阅读说明：本技术 一种Offner型光谱成像光学系统的快速装调方法 (Rapid adjusting method of Offner type spectral imaging optical system ) 是由 陈新华 赵知诚 杨拓拓 朱嘉诚 沈为民 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种Offner型光谱成像光学系统的快速装调方法。Offner型光谱成像光学系统为同心或接近同心的光学系统,即其主镜、凸面光栅、三镜均为球面,且各自的曲率中心重合或基本重合。本发明基于自准直原理,通过观察点光源经球面镜反射后得到的自准像,快速确定球面镜曲率中心的位置。本发明提供的装调方法具有装调速度快,精度高,对于装调环境的要求低,所需的设备成本低的特点,能快速有效地完成Offner型光谱成像光学系统的装调。(The invention discloses a quick adjustment method of an Offner type spectral imaging optical system. The Offner type spectral imaging optical system is a concentric or nearly concentric optical system, namely, the main mirror, the convex grating and the three mirrors are all spherical surfaces, and the respective curvature centers are coincident or basically coincident. The invention is based on the autocollimation principle, and the position of the curvature center of the spherical mirror is quickly determined by observing the autocollimation image obtained by reflecting the point light source by the spherical mirror. The adjusting method provided by the invention has the characteristics of high adjusting speed, high precision, low requirement on adjusting environment and low cost of required equipment, and can quickly and effectively complete the adjustment of the Offner type spectral imaging optical system.)

一种Offner型光谱成像光学系统的快速装调方法

技术领域

本发明涉及一种Offner型光谱成像光学系统的装调方法。

背景技术

光谱成像技术能够同时获取场景的空间信息和光谱信息，具有“图谱合一”的优点，广泛用于遥感探测、矿物勘探、环保监控、智慧农业以及食品安全等领域。基于Offner结构的光栅型光谱成像系统具有相对孔径大、畸变小，成像质量佳，结构紧凑等优点，是目前最常见的光谱成像系统之一。Offner结构的光谱成像光学系统中通常包含主镜、三镜、凸面光栅和狭缝等组件，这些元件的失调会导致系统成像质量下降以及畸变的增加，直接影响光谱成像的定量化水平。

在本发明作出之前，中国发明专利CN102141439A公开了一种凸面光栅成像光谱仪的装配方法，它基于干涉仪，采用谱图直读法实现光栅、探测器的装配，具体步骤为：配备一套干涉仪和标准补偿镜;在干涉仪前面置入凸面光栅分光系统的主镜、三镜,调整主镜、三镜位置使干涉仪出现干涉条纹；将汞灯置于狭缝前，光栅置入主镜、三镜之间，读数显微镜置入凸面光栅分光系统的像面处，调节光栅，使读数显微镜能够读出汞灯的0级、-1级光谱；置入探测器、望远镜头，调节探测器、望远镜头，使探测器能接受到探测目标理想的光谱像。该方法在装调过程中需要使用干涉仪，价格昂贵，且装调过程花费时间较长。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种装调速度快，精度高，成本低的Offner型光谱成像光学系统的装调方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种Offner型光谱成像光学系统的快速装调方法，包括如下步骤：

（1）用三坐标测量仪，预先分别对Offner结构的光谱成像光学系统中的主镜曲率中心、三镜曲率中心和凸面光栅表面的曲率中心作出标记；

（2）主镜的固定：在标记的主镜曲率中心处放置透明玻璃圆球，将自准直显微镜聚焦于玻璃圆球的球心，记录下自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标D1；移去玻璃圆球，调整主镜使得自准直显微镜发出的光束经主镜反射后，自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标与本步骤中记录下的像点的重心坐标D1一致，固定主镜；

（3）三镜的固定：在标记的三镜曲率中心处放置透明玻璃圆球，将自准直显微镜聚焦于玻璃圆球的球心，记录下自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标D2；移去玻璃圆球，调整三镜使得自准直显微镜发出的光束经三镜反射后，自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标与本步骤中记录下的像点的重心坐标D2一致，固定三镜；

（4）在凸面光栅的背部安装辅助凹面镜，辅助凹面镜的曲率中心与凸面光栅表面曲率中心同心；在标记的凸面光栅表面曲率中心处放置透明玻璃圆球，将自准直显微镜聚焦于玻璃圆球的球心，记录下自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标D3；移去玻璃圆球，调整辅助凹面镜和凸面光栅，使得自准直显微镜发出的光束经辅助凹面镜反射后，自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标与本步骤中记录下的像点的重心坐标D3一致；

（5）安装狭缝，在光谱成像光学系统的像面处放置面阵探测器；用汞灯照明狭缝，在面阵探测器获取谱线图，测试谱线弯曲；在保持经凸面光栅背后的辅助凹面镜反射后，自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标与步骤（4）中的重心坐标一致的条件下，依据谱线弯曲测试结果，转动凸面光栅；

（6）当谱线弯曲满足要求时，固定凸面光栅，拆除辅助凹面镜，完成系统装调。

Offner型光谱成像光学系统为同心或接近同心的光学系统，即其主镜、凸面光栅、三镜均为球面，且各自的曲率中心重合或基本重合。本发明基于自准直原理，通过观察点光源经球面镜反射后得到的自准像，快速确定球面镜曲率中心的位置。

与现有技术相比，本发明针对Offner型光谱成像光学系统的光学结构特点，基于自准直原理，提出一种装调方法，其有益效果在于：装调速度快，精度高，对于装调环境的要求低，所需的设备成本低，能快速有效地完成Offner型光谱成像光学系统的装调。

附图说明

图1为本方法实施例提供的一种Offner型光谱成像光学系统装调方法的流程图；

图2为主镜和三镜的装调示意图；

图3为自准直显微镜结构示意图；

图4为凸面光栅和辅助镜的安装示意图；

图5为光栅的粗装调示意图；

图6为光栅的精装调示意图；

图中，1.自准直显微镜；2.补偿镜；3.玻璃球；4.自准直显微镜；5.凸面光栅； 6. 辅助镜；7. 光谱成像系统的主镜；8. 光谱成像系统的三镜；9. 狭缝；10. 汞灯；11. CCD相机；12.半透半反镜；13.显微物镜；14.光源；15.面阵探测器；16.针孔。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明技术方案作进一步的详细说明。

实施例1

参见附图1，它是本实施例提供的一种Offner型光谱成像光学系统装调方法的流程图,具体步骤如下：

1.用三坐标测量仪，预先分别对Offner结构的光谱成像光学系统中的主镜曲率中心、三镜曲率中心和凸面光栅表面的曲率中心作出标记；

2.在标记的主镜曲率中心处放置透明玻璃圆球，将自准直显微镜聚焦于玻璃圆球的球心，记录下自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标；

3.移去玻璃圆球，调整主镜使得自准直显微镜发出的光束经主镜反射后，自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标与步骤2中记录下的像点的重心坐标一致，固定主镜；

4.在标记的三镜曲率中心处放置透明玻璃圆球，将自准直显微镜聚焦于玻璃圆球的球心，记录下自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标；

5.移去玻璃圆球，调整三镜使得自准直显微镜发出的光束经三镜反射后，自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标与步骤4中记录下的像点的重心坐标一致，固定三镜；

6.在凸面光栅的背部安装辅助凹面镜，辅助凹面镜的曲率中心与凸面光栅表面曲率中心同心；

7.在标记的凸面光栅表面曲率中心处放置透明玻璃圆球，将自准直显微镜聚焦于玻璃圆球的球心，记录下自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标；

8.移去玻璃圆球，调整辅助凹面镜和凸面光栅，使得自准直显微镜发出的光束经辅助凹面镜反射后，自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标与步骤7中记录下的像点的重心坐标一致；

9.安装狭缝，在光谱成像光学系统的像面处放置面阵探测器；

10.用汞灯照明狭缝，在面阵探测器获取谱线图，测试谱线弯曲；

11.在保持经凸面光栅背后的辅助凹面镜反射后，自准直显微镜探测器像面上像点的重心坐标与步骤7中的重心坐标一致的条件下，依据谱线弯曲测试结果，转动凸面光栅；

12.当谱线弯曲满足要求时，固定凸面光栅，拆除辅助凹面镜，完成系统装调。

参见附图2，它为主镜、三镜的装调示意图；图中，7为光谱成像系统的主镜，8为光谱成像系统的三镜。具体步骤分别如图2（a）、（b）和（c）所示：

参见图2（a），装调时首先将自准直显微镜1对准玻璃球3的球心。

参见图2（b），移走玻璃球，将主镜7放入光路中，调整主镜3，使得自准直显微镜1发出的光能够经主镜反射后自准，固定主镜。

参见图2（c ），用与图2（a）同样的方法，安装另一个自准直显微镜4，使其会聚点与玻璃球3的曲率中心重合，再在光路中放入三镜8。调整三镜8，使得自准直显微镜4发出的光能够经三镜反射后自准，固定三镜，完成主镜和三镜的安装。

参见附图3，为装调过程中所用的自准直显微镜结构示意图，图中，12为半透半反镜，13为显微物镜，14为光源，15为面阵探测器，16为针孔。针孔16的位置和探测器15的中心位置成共轭关系，均位于显微物镜的像点处。

参见附图4，为凸面光栅和辅助镜的安装示意图，图中，1和4均为自准直显微镜，2为产生会聚光的补偿镜，3为玻璃球，5为凸面光栅，6为具有凹面反射面的辅助镜。具体步骤分别如图4（a）、（b）和（c）所示：

参见图4（a），安装时，先将自准直显微镜4的会聚点对准玻璃球3的球心，然后将补偿镜2放入光路中，使得补偿镜2的物方会聚点位于玻璃球3的球心处，并利用自准直显微镜4对准补偿镜2的像方会聚点。

参见图4（b），移走玻璃球，将凸面光栅5放入光路中，移动凸面光栅，使得凸面光栅的曲率中心与补偿镜2的会聚点重合，此时自准直显微镜4中可以观察到经凸面光栅5自准回来的0级光。

参见图4（c），在光路中放入辅助镜6，调整辅助镜使得其曲率中心与自准显微镜4的会聚点重合，固定辅助镜和凸面光栅，完成凸面光栅和辅助镜的安装。

参见附图5和6，图5为光栅的粗装调示意图；自准直显微镜4的会聚点位于主镜7和三镜8的曲率中心处，放入凸面光栅5以及安装在一起的凹面辅助镜6，调整凸面光栅，使得其后部的辅助镜的曲率中心位于自准直显微镜4的会聚点处，初步固定凸面光栅。图6为光栅的精装调示意图；安装光谱成像系统的狭缝9，并利用汞灯10照明狭缝，将CCD相机11安装在光谱成像系统的像面处，使得面阵探测器上观察到清晰的谱线。测量面阵探测器上谱线的弯曲量，转动凸面光栅，同时保证辅助镜的曲率中心仍在自准直显微镜4的聚焦点处，直至谱线弯曲量最小，固定凸面光栅，并移除辅助镜，完成Offner光谱成像系统的装调。