棱鏡法面陣CCD垂直拼接的應用

張繼超，李延偉，張洪文

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

隨著光學技術與電子技術的飛速發展，遙感器也在快速的發展。同時，對成像介質的要求也在不斷的提高。近些年，成像介質在不斷的發展，由原來的膠片發展為線陣CCD，又由線陣CCD向面陣CCD發展，面陣CCD也由小面陣逐漸的向大面陣發展［1，2］。但是由于現階段技術的局限，大面陣CCD的生產還存在困難，即使生產出來價格也非常昂貴。因此，利用多片面陣 CCD進行拼接代替單片的大面陣 CCD成為了遙感器研究的關鍵技術之一［3-5］。本文從某型號航空遙感器的寬覆蓋要求出發，利用兩片成像靶面為5K×6K的面陣CCD，通過拼接得到6K×10K的成像靶面。

1 拼接方式的選擇

目前比較常見的 CCD拼接方式主要有機械拼接與光學拼接兩種。機械拼接是在普通顯微鏡下進行的，容易保證兩個 CCD器件拼接后共面及兩相鄰像素之間的對準誤差、平行度誤差等，是線陣CCD拼接的常用方式，如圖 1（a）所示。線陣CCD遙感器為掃描工作方式，拼接的間距不會對其成像產生影響。由于面陣 CCD器件為分幅成像器件，故拼接時像元要相接，才不至于丟失圖象。5K×6K的面陣CCD機械殼體較大，機械拼接時，無法將像元拼接到一起。因此，面陣 CCD拼接選擇光學拼接比較合理，拼接精度也比較高，拼接方式如圖1（b）所示。

圖1 機械拼接和光學拼接示意圖Fig.1 Illustration of mechanical and optical assembly

2 光學拼接原理與技術要求

光學拼接是以分光的方法把光束均等地分成兩路，形成兩個等效的焦平面。在兩處焦平面上分別安裝 CCD，接收口徑內不同部分的光。調整CCD的位置，使 CCD的有效像元搭接，拼接后像面的亮度均勻。

光學拼接中的分光棱鏡為兩塊三角棱鏡膠合而成的，在膠合面上鍍半反半透膜層。光線經棱鏡后分光，分別到達兩塊CCD上。分光后的光能變低，降低為原來的一半，可以通過調節快門的曝光時間和調整CCD的增益來彌補。

光學拼接存在這樣一個問題，接收透射光成像的CCD所成像為相似像，接收反射光成像的CCD所成像為鏡像像。拼接時需將鏡像像再鏡像一次，得到相似像，然后對兩個相似像進行拼接，得到完整的圖像，拼接示意圖如圖2所示。

圖2 拼接示意圖Fig.2 Illustration of the assembly

拼接過程中，調整兩 CCD的位置是關鍵，須保證拼接精度要求，包括共面、搭接和平行要求。

（1）共面要求［6］

共面是要求兩 CCD安裝在分光后的等光程位置上，既等效像面上。允許有一定的誤差，但不能超過遙感器總體分配給像面的誤差。

（2）平行要求

平行是要求搭接后，兩塊CCD的拼接邊平行，保證成像后整幅的景物為長方形。

（3）搭接要求

搭接是要求像元有一定的重疊數量，以免丟失景物，搭接也不能過多，浪費有效像元，減小收容寬度。

3 拼接方法

根據現有的技術水平和條件，選取5K×6K的面陣 CCD器件來拼接。拼接方式有兩種選擇，拼接成 5K×12K 與 6K×10K 兩種方式。相比之下，6K×10K的邊長更接近，需要的像面尺寸更小，拼接后 CCD的邊緣更接近鏡頭的中心視場，故選取這種拼接方式。

棱鏡法對 CCD進行拼接，要求拼接后共面誤差不大于 0.02mm，相接邊的平行度誤差不大于0.01mm，要求搭接像元不大于10個。

3.1 確定等效像面

CCD的拼接需要在專門的設備上進行，首先確定兩等效像面位置，工具如下：照明設備、十字絲靶面、平行光管。如圖（3）所示。

照明設備、十字絲靶面和平行光管提供無窮遠目標，通過鏡頭成像，經分光棱鏡進行分光，得到兩個等效像面。用顯微鏡觀察像面，用千分表進行測量，讀出像面到兩個 CCD調整墊的距離，修整調整墊使像面重合。

圖3 確定等效像面Fig.3 Confirm of equivalent image surface

3.2 拼接

CCD拼接需要在長后工作距離的工具顯微鏡下進行。

將上CCD安裝在棱鏡組件上，CCD外框調整到與棱鏡邊緣平行，成像面位于棱鏡中心，固定作為基準。將整體放置在工具顯微鏡的工作臺上，用工具顯微鏡觀察 CCD的像元，移動滑板，使工具顯微鏡的十字絲與CCD寬度方向第8個像元重合。

將下CCD安裝在棱鏡組件上，將上CCD用黑紙擋上。用工具顯微鏡觀察下 CCD的像元，利用微調機構調整下CCD位置，使下CCD寬度方向第8個像元與十字絲重合，實現寬度方向搭接8個像元。

移動工具顯微鏡，到下CCD邊緣，使下CCD邊緣與工具顯微鏡的十字絲重合。將下 CCD用黑紙擋上，上 CCD的黑紙取下，利用微調機構調整上 CCD，使上 CCD邊緣與十字絲重合，實現兩CCD邊緣平齊。拼接完成。

4 精度分析

4.1 共面誤差

在兩塊 CCD拼接前，用顯微鏡分別觀察兩等效像面，取四個角和中心作為觀測點，然后修整CCD安裝面，調整安裝面的厚度與角度，使兩像面重合。共面誤差為顯微鏡的焦深，即為0.02mm。本遙感器焦深0.07mm，誤差為焦深的三分之一，滿足總體誤差分布原則。

使調焦鏡前后運動，找到像面位置，兩塊CCD能夠同時獲得清晰圖象，滿足使用要求。

4.2 平行誤差

由拼接原理可知，平行誤差為像元的誤差，即小于0.009mm。折算成角誤差為0.6'。

4.3 搭接誤差

本拼接中，像元在5K方向上搭接為8個像元，在6K方向上對齊，兩個方向上的拼接誤差均小于一個像元。

5 試驗

某遙感器應用此方法進行了拼接，對外景進行成像，并進行拼接。對外景的成像結果如圖4（a）所示。成像后將CCD2圖像鏡像，然后與CCD1圖像拼接，拼接結果如圖4（b）所示。

圖4 對外景成像Fig.4 Picture of outer scene

6 結論

不同類型的遙感器，其焦深不同，焦平面的大小和結構也各不相同。應根據遙感器的成像原理與成像特點設計與之相適應的焦平面結構。本文結合可見光面陣 CCD遙感器的焦平面特點和器件的結構尺寸與成像特性，設計了一種棱鏡法對 CCD進行垂直拼接。與傳統的機械拼接方式相比，拼接效果好，精度高。經試驗，該方法的共面誤差小于0.02mm，搭接誤差小于一個像元，平行誤差小于0.009mm，滿足遙感器的使用要求。可供其它遙感器的研究與實踐借鑒。

［1］肖江，胡柯良，林佳本，等.用大面陣CCD實現全日面像自動導行［J］.光學精密工程，2008（16）：1589-1594.

［2］史磊，金光，安源，等.一種遙感遙感器的CCD交錯拼接方法研究［J］.紅外，2009，30（1）：12-35.

［3］李朝輝，王肇勛，武克用.空間遙感器CCD焦平面的光學拼接［J］.光學精密工程，2000（3）：213-216.

［4］李英才，劉亞南，相寶林，等.提高線陣CCD拼接精度的研究［J］.測試技術學報，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，孫斌，張星祥，等.TDICCD交錯拼接的精度檢測［J］.光學精密工程，2008（16）：1852-1857.