[发明专利]次镜调焦方法、空间光学相机及其设计方法

说明书

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。

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：