CN113126238B - 次镜调焦方法、空间光学相机及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种次镜调焦方法、空间光学相机及其设计方法，该方法将空间光学相机中的次镜采用可变曲率反射镜；通过向可变曲率反射镜施加外部驱动力，使次镜的曲率半径发生变化，从而对由各种因素所导致的空间光学相机焦面漂移做出补偿，进而完成空间光学相机的调焦。由于该方法仅仅通过次镜矢高的微量变化就能够实现大幅度焦面漂移的补偿，次镜矢高几个微米的变化就能够补偿高达几个毫米的焦面漂移，因此变曲率反射镜次镜调焦技术兼具高灵敏度与大动态范围优势。

Description

次镜调焦方法、空间光学相机及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种次镜调焦方法、空间光学相机及其设计方法。

背景技术

空间光学相机是基于卫星平台对地表或深空实施高分辨率可见光信息获取的重要载荷，是一个国家实现航天遥感的现代化战略高技术手段，已成为当今世界各国大力发展和激烈竞争的技术领域。

尽管空间相机在发射前都必须在地面完成苛刻的环境试验(比如热光学、热平衡或振动试验)后进行焦面的标定与预置，但是发射入轨阶段的冲击与振动、入轨后光机材料在真空条件下的吸湿放气以及温度的剧烈变化等多种因素都会导致地面预先标定的焦面偏离理想位置，由此导致图像分辨率与信噪比的降低。同时，为了追求更高的空间分辨率，空间相机的口径越来越大，这就导致相机光机结构更易受到内外部各种因素的影响，从而使焦面漂移几乎难以避免。因此，为了实现高质量的成像，空间光学相机在发射入轨后，通常要经过一段较长时间的在轨定标来重新标定焦面位置，为获得高分辨率和高信噪比图像提供保障。

空间光学相机，尤其是口径500mm以上的大口径空间光学相机为了同时兼顾高分辨与轻量化，多采用全反射式或折反射式光机结构，比如经典的卡塞格林结构、反卡塞格林结构、格里高利结构、RC结构以及带有校正透镜组的卡氏或RC结构等。此时，为了对入轨后的空间相机实施焦面漂移补偿，通常采用三种调焦方式。

其一，焦面调焦，即利用电机通过涡轮蜗杆机构改变焦面位置；

其二，透镜调焦，即通过调节校正镜组件内部透镜间的间隔或校正镜组与主次镜组之间的间隔来改变焦面位置；

其三，次镜调焦，即通过调节主次镜之间的间隔来改变焦面位置。

在三种调焦方式中，焦面调焦具有很高的调焦精度，但是要求调焦机构的运动行程最大且调焦机构复杂笨重，透镜调焦也需要较大的运动行程，而次镜调焦所需的行程最小，以口径600mm，焦距6000mm，F数为10的某空间相机为例，如果要实现最近10km最远达到300km的清晰成像，焦面调焦中运动机构需要接近10mm的调焦量，透镜调焦中也需要接近3mm的调焦量，而次镜调焦则需要约80um的调焦量。由此可见采用次镜调焦的方式，对调焦量的要求最低。在现有次镜调焦技术中，通常是利用多自由度机构改变主次镜之间的间隔来实现焦距的调整，但是该结构的调节灵敏度依然无法满足高灵敏度、高精度、大动态范围空间光学相机的调焦需求。

发明内容

为了解决常规的焦面调焦与透镜调焦都存在运动机构行程大、结构复杂笨重且调焦速度慢的问题，以及现有通过改变主次镜之间的间隔来实现调焦的方法存在调节灵敏度低的问题，本发明将传统主次镜中的刚性次镜替换为可变曲率反射镜，提出了一种相机焦面漂移补偿的次镜调焦方法。

同时，本发明还提供了一种采用可变曲率反射镜作为次镜的空间光学相机，以及该空间光学相机的设计方法。

本发明的具体技术方案是：

提供了一种面向空间光学相机的次镜调焦方法，其具体为：空间光学相机中的次镜采用可变曲率反射镜；通过向可变曲率反射镜施加外部驱动力，使次镜的曲率半径发生变化，从而对由各种因素所导致的空间光学相机焦面漂移做出补偿，进而完成空间光学相机的调焦。

进一步地，上述施加于可变曲率反射镜的外部驱动力由压电陶瓷驱动器通过单点直接接触或者环形驱动机构间接接触提供。

进一步地，上述可变曲率反射镜为补偿每一个焦面漂移位置所需矢高的相对变化量获取过程为：

首先，在光学设计仿真软件中以待成像目标位于无穷远处为优化目标，完成空间相机光学系统的初始优化设计；

其次，保持空间相机光学系统中其他元件的光学参数不变，仅令次镜(可变曲率反射镜)的曲率半径作为后续进一步优化的唯一变量；令焦面按照系统焦深Δ的整数倍偏离理想位置，并通过仿真软件优化获得每一个焦面位置衍射受限成像所需的次镜曲率半径数值；

最后，由次镜曲率半径与次镜口径大小计算得到每一个焦面位置对应的次镜矢高大小，并由此得到可变曲率反射镜为补偿每一个焦面漂移位置所需矢高的相对变化量δ_nΔ，如下式所示：

其中，D代表次镜的口径，R_ideal代表焦面位于理想位置时次镜的曲率半径，R_nΔ则代表焦面偏离理想位置焦深Δ整数倍(n倍)时对应的次镜曲率半径。

进一步地，上述仿真软件采用Zemax或CodeV。

本发明还提供了一种空间光学相机，其中次镜采用可变曲率反射镜，还包括驱动源；所述驱动源向可变曲率反射镜施加驱动力，使可变曲率反射镜的曲率半径发生变化，从而对由各种因素所导致的空间相机焦面漂移做出补偿，进而完成空间光学相机系统的调焦。

进一步地，上述施加于可变曲率反射镜的外部驱动力由压电陶瓷驱动器通过单点直接接触或者环形驱动机构间接接触提供。

进一步地，上述空间光学相机的性能指标为：

次镜矢高变化范围：小于5um；

次镜矢高变化精度：小于5nm；

次镜矢高变化速度：实时；

允许补偿的空间光学相机焦面漂移：大于4mm；

空间相机的焦距变化量：利用次镜调焦补偿4mm焦面漂移对应的焦距变化量小于1％。

上述空间光学相机的设计方法，其实现步骤如下：

首先，在光学设计仿真软件中建立空间光学相机的模型，以待成像目标位于无穷远完成空间相机光学系统的初始优化设计后，保持空间光学相机中其他元件的光学参数不变，仅令次镜的曲率半径为后续进一步优化的唯一变量；

所述次镜采用可变曲率反射镜；

其次，令次镜焦面按照系统焦深Δ的整数倍偏离理想位置，通过仿真软件优化获得每一个焦面位置衍射受限成像所需的次镜曲率半径数值；

最后，由次镜曲率半径与次镜口径大小计算得到每一个焦面位置对应的次镜矢高大小，并由此得到可变曲率反射镜为补偿每一个焦面漂移位置所需矢高的相对变化量δ_nΔ，如下式所示：

其中，D代表次镜的口径，R_ideal代表焦面位于理想位置时次镜的曲率半径，R_nΔ则代表焦面偏离理想位置焦深Δ整数倍(n倍)时对应的次镜曲率半径。

本发明的有益效果是：

与传统的焦面调焦、透镜调焦及次镜调焦技术相比，本发明提出的变曲率反射镜调焦具有以下几点优势：

1、将可变曲率反射镜作为次镜，仅仅通过次镜矢高的微量变化就能够实现大幅度焦面漂移的补偿，具体而言，通常次镜矢高几个微米的变化就能够补偿高达几个毫米的焦面漂移，因此变曲率反射镜次镜调焦技术兼具高灵敏度与大动态范围优势。

2、可变曲率反射镜作为次镜进行调焦由于在宏观上尺度上不存在运动机构的大行程运动，所以具有调焦迅速的优势，可以实现几乎无延迟的实现快速焦面漂移补偿。

3、可变曲率反射镜作为次镜进行调焦采用单点压电陶瓷驱动产生微米级别的矢高变化，与焦面调焦的涡轮蜗杆驱动机构还是与传统次镜调焦的多自由度机构相比，使得空间光学相机的结构复杂度显著降低，具有更高的可靠性。

附图说明

图1为基于RC加校正镜的典型大口径空间光学相机光学系统的结构原理图。

图2为基于RC加校正镜的典型大口径空间光学相机对应的优化后光学传递函数曲线图；

图3(a)为典型大口径空间光学相机光学系统在离焦量为0.5mm时对应的调制传递函数的退化曲线图；

图3(b)为典型大口径空间光学相机光学系统在离焦量为1mm时对应的调制传递函数的退化曲线图；

图3(c)为典型大口径空间光学相机光学系统在离焦量为2mm时对应的调制传递函数的退化曲线图；

图3(d)为典型大口径空间光学相机光学系统在离焦量为4mm时对应的调制传递函数的退化曲线图；

图4为将次镜更换为可变曲率反射镜的空间光学相机经过优化后的光学系统参数；

图5为相对于正焦位置次镜调焦所需矢高变化量与离焦量的对应关系图；

图6为相邻两档次镜调焦所需矢高相对变化量与离焦量的对应关系图。

具体实施方式

为了补偿空间光学相机在轨运行时因各种因素导致的焦面漂移，常规的做法一般采用通过改变焦面位置实现重新调焦，或者通过改变主次镜之间的间隔实现重新调焦。为解决传统调焦技术难以兼顾低结构复杂度、大动态范围、高精度、快速高灵敏度调焦等问题，本发明则是通过改变次镜的曲率半径来实现焦面漂移的补偿，具有大动态范围、高灵敏度、高精度且高速的优势，是一种基于主动光学元件——可变曲率反射镜的空间相机新型调焦技术，为空间相机的焦面补偿问题提供了新的解决思路。

变曲率反射镜可以根据需要动态调整其曲率半径，是一种先进的主动光学元件，其雏形最早可以追溯到1973年耶路撒冷希伯来大学所研制的样片。在提出之初，变曲率反射镜主要应用于提升高能固体激光器的输出光束品质。高能固体激光器工作时的高功率会在谐振腔内产生极高的温度，从而使谐振腔窗口玻璃发生热变形而引入球差及离焦，进而恶化输出光束的品质。变曲率反射镜能够通过改变自身的曲率半径对热透镜效应引起的球差及离焦进行有效补偿，从而达到提升激光器光束品质的目的。

基于可变曲率反射镜原理，本发明提供了一种次镜调节方法，该方法中次镜采用可变曲率反射镜；通过向可变曲率反射镜施加驱动力，使次镜的曲率半径发生变化，从而对由各种因素所导致的空间光学相机焦面漂移做出补偿，进而完成空间光学相机的调焦。

下面将通过空间光学相机的优化设计实例，对本发明采用可变曲率反射镜作为次镜进行调焦的有效性与设计方法进行介绍。

如图1所示，给出了某空间光学相机的典型光机结构。系统口径600mm、焦距6000mm、F数10，采用RC加校正镜的光机形式，采用小F数的主反射镜设计可以有效地缩短系统的总长，主反射镜和次反射镜均采用双曲面，在像面前采用三片校正透镜来校正剩余像差，考虑到空间辐射的影响，在校正透镜前加入一个熔石英防辐射玻璃窗口。如图4所示，给出了图1所示空间相机光学系统参数。可以看到，当系统处于正焦位置时，口径140mm的次镜曲率半径为-309.0003mm。

图1所示的空间光学相机光学系统经过优化之后，传递函数接近衍射受限，可以满足高质量成像要求，如图2的光学传递函数曲线所示，在奈奎斯特频率处的光学传递函数幅值大于0.3，表明该系统的优良性能。然而，该相机一旦发射入轨后，受各种因素的影响会出现离焦引起的图像质量退化。如图3(a)-(d)所示，分别给出了焦面偏离理想位置不同大小时(即离焦量分别为0.5mm、1mm、2mm、4mm时)的调制传递函数退化情况。显而易见，随着离焦量的增大，调制传递函数的幅值越来越低，当离焦量达到4mm时，系统调制传递函数的幅值不仅大幅降低，而且出现大量的频率零点，意味着信息的严重丢失，因此必须采用调焦手段进行补偿，否则无法实现高质量的成像。

本实施例将上述将图1中传统的刚性次镜变为可变曲率反射镜，并给可变曲率反射镜提供驱动源，从而构成了一个新的空间光学相机，该相机可以在不用改变物理焦面位置的基础上实现离焦的补偿。

该空间光学相机的具体设计方法如下：

首先，在仿真软件中建立空间光学相机的模型，以待成像目标位于无穷远完成空间相机光学系统的初始优化设计后，保持空间光学相机中其他元件的光学参数不变，仅令次镜的曲率半径为后续进一步优化的唯一变量；

所述次镜采用可变曲率反射镜；

其次，令次镜焦面按照系统焦深Δ的整数倍偏离理想位置，通过仿真软件优化获得每一个焦面位置衍射受限成像所需的次镜曲率半径数值；

最后，由次镜曲率半径与次镜口径大小计算得到每一个焦面位置对应的次镜矢高大小，并由此得到可变曲率反射镜为补偿每一个焦面漂移位置所需矢高的相对变化量δ_nΔ，如下式所示：

其中，D代表次镜的口径，R_ideal代表焦面位于理想位置时次镜的曲率半径，R_nΔ则代表焦面偏离理想位置焦深Δ整数倍(n倍)时对应的次镜曲率半径。

如表1所示，给出了不同离焦量对应的次镜曲率半径数值。离焦量的增加间隔按照焦深进行，由于系统对应的焦深约为0.1mm，因此离焦量的设置由0.1mm开始按照0.1mm递增到4mm。与此同时，在表1中也同步给出了根据矢高计算公式计算得到出针对不同离焦量进行补偿时次镜矢高相对于正焦位置次镜矢高的变化数值以及相邻两档次镜曲率变化档为之间对应的矢量高度相对变化量。可以看到，次镜仅需通过不到3.5um的微量矢高变化就能够实现高达4mm离焦的补偿。同时，如图5所示，给出了相对正焦位置矢高变化情况与许补偿离焦量之间的对应关系，可以看到次镜矢高相对变化量与离焦量具有良好的线性关系，非常利于变曲率反射镜的控制。另外，图6进一步给出了对相邻两档离焦量进行补偿时次镜矢高的相对变化情况，同样具有非常好的线性度，而且相邻两档曲率变化对应的矢高变化量约为84nm，而压电驱动变曲率反射镜的控制精度在闭环条件下远优于这一指标，完全满足高精度调整的要求。

表1

作为对比，表2给出了传统次镜调焦，即通过改变主次镜之间间隔实现焦面漂移补偿时，不同离焦量对应的主次镜间间的变化量。由表2可知，传统的利用主次镜间隔的变化进行焦面漂移补偿时，主次镜之间的间隔改变量随所需补偿离焦量的增加而增加。在重度离焦比如离焦量为4mm时，本发明提出的可变曲率反射镜次镜调焦技术对应的矢高变化量仅为传统主次镜间隔变化量的约1/12，有利于提升调焦的快速响应能力。

表2

因此，本发明提出的利用可变曲率反射镜次镜实现空间相机焦面漂移补偿的技术具有大动态范围、高灵敏度、高精度、高响应速度、无宏观运动、结构复杂度低等显著优势，具有得到工程应用的潜力。应用效果不只针对图1给出的设计实例，本发明提出的技术及优化设计方法可普适于其他光机类型的空间相机焦面补偿。

Claims (7)

1.一种次镜调焦方法，其特征在于：

空间光学相机中的次镜采用可变曲率反射镜；通过向可变曲率反射镜施加外部驱动力，使次镜的曲率半径发生变化，从而对由各种因素所导致的空间光学相机焦面漂移做出补偿，进而完成空间光学相机的调焦；

所述可变曲率反射镜为补偿每一个焦面漂移位置所需矢高的相对变化量获取过程为：

首先，在光学设计仿真软件中以待成像目标位于无穷远处为优化目标，完成空间相机光学系统的初始优化设计；

其次，保持空间相机光学系统中其他元件的光学参数不变，仅令次镜的曲率半径作为后续进一步优化的唯一变量；令焦面按照系统焦深Δ的整数倍偏离理想位置，并通过仿真软件优化获得每一个焦面位置衍射受限成像所需的次镜曲率半径数值；

最后，由次镜曲率半径与次镜口径大小计算得到每一个焦面位置对应的次镜矢高大小，并由此得到可变曲率反射镜为补偿每一个焦面漂移位置所需矢高的相对变化量δ_nΔ，如下式所示：

其中，D代表次镜的口径，R_ideal代表焦面位于理想位置时次镜的曲率半径，R_nΔ则代表焦面偏离理想位置焦深Δ整数倍(n倍)时对应的次镜曲率半径。

2.根据权利要求1所述的次镜调焦方法，其特征在于：

所述施加于可变曲率反射镜的外部驱动力由压电陶瓷驱动器通过单点直接接触或者环形驱动机构间接接触提供。

3.根据权利要求2所述次镜调焦方法，其特征在于：所述仿真软件采用Zemax或CodeV。

4.一种空间光学相机，其特征在于：其中次镜采用可变曲率反射镜，还包括驱动源；所述驱动源向可变曲率反射镜施加驱动力，使可变曲率反射镜的曲率半径发生变化，从而对由各种因素所导致的空间相机焦面漂移做出补偿，进而完成空间光学相机系统的调焦；

该空间光学相机的设计过程如下：

首先，在光学设计仿真软件中建立空间光学相机的模型，以待成像目标位于无穷远完成空间相机光学系统的初始优化设计后，保持空间光学相机中其他元件的光学参数不变，仅令次镜的曲率半径为后续进一步优化的唯一变量；

所述次镜采用可变曲率反射镜；

其次，令次镜焦面按照系统焦深Δ的整数倍偏离理想位置，通过仿真软件优化获得每一个焦面位置衍射受限成像所需的次镜曲率半径数值；

最后，由次镜曲率半径与次镜口径大小计算得到每一个焦面位置对应的次镜矢高大小，并由此得到可变曲率反射镜为补偿每一个焦面漂移位置所需矢高的相对变化量δ_nΔ，如下式所示：

其中，D代表次镜的口径，R_ideal代表焦面位于理想位置时次镜的曲率半径，R_nΔ则代表焦面偏离理想位置焦深Δ整数倍(n倍)时对应的次镜曲率半径。

5.根据权利要求4所述空间光学相机，其特征在于：

所述施加于可变曲率反射镜的外部驱动力由压电陶瓷驱动器通过单点直接接触或者环形驱动机构间接接触提供。

6.权利要求4所述空间光学相机，其特征在于：

所述空间光学相机的性能指标为：

次镜矢高变化范围：小于5um；

次镜矢高变化精度：小于5nm；

次镜矢高变化速度：实时；

允许补偿的空间光学相机焦面漂移：大于4mm；

空间相机的焦距变化量：利用次镜调焦补偿4mm焦面漂移对应的焦距变化量小于1％。

7.根据权利要求4所述空间光学相机，其特征在于：所述仿真软件采用Zemax或CodeV。

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