空间相机调焦技术的研究
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摘要
调焦技术是空间相机研制的关键技术之一，调焦系统是空间相机的重要组成部分，是决定空间相机成像质量好坏的关键组件。空间相机所处的运载和运行环境条件(如冲击、过载、振动、压力及温度等)非常复杂，为使在上述的环境条件下，保证相机的成像质量，要求相机不但具备良好的力学环境下的稳定性，而且还要具有良好的对温度、压力变化的适应性。空间相机在轨工作环境温度变化范围很大，相机对环境变化，特别是温度波动的影响比较敏感。由于环境条件的变化，相机的焦面将产生不同程度的偏移，即离焦，为保证相机在比较复杂的环境条件下的成像质量，需对相机变化的像面加以校正，因此设计一套调整空间相机像面位置的系统，即调焦系统是十分必要的。
本文主要对空间相机调焦机构进行研究，借鉴国内外相机调焦机构研制的成功经验，在充分分析影响相机离焦的各种因素以及相机常用的各种调焦方案利弊的基础上提出了本文的调焦机构方案，并对本调焦机构的原理进行简要的介绍；对调焦机构具体的结构、材料的选择、调焦电机的选择、编码器的选择等进行了详细的分析、计算；在电设计中，在简单介绍调焦系统工作原理的基础上，详细介绍了调焦功率级的设计、限位电路设计；在误差分析中，在对调焦机构的传动部件的传动误差、空回进行分析、计算的基础上，对本调焦机构的精度进行了评估；最后，通过试验(调焦试验、相机野外照像试验、力学环境试验、热循环试验、热真空试验)验证调焦机构满足相机成像使用要求。
Auto-focusing technique is one of the space camera's key technologies auto-focusing system is an important part of the space camera and a key module to ensure the imaging quality of the space camera. The conditions around the space camera are very complicated, such as impact, vibration, space temperature and air pressure. The space camera needs not only have excellent mechanical capability, but also have superior the capability of adapting surroundings capability, especially the adaptive capability to space temperature and air pressure. When the space camera works in orbit, the temperature fluctuates in a great range. The space camera has a thin skin to the change of the circumstances, especially to the change of temperature. Because of the changes of the surroundings, the camera's focusing plane will offset in different degree. In order to ensure the imaging quality of the space camera in complicated environment, the camera's focusing plane needs be modulated. So it is necessary to devise a system to adjust
the place of the space camera's focusing plane .In this paper, auto-focusing mechanism the space camera been reach on.
The project of focusing mechanism has been put forward on the basis of analyzing several factors departing from focus and contrasting different projects. In this article, the mostly contents are these: Introducing the principle of focusing mechanism, choosing materials, motor and coder, devising on focusing power and restricting place circuit, analyzing driving errors and clearance, computing the precision of the focusing mechanism. Lastly, experiments show that the focusing mechanism fits to the needs of the camera gaining good imaging quality.
本文主要对空间相机调焦机构进行研究，借鉴国内外相机调焦机构研制的成功经验，在充分分析影响相机离焦的各种因素以及相机常用的各种调焦方案利弊的基础上提出了本文的调焦机构方案，并对本调焦机构的原理进行简要的介绍；对调焦机构具体的结构、材料的选择、调焦电机的选择、编码器的选择等进行了详细的分析、计算；在电设计中，在简单介绍调焦系统工作原理的基础上，详细介绍了调焦功率级的设计、限位电路设计；在误差分析中，在对调焦机构的传动部件的传动误差、空回进行分析、计算的基础上，对本调焦机构的精度进行了评估；最后，通过试验(调焦试验、相机野外照像试验、力学环境试验、热循环试验、热真空试验)验证调焦机构满足相机成像使用要求。
Auto-focusing technique is one of the space camera's key technologies auto-focusing system is an important part of the space camera and a key module to ensure the imaging quality of the space camera. The conditions around the space camera are very complicated, such as impact, vibration, space temperature and air pressure. The space camera needs not only have excellent mechanical capability, but also have superior the capability of adapting surroundings capability, especially the adaptive capability to space temperature and air pressure. When the space camera works in orbit, the temperature fluctuates in a great range. The space camera has a thin skin to the change of the circumstances, especially to the change of temperature. Because of the changes of the surroundings, the camera's focusing plane will offset in different degree. In order to ensure the imaging quality of the space camera in complicated environment, the camera's focusing plane needs be modulated. So it is necessary to devise a system to adjust
the place of the space camera's focusing plane .In this paper, auto-focusing mechanism the space camera been reach on.
The project of focusing mechanism has been put forward on the basis of analyzing several factors departing from focus and contrasting different projects. In this article, the mostly contents are these: Introducing the principle of focusing mechanism, choosing materials, motor and coder, devising on focusing power and restricting place circuit, analyzing driving errors and clearance, computing the precision of the focusing mechanism. Lastly, experiments show that the focusing mechanism fits to the needs of the camera gaining good imaging quality.
引文
1 P.A.Stokseth. Properties of a Defocused Optical System. J. Optical Soc. Amer.,1969,59(10): P1314～1321
2 John L. Hershey, Eng. Team. Modelling HST Focal-Length Variations. SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE. Document:SESD-97-01
3 egni G, Leger D. In-flight Refocusing Method for the SPOT HRV Camera. Photogrametric Engineering and Remote Sensing, 1984, 50 (12): 1697～1705.
4 Jennison, L.G.Gregoris.A Self Imaging Technique for Focussing An IR Telescope. SPIE, 1990, Vol. 1309:P245～256
5 Gerald C. holst. Easy focussing with a sweep frequency target. SPIE, I990, Vol.1309:P266～270
6 Kavier Roca. New autofocusing algorithm for cytological tissue in a microscopy environment. Society of Photo-Optical Instrumention Engineers, February, 1998. Vol 37:P635～641
7 Lurali Subbarao. Focusing techniques. OPTICAL ENGINEERING, NOVEMBER, 1993. Vol. 32:P2824～2836
8 许洪基，郁明山等。现代机械传动手册 机械工业出版社 1995
9 费业泰 误差理论与数据处理 机械工业出版社 2000．5
10 葛志祺 机械零件设计手册 冶金工业出版社 1979．12
11 张善锺 精密仪器结构设计手册 机械工业出版社 1993．10
12 王之江 光学技术手册 机械工业出版社 1994．8
13 黄栩 中国机械工业标准汇编 中国标准出版社 2001．5
14 江景山 空间科学与应用 科学出版社 2000．7
15 王光锐 温小霓 概率论与数理统计 西安电子科技大学出版社 1996．8
16 丁亚林 空间遥感相机调焦机构设计 光学精密工程 2002
17 王光．KS-146长焦距航空照相机．中国人民解放军空军司令部情报部．1989．2
18 肖佐 空间科学学报 《空间科学学报》编辑部
19 全景式航空照相机 中国人民解放军空军司令部情报部 1988．10
20 沙定国．实用误差理论与数据处理．北京：北京理工大学出版社，1993．
21 邓勃等．分析测试数据的统计处理方法．北京：清华大学出版社．1995
22 复旦大学，概率论．高等教育出版社，1987．
23 张登臣 郁道银 实用光学设计方法与现代光学系统 机械工业出版社 1995．7
24 王连祥等 数学手册 高等教育出版社 1979
25 任嘉卉等 公差与配合手册 机械工业出版社 2000．4
26 楠波 成电 精密齿轮传动装置—理论与实践 国防工业出版社 1978．1
27 郁道银、谈恒英 光学工程 机械工业出版社 2002．6
28 叶克明等 齿轮手册机械工业出版社 1990．11
29 王家骐 光学仪器总体设计 长春光机所研究生部 2003．4
30 翁立军 新型MoS_2基润滑及防冷焊薄膜性能的研究 空间科学学报 1996
31 徐锦芬等 溅射MoS2膜在真空用滚珠轴承上的应用研究 固体润滑 1998
32 张以平齿轮国家标准汇编中国标准出版社 1990．12
2 John L. Hershey, Eng. Team. Modelling HST Focal-Length Variations. SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE. Document:SESD-97-01
3 egni G, Leger D. In-flight Refocusing Method for the SPOT HRV Camera. Photogrametric Engineering and Remote Sensing, 1984, 50 (12): 1697～1705.
4 Jennison, L.G.Gregoris.A Self Imaging Technique for Focussing An IR Telescope. SPIE, 1990, Vol. 1309:P245～256
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6 Kavier Roca. New autofocusing algorithm for cytological tissue in a microscopy environment. Society of Photo-Optical Instrumention Engineers, February, 1998. Vol 37:P635～641
7 Lurali Subbarao. Focusing techniques. OPTICAL ENGINEERING, NOVEMBER, 1993. Vol. 32:P2824～2836
8 许洪基，郁明山等。现代机械传动手册 机械工业出版社 1995
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10 葛志祺 机械零件设计手册 冶金工业出版社 1979．12
11 张善锺 精密仪器结构设计手册 机械工业出版社 1993．10
12 王之江 光学技术手册 机械工业出版社 1994．8
13 黄栩 中国机械工业标准汇编 中国标准出版社 2001．5
14 江景山 空间科学与应用 科学出版社 2000．7
15 王光锐 温小霓 概率论与数理统计 西安电子科技大学出版社 1996．8
16 丁亚林 空间遥感相机调焦机构设计 光学精密工程 2002
17 王光．KS-146长焦距航空照相机．中国人民解放军空军司令部情报部．1989．2
18 肖佐 空间科学学报 《空间科学学报》编辑部
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20 沙定国．实用误差理论与数据处理．北京：北京理工大学出版社，1993．
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22 复旦大学，概率论．高等教育出版社，1987．
23 张登臣 郁道银 实用光学设计方法与现代光学系统 机械工业出版社 1995．7
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25 任嘉卉等 公差与配合手册 机械工业出版社 2000．4
26 楠波 成电 精密齿轮传动装置—理论与实践 国防工业出版社 1978．1
27 郁道银、谈恒英 光学工程 机械工业出版社 2002．6
28 叶克明等 齿轮手册机械工业出版社 1990．11
29 王家骐 光学仪器总体设计 长春光机所研究生部 2003．4
30 翁立军 新型MoS_2基润滑及防冷焊薄膜性能的研究 空间科学学报 1996
31 徐锦芬等 溅射MoS2膜在真空用滚珠轴承上的应用研究 固体润滑 1998
32 张以平齿轮国家标准汇编中国标准出版社 1990．12
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