一种光谱仪光学系统的装调方法及光学系统

1.本发明涉及空间太阳光谱仪光学系统装调领域，具体涉及一种光谱仪光学系统的装调方法及光学系统。


背景技术：

2.卫星和有效载荷的微小型化是航天技术领域的重要趋势，也是缩短研发周期，提高发射任务的性价比，最大程度节约项目成本的必然选择，因此本世纪以来，以高度的功能实体集成化、一体化、模块化为特征的微纳卫星的发展极为迅速，在极大节约了国家的航天载荷研发成本的同时为我国的天文科学研究、信息通信、环境与灾害监测、气候气象服务等领域作出了巨大的贡献。但是具有极高功能密度比的紧凑型光机结构给系统设计和装调带来了严峻的挑战。
3.hα（波长为656.28nm）是广泛用来观测耀斑及暗条等众多太阳活动现象的一条重要谱线，太阳hα成像光谱仪不仅获取太阳hα及其邻近的siι和 feι特征光谱信息，还能获得hα波段附近全日面的单一波长影像。现有系统装调用的激光干涉仪如zygo，4d干涉仪等工作波长均为632.8nm，由于光谱仪存在透射和衍射元件，因此波长的不同导致无法按照传统的装调方法利用激光干涉仪进行系统装调。传统的光学镜头光学元件数量和调整自由度较少，易于装调、检测设备的展开和应用；对于具有多个非球面反射、透镜和衍射元件并安装于不同的支撑结构内，各光学元件的法线指向具有异常复杂空间关系，核心部组件空间距离压缩至毫米级别的成像光谱仪器很难继续适用；传统的光谱仪只获取目标的光谱信息，光学元件的位置和姿态精度较低，通过激光光线的目视观测和瞄准等方式即可完成光学元件的正确安装，而太阳hα成像光谱仪要求光学系统像质接近光学衍射极限，对装调精度要求极高。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本技术提供一种光谱仪光学系统的装调方法及光学系统，解决了含有众多光学元件且空间关系极为复杂的成像光谱仪器的高精度装调问题。
5.为实现上述目的，在第一方面，本发明提供一种光谱仪光学系统的装调方法，光谱仪光学系统包括框架本体、前置离轴三反光路单元、透镜光路单元、扫描光路单元、光谱成像单元以及第一基准立方体，前置离轴三反光路单元、透镜光路单元、扫描光路单元、光谱成像单元沿光束传播方向依次设置在框架本体上；方法包括以下步骤：在框架本体上设置第一基准立方体，第一基准立方体具有三个垂直的面，三个垂直的面的法线分别与光学系统的光轴、水平轴和竖直轴平行；对前置离轴三反光路单元进行装调，并以第一基准立方体为基准，在前置离轴三反光路单元的出光口设置第一折叠镜，使前置离轴三反光路单元的光轴偏转90
°
；对透镜光路单元进行装调，所述透镜光路单元安装在框架本体上，采用特制定位
螺钉保证其安装精度；对扫描光路单元进行装调，然后在所述扫描光路单元出射端安装狭缝组件；对光谱成像单元进行装调，以使狭缝出射的光线能够在光谱成像单元上进行衍射，获得衍射后在预设波段范围内的光谱影像。
6.在一些实施例中，光谱成像单元沿光路方向依次设置第一像面装置、光栅装置、第二像面装置以及成像装置，光学系统还包括第二基准立方体，第二基准立方体设置在光栅装置上，第一像面装置包括第一视场，第一视场包括第一定位孔以及多个第二定位孔，第一定位孔设置在第一视场的正中心，第二定位孔分布在第一定位孔的周向上，第二像面装置包括第二视场，第二视场包括第三定位孔以及多个第四定位孔，第三定位孔设置在第二视场的正中心，第四定位孔分布在第三定位孔的周向上；方法还包括以下步骤：在光栅装置上设置有第二基准立方体，第二基准立方体具有三个相互垂直的面，第二基准立方体的三个相互垂直的面分别与光栅装置的三个相互垂直的面平行；采用六维调整架将光栅装置悬浮于框架本体对应的接口处，以第一基准立方体为基准调整光栅装置的姿态至理论设计姿态；调整光栅装置旋转至预设角度δθ；在第一像面装置的出射端设置球面标准镜，并使标准球面镜的焦点对准第一定位孔的圆心处；在第二像面装置的出射端设置干涉仪，并使干涉仪的焦点对准第三定位孔的圆心处；调节成像装置的姿态，以使得光束在成像装置上形成的光谱像质满足预定要求，而后拆除第一像面装置及球面标准镜。
7.在一些实施例中，方法还包括以下步骤：将第一像面装置设置在第二折叠镜的安装位置，第二折叠镜的安装位置由以下步骤确定：以第一基准立方体为基准确定第二折叠镜在框架本体上的位置，以使狭缝出射的光束的光轴偏转90
°
。
8.在一些实施例中，调节成像装置至光束在成像装置上形成的光谱像质合格还包括：将第二折叠镜设置在第一像面装置拆除后的位置处。
9.在一些实施例中，光学系统还包括扫描光路单元，扫描光路单元设置在透镜光路单元与光谱成像单元之间，方法还包括以下步骤：对扫描光路单元进行装调，以使扫描光路单元的入射光线与扫描光路单元的出射光线平行。
10.在一些实施例中，扫描光路单元包括多个小平面镜，小平面镜包括第一镜片、第二镜片、第三镜片以及第四镜片，第一镜片与第二镜片平行设置，第一镜片与第四镜片垂直，第二镜片与第三镜片垂直，所述第三镜片与所述第四镜片平行设置，方法还包括以下步骤：调整所述扫描光路单元姿态使其第一镜片与所述第一基准立方体水平方向呈45
°
将设置在所述第二像面工装的出射端的干涉仪焦点对准所述第三定位孔的圆心
处；调整所述扫描光路单元第一镜片和第二镜片之间的间隔以及所述扫描光路单元的整体姿态，使得光学系统所有光路单元的光路满足预设轨迹；在第三定位孔的正中心端面处的像质满足预定要求后，进行其余第四定位孔的像质检测。
11.在一些实施例中，方法还包括：在多个第二视场定位孔像质满足预定要求后，将光栅装置旋转-δθ角度恢复至理论设计姿态。
12.在一些实施例中，光学系统还包括狭缝组件，成像装置包括光谱像面探测器；方法还包括以下步骤：将狭缝组件的狭缝设置在扫描光路单元的出射端；采用预设波段的激光光源检测光谱像面探测器接收到的狭缝像亮度和谱线半宽；调整狭缝组件位置使得狭缝像亮度最大，谱线半宽达到预设数值。
13.在第二方面，本发明还提供一种光谱仪光学系统，适用于第一方面所提供的任一种装调方法，光谱仪光学系统包括框架本体、前置离轴三反光路单元、透镜光路单元、扫描光路单元、光谱成像单元以及第一基准立方体，前置离轴三反光路单元、透镜光路单元、扫描光路单元、光谱成像单元沿光束传播方向依次设置在框架本体上，第一基准立方体设置在框架本体上。
14.在一些实施例中，光谱成像单元沿光路方向依次设置第一像面装置、光栅装置、第二像面装置以及成像装置，光学系统还包括第二基准立方体，第二基准立方体设置在光栅装置上，第一像面装置包括第一视场，第一视场包括第一定位孔以及多个第二定位孔，第一定位孔设置在第一视场的正中心，第二定位孔分布在第一定位孔的周向上，第二像面装置包括第二视场，第二视场包括第三定位孔以及多个第四定位孔，第三定位孔设置在第二视场的正中心，第四定位孔分布在第三定位孔的周向上。
15.区别于现有技术，上述技术方案简化了具有众多光学元件、空间关系极为复杂的成像光谱仪光学系统的装调过程，具有原理和方法简单，精度高等优点，特别适用于结构紧凑、轻小型化的星载成像光谱仪器的研制。
16.上述发明内容相关记载仅是本技术技术方案的概述，为了让本领域普通技术人员能够更清楚地了解本技术的技术方案，进而可以依据说明书的文字及附图记载的内容予以实施，并且为了让本技术的上述目的及其它目的、特征和优点能够更易于理解，以下结合本技术的具体实施方式及附图进行说明。
附图说明
17.附图仅用于示出本发明具体实施方式以及其他相关内容的原理、实现方式、应用、特点以及效果等，并不能认为是对本技术的限制。
18.在说明书附图中：图1为具体实施方式所述光谱仪装调系统的光路示意图；图2为具体实施方式所述光学系统示意图；图3为具体实施方式所述校准光路单元示意图；
图4为具体实施方式所述扫描光路单元示意图；图5为具体实施方式所述狭缝件示意图；图6为具体实施方式所述第一像面装置示意图；图7为具体实施方式所述光栅装置示意图；图8为具体实施方式所述第二像面装置示意图；图9为具体实施方式所述光栅理论姿态示意图；图10为具体实施方式所述特制定位螺钉示意图。
19.其中的附图标记包括：1、前置离轴三反光路单元；2、透镜光路单元；3、扫描光路单元；4、光谱成像光路单元；5、第一折叠镜；6、第二折叠镜；7、光栅；8、框架本体；9、第一基准立方体；10、透镜光路单元的镜室；11、环形平面镜；12、光栅框架；13、第二基准立方体；14、狭缝组件；15、第一像面装置；16、视场定位孔；17、安装螺钉孔；18、特制定位螺钉；19、定位锥面；20、螺纹；21、第二像面装置；22、像面定位孔；23、安装螺钉孔；24、校正镜组；25、光栅装置；26、第二视场；61、第一镜片；62、第二镜片；63、第三镜片；64、第四镜片。
具体实施方式
20.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
22.在第一方面，本发明提供一种光谱仪光学系统的装调方法，光谱仪光学系统包括框架本体8、前置离轴三反光路单元1、透镜光路单元2、扫描光路单元3、光谱成像单元以及第一基准立方体9，前置离轴三反光路单元1、透镜光路单元2、扫描光路单元3、光谱成像单元沿光束传播方向依次设置在框架本体8上；方法包括以下步骤：在框架本体8上设置第一基准立方体9，第一基准立方体9具有三个垂直的面，三个垂直的面的法线分别与光学系统的光轴、水平轴和竖直轴平行；对前置离轴三反光路单元1进行装调，并以第一基准立方体9为基准，在前置离轴三反光路单元1的出光口设置第一折叠镜5，使前置离轴三反光路单元1的光轴偏转90
°
；对透镜光路单元2进行装调，所述透镜光路单元2安装在框架本体8上，采用特制定位螺钉18保证其安装精度；对扫描光路单元3进行装调，然后在所述扫描光路单元3出射端安装狭缝组件14；对光谱成像单元进行装调，以使狭缝出射的光线能够在光谱成像单元上进行衍射，获得衍射后在预设波段范围内的光谱影像。
23.在一些实施例中，光谱成像单元沿光路方向依次设置第一像面装置15、光栅7装置、第二像面装置21以及成像装置，光学系统还包括第二基准立方体13，第二基准立方体13设置在光栅7装置上，第一像面装置15包括第一视场，第一视场包括第一定位孔以及多个第二定位孔，第一定位孔设置在第一视场的正中心，第二定位孔分布在第一定位孔的周向上，
第二像面装置21包括第二视场26，第二视场26包括第三定位孔以及多个第四定位孔，第三定位孔设置在第二视场26的正中心，第四定位孔分布在第三定位孔的周向上；方法还包括以下步骤：在光栅7装置上设置有第二基准立方体13，第二基准立方体13具有三个相互垂直的面，第二基准立方体13的三个相互垂直的面分别与光栅7装置的三个相互垂直的面平行；采用六维调整架将光栅7装置悬浮于框架本体8对应的接口处，以第一基准立方体9为基准调整光栅7装置的姿态至理论设计姿态；调整光栅7装置旋转至预设角度δθ；在第一像面装置15的出射端设置球面标准镜，并使标准球面镜的焦点对准第一定位孔的圆心处；在第二像面装置21的出射端设置干涉仪，并使干涉仪的焦点对准第三定位孔的圆心处；调节成像装置的姿态，以使得光束在成像装置上形成的光谱像质满足预定要求，而后拆除第一像面装置15及球面标准镜。
24.在一些实施例中，方法还包括以下步骤：将第一像面装置15设置在第二折叠镜6的安装位置，第二折叠镜66的安装位置由以下步骤确定：以第一基准立方体9为基准确定第二折叠镜6在框架本体8上的位置，以使狭缝出射的光束的光轴偏转90
°
。
25.在一些实施例中，调节成像装置至光束在成像装置上形成的光谱像质合格还包括：将第二折叠镜6设置在第一像面装置15拆除后的位置处。
26.在一些实施例中，光学系统还包括扫描光路单元3，扫描光路单元3设置在透镜光路单元2与光谱成像单元之间，方法还包括以下步骤：对扫描光路单元3进行装调，以使扫描光路单元3的入射光线与扫描光路单元3的出射光线平行。
27.在一些实施例中，扫描光路单元3包括多个小平面镜，小平面镜包括第一镜片61、第二镜片62、第三镜片63以及第四镜片64，第一镜片61与第二镜片62平行设置，第一镜片61与第四镜片64垂直，第二镜片62与第三镜片63垂直，所述第三镜片63与所述第四镜片64平行设置，方法还包括以下步骤：调整所述扫描光路单元3姿态使其第一镜片61与所述第一基准立方体9水平方向呈45
°
将设置在所述第二像面工装的出射端的干涉仪焦点对准所述第三定位孔的圆心处；调整所述扫描光路单元3第一镜片61和第二镜片62之间的间隔以及所述扫描光路单元3的整体姿态，使得光学系统所有光路单元的光路满足预设轨迹；在第三定位孔的正中心端面处的像质满足预定要求后，进行其余第四定位孔的像质检测。
28.在一些实施例中，方法还包括：
在多个第二视场26定位孔16像质满足预定要求后，将光栅7装置旋转-δθ角度恢复至理论设计姿态。
29.在一些实施例中，光学系统还包括狭缝组件14，成像装置包括光谱像面探测器；方法还包括以下步骤：将狭缝组件14的狭缝设置在扫描光路单元3的出射端；采用预设波段的激光光源检测光谱像面探测器接收到的狭缝像亮度和谱线半宽；调整狭缝组件14位置使得狭缝像亮度最大，谱线半宽达到预设数值。
30.在第二方面，本发明还提供一种光谱仪光学系统，适用于第一方面所提供的任一种装调方法，光谱仪光学系统包括框架本体8、前置离轴三反光路单元1、透镜光路单元2、扫描光路单元3、光谱成像单元以及第一基准立方体9，前置离轴三反光路单元1、透镜光路单元2、扫描光路单元3、光谱成像单元沿光束传播方向依次设置在框架本体8上，第一基准立方体9设置在框架本体8上。
31.在一些实施例中，光谱成像单元沿光路方向依次设置第一像面装置15、光栅7装置、第二像面装置21以及成像装置，光学系统还包括第二基准立方体13，第二基准立方体13设置在光栅7装置上，第一像面装置15包括第一视场，第一视场包括第一定位孔以及多个第二定位孔，第一定位孔设置在第一视场的正中心，第二定位孔分布在第一定位孔的周向上，第二像面装置21包括第二视场26，第二视场26包括第三定位孔以及多个第四定位孔，第三定位孔设置在第二视场26的正中心，第四定位孔分布在第三定位孔的周向上。
32.上述技术方案简化了具有众多光学元件、空间关系极为复杂的成像光谱仪光学系统的装调过程，具有原理和方法简单，精度高等优点，特别适用于结构紧凑、轻小型化的星载成像光谱仪器的研制。
33.结合本发明实施例中的附图1-9，对本发明实施例中的方法和步骤进行详细描述：（1）进行前置离轴三反光路单元1装调，像质合格（即满足预定标准）后在框架本体8顶部安装第一基准立方体9，第一基准立方体9三个垂直的面法线分别与系统光轴、水平轴和竖直轴平行；（2）以步骤（1）所述第一基准立方体9为基准，安装第一折叠镜5，使前置离轴三反光路单元1光轴偏转90
°
；（3）进行透镜光路单元2装调，透镜光路单元的镜室10端面设置环形平面镜11，其法线与透镜光路单元的光轴平行，该环形平面镜特征为外环为反射面，中空部分确保不对光路产生遮拦，像质合格后安装至第一折叠镜5后部，以步骤（1）所述第一基准立方体9为基准，调整透镜光路单元2的光轴方向与前置离轴三反光路单元1偏转90
°
后的光轴平行；（4）以步骤（3）所述环形平面镜11为基准安装第二折叠镜6，使透镜光路单元2的光轴偏转90
°
，第二折叠镜6组件与框架本体8打销钉定位，然后拆除第二折叠镜6组件；（5）进行扫描光路单元3装调，确保入射光线与出射光线平行，暂时不安装至光学系统内；（6）光栅装置25包括衍射光栅框架12以及光栅7，在衍射光栅框架12上安装第二基准立方体13，调整其三个垂直面分别与光栅7的三个垂直面平行；（7）利用六维调整架将光栅7悬浮于框架本体8对应的接口处，以第一基准立方体9为基准调整光栅7姿态至理论设计状态，然后根据光栅衍射公式dsinθ=kλ计算因检测波长
与系统工作波长不同导致的衍射角偏差δθ，利用六维调整架将光栅7旋转相应的角度δθ；（8）安装第一像面装置15至框架本体8（第二折叠镜6组件位置处），第一像面装置上具有第一视场，第一视场上加工有9个视场定位孔16，按照视场定位孔16的分布位置不同，将设置在第一视场正中心处的视场定位孔16标记为第一定位孔，围绕第一定位孔的其余8个视场定位孔16标记为第二定位孔，常用的视场定位孔16分布方式为“田”字分布，可参考图中所示，田字形的9个横纵交汇点即为像面的各个典型视场位置，在像质调整优化时，只要检测这9个视场的像质优劣就可以表征整个系统全视场像质的好坏，表征第一像面装置的9个典型视场位置，孔径优选为φ1.5mm保证对准精度，轴向厚度优选为1mm~2mm从而避免光线遮拦，其安装螺钉孔17与视场定位孔16采用精密五轴数控加工中心一次装卡加工完成从而保证相对空间位置精度优于0.01mm，安装螺钉采用特制定位螺钉18，其上加工有定位锥面19，采用超精密车床加工，保证螺纹19与定位锥面同轴度优于φ0.01mm；（9）安装第二像面装置21，第二像面装置上具有第二视场26，第二视场26上加工有9个像面定位孔22，按照像面定位孔22的分布位置不同，将设置在第二视场26正中心处的像面定位孔22标记为第三定位孔，围绕第三定位孔的其余8个像面定位孔22标记为第四定位孔，常用的像面定位孔22分布方式为“田”字分布，可参考图中所示，田字形的9个横纵交汇点即为像面的各个典型视场位置，在像质调整优化时，只要检测这9个视场的像质优劣就可以表征整个系统全视场像质的好坏，表征光谱像面9个典型视场位置，孔径优选为φ1.5mm保证对准精度，轴向厚度优选为1mm~2mm从而避免光线遮拦，其安装螺钉孔23与像面定位孔22采用精密五轴数控加工中心一次装卡加工完成从而保证相对空间位置精度优于0.01mm，安装螺钉采用特制定位螺钉18，其上加工有定位锥面19，采用超精密车床加工，保证螺纹19与定位锥面同轴度优于φ0.01mm；（10）在第一像面装置15前设置球面标准镜，标准镜f数略小于系统f数，在第二像面装置21前设置4d干涉仪，标准球面镜焦点对准第一定位孔，4d干涉仪焦点对准第三定位孔；（11）维持步骤（10）状态不变进行光谱成像光路单元4装调，像质检测合格（即满足预定标准）后进行其余8个视场像质检测（即第二定位孔、第四定位孔的像质检测），均合格后拆除第一像面装置15并撤除标准球面镜，安装第二折叠镜6，利用销钉进行姿态精确复位；（12）安装扫描光路单元3，在前置离轴三反光路单元1前设置标准平面镜（口径大于系统通光总口径），以第一基准立方体9为基准将标准平面镜调整至与系统光轴垂直，将第二像面装置21前设置的4d干涉仪焦点对准第三定位孔，通过调整扫描镜间隔和光路整体姿态使得系统所有光路正确对接（确保光束按照预设的轨迹传播），在第三定位孔的像质满足要求后，进行其余8个视场（即第四定位孔）的像质检测；（13）主系统像质合格后，将光栅7旋转-δθ角度恢复理论姿态（即反向旋转）；（14）安装狭缝组件14，利用hα波段激光光源检测光谱像面探测器接收到的狭缝像亮度（dn值）和谱线半宽，调整狭缝组件14位置使得狭缝像亮度最大，谱线半宽满足设计要求，则光谱仪装调完成。
34.谱线半宽是光谱仪的一个重要技术指标，这一指标满足要求意味着设备的像元光谱分辨率这一核心指标达到要求。狭缝像亮度最大意味着物理狭缝的位置刚好安装至光学
系统的理论最优位置处，间接表明整个设备的光谱成像功能达到最优。
35.本发明的有益效果在于：（1）将复杂的光谱仪光学系统分为4个独立的光路单元，分别进行独立装调，大大减少了了系统的装调自由度和难度；（2）利用光栅的旋转，通过改变检测波长来进行系统的装调，规避了现有硬件设备与系统工作波段不一致的问题；（3）各光路单元独立检测，通过折叠镜和扫描机构实现全系统对接后干涉检测，使得系统的像质可以调整至接近衍射极限；（4）巧妙利用立方棱镜（第一基准立方体、第二基准立方体）、平面镜进行各光学元件的基准引出，利用经纬仪进行精确瞄准和检测，极大提高了装调精度；（5）利用高精度视场和像面定位工装实现机械坐标系和光学系统坐标系的精确对应，保证了各光学镜组与框架的顺利安装。
36.尽管在本技术的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本技术的专利保护范围。凡是基于本技术的实质理念，利用本技术说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本技术的专利保护范围之内。
37.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
38.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
39.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。