宽波段平面光栅型成像光谱仪光学系统研究

发布时间：2017-04-08 04:06

  本文关键词：宽波段平面光栅型成像光谱仪光学系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：成像光谱仪同时具有传统光谱仪获取目标光谱信息功能和传统成像遥感仪获取目标影像信息的功能，是一种光谱技术与成像技术有机结合的新型光学遥感仪器。为了能够给后期宽波段平面光栅型成像光谱仪研制提供较为理想的光学系统结构，，本文对宽波段成像光谱仪的应用需求、系统分类、像差理论、结构特点、设计方法进行了研究。 本文在介绍成像光谱仪相关基础理论的前提下，提出以光栅为分划点分别校正前后光路的像散从而完成系统像散校正。并以该设计思想为指导设计了基于双柱面镜系统的Czerny-Turner成像光谱仪光学系统结构。为满足成像光谱仪光谱分辨力与空间分辨力的要求，在光学设计前首先分析了成像光谱仪的像差理论，接着针对该结构分别讨论了其对应的消像散条件，然后分析并得出其对应的宽波段成像条件，最后设计出宽波段平面光栅型成像光谱仪系统，其光学结构满足设计指标。 设计的宽波段平面光栅型成像光谱仪的工作波段为200-700nm。基于双柱面镜系统的成像光谱仪，其光谱仪系统的准直光路与聚焦光路同样采用双柱面镜系统结构，全系统中只有柱面镜与平面光栅，易于加工与装调，但由于反射面较多，光能利用率不是很高。成像光谱仪系统光谱分辨力优于3nm，MTF在25lp/mm时，全波段全视场对比度优于0.4。 本文还提出了消像散型Czerny-Turner成像光谱仪的一种畸变校正方法。首先分析了光栅在不同位置所得图像的差异，并给出校正方法和公式，接着分析了光栅在1级位置时不同波长对重建图像的影响和公式推导，然后分别给出了基于柱面镜和基于超环面的成像光谱仪畸变校正系数公式，最后通过理论计算、ZEMAX光线追迹仿真和实际光谱成像测量验证了畸变校正系数公式的正确性以及畸变校正方法的易于操作性。该畸变校正公式和方法能为其他准直光工作条件下离轴结构色散型成像光谱仪的畸变校正研究提供参考。
【关键词】：成像光谱仪 宽波段 双柱面镜系统 像差校正 光学设计 畸变校正
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题意义10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 国外研究现状10-12
• 1.2.2 国内研究现状12-13
• 1.3 消像差方法研究现状13-14
• 1.4 课题研究内容14-15
• 1.5 论文结构15-17
• 第2章 光栅型成像光谱仪相关理论17-30
• 2.1 成像光谱仪的基本理论17-19
• 2.1.1 成像光谱仪的分类及组成17-18
• 2.1.2 成像光谱仪的工作原理18-19
• 2.2 平面光栅的色散原理19-23
• 2.2.1 角色散21-22
• 2.2.2 线色散22
• 2.2.3 闪耀光栅22-23
• 2.3 主要光学性能指标23-29
• 2.3.1 光谱分辨力24-28
• 2.3.2 空间分辨力28
• 2.3.3 调制传递函数28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 宽波段平面光栅型成像光谱仪光学设计中的关键技术30-41
• 3.1 像差理论30-35
• 3.1.1 离轴反射球面镜顶点方程30-31
• 3.1.2 光程函数31-34
• 3.1.3 系统总像差34-35
• 3.2 像差对成像光谱仪的影响35-37
• 3.2.1 球差35-36
• 3.2.2 彗差36
• 3.2.3 像散和场曲36-37
• 3.2.4 畸变37
• 3.3 宽波段结构设计37-39
• 3.4 高分辨力成像39
• 3.5 本章小结39-41
• 第4章 基于双柱面镜系统的 CZERNY-TURNER 成像光谱仪理论研究与光学系统设计41-54
• 4.1 双柱面镜系统42-44
• 4.2 基于双柱面镜系统的 CZERNY-TURNER 成像光谱仪理论研究44-46
• 4.2.1 像散校正条件45-46
• 4.2.2 宽波段成像条件46
• 4.3 基于双柱面镜系统的 CZERNY-TURNER 成像光谱仪光学系统设计46-53
• 4.3.1 成像光谱仪优化设计47-49
• 4.3.2 像质分析49-51
• 4.3.3 公差分析51-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第5章 消像散型 CZERNY-TURNER 成像光谱仪畸变校正研究54-65
• 5.1 CZERNY-TURNER 结构不同波长畸变分析与校正54-59
• 5.1.1 基于柱面镜的成像光谱仪畸变校正系数57-58
• 5.1.2 基于超环面的成像光谱仪畸变校正系数58-59
• 5.2 畸变校正结果分析59-64
• 5.2.1 基于柱面镜的成像光谱仪畸变校正系数结果分析59-63
• 5.2.2 基于超环面的成像光谱仪畸变校正系数结果分析63-64
• 5.3 本章小结64-65
• 第6章 总结与展望65-67
• 6.1 总结65-66
• 6.2 论文创新点66
• 6.3 未来展望66-67
• 参考文献67-71
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单71-72
• 致谢72

【参考文献】

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本文编号：292020