CN114019691A - 基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调集成工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密装调技术领域，具体涉及一种基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调集成工艺方法。具体步骤包括：建立空间坐标系、Fery棱镜组件装调及系统集成过程。本发明通过三坐标测量机、PSM装调显微镜、自准直经纬仪对Fery棱镜组件进行高精度的空间坐标定位、基准传递和精密测量，综合测量精度优于6.8μm，在Fery棱镜组件装调过程中先通过三坐标测量机对各个Fery棱镜组件进行单组件精密装调，再结合PSM装调显微镜和靶球进行基准传递和系统集成，进一步降低了系统装配集成的难度。

Description

基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调集成工艺方法

技术领域

本发明属于光学精密装调技术领域，具体涉及一种基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调集成工艺方法。

背景技术

Fery棱镜是基于罗兰圆的原理提出的一种Fery棱镜，该棱镜的两个工作表面均为球面，且两个球面具有较大的面倾角，如图1所示。当Fery棱镜应用在光谱成像系统中作为分光元件时，因同时具有自准直和成像两种功能可简化系统结构，降低系统的体积和质量，通过选取合适的棱镜表面曲率来消除系统像差，也可进一步提高系统成像质量和整体性能。

随着星载和机载高光谱载荷的小型化发展趋势，基于Fery棱镜的高光谱成像系统得到了广泛应用。基于Fery棱镜的高光谱成像系统光学示意图如图2所示，包括Fery棱镜一组件25、Fery反射棱镜一组件24、次反射镜组件23、Fery棱镜二组件27、Fery反射棱镜二组件26及折轴镜组28；光束经Fery棱镜一组件25透射后达到Fery反射棱镜一组件24，经Fery反射棱镜一组件24反射后再次透过Fery棱镜一组件25到达次反射镜组件23，经次反射镜组件23反射后到达Fery棱镜二组件27，透过Fery棱镜二组件27后，经Fery反射棱镜二组件26反射再次透过Fery棱镜二组件27到达折轴镜组28，经折轴镜组28反射后成像。

由于Fery棱镜属于非同心Fery棱镜，前后两个表面不存在共同的光轴；同时，基于Fery棱镜的高光谱成像系统空间紧凑、自由度变量多、装配精度要求较高；因此利用传统的同轴光学装调工艺方法很难实现基于Fery棱镜的高光谱成像系统的精密装调。检测手段有限，关键参数难以精密控制，装调精度的高低将直接影响高光谱成像系统的光谱质量，现有技术中还是缺乏对Fery棱镜高光谱成像系统进行精密装调与集成的有效手段。

发明内容

本发明提供了一种基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调集成工艺方法，为基于Fery棱镜的高光谱成像系统的精密装调集成提供一种有效的装调集成与检测手段，该方法测量精度高，可操作性强。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明方法通过三坐标测量机(CMM)、PSM装调显微镜、自准直经纬仪对Fery棱镜组件进行高精度的空间坐标定位和测量，实现基于Fery棱镜高光谱成像系统的精密装调与集成，具体步骤如下：

步骤1、建立空间坐标系；

步骤1.1、根据空间理论尺寸，组合安装三坐标测量机上的各个探针，并逐一校准各个探针；

步骤1.2、将只安装有次反射镜组件的基于Fery棱镜高光谱成像系统基座固定在三坐标测量机的台面上，通过三坐标测量机的探针分别采点，拟合出基座侧平面、基座安装平面、次反射镜第二表面和次反射镜第一表面球心点O₃；

步骤1.3、通过三坐标测量机的专用软件计算出次反射镜组件与基座之间的安装位置关系和角度关系，判断次反射镜组件安装初始位置是否满足设计要求，若不满足，则调整次反射镜组件的安装位置，直至次反射镜组件安装初始位置满足设计要求；

步骤1.4、以次反射镜第一表面球心点O₃为坐标原点、基座侧平面为YZ面、基座安装平面为XY面，建立空间坐标系O(X，Y，Z)；

步骤2、Fery棱镜组件装调；

步骤2.1、在基座上安装Fery反射棱镜一组件、Fery棱镜一组件、Fery反射棱镜二组件及Fery棱镜二组件一中的任一Fery棱镜组件；其中Fery棱镜组件包括镜框、固定在镜框中的Fery棱镜、位于镜框底部的修切垫及安装在镜框顶部的立方棱镜；通过三坐标测量机的探针分别采点拟合出Fery棱镜第一表面的球心点、Fery棱镜第二表面的球心点以及Fery棱镜端平面；

步骤2.2、通过三坐标测量机的专用软件计算出Fery棱镜与基座及次反射镜组件之间的安装位置关系，判断Fery棱镜组件安装初始位置是否满足设计要求，若不满足，则通过调整修切垫调整Fery棱镜的安装位置；

Fery棱镜组件安装初始位置需满足以下要求：

Fery棱镜端平面与基座安装平面的垂直度满足设计要求；

Fery棱镜第一表面的球心点、Fery棱镜第二表面的球心点相对基座安装平面的中心高度相等；

Fery棱镜中心高度与次反射镜组件中心高度相等；

步骤2.3、做好安装标记，整体拆卸Fery棱镜组件；

步骤2.4、依照步骤2.1～2.3，依次对其余三个Fery棱镜组件进行单组件精密装调；

步骤3、系统集成；

步骤3.1、根据安装标记，重新复位安装其中任一Fery棱镜组件，通过三坐标测量机的探针采点测量拟合出Fery棱镜第一表面的球心点，Fery棱镜组件微量角度调整使其球心点相对坐标原点的空间位置满足设计要求；

步骤3.2、架设PSM装调显微镜和靶球，通过三坐标测量机的探针测量靶球的空间坐标，微位移调整使靶球的空间坐标满足Fery棱镜第一表面的球心点的设计要求；再微位移调整PSM装调显微镜与靶球自准成像，CCD界面显示十字丝图像边缘锐利可辨；

步骤3.3、取掉靶球，架设自准直经纬仪，PSM装调显微镜的CCD界面上显示Fery棱镜第一表面的自准直十字丝图像，根据图像锐利情况微位移整体调整Fery棱镜组件的角度及前后距离，自准直经纬仪实时监控立方棱镜的角度变化情况，保证在满足角度要求的情况下达到自准直十字丝图像边缘锐利可辨，Fery棱镜组件精密装调结束；

步骤3.4、依照步骤3.1～3.3，依次通过PSM装调显微镜和靶球精密确定其余三个Fery棱镜第一表面的球心点，完成Fery反射棱镜一组件，Fery棱镜一组件，Fery反射棱镜二组件和Fery棱镜二组件的精密装调与集成；

步骤3.5、按照设计要求安装折轴镜组件，并进行系统像质检验，至此完成了基于Fery棱镜高光谱成像系统的的精密装调与集成。

进一步地，步骤2.2中通过调整修切垫调整Fery棱镜的安装位置的具体调整如下：首先绕X轴修研修切垫保证Fery棱镜端平面与基座安装平面的垂直度满足设计要求；再绕Y轴修研修切垫保证Fery棱镜第一表面的球心点、Fery棱镜第二表面的球心点相对基座安装平面的中心高度相等；最后整体修研修切垫保证Fery棱镜中心高度与次反射镜组件中心高度相等。

进一步地，次反射镜组件包括镜框、固定在镜框中的次反射镜及位于镜框底部的修切垫，步骤1.3中通过调整修切垫调整次反射镜组件的安装位置。

进一步地，步骤1.3中自准直经纬仪实时监控调整过程中次反射镜组件的俯仰、旋转角度变化情况。

进一步地，次反射镜第一表面为球面，次反射镜第二表面为平面。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明方法测量精度高；

本发明通过三坐标测量机(精度1.8μm)、PSM装调显微镜(精度2μm)、自准直经纬仪(0.5″)对Fery棱镜组件进行高精度的空间坐标定位、基准传递和精密测量，综合测量精度优于6.8μm。

2、本发明方法可操作性强；

本发明先通过三坐标测量机对各个Fery棱镜组件进行单组件精密装调，再将各组件通过建立统一空间坐标系并结合PSM装调显微镜和靶球进行基准传递和系统集成，进一步降低了系统装配集成的难度。

3、本发明在每个Fery棱镜组件的上方安装有立方棱镜，配合自准直经纬仪实时监测各组件装调过程中的空间角度和位置姿态，便于微量姿态调整。

4、本发明在每个Fery棱镜组件与基座之间设置有修切垫，根据三坐标测量机测量结果计算修切垫的修研方向和修研量。通过三坐标测量机的数据反馈指导修切垫修研方向和修研量，可一次成功，避免反复拆卸修研。

5、本发明在修研修切垫的方向顺序为先绕X轴方向角度修研保证Fery棱镜端平面与基座安装平面的垂直度满足设计要求，再绕Y轴角度修研保证Fery棱镜第一表面球心点、第二表面的球心点相对基座安装平面的中心高度相等，最后整体厚度修研保证Fery棱镜中心高度与次反射镜组件中心高度相等。通过对修切垫分先后顺序方向修研，可避免X，Y，Z三方向的互相干扰，达到精确修研。

附图说明

图1为Fery棱镜结构示意图；

图2为本发明基于Fery棱镜的高光谱成像系统光学示意图；

图3为本发明Fery棱镜组件结构示意图；

图4为实现本发明基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调方法的系统示意图；

附图标记说明：

1-Fery棱镜，11-Fery棱镜第一表面，12-Fery棱镜第二表面，13-Fery棱镜端平面，O₁-Fery棱镜第一表面球心，O₂-Fery棱镜第二表面球心，21-修切垫，22-立方棱镜，23-次反射镜组件，231-次反射镜第一表面，232-次反射镜第二表面，24-Fery反射棱镜一组件，25-Fery棱镜一组件，26-Fery反射棱镜二组件，27-Fery棱镜二组件，28-折轴镜组件，3-三坐标测量机，31-探针，32-台面，4-基座，41-基座侧平面，42-基座安装平面，5-PSM装调显微镜，6-靶球，7-自准直经纬仪，O₃-次反射镜第一表面球心，O₄-Fery反射棱镜一第一表面球心，O₅-Fery棱镜一第一表面球心，O₆-Fery反射棱镜二第一表面球心，O₇-Fery棱镜二第一表面球心。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“其它实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，术语“一、二、三及四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，Fery棱镜中Fery棱镜第一表面11和Fery棱镜第二表面12均为球面，且两个表面不存在共同的光轴，Fery棱镜第一表面球心为O₁，Fery棱镜第二表面球心为O₂，Fery棱镜端平面13为平面。

如图2所示，本实施例基于Fery棱镜的高光谱成像系统包括Fery棱镜一组件25、Fery反射棱镜一组件24、次反射镜组件23、Fery棱镜二组件27、Fery反射棱镜二组件26及折轴镜组28；次反射镜第一表面231为球面，次反射镜第二表面232为平面。光束经Fery棱镜一组件25透射后达到Fery反射棱镜一组件24，经Fery反射棱镜一组件24反射后再次透过Fery棱镜一组件25到达次反射镜组件23，经次反射镜组件23反射后到达Fery棱镜二组件27，透过Fery棱镜二组件27后，经Fery反射棱镜二组件26反射再次透过Fery棱镜二组件27到达折轴镜组28，经折轴镜组28反射后成像。

如图3所示，本实施例Fery棱镜组件包括镜框、固定在镜框中的Fery棱镜1、位于镜框底部的修切垫21及安装在镜框顶部的立方棱镜22。应该注意的是，此处所描述的Fery棱镜组件指的是Fery棱镜一组件25、Fery反射棱镜一组件24、Fery棱镜二组件27、Fery反射棱镜二组件26中的任一Fery棱镜组件。

以下结合图4，对本实施例的具体装调与集成方法进行说明：

本实施例通过三坐标测量机(CMM)、PSM装调显微镜、自准直经纬仪对Fery棱镜组件进行高精度的空间坐标定位和测量，实现基于Fery棱镜高光谱成像系统的精密装调与集成。具体步骤如下：

1、建立空间坐标系；

(1)根据空间理论尺寸，组合安装三坐标测量机3上的各个探针31，并逐一进行探针31校准。

(2)将安装有次反射镜组件23的基于Fery棱镜高光谱成像系统基座4固定在大理石台面32上，通过三坐标测量机3的探针31分别采点拟合出基座侧平面41、基座安装平面42、次反射镜第二表面232和次反射镜第一表面231的球心点O₃。

(3)通过三坐标测量机3的专用软件计算出次反射镜组件23与基座4之间的安装位置关系和角度关系，判断次反射镜组件23安装初始位置是否满足设计要求，若不满足，则调整次反射镜组件23的安装位置，直至次反射镜组件23安装初始位置满足设计要求；利用自准直经纬仪7实时监控调整过程中的次反射镜组件32的俯仰、旋转角度变化情况。

(4)以基座侧平面41、基座安装平面42和次反射镜第一表面231的球心点O₃为坐标原点的三个元素建立空间坐标系O(X，Y，Z)，即以次反射镜第一表面球心点O₃为坐标原点、基座侧平面41为YZ面、基座安装平面42为XY面，建立空间坐标系O(X，Y，Z)。

2、Fery棱镜组件装调；

(5)在基座4上安装Fery反射棱镜一组件24、Fery棱镜一组件25、Fery反射棱镜二组件26及Fery棱镜二组件一27中的任一Fery棱镜组件；通过三坐标测量机3的探针31分别采点拟合出Fery棱镜第一表面11球心点、Fery棱镜第二表面12的球心点以及Fery棱镜端平面13。

(6)根据实际测量结果，通过三坐标测量机3的专用软件计算出Fery棱镜与基座4及次反射镜组件23之间的安装位置关系，判断Fery棱镜组件安装初始位置是否满足设计要求，若不满足，则通过调整修切垫21调整Fery棱镜的安装位置；首先绕X轴修研修切垫21(从图3所示方位，也可以理解为，绕X轴，前后修研修切垫21)保证Fery棱镜端平面13与基座4安装平面的垂直度满足设计要求，再绕Y轴修研修切垫21(从图3所示方位，也可以理解为，绕Y轴，左右修研修切垫21)保证Fery棱镜第一表面11球心点、Fery棱镜第二表面12的球心点相对基座安装平面42的中心高度相等，最后整体修研修切垫21保证Fery棱镜1中心高度与次反射镜组件23中心高度相等。

(7)做好安装标记，整体拆卸Fery棱镜组件。

(8)依照步骤(5)～(7)，依次对其余三个Fery棱镜组件进行单组件精密装调。

3、系统集成；

(9)根据安装标记，重新复位安装其中任一Fery棱镜组件，通过三坐标测量机3的探针31采点测量拟合出Fery棱镜第一表面11球心点，Fery棱镜组件微量角度调整使其球心点相对坐标原点的空间位置满足设计要求。

(10)架设PSM装调显微镜5和靶球6，通过三坐标测量机探针31测量靶球6的空间坐标，微位移调整使靶球6的空间坐标满足Fery棱镜第一表面11球心点O₁的设计要求；再微位移调整PSM装调显微镜5与靶球6自准成像，CCD界面显示十字丝图像边缘锐利可辨。

(11)取掉靶球6，架设自准直经纬仪7，PSM装调显微镜5的CCD界面上显示Fery棱镜第一表面11的自准直十字丝图像，根据图像锐利情况微位移整体调整Fery棱镜组件角度及前后距离，自准直经纬仪7实时监控角度变化情况，保证自准直十字丝图像边缘锐利可辨，Fery棱镜组件精密装调结束。

(12)依照步骤(9)～(11)，依次通过PSM装调显微镜5和靶球6精密确定其余三个Fery棱镜第一表面的球心点，完成Fery反射棱镜一组件24，Fery棱镜一组件25，Fery反射棱镜二组件26和Fery棱镜二组件27组件级的精密装调与集成；

(13)按照设计要求安装折轴镜组件28，并进行系统像质检验，至此完成了基于Fery棱镜高光谱成像系统的的精密装调与集成。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (5)

1.一种基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调集成工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立空间坐标系；

步骤1.1、根据空间理论尺寸，组合安装三坐标测量机(3)上的各个探针(31)，并逐一校准各个探针(31)；

步骤1.2、将只安装有次反射镜组件(23)的基于Fery棱镜高光谱成像系统基座(4)固定在三坐标测量机(3)的台面(32)上；通过探针(31)分别采点，拟合出基座侧平面(41)、基座安装平面(42)、次反射镜第二表面(232)和次反射镜第一表面球心点O₃；

步骤1.3、通过三坐标测量机(3)的专用软件计算出次反射镜组件(23)与基座(4)之间的安装位置关系和角度关系，判断次反射镜组件(23)安装初始位置是否满足设计要求，若不满足，则调整次反射镜组件(23)的安装位置，直至次反射镜组件(23)安装初始位置满足设计要求；

步骤1.4、以次反射镜第一表面球心点O₃为坐标原点、基座侧平面(41)为YZ面、基座安装平面(42)为XY面，建立空间坐标系O(X，Y，Z)；

步骤2、Fery棱镜组件装调；

步骤2.1、在基座(4)上安装Fery反射棱镜一组件(24)、Fery棱镜一组件(25)、Fery反射棱镜二组件(26)及Fery棱镜二组件(27)中的任一Fery棱镜组件；其中Fery棱镜组件包括镜框、固定在镜框中的Fery棱镜、位于镜框底部的修切垫(21)及安装在镜框顶部的立方棱镜(22)；通过三坐标测量机(3)的探针(31)分别采点拟合出Fery棱镜第一表面(11)的球心点、Fery棱镜第二表面(12)的球心点以及Fery棱镜端平面(13)；

步骤2.2、通过三坐标测量机(3)的专用软件计算出Fery棱镜与基座(4)及次反射镜组件(23)之间的安装位置关系，判断Fery棱镜组件安装初始位置是否满足设计要求，若不满足，则通过调整修切垫(21)调整Fery棱镜的安装位置；

Fery棱镜组件安装初始位置需满足以下要求：

Fery棱镜端平面(13)与基座安装平面(42)的垂直度满足设计要求；

Fery棱镜第一表面(11)的球心点、Fery棱镜第二表面(12)的球心点相对基座安装平面(42)的中心高度相等；

Fery棱镜中心高度与次反射镜组件(23)中心高度相等；

步骤2.3、做好安装标记，整体拆卸Fery棱镜组件；

步骤2.4、依照步骤2.1～2.3，依次对其余三个Fery棱镜组件进行单组件精密装调；

步骤3、系统集成；

步骤3.1、根据安装标记，重新复位安装其中任一Fery棱镜组件，通过三坐标测量机(3)的探针(31)采点测量拟合出Fery棱镜第一表面(11)的球心点，微量调整Fery棱镜组件角度使Fery棱镜第一表面(11)的球心点、Fery棱镜第二表面(12)的球心点相对坐标原点的空间位置满足设计要求；

步骤3.2、架设PSM装调显微镜(5)和靶球(6)，通过三坐标测量机(3)的探针(31)测量靶球(6)的空间坐标，微位移调整使靶球(6)的空间坐标满足Fery棱镜第一表面(11)的球心点的设计要求；再微位移调整PSM装调显微镜(5)与靶球(6)自准成像，CCD界面显示十字丝图像边缘锐利可辨；

步骤3.3、取掉靶球(6)，架设自准直经纬仪(7)，PSM装调显微镜(5)的CCD界面上显示Fery棱镜第一表面(11)的自准直十字丝图像，根据图像锐利情况微位移整体调整Fery棱镜组件的角度及前后距离，自准直经纬仪(7)实时监控立方棱镜(22)的角度变化情况，保证在满足角度要求的情况下达到自准直十字丝图像边缘锐利可辨，Fery棱镜组件精密装调结束；

步骤3.4、依照步骤3.1～3.3，依次通过PSM装调显微镜(5)和靶球(6)精密确定其余三个Fery棱镜第一表面(11)的球心点，完成Fery反射棱镜一组件(24)，Fery棱镜一组件(25)，Fery反射棱镜二组件(26)和Fery棱镜二组件(27)的精密装调与集成；

步骤3.5、按照设计要求安装折轴镜组件(28)，并进行系统像质检验，完成基于Fery棱镜高光谱成像系统的精密装调与集成。

2.根据权利要求1所述的基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调集成工艺方法，其特征在于，步骤2.2中通过调整修切垫(21)调整Fery棱镜的安装位置的具体调整如下：首先绕X轴修研修切垫(21)保证Fery棱镜端平面(13)与基座安装平面(42)的垂直度满足设计要求；再绕Y轴修研修切垫(21)保证Fery棱镜第一表面(11)的球心点、Fery棱镜第二表面(12)的球心点相对基座安装平面(42)的中心高度相等；最后整体修研修切垫(21)保证Fery棱镜中心高度与次反射镜组件(23)中心高度相等。

3.根据权利要求2所述的基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调集成工艺方法，其特征在于：次反射镜组件(23)包括镜框、固定在镜框中的次反射镜及位于镜框底部的修切垫，步骤1.3中通过调整修切垫调整次反射镜组件(23)的安装位置。

4.根据权利要求3所述的基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调集成工艺方法，其特征在于，步骤1.3中利用自准直经纬仪(7)实时监控调整过程中次反射镜组件(23)的俯仰、旋转角度变化情况。

5.根据权利要求4所述的基于Fery棱镜的高光谱成像系统精密装调集成工艺方法，其特征在于：次反射镜第一表面(231)为球面，次反射镜第二表面(232)为平面。

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