随着光学遥感技术的发展及其在航空航天领域越来越广泛的应用,对于成像光谱系统的技术指标,如相对孔径、光谱分辨率、空间分辨率和对弱信号的探测能力要求越来越高;同时为了适应无人机等新型遥感平台的快速发展和搭载需求,小型化、轻量化已成为机载和星载成像光谱系统的另一个发展趋势。凸面全息光栅成像光谱系统基于Offner同心结构,光学性能好、结构简单紧凑,满足轻小型化需求;而且,其应用受材料限制和环境影响很小,易实现焦面稳定性、光谱稳定性和宽波段光谱成像,适用于空间环境。因此,以凸面全息光栅为核心分光元件的成像光谱仪广泛应用于遥感领域以及与国民经济发展密切相关的各领域,如航空、国防、自然灾害、农林、资源勘探、海洋监测、食品安全、药学检测、医学检测以及加工制造等。鉴于此,本论文展开了对基于Offner同心光谱分光系统的凸面全息光栅成像光谱仪的研究,目标是研制具有自主知识产权的消像差凸面全息光栅以及消像差凸面全息光栅成像光谱仪,针对凸面全息光栅成像光谱系统消像差的理论、结构与设计方法开展相关研究,突破消像差凸面全息光栅及消像差凸面全息光栅成像光谱仪研制的关键理论与技术,并为凸面全息光栅成像光谱仪的批量化生产提供条件。本论文的研究内容主要分为以下几个部分:第一,提出了采用消像差凸面光栅作为Offner成像光谱仪核心分光器件的设计方法,与传统的凸面光栅相比,消像差凸面光栅同时具有分光和像差校正能力,可以对因色散而引入的系统像差进行校正,保留了标准的双元件三反射系统的同心结构,克服了传统的凸面光栅成像光谱系统消像差技术的缺陷。第二,建立了凸面光栅成像光谱系统的像差理论模型。基于费马原理,推导了凸面光栅成像光谱系统的像面点列图函数,构建了凸面光栅成像光谱系统的各类像差关于凸面光栅记录参数与使用结构参数的函数关系,并通过MATLAB仿真软件与ZEMAX光学设计软件对凸面光栅成像光谱系统进行了建模与仿真分析,为应用于成像光谱仪的消像差凸面光栅的优化设计提供了理论指导。第三,设计了应用于Offner同心罗兰圆结构的消像差凸面光栅。针对凸面光栅成像光谱系统的主要像差——像散,分析了凸面光栅成像光谱系统的聚焦条件,推导了光栅刻线函数系数与凸面光栅成像光谱系统像散的数学关系,并基于光程函数理论对凸面光栅成像光谱系统进行了消像散的优化设计。第四,基于凸面光栅的像差校正理论,开展了消像差凸面光栅及成像光谱仪的一体化设计研究并对光学系统的成像性能进行了评价。依据凸面光栅刻线函数拟合的优化方法,对凸面光栅成像光谱系统进行一体化优化设计,并针对成像光谱仪的前置望远系统与成像光谱系统数值孔径的匹配问题,采用多重结构优化的方法,对整体系统的像差进行均衡分配,实现了全工作光谱范围内的高质量成像。第五,基于全息再现原理,优化设计了消像差凸面全息光栅的曝光结构。依据光程函数理论,建立了非球面波曝光系统的理论模型并推导了点列图均方根优化函数,结合Offner中继成像系统的成像特性与全息再现原理,以全局化的优化算法——遗传算法对消像差凸面全息光栅的曝光系统与其成像光谱系统进行一体化优化设计,对优化设计的消像差凸面全息光栅成像光谱系统的性能进行分析,为消像差凸面全息光栅的可行性提供了技术保障。
基本信息
| 题目 | 消像差凸面全息光栅成像光谱系统建模与一体化设计 |
| 文献类型 | 博士论文 |
| 作者 | 赵美红 |
| 作者单位 | 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) |
| 导师 | 李文昊 |
| 文献来源 | 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) |
| 发表年份 | 2021 |
| 学科分类 | 工程科技Ⅱ辑,信息科技 |
| 专业分类 | 工业通用技术及设备,自动化技术 |
| 基金 | 科技部重大科学仪器设备开发专项 |
| 分类号 | TP73 |
| 关键词 | 消像差凸面全息光栅,成像光谱系统,非球面波曝光,全息再现原理 |
| 总页数： | 155 |
| 文件大小： | 4439K |
论文目录
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题的研究背景及意义 |
| 1.2 凸面光栅成像光谱仪的研究现状 |
| 1.2.1 凸面光栅成像光谱仪的应用 |
| 1.2.2 凸面光栅成像光谱仪的研究进展 |
| 1.3 论文的主要研究内容与结构安排 |
| 1.3.1 论文的主要研究内容 |
| 1.3.2 论文的结构安排 |
| 第2章 成像光谱系统的设计理论基础 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 成像光谱仪的原理 |
| 2.2.1 成像光谱仪的工作原理 |
| 2.2.2 成像光谱仪的分类 |
| 2.2.3 成像光谱仪的基本性能参数 |
| 2.3 同心成像光学系统的理论基础 |
| 2.4 同心成像光谱系统的像差特性 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 凸面全息光栅成像光谱系统建模及像差分析 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 衍射光栅设计的基本原理 |
| 3.2.1 费马原理及其应用符号法则 |
| 3.2.2 光线追迹 |
| 3.2.3 衍射光栅的光程函数 |
| 3.3 凸面全息光栅成像光谱系统的像差理论 |
| 3.3.1 光线追迹 |
| 3.3.2 光学系统的像差分析 |
| 3.3.3 理论模型的性能评估 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 基于几何像差理论模型的优化设计 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 凸面光栅成像光谱系统结构参数的确定 |
| 4.2.1 凸面光栅的参数计算 |
| 4.2.2 狭缝参数的选择 |
| 4.2.3 光学系统结构参数的确定 |
| 4.3 基于变间距凸面光栅的成像光谱系统的消像散设计 |
| 4.3.1 变间距凸面光栅的设计背景 |
| 4.3.2 聚焦条件分析 |
| 4.3.3 成像光谱系统的设计结果 |
| 4.3.4 成像光谱系统评价 |
| 4.4 前置望远系统的设计 |
| 4.4.1 前置望远系统参数的确定 |
| 4.4.2 前置望远系统的结构选型与优化设计 |
| 4.5 消像差凸面光栅成像光谱仪光学系统设计 |
| 4.6 本章小结 |
| 第5章 消像差凸面全息光栅的曝光系统设计 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 消像差凸面全息光栅的曝光光路 |
| 5.3 消像差凸面全息光栅曝光系统的优化设计 |
| 5.3.1 设计思路 |
| 5.3.2 优化函数 |
| 5.3.3 遗传算法及应用 |
| 5.3.4 优化设计实例 |
| 5.4 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 论文工作总结 |
| 6.2 创新之处 |
| 6.3 工作展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
参考文献
| [1] 基于光敏染料分子光致取向机制的全息光栅制作实验[J]. 物理与工程 2020(05) |
| [2] 一项具有国际先进水平的高端全息光栅制造技术[J]. 科技创新与品牌 2015(11) |
| [3] 低频全息光栅制作光路设计[J]. 实验科学与技术 2013(05) |
| [4] 计算全息光栅的技术研究与设计[J]. 信息技术 2012(09) |
| [5] 数字平面全息光栅实验研究[J]. 大学物理实验 2017(03) |
| [6] 基于体全息光栅的谱合成器件优化设计研究[J]. 光电技术应用 2016(01) |
| [7] 全息光栅基彩色图像光谱反射率模型[J]. 中国印刷与包装研究 2010(S1) |
| [8] 利用马赫-曾德干涉光路制作二维全息光栅[J]. 大学物理实验 2018(04) |
| [9] 高端全息光栅研发项目启动[J]. 分析仪器 2012(02) |
| [10] 低频全息光栅条纹方向的斜率研究[J]. 激光与光电子学进展 2012(12) |
| [11] 波导体全息光栅衍射光谱范围一致性研究[J]. 电光与控制 2015(01) |
| [12] 超短脉冲通过体全息光栅强耦合衍射特性的研究[J]. 科技信息 2010(21) |
| [13] 双波长全息光栅式波分复用器的研究[J]. 首都师范大学学报(自然科学版) 2009(04) |
| [14] 全息光栅的可控制作及表征研究[J]. 大学物理实验 2019(01) |
| [15] 利用铌酸锂晶体制作体全息光栅的设计性实验[J]. 物理实验 2012(04) |
| [16] 涡旋光束与相位全息光栅不对准时的衍射特性研究[J]. 物理学报 2011(08) |
| [17] 聚合物基全息光栅对乙醇响应性能研究[J]. 实验技术与管理 2019(07) |
| [18] 透射式体全息光栅拉曼光谱仪分光系统设计[J]. 激光与光电子学进展 2015(12) |
| [19] 相位叠加法分析体全息光栅的衍射特性[J]. 中国新通信 2014(01) |
| [20] 凹面全息光栅单色仪设计[J]. 光学技术 2014(04) |
| [21] 一步法设计单色仪凹面全息光栅[J]. 光谱学与光谱分析 2011(09) |
| [22] 正交读出方式体全息光栅通信波长衍射特性[J]. 激光技术 2009(02) |
| [23] 新型全息光栅的研制及其在波分复用器中的应用研究[J]. 首都师范大学学报(自然科学版) 2008(03) |
| [24] 非线性低频全息光栅的制作及其栅距测量[J]. 重庆理工大学学报(自然科学) 2015(04) |
| [25] 光折变体全息光栅密集波分复用技术[J]. 山西大同大学学报(自然科学版) 2010(01) |
| [26] 利用计算全息光栅产生的涡旋光测量物体变形[J]. 山东科学 2017(02) |
| [27] 小型宽波段凹面全息光栅单色仪的优化设计[J]. 光学学报 2012(02) |
| [28] 基于液晶相控阵和体全息光栅的激光多目标指示技术[J]. 光学学报 2020(03) |
| [29] 偏振全息光栅在偶氮基染料聚合物中的衍射效率[J]. 南阳师范学院学报 2015(12) |
| [30] 大尺寸全息光栅曝光中条纹平移和周期的锁定[J]. 光子学报 2018(02) |
相似文献
| [1]基于成像光谱图像特征的处理方法研究[D]. 王学良.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2000 |
| [2]变间距光栅设计、制作及其在位移传感器中的应用研究[D]. 楼俊.中国科学技术大学2006 |
