留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调

杨拓拓 陈新华 赵知诚 朱嘉诚 沈为民

杨拓拓, 陈新华, 赵知诚, 朱嘉诚, 沈为民. Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0058
引用本文: 杨拓拓, 陈新华, 赵知诚, 朱嘉诚, 沈为民. Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0058
YANG Tuo-tuo, CHEN Xin-hua, ZHAO Zhi-cheng, ZHU Jia-cheng, SHEN Wei-min. Fast alignment of an offner imaging spectrometer using a spherical autostigmatic method[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0058
Citation: YANG Tuo-tuo, CHEN Xin-hua, ZHAO Zhi-cheng, ZHU Jia-cheng, SHEN Wei-min. Fast alignment of an offner imaging spectrometer using a spherical autostigmatic method[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0058

Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调

doi: 10.37188/CO.2020-0058
基金项目: 国家重点研究发展计划(No. 2016YFB0500501)
详细信息
    作者简介:

    杨拓拓(1993—),男,河南灵宝人,硕士研究生,2017年于中国计量大学获得学士学位,2017—2020年就读于苏州大学现代光学技术研究所,主要从事光学设计与仪器光学方面的研究。E-mail: 20175208001@stu.suda.edu.cn

    陈新华(1982—),男,江苏盐城人,博士,副研究员,2013年于苏州大学现代光学技术研究所获得光学工程博士学位,主要从事光谱成像技术、光学系统设计与研制、光电测量技术等研究。E-mail: xinhua_chen@stu.suda.edu.cn

    沈为民(1963—),男,江苏苏州人,博导,研究员,2004年于中科院研究生院获得光学工程博士学位,主要从事光学设计与仪器光学、航空航天光学遥感技术、现代光学成像科学与技术等研究。E-mail: swm@suda.edu.cn

    通讯作者: 陈新华(1982—),男,江苏盐城人,博士,副研究员,2013年于苏州大学现代光学技术研究所获得光学工程博士学位,主要从事光谱成像技术、光学系统设计与研制、光电测量技术等研究。E-mail: xinhua_chen@stu.suda.edu.cn
  • 中图分类号: TH744

Fast alignment of an offner imaging spectrometer using a spherical autostigmatic method

Funds: Supported by Nation Key Research and Development Plan (No. 2016YFB0500501)
More Information
  • 摘要: Offner分光成像系统由凸面光栅和两个凹面反射镜组成。光学结构上的同心特点使其具有相对孔径大、畸变小、结构紧凑等优点。为了降低Offner分光成像系统装调难度,提高装调效率,本文基于同心特点和球面自准直原理,研究了Offner分光成像系统的快速装调方法。首先搭建球面自准直装置,当该装置生成的点光源位于球面反射镜曲率中心处,其反射像点和点光源重合。通过检测反射像点和点光源之间的位置偏差,可判定球面反射镜的曲率中心位置的偏离程度。利用该装置定位主镜、凸面光栅和三镜的曲率中心位置,完成Offner分光成像系统的装调。实验结果表明,两块离轴凹面反射镜的曲率中心间距误差可控制在10 μm以内,装调完成的分光成像系统成像性能较好,满足指标要求。较现有装调方法,该方法具有易于对准、装调速度快、所需设备成本低等优点。
  • 图  1  球面自准直装置光路图

    Figure  1.  Light path diagram of the spherical autostigmatic device

    图  2  球面自准直装置实物图

    Figure  2.  Material object map of spherical autostigmatic device

    图  3  对心分辨率实验装置图

    Figure  3.  Alignment resolution experimental device

    图  4  Offner分光成像系统装调光路原理图

    Figure  4.  Schemmatic diagram of the Offner optical imaging system’s assembly

    图  5  主镜、三镜装调流程图

    Figure  5.  Primary and tertiary mirror assembly flowchart

    图  6  光栅装调流程图

    Figure  6.  Grating assembly flowchart

    图  7  Offner分光成像系统光路图

    Figure  7.  Offner optical imaging system optical path diagram

    图  8  主镜三镜装调实物图

    Figure  8.  The alignment of the primary and tertiary mirror

    图  9  主镜、三镜自准直光斑

    Figure  9.  Primary and tertiary mirrors autostigmatic image point

    图  10  凸面光栅和辅助凹面镜装配实物图

    Figure  10.  The alignment of the convex grating and auxiliary concave mirror

    图  11  凸面光栅自准十字叉丝像

    Figure  11.  Convex grating autostigmatic image point

    图  12  光谱测试实验图

    Figure  12.  Spectral test experimental device diagram

    图  13  谱线图

    Figure  13.  Spectral line map

    表  1  对心分辨率测量数据

    Table  1.   Alignment resolution measurement data

    $x$/μm${x_i}$$x'$/μm$\delta $/μm
    0926.4970.00.0
    12792.52411.6−0.4
    21682.09721.10.1
    31568.82830.8−0.2
    40457.06840.50.5
    52322.22952.10.1
    60220.33160.90.9
    最大误差0.9 μm标准差0.4 μm
    下载: 导出CSV

    表  2  Offner分光成像系统指标要求

    Table  2.   Offner imaging spectrometer system specifications

    要求
    色散范围6.6 mm
    光谱分辨率2 nm
    谱线弯曲<2%像元
    色畸变<2%像元
    MTF≥0.73
    下载: 导出CSV

    表  3  Offner分光成像系统装调公差分配结果

    Table  3.   Offner spectroscopy imaging system assembly tolerance distribution results

    公差类型狭缝主镜光栅三镜窗口
    装调公差倾斜 arc minX1基准10.31
    Y1基准10.31
    Z1基准
    偏心 mmX0.02基准0.020.01
    Y0.02基准0.020.01
    轴向位置 mm0.020.010.010.020.155
    下载: 导出CSV

    表  4  Offner分光成像系统性能测试结果

    Table  4.   Offner imaging spectrometer system performance test results

    测试次数平均光谱分辨率谱线弯曲 pixel色畸变pixel
    11.86 nm0.60%±0.92%
    21.91 nm1.25%±1.82%
    31.90 nm1.38%±0.81%
    平均1.89 nm1.08%±1.18%
    下载: 导出CSV
  • [1] OFFNER A. New concepts in projection mask aligners[J]. <italic>Optical Engineering</italic>, 1975, 14(2): 142130.
    [2] MERTZ L. Concentric spectrographs[J]. <italic>Applied Optics</italic>, 1977, 16(12): 3122-3124. doi:  10.1364/AO.16.003122
    [3] KWO D, LAWRENCE G, CHRISP M. Design of a grating spectrometer from a 1: 1 Offner mirror system[J]. <italic>Proceedings of SPIE</italic>, 1987, 818: 275-279. doi:  10.1117/12.978898
    [4] REININGER F M, DAMI M, PAOLINETTI R, <italic>et al</italic>. Visible infrared mapping spectrometer-visible channel (VIMS-V)[J]. <italic>Proceedings of SPIE</italic>, 1994, 2198: 239-250. doi:  10.1117/12.176753
    [5] PEARLMAN J, CARMAN S, SEGAL C, et al. . Overview of the Hyperion imaging spectrometer for the NASA EO-1 mission[C]. Proceedings of IGARSS 2001. Scanning the Present and Resolving the Future. Proceedings. IEEE 2001 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, IEEE, 2001: 3036-3038. .
    [6] MURCHIE S, ARVIDSON R, BEISSER K, <italic>et al</italic>. Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) on Mars Reconnaissance Orbiter (MRO)[J]. <italic>Journal of Geophysical Research</italic>, 2007, 112(E5): E05S03.
    [7] 刘玉娟. 基于同心光学系统的新型成像光谱仪研究[D]. 长春: 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所), 2012.

    LIU Y J. The study on newly imaging spectrometers based on concentric optics[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2012. (in Chinese).
    [8] 赵美红, 李文昊, 巴音贺希格, 等. Offner成像光谱仪的消像差技术[J]. 光学 精密工程,2017,25(12):3001-3011. doi:  10.3788/OPE.20172512.3001

    ZHAO M H, LI W H, BAYANHESHIG, <italic>et al</italic>. Aberration correction technique of Offner imaging spectrometer[J]. <italic>Optics and Precision Engineering</italic>, 2017, 25(12): 3001-3011. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20172512.3001
    [9] 张浩, 方伟, 叶新, 等. 中/长波红外双衍射级次共路Offner成像光谱仪[J]. 光学 精密工程,2015,23(4):965-974. doi:  10.3788/OPE.20152304.0965

    ZHANG H, FANG W, YE X, <italic>et al</italic>. Dual-order overlapped Offner imaging spectrometer in middle-and long-wave infrared regions[J]. <italic>Optics and Precision Engineering</italic>, 2015, 23(4): 965-974. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20152304.0965
    [10] 刘玉娟, 崔继承, 巴音贺希格, 等. 凸面光栅成像光谱仪的研制与应用[J]. 光学 精密工程,2012,20(1):52-57. doi:  10.3788/OPE.20122001.0052

    LI Y J, CUI J CH, BAYANHESHIG, <italic>et al</italic>. Design and application of imaging spectrometer with convex grating[J]. <italic>Optics and Precision Engineering</italic>, 2012, 20(1): 52-57. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20122001.0052
    [11] ZHU J CH, SHEN W M. Analytical design of athermal ultra-compact concentric catadioptric imaging spectrometer[J]. <italic>Optics Express</italic>, 2019, 27(21): 31094-31109. doi:  10.1364/OE.27.031094
    [12] MOUROULIS P, GREEN R O. Review of high fidelity imaging spectrometer design for remote sensing[J]. <italic>Optical Engineering</italic>, 2018, 57(4): 040901.
    [13] MOUROULIS P Z, MCKERNS M M. Pushbroom imaging spectrometer with high spectroscopic data fidelity: experimental demonstration[J]. <italic>Optical Engineering</italic>, 2000, 39(3): 808. doi:  10.1117/1.602431
    [14] 刘玉娟, 巴音贺希格, 崔继承, 等. 凸面光栅成像光谱仪的干涉法装调[J]. 光学 精密工程,2011,19(8):1736-1742. doi:  10.3788/OPE.20111908.1736

    LI Y J, BAYANHESHIG, CUI J CH, <italic>et al</italic>. Interferometric alignment of imaging spectrometers with convex gratings[J]. <italic>Optics and Precision Engineering</italic>, 2011, 19(8): 1736-1742. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20111908.1736
    [15] STEEL W H. The autostigmatic microscope[J]. <italic>Optics and Lasers in Engineering</italic>, 1983, 4(4): 217-227. doi:  10.1016/0143-8166(83)90015-5
    [16] PARKS R E. Autostigmatic microscope and how it works[J]. <italic>Applied Optics</italic>, 2015, 54(6): 1436-1438. doi:  10.1364/AO.54.001436
    [17] PARKS R E, KUHN W P. Optical alignment using the point source microscope[J]. <italic>Proceedings of SPIE</italic>, 2005, 5877: 102-116.
  • [1] 罗敬, 张晓辉, 何煦, 叶露, 张天一.  自准直仪光电探测器失调对测角的影响 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.2019-0207
    [2] 乔铁英, 蔡立华, 李宁, 李周, 李成浩.  基于红外辐射特性系统实现对面目标测量 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20181105.0804
    [3] 王孝坤.  大口径离轴凸非球面系统拼接检验技术 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20160901.0130
    [4] 梅贵, 翟岩, 苗健宇, 浦前帅, 余达, 张博研.  星载离轴多光谱相机焦平面的装调与检测 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20160904.0491
    [5] 王东, 颜昌翔, 张军强.  光谱偏振调制器的高精度装调方法 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20160901.0144
    [6] 安岩, 李欣航, 赵义武, 董科研, 楚玉刚, 谢岩.  三同心球光学系统跟瞄误差分析 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20160906.0687
    [7] 王灿进, 孙涛, 李正炜.  基于快速轮廓转动力矩特征的激光主动成像目标识别 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20150805.0775
    [8] 姜岩秀, 韩建, 李文昊, 巴音贺希格.  平面全息光栅曝光系统中的分光器件特性分析 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20150802.0241
    [9] 张健, 张玲花, 刘立国, 张景国, 陈伟, 张雷.  全景式航空遥感器TDI CCD精密装调必要性分析及实现方法 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140706.0996
    [10] 徐明飞, 黄玮.  基于同心球透镜的四镜头探测器阵列拼接成像系统 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140706.0936
    [11] 高志良.  高光谱成像仪等效焦面装调模组设计 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140704.0644
    [12] 时光, 梅林, 张立超.  球面元件表面AlF3薄膜的光学特性和微观结构表征 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20130606.906
    [13] 明名, 吕天宇, 邵亮, 王斌.  利用Offner光学系统进行图像恢复和光学检测 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20120506.0646
    [14] 潘其坤, 谢冀江, 阮鹏, 张来明, 张传胜.  声光调Q CO2激光器的输出特性 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20120503.0283
    [15] 苗健宇, 张立平, 翟岩, 梅贵.  三线阵CCD立体测绘相机的集成装调 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20120504.0366
    [16] 赵阳, 巩岩.  投影物镜小比率模型的计算机辅助装调 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20120504.0394
    [17] 朱时雨, 张新, 李威.  计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合实现三镜消像散系统的装调 . 中国光学,
    [18] 张益茬, 刘伟, 胡春晖.  空间超光谱成像仪前置光学系统的热光学特性 . 中国光学,
    [19] 刘伟.  小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析 . 中国光学,
    [20] 撖芃芃.  成像光谱仪同心光学系统的研究 . 中国光学,
  • 加载中
图(13) / 表 (4)
计量
  • 文章访问数:  13
  • HTML全文浏览量:  15
  • PDF下载量:  1
  • 被引次数: 0
出版历程

Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调

doi: 10.37188/CO.2020-0058
    基金项目:  国家重点研究发展计划(No. 2016YFB0500501)
    作者简介:

    杨拓拓(1993—),男,河南灵宝人,硕士研究生,2017年于中国计量大学获得学士学位,2017—2020年就读于苏州大学现代光学技术研究所,主要从事光学设计与仪器光学方面的研究。E-mail: 20175208001@stu.suda.edu.cn

    陈新华(1982—),男,江苏盐城人,博士,副研究员,2013年于苏州大学现代光学技术研究所获得光学工程博士学位,主要从事光谱成像技术、光学系统设计与研制、光电测量技术等研究。E-mail: xinhua_chen@stu.suda.edu.cn

    沈为民(1963—),男,江苏苏州人,博导,研究员,2004年于中科院研究生院获得光学工程博士学位,主要从事光学设计与仪器光学、航空航天光学遥感技术、现代光学成像科学与技术等研究。E-mail: swm@suda.edu.cn

    通讯作者: 陈新华(1982—),男,江苏盐城人,博士,副研究员,2013年于苏州大学现代光学技术研究所获得光学工程博士学位,主要从事光谱成像技术、光学系统设计与研制、光电测量技术等研究。E-mail: xinhua_chen@stu.suda.edu.cn
  • 中图分类号: TH744

摘要: Offner分光成像系统由凸面光栅和两个凹面反射镜组成。光学结构上的同心特点使其具有相对孔径大、畸变小、结构紧凑等优点。为了降低Offner分光成像系统装调难度,提高装调效率,本文基于同心特点和球面自准直原理,研究了Offner分光成像系统的快速装调方法。首先搭建球面自准直装置,当该装置生成的点光源位于球面反射镜曲率中心处,其反射像点和点光源重合。通过检测反射像点和点光源之间的位置偏差,可判定球面反射镜的曲率中心位置的偏离程度。利用该装置定位主镜、凸面光栅和三镜的曲率中心位置,完成Offner分光成像系统的装调。实验结果表明,两块离轴凹面反射镜的曲率中心间距误差可控制在10 μm以内,装调完成的分光成像系统成像性能较好,满足指标要求。较现有装调方法,该方法具有易于对准、装调速度快、所需设备成本低等优点。

English Abstract

杨拓拓, 陈新华, 赵知诚, 朱嘉诚, 沈为民. Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0058
引用本文: 杨拓拓, 陈新华, 赵知诚, 朱嘉诚, 沈为民. Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0058
YANG Tuo-tuo, CHEN Xin-hua, ZHAO Zhi-cheng, ZHU Jia-cheng, SHEN Wei-min. Fast alignment of an offner imaging spectrometer using a spherical autostigmatic method[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0058
Citation: YANG Tuo-tuo, CHEN Xin-hua, ZHAO Zhi-cheng, ZHU Jia-cheng, SHEN Wei-min. Fast alignment of an offner imaging spectrometer using a spherical autostigmatic method[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0058
    • 成像光谱技术可同时获取目标的空间和光谱信息,具有图谱合一的优点。Offner凸面光栅成像光谱仪具有相对孔径大、畸变小以及结构紧凑等优点,受到了广泛关注。其光学初始结构最早由Offner A于1973年提出[1],1977年,Thevevon首次提出以凸面光栅代替其中的凸面镜作为分光成像系统的思想[2]。1987年,D.Kwo等人首次设计了凸面光栅分光成像系统[3];1995年,意大利Galileo Avionica公司成功研制了世界首台凸面光栅成像光谱仪VIMS(Visual and Infrared Mapping Spectrometer),并用于土星探测任务中[4]。21世纪后,成像光谱仪进入了快速发展阶段。2000年,美国TRW公司研制了新一代光谱成像Hyperion,用于矿物质识别,地物分类及水质监测等领域[5]。2005年,约翰·霍普金斯大学研制了可见红外成像光谱仪CRISM(Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars),并用于火星表面探测[6]。国内长春光机所、苏州大学等单位也研制了一系列高性能凸面光栅成像光谱仪,波段范围涵盖了可见波段、短波红外波段以及长波红外波段[7~11]。目前,凸面光栅成像光谱仪已广泛应用于军事侦察、资源勘查、环境监测、天文观察等领域[12]

      Offner分光成像系统是凸面光栅成像光谱仪的核心组件,包含两个凹面反射镜和一个凸面光栅。系统中光学元件的曲率中心位置重合或基本重合,即具有同心性。元件的失调会破坏系统同心性,导致Offner分光成像系统成像质量下降,最终影响光谱成像的定量化水平。国内外通常采用干涉仪对Offner分光成像系统进行装调。美国Pantazis Mouroulis等人提出采用干涉仪和标准镜完成主镜和三镜的同心装调,又利用辅助凹面镜与干涉仪形成Offner分光成像系统双光路干涉,完成光栅的装调[13]。国内长春光机所刘玉娟等人也对Offner分光成像系统的干涉装调方法进行了研究[14]。利用干涉仪对Offner分光成像系统进行装调,能够对系统的波前进行检测,但设备成本较高,且装调过程繁琐,耗时较长,装调效率不高。基于Offner分光成像系统的同心特性,本文提出一种利用球面自准直原理的装调方法,搭建球面自准直装置,并利用该装置开展Offner分光成像系统的装调实验。与干涉仪装调方法相比,该方法具有装调速度快、装调环境要求低以及所需设备成本低等优点。

    • 球面自准直原理是指,当点光源位于球面反射镜曲率中心时,其反射后形成的像点也位于曲率中心处,物像点重合[15~16]。利用球面自准直原理可以实现球面反射镜曲率中心的快速定位。基于此原理设计的球面自准直装置光路如图1所示,该装置由光源、准直物镜、平面反射镜、分束镜、显微物镜、筒镜和面阵探测器等组成。光源采用单模激光,经准直物镜后以平行光束出射,平行光束依次经平面反射镜、分束镜反射后经显微物镜聚焦,在其物面处形成点光源。同时,显微物镜、筒镜和探测器构成了成像光路,能够观察到显微物镜物面上的图像。当被测球面反射镜的曲率中心位置和点光源位置重合时,其反射像点也与点光源重合,光束自准直返回,此时探测器上的聚焦光斑质心可设为零点$o$。当反射镜的曲率中心位置偏离点光源时,反射像点位置也偏离点光源位置,此时探测器上的光斑质心为$o'$。测量其与零点位置的偏差,可以得到曲率中心和点光源位置的偏离量。

      图  1  球面自准直装置光路图

      Figure 1.  Light path diagram of the spherical autostigmatic device

      当反射镜曲率中心在物镜焦平面内发生横向位移$x$时,点光源经球面反射镜反射后,其像点与点光源的横向距离为$2x$,探测器上反射光斑质心偏移距离为$x'$,则光斑质心偏移距离与反射镜曲率中心位移的关系如式(1)所示。${f_t}$${f_o}$分别为筒镜和显微物镜的焦距,$\beta $为显微物镜的放大倍数。

      $$x' = 2x \cdot \beta = 2x \cdot \frac{{{f_t}}}{{{f_o}}}$$ (1)

      假设探测器像元大小为$a$,反射光斑质心偏差所覆盖的像元数为$n$,则

      $$x = \frac{{a \cdot n}}{{2 \cdot \beta }}$$ (2)

      $n$=1时,即光斑质心偏差单个像元时,此时$x$的值为探测器可探测的最小曲率中心位移量,称为对心分辨率。

    • 基于球面自准直原理,可以开发相应的测量装调仪器。美国亚利桑那大学R.E.Park等人开发的点源显微镜能够定位光学表面的曲率中心,是目前已知的成熟产品[17]。本文搭建的球面自准直装置与点源显微镜的原理相同,均基于球面自准直原理,但光学系统和探测器的选择不同,所用显微物镜的放大倍数为20,探测器像元尺寸为3.45 μm,具有更高分辨率。所搭建的球面自准直装置如图2所示,激光光源经准直物镜、平面反射镜、分束镜、显微物镜在物面位置产生单色点光源。显微物镜、筒镜、探测器构成显微成像光路,对显微物镜物面成像。此外,装置中还包括了一个LED光源、两个集光镜,构成科勒照明系统,为物面提供均匀照明。

      图  2  球面自准直装置实物图

      Figure 2.  Material object map of spherical autostigmatic device

      对搭建完成的球面自准直装置的对心分辨率进行测试评估,如图3所示。测试装置包括所搭建的球面自准直装置、凹面反射镜、多维调节台、平面反射镜、数显千分表和经纬仪等。凹面反射镜安装在多维调节台上,可通过调节台控制其横向位移;数显千分表用于显示凹面反射镜曲率中心的位移量。经纬仪与紧贴凹面反射镜背部的平面反射镜自准直,用于确保球面反射镜平移时不发生转动。凹面反射镜曲率中心与球面自准直装置生成的点光源重合。测试时,每次将凹面反射镜横向平移10 μm,然后检测返回光斑质心位置。设千分表指示的曲率中心位移量为$x$,光斑质心变化值为${x_i}$,球面自准直装置给出的曲率中心位移测量结果为$x'$,测试结果的偏差为$\delta $,具体测试结果如表1所示。

      图  3  对心分辨率实验装置图

      Figure 3.  Alignment resolution experimental device

      表 1  对心分辨率测量数据

      Table 1.  Alignment resolution measurement data

      $x$/μm${x_i}$$x'$/μm$\delta $/μm
      0926.4970.00.0
      12792.52411.6−0.4
      21682.09721.10.1
      31568.82830.8−0.2
      40457.06840.50.5
      52322.22952.10.1
      60220.33160.90.9
      最大误差0.9 μm标准差0.4 μm

      对测量数据做线性拟合,以$x$为横坐标,${x_i}$为纵坐标,得出光斑质心变化量与曲率中心位移量的关系满足下式:

      $${x_i} = 11.765x{\rm{ - }}3.6$$ (3)

      重复上述测试,得到另外两组数据,拟合后得到的关系式分别为:

      $${x_i} = 11.669x{\rm{ + }}4.7$$ (4)
      $${x_i} = 11.632x{\rm{ + }}4.7$$ (5)

      上述关系式中的斜率表示曲率中心位移1 μm对应的光斑质心偏差像元数,其倒数即为装置的对心分辨率。对上述三组数据取平均值,计算得到对心分辨率为0.086 μm。三次测量数据的标准差分别为0.40 μm,0.42 μm,0.32 μm,装置的测量精度取其平均误差值,即为0.38 μm。

    • 利用球面自准直装置能够定位主镜、凸面光栅和三镜的曲率中心,从而实现Offner分光成像系统的同心装调。装调光路原理示意图如图4所示,辅助凹面镜安装在凸面光栅背部,其曲率中心和凸面光栅曲率中心重合。当主镜、三镜、辅助凹面镜的曲率中心与球面自准直装置发射的点光源重合时,三个光学元件的曲率中心重合。

      图  4  Offner分光成像系统装调光路原理图

      Figure 4.  Schemmatic diagram of the Offner optical imaging system’s assembly

      首先完成主镜和三镜的装调,具体流程如图5所示。固定主镜,以主镜为基准进行装调。调节球面自准直装置发射的点光源与主镜曲率中心重合,光束自准直返回,其返回光斑质心在探测器上标定为零点位置。调节三镜,使其返回光斑与零点位置重合,完成主镜和三镜的同心装调。

      凸面光栅的装调流程如图6所示,预先利用定心仪安装辅助凹面镜,使得其曲率中心和凸面光栅曲率中心重合,并通过机械接口和光栅安装在一起。调节辅助凹面镜,使其返回光斑位于探测器零点位置,则凸面光栅曲率中心与主镜的曲率中心重合,完成光栅的粗装。安装分光成像系统的狭缝,利用汞镉灯照明狭缝,并在像面处放置面阵探测器。旋转凸面光栅,并通过辅助凹面镜保持其曲率中心和主、三镜曲率中心始终重合,直至测得的谱线弯曲量最小,此时光栅栅线方向与狭缝方向平行。固定凸面光栅,并撤除辅助凹面镜,完成分光成像系统的装调。

      图  5  主镜、三镜装调流程图

      Figure 5.  Primary and tertiary mirror assembly flowchart

      图  6  光栅装调流程图

      Figure 6.  Grating assembly flowchart

    • 拟装调的Offner分光成像系统指标要求如表2所示,其光路设计结果如图7所示。

      表 2  Offner分光成像系统指标要求

      Table 2.  Offner imaging spectrometer system specifications

      要求
      色散范围6.6 mm
      光谱分辨率2 nm
      谱线弯曲<2%像元
      色畸变<2%像元
      MTF≥0.73

      图  7  Offner分光成像系统光路图

      Figure 7.  Offner optical imaging system optical path diagram

      为得出主镜、三镜和凸面光栅曲率中心偏离的公差量,借助CODE V以MTF值为判据对分光成像系统进行公差分配。要求公差分配后各波长允许的传函值下降量为10%,对于Offner分光成像系统,影响成像质量的误差主要有材料公差、加工公差和装调公差。其中装调公差以主镜为基准,分配结果如表3所示。

      由装调公差分配结果可知,以主镜为基准,光栅的倾斜公差1 arc min,偏心公差0.02 mm,倾斜引起的球心偏心公差可通过式(6)表示,$L$表示偏心量,$r$表示球面镜半径,$\theta $表示倾斜量,单位为弧度。

      $$L = r \times \theta $$ (6)

      计算得倾斜引起的球心偏心公差为0.018 mm,所以光栅的倾斜和偏心引起的主镜和光栅的球心间距公差为0.018 mm。三镜的倾斜公差为0.3 arc min,偏心公差为0.01 mm,由式(6)计算得三镜倾斜引起的球心偏心公差为0.01 mm。所以,三镜的偏心和倾斜引起的主镜和三镜球心间距公差为0.01 mm。因此,主镜和三镜的球心间距需控制在10 μm以内,主镜和光栅的球心间距需控制在18 μm以内。

      表 3  Offner分光成像系统装调公差分配结果

      Table 3.  Offner spectroscopy imaging system assembly tolerance distribution results

      公差类型狭缝主镜光栅三镜窗口
      装调公差倾斜 arc minX1基准10.31
      Y1基准10.31
      Z1基准
      偏心 mmX0.02基准0.020.01
      Y0.02基准0.020.01
      轴向位置 mm0.020.010.010.020.155
    • 主镜、三镜的装调场景如图8所示,主镜、三镜各自返回的光斑如图9所示。主镜返回光斑1质心标定为零点位置,调节三镜返回光斑2与光斑1尽量重合,探测器采集软件读取两光斑质心偏差对应的球心间距为8.77 μm,偏差满足公差要求。

      图  8  主镜三镜装调实物图

      Figure 8.  The alignment of the primary and tertiary mirror

      预先利用定心仪装配辅助凹面镜和凸面光栅,使其曲率中心重合,如图10所示。调节定心仪的上下测量头,使其发射光束会聚于同一点。首先安装辅助凹面镜,利用定心仪下光路进行定心装调并固定凹面镜;然后利用定心仪上光路观察凸面光栅反射的零级叉丝像,调整凸面光栅直至观察到的叉丝像不再划圈,如图11所示。此时,凸面光栅和辅助凹面镜的曲率中心重合。

      图  9  主镜、三镜自准直光斑

      Figure 9.  Primary and tertiary mirrors autostigmatic image point

      图  10  凸面光栅和辅助凹面镜装配实物图

      Figure 10.  The alignment of the convex grating and auxiliary concave mirror

      图  11  凸面光栅自准十字叉丝像

      Figure 11.  Convex grating autostigmatic image point

      为了便于装调操作,凸面光栅的机械镜筒较长,且加工精度高,因此与主三镜的对准过程中,只需要微调凸面光栅机械件即可保持光栅转动时其曲率中心位置不变。装配完成后,固定主镜、三镜和凸面光栅等光学元件,并待胶干后拆除辅助凹面镜。

      装调完成后,对Offner分光成像系统的光谱分辨率、谱线弯曲和色畸变等光谱性能参数进行测试,检验装调质量,测试场景如图12所示。利用汞镉灯照射Offner分光成像系统的狭缝,CCD面阵探测器安装在Offner分光成像系统像面处。分析面阵探测器上观察到的谱线图,测量光谱性能参数。

      测得的谱线如图13所示,每条光谱线亮度均匀、边界清晰,光谱性能测试结果如表4所示。

      图  12  光谱测试实验图

      Figure 12.  Spectral test experimental device diagram

      图  13  谱线图

      Figure 13.  Spectral line map

      表 4  Offner分光成像系统性能测试结果

      Table 4.  Offner imaging spectrometer system performance test results

      测试次数平均光谱分辨率谱线弯曲 pixel色畸变pixel
      11.86 nm0.60%±0.92%
      21.91 nm1.25%±1.82%
      31.90 nm1.38%±0.81%
      平均1.89 nm1.08%±1.18%

      测试结果表明,装调完成后光谱分辨率为1.89 nm,谱线弯曲为1.08%个像元,色畸变为1.18%个像元,满足指标要求。

    • 同心性是Offner分光成像光学系统的重要特征。本文基于球面自准直原理,提出利用光学结构上的同心特点实现Offner分光成像系统的快速装调方法,并搭建球面自准直装置完成了装调实验。实验表明,该方法可准确、快速地定位Offner分光成像系统多个光学元件曲率中心位置,控制两块离轴凹面反射镜的曲率中心间距误差在10 μm以内,满足公差和成像质量要求,具有易于对准、装调速度快、所需设备成本低等优点。

参考文献 (17)

目录

    /

    返回文章
    返回