空间光学相机调焦技术研究

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1、V01．20No．220航天器工程SPACECRAFTENGlNEERING第20卷第2期2011年3月空间光学相机调焦技术研究杨永彬(北京空间机电研究所，北京100076)摘要调焦技术是空间光学相机研制的关键技术之一，对于保证相机成像质量具有重要作用。文章阐述了造成相机离焦的主要因素，在调研分析国内外空间光学相机调焦方式的基础上，对相机调焦方式的选用原则进行了归纳，并介绍了常用调焦机构的基本结构形式和优缺点，以及具有发展前景的调焦光学元件，可为相机调焦技术的研究提供借鉴和帮助。关键词遥感卫星；光学相机；离焦；调焦机构中图分类号：V447文献标志码：A文章编号：1673-8

2、748(2011)02—0020—05StudyonFocusingTechniqueforSpaceOpticalCameraYANGYongbin(BeijingInstituteofSpaceMechanics＆Electricity，Beijing100076，China)Abstract：Focusingtechniqueisoneofthekeytechnologiesofspaceopticalcamera．Itcaneffec—tivelyreducetheinfluencecausedbydefocus．Itisimportantforensuringth

3、eimagingquality．Basedonthestudyonfocusingmethodsfordomesticandoverseasspaceopticalcamera，somein—structionalconclusionsaboutchoosingfocusingmethodareobtained．Thestructuresandcharac—teristicsofwidelyusedfocusingmechanismsareanalyzed．Someotherpromisingfocusingtech—nologiesareintroducedtoo．Key

4、words：remotesensingsatellite；opticalcamera；defocus；focusingmechanism1引言随着遥感卫星和遥感应用技术的发展，空间光学相机在军事和民用领域得到了广泛应用。为获得高清晰度的图像，星载光学相机在对准星下点目标进行推扫时，星下点目标必须准确成像在CCD感光面上。但事实情况是相机在发射过程中会受到冲击和振动的影响，在轨运行中也会由于温度等因素造成CCD感光面的离焦，影响系统成像质量。当前的空间光学相机大都采用相应的调焦机构，通过调整光学系统中光线成像位置或移动焦面CCD至成像位置来补偿焦面的离焦量。调焦系统对于保证遥

5、感相机获得良好的成像质量十分重要，有利于在恶劣环境下可靠地工作，是空间光学相机的重要组成部分。本文分析和总结了国内外空间光学相机的调焦方式，介绍了常用调焦机构的基本形式和优缺点，并对相机调焦方式的选用原则进行了归纳。造成相机离焦的主要因素空间相机在轨运行中，离焦主要由工作环境中的气压、温度与地面标定时发生变化造成的。大气压变化使空气折射率发生变化；温度变化使光学元件的曲率半径、厚度、镜间间隔变化，材料内应力变化及其所配合的金属框架等的位形也随之发生变化，这些因素都会导致相机后截距的变化，从而造成离焦‘l-2]。收稿日期：2010—12—06；修回日期：201卜02一17作者

6、简介：扬永彬(1983一)，男，硕士，工程师，从事空间光学相机结构与机构研究．第2期杨永彬等：空间光学相机调焦技术研究2l2．1大气压变化对离焦的影响随着飞行高度增加，大气压减小，空气密度变小，空气折射率会发生变化。高度不同时，空气折射率的变化量很大，使像面产生位移。单一透镜焦距随大气压变化的计算公式为[1]Af--出嘎普睾旦(1)式中厂为镜头焦距；‰为玻璃折射率；n。为空气折射率；P为环境大气压；P。为标准大气压。大气压减小将造成焦距变短，焦面向镜头方向移动；大气压增大将导致正的焦面位移，即焦面远离镜头。大气压变化不仅会造成相机后截距空气折射率变化，而且会使镜头零件间隔的

7、空气折射率发生变化。这些都是大气压力变化造成焦面位移的重要原因。2．2温度变化对离焦的影响温度的变化将使不同线膨胀系数的零部件，因结构上受到相互约束而产生应力和变形，表现为线性膨胀和收缩；玻璃零件的曲率半径、厚度和直径也将随温度的变化而变化；玻璃色散的变化和绝对折射率的变化，玻璃零件内部的光学性能也随之改变；温度变化还会造成玻璃部件周围空气折射率的显著变化。温度变化引起单片薄透镜焦点位移量变化为[1]△f一①·f·△T(2)式中△T为温度变化量；西为温度变化引起的离焦系数⋯西_口一瓦等瓦文一尚o)式中a。为玻璃线膨