一种用于长焦距、大孔径空间相机的实时检焦系统

    1 引 言

    对星载长焦距、高分辩率相机进行精密检调焦是必不可少的技术,这是由于火箭发射时的冲击、振动以及空间环境的影响,使相机光学间隔、镜面面形、折射率等发生变化,引起最佳像面偏离承影面,降低了分辨率。对于以胶片作为接收器的空间相机,目前可采用的自动检调焦方法主要有:程序控制法和自准直法,对于实时传输型相机,还可用图像处理法求得离焦量。程序控制法就是利用事先编好的软件根据上一天实测的温度、压力等参数的变化情况来调整相机胶片面的位置。这种方法简单易行,但只能考虑到有限的几种因素对焦面位置的影响,与实际情况有一定的偏离,不太保险。自准直法利用镜头前的平面反射镜自准,在像面上放置目标物和接收器接收自准像,当像面处于最佳像面时,接收器输出最大。这种方法由于对整个口径自准成像,正确地反映了实际光学系统对无穷远目标的成像位置,其缺点是需要有一个质量很好的大平面反射镜,其孔径要大于光学系统轴上点通光口径,并且要求能准确地转向自准位置。这种方案增加了相机的重量和技术上的难度。

    考虑到空间相机的特点,在没有大平面反射镜的情况下,本文提出了一种以两块五棱镜代替大平面反射镜的新的自准直光路,将像面发出的狭缝目标成像到其共扼位置上,采用CCD作为接收器,经驱动电路、A/D转换后输入微机进行信号处理,实现了实时、高精度、自动进行检调焦。

    2 检焦光学原理

    相机主光学系统由成像物镜等效,检焦组件安放在相机焦面处。如图1所示,位于焦面处的目标狭缝3用光源6照明,通过成像物镜2后变为准直光,利用五棱镜的直角反射特性,两块五棱镜1将目标狭缝反射后,又一次经过成像物镜成像于焦面处,在狭缝像的后面设置两个分离透镜4,将狭缝像再分别成像到CCD接收器上,CCD将接收到的光信号转变成电信号,经过A/D转换后,输入到微机中进行数据处理,求出两个信号之间的相互位置关系。合焦时,设两光斑信号间的距离为l0,则狭缝离焦时l0发生变化,根据变化的方向和大小,就可计算出离焦的方向和大小。

    设成像物镜的相对孔径为D/f=1/F,目标离焦$时,狭缝像经分离透镜成在CCD上的二个像分别产生了一个D/2的偏离,分离透镜成像倍率为M,则有

    其中负号的物理意义表示测出的狭缝像的偏离方向与离焦方向相反。

    在任何一个离焦位置均精确求出D,进而可利用(2)式求出离焦量$,并给出反馈信息。由(1)、(2)两式,表明了对离焦量的检出能力。若F= 5.6,CCD器件的像素间隔为7Lm,如果分离透镜在2倍的成像条件下工作,则能分辩的最小离焦量为:$=7Lm@5.6/2=19.6Lm。一般地对f/5.6镜头,调焦精度在?20Lm即可满足要求,采用数字细分技术后,或者提高分离透镜的放大倍率M,还可以进一步提高检焦精度,所以本方案是可以满足长焦距空间相机自动检调焦要求的。