機(jī)載相機(jī)研制過(guò)程中,鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和相機(jī)組裝完成后的調(diào)試是決定機(jī)載相機(jī)成像質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。本文對(duì)機(jī)載相機(jī)鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì),并對(duì)調(diào)試機(jī)載相機(jī)的模擬成像系統(tǒng)進(jìn)行研究,使用ZEMAX優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)一種機(jī)載相機(jī)成像鏡頭結(jié)構(gòu),通過(guò)分析載機(jī)的空中實(shí)際運(yùn)行姿態(tài),搭建地面模擬成像系統(tǒng),主要的研究?jī)?nèi)容如下:首先對(duì)機(jī)載相機(jī)光學(xué)鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì),針對(duì)優(yōu)化過(guò)程中存在的五種基本像差,分析其形成原理及優(yōu)化方法,使用雙高斯結(jié)構(gòu)作為光學(xué)初始結(jié)構(gòu),分別通過(guò)添加球面鏡與非球面鏡優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng),對(duì)比分析兩種光學(xué)結(jié)構(gòu)的MTF值,彌散圓半徑與結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度,非球面光學(xué)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于球面光學(xué)結(jié)構(gòu),采用非球面結(jié)構(gòu)投入實(shí)際研制,對(duì)研制出的非球面鏡進(jìn)行表面檢測(cè)。對(duì)于成像系統(tǒng)的搭建,主要設(shè)計(jì)了地面景物模擬裝置、三軸姿態(tài)模擬轉(zhuǎn)臺(tái)、二軸外力擬時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu),三軸姿態(tài)模擬轉(zhuǎn)臺(tái)、二軸外力擬時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)裝置是通過(guò)對(duì)載機(jī)實(shí)際運(yùn)行建模分析后進(jìn)行軸系設(shè)計(jì)搭建整體系統(tǒng),地面景物模擬裝置則是通過(guò)分析載機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度,計(jì)算得到速度參數(shù)匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)搭建,對(duì)相機(jī)部分及外力擬時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)部分使用Hyper Mesh軟件進(jìn)行有限元前處理,使用NASTRAN軟件進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析,確保機(jī)械結(jié)構(gòu)合理后投入實(shí)際加工。最后搭建整體成像系統(tǒng)并進(jìn)行地面模擬成像實(shí)驗(yàn),三軸姿態(tài)模擬轉(zhuǎn)臺(tái)配合二軸外力擬時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)不同高度下俯仰、橫滾、偏擺姿態(tài)影響下機(jī)載相機(jī)進(jìn)行模擬成像,采集圖片并分析,根據(jù)采集圖片對(duì)相機(jī)進(jìn)行調(diào)整,提高相機(jī)成像質(zhì)量,進(jìn)行室外的實(shí)際景物成像實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證非球面相機(jī)調(diào)試后的實(shí)際成像質(zhì)量。
【學(xué)位單位】：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：TP391.41
【部分圖文】：

第1章緒論1第1章緒論1.1課題概述1.1.1課題來(lái)源本課題來(lái)源于科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：“信息使能的復(fù)雜光機(jī)功能部件制造關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2016YFE0105100）。1.1.2課題研究背景及意義隨著科技的發(fā)展和加工技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)載相機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域在近幾年漸為廣泛，機(jī)載相機(jī)，即掛載安裝于無(wú)人機(jī)等航空機(jī)械上，在百米甚至千米以上的高空對(duì)地成像的光學(xué)設(shè)備，多應(yīng)用于空中勘測(cè)的研究如地質(zhì)勘探、建筑設(shè)計(jì)勘測(cè)、地形地貌勘測(cè)森林調(diào)查、云圖氣象預(yù)測(cè)等方面[1]如下圖1.1所示，就是機(jī)載相機(jī)搭載于航空機(jī)械設(shè)備在空中獲取的部分圖像信息，經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)整和計(jì)算機(jī)處理后提供圖片數(shù)據(jù)供相關(guān)研究[2]。圖1.1各類(lèi)航空相機(jī)航拍圖片機(jī)載相機(jī)是一種應(yīng)用較早的觀測(cè)設(shè)備，隨著科技發(fā)展已經(jīng)形成廣泛的分支體系，其應(yīng)用的起源于20世紀(jì)初的兩次世界大戰(zhàn)，為了滿足對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)分析，軍事部署等需求，結(jié)合當(dāng)時(shí)的相機(jī)制造技術(shù)研發(fā)出了早期的機(jī)載偵察相機(jī)，如圖1.2所示為近代美國(guó)Goodrich公司所研制的用于偵查的機(jī)載相機(jī)DB-110及其整體吊艙結(jié)構(gòu)，DB-110相機(jī)是一種多功能、多波段的機(jī)載相機(jī)[3]。

第1章緒論2圖1.2DB-110機(jī)載相機(jī)及其吊艙結(jié)構(gòu)與普通相機(jī)不同，機(jī)載相機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，其一般應(yīng)用于百米甚至千米的高度對(duì)地成像，高空的氣流和載機(jī)自身動(dòng)力等因素會(huì)對(duì)其姿態(tài)造成影響，從而機(jī)載相機(jī)的成像質(zhì)量也會(huì)受到影響，這就對(duì)機(jī)載相機(jī)的性能及其成像的調(diào)試技術(shù)提出了更高的要求[4]，傳統(tǒng)的測(cè)試方法為將組裝好的機(jī)載相機(jī)設(shè)備搭載到試驗(yàn)載機(jī)上，利用載機(jī)將相機(jī)設(shè)備帶入到實(shí)際工作環(huán)境中，采取其測(cè)得的圖片，觀察其實(shí)際的圖片清晰度等各項(xiàng)成像指標(biāo)，然后對(duì)相機(jī)進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試之后重復(fù)搭載于載機(jī)繼續(xù)檢測(cè)調(diào)試，周而復(fù)始，這樣的相機(jī)調(diào)試方法不僅繁瑣，而且每一次實(shí)際載機(jī)運(yùn)行花費(fèi)巨大，同時(shí)在高空環(huán)境中的各種不確定因素較多，有檢測(cè)不到可靠圖像數(shù)據(jù)的概率，為了提高機(jī)載相機(jī)的檢測(cè)效率同時(shí)可降低檢測(cè)所需要的成本，研制一套在地面實(shí)驗(yàn)室內(nèi)即可模擬機(jī)載相機(jī)所處高空環(huán)境的成像系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備就顯得尤為必要。現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外機(jī)載相機(jī)的地面檢測(cè)成像系統(tǒng)的相關(guān)資料顯示此種成像系統(tǒng)的研究還有待深入。因此，根據(jù)機(jī)載相機(jī)的實(shí)際工作的環(huán)境情況及其成像特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而研制出一套在地面環(huán)境下就可以模擬機(jī)載相機(jī)在空中成像的設(shè)備是具有意義的，將機(jī)載相機(jī)搭載在此模擬裝置上，模擬實(shí)際工作環(huán)境的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)載相機(jī)的調(diào)試提供可靠圖像數(shù)據(jù)，從而調(diào)節(jié)達(dá)到高質(zhì)量圖像成像效果。本課題自主研發(fā)了一種應(yīng)用非球面鏡的機(jī)載相機(jī)光學(xué)成像鏡頭，在減少所需鏡片數(shù)量的基礎(chǔ)上同時(shí)提高了相機(jī)的成像質(zhì)量，搭載于自主研制的模擬成像裝置之上模擬調(diào)試，本課題設(shè)計(jì)的模擬成像系統(tǒng)在地面環(huán)境即可模擬不同高度下俯仰、橫滾、偏擺姿態(tài)對(duì)機(jī)載相機(jī)成像質(zhì)量的影響，搭配實(shí)時(shí)的外力模擬，調(diào)試機(jī)載相機(jī)的成像質(zhì)量，簡(jiǎn)化了機(jī)載相機(jī)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的繁瑣過(guò)程及其高

第1章緒論31.2成像光學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀本課題首先設(shè)計(jì)一種機(jī)載相機(jī)鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)，屬成像光學(xué)范疇領(lǐng)域，成像光學(xué)發(fā)展歷史悠久，按照史書(shū)文獻(xiàn)記載，最早對(duì)成像光學(xué)的記錄為早期兩千四百年前墨翟(墨子)及其弟子的小孔成倒像的實(shí)驗(yàn)[5]。而對(duì)于成像光學(xué)的應(yīng)用則源于1668年-牛頓反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)，其原理如下圖1.3所示，牛頓基于反射原理通過(guò)平面鏡和凹面鏡的組合提升了像的放大倍率[6]。圖1.3牛頓望遠(yuǎn)鏡原理1839年，法國(guó)攝影師路易達(dá)蓋爾研制出世界上的第一款商品相機(jī)如下圖1.4所示，相片畫(huà)幅尺寸可達(dá)到16.6*21.5cm[7]。圖1.4達(dá)蓋爾相機(jī)1841年，光學(xué)家沃哥蘭德發(fā)明了第一臺(tái)全金屬機(jī)身的照相機(jī)[8]。這部相機(jī)的最大特點(diǎn)是安裝了一個(gè)特別的攝像頭，相對(duì)孔徑可達(dá)1：3.4。1890年，卡爾蔡司和奧托肖特、及恩斯特阿貝共同發(fā)明了一種正光攝影鏡頭，可以高效的消除像散影響[9]。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電子加工技術(shù)的逐漸發(fā)展，成像光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展趨勢(shì)。如圖1.5所示，成像光學(xué)的涉及領(lǐng)域逐漸從相機(jī)，望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡等傳統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)逐漸向無(wú)人車(chē)識(shí)別，高精密監(jiān)控，無(wú)人機(jī)機(jī)載成像等高端科技方向，向著高精度、自動(dòng)化、智能化等領(lǐng)域發(fā)展[10]。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2874152