棱镜—光栅型高光谱成像光谱仪优化设计及集成技术研究

发布时间：2017-10-14 19:06

  本文关键词：棱镜—光栅型高光谱成像光谱仪优化设计及集成技术研究

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【摘要】：成像光谱仪是集精密光学技术、精密机械技术、微弱信号检测技术、探测器技术、信息处理技术于一体的综合性设备,是获取目标图像信息和光谱信息的必备设备,同时也是诸多领域进行科学研究的基础设备,如航空航天遥感、地质矿藏勘探、医药研究、农业检测,军事侦查等。成像光谱仪所采用的分光技术直接影响着仪器的结构复杂度、体积、重量及仪器性能,根据成像光谱仪的具体技术要求选择合适的分光技术极为重要。传统的棱镜色散型或平面光栅色散型成像光谱仪均存在较大的谱线弯曲和谱线色畸变,致使成像光谱仪三维图谱信息的准确提取难度增大。因此,本论文根据棱镜和平面光栅单独对平行光色散作用时,出射光线偏向角相反,谱线弯曲方向相反的特点,提出一种具有消谱线弯曲特性的棱镜-光栅组合色散元件,并对该棱镜-光栅组合色散元件的设计技术、应用技术进行了深入研究。主要研究工作如下:第一,提出一种具有消谱线弯曲特性的棱镜-光栅组合色散元件。采用矢量方法构建了棱镜-光栅组合色散元件的数值模型,根据数值模型定量分析出了棱镜、光栅的谱线弯曲特性及两者谱线弯曲互补特性,从而实现了棱镜-光栅组合色散元件结构参数的优化。第二,基于结构参数已被优化的棱镜-光栅组合色散元件,设计得到了一个光学性能优良的具有近似直视光路结构的棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪,并详细论述了棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的光学设计方法及其公差分配方法。第三,根据棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪光学系统的基本特点,基于模块化思想提出了相应的装调方案,并完成了其机械结构设计和精密装调。根据装调方案,系统整体结构被分割为六个模块进行设计,各模块的设计不但保证了各自光学功能的实现又设计有必要的装调结构,并且模块间设计有相应的装调接口,从而确保了仪器后期的精确装调。根据装调方案,系统总体装调被分割为七个光学装调,各步骤的精确装调方法在文中均已详细论述,在装调过程中多次采用自准直法确定模块的装调姿态以确保装调的正确性。第四,设计了棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的光谱定标系统,利用该光谱定标系统完成了棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的光谱定标,获得了仪器的实际光谱响应函数。此外,对棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪进行了室内测试和室外测试,取得了预期的实验结果。由此证明,棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪从核心色散元件的设计到仪器整体的光学设计、机械设计、装调工艺、定标方法均正确有效。
【关键词】：成像光谱仪 棱镜-光栅组合色散元件 光学设计 机械结构设计 装调 光谱定标
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 论文研究背景及意义13-15
• 1.2 相关技术研究现状15-21
• 1.2.1 国外发展现状17-18
• 1.2.2 国内发展现状18-21
• 1.3 论文的主要研究内容及结构安排21-25
• 1.3.1 论文的研究内容21-22
• 1.3.2 论文的结构安排22-25
• 第2章 高光谱成像机理25-41
• 2.1 成像光谱仪原理25-28
• 2.1.1 成像光谱仪工作原理25-27
• 2.1.2 成像光谱仪性能参数27-28
• 2.2 成像光谱仪的扫描方式28-31
• 2.2.1 扫描型成像光谱仪29
• 2.2.2 推扫型成像光谱仪29-30
• 2.2.3 凝视型成像光谱仪30-31
• 2.3 成像光谱仪的前端镜头31-33
• 2.3.1 折射式成像镜头31-32
• 2.3.2 反射式成像镜头32-33
• 2.3.3 折反式成像镜头33
• 2.4 成像光谱仪的分光方式33-36
• 2.4.1 色散型成像光谱仪33-35
• 2.4.2 干涉型成像光谱仪35
• 2.4.3 滤光片型成像光谱仪35
• 2.4.4 计算层析成像光谱仪35-36
• 2.5 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪总体设计36-40
• 2.5.1 前端成像镜头37-38
• 2.5.2 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪38
• 2.5.3 CCD探测器38-39
• 2.5.4 扫描平台39-40
• 2.6 本章小结40-41
• 第3章 棱镜-光栅组合色散元件的数值建模及优化设计41-67
• 3.1 引言41
• 3.2 棱镜和光栅的色散特性41-48
• 3.2.1 棱镜的色散特性41-43
• 3.2.2 光栅的色散特性43-48
• 3.3 棱镜-光栅组合色散元件的色散特性48-62
• 3.3.1 棱镜-光栅组合色散元件的建模48-53
• 3.3.2 棱镜-光栅组合色散元件的分析53-62
• 3.4 棱镜-光栅组合色散元件性能分析62-65
• 3.4.1 透射光栅62-64
• 3.4.2 折射棱镜64
• 3.4.3 滤光片64-65
• 3.5 本章小结65-67
• 第4章 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪光学设计及公差分析67-81
• 4.1 引言67-76
• 4.1.1 准直物镜和成像物镜设计67-69
• 4.1.2 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的光学设计69-71
• 4.1.3 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的工程转化71-72
• 4.1.4 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的性能分析72-76
• 4.2 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的公差分配76-79
• 4.2.1 系统误差种类76
• 4.2.2 公差分配结果76-79
• 4.3 本章小结79-81
• 第5章 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪机械结构设计及装调方法 6981-107
• 5.1 引言81
• 5.2 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的装调方案81-83
• 5.2.1 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的装调难点分析82
• 5.2.2 模块化设计思想及装调思想82-83
• 5.2.3 装校调试对结构设计的要求83
• 5.3 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的机械结构设计83-90
• 5.3.1 棱镜-光栅组合色散元件组件设计83-84
• 5.3.2 准直物镜组件和成像物镜组件设计84-86
• 5.3.3 入射狭缝组件设计86-87
• 5.3.4 外壳设计87-88
• 5.3.5 CCD接口组件设计88-89
• 5.3.6 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪整体结构89-90
• 5.4 光学仪器装调基本原理90-91
• 5.4.1 光学仪器装配的特点90
• 5.4.2 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的装调要求90-91
• 5.5 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的装调方法91-104
• 5.5.1 棱镜-光栅组合色散元件的装调91-95
• 5.5.2 准直物镜和成像物镜的装调95-97
• 5.5.3 入射狭缝的调焦97-98
• 5.5.4 棱镜-光栅组合色散元件色散方向的定向装调98-99
• 5.5.5 入射狭缝的滚转调节99
• 5.5.6 CCD像面的调焦及滚转调节99-103
• 5.5.7 前端成像镜头的装调103-104
• 5.6 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的装调结果分析104-106
• 5.7 本章小结106-107
• 第6章 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪光谱定标及仪器测试107-125
• 6.1 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的光谱定标107-118
• 6.1.1 光谱定标基本原理107-110
• 6.1.2 光谱定标系统设计110-112
• 6.1.3 光谱定标数据分析112-118
• 6.2 棱镜-光栅型高光谱成像光谱仪的测试实验118-124
• 6.2.1 室内测试118-122
• 6.2.2 室外测试122-124
• 6.3 本章小结124-125
• 第7章 总结与展望125-127
• 7.1 论文工作总结125-126
• 7.2 展望126-127
• 参考文献127-137
• 在学期间学术成果情况137-139
• 指导教师及作者简介139-141
• 致谢141

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 杨晋;张锐;潘明忠;崔继承;;大孔径面视场PG成像光谱仪的光学设计[J];光学精密工程;2017年04期

2 撖們們;;一种高光谱成像光谱仪光谱定标方法[J];长春工业大学学报;2015年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 孙佳音;基于Dyson结构的长波红外高光谱成像光谱仪光学系统研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2016年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 熊双飞;面向紫外—可见光谱水质监测的浸入式可变光程光谱探头设计[D];重庆大学;2016年

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本文编号：1032650