分块平面成像探测系统中的导模共振滤光元件设计

论文摘要

为了提高遥感卫星的分辨率,光学系统的口径需要增大才能收集到足够用于成像的光能量。传统光学系统的尺寸、重量和功耗分别由光学主镜、庞大的刚性结构和保持精确对准所需的热控制驱动装置决定。光学系统的口径越大,导致其功耗、体积和重量都将增大。庞大的刚性结构与热控制驱动不仅占用巨大的空间并消耗大量的功率,系统的工程化难度也大幅度提高。分块式平面光电侦察成像系统（segmented planar imaging detector for electro-optical reconnaissance,SPIDER）通过对所有基线和干涉仪方向进行测量,并对目标强度分布进行数值重建以形成图像。SPIDER在利用足够大的口径实现高分辨率成像的同时,实现了最小化的系统体积、质量、功耗和成本。但由于结构与核心元件的缺陷,SPIDER的光能收集效率低、光谱通道数目少,从而导致成像质量差。本文对SPIDER系统的工作原理与成像仿真进行研究,提出了利用导模共振滤光片（guided mode resonance filter,GMRF）来改善SPIDER光谱特性的方案,进而开展了GMRF的设计工作的研究。首先,本文研究了SPIDER系统的工作原理,通过成像仿真分析了光谱通道数目对于成像质量的影响。根据现有的方案参数并对其进行仿真,针对其分光元件的缺陷,提出了采用GMRF来获得窄带宽、高峰值、低旁瓣的可调谐光谱的方法。在此基础上,对GMRF的设计方法进行了研究,采用严格耦合波理论（rigorous coupled wave analysis,RCWA）进行计算,并对其进行公式推导与分析。其次,对周期性的亚波长光栅结构中的导模共振（guided mode resonance,GMR）效应及其原理进行了详细分析。分析入射角和波导层数对反射谐振光谱的影响,从而确定设计的入射角度和结构参数。根据分析结果分别设计了红外波段和可见光波段的一维结构的角度旋转可调谐GMRF。角度旋转可调谐GMRF具有光谱调谐范围大、峰值高的优点,但是角度的旋转需要依靠机械设备调整,导致该方法的光谱调谐速度较慢。然后,为了提高GMRF的光谱调谐速度,提出了改变波导层材料的折射率替代角度旋转的光谱调谐方法。由于液晶（liquid crystal,LC）材料具有折射率可通过外加电压实现调谐、响应速度快的优点,将LC作为GMRF件的波导层可获得高速可调谐光谱。进而对LC材料的光电特性进行分析,设计了红外波段以及可见光波段的含有LC层的一维可调谐光电GMRF。最后,对上述一维GMRF的光谱的偏振特性进行了分析,得出了一维GMRF的光谱对入射光的偏振特性非常敏感的结论。为了消除GMRF对入射光偏振性的依赖、获得无偏振光谱,对二维圆柱阵列、矩形阵列结构的GMRF在垂直入射和斜入射下的偏振特性进行分析,通过调整结构参数,设计了具有无偏振特性的二维结构的GMRF。针对二维结构具有加工难度大的缺点,设计了含有垂直交叉放置的两个一维光栅结构的GMRF元件,对该元件的光谱与入射光角的关系进行分析,通过选择不同的光栅周期,得到了一维双光栅无偏振GMRF。将LC材料用于这两种无偏振元件中,即可通过调整LC层折射率实现窄带、高峰值、低旁瓣的无偏振反射峰的调谐。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙雅会

导师: 任智斌

关键词: 分块成像系统,干涉成像,平面成像,导模共振,严格耦合波分析

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,航空航天科学与工程

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: V443.5;O43

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.003483

总页数: 76

文件大小: 5040K

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