现大视场面阵拼接，即单个镜头对应的多片焦面器件先用内视场拼接装置拼接成焦面组件，再将焦面组件与对应的镜头对接，通过外视场拼接装置完成多个镜头之间的外视场拼接，最终实现相机的视场拼接。进行内视场拼接时，不使用镜头，而是将器件直接置于拼接装置上，通过光学系对器件上的像元放大成像并进行位置精度测试；外视场拼接时，则是通过模拟一个或者多个成像目标，通过重叠区域的成像，根据图像质心算法得到同一目标在不同探测器上的实际成像位置，通过和理论成像位置的比对，就可以得到探测器的拼接误差，并以此误差数据来指导装调，实现装调-测试的闭环反馈，从而实现高精度的视场拼接。现有技术中的拼接则是控制器件像面的偏转角度，未介绍具体方法，实际操作根本不可行。本发明一方面可以实现多镜头多探测器的实际拼接，而又不需要高精度的转台设备和精密测角设备，受环境干扰的因素小，实现过程可操作性强。

附图说明

图1为每个焦平面后背放置的探测器个数和最终合成的结果示意图。

图2镜头分布和对应焦面组成图。

图3为视场拼接流程图。

图4为大型焦平面拼接装置结构组成及坐标系示意图。

图5为焦面组件1与焦面调节板安装示意图。

图6为焦面组件2(或3)与焦面调节板安装示意图。

图7为焦面组件4与焦面调节板安装示意图。

图8为外视场拼接精度测试装置示意图。

图9为十字靶标样例图。

图10为成像位置示意图。

具体实施方式

设定N＝4，M₁＝4，M₂＝M₃＝2，M₄＝1。需要进行视场拼接的相机参数为：整个相机采用4组光学镜头，这4组光学镜头分别对应不同数量的像元数为10k×10k的CMOS面阵器件，即4个、2个、2个、1个。通过内、外视场混合拼接方式，所成图像经过叠加实现3×3个CMOS数字后背拼接，达到总像元数约30k×30k的大幅面，拼接过程和拼接后示意如图1所示。该相机光学系统及焦平面组成如图2所示。

四组镜头焦面大小如图2所示(焦面2、焦面3对应光学系统完全相同)。为尽量保证光学系统的一致性，图中焦面2、焦面3、焦面4对应的全色光学系统与焦面1对应的全色光学系统相同，只根据焦面的大小不同对光学系统进行裁剪。

根据相机的结构形式，先用大型焦平面拼接装置对四个焦面组件进行内视场拼接，将多个器件拼接成相对应的焦面组件。然后将四个镜头的光轴调整到位。最后使用视场拼接精度测试装置进行各个镜头之间的外视场拼接。拼接流程图如图3所示。

(1)焦面组件1、2、3、4内视场拼接。大型焦平面拼接装置的组成示意图如图4所示。它是由精密三维导轨、拼接镜头、光源、半反半透镜、显微摄像系统、图像采集系统等组成。照明系统通过半反半透镜、光学系统照亮置于精密平移台上的器件像元，器件像元的反射光线通过拼接镜头，由显微摄像系统接收，又经过图像采集和处理系统成像于显示系统上，在显示器上可以较清晰地看到像元的放大图像。根据实时显示的像元图像和像元标记，测量器件之间的相对关系，X、Y方向测量精度可以达到0.1μm，Z方向测量精度可以达到1μm。根据测试结果调整焦面组件中各个器件的位置，直至满足位置精度要求。拼接装置的工作量程为：550mm(X向)×300mm(Y向)×50mm(Z向)。

具体拼接方法是：需要将焦面组件1、2、3按照规定的平行、共线和共面要求进行拼接，如图5、图6、图7所示。焦面组件2和3的结构是一样的。焦面组件4虽然只由一片器件构成，但也需要进行拼接，将像元与焦面调节板的关系调整到与其他焦面一致。

以焦面组件1为例说明拼接的具体流程：先测试各个器件的共面度，即Z方向的共面度，通过CMOS数字后背转接板和焦面转接板之间的后背调节垫片来实现共面度的调整。然后确定拼接基准器件(任选一个)的位置，将其面阵的两个方向调整到与拼接设备的X、Y向分别平行，平行精度在1μm以内，这是通过CMOS数字后背转接板上的通孔余量来实现调整的。X、Y、Z三个方向完成调整后，用螺钉紧固CMOS数字后背转接板和焦面转接板。根据各器件中心坐标值拼接其他三片器件。

依此流程，依次完成焦面组件1、2、3的拼接。

焦面组件4虽然只有一片器件，但同样要完成Z向共面度的调整。

(2)镜头与焦面组件对接。

高精度拼接精度测试装置如图9所示，由二维转台、景物模拟器、图像采集和处理系统组成。

用经纬仪瞄准光学镜头的光轴，调整光学镜头的姿态，使得光学镜头的光轴与景物模拟器的视轴平行，将误差控制在5″以内，同时还要保证景物模拟器的出射光瞳可以覆盖待测试镜头的入瞳。

确定沿光轴方向(Z)的位置。特征标靶可选用刃边靶标或者条纹靶标，根据图像的清晰度调整垫片的厚度关系。具体方法是：在开始前，精密标定靶标的无穷远位置。打开照明系统，照亮靶标，此时在探测器上可以得到靶标的图像。沿光轴方向调整刃边靶标的前后位置，找到成像最清晰的位置，测量得到该位置与标定的无穷远位置的差值，根据以下公式得到垫片的变化值。再根据共轭位置的方向判断垫片的变化方向，即是增厚还是减薄。若清晰位置比标定位置更靠近镜头，则垫片需要减薄；反之，若清晰位置比标定位置更远离镜头，则垫片需要增厚。

垫片调整量＝d*(f₁/f₂)²

式中f₁：相机焦距；

f₂：平行光管焦距；

d：成像清晰位置与标定的无穷远位置的差值。

此垫片调整过程反复迭代，逐渐收敛，直至清晰位置与标定位置重合。此时，Z向位置调整完毕。镜头1与焦面组件1对接完成。依次完成镜头2和焦面组件2，镜头3和焦面组件3，镜头4和焦面组件4的对接。

(3)焦面组件2与焦面组件1拼接。

镜头1对应的焦面组件所包含的CMOS后背数量最多，和其他单个镜头都有重叠区，而且重叠区面积最大，故选用镜头1作为基准镜头。

调整X轴和Y轴的对应关系。此时，换上特征靶标，如图9所示，特征靶标样例为一个背景不透光，十字刻线透光的狭缝，刻线宽度以对应10～20个像元宽度为宜。调整镜头与景物模拟器的相对关系，使得在两个镜头(镜头1和镜头2)的成像焦面的重叠区都可以得到靶标图像。根据靶标图像的位置可以运用质心算法计算得到同一个景物分别在不同器件上的成像坐标，即两个焦面之间的对应坐标关系，该位置测试精度优于0.1个像元。在器件上1的成像位置与器件2的成像位置如附图10所示，分别得到两片器件上像点的对应X、Y坐标值。然后转动镜头，采集另外一个位置上两个点的图像，分别得到两面CMOS器件上像点的对应X、Y坐标值。根据这两组坐标值，即两个点，就可以确定XY平面内的器件位置，再和理论设计结果比对，就可以确定两个器件之间的相对位置差异。以其中一个焦面组件(如焦面组件1)作为基准，调整另外一个焦面组件(如焦面组件2)的位置后，再次重复测试，直至两个焦面组件上的两个点的X、Y坐标值可以一一对应，误差不超过0.1个像元。

(4)焦面组件3与焦面组件1拼接。

与(3)步骤方法一样。

(5)焦面组件4与焦面组件1拼接。

与(3)步骤方法一样。

最终，完成了四个焦面共9片CMOS器件的拼接。最终完成的相机总视场角≥75°。

将这些话对应到权利要求书的步骤中去。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种大视场面阵器件视场拼接精度测试方法，其特征在于步骤如下：

1)设置N组镜头；所述镜头的数量N≥2；每个镜头对应的焦面组件中所含的面阵器件数量分别为M_N个；M_N的取值大于等于1；

2)对N个镜头分别对应的焦面组件进行内视场拼接；

3)将镜头与对应的焦面组件对接，调整光轴方向；

4)将镜头之间的焦面组件进行外视场拼接；

5)重复步骤4)完成其余焦面组件的外视场拼接，直至完成所有面阵器件的视场拼接；

所述步骤2)的具体过程为：

2c)定义X向和Y向为分别平行于面阵器件像元的行和列方向，Z向为垂直于面阵器件像元平面的方向，X、Y、Z方向符合右手坐标系定义；分别将N个镜头对应的焦面组件放置在大视场拼接装置上，在图像采集系统中实时观测像元的放大图像；器件像元排布为矩形，取其四个角点为测量点；控制精密三维导轨的移动，先测试Z向差异，分别测试并记录一片器件的四个角上的Z向位置值，然后通过调节垫片的厚度，补偿器件的共面度差异，实现焦面组件内对应的M_N个面阵器件的Z向共面度的调整以及与拼接基板安装面的平行；然后测试X、Y向差异，分别测试并记录各片器件四个角点的X、Y位置值，然后通过紧固螺钉对应的通孔的余量调节器件的位置，实现各片器件之间的X、Y方向平行且距离准确；

2d)依次完成N个焦面组件的内视场拼接；

所述步骤3)调整光轴方向，即Z轴方向的调整采用高精度拼接精度测试装置；所述高精度拼接精度测试装置由二维转台、景物模拟器、图像采集和处理系统组成，测试精度优于0.1个像元；

所述步骤4)的具体过程为：

Δx＝(x1-X1)*e

Δy＝(y1-Y1)*e

式中Δx：像元行方向拼接误差；

Δy：像元列方向拼接误差；

e：像元尺寸；

4d)根据步骤4c)得到的拼接误差，分别对探测器位置进行X和Y方向的补偿调整，具体方法为：选定焦面组件A为基准组件，焦面组件A不动，调整焦面组件B的位置，像元行方向调整位移Δx，像元列方向调整位移Δy；调整方向为误差的补偿方向，即使得误差变小的方向；

4e)调整完毕后重复步骤4b)、4c)、4d)，直至最终测试得到的拼接误差Δx和Δy小于1μm；

2.根据权利要求1所述的一种大视场面阵器件视场拼接精度测试方法，其特征在于：所述内视场拼接采用大视场拼接装置的工作量程为：X向550mm×Y向300mm×Z向50mm；X、Y方向测量精度达到0.1μm，Z方向测量精度达到1μm。

3.根据权利要求1所述的一种大视场面阵器件视场拼接精度测试方法，其特征在于：所述步骤3)的具体过程为：

4.根据权利要求1所述的一种大视场面阵器件视场拼接精度测试方法，其特征在于：所述步骤4b)中所述特征靶标为一个背景不透光，十字刻线透光的狭缝，刻线宽度对应10～20个像元宽度。

5.根据权利要求4所述的一种大视场面阵器件视场拼接精度测试方法，其特征在于：所述步骤4b)中的特征靶标在两个镜头上的成像位置根据图像质心算法得到，测试精度优于0.01个像元。