小视场长焦距镜头畸变高精度测量研究

    引言

    近年来人们对于短焦距、大视场镜头畸变测量方法的研究已非常成熟[1-4]。随着航天、航空用相机对测量高精度的需求日益迫切,对小视场、长焦距镜头的畸变研究有了更高的要求;对于畸变的测量精度亦提出了更高的要求。以前测量畸变常用的方法是精密测角法[5-6],即在镜头像面安装标准网格板,将镜头固定在精密转台回转中心,镜头物方用望远镜观察网格板经镜头所成的像,用转台测量每个像高对应的角度,反向计算出不同视场的实际像高,从而得到镜头畸变。此方法主要是以像面理论像高为基准进行测量,其主要误差有网格板的装夹偏心误差、刻线误差、人眼瞄准误差、网格板离焦误差及转台测量角度误差等。同时该方法主要靠人眼来瞄准,仅适用于可见光测量。本文提出采用星点法在镜头像面的不同视场直接测量星点像的弥散圆中心坐标,通过计算不同视场的像高来计算镜头畸变。该方法也适用于近红外光学镜头的畸变测量。

    1　畸变测量方法介绍

    利用带有摄像显微镜的CCD探测器、精密导轨、高精度测长仪和高精度数显转台组成CCD测量系统。以精密测角仪转动角度为标准,用CCD测量系统系统地测量不同视场实际像高,计算镜头不同视场畸变。此测量方法的主要误差包括精密测角仪的测角误差、显微摄像系统放大率的标定误差、图像判读误差及微型双光栅平面干涉仪的长度测误差,其中显微摄像系统放大率的标定误差和图像判读误差是相关的。

    图1所示,首先将满足测试要求的星点放在平行光管焦面上,用激光光源照明平行光管焦面上的星点,形成无穷远点目标。通过专用夹具将镜头固定在测角仪上,调整被测镜头的位置,使其入瞳穿过测角仪回转中心,调整CCD测量系统的接收面使其位于被测镜头的像面。由于CCD测量系统视场有限,为了满足轴外视场测量的需要,将CCD测量系统放置在精密移动导轨上。转动测角仪得到标准角度,并移动导轨在镜头的相应视场采集图像,同时记录高精度测长仪的数字信息和显微镜的图像信息及测角仪对应的角度信息。通过软件判读星点像的能量中心位置,结合测长仪的长度信息计算镜头实际像高,并根据畸变公式计算镜头不同视场的畸变。

    2　畸变计算方法

    在设计小视场长焦距测量镜头时,为了使全视场的畸变达到最小,因此使中心视场(0.3X)畸变趋于无穷小。如果采用常规的不同视场角加权计算理论焦距,由于视场角较小,存在测量误差,将会导致中心视场测量数据偏大,与设计值产生矛盾;如果采用全视场畸变和为零或最小二乘法[7]计算理论焦距,就会损失中心视场拉平边缘视场,导致测量的畸变与实际设计畸变不符,在中心视场产生错误的数据。因此本文在计算理论焦距时,依据设计要求镜头视场中心要求区域畸变无穷小,我们采用多项式拟和的方法计算镜头理论焦距fi,消除了镜头装夹及CCD中心位置测点偏心和小区域不同测量点的误差对理论焦距的影响。