基于同心球镜的超大视场光学系统研究

论文摘要

随着光电成像技术的发展,为了获取更大空间范围以及更多目标特性信息,光学遥感系统逐步向超大视场、多谱段探测的方向发展。有效解决超大视场成像的像差优化问题并实现多谱段探测是光学遥感系统的研究重点。本文以超大视场光学系统的典型应用场景—海洋水色遥感作为研究背景,针对海洋水色遥感对超大视场的需求,结合海洋水色遥感的发展趋势以及当前海洋水色遥感超大视场光学系统面临的全视场地元分辨率差距过大的问题,对同心多尺度系统进行了研究,提出基于同心球镜的新型超大视场分布式多焦距多尺度光学系统。根据海洋水色遥感的应用谱段,论文选择了可见光近红外波段和长波红外两个波段,在可见光近红外波段提出了基于同心球透镜的分布式多焦距多尺度系统,在长波红外波段提出了基于球面反射镜/同心双球面反射镜的分布式多焦距多尺度系统。新系统具有110°的超大视场、全视场残余像差小、成像质量一致、全视场畸变优于2%、不存在运动部件的特点,且全视场分辨率差距缩小到传统系统的50%以内;并对基于同心球透镜的超大视场分布式多焦距多尺度系统进行了成像试验验证,结果表明光学系统成像质量良好。论文以基于同心球镜的分布式多焦距同心多尺度光学系统为研究对象,主要工作及创新点如下:(1)提出了基于同心球镜的超大视场分布式多焦距多尺度光学系统,系统具有的110°超大视场、优于2%的畸变、子系统呈视场分布式排列、无运动部件、不需要扫描机构等特点适用于海洋水色遥感光学探测。详细论述了传统多尺度系统应用于海洋水色遥感面临的问题、新型多尺度系统的选型依据,以及视场分布式多焦距系统缩小全视场分辨率差距的策略。(2)提出了超大视场分布式多焦距多尺度系统的像差补偿方法,解决了在入瞳直径与视场同时变化时像差补偿问题;提出了针对该系统的参数优化方法,解决了不同子系统之间成像视场与焦距差距过大的问题。在像差方法中提出,每一个子系统的中心视场与其入瞳面垂直,不同子系统的偏心倾斜同时补偿视场与入瞳位置偏离中心位置引起的低阶像差,不同子系统的光学结构同时补偿视场与入瞳直径本身引起的高阶像差;在参数优化方法中,论述了采用6个通道覆盖全视场并采用像元合并的策略,将通道之间的焦距差缩小至1.5倍以内,视场差距缩小到6.2°以内,最终全系统分辨率差距缩小到传统方案的50%以内。(3)构建了适用于可见光、近红外波段的基于同心球透镜的伽利略型视场分布式多焦距多尺度系统;基于新型多尺度系统的研究,完成了基于同心球透镜的分布式成像原理样机及成像试验;针对基于同心球透镜的多尺度系统定心装配的难题,提出了一种高精度定心装调方法。系统设计中详细论述了球透镜的像差补偿与参数求解原理,指出了系统设计过程中与传统多尺度系统的不同之处;原理样机设计中详细论述了原理样机系统的参数设计、成像质量评估、系统公差分析、原理样机制造以及成像试验;定心装调方法中详细论述了定心装调方法的工作原理,构建了一种高精度对心仪,并提出了基于该定心仪的对心装调方法。(4)提出了基于球面反射镜的折反式分布式多焦距多尺度光学系统,构建了一种新的多尺度系统型式,并将多尺度系统推广到长波红外波段。系统采用球面反射镜/同心双球面反射镜作为共用元件,并针对不同的系统型式构建了三种系统构型:基于单球面反射镜的同轴偏视场系统、基于单球面反射镜的偏心离轴系统和基于同心双球面反射镜的离轴偏心系统。详细论述了三种系统的像差补偿与参数求解原理,总结了系统的设计思路,并从系统的总体尺寸、成像性能、工程实现以及多谱段扩展前景等方面进行了详细的比较,认为基于同心双球面反射镜的离轴偏心系统更有优势。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 鱼眼超广角凝视成像系统

1.2.2 小视场相机扫描成像系统

1.2.3 多相机阵列系统

1.2.4 多尺度成像系统

1.3 超大视场成像发展趋势以及面临的问题

1.4 本文研究内容与结构安排

第二章新型多尺度光学系统研究

2.1 传统技术所面临的困境

2.2 同心多尺度系统发展

2.3 新型同心多尺度系统改进

2.3.1 同心多尺度系统结构选型

2.3.2 分布式多焦距系统

2.4 同心多尺度系统的像差补偿原理

2.4.1 传统同心多尺度系统像差补偿原理

2.4.2 分布式多焦距同心多尺度系统像差补偿原理

2.5 本章小结

第三章新型超大视场光学系统参数优化设计

3.1 全系统总体参数选择

3.2 全系统参数优化

3.2.1 系统参数分析

3.2.2 可见近红外系统参数

3.2.3 长波红外系统参数

3.3 系统探测器选择及信噪比分析

3.3.1 系统探测器选择

3.3.2 可见光近红外信噪比分析计算

3.3.3 红外相机信噪比分析计算

3.4 系统分辨率分析

3.5 全系统图像拼接方法

3.6 本章小结

第四章基于同心球透镜的多尺度系统研究

4.1 传统多尺度系统

4.1.1 同心球透镜像差研究

4.1.2 补偿透镜组设计

4.1.3 全系统组合

4.2 新型多尺度系统

4.2.1 非对称同心球透镜像差研究

4.2.2 补偿透镜组设计

4.2.3 全系统拼接组合

4.2.4 新型多尺度系统设计方法

4.2.5 新型多尺度设计特点

4.3 新型多尺度系统设计

4.4 多尺度系统优势

4.5 本章小结

第五章基于同心球镜的折反式多尺度系统研究

5.1 基于球透镜的长波红外波段多尺度系统

5.2 基于球面反射镜的多尺度系统

5.2.1 基于球面反射镜的多尺度系统原理

5.2.2 基于球面反射镜的多尺度系统像差研究

5.2.3 基于球面反射镜的分布式多焦距多尺度系统设计

5.3 同轴偏视场系统

5.4 偏心离轴系统

5.5 基于同心双球面反射镜的多尺度系统

5.5.1 基于同心双球面反射镜的多尺度原理

5.5.2 基于同心双球面反射镜的多尺度系统像差研究

5.5.3 基于同心双球面反射镜的分布式多焦距多尺度设计

5.6 基于同心双球面反射镜的分布式多焦距多尺度系统

5.7 本章小结

第六章系统装配技术研究及成像试验验证

6.1 新型多尺度光学系统装调方法研究

6.2 原理样机

6.3 系统公差分析

6.4 原理样机系统装调及成像试验

6.5 本章小结

第七章总结与展望

7.1 论文主要工作总结

7.2 论文主要创新点

7.3 进一步研究展望

参考文献

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 沈阳

导师: 樊学武,王虎

关键词: 同心球镜,超大视场光学设计,多尺度光学系统,视场分布式多焦距系统

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: O439

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000003

总页数: 176

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