棱镜法面阵CCD垂直拼接的应用

张继超，李延伟，张洪文

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

随着光学技术与电子技术的飞速发展，遥感器也在快速的发展。同时，对成像介质的要求也在不断的提高。近些年，成像介质在不断的发展，由原来的胶片发展为线阵CCD，又由线阵CCD向面阵CCD发展，面阵CCD也由小面阵逐渐的向大面阵发展［1，2］。但是由于现阶段技术的局限，大面阵CCD的生产还存在困难，即使生产出来价格也非常昂贵。因此，利用多片面阵 CCD进行拼接代替单片的大面阵 CCD成为了遥感器研究的关键技术之一［3-5］。本文从某型号航空遥感器的宽覆盖要求出发，利用两片成像靶面为5K×6K的面阵CCD，通过拼接得到6K×10K的成像靶面。

1 拼接方式的选择

目前比较常见的 CCD拼接方式主要有机械拼接与光学拼接两种。机械拼接是在普通显微镜下进行的，容易保证两个 CCD器件拼接后共面及两相邻像素之间的对准误差、平行度误差等，是线阵CCD拼接的常用方式，如图 1（a）所示。线阵CCD遥感器为扫描工作方式，拼接的间距不会对其成像产生影响。由于面阵 CCD器件为分幅成像器件，故拼接时像元要相接，才不至于丢失图象。5K×6K的面阵CCD机械壳体较大，机械拼接时，无法将像元拼接到一起。因此，面阵 CCD拼接选择光学拼接比较合理，拼接精度也比较高，拼接方式如图1（b）所示。

图1 机械拼接和光学拼接示意图Fig.1 Illustration of mechanical and optical assembly

2 光学拼接原理与技术要求

光学拼接是以分光的方法把光束均等地分成两路，形成两个等效的焦平面。在两处焦平面上分别安装 CCD，接收口径内不同部分的光。调整CCD的位置，使 CCD的有效像元搭接，拼接后像面的亮度均匀。

光学拼接中的分光棱镜为两块三角棱镜胶合而成的，在胶合面上镀半反半透膜层。光线经棱镜后分光，分别到达两块CCD上。分光后的光能变低，降低为原来的一半，可以通过调节快门的曝光时间和调整CCD的增益来弥补。

光学拼接存在这样一个问题，接收透射光成像的CCD所成像为相似像，接收反射光成像的CCD所成像为镜像像。拼接时需将镜像像再镜像一次，得到相似像，然后对两个相似像进行拼接，得到完整的图像，拼接示意图如图2所示。

图2 拼接示意图Fig.2 Illustration of the assembly

拼接过程中，调整两 CCD的位置是关键，须保证拼接精度要求，包括共面、搭接和平行要求。

（1）共面要求［6］

共面是要求两 CCD安装在分光后的等光程位置上，既等效像面上。允许有一定的误差，但不能超过遥感器总体分配给像面的误差。

（2）平行要求

平行是要求搭接后，两块CCD的拼接边平行，保证成像后整幅的景物为长方形。

（3）搭接要求

搭接是要求像元有一定的重叠数量，以免丢失景物，搭接也不能过多，浪费有效像元，减小收容宽度。

3 拼接方法

根据现有的技术水平和条件，选取5K×6K的面阵 CCD器件来拼接。拼接方式有两种选择，拼接成 5K×12K 与 6K×10K 两种方式。相比之下，6K×10K的边长更接近，需要的像面尺寸更小，拼接后 CCD的边缘更接近镜头的中心视场，故选取这种拼接方式。

棱镜法对 CCD进行拼接，要求拼接后共面误差不大于 0.02mm，相接边的平行度误差不大于0.01mm，要求搭接像元不大于10个。

3.1 确定等效像面

CCD的拼接需要在专门的设备上进行，首先确定两等效像面位置，工具如下：照明设备、十字丝靶面、平行光管。如图（3）所示。

照明设备、十字丝靶面和平行光管提供无穷远目标，通过镜头成像，经分光棱镜进行分光，得到两个等效像面。用显微镜观察像面，用千分表进行测量，读出像面到两个 CCD调整垫的距离，修整调整垫使像面重合。

图3 确定等效像面Fig.3 Confirm of equivalent image surface

3.2 拼接

CCD拼接需要在长后工作距离的工具显微镜下进行。

将上CCD安装在棱镜组件上，CCD外框调整到与棱镜边缘平行，成像面位于棱镜中心，固定作为基准。将整体放置在工具显微镜的工作台上，用工具显微镜观察 CCD的像元，移动滑板，使工具显微镜的十字丝与CCD宽度方向第8个像元重合。

将下CCD安装在棱镜组件上，将上CCD用黑纸挡上。用工具显微镜观察下 CCD的像元，利用微调机构调整下CCD位置，使下CCD宽度方向第8个像元与十字丝重合，实现宽度方向搭接8个像元。

移动工具显微镜，到下CCD边缘，使下CCD边缘与工具显微镜的十字丝重合。将下 CCD用黑纸挡上，上 CCD的黑纸取下，利用微调机构调整上 CCD，使上 CCD边缘与十字丝重合，实现两CCD边缘平齐。拼接完成。

4 精度分析

4.1 共面误差

在两块 CCD拼接前，用显微镜分别观察两等效像面，取四个角和中心作为观测点，然后修整CCD安装面，调整安装面的厚度与角度，使两像面重合。共面误差为显微镜的焦深，即为0.02mm。本遥感器焦深0.07mm，误差为焦深的三分之一，满足总体误差分布原则。

使调焦镜前后运动，找到像面位置，两块CCD能够同时获得清晰图象，满足使用要求。

4.2 平行误差

由拼接原理可知，平行误差为像元的误差，即小于0.009mm。折算成角误差为0.6'。

4.3 搭接误差

本拼接中，像元在5K方向上搭接为8个像元，在6K方向上对齐，两个方向上的拼接误差均小于一个像元。

5 试验

某遥感器应用此方法进行了拼接，对外景进行成像，并进行拼接。对外景的成像结果如图4（a）所示。成像后将CCD2图像镜像，然后与CCD1图像拼接，拼接结果如图4（b）所示。

图4 对外景成像Fig.4 Picture of outer scene

6 结论

不同类型的遥感器，其焦深不同，焦平面的大小和结构也各不相同。应根据遥感器的成像原理与成像特点设计与之相适应的焦平面结构。本文结合可见光面阵 CCD遥感器的焦平面特点和器件的结构尺寸与成像特性，设计了一种棱镜法对 CCD进行垂直拼接。与传统的机械拼接方式相比，拼接效果好，精度高。经试验，该方法的共面误差小于0.02mm，搭接误差小于一个像元，平行误差小于0.009mm，满足遥感器的使用要求。可供其它遥感器的研究与实践借鉴。

［1］肖江，胡柯良，林佳本，等.用大面阵CCD实现全日面像自动导行［J］.光学精密工程，2008（16）：1589-1594.

［2］史磊，金光，安源，等.一种遥感遥感器的CCD交错拼接方法研究［J］.红外，2009，30（1）：12-35.

［3］李朝辉，王肇勋，武克用.空间遥感器CCD焦平面的光学拼接［J］.光学精密工程，2000（3）：213-216.

［4］李英才，刘亚南，相宝林，等.提高线阵CCD拼接精度的研究［J］.测试技术学报，2002（16）：430-434.

［5］Paul R Jorden，David G Morris，Peter J Poo1.Technology of large focal planes of CCDs［C］.Proc.SPIE，2004，5167：72-82.

［6］任建岳，孙斌，张星祥，等.TDICCD交错拼接的精度检测［J］.光学精密工程，2008（16）：1852-1857.