一种大口径宽光谱F-P可调谐滤波器的高精密装配系统技术方案

本发明专利技术公开了一种大口径宽光谱F‑P可调谐滤波器的高精密装配系统，该装配系统主要由定镜安装模块、动镜安装模块、压电惯性驱动器、三维微位移平台和二维电动位移台组成，采用粗调、微调和精调三重调节机构调节对F‑P腔的初始腔长和反射镜面间平行度进行精确设定，腔长调节分辨率可以达到10nm量级，腔内两反射镜面间平行度可以达到10‑1μrad量级。该高精密装配系统位移定位精度高，平行度调节能力强，能够确保大口径宽光谱范围F‑P可调谐滤波器的F‑P腔的初始腔长和反射镜面间平行度满足高光谱遥感应用要求。

A high precision assembly system for large aperture wide spectral F-P tunable filter

The invention discloses a high precision assembly system for large aperture and wide spectrum F_P tunable filter. The assembly system is mainly composed of a fixed mirror mounting module, a moving mirror mounting module, a Piezoelectric Inertial actuator, a three-dimensional micro-displacement platform and a two-dimensional electric displacement platform. The F_P is adjusted by a coarse, fine and fine adjusting triple adjusting mechanism. The initial cavity length and the parallelism between mirrors are precisely set. The resolution of cavity length adjustment can reach 10 nm and the parallelism between two mirrors can reach 10_1 u rad. The high precision assembly system has high displacement positioning accuracy and strong parallelism adjustment ability, which can ensure the initial cavity length and the parallelism between reflecting mirrors of F_P tunable filter with large aperture and wide spectral range to meet the requirements of hyperspectral remote sensing applications.

【技术实现步骤摘要】
一种大口径宽光谱F-P可调谐滤波器的高精密装配系统
本专利技术涉及F-P可调谐滤波器，特别涉及一种大口径宽光谱范围F-P可调谐滤波器的高精密装配系统。
技术介绍
高光谱遥感技术以“图谱合一”的特点和强大的信息获取能力，在地球科学、国防安全、环境监测和深空探测等诸多应用领域表现优异。近年来，高光谱遥感技术在无人机系统、小卫星有效载荷等某些特殊
的应用，对成像光谱仪的小型化、轻量化提出了更高的要求。分光技术是高光谱遥感技术中的核心关键技术之一，现有的高光谱成像仪多基于棱镜-光栅-棱镜组件或光栅分光[1-3]，分光系统占据空间较大，导致整机的重量较重。成像光谱仪更小更轻的发展趋势对分光技术提出了更高的要求。法布里-珀罗干涉仪(Fabry-PerotInterferometer,FPI)是利用多光束干涉原理进行光谱选择的分光器件，在超精细光谱结构分析领域应用广泛[4]。Fabry-Perot(F-P)可调谐滤波器(TunableFabry-PerotFilters，TFPF)利用F-P腔的通带波长可随其腔长变化的特点，实现可调滤波。TFPF主要由平行放置的内表面镀有高反射率膜层的两块透明平板组成，平板之间的空气间隙利用微小的压电陶瓷块调节。TFPF构型扁平，结构紧凑简单，体积小，重量轻，在光谱成像系统中使用时可以放置在平行光路里，也可直接置于探测器前。采用TFPF分光可大大简化成像光谱仪的分光系统，大幅降低高光谱成像仪的体积、重量和功耗。TFPF作为可扫描的分光元件在高光谱遥感系统中使用时，其通光孔径通常需要达到几十个mm，为保证宽的工作光谱范围(≥500nm)和nm级的光谱分辨率，F-P腔的腔长要小至μm尺度甚至更小，腔内反射镜面间要维持优于10-1μrad级的平行度。为了使器件尽量轻薄，TFPF选用的压电陶瓷块的厚度一般为2～3mm，其最大输出位移仅为数μm，若F-P腔内不同位置的空气间隙厚度差异或腔长的实际需要调整量超出了压电致动器的最大输出位移，则压电致动器将失去对腔长和镜面间平行度的有效调节能力。如何对大尺寸TFPF进行高精密的装配，确保F-P腔的初始腔长和反射镜面间平行度达到设定的技术指标要求，是TFPF实现nm级高光谱分辨率可调滤波的前提。参考文献[1]王欣，杨波，丁学专.空间遥感短波红外成像光谱仪的光学系统设计[J].红外技术，2009，31(12)：687-690[2]袁立银，何志平，舒嵘.短波红外棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪光学系统设计[J].光子学报，2011，40(6)：831-834[3]薛庆生，林冠宇，宋克非.星载大视场短波红外成像光谱仪光学设计[J].光子学报，2011，40(5)：673-678[4]郑植仁.光学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006：124
技术实现思路
本专利技术针对大尺寸宽光谱范围TFPF的F-P腔μm级腔长和腔内反射镜面间10-1μrad级的平行度的装配要求，提出了一种大口径宽光谱范围TFPF的高精密装配系统。如图1所示，本专利技术所述的大口径宽光谱范围TFPF的高精密装配系统包括定镜安装模块1、动镜安装模块2、三维微位移平台3、压电惯性驱动器6和二维电动位移台7。其中，定镜安装模块1的光学调整架可以在俯仰和偏摆方向提供±4°的角度调整，在垂直于镜架光轴的平面内360°可旋转，并具有2°的旋转分度；动镜安装模块2的光学调整架具备3个1/4英寸-80调节螺丝，可以提供俯仰和偏摆方向提供±4°的角度调整，能够与压电惯性驱动器6兼容；三维微位移平台3，含有三组位移调节器，每组位移调节器均由粗调节器4和微调节器5组成，粗调节器4具备mm量级的行程，每转的粗调范围为500μm，微调节器5具备100μm量级的行程，每转的微调范围是50μm；压电惯性驱动器6，带有1/4"-80安装螺纹，可兼容动镜安装模块2中的光学调整架，具备10mm行程，在闭环控制下可以达到20nm的典型步长；二维电动位移台7在竖直方向和水平方向的行程均不小于1英寸，位移分辨率优于1μm，重复定位精度优于5μm；所述的压电惯性驱动器6安装在动镜安装模块2中的光学调整架的3个1/4英寸-80调节螺丝的安装孔处；所述的定镜安装模块1安装在二维电动位移台7上，三维微位移平台3安装在二维电动位移台7上，动镜安装模块2安装在三维微位移平台3上；所述的定镜安装模块1与动镜安装模块2的光轴处于同一高度，且彼此相对平行放置。本专利技术所述的大口径宽光谱范围TFPF的高精密装配系统对F-P腔腔长和镜面间平行度的调节主要由粗调、微调和精调三重调节机构实现。对TFPF进行装配时，分别将定镜和动镜装进定镜安装模块1和动镜安装模块2的光学调整架上，定镜安装模块1在调整好与光谱测试系统光轴的相对位置后保持不动，动镜安装模块2与定镜安装模块1之间平行放置，两个反射镜面彼此相对，二者之间相对位置的粗调和微调由三维微位移平台3实现。三维微位移平台3的粗调节器4可以使动镜安装模块2以较快的速度接近定镜安装模块1，微调节器5可以在动镜安装模块2接近定镜安装模块1时缓慢调节二者之间的相对位置，使动镜和定镜之间的距离达到F-P腔的初始腔长所在的量级。两个反射镜面上镀有电极，利用电容测微可以得到两个反射镜面间的距离和平行度的反馈信息，借助定镜安装模块1中光学调整架的旋转调整功能完成两反射镜上电极图形的对准。F-P腔初始腔长的精确设定和平行度的精确调节由压电惯性驱动器6实现，动镜安装模块2可兼容三个压电惯性驱动器6。利用电容测微提供的镜面间隙反馈，可以对压电惯性驱动器6进行闭环控制，其位移分辨率可以达到20nm，能够使两反射镜面间距离调节的分辨率达到10nm量级，平行度达到10-1μrad量级。二维电动位移台7可以使动镜和定镜在垂直于光谱测试系统光轴的平面内进行整体平动，便于对TFPF有效通光孔径内的不同位置进行光谱测量和通带峰值波长的校准，二维电动位移台可以根据实际行程需要自由选择相应的匹配产品。本专利技术可以对大尺寸TFPF进行高精密的装配，该装配系统位移定位精度高，平行度调节能力强，能够确保TFPF的F-P腔初始腔长和反射镜面间平行度达到高光谱遥感应用要求。附图说明图1为大口径宽光谱范围TFPF的高精密装配系统结构示意图。具体实施方式下面以30mm有效通光口径宽光谱范围TFPF的高精密装配系统为例对本专利技术做进一步的说明。该装配系统中定镜安装模块1中的镜架、动镜安装模块2中的镜架、三维微位移平台3和压电惯性驱动器6型号分别为KS2RS、KS2、PIAK10和MBT616D/M，上述光机组件及与镜架匹配的接杆和底座均为Thorlabs公司生产；二维电动位移台7为卓立汉光生产的超薄型电动位移台TSA30-C和高精密电动升降台KSAV2030-ZF组装而成。对TFPF进行装配时，首先将定镜和动镜分别安装进定镜安装模块1和动镜安装模块2的光学调整镜架KS2RS和KS2上，然后将三个微小压电陶瓷块附接到定镜的相应位置上，压电陶瓷块的另一自由端均涂上适量的紫外固化胶。在TFPF装配过程中，位于定镜安装模块1和动镜安装模块2上的两反射镜的腔内反射镜面相对，二者平行放置。定镜安装模块1在调整好与光谱测试系统光轴的相对位置后保持不动，两反射镜之间相对位置的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大口径宽光谱F‑P可调谐滤波器的高精密装配系统，包括定镜安装模块(1)；动镜安装模块(2)；三维微位移平台(3)；压电惯性驱动器(6)；二维电动位移台(7)；其特征在于：所述的定镜安装模块(1)的光学调整架在俯仰和偏摆方向提供±4°的角度调整，在垂直于镜架光轴的平面内360°可旋转，并具有2°的旋转分度；所述的动镜安装模块(2)的光学调整架具备3个1/4英寸‑80调节螺丝，俯仰和偏摆方向提供±4°的角度调整，能够与压电惯性驱动器(6)兼容；所述的三维微位移平台(3)含有三组位移调节器，每组位移调节器均由粗调节器(4)和微调节器(5)组成，粗调节器(4)具备mm量级的行程，每转的粗调范围为500μm，微调节器(5)具备100μm量级的行程，每转的微调范围是50μm；所述的压电惯性驱动器(6)带有1/4"‑80安装螺纹，与动镜安装模块(2)中的光学调整架兼容，具备10mm量级行程，在闭环控制下步长达到20nm；所述的二维电动位移台(7)在竖直方向和水平方向的行程均不小于1英寸，位移分辨率优于1μm，重复定位精度优于5μm；所述的压电惯性驱动器(6)安装在动镜安装模块(2)中的光学调整架的3个1/4英寸‑80调节螺丝的安装孔处；所述的定镜安装模块(1)安装在二维电动位移台(7)上，三维微位移平台(3)安装在二维电动位移台(7)上，动镜安装模块(2)安装在三维微位移平台(3)上；所述的定镜安装模块(1)与动镜安装模块(2)的光轴处于同一高度，且彼此相对平行放置。...

【技术特征摘要】
1.一种大口径宽光谱F-P可调谐滤波器的高精密装配系统，包括定镜安装模块(1)；动镜安装模块(2)；三维微位移平台(3)；压电惯性驱动器(6)；二维电动位移台(7)；其特征在于：所述的定镜安装模块(1)的光学调整架在俯仰和偏摆方向提供±4°的角度调整，在垂直于镜架光轴的平面内360°可旋转，并具有2°的旋转分度；所述的动镜安装模块(2)的光学调整架具备3个1/4英寸-80调节螺丝，俯仰和偏摆方向提供±4°的角度调整，能够与压电惯性驱动器(6)兼容；所述的三维微位移平台(3)含有三组位移调节器，每组位移调节器均由粗调节器(4)和微调节器(5)组成，粗调节器(4)具备mm量级的行程，每转的粗调范围为500μm，微调节器(5)具备100μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛蕊，刘定权，蔡清元，陈刚，周晟，蒋林，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31