CN111929878B - 一种高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜*** - Google Patents
一种高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，解决现有大相对孔径前置成像物镜，存在对镜片支撑稳定性差，体积较大，镜片自由度调整较为单一的问题。该***包括支撑底板以及设在支撑底板上的主镜组件、次镜组件、三镜组件、折轴镜组件、滤光片组件；主镜组件包括设在支撑底板上的主镜支撑座和安装在主镜支撑座上的主反射镜；次镜组件包括设在支撑底板上的次镜支撑座和安装在次镜支撑座上的次反射镜；三镜组件包括设在支撑底板上的三镜支撑座和安装在三镜支撑座上的第三反射镜；主镜支撑座给主反射镜提供可靠的机械支撑，同时可实现主反射镜多自由度的调整，三镜支撑座与主镜支撑座结构相同。
Description
技术领域
本发明涉及一种物镜***，具体涉及一种高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***。
背景技术
高光谱成像仪是依靠获取物体二维空间位置信息和一维光谱信息，来实现对物体形态的成像和获取物体的光谱特性。其具有光谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点，故可以用来研究地表物体，识别物体类型，鉴别物质成分等，使得其受到极大重视，并在遥感等领域得到了广泛的应用。
高光谱成像仪光学***一般由前置成像物镜、准直物镜、分光***、成像物镜和探测器构成。前置成像物镜把地面目标物成像到分光***的入射狭缝上，经过分光***的分光，把一维的光谱信息分开，经过成像物镜，把各个波段的狭缝像成像到探测器上，获得目标物体空间信息和光谱信息。前置成像物镜在***中承担着把地面目标成像到准直-分光-成像***物面上的作用。
前置成像物镜是高光谱成像仪实现超宽视场的关键元件，其结构型式可分为以下三类：折射式、折反式和反射式。前两种结构型式由于含有透射材料，不太适用于宽波段***，优先考虑反射式结构，反射式结构***不产生色差、热抗性好、宜于轻量化，且可通过利用非球面或自由曲面来校正像差，使***结构简单，像质优良。两反射镜、三反射镜以及多反射镜***均可实现超宽视场设计。由于光学***要求视场很大，一般的两反射镜光学***轴外点成像质量较差。而近年来兴起的自由曲面光学元件，可为两反射镜光学***带来更多的设计自由度，有效提高***成像质量。
前置成像物镜的发展与光谱成像技术的发展息息相关，高光谱成像仪为了获得更多的能量，从而提高其光谱分辨率和空间分辨率，要求不断提高其相对孔径。与此同时，为了使***的像差小和结构紧凑，更多地进行研究和开发基于Offner中继***的高光谱成像仪。
Offner高光谱成像***具有对称性、结构紧凑、像质好、畸变低等优点。狭缝的宽度决定着***的光谱分辨率；狭缝越窄，***的光谱分辨率越高，但此时进入狭缝的能量减弱，要求必须提高探测器响应灵敏度，这将使探测器的成本上升。在这种情况下，增大***的数值孔径是提高***能量收集能力、降低探测器成本的有效办法，设计人员期望提高Offner型光谱成像仪的数值孔径。但是仅提高超光谱成像***的数值孔径并不能完全解决问题，还必须提高与之相匹配的前置成像物镜的数值孔径，才能达到真正目的。某喷气推进实验室在未来狭缝型超光谱成像仪发展趋势的调查报告中，列出了很多关键技术，其中发展大相对孔径的前置成像物镜是重点之一。因此，发展大相对孔径的前置成像物镜已成为狭缝型超光谱成像仪发展的必要条件，对其深入研究具有重要意义。
大相对孔径的前置成像物镜为离轴三反***，目前对于镜片支撑主要采用单一的背部或径向固定支撑，或者设计复杂的柔节结构实现转接固定支撑，但对于大相对孔径镜片的支撑，采用单一的背部或径向固定支撑，稳定性差；采用复杂的柔节结构实现转接固定支撑，使得前置成像物镜体积较大和装配过程复杂；以及镜片的自由度调整较为单一。
发明内容
为了解决现有大相对孔径的前置成像物镜，存在对镜片的支撑稳定性差，或者前置成像物镜体积较大，以及镜片自由度调整较为单一的技术问题，本发明提供了一种高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，其特殊之处在于：包括支撑底板以及设置在支撑底板上的主镜组件、次镜组件、三镜组件、折轴镜组件、滤光片组件；
所述主镜组件包括设置在支撑底板上的主镜支撑座和安装在主镜支撑座上的主反射镜；
所述次镜组件包括设置在支撑底板上的次镜支撑座和安装在次镜支撑座上的次反射镜；
所述三镜组件包括设置在支撑底板上的三镜支撑座和安装在三镜支撑座上的第三反射镜；
所述折轴镜组件包括设置在支撑底板上的折轴镜支撑座和安装在折轴镜支撑座上的折轴镜；
所述滤光片组件包括设置在支撑底板上的滤光片支撑座和安装在滤光片支撑座上的滤光片；
所述主反射镜、次反射镜、第三反射镜、折轴镜、滤光片沿光束传输方向依次设置，构成离轴三反光学***；
所述主镜支撑座包括镜座、调整板及支撑座；
所述镜座包括座体、设置在座体前端面与主反射镜底部形状相适配的凹槽和设置在凹槽外周的多个压紧板、设置在凹槽内底面的多个粘接柱和多个支撑柱；每个粘接柱的顶端设有胶粘剂，粘接柱和胶粘剂的总高度等于支撑柱的高度；每个压紧板的一端与座体连接，另一端用于将主反射镜压紧固定在所述凹槽内，且主反射镜的侧面与凹槽槽壁之间存在间隙；
所述调整板通过多个第一调整单元与座体的后端面连接；每个所述第一调整单元包括顶紧螺钉组件和锁紧拉紧螺钉组件；顶紧螺钉组件设置在调整板上且前端抵靠在座体的后端面，用于调整调整板和座体的距离；锁紧拉紧螺钉组件包括穿过调整板上通孔的锁紧拉紧螺钉，锁紧拉紧螺钉的前端与座体的后端面螺纹连接，用于固定调整板和座体；
所述支撑座为套装在座体和调整板外侧的中空架体结构，支撑座的下端左右两侧均设置连接耳座；所述连接耳座与支撑底板连接；
所述支撑座通过第二调整单元与调整板侧面连接；所述第二调整单元设置在支撑座上，用于调整调整板在上下方向和左右方向的平移；
所述三镜支撑座与主镜支撑座结构相同。
进一步地，所述支撑底板上与主镜支撑座的连接耳座和三镜支撑座的连接耳座配合位置均设有导向凸台；使主镜支撑座可沿次反射镜的入射中心光轴方向在导向凸台上移动，以及第三反射镜可沿次反射镜的出射中心光轴方向在导向凸台上移动。
进一步地，主反射镜的圆锥系数为-9.34，次反射镜的圆锥系数为0.826，第三反射镜的非球面系数为：k＝-0.861，A2＝1.455e-3，A4＝8.667e-10；
所述主反射镜、第三反射镜、折轴镜和滤光片的镜面均为长方形；
所述次反射镜的镜面为圆形。
进一步地，所述次镜支撑座包括设置在支撑底板上的次镜支撑架、设置在次镜支撑架上的次镜框、用于压紧次反射镜的圆形压板，次镜框上设有用于安装次反射镜的圆形开口；
所述折轴镜组件包括设置在支撑底板上的折轴镜支撑架、设置在折轴镜支撑架上的折轴镜安装框、用于压紧折轴镜的矩形压板；
所述次镜支撑座和折轴镜支撑座呈135°夹角且固连为一体。
进一步地，所述支撑底板上设有外罩，且主镜组件、次镜组件、三镜组件、折轴镜组件均位于外罩内，滤光片组件设置在外罩的光学出口处；
所述滤光片支撑座包括垂直于支撑底板且安装在外罩上的滤光片座、设置在滤光片座上的安装座、设置在安装座上用于安装滤光片的竖插槽；
所述外罩的光学入口处设有长筒形前遮光罩。
进一步地，所述顶紧螺钉组件包括从前至后依次设置的外压簧、压板、带球窝的移动柱、调整支架及顶紧螺钉；
所述座体的后端面设有外簧座，外簧座为环形槽；
所述调整板上开设有台阶通孔，包括由前至后且直径依次减小的第一通孔和第二通孔；
所述压板设置在第一通孔内，压板的前端面设置有伸入外簧座的环形外簧支架，后端面设有调整球头；
所述外压簧设置在环形槽内，且前端通过环形槽底面限位，后端套装在环形外簧支架；
所述移动柱设置在第二通孔内，且前端的球窝设置在调整球头上；
所述调整支架固定在调整板的后端面，调整支架上设有螺纹孔，所述顶紧螺钉穿过螺纹孔后抵靠在带球窝的移动柱后端面。
进一步地，所述顶紧螺钉组件还包括同轴设置在外压簧内的内压簧；
所述座体后端面设有内簧座，内簧座为柱形槽；
所述压板的前端面设有伸入内簧座的内簧柱；
所述内压簧设置在柱形槽内，且前端通过柱形槽底面限位，后端套装在内簧柱上。
进一步地，所述座体的后端面设有多个连接台，连接台的数量与顶紧螺钉组件的数量相等且位置一一对应；所述连接台的侧面设有用于减小应力的开口槽；
所述内簧座和外簧座均设置在连接台的后端面上；
所述调整板为矩形结构；
所述第一调整单元为4个，4个第一调整单元呈矩形布置在调整板的四个角上；
进一步地，所述支撑座为矩形中空架体结构，包括首尾依次连接的左支撑板、下支撑板、右支撑板和上支撑板；所述连接耳座与支撑底板通过螺钉连接；
所述第二调整单元包括左右调整组件和上下调整组件；
所述左右调整组件包括对称设置的左调节螺钉和右调节螺钉，左调节螺钉设置在左支撑板上，且内端面抵靠在调整板的左端面；右调节螺钉设置在右支撑板上，且内端面抵靠在调整板的右端面；
所述上下调整组件包括对称设置的上调节螺钉和下调节螺钉，上调节螺钉设置在上支撑板上，且内端面抵靠在调整板的上端面；下调节螺钉设置在下支撑板上，且内端面抵靠在调整板的下端面。
进一步地，所述调整板左端面与左调节螺钉相配合的位置、调整板右端面与右调节螺钉相配合的位置、调整板上端面与上调节螺钉相配合的位置、调整板下端面与下调节螺钉相配合的位置均设有定位槽；
主反射镜侧面与凹槽的间隙范围为0.06-0.15mm，所述间隙内填充有粘接剂；
所述座体的凹槽槽底开设有中心通孔；所述调整板中部设有六边形减重孔。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明前置物镜***的光学元件采用离轴三反光学***，主反射镜的安装通过主镜支撑座，将主反射镜安装在座体的凹槽中，在凹槽底面设的粘接柱和支撑柱形成主反射镜底面的定位基准，可通过研磨粘接柱和支撑柱，保证主反射镜较好的安装平面精度，并通过压紧板将主反射镜压紧固定在凹槽内，保证主反射镜可靠的支撑在座体内；第一调整单元和第二调整单元能够实现主反射镜多自由度高精度旋转和平移装调；第三反射镜的安装通过三镜支撑座，三镜支撑座与主镜支撑座结构形式和调节方式相同，主反射镜和第三反射镜均具有多自由度高精度调整能力，能够满足光学装调的需求，可有效保证物镜的像质优良，能够适用于中型及大型反射镜的装夹固定和自由度调整，达到较高的调整精度。
2、本发明在支撑底板上设有凸台定位面，主镜支撑座可沿次反射镜的入射中心光轴方向进行修切调整，以及第三反射镜可沿次反射镜的出射中心光轴方向进行修切调整，保证主反射镜和次反射镜、次反射镜和第三反射镜的轴向距离，即保证光学间隔要求。
3、本发明离轴三反光学***实现了共光轴设计，结构紧凑，简化了离轴三反***的装调，并且在保证像质优良的前提下，实现了大数值孔径、大视场、高光谱分辨率等特点，能够适应offner以及Dyson等经典高光谱成像仪对前置成像的需求。
4、本发明将次镜支撑座和折轴镜支撑座固连为一体，即将次反射镜和折轴镜集成安装在一个支撑结构件上，依靠机械加工可保证安装精度。
5、本发明第一调整单元包括顶紧螺钉组件和锁紧拉紧螺钉组件，可通过顶紧螺钉组件调整调整板和座体的距离，距离调整合适后，通过锁紧拉紧螺钉组件固定调整板和座体。
6、本发明顶紧螺钉组件通过转动顶紧螺钉，实现压板相对座体的相向和相背移动，压板后端面的调整球头与移动柱前端的球窝为球面接触配合，若压板与移动柱的位置稍有偏移，通过球面可快速恢复至对中位置，保证压板移动的平稳性；以及座体后外簧座为环形槽，提高压板移动的平稳性，进而保证主反射镜(或第三反射镜)位置调整的精度。
7、本发明顶紧螺钉组件还包括内压簧，给外压簧的运动过程提供导向作用，进一步提高压板移动的平稳性。
8、为了便于顶紧螺钉组件与座体的连接，在座体的后端面设有连接台。
9、本发明调整板为矩形结构，第一调整单元为4个且呈矩形布置在调整板的四个角上，4个第一调整单元形成四点调整组件，采用直角拉顶原理进行，左下角为固定调整点，作为调整基准，同时作为调整支点；左上角调整点为上下俯仰旋转调整，右下角调整点为左右方位旋转调整，右上角作为锁紧点进行锁紧固定，可实现两个自由度方向的调整，且调整方式简单。
10、本发明第二调整单元包括左右调整组件和上下调整组件，左调节螺钉和右调节螺钉配合使用，一松一紧，实现调整板在支撑座内部左右平移运动；上调节螺钉和下调节螺钉配合使用，一松一紧，实现调整板在支撑座内部上下平移运动；进而实现主反射镜、第三反射镜上下和左右两个自由度方向的平移调整，调整方式简便。
11、为了调整板上下平移和左右平移调整的稳定性，在调整板的四个端面上设有定位槽，第二调整单元的四个调节螺钉的内端面均位于定位槽内。
12、本发明主反射镜、第三反射镜侧面与凹槽的间隙范围为0.06-0.15mm，便于安装主反射镜(或第三反射镜)，同时防止安装过程中对主反射镜(或第三反射镜)的损伤；主反射镜(或第三反射镜)安装完成后，通过将粘接剂填充间隙，提高主反射镜(或第三反射镜)与座体固定的稳定性。
13、本发明连接台上设有开口槽，用于减小连接应力对主反射镜(或第三反射镜)面形的影响。
14、本发明座体的凹槽槽底开设有中心通孔，可减小座体的重量，便于调整；还可以作为主反射镜(或第三反射镜)安装时的工艺孔。
同理，调整板中部设有六边形减重孔，减小调整板的重量，便于调整。
附图说明
图1为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***立体结构示意图(去掉部分外罩)；
图2为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***侧视图(对三镜组件处进行局部剖)；
图3为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***俯视图一(未显示部分外罩)；
图4为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***俯视图二(未显示部分外罩，示意出光路)；
图5为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中离轴三反光学***示意图；
图6为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中支撑底板结构示意图；
图7为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中次镜支撑座和折轴镜支撑座固连为一体的结构示意图；
图8为图7所示结构的局部剖视图；
图9为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中滤光片组件结构示意图；
图10为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中主镜组件结构示意图；
图11为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中主镜组件***示意图；
图12为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中主镜组件的镜座结构示意图；
图13为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中主镜组件的镜座后视图；
图14为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中主镜组件的镜座与主反射镜装配示意图；
图15为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中主镜组件的主反射镜、镜座和调整板装配示意图；
图16为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中主镜组件剖视图(未示出锁紧拉紧螺钉组件)；
图17为本发明高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***中主镜组件的顶紧螺钉组件处局部剖视图；
其中，附图标记如下：
01-支撑底板，012-导向凸台，02-主镜支撑座，03-主反射镜，04-次镜支撑座，041-次镜支撑架，042-次镜框，043-圆形压板，05-次反射镜，06-三镜支撑座，07-第三反射镜，08-折轴镜支撑座，081-折轴镜支撑架，082-折轴镜安装框，083-矩形压板，09-折轴镜，010-滤光片支撑座，0101-滤光片座，0102-安装座，011-滤光片；
1-座体，11-凹槽，12-压紧板，13-中心通孔，14-粘接柱，15-支撑柱，16-注胶通孔，17-连接台，171-开口槽，18-外簧座，19-内簧座，110-长条孔，111-圆形排气孔；
2-调整板，21-楔形压板，22-第一通孔，23-第二通孔，24-上端面，25-左端面，26-下端面，27-右端面，28-定位槽，29-六边形减重孔；
3-支撑座，31-左支撑板，32-下支撑板，33-右支撑板，34-上支撑板，35-连接耳座，36-螺钉，37-减重孔；
41-左调节螺钉，42-上调节螺钉，43-右调节螺钉，44-下调节螺钉；
5-顶紧螺钉组件，51-外压簧，52-压板，521-环形外簧支架，522-调整球头，523-内簧柱，53-带球窝的移动柱，54-调整支架，55-顶紧螺钉，56-内压簧；
6-锁紧拉紧螺钉组件，61-锁紧拉紧螺钉，62-球面垫圈；
81-外罩，82-长筒形前遮光罩，83-第一刃口光阑，84-第二刃口光阑，85-把手。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1至图4所示，一种高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，包括支撑底板01、主镜组件、次镜组件、三镜组件、折轴镜组件、滤光片组件、支撑底板01、外罩81和挡光组件；主镜组件包括设置在支撑底板01上的主镜支撑座02和安装在主镜支撑座02上的主反射镜03；次镜组件包括设置在支撑底板01上的次镜支撑座04和安装在次镜支撑座04上的次反射镜05；三镜组件包括设置在支撑底板01上的三镜支撑座06和安装在三镜支撑座06上的第三反射镜07；折轴镜组件包括设置在支撑底板01上的折轴镜支撑座08和安装在折轴镜支撑座08上的折轴镜09；滤光片组件包括设置在支撑底板01上的滤光片支撑座010和安装在滤光片支撑座010上的滤光片011。
如图5所示，主反射镜03、次反射镜05、第三反射镜07、折轴镜09、滤光片011沿光束传输方向依次设置，构成离轴三反光学***，相对孔径大，能量利用率高。
本实施例前置物镜***中各个部件：
1、离轴三反光学***
1.1光学参数
主反射镜03的圆锥系数为-9.34，次反射镜05的圆锥系数为0.826，第三反射镜07的非球面系数为：k＝-0.861，A2＝1.455e-3，A4＝8.667e-10；光学***出瞳距为5242mm，其指标如下：
a、光谱范围：0.43～2.5μm；
b、相对孔径：1/3.75；
c、焦距：f＝400mm；
d、视场角度：2ω＝13.7°×2.85°；
e、像方远心***。
1.2光学镜片参数和公差要求；
1)镜片参数
主反射镜03：镜面形状为长方形，长度：288mm，宽度：188mm；
次反射镜05：镜面形状为圆形，直径：Φ73.4mm；
第三反射镜07：镜面形状为长方形，长度：244mm，宽度：184mm；
折轴镜09：镜面形状为长方形，长度：160mm，宽度：112mm，厚度：14mm；
滤光片011：镜面形状为长方形，长度：130mm，宽度：56mm，厚度：2mm；
2)光学调整精度
a、空气间隔：不大于20μm；
b、倾斜公差：不大于18″；
c、偏心公差：不大于20μm；
2、前置物镜***的机械结构
本实施例支撑结构(主镜支撑座02、次镜支撑座04、三镜支撑座06、折轴镜支撑座08和滤光片支撑座010)设计时，一方面需要为光学***的镜片提供可靠的机械支撑，另一方面要保证光学***的精度要求，并具有可靠地自由度调整机构，确保有效地对镜片的位置进行高精度调整。
支撑结构按照位置度要求集成安装在支撑底板01上，并通过利用支撑结构内的自由度调整机构对光学指向进行高精度调整，进行光学性能的调试。其中，主反射镜03和第三反射镜07结构形式相同，因此采用相同的支撑结构设计，并分别具有六自由度高精度调整能力，能够满足光学装调的需求。次镜组件和折轴镜组件由于距离较近，结构设计中，可将次反射镜05和折轴镜09集成安装在一个支撑结构件上，按照光学***位置关系，依靠机械加工精度保证次反射镜05和折轴镜09的安装定位精度。另外，前置物镜***设计有遮光罩和挡光结构，作为一系列光阑，以满足***杂散光抑制要求。
本实施例前置物镜***重量和尺寸分别为：重量为50Kg；外形尺寸：长×宽×高：650mm×660mm×430mm；
主反射镜03的反射面出射中心光轴与次镜的反射面入射中心光轴重合、次反射镜05的反射面出射中心光轴与第三反射镜07的入射中心光轴重合，因此主反射镜03和次反射镜05、次反射镜05和第三反射镜07之间的空气间隔(轴向距离)调整沿次反射镜05的光轴方向(主反射镜03沿次反射镜05的入射中心光轴方向、第三反射镜07沿次反射镜05的出射中心光轴方向)进行修切调整，保证光学间隔要求。
2.1支撑底板01
如图6所示，支撑底板01设计为平板结构，总体厚度20mm，通过加强筋设置进行减重设计，材料选用硬铝合金2A12板材，底板重量不超过10kg。
支撑底板01为保证安装精度，支撑底板01与主镜组件、次镜组件、三镜组件相应地安装面设有等高共面导向凸台012，通过研磨，其平面度为0.015mm，基准精度能够满足光学位置度公差需求。导向凸台012的台面相对于安装基准面垂直度不大于0.015mm，确保主反射镜03和第三反射镜07相对于次反射镜05轴向调整时的空气间隔精度。
为方便搬运，在支撑底板01四周设置有人工转运把手85以及吊装螺纹孔，可以实现人工搬运和调运。
支撑底板01外部设计有一体式外罩81，将光学***封装在一起。且滤光片组件设置在外罩81的光学出口处。
2.2主镜支撑座02
主反射镜03为长方形反射镜，背部为平面定位安装基准；
如图10、图11、图15和图16所示，主镜支撑座02可实现主反射镜03三个平移自由度的调整、三个旋转自由度的调整及主反射镜03的支撑；主镜支撑座02包括镜座、调整板2、支撑座3、第二调整单元和多个第一调整单元；镜座的前端面安装主反射镜03，调整板2设置在镜座的后端面，支撑座3为中空架体结构，套装在镜座和调整板2的外侧，第二调整单元和第一调整单元可实现主反射镜03的旋转和平移装调。
如图12和图13所示，镜座包括座体1，座体1采用长方形设计，座体1的前端面设置有凹槽11，凹槽11的形状与主反射镜03的底部形状相适配；座体1凹槽11上还设有装配孔，装配孔包括长条孔110和圆形排气孔111。本实施例中主反射镜03的底部为矩形结构，则凹槽11为矩形凹槽，矩形凹槽的尺寸略大于主反射镜03的底部尺寸，使得主反射镜03侧面与凹槽11槽壁之间存在间隙，间隙范围可为0.06-0.15mm，便于安装主反射镜03，同时防止安装过程中对主反射镜03的损伤。凹槽11槽底中部开设有中心通孔13，凹槽11槽底设有布置于中心通孔13外周的多个粘接柱14和多个支撑柱15，粘接柱14顶端设有用于固定主反射镜03的胶粘剂，支撑柱15的高度等于胶粘剂厚度与粘接柱14高度之和，且支撑柱15的高度小于凹槽11的深度，本实施例中粘接柱14和支撑柱15的数量均为4个，在其它实施例中粘接柱14和支撑柱15的数量根据实际需要进行合理设计，4个粘接柱14均布于中心通孔13外周，4个支撑柱15设置粘接柱14的外侧，且位于矩形凹槽的四个角上，4个粘接柱14和4个支撑柱15形成8个支撑面(4个粘接柱14和4个支撑柱15)以及4个粘接固定点(4个粘接柱14)。8个支撑面形成主反射镜03底面定位基准，通过研磨粘接柱14和支撑柱15，可以保证主反射镜03较好的安装平面精度，使得主反射镜03的平面度不大于0.01mm；座体1凹槽11中部的4个粘接柱14为胶粘位置，每个粘接柱14顶端的胶粘剂直径为20mm，胶粘剂厚度为0.5mm，具有较大的胶粘面积，能够满足力学强度需求，则相应地，粘接柱14的直径应略大于20mm。
如图14所示，本实施例中，设计主反射镜03四周和座体1的凹槽11槽壁之间留有单边0.1mm间隙，安装时通过四周加装标准0.1mm厚度的工装将主反射镜03放置于座体1的凹槽11中，座体1的凹槽11槽壁上设有多个注胶通孔16，通过将粘接剂流经注胶通孔16后，填充至0.1mm间隙，提高主反射镜03与座体1固定的稳定性。
座体1的前端面还设有多个压紧板12，多个压紧板12布置于矩形凹槽长边的外周，每个压紧板12的一端与座体1铰接，另一端用于将主反射镜03压紧固定在座体1的凹槽11内。
本实施例座体1与主反射镜03底面采用4个粘接固定点进行粘接固定，并且在主反射镜03的侧面四周采用粘接剂进行辅助胶粘固定，以及采用压紧板12进行轴向弹性辅助压紧，使得主反射镜03可稳定的固定在座体1上。
如图11和图15，调整板2为设置在座体1后端面的矩形板，调整板2的四个外侧面均设有楔形压板21；调整板2的中部设有六边形减重孔29。
支撑座3为套装在座体1和调整板2外侧的矩形中空架体结构，支撑座3上设有减重孔37；支撑座3包括首尾依次连接的左支撑板31、下支撑板32、右支撑板33和上支撑板34；第二调整单元设置在支撑座3上，用于调整调整板2在上下方向和左右方向的平移，具体地，第二调整单元包括左右调整组件和上下调整组件；左右调整组件包括对称设置的左调节螺钉41和右调节螺钉43，左调节螺钉41设置在左支撑板31上，且内端面抵靠在调整板2的左端面25；右调节螺钉43设置在右支撑板33上，且内端面抵靠在调整板2的右端面27；上下调整组件包括对称设置的上调节螺钉42和下调节螺钉44，上调节螺钉42设置在上支撑板34上，且内端面抵靠在调整板2的上端面24；下调节螺钉44设置在下支撑板32上，且内端面抵靠在调整板2的下端面26。
调整板2依靠正交两个方向的四个楔形压板21配合设置在支撑座3内，分别靠4个调节螺钉(上调节螺钉42、下调节螺钉44、左调节螺钉41和右调节螺钉43)压紧楔形压板21将调整板2压紧固定在支撑座3内，为了提高调整精度，四个楔形压板21分别与左调节螺钉41相配合的位置、右调节螺钉43相配合的位置、上调节螺钉42相配合的位置、下调节螺钉44相配合的位置均设有定位槽28，左调节螺钉41、右调节螺钉43、上调节螺钉42和下调节螺钉44的内端面分别伸入与各自配合楔形压板21的定位槽28内。平移调整时，左调节螺钉41和右调节螺钉43配合使用，一松一紧，实现调整板2在支撑座3内部沿着导向面进行左右平移运动；上调节螺钉42和下调节螺钉44配合使用，一松一紧，实现调整板2在支撑座3内部沿着导向面进行上下平移运动；进而实现主反射镜03上下和左右方向的平移调整。
左支撑板31和右支撑板33的下端外侧均设有连接耳座35，连接耳座35设置在支撑底板01上，连接耳座35的下端面设有与支撑底板01上导向凸台012定位面相配合的直线滑动导轨，通过外部两个调整柱将支撑座3沿着支撑底板01上的导向凸台012定位面移动，实现主反射镜03相对支撑底板01的平移调整，具有较高的平移调整精度。连接耳座35与支撑底板01通过螺钉36连接，通过调整左支撑板31下端连接耳上螺钉36和右支撑板33下端连接耳上螺钉36的一松一紧，实现支撑座3相对支撑底板01的旋转调节，进而实现主反射镜03的转动调节。
为了提高镜座上主反射镜03的调整精度，增加调整线量位移基准，调整板2通过多个第一调整单元与座体1的后端面连接，本实施例中，第一调整单元为4个，4个第一调整单元呈矩形布置在调整板2的四个角上，4个第一调整单元形成四点调整组件，调整原理采用直角拉顶原理进行，左下角为固定调整点，作为调整基准，同时作为调整支点；左上角调整点为上下俯仰旋转调整，右下角调整点为左右方位旋转调整，右上角作为锁紧点进行锁紧固定。
每个第一调整单元包括顶紧螺钉组件5和锁紧拉紧螺钉组件6；顶紧螺钉组件5设置在调整板2上且前端抵靠在座体1的后端面，用于调整调整板2和座体1的距离。如图17所示，顶紧螺钉组件5包括从前至后依次设置的外压簧51、压板52、带球窝的移动柱53、调整支架54及顶紧螺钉55；座体1的后端面设有4个呈矩形分布的连接台17，4个连接台17的位置与顶紧螺钉组件5的位置一一对应，连接台17的后端面设有外簧座18，外簧座18为环形槽；调整板2上开设有台阶通孔，包括由前至后且直径依次减小的第一通孔22和第二通孔23；压板52设置在第一通孔22内，压板52的前端面设置有伸入外簧座18的环形外簧支架521，后端面设有调整球头522；外压簧51设置在环形槽内，且前端通过环形槽底面限位，后端套装在环形外簧支架521；移动柱设置在第二通孔23内，且前端的球窝设置在调整球头522上，第二通孔232的外侧内壁设有环形限位凸台；调整支架54通过螺钉固定在调整板2的后端面，调整支架54上设有螺纹孔，顶紧螺钉55穿过螺纹孔后抵靠在带球窝的移动柱53后端面。在紧拉调整过程中，外压簧始终保持预紧力。
为了提高压板52移动的稳定性，连接台17后端面设有内簧座19，内簧座19为同轴设置在环形槽内的柱形槽，压板52的前端面设有伸入柱形槽的内簧柱523；柱形槽内设置内压簧56，内压簧56的前端通过柱形槽底面限位，后端套装在内簧柱523上，内簧座19和内簧柱523的配合给压板52的移动提供导向作用。
锁紧拉紧螺钉组件6包括一个带有球面垫圈62的锁紧拉紧螺钉61,锁紧拉紧螺钉61穿过调整板2上通孔，且前端与座体1的后端面螺纹连接，用于调整板2和座体1的固定。
为了提高座体的稳定性，在座***置调整完成后，通过螺钉依次穿过支撑座和座体，将座体和支撑座进行固定。
座体1的后端面设有的4个连接台17，座体1通过四点(4个连接台17)和调整板2连接，连接台17的侧面设有开口槽171，即座体1在连接调整位置进行了开口去应力，能够减小连接应力对主反射镜03面形的影响。
本实施例主镜支撑座02的旋转调整精度：方位调整基线距离为154mm，俯仰调整基线距离214mm，螺钉螺距为0.35mm，调整精度为方位6″、俯仰2.4″。
本实施例主镜支撑座02的平移调整精度：平移的调整是依靠人手旋转调整螺钉推动调整板2平移，螺钉为细牙螺纹，螺距为0.5mm，人手敏感精度约为5°，人手调整精度约为：0.007mm，能够满足偏心调整精度不大于20μm的精度要求。
本实施例主镜支撑座02实现主反射镜03多自由度调整过程：
1)首先将座体1和调整板2之间4个锁紧拉紧螺钉61连接到位，同时松开1/4圈螺钉，依靠顶紧螺钉55的前侧的外压簧和内压簧弹性力，保持座体1和调整板2的位置；
2)根据工艺检测手段，调整左上角和右下角的顶紧螺钉55实现座体1上主反射镜03两个径向旋转自由度调整，调整到位后，拧紧右上角的顶紧螺钉55，利用压板52后端面调整球头522和带球窝的移动柱53前端球窝的方位自由性，将外压簧51压紧到位，利用结构件进行顶紧，保证位置的稳定；然后拧紧4个锁紧拉紧螺钉61，实现座体1和调整板2固定；
3)调整上调节螺钉42和下调节螺钉44的一松一紧，调整调整板2的上下平移，进而调整主反射镜03的上下平移；调整左调节螺钉41和右调节螺钉43的一松一紧，调整调整板2的左右平移，进而调整主反射镜03的左右平移；
4)通过支撑座3沿着支撑底板01上的导向凸台012定位面移动，实现支撑座3沿主反射镜03中心光轴方向的平移，进而调整主反射镜03和次反射镜05的距离；通过调整左支撑板31下端连接耳上螺钉36和右支撑板33下端连接耳上螺钉36的一松一紧，实现支撑座3相对支撑底板01的旋转，进而实现主反射镜03的自转。
2.3次镜支撑座04和折轴镜支撑座08
如图7和图8所示，本实施例光学***指向的调整是基于次反射镜05为基准进行，次反射镜05为基准位置，因此次反射镜05需设计有较高的定位基准；次镜支撑座04包括设置在支撑底板01上的次镜支撑架041、设置在次镜支撑架041上的次镜框042、用于压紧次反射镜05的圆形压板043，次镜框042上设有用于安装次反射镜05的圆形开口，能够在外部测量次反射镜05镜片平面基准位置，能够保证镜片光轴和支撑底板01底部安装基准平行性误差不大于0.02mm，具有较高的安装基准；将次镜框042和次反射镜05进行定心加工，实现镜片光轴和次镜框042中心轴的同轴性，依靠次镜框042和支撑底板01的机械配合精度进行安装固定。
折轴镜组件包括设置在支撑底板01上的折轴镜支撑架081、设置在折轴镜支撑架081上的折轴镜安装框082、用于压紧折轴镜09的矩形压板083，折轴镜09是利用压板进行压紧固定，在压板和折轴镜09之间设计有2mm厚度硅橡胶垫，减小压板对折轴镜09压紧产生的应力。
折轴镜09主要用于折转光路，便于和红外高光谱仪对接测试，将次镜支撑座04和折轴镜支撑座08固连为一体，且两者呈135°夹角，即实现将次反射镜05和折轴镜09安装在一个支撑座上。次反射镜05和折轴镜09的光轴夹角为45°，依靠机械加工进行保证安装精度。
2.4三镜支撑座06
第三反射镜07和主反射镜03均为长方形反射镜，三镜支撑座06的结构与主镜支撑座02的结构形式和调节方式相同，由于第三反射镜07尺寸比主反射镜03小约40mm，则三镜支撑座06的镜座前端面的凹槽尺寸与主镜支撑座02前端面的凹槽尺寸略小；以及三镜支撑座06是沿次反射镜05的出射中心光轴方向进行修切调整，保证次反射镜05和第三反射镜07的轴向距离。
2.5滤光片支撑座010
如图9所示，滤光片支撑座010包括滤光片座0101、橡胶垫、压块和安装座0102，滤光片座0101垂直于支撑底板01固定在外罩的光学出口处，安装座0102设置在滤光片座0101上，安装座0102上开设用于安装滤光片011的竖直槽，安装时直接将滤光片011从安装座0102的上方***插槽内，需要更换滤光片011时，只需将滤光片011从插槽中拔出即可，便于调试时的更换。滤光片011插槽的形成一方面可以通过机械加工，利用安装挡板形成，另一方面也可以直接通过3D打印一体化成型。
2.6消杂光光阑设计
本实施例前置物镜***还设有挡光组件(光阑或挡光环)，挡光组件包括长筒形前遮光罩82、内部挡光环、挡光环、挡光板和出口遮光罩。
长筒形前遮光罩82设置在外罩81的光学入口处，用于减小杂散光的影响；
内部挡光环为两处刃口光阑，分别为第一刃口光阑83和第二刃口光阑84，用于遮拦外部杂光；第一刃口光阑83设置在主反射镜03反射面的外侧，第二刃口光阑84位于长筒形前遮光罩82的出射光路中，以及第三反射镜07反射的光路中，用于减小长筒形前遮光罩82最外侧和第三反射镜07最外侧出射光束的杂散光；
挡光环和挡光板设置在主反射镜03和次反射镜05之间，用于减小外部杂散光的影响；
对滤光片支撑座的安装座0102结构尺寸的延伸设计，可形成内部挡光环，作为***出口光路位置的遮光罩，用于减小杂光的影响。
本实施例挡光组件均进行喷砂和黑色阳极化处理。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，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 (9)
1.一种高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，其特征在于：包括支撑底板(01)以及设置在支撑底板(01)上的主镜组件、次镜组件、三镜组件、折轴镜组件、滤光片组件；
所述主镜组件包括设置在支撑底板(01)上的主镜支撑座(02)和安装在主镜支撑座(02)上的主反射镜(03)；
所述次镜组件包括设置在支撑底板(01)上的次镜支撑座(04)和安装在次镜支撑座(04)上的次反射镜(05)；
所述三镜组件包括设置在支撑底板(01)上的三镜支撑座(06)和安装在三镜支撑座(06)上的第三反射镜(07)；
所述折轴镜组件包括设置在支撑底板(01)上的折轴镜支撑座(08)和安装在折轴镜支撑座(08)上的折轴镜(09)；
所述滤光片组件包括设置在支撑底板(01)上的滤光片支撑座(010)和安装在滤光片支撑座(010)上的滤光片(011)；
所述主反射镜(03)、次反射镜(05)、第三反射镜(07)、折轴镜(09)、滤光片(011)沿光束传输方向依次设置，构成离轴三反光学***；
所述主镜支撑座(02)包括镜座、调整板(2)及支撑座(3)；
所述镜座包括座体(1)、设置在座体(1)前端面与主反射镜(03)底部形状相适配的凹槽(11)和设置在凹槽(11)外周的多个压紧板(12)、设置在凹槽(11)内底面的多个粘接柱(14)和多个支撑柱(15)；每个粘接柱(14)的顶端设有胶粘剂，粘接柱(14)和胶粘剂的总高度等于支撑柱(15)的高度；每个压紧板(12)的一端与座体(1)连接，另一端用于将主反射镜(03)压紧固定在所述凹槽(11)内，且主反射镜(03)的侧面与凹槽(11)槽壁之间存在间隙；
所述调整板(2)通过多个第一调整单元与座体(1)的后端面连接；每个所述第一调整单元包括顶紧螺钉组件(5)和锁紧拉紧螺钉组件(6)；顶紧螺钉组件(5)设置在调整板(2)上且前端抵靠在座体(1)的后端面，用于调整调整板(2)和座体(1)的距离；锁紧拉紧螺钉组件(6)包括穿过调整板(2)上通孔的锁紧拉紧螺钉(61)，锁紧拉紧螺钉(61)的前端与座体(1)的后端面螺纹连接，用于固定调整板(2)和座体(1)；
所述支撑座(3)为套装在座体(1)和调整板(2)外侧的中空架体结构，支撑座(3)的下端左右两侧均设置连接耳座(35)；所述连接耳座(35)与支撑底板(01)连接；
所述支撑座(3)通过第二调整单元与调整板(2)侧面连接；所述第二调整单元设置在支撑座(3)上，用于调整调整板(2)在上下方向和左右方向的平移；
所述三镜支撑座(06)与主镜支撑座(02)结构相同；
所述次镜支撑座(04)包括设置在支撑底板(01)上的次镜支撑架(041)、设置在次镜支撑架(041)上的次镜框(042)、用于压紧次反射镜(05)的圆形压板(043)，次镜框(042)上设有用于安装次反射镜(05)的圆形开口；
所述折轴镜组件包括设置在支撑底板(01)上的折轴镜支撑架(081)、设置在折轴镜支撑架(081)上的折轴镜安装框(082)、用于压紧折轴镜(09)的矩形压板(083)；
所述次镜支撑座(04)和折轴镜支撑座(08)呈135°夹角且固连为一体。
2.根据权利要求1所述高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，其特征在于：所述支撑底板(01)上与主镜支撑座(02)的连接耳座(35)和三镜支撑座(06)的连接耳座(35)配合位置均设有导向凸台(012)，使主镜支撑座(02)可沿次反射镜(05)的入射中心光轴方向在导向凸台(012)上移动，以及第三反射镜(07)可沿次反射镜(05)的出射中心光轴方向在导向凸台(012)上移动。
3.根据权利要求2所述高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，其特征在于：主反射镜(03)的圆锥系数为-9.34，次反射镜(05)的圆锥系数为0.826，第三反射镜(07)的非球面系数为：k＝-0.861，A2＝1.455e-3，A4＝8.667e-10；
所述主反射镜(03)、第三反射镜(07)、折轴镜(09)和滤光片(011)的镜面均为长方形；
所述次反射镜(05)的镜面为圆形。
4.根据权利要求3所述高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，其特征在于：所述支撑底板(01)上设有外罩(81)，且主镜组件、次镜组件、三镜组件、折轴镜组件均位于外罩(81)内，滤光片组件设置在外罩(81)的光学出口处；
所述滤光片支撑座(010)包括垂直于支撑底板(01)且安装在外罩上的滤光片座(0101)、设置在滤光片座(0101)上的安装座(0102)、设置在安装座(0102)上用于安装滤光片(011)的竖插槽；
所述外罩(81)的光学入口处设有长筒形前遮光罩(82)。
5.根据权利要求1至4任一所述高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，其特征在于：所述顶紧螺钉组件(5)包括从前至后依次设置的外压簧(51)、压板(52)、带球窝的移动柱(53)、调整支架(54)及顶紧螺钉(55)；
所述座体(1)的后端面设有外簧座(18)，外簧座(18)为环形槽；
所述调整板(2)上开设有台阶通孔，包括由前至后且直径依次减小的第一通孔(22)和第二通孔(23)；
所述压板(52)设置在第一通孔(22)内，压板(52)的前端面设置有伸入外簧座(18)的环形外簧支架(521)，后端面设有调整球头(522)；
所述外压簧(51)设置在环形槽内，且前端通过环形槽底面限位，后端套装在环形外簧支架(521)；
所述移动柱设置在第二通孔(23)内，且前端的球窝设置在调整球头(522)上；
所述调整支架(54)固定在调整板(2)的后端面，调整支架(54)上设有螺纹孔，所述顶紧螺钉(55)穿过螺纹孔后抵靠在带球窝的移动柱(53)后端面。
6.根据权利要求5所述高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，其特征在于：所述顶紧螺钉组件(5)还包括同轴设置在外压簧(51)内的内压簧(56)；
所述座体(1)后端面设有内簧座(19)，内簧座(19)为柱形槽；
所述压板(52)的前端面设有伸入内簧座(19)的内簧柱(523)；
所述内压簧(56)设置在柱形槽内，且前端通过柱形槽底面限位，后端套装在内簧柱(523)上。
7.根据权利要求6所述高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，其特征在于：所述座体(1)的后端面设有多个连接台(17)，连接台(17)的数量与顶紧螺钉组件(5)的数量相等且位置一一对应；所述连接台(17)的侧面设有用于减小应力的开口槽(171)；
所述内簧座(19)和外簧座(18)均设置在连接台(17)的后端面上；
所述调整板(2)为矩形结构；
所述第一调整单元为4个，4个第一调整单元呈矩形布置在调整板(2)的四个角上。
8.根据权利要求7所述高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，其特征在于：所述支撑座(3)为矩形中空架体结构，包括首尾依次连接的左支撑板(31)、下支撑板(32)、右支撑板(33)和上支撑板(34)；所述连接耳座(35)与支撑底板(01)通过螺钉(36)连接；
所述第二调整单元包括左右调整组件和上下调整组件；
所述左右调整组件包括对称设置的左调节螺钉(41)和右调节螺钉(43)，左调节螺钉(41)设置在左支撑板(31)上，且内端面抵靠在调整板(2)的左端面(25)；右调节螺钉(43)设置在右支撑板(33)上，且内端面抵靠在调整板(2)的右端面(27)；
所述上下调整组件包括对称设置的上调节螺钉(42)和下调节螺钉(44)，上调节螺钉(42)设置在上支撑板(34)上，且内端面抵靠在调整板(2)的上端面(24)；下调节螺钉(44)设置在下支撑板(32)上，且内端面抵靠在调整板(2)的下端面(26)。
9.根据权利要求8所述高光谱成像仪的离轴三反短焦前置物镜***，其特征在于：所述调整板(2)左端面(25)与左调节螺钉(41)相配合的位置、调整板(2)右端面(27)与右调节螺钉(43)相配合的位置、调整板(2)上端面(24)与上调节螺钉(42)相配合的位置、调整板(2)下端面(26)与下调节螺钉(44)相配合的位置均设有定位槽(28)；
主反射镜(03)侧面与凹槽(11)的间隙范围为0.06-0.15mm，所述间隙内填充有粘接剂；
所述座体(1)的凹槽(11)槽底开设有中心通孔(13)；所述调整板(2)中部设有六边形减重孔(29)。
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