机载小型化Offner高光谱成像仪系统的制作方法

机载小型化offner高光谱成像仪系统
技术领域
1.本发明属于机载高光谱成像技术领域，具体涉及一种机载小型化offner高光谱成像仪系统。


背景技术：

2.高光谱成像技术既能对目标成像又可以测量目标波谱特征，能实现对目标特性的综合探测与识别，而高光谱成像仪器在对所观测目标的精确分类和识别能力上，已远超仅能获取目标轮廓和灰度特征的传统全色光学遥感器，因此，机载高光谱成像仪已广泛用于地形普查、农业、林业、牧业、军事测绘等领域。
3.随着机载高光谱成像技术的不断发展和应用领域的不断扩展，小型化、轻量化、便于搭载的高性能机载高光谱成像仪的需求日益迫切。而offner光学系统的主要特点就是光路折叠、结构紧凑、体积小，目前国内大多采用的是基于曲面棱镜色散的offner光学系统，但是存在以下问题：现有的offner光学系统，是采用玻璃材料色散，存在非线性且光谱弯曲和色畸变较大，所以需要通过增加光学元件进行像差的校正，使得offner光学系统的结构相对比较复杂；光学系统的体积大、重量增加，增加装调难度，操作不便。


技术实现要素：

4.针对现有offner光学系统存在的光谱弯曲色畸变较大、结构复杂以及装调难度大的技术问题，本发明提供一种机载小型化offner高光谱成像仪系统，光谱弯曲和色畸变均小于0.1个像元，结构简单，易于装配。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种机载小型化offner高光谱成像仪系统，包括箱体组件以及沿光路依次设置的多狭缝组件、第一曲面反射棱镜组件、凸面光栅组件、第二曲面反射棱镜组件、折轴镜组件和探测器组件；所述多狭缝组件、第一曲面反射棱镜组件、第二曲面反射棱镜组件和探测器组件分别置于箱体组件上；所述凸面光栅组件和折轴镜组件分别置于箱体组件内。
7.进一步的，所述第一曲面反射棱镜组件包括第一镜框以及嵌在第一镜框上的第一曲面反射棱镜；所述第一镜框置于箱体组件上。
8.进一步的，所述第一曲面反射棱镜组件还包括卡接在第一镜框上并与第一曲面反射棱镜非镜面端接触的第一柔性环，所述第一柔性环通过第一压块与第一镜框卡接。
9.进一步的，所述第一柔性环侧面上设置多条柔性槽。
10.进一步的，所述柔性槽包括轴向平行设置的柔性槽一、柔性槽二、柔性槽三、柔性槽四以及柔性槽五；所述柔性槽三位于第一柔性环侧面的中心位置处，柔性槽一、柔性槽二、柔性槽四和柔性槽五关于柔性槽三的轴向中心点对称分布于柔性槽三外部。
11.进一步的，所述第一柔性环表面上设置有多个小点注胶孔；多个小点注胶孔均匀分布。
12.进一步的，所述第二曲面反射棱镜组件结构与第一曲面反射棱镜组件的结构相
同。
13.进一步的，所述箱体组件包括箱体以及置于箱体上并与箱体连接的箱体盖板；所述多狭缝组件、第一曲面反射棱镜组件、第二曲面反射棱镜组件和探测器组件分别置于箱体侧壁上；所述凸面光栅组件和折轴镜组件分别置于箱体内。
14.进一步的，所述箱体组件还包括设置在箱体盖板上的多个对外安装接口；多个对外安装接口呈十字型分布。
15.进一步的，所述机载小型化offner高光谱成像仪系统还包括分别设置在箱体内的第一消杂光光阑、第二消杂光光阑和第三消杂光光阑；所述第一消杂光光阑同时位于多狭缝组件和第一曲面反射棱镜组件之间以及第一曲面反射棱镜组件和凸面光栅组件之间；所述第二消杂光光阑同时位于凸面光栅组件和第二曲面反射棱镜组件之间以及第二曲面反射棱镜组件和折轴镜组件之间；所述第三消杂光光阑位于折轴镜组件和探测器组件之间。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1、本发明采用多狭缝组件替代单狭缝组件，可进行多重编码采样，再经哈达玛原理进行解码，对高光谱数据进行复原，可以大幅提升整个系统的信噪比，获取更优的图像质量。
18.2、本发明中各光学元件均通过模块化设计，再集成在箱体上，系统结构简单，体积小且重量轻，具有高稳定、高可靠性，便于集成、装配和工程研制。
19.3、本发明中采用出第一柔性环的多重柔性槽设计和小点注胶孔设计，通过多条柔性槽保证第一柔性环的轴向柔性，保证可释放第一曲面反射棱镜组件的装配应力、胶固化应力和温度应力，由于第二曲面反射棱镜组件与第一曲面反射棱镜组件结构相同，因此能提高整个系统的环境适应性；通过小点注胶孔设计可降低胶的固化应力对光学元件面型精度的影响。
20.4、本发明提供的机载小型化高性能offner高光谱成像仪系统，采用凸面光栅作为分光元件实现色散分光成像，凸面光栅的offner光谱成像采用同心结构设计，结构紧凑，且像差校正能力强，光谱线色散性高，光谱线弯曲和色畸变均小于0.1个像元，成像效果好。
附图说明
21.图1为本发明提供的机载小型化高性能offner高光谱成像仪系统的光学元件组成；
22.图2为本发明提供的机载小型化高性能offner高光谱成像仪系统内部三维示意图；
23.图3为本发明提供的机载小型化高性能offner高光谱成像仪系统的前轴测三维示意图；
24.图4为本发明提供的机载小型化高性能offner高光谱成像仪系统的后轴测三维示意图；
25.图5为本发明提供的箱体三维示意图；
26.图6为本发明提供的箱体的对接接口示意图；
27.图7为本发明提供的第一曲面反射棱镜组件的二维剖面图；
28.图8为本发明提供的第一曲面反射棱镜组件的三维示意图；
29.图9为本发明提供的第一曲面反射棱镜组件的第一柔性环三维示意图；
30.其中：
31.1—箱体组件；11—箱体；111—狭缝组件安装孔；112—凸面光栅安装孔；113—箱体前侧板安装孔；114—折轴镜组件安装孔；115—第一消杂光光阑；116—第二消杂光光阑；117—箱体右后盖板安装槽；118—箱体左后盖板安装槽；119—第三消杂光光阑；120—探测器安装孔；121—对外安装接口；12—箱体盖板；13—箱体前侧板；14—箱体左后盖板；15—箱体右后盖板；2—多狭缝组件；3—凸面光栅组件；4—折轴镜组件；5—第一曲面反射棱镜组件；51—第一曲面反射棱镜；511—安装凸台；52—第一镜框；53—第一柔性环；531—柔性槽一；532—柔性槽二；533—柔性槽三；534—柔性槽四；535—柔性槽五；536—小点注胶孔；54—第一压块；6—第二曲面反射棱镜组件；7—探测器组件。
具体实施方式
32.现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。
33.实施例1
34.参见图1～图6，本实施例提供的机载小型化offner高光谱成像仪系统，包括箱体组件1以及沿光路依次设置的多狭缝组件2、第一曲面反射棱镜组件5、凸面光栅组件3、第二曲面反射棱镜组件6、折轴镜组件4和探测器组件7；多狭缝组件2、第一曲面反射棱镜组件5、第二曲面反射棱镜组件6和探测器组件7分别置于箱体组件1上；凸面光栅组件3和折轴镜组件4分别置于箱体组件1内。
35.本实施例中，箱体组件1包括箱体11以及置于箱体11上并与箱体11连接的箱体盖板12；多狭缝组件2、第一曲面反射棱镜组件5、第二曲面反射棱镜组件6和探测器组件7分别置于箱体11侧壁上；凸面光栅组件3和折轴镜组件4分别置于箱体11内。
36.具体的，箱体11为八边形异形结构，箱体11顶部设置箱体盖板12，箱体11的前侧设置箱体前侧板13，箱体11的后侧设置箱体左后盖板14和箱体右后盖板15；箱体前侧板13上设置箱体前侧板安装孔113，箱体左后盖板14上设置箱体左后盖板安装槽118，箱体右后盖板15上设置箱体右后盖板安装槽117，箱体前侧板13相邻的侧板上设置狭缝组件安装孔111，箱体左侧板上设置探测器安装孔120。
37.箱体11内部设置七块隔板，将箱体11内部隔成不同空间，其中的五块隔板上对应设置有凸面光栅安装孔112、折轴镜组件安装孔114、第一消杂光光阑安装孔、第二消杂光光阑安装孔和第三消杂光光阑安装孔。
38.实施时，狭缝组件安装孔111用于安装多狭缝组件2；探测器安装孔120用于安装探测器组件7；凸面光栅安装孔112用于安装凸面光栅组件3，且箱体前侧板13位于凸面光栅安装孔112前方，为安装凸面光栅组件3提供操作空间；折轴镜组件安装孔114用于安装折轴镜组件4，箱体右后盖板安装槽117上安装第一曲面反射棱镜组件5，为提供安装操作空间；箱体左后盖板安装槽118上安装第二曲面反射棱镜组件6，提供安装操作空间。箱体前侧板13、箱体左后盖板14和箱体右后盖板15均通过螺钉与箱体11侧壁连接。
39.实施时，第一消杂光光阑安装孔用于安装第一消杂光光阑115，第二消杂光光阑安装孔用于安装第二消杂光光阑116，第三消杂光光阑安装孔用于安装第三消杂光光阑119，第一消杂光光阑115、第二消杂光光阑116和第三消杂光光阑119用于阻挡系统杂散光。第一
消杂光光阑115同时位于多狭缝组件2和第一曲面反射棱镜组件5之间以及第一曲面反射棱镜组件5和凸面光栅组件3之间，第二消杂光光阑116同时位于凸面光栅组件3和第二曲面反射棱镜组件6之间以及第二曲面反射棱镜组件6和折轴镜组件4之间；第三消杂光光阑119位于折轴镜组件4和探测器组件7之间，节省元件，且能有效的阻挡光路系统中的杂散光，提高成像效果。经光学系统杂散光分析，系统中共进行了3处消杂光光阑的设计，可以实现良好的杂散光抑制，从而实现高性能成像。
40.本实施例中，箱体组件1还包括设置在箱体盖板12上的多个对外安装接口121；多个对外安装接口121按照十字型分布，对外安装接口121为螺纹孔，用于将整个系统搭载于无人机平台的接口。
41.本实施例中，多狭缝组件2的作用是替代传统的单狭缝组件，实现多通道采样，经哈达玛编码原理解码和复原高光谱数据可大幅提高仪器的信噪比；多狭缝组件2通过胶粘接的方式固定在箱体11上的狭缝组件安装孔111内。
42.本实施离中，各光学组件在箱体上集成时，根据光学图纸的设计要求。一般要求光学元件x/y/z位移量偏差小于0.02mm，旋转角度偏差小于30
″
，然后对各光学组件的位置和姿态进行调整，进行系统装配，是需要进行光学仪器装调的，这是光学遥感仪器研制的常规常用手段，一般是通过螺钉的过孔量和修切垫进行各组件的空间位置和姿态调整。
43.消杂光光阑的设计位置与尺寸是通过对光学系统杂散光分析后，由光学设计给出的。并不是在任意两个光学组件间均需要设计的，是需要经过杂散光分析确定消杂光光阑的位置，在关键位置进行光学的遮挡，实现消杂散光的目的。
44.实施例2
45.参见图7～图9，在实施例1的基础上，本实施例提供的第一曲面反射棱镜组件5包括第一镜框52以及嵌在第一镜框52上的第一曲面反射棱镜51；通过第一镜框52将第一曲面反射棱镜51固定在箱体11内的第一曲面反射棱镜组件安装孔内；从多狭缝组件2射入的光经第一曲面反射棱镜51镜面反射至凸面光栅组件3上。第一曲面反射棱镜组件5还包括卡接在第一镜框52上并与第一曲面反射棱镜51非镜面端接触的第一柔性环53；第一镜框52通过第一压块54与第一柔性环53卡接。
46.实施时，第一柔性环53侧壁上设置多条柔性槽，本实施例为五条柔性槽，具体包括轴向平行设置的柔性槽一531、柔性槽二532、柔性槽三533、柔性槽四534以及柔性槽五535；柔性槽三533位于第一柔性环53侧壁上中心位置处，柔性槽一531、柔性槽二532、柔性槽四534和柔性槽五535关于柔性槽三533的轴向中心点对称分布于柔性槽三533外部。第一柔性环53表面上设置有多个小点注胶孔536。
47.具体的，第一曲面反射棱镜51为长方体结构，第一曲面反射棱镜51上加工有安装凸台511用于将第一曲面反射棱镜51固定在第一镜框52上。安装时，先将第一曲面反射棱镜51安装在第一镜框52内，再将第一柔性环53装入第一镜框52内并通过第一压块54压紧固定，设第一曲面反射棱镜51的镜面为正面，第一柔性环53装入第一镜框52内时与第一曲面反射棱镜51的背面相接触。第一柔性环53为长方形环，每个侧壁上均设置有柔性槽和小点注胶孔536。
48.柔性槽为五条，分别包括柔性槽一531、柔性槽二532、柔性槽三533、柔性槽四534和柔性槽五535；五条柔性槽轴向平行，且柔性槽一531、柔性槽二532、柔性槽四534和柔性
槽五535以柔性槽三533为中心点均布在柔性槽三533外周方向上，柔性槽三533位于每个侧面的中心位置处。五条柔性槽用于保证第一柔性环53的轴向柔性，保证可释放第一曲面反射棱镜组件5的装配应力、胶固化应力和温度应力。小点注胶孔536为多个，沿着边长方向等间距排列，小点注胶孔536用于注入适量的xm-31胶，辅助第一曲面反射棱镜51的固定。本实施例中，通过在方形镜体中设计了第一柔性环53，且在第一柔性环53中设计有小点注胶孔536，小用于注入适量的xm-31胶，辅助第一曲面反射棱镜51的固定，五条柔性槽用于保证第一柔性环53的轴向柔性。因第一压块54压紧力是沿着第一柔性环53的轴向，且xm-31胶固化的收缩应力也是沿着第一柔性环53的轴向。将第一柔性环53的轴向设计为柔性，便于保证可释放第一曲面反射棱镜组件5的装配应力、胶固化应力和温度应力。此外，需要通过合理的柔性槽布局和数量设计，保证镜组在复杂工况下具有良好的面形精度。多条柔性槽的设计时为保证支撑结构在具有足够柔性的同时，还兼具一定的刚度。从而保证在实现镜组微应力装夹的同时，具有很好的稳定性。
49.实施例3
50.本实施例中，第二曲面反射棱镜组件6结构与第一曲面反射棱镜组件5的结构相同。可参照实施例2中第一曲面反射棱镜组件5的结构。
51.本实施例中，凸面光栅组件3和折轴镜组件4均采用与第一曲面反射棱镜组件5类似的结构固定在箱体11内相应的安装孔内。
52.本发明各个光学元件先进行模块化设计，再集成在箱体上，系统结构简单，体积小且重量轻，具有高稳定、高可靠性，便于集成、装配和工程研制。采用箱体支撑形式，将各组件均集成安装在同一箱体上，各组件与箱体间通过设计修切垫，保证可通过修切垫来修正各组件的空间位置与姿态。各光学镜组均采用模块化设计思路，均先单独装配为子部件后，再直接集成在箱体上，降低了系统装调的难度和复杂度。
53.本实施例中，机载小型化高性能offner高光谱成像仪系统，光线经多狭缝组件2射入，通过第一消杂光光阑115消除杂光后，光线继续经第一曲面反射棱镜组件5反射后，再通过第一消杂光光阑115消除杂光后至凸面光栅组件3上；然后经第二消杂光光阑116消除杂光后至第二曲面反射棱镜组件6进行二次反射；接着光路通过第二消杂光光阑116消除杂光后后至折轴镜组件4折转光线，最后通过第三消杂光光阑119消除杂光最终成像于探测器组件7的像面上。
54.采用凸面光栅作为分光元件实现色散分光成像，凸面光栅的offner光谱成像采用同心结构设计，结构紧凑，且像差校正能力强，光谱线色散性高，谱线弯曲和色畸变均小于0.1个像元，成像效果好。