太阳望远镜光学零件表面散射光测量技术研究

发布时间：2017-10-19 14:13

  本文关键词：太阳望远镜光学零件表面散射光测量技术研究

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【摘要】：散射光严重影响光学系统的成像质量。光学系统的成像对比度,图像的清晰度都会因散射光而降低,甚至散射噪声会完全覆盖目标信号。对于观测太阳的光学系统而言,由于太阳光强度大,太阳表面成像对比度较小,即使是较为微弱的散射光都会对成像对比度造成重大影响,因此,散射光问题日益变成制约太阳光学系统成像性能的重要阻碍。本文对太阳望远镜光学零件表面散射光的测量技术进行研究。首先本文对散射光基础理论与测量方法进行研究。介绍了经典的光学表面散射光基础理论,主要包括有双向反射分布函数理论和总积分散射理论。后又介绍了光学表面散射光的测量方法,主要包括有BRDF法和TIS法。然后简要介绍了本文采用的TIS法的测量装置,最后根据对不同测量原理和方法的对比来阐述本文采用TIS法进行散射光测量的原因。其次对积分球的理论进行了深入分析并对实体积分球进行建模。公式推导并分析了积分球的出射照度与积分球内球壁的光谱反射比,进入积分球的总光谱辐射通量,积分球内球的半径大小,积分球总开口球面面积与积分球内部总反射球面面积(包括开口部分)之比的关系,并以已有的实体积分球为例,用SolidWorks对实体积分球进行了建模,并将其导入到TracePro中对其进行仿真分析,根据TracePro中材料数据库的材料特性来验证积分球模型的可行性,并对实验光源的光束半径进行了仿真分析。第三,搭建了自制总积分散射测量装置。搭建了以积分球为核心的总积分散射仪,包括积分球,半导体光源和功率计等。并用650nm的半导体激光光源进行实验,得到的结果与德国汉诺威激光中心生产的633nm的总积分散射仪测得的结果进行比对,验证自制总积分散射仪的可行性,自制总积分散射仪的测量不确定度是否能达到预期目标,并对造成自制总积分散射仪与德制的总积分散射仪的实验结果不同的原因进行分析。然后实验验证了总积分散射理论。对总积分散射理论中TIS值与光源波长的平方成反比的关系进行实验验证。利用自制总积分散射装置对三个光波波长(分别为650nm,520nm和450nm)的半导体光源进行了实验,并对650nm的红光和450nm的蓝光的数据进行了数值拟合,将520nm的测量结果代入拟合得到数值公式,如符合良好,就可以验证TIS值与波长的平方成反比关系。并根据总积分散射理论得到TIS值的波长分布图,并将实验数据代入验证其合理性。最后分析了黑体辐射理论并推导了太阳望远镜光学零件表面可见光波段的TIS值。对黑体辐射理论和普朗克公式进行了介绍和分析,并仿真分析了黑体辐射能量密度曲线与波长和色温的关系,分析辐射能量密度曲线的峰值大小和位置与色温的变化关系。最后根据确定的目标黑体的辐射能量密度分布和TIS值的波长分布图,就可以得到目标黑体(太阳)可见光波段的各个波长分量的所占的散射光大小,各个波长分量的TIS值和总散射光的大小。
【关键词】：散射光 总积分散射理论 积分球 自制总积分散射测量仪 太阳望远镜光学零件表面
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH751
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-23
• 1.1 课题背景及研究目的和意义11-14
• 1.2 散射光测量技术的发展概况14-20
• 1.2.1 国外散射光测量技术的发展概况14-16
• 1.2.2 国内散射光测量技术的发展概况16-20
• 1.3 论文主要研究内容及章节安排20-22
• 1.4 本章小结22-23
• 2 散射光基础理论与测量方法分析23-28
• 2.1 散射理论23-25
• 2.1.1 双向反射分布函数理论23-24
• 2.1.2 总积分散射理论24-25
• 2.2 散射测量方法25-27
• 2.2.1 BRDF法25
• 2.2.2 TIS法25-27
• 2.3 本章小结27-28
• 3 积分球建模分析与总积分散射仪的搭建28-41
• 3.1 积分球理论模型28-31
• 3.2 积分球系统误差分析31-32
• 3.3 三维建模32-33
• 3.4 TracePro仿真分析33-40
• 3.4.1 TracePro光线分析原理34
• 3.4.2 TracePro重要参数设置34-35
• 3.4.3 TracePro仿真设计过程35-39
• 3.4.4 对光源尺寸的仿真39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 4 总积分散射仪的搭建与实验41-48
• 4.1 总积分散射仪41-44
• 4.1.1 系统组成41-42
• 4.1.2 测试步骤42-44
• 4.2 总积分散射仪单波长实验44
• 4.3 实验结果对比44-46
• 4.4 本章小结46-48
• 5 TIS光谱散射特性研究48-56
• 5.1 总积分散射仪多波长实验48-50
• 5.2 黑体辐射理论50-52
• 5.3 太阳可见光波段总TIS仿真分析52-55
• 5.4 小结55-56
• 6 总结与展望56-59
• 6.1 本文主要工作及成果56-57
• 6.2 今后工作的展望57-59
• 参考文献59-63
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果63

【参考文献】

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本文编号：1061542