高速分幅相机光学系统设计与研究

发布时间：2017-07-30 13:30

  本文关键词：高速分幅相机光学系统设计与研究

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【摘要】：高速摄影能够有效研究高速运动的过程,在各种专业领域都有广泛的应用,而高速相机就是高速摄影主要依托的设备。早期的高速相机很难平衡时间分辨率和空间分辨率之间的关系,而应用像增强器的高速数字分幅相机,时间和空间分辨率高,光谱范围宽,光增益可调。本文的工作主要围绕高速分幅相机光学系统设计展开,首先调研国内外高速相机发展现状,分析了目前常用的高速相机分幅方式及其各自优缺点,设计一种部分偏心分幅相机光学系统和一种多角度耦合分幅相机的光学系统,对多角度耦合系统进行了简单的机械结构设计,并进行了实验检测。本文完成的主要研究工作如下:1详细分析系统的设计要求,确定系统的基本结构参数,根据其特点设计了两种分幅方式。2设计了一种多角度耦合分幅相机光学系统,根据系统光学参数选择单组初始结构,使用Zemax光学设计软进行优化设计,得到了一套系统单组焦距为350mm,F数为2,物方视场150mm的,关于以物面中心垂线为中心的轴线对称的四组光轴与物面垂线夹角相等的相同的分幅光学系统。对多角度耦合分幅系统进行性能分析,整个分幅光学系统的分辨率可达200lp/mm,50lp/mm频率处对比度不小于0.5,全视场畸变小于0.7%,各像面照度差异不超过0.3%,四个分幅一致性高。3设计了一种部分偏心式分幅相机光学系统,物面发出的光首先通过一个大口径的前组透镜,前组后面设置光阑,在光阑处用四组光轴平行于前组透镜光轴的按圆柱面分布的相同的后组透镜,分别成像在四个像面上,实现了分幅功能。首先分别对前组和后组透镜进行优化设计,最后进行整合优化分析。该系统分辨率可达150lp/mm,在50lp/mm频率出对比度可达0.4,全视场畸变小于0.42%,各组之间相同视场的成像差异小于0.4%,四分幅一致性高。4通过对设计的两种分幅相机的系统以及整体性能进行分析和评价,选取多角度耦合分幅光学系统结构进行实验。系统的像面畸变在0.67%以内,分辨率不低于150lp/mm。通过实验验证多角度耦合分幅光学系统的性能,基本与软件分析结果相同,满足分幅相机分幅像面一致性的要求。
【关键词】：高速摄影 光学设计 分幅系统 Zemax
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB852.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景与意义11-12
• 1.2 国内外发展现状12-15
• 1.2.1 国外发展现状12-14
• 1.2.2 国内发展现状14-15
• 1.3 课题主要研究内容15-17
• 第2章 高速分幅相机光学系统设计理论基础17-33
• 2.1 引言17
• 2.2 高速分幅相机工作原理17-20
• 2.3 光学系统指标参数要求20-21
• 2.4 像差理论21-30
• 2.4.1 球差21-23
• 2.4.2 彗差23-24
• 2.4.3 像散和场曲24-27
• 2.4.4 畸变27-28
• 2.4.5 色差28-30
• 2.5 光学系统设计基本方法30-31
• 2.6 本章小结31-33
• 第3章 高速分幅光学系统设计与分析33-67
• 3.1 引言33
• 3.2 分幅结构的确定33-34
• 3.3 多角度耦合分幅光学系统设计34-52
• 3.3.1 单组物镜光学系统设计34-41
• 3.3.2 整体结构布局41-45
• 3.3.3 系统整体优化45-47
• 3.3.4 系统性能分析与仿真47-52
• 3.4 部分偏心式分幅光学系统设计52-65
• 3.4.1 整体结构布局52-53
• 3.4.2 前组透镜组设计53-54
• 3.4.3 后组透镜组设计54-57
• 3.4.4 系统整体优化57-61
• 3.4.5 像质评价与公差分析61-65
• 3.5 两种系统对比分析65-66
• 3.6 本章小结66-67
• 第4章 多角度耦合分幅光学系统检测与实验67-75
• 4.1 引言67
• 4.2 机械结构设计67-69
• 4.3 系统性能测试方法69-70
• 4.3.1 焦距检测69
• 4.3.2 相对孔径检测69
• 4.3.3 视场检测69
• 4.3.4 分辨率检测69
• 4.3.5 工作谱段检测69-70
• 4.3.6 畸变测试70
• 4.4 测试结果70-74
• 4.4.1 分辨率测试70-72
• 4.4.2 像面畸变测试72-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第5章 结论与展望75-79
• 5.1 总结75-76
• 5.2 论文创新点76
• 5.3 研究展望76-79
• 参考文献79-84
• 在学期间学术成果情况84-85
• 指导教师及作者简介85-86
• 致谢86

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本文编号：594459