一种色散型光谱仪的制作方法

本发明属于光谱成像领域，涉及一种色散型光谱仪。

背景技术：

成像光谱仪根据分光系统的不同又可分为滤光片型、色散型和干涉型，其中色散型光谱仪应用最为广泛。色散型光谱仪主要由前置光学系统、色散式分光系统和成像系统组成。

目前，针对色散型光谱仪内各个光学器件的支撑方式主要为铸件箱体式支撑和平板支架式支撑；

铸件箱体式支撑具体是通过铸件确定支撑箱体的初步结构，再通过局部精加工保证各相机组件安装位置精度；

平板支架式支撑具体是将相机各零件安装再支架上，再将支架按设计尺寸要求逐一安装于一块底板上；

以上两种方式存在以下几个缺点:

一是加工成本高，包括铸件开模二次精加工费用都比较高；

二是对加工精度要求比较高；

三是装调性差，不管是铸件箱体式支撑还是平板支架式支撑，装配精度一般依靠加工精度保证，所留给装调人员可装调范围较小；

四是通用性差，以上两种支撑方式均为针对特定设计参数相机的专有化设计，不同设计参数的相机无法共用支撑结构。

五是研制周期长，以上两种光谱仪设计方式需要较长的结构件加工周期和装调周期，同时试错后的更改周期都比较长，这使得光谱仪研制周期大大延长。

技术实现要素：

本发明提出了一种色散型光谱仪，通过各个部分的模块化设计，利用桁架支撑系统将实现了各光学器件的安装，解决了现有色散型光谱仪存在的加工成本高、加工精度要求高、装调性差、通用性差、研制周期长的问题。

本发明的技术方案是：

本发明提供了一种色散型光谱仪，包括前置光学系统、分光系统和成像系统，其改进之处在于，还包括桁架支撑系统；桁架支撑系统包括前端安装法兰、后端安装法兰、分光系统安装板、调整支杆组件、前端固定底座及后端固定底座；

前端安装法兰与后端安装法兰上均设有中心通光孔；

前端安装法兰前表面通过第一转接法兰安装前置光学系统，前端安装法兰后表面上沿圆周方向安装n个前端固定底座；

后端安装法兰前表面上沿圆周方向安装n个后端固定底座，后端安装法兰后表面通过第二转接法兰安装成像系统；

所有前端固定底座与所有后端固定底座沿圆周方向交错布置；前端固定底座和后端固定底座上均设有两个球形凹槽；

调整支杆组件为2n根，调整支杆组件的两端均设有球头；调整支杆组件一端通过球头安装在前端固定底座的球形凹槽内，调整支杆组件另一端通过球头安装在后端固定底座的球形凹槽内；每两个相邻的调整支杆组件呈“八”字形，其中n≥3；

前端安装法兰和后端安装法兰之间设置有分光系统安装板；分光系统通过转接板安装于分光系统安装板上，分光系统安装板设有姿态调节机构，通过姿态调节机构作用于转接板上实现对分光系统在平行于分光系统安装板的平面内进行姿态调整。同时通过在转接板上增加修切垫的方式，确保分光系统、前置光学系统、前端安装法兰的中心通光孔、后端安装法兰的中心通光孔以及成像系统五者保持同轴。

进一步地，为了使安装在前端安装法兰上的前置光学系统和安装在后端安装法兰上的成像组件，可以进行距离和相对倾斜量的调节；上述调整支杆组件包括调整支杆前段、调节螺杆、调整支杆后段以及锁紧螺套；

调整支杆前段的前端为球头，调整支杆前段的后端与调节螺杆前端螺纹连接；调整支杆后段的后端为球头，调整支杆后段的前端与调节螺杆后端螺纹连接；

用于调整支杆前段和调节螺杆配合的螺纹，与用于调整支杆后段和调节螺杆配合的螺纹旋向相反；

调整支杆前段的后端外壁上设有锁紧外螺纹；

调整支杆后段的前端设有环形止动凸台；

锁紧螺套包括大径段和小径段；锁紧螺套的小径段滑动套接于调整支杆后段，锁紧螺套的大径段设有与所述锁紧外螺纹配合的锁紧内螺纹。

进一步地，调节螺杆的中部为多棱柱形，方便采用扳手进行长度调节时使用。

进一步地，为了方便装配，同时确保球头和球形凹槽的配合精度，所述前端固定底座为分体结构，包括支撑块、压紧块和压紧螺钉；

支撑块上设有两个第一半球形凹槽，压紧块上设有两个第二半球形凹槽；

压紧块通过压紧螺钉安装于支撑块上，压紧块和支撑块配合后，两个第一半球形凹槽和两个第二半球形凹槽配合形成两个球形凹槽；

所述后端固定底座与前端固定底座结构相同。

进一步地，上述姿态调节机构多个，分布于转接板的外围用于对分光系统在水平方向进行姿态调整；

姿态调节机构包括调节顶丝和凸起；所述凸起固定安装于分光系统安装板上，且位于转接板侧方，调节顶丝与凸起螺纹连接后与所述转接板侧面相接触，旋转调节顶丝可使转接板带动分光系统进行水平面的姿态调整。

进一步地，为了更好的实现温控，该光谱仪还包括分光系统外罩以及多个加热片；

分光系统外罩安装于所述分光系统安装板上，分光系统位于分光系统外罩内；多个加热片均匀贴覆于分光系统外罩外表面以及分光系统安装板的底面上，并且贴覆加热片的表面均采用保温棉包覆。

进一步地，该光谱仪还包括第一碳纤维外罩以及多个加热片；第一碳纤维外罩同轴安装于前置光学系统外部；多个加热片均匀贴覆于所述前置光学系统的外壳上并采用保温棉包覆。

进一步地，该光谱仪还包括套装于支撑桁架外部的第二碳纤维外罩，第二筒状碳纤维外罩的两端分别与第一转接法兰和第二转接法兰连接。

进一步地，上述第一转接法兰与前置光学系统之间、后端安装法兰与第二转接法兰之间均设置有玻璃钢隔热垫。

进一步地，为了实现轻量化设计，前端安装法兰、后端安装法兰上均设有多个减重孔。

本发明的优点：

1、本发明将色散型光谱仪分割为前置光学系统、分光系统、成像系统和支撑系统四个模块，通过支撑系统将前置光学系统、分光系统、成像系统连接成为一个整体，支撑系统包括前端安装法兰、后端安装法兰、调整支杆组件和固定底座组成，前端安装法兰通过第一转接法兰与前置光学系统连接，后端安装法兰通过第二转接法兰与成像系统连接，分光系统通过设置在前端安装法兰和后端安装法兰之间的分光系统安装板和转接板实现安装，通过姿态调节机构作用于转接板上实现对分光系统在平行于分光系统安装板的平面内进行姿态调整，同时通过在转接板上增加修切垫的方式，确保分光系统、前置光学系统、前端安装法兰的中心通光孔、后端安装法兰的中心通光孔以及成像系统五者保持同轴，并且调整支杆组件和固定底座通过球头和球头凹槽连接，使得前端安装法兰、后端安装法兰具有一定调整量，可用于补偿加工和装配带来的误差；这种模块设计可大大缩减了设备的研制周期、成本和加工难度，并且具有通用性。

2、本发明采用桁架支撑结构形式将各模块进行连接，有效的降低了光谱仪的重量，并且桁架支撑结构的调整支杆组件由调整支杆前段、调整支杆后段、调节螺杆和锁紧螺套构成，通过旋转调节螺杆使得调节支杆的长度可调节，从而使得前端安装法兰上的前置光学系统和安装在后端安装法兰上的成像组件可以进行距离和相对倾斜量的调节可适用非同轴光学系统的支撑和调整，与传统修切垫调整方式相比，无需单独加工修切垫进行角度调整，降低了结构件复杂度及加工成本，同时使本发明在保证装配精度的前提下大大的提高了装配效率。

3、本发明对光谱仪进行了温控设计及保温隔热设计，可使光谱仪在处于复杂外场试验环境时，保持在一定的恒定温度下，一定程度提高了光谱仪的设备稳定性及采集数据的准确性。

4、本发明利用碳纤维罩实现了光谱仪温控区的保温及与环境隔热设计，在保证光谱仪性能的前提下，提升了光谱仪的美观度。

附图说明

图1为本发明的色散型光谱仪结构示意图；

图2为桁架支撑系统的结构示意图；

图3为实施例2中调节支杆组件的结构示意图；

图4为实施例3中前固定底座的结构示意图；

图5为实施例4的剖视图；

图6为前置光学系统与第一转接法兰装配后局部结构示意图。

图7为后端安装法兰与第二转接法兰装配后局部结构示意图。

图8为姿态调节机构的结构示意图。

附图标记说明：

1-前置光学系统、2-分光系统、3-成像系统、4-桁架支撑系统、5-前端安装法兰、6-后端安装法兰、7-分光系统安装板、8-调整支杆组件、81-调整支杆前段、82-调整支杆后段、83-调节螺杆、84-锁紧螺套、85-锁紧外螺纹、86-环形止动凸台、9-前端固定底座、91-支撑块、92-压紧块、93-锁紧螺钉、10-后端固定底座、11-中心通光孔、12-第一转接法兰、13-第二转接法兰、14-球形凹槽、15-球头、17-转接板、18-姿态调节机构、19-调节顶丝、20-凸起、21-分光系统外罩、22-加热片、23-第一筒状碳纤维外罩、24-第二筒状碳纤维外罩、25-玻璃钢隔热垫、26-减重孔、27-固定板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种色散型光谱仪的具体结构，如图1和图2所示，色散型光谱仪采用模块化设计，包括前置光学系统1、分光系统2、成像系统3以及桁架支撑系统4四个模块；

其中，前置光学系统1、分光系统2、成像系统3均根据实际需求采用市售产品即可。

桁架支撑系统4包括前端安装法兰5、后端安装法兰6、分光系统安装板7、调整支杆组件8、前端固定底座9及后端固定底座10；

前端安装法兰5与后端安装法兰6上均设有中心通光孔11；

前端安装法兰5前表面通过第一转接法兰12安装前置光学系统1，前端安装法兰5后表面上沿圆周方向安装n个前端固定底座9；

后端安装法兰6前表面上沿圆周方向安装n个后端固定底座10，后端安装法兰6后表面通过第二转接法兰13安装成像系统3；使用第一转接法兰12和第二转接法兰13的目的是为了使该桁架支撑系统4能够通用于不同尺寸的前置光学系统1和成像系统3。

所有前端固定底座9与所有后端固定底座10沿圆周方向交错布置；每个前端固定底座9和后端固定底座10上均设有两个球形凹槽14；

调整支杆组件8为2n根，调整支杆组件8的两端均设有球头15；调整支杆组件15一端通过球头15安装在前端固定底座9的球形凹槽14内，调整支杆组件15另一端通过球头15安装在后端固定底座10的球形凹槽14内；每两个相邻的调整支杆组件8呈“八”字形，其中n≥3；

前端安装法兰5和后端安装法兰6之间设置有分光系统安装板7；分光系统2通过转接板17安装于分光系统安装板7上，分光系统安装板7设有姿态调节机构18，通过姿态调节机构18作用于转接板上实现对分光系统在平行于分光系统安装板的平面内进行姿态调整，同时通过在转接板17上增加修切垫的方式，确保分光系统2、前置光学系统1、前端安装法兰的中心通光孔、后端安装法兰的中心通光孔以及成像系统3五者保持同轴。

如图8所示，本实施例中姿态调节机构18为多个，且分布于转接板的外围用于对分光系统在水平方向进行姿态调整；姿态调节机构18包括调节顶丝19和凸起20；所述凸起20固定安装于分光系统安装板7上，且位于转接板17侧方，调节顶丝19与凸起20螺纹连接后与所述转接板17侧面相接触。由于转接板与分光系统安装板采用螺纹连接，转接板与分光系统安装板之间的螺钉和安装孔之间都具有一定的间隙量，因此，旋转调节顶丝可使得转接板有一定调节量，从而实现分光系统的调节。

实施例2

该实施例中除调整支杆组件8结构之外，其余结构均与实施例1相同，此处重点对调整支杆组件的结构进行详细介绍：如图3所示，调整支杆组件8包括调整支杆前段81、调节螺杆83、调整支杆后段82以及锁紧螺套84；

调整支杆前段81的前端为球头，调整支杆前段81的后端与调节螺杆83前端螺纹连接；调整支杆后段82的后端为球头，调整支杆后段82的前端与调节螺杆83后端螺纹连接；用于调整支杆前段81和调节螺杆83配合的螺纹，与用于调整支杆后段82和调节螺杆83配合的螺纹旋向相反；(本实施例中用于调整支杆前段和调节螺杆配合的螺纹方向为右旋，用于调整支杆后段和调节螺杆配合的螺纹为左旋)这一设计的目的在于：通过正反旋转调节螺杆可实现调整支杆前段和调整支杆后段同时向内移动或者同时向外移动，从而实现了调整支杆的长度调节；

并且，调整支杆前段81的后端外壁上设有锁紧外螺纹85；调整支杆后段82的前端设有环形止动凸台86；锁紧螺套84包括大径段和小径段；锁紧螺套84的小径段滑动套接于调整支杆后段82，锁紧螺套84的大径段设有与所述锁紧外螺纹85配合的锁紧内螺纹。当调节螺杆的长度调节完成后，通过锁紧螺套大径段的锁紧内螺纹和调整支杆前段的锁紧外螺纹相配合，以及环形止动凸台的限位作用从而使调整后的调整支杆长度始终不变。通过旋转调节螺杆使得调节支杆的长度可调节，从而使得前端安装法兰上的前置光学系统和安装在后端安装法兰上的成像组件可以进行距离和相对倾斜量的调节可适用非同轴光学系统的支撑和调整，与传统修切垫调整方式相比，无需单独加工修切垫进行角度调整，降低了结构件复杂度及加工成本，同时缩短了装调周期。

在本实施例中，为了使长度调节起来更加方便，调节螺杆83的中部为六棱柱状，方便使用扳手调节。

实施例3

在实施例2的基础上，为了更加方便装配，同时确保球头和球形凹槽的配合精度，本实施例还对前固定底座9和后固定底座10进行优化设计，后端固定底座与前端固定底座结构相同，此处以前端固定底座为例说明，如图4所示，前端固定底座9为分体结构，包括支撑块91、压紧块92和锁紧螺钉93；支撑块91与压紧块92通过锁紧螺钉93连接，支撑块91上设有两个第一半球形凹槽，压紧块92上设有两个第二半球形凹槽；压紧块91和支撑块92配合后，第一半球形凹槽和第二半球形凹槽形成用于和球头配合的球形凹槽14，并且第一半球形凹槽和第二半球形凹槽是通过对支撑块91与压紧块92进行组合加工所形成的。

实施例4

在实施例3的基础上，本实施例还对该光谱仪进行温控设计及保温隔热设计，可使光谱仪在处于复杂外场试验环境时，始终处于恒定温度下，提高了光谱仪的设备稳定性及采集数据的准确性。

温控设计和保温隔热设计的具体结构为：

如图5所示，分光系统安装板7上安装分光系统外罩21，分光系统2位于分光系统外罩内；多个加热片22均匀贴覆于分光系统外罩21外表面以及分光系统安装板7的底面上，并且贴覆加热片22的表面均采用保温棉包覆。

前置光学系统1外部套装有第一筒状碳纤维外罩23；多个加热片22均匀贴覆于所述前置光学系统1的外壳上并采用保温棉包覆。

桁架支撑系统4外部套装第二筒状碳纤维外罩24，第二筒状碳纤维外罩24的两端分别与第一转接法兰12和第二转接法兰13连接。

第一转接法兰12与前置光学系统1之间、后端安装法兰6与第二转接法兰13之间均设置有玻璃钢隔热垫25，如图6和图7所示。

在上述四个实施例的基础上，本发明还做出了以下优化设计：

1、如图5所示，为了进一步的实现轻量化设计，上述前端安装法兰5、后端安装法兰6上均设有多个减重孔26。

2、如图5所示，为了实现光谱仪与外界支撑件的对接，第一转接法兰12与第二转接法兰13的外圆表面之间设有固定板27，所述固定板27设有与外部支撑件连接的安装孔。

基于上述对色散型光谱仪不同结构形式的描述，现对该光谱仪的装配过程进行简单的介绍：

首先将桁架支撑系统进行组装，并保证前端安装法兰和后端安装法兰平行度满足设计要求，此处要求平行度为0.02mm，具体组装过程为：

1、将八个调整支杆前段和八个调整支杆后段通过调节螺杆连接，并通过旋转调节螺杆保证八个调整支杆长度基本保持一致；

2、将四个支撑块通过螺钉均布固定于前端安装法兰1上。然后将八个调整支杆组件一端球头分别装入前端安装法兰上四个支撑块上的八个第一半球形凹槽内，并通过锁紧螺钉将四个压紧块安装于固定底座支撑块41上，从而构成四个分别与个调整支杆组件通过球头和球形凹槽配合前固定底座。由于调整支杆组件的球头与前固定底座的球形凹槽为极小间隙配合，故调整支杆组件相对于前固定底座只有旋转自由度，无相对位移自由度。

3、将八个锁紧螺套分别套在八个调整支杆组件的调整支杆后段上，将另外四个支撑块通过螺钉均布固定于后端安装法兰上；将八个调整支杆组件另一端球头分别装入后端安装法兰上的四个支撑块上的八个第一半球形凹槽内，并通过锁紧螺钉将另外四个压紧块安装于四个支撑块上，从而构成四个分别与8个调整支杆组件通过球头和球形凹槽配合后固定底座。

4、根据光谱仪设计要求，对前端安装法兰和后端安装法兰的相对位置和角度进行调整。具体调整方式为：

4.1、将前端安装法兰放置于稳定平台台面上(此稳定平台台面与大地始终保持水平)；

4.2、将数字水平仪放置于后端安装法兰上以此监测其倾斜量；

4.3、通过扳手旋转相应调整支杆组件的调节螺杆以此改变调整支杆组件的长度，调整过程中实时监视数字水平仪的数值，直到数字水平仪数值为设计值时完成调整；最后通过旋紧锁紧螺套将调整支杆前段与调整支杆后段32紧固，确保调整支杆组件长度不变。

通过上述步骤即完成了桁架支撑系统的装配；

之后将前置光学系统和成像组件分别通过第一转接法兰和第二转接法兰安装于前端安装法兰和后端安装法兰上。

其次将分光系统安装板安装于前端安装法兰和后端安装法兰之间，并通过螺钉进行固定。

然后将转接板和分光系统依次安装于分光系统安装板上方；

接着利用三坐标测量设备对前端安装法兰安装面和分光系统基准面进行位置测量，根据测量数据与设计值之间的偏差对分光系统进行姿态调整，分光系统z向、y向和x向的位置误差的调整通过增加修切垫并配合姿态调节机构实现，使三坐标测量设备所测得的数据与设计值一致。

最后对光谱仪进行单谱段光源目标成像，利用成像光谱线与成像组件探测感光器像元的倾斜量来调整成像组件的旋转，最终使成像光谱线与成像组件探测感光器上某一行像元对齐。

从而完成了该光谱仪的装配过程。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。