一种偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的高精度快速装调方法
阅读说明：本技术 一种偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的高精度快速装调方法 (High-precision quick assembling and adjusting method for off-axis prism dispersion type hyperspectral imager ) 是由 贾昕胤 李立波 沈重 杨莹 王飞橙 张兆会 李思远 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的高精度快速装调方法,解决现有偏轴棱镜色散型高光谱成像仪存在装调设备复杂、装调难度大以及装调时间长的问题。该方法包括以下步骤：步骤一、装调基准偏轴球面镜；步骤二、对其他偏轴球面镜进行装调；步骤三、获取各偏轴球面镜球面的球心坐标；步骤四、固定各偏轴球面镜；步骤五、完成系统的装调。本发明装调方法通过三坐标测量仪与点源显微镜互相配合,可实现各偏轴球面镜的六自由度调整,进而可快速高精度的实现偏轴棱镜色散型光谱仪的系统装调。(The invention provides a high-precision quick assembling and adjusting method of an off-axis prism dispersion type hyperspectral imager, which solves the problems of complex assembling and adjusting equipment, high assembling and adjusting difficulty and long assembling and adjusting time of the existing off-axis prism dispersion type hyperspectral imager. The method comprises the following steps: firstly, installing and adjusting a reference off-axis spherical mirror; step two, adjusting other off-axis spherical mirrors; step three, obtaining the spherical center coordinates of each off-axis spherical mirror; step four, fixing each off-axis spherical mirror; and step five, completing the installation and adjustment of the system. The adjusting method can realize the six-degree-of-freedom adjustment of each off-axis spherical mirror through the mutual matching of the three-coordinate measuring instrument and the point source microscope, and further can realize the system adjustment of the off-axis prism dispersion spectrometer with high speed and high precision.)
技术领域
本发明属于高光谱成像仪精密装调领域，具体涉及一种偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的高精度快速装调方法。
背景技术
色散型高光谱成像仪可采用光栅色散和棱镜色散两种方式。相比于光栅色散，棱镜色散在能量利用率上具有较大优势且加工难度低。但由于玻璃材料的色散通常为非线性的，采用棱镜色散后的光谱采样间隔也是非线性的，同时棱镜色散也会引入较大的光谱畸变和像差，因此，需要通过调整色散棱镜和反射棱镜的偏心与倾斜来校正光学系统像差，提高系统像质。但由此导致的棱镜色散型光谱仪中各光学元件往往没有共同的光轴，是偏轴的。各偏轴光学元件的装调精度也直接影响高光谱成像仪的成像质量。
同轴光学系统可通过定心加工保证各光学元件的同轴度，但复杂偏轴棱镜色散光学系统仍缺少高效的装调方法，存在装调难度大与装调时间长的问题。中国专利CN102141439A公开了一种凸面光栅成像光谱仪的装调方法，基于干涉仪与标准补偿镜，通过谱图直读法完成系统的装配，该方法在装调过程中需要使用干涉仪、装调设备复杂且装调周期长。
发明内容
本发明提供一种偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的高精度快速装调方法，解决现有偏轴棱镜色散型高光谱成像仪存在装调设备复杂、装调难度大以及装调时间长的问题。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案为：
一种偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的高精度快速装调方法，所述偏轴棱镜色散型高光谱成像仪包括基板以及设置在基板上的编码组件、光学单元和探测器，所述光学单元包括多个偏轴球面镜；该方法包括以下步骤：
步骤一、装调基准偏轴球面镜；
1.1)将其中一个偏轴球面镜作为基准偏轴球面镜，将基准偏轴球面镜安装在基板上，采用三坐标测量仪测量基准偏轴球面镜背部平面与基板安装面的角度，根据测量值调整基准偏轴球面镜的姿态，使得基准偏轴球面镜背部平面与基板平面垂直；
1.2)采用三坐标测量仪测量基准偏轴球面镜的凸面球心高度Z1，并记录该凸面球心高度Z1；
步骤二、对其他偏轴球面镜进行装调；
2.1)将偏轴球面镜安装在基板上，采用三坐标测量仪测量偏轴球面镜的基准表面与基板安装面的角度，根据测量值调整偏轴球面镜的姿态，使得偏轴球面镜的基准表面与基板安装平面垂直，从而完成偏轴球面镜的俯仰角度调整；
2.2)采用三坐标测量仪测量偏轴球面镜前表面球心高度Z2和后表面球心高度Z3，再次调整偏轴球面镜的姿态，使得Z2＝Z3，完成偏轴球面镜旋转角度的调整；
2.3)再次调整偏轴球面镜的姿态，使得Z2＝Z3＝Z1，完成偏轴球面镜的高度调整；
步骤三、获取各偏轴球面镜球面的球心坐标；
建立系统坐标系，系统坐标系以基准偏轴球面镜的凸面球心为坐标原点，以基准偏轴球面镜的中心轴线为X轴，Z轴为垂直高度方向，且Z轴垂直于X轴，由右手定则确定Y轴，根据设计值，确定各偏轴球面镜球面的球心坐标；
步骤四、固定各偏轴球面镜；
4.1)在偏轴球面镜前表面的理论球心位置处放置金属圆球，将点源显微镜聚焦于金属圆球的球心，记录点源显微镜像面上像点的重心坐标D2；
4.2)移走金属圆球，调整偏轴球面镜的X向位移、Y向位移与方位角度，使得点源显微镜发出的光束经偏轴球面镜成像的像点坐标D3与D2一致，固定偏轴球面镜；
步骤五、完成偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的装调；
5.1)将编码组件安装在基板上，在光学单元的像面处放置探测器；
5.2)在编码组件上安装星点板，通过点源显微镜观察星点像，对编码组件进行精调，调至最佳成像质量，完成偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的装调。
进一步地，步骤1.1)中，通过修研基准偏轴球面镜与基板之间的修切垫使得基准偏轴球面镜背部平面与基板平面垂直。
进一步地，步骤二中，调整偏轴球面镜的姿态具体通过修研偏轴球面镜与基板之间的修切垫实现。
进一步地，步骤4.2)中，移走金属圆球，通过螺钉过孔量调整偏轴球面镜的X向位移、Y向位移与方位角度。
进一步地，步骤2.1)中，偏轴球面镜的基准表面为偏轴球面镜在光学加工时加工的一个易于测量的平面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明装调方法通过三坐标测量仪与点源显微镜互相配合，可实现各偏轴球面镜的六自由度调整，进而可快速高精度的实现偏轴棱镜色散型光谱仪的系统装调。
2.本发明装调方法将光学单元的装调均转化为各种简单几何关系如:角度关系、球心点坐标的调整，克服了传统装调方法利用成像谱图装调的设备复杂性，降低了对装配人员的技术要求，装调难度大幅降低。
3.本发明装调方法可降低对光学仪器结构设计的难度，装调成本低、装调时间短、装调精度高、所需装调设备简单。
附图说明
图1为本发明实施例中偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的光学系统示意图；
图2为本发明实施例中偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的结构示意图；
图3为本发明方法中曲面棱镜的光学基准面示意图；
图4为本发明各光学元件球面的理论球心位置以次反射镜凸面球心为原点建立坐标系的示意图。
附图标记：1-编码组件，2-曲面棱镜一组件，3-曲面反射棱镜一组件，4- 次反射镜组件，5-曲面棱镜二组件，6-曲面反射棱镜二组件，7-折轴镜组件， 8-探测器，9-基板，11-编码模板，21-曲面棱镜一，31-曲面反射棱镜一，41- 次反射镜，51-曲面棱镜二，61-曲面反射棱镜二，71-折轴镜，81-探测器支架， 22-曲面棱镜一组件修切垫，32-曲面反射棱镜一组件修切垫，42-次反射镜组件修切垫，211-前基准面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的高精度快速装调方法，实现对偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的高精度与低成本装调，可应用在各类偏轴光学系统的高精密快速装调。偏轴棱镜色散型高光谱成像仪包括基板以及设置在基板上的编码组件、光学单元和探测器，光学单元包括多个偏轴球面镜。
本发明以中国专利CN112013954A公开的基于曲面棱镜的offner高光谱成像系统为例，对现有偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的装调进行说明。如图1所示，偏轴棱镜色散型光谱仪的光学系统主要由编码组件1、光学单元和探测器 8组成，光学单元包括曲面棱镜一21、曲面反射棱镜一31、次反射镜41、曲面棱镜二51、曲面反射棱镜二61及折轴镜71，各曲面棱镜与曲面反射棱镜在加工时，均需设计有轴向靠面。
如图2所示，实现上述光学系统的偏轴棱镜色散型高光谱成像仪主要由编码组件1、曲面棱镜一组件2、曲面反射棱镜一组件3、次反射镜组件4、曲面棱镜二组件5、曲面反射棱镜二组件6、折轴镜组件7、探测器8组成。各组件采用共用基板9的安装方式，各棱镜先单独安装在各自结构框上，各棱镜的结构框再通过一层修切垫与基板9固连。
各曲面棱镜与曲面反射棱镜在光学加工时，均需在其表面加工轴线定位基准面，如图3中曲面棱镜一21的前基准面211。定位各镜组的局部坐标系如下：前表面光轴方向为X向，与基板9垂直的高度方向为Z向，Y向由右手定则确定。定位各镜组的俯仰角度为绕Y轴转动角度，各镜组的方位角度为绕Z轴转动角度，各镜组的旋转角度为绕X轴转动角度。
以上述偏轴棱镜色散型高光谱成像仪为例，本发明提供了一种偏轴棱镜色散型高光谱成像仪的高精度快速装调方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、装调次反射镜组件4；
先将次反射镜组件4安装在基板9上，采用三坐标测量仪测量次反射镜41 背部平面C0与基板9安装面的角度，通过修研次反射镜组件修切垫42保证次反射镜41背部平面C0与基板9平面垂直，采用三坐标测量仪测量次反射镜41的凸面C1球心高度位置Z1，并记录，后续装调均以次反射镜41为基准，完成其他镜组的装调；
步骤二、装调曲面棱镜一组件2；
将曲面棱镜一组件2安装在基板9上，采用三坐标测量仪测量曲面棱镜一 21上的前基准面211与基板9安装面的角度，过修研次曲面棱镜一组件修切垫 22保证曲面棱镜一21的前基准面211与基板9安装平面垂直，完成曲面棱镜一组件2的俯仰角度的调整。
采用三坐标测量仪测量曲面棱镜一组件2前表面C2球心高度坐标Z2和后表面C3球心高度Z3，通过修研曲面棱镜一组件修切垫22，保证Z2＝Z3，完成曲面棱镜一组件2旋转角度的调整；
再次修研曲面棱镜一组件修切垫22，保证Z2＝Z3＝Z1，完成曲面棱镜一组件2的高度调整；
步骤三、装调曲面反射棱镜一组件3；
将曲面反射棱镜一组件3安装在基板9上，采用三坐标测量仪测量曲面反射棱镜一31的前基准面与基板9安装面的角度，通过修研曲面反射棱镜一组件修切垫32保证曲面反射棱镜一31的前基准面与基板9安装平面垂直，完成曲面反射棱镜一组件3的俯仰角度的调整；
采用三坐标测量仪测量曲面反射棱镜一组件3前表面C4球心高度坐标Z4 和后表面C5球心高度Z5，通过修研曲面反射棱镜一组件修切垫32，保证 Z4＝Z5，完成曲面反射棱镜一组件3旋转角度的调整；
再次修研曲面反射棱镜一组件修切垫32，保证Z4＝Z5＝Z1，完成曲面反射棱镜一组件3的高度调整；
步骤四、装调曲面棱镜二组件5、曲面反射棱镜二组件6；
类似地，参照步骤三或步骤四，完成曲面棱镜二组件5、曲面反射棱镜二组件6与折轴镜组件7俯仰角度、旋转角度与Z向高度的调整；
步骤五、获取各光学元件球面的球心坐标；
如图4所示，建立系统坐标系，系统坐标系以次反射镜41凸面C1球心为坐标原点，以次反射镜41的中心轴线为X轴，Z轴为垂直高度方向，Y轴垂直于X 轴，由右手定则可确定；根据设计值，确定各光学元件球面的球心坐标；
步骤六、固定曲面棱镜一组件2；
先在曲面棱镜一组件2的前表面C2的理论球心位置(8.81，10.7)处放置金属圆球，将点源显微镜PSM聚焦于金属圆球的球心，记录下点源显微镜像面上像点的重心坐标D2，移走金属圆球，通过螺钉过孔量调整曲面棱镜一组件2的X向位移、Y向位移与方位角度，使得点源显微镜发出的光束经曲面棱镜一21成像的像点坐标D3与D2一致，固定曲面棱镜一组件2；
步骤七、固定曲面棱镜一21、曲面反射棱镜二组件6、折轴镜组件7；
类似地，参照步骤六，完成曲面反射棱镜一组件3、曲面棱镜二组件5、曲面反射棱镜二组件6与折轴镜组件7X向位移、Y向位移与方位角度的调整；
步骤八、完成系统的装调；
将编码组件安装在基板9上，在系统的像面处放置探测器8，探测器8经探测器支架81安装在基板9上，在编码组件上安装星点板，通过点源显微镜观察星点像，对编码组件进行精调，调至最佳成像质量，完成系统的装调。
本发明装调方法通过三坐标测量仪与点源显微镜互相配合，可实现各偏轴球面镜的六自由度调整，进而可快速高精度的实现偏轴棱镜色散型光谱仪的系统装调。
本发明装调方法将光学系统的装调均转化为各种简单几何关系如:角度关系、球心点坐标的调整，克服了传统装调方法利用成像谱图装调的设备复杂性，，降低了对装配人员的技术要求，装调难度大幅降低。
本发明装调方法可降低对光学仪器结构设计的难度，装调成本低、装调时间短、装调精度高、所需装调设备简单。
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