衍射望远镜成像中的图像复原研究
发布时间：2021-11-01 11:52
为满足宇宙探索、对地观测等空间应用对高分辨率成像的迫切需求,空间望远镜的口径需不断增大。然而传统反射式大口径空间望远镜的主镜面形精度要求高、折叠困难、系统重量和体积不断增大等问题严重制约了其在空间领域的应用。相较而言,衍射望远镜衍射主镜近似平面,面形精度要求宽松,易折叠;其重量和体积显著缩减。衍射空间望远镜已成为未来口径10米以上空间望远镜的重要技术路线之一。然而,受衍射透镜多级次衍射现象的影响,衍射望远镜系统图像对比度较低,且易受噪声影响。对扩展目标成像而言,如何提高衍射望远镜图像对比度、抑制噪声是亟需解决的问题。针对上述关键技术问题,本文结合衍射望远镜成像特性,建立了成像退化理论模型,采用图像复原技术,开展了相关理论和实验研究,以提高衍射望远镜成像对比度。主要内容如下:首先,通过菲涅尔衍射近似公式和菲涅尔衍射透镜透过率函数,推导了衍射成像系统简化成像模型。修订了广义光瞳函数,使其不仅包含孔径形状的限制和系统传统像差的作用,还包含了非成像衍射光这一特殊像差的影响。这表明多级次衍射现象造成的成像退化可通过退化函数表征,为衍射成像系统的成像性能分析提供了简洁的理论计算方法,为研究适合衍射...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
具有代表性的空间望远镜装配面密度与其主镜口径之间关系[21]
衍射望远镜成像中的图像复原研究4射理论[38,39]。将某一级次衍射光能量与总入射光能量的比值定义为该衍射级次的衍射效率[38]。这里所说的总入射光能量不包括由于光反射以及光学元件损耗等造成的能量损失。如不特殊说明，通常所说的衍射效率默认为用于成像的-1级衍射光对应的衍射效率。振幅型菲涅尔透镜的理论衍射效率为10.5%。图1.2几种常见的振幅型菲涅尔透镜（a）菲涅尔波带片[36]；（b）菲涅尔衍射阵列[40]；（c）光子筛[41]。Figure1.2SeveralcommonamplitudeFresnellenses(a)FresnelZonePlate;(b)Fresneldiffractionarray;(c)Photonsieve.2005年，L.Koechlin将菲涅尔波带片中圆形波带替换成矩形阵列[40]，如图1.2(b)所示，实现了高动态光谱范围成像，但衍射效率仅为2.1%。德国L.Kippe于2001年首次提出用随机分布的筛孔代替菲涅尔波带片中透光波带，形成新型衍射光学元件--光子筛（Photonsieve,PS）[41]，如图1.2(c)。QingCao等人基于瑞利-索末菲积分公式泰勒展开的不同近似程度给出了光子筛的近轴和非近轴光线下远场简化成像模型，并分析了其聚焦成像特性[42-44]。2007年，高仲等人设计口径为50mm，最小孔径尺寸为10μm的光子筛[45]，并通过离轴成像降低了非成像级次衍射光对成像的影响，如图1.3。2009年，周崇喜等人采用随机分布区域的方式设计了多波长光子筛，并制作了口径为20mm的三个波段光子筛[46]，如图1.4(a)。实验成像效果令人满意。2011年，Hou等制作了口径为70mm，最小孔径尺寸为3.5μm的PI薄膜二元相位光子筛[47]，如图1.4(b)，在波长650nm处实际测量衍射效率均值为11.9%。2011年，Kallne等人提出了反射型光子筛[48]，如图1.4(c)，在没有大幅度减小衍射元件尺寸的情况下，提高了成像对比度[48]。
第1章5过扩展目标分辨率板成像实验可知：光子筛的实测最大空间频率接近成像系统的截止频率。与菲涅尔透镜相比，光子筛具有更高的分辨率，但这是以牺牲光能利用率为代价的。图1.3离轴成像衍射光学测试系统[45]Figure1.3Diffractiveopticaltestsystemsforimagingoffaxis图1.4光子筛研制（a）多波长光子筛[46]；（b）相位光子筛[47]；（c）反射型光子筛[48]；（d）PI光子筛[49]。Figure1.4DevelopmentofPhotonSieve(a)Multi-wavelengthphotonsieve;(b)Phasephotonsieve;(c)Reflectionphotonsieve;(d)PIphotonsieve.上述几种衍射透镜至少有一半入射光能量被遮挡，这是导致衍射效率低的主(a)(d)(b)(c)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于图像复原的衍射望远镜暗弱目标成像[J]. 杨静静,王帅,文良华,杨平,杨伟,官春林,许冰. 光学学报. 2020(14)
[2]可见光电视摄像机整机MTF测量装置及方法[J]. 康登魁,杨鸿儒,袁良,姜昌录,王雷,陈洁婧,王生云. 应用光学. 2020(01)
[3]基于虹膜识别的小畸变手机镜头设计[J]. 于雪莲,郭冰梅,李秀芳,沈涛. 激光与光电子学进展. 2020(01)
[4]高分辨率医用内窥镜光学成像系统设计[J]. 陈思婷,曹一青,沈志娟,张瑞华. 光电技术应用. 2019(06)
[5]天宫二号对地观测应用研究进展[J]. 任海根,李盛阳. 载人航天. 2019(06)
[6]空间大口径衍射成像系统的图像反演恢复与增强[J]. 乔凯,智喜洋,江世凯,张蕾,尹忠科. 光学精密工程. 2019(07)
[7]红外热成像系统传递函数的测试研究[J]. 张春仙,李忠升,张昦润. 激光与红外. 2019(04)
[8]高分四号卫星及应用概况[J]. 刘凤晶,李果,于登云,王丽俐,李响. 卫星应用. 2018(12)
[9]基于月球目标的FY-2G在轨调制传递函数评估[J]. 陈林,陈海龙,张鹏,胡秀清. 光学精密工程. 2018(12)
[10]卡塞格林望远镜的优化与设计[J]. 张妹玉. 湖北农机化. 2018(10)
博士论文
[1]单点金刚石车削复杂曲面技术研究[D]. 黄岳田.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]光学稀疏孔径系统设计与中频信息改善方法研究[D]. 周程灏.哈尔滨工业大学 2019
[3]大口径衍射望远镜光学系统设计理论研究[D]. 李飞.中国科学技术大学 2019
[4]高衍射效率菲涅尔波带片的制作工艺及衍射特性研究[D]. 国成立.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[5]相控望远镜阵列成像关键技术研究[D]. 谢宗良.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[6]薄膜成像中的自适应光学技术研究[D]. 文良华.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[7]折、衍混合成像光学系统杂散光研究[D]. 刘盾.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[8]基于衍射成像系统的薄膜元件关键技术研究[D]. 王若秋.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[9]光学遥感图像质量提升及评价技术研究[D]. 崔光茫.浙江大学 2016
[10]光子筛在空间光学应用中的关键技术研究[D]. 闫俊良.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
硕士论文
[1]分块主镜式相机共相位检测系统研究[D]. 李浩田.北京理工大学 2016
本文编号：3470066
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
具有代表性的空间望远镜装配面密度与其主镜口径之间关系[21]
衍射望远镜成像中的图像复原研究4射理论[38,39]。将某一级次衍射光能量与总入射光能量的比值定义为该衍射级次的衍射效率[38]。这里所说的总入射光能量不包括由于光反射以及光学元件损耗等造成的能量损失。如不特殊说明，通常所说的衍射效率默认为用于成像的-1级衍射光对应的衍射效率。振幅型菲涅尔透镜的理论衍射效率为10.5%。图1.2几种常见的振幅型菲涅尔透镜（a）菲涅尔波带片[36]；（b）菲涅尔衍射阵列[40]；（c）光子筛[41]。Figure1.2SeveralcommonamplitudeFresnellenses(a)FresnelZonePlate;(b)Fresneldiffractionarray;(c)Photonsieve.2005年，L.Koechlin将菲涅尔波带片中圆形波带替换成矩形阵列[40]，如图1.2(b)所示，实现了高动态光谱范围成像，但衍射效率仅为2.1%。德国L.Kippe于2001年首次提出用随机分布的筛孔代替菲涅尔波带片中透光波带，形成新型衍射光学元件--光子筛（Photonsieve,PS）[41]，如图1.2(c)。QingCao等人基于瑞利-索末菲积分公式泰勒展开的不同近似程度给出了光子筛的近轴和非近轴光线下远场简化成像模型，并分析了其聚焦成像特性[42-44]。2007年，高仲等人设计口径为50mm，最小孔径尺寸为10μm的光子筛[45]，并通过离轴成像降低了非成像级次衍射光对成像的影响，如图1.3。2009年，周崇喜等人采用随机分布区域的方式设计了多波长光子筛，并制作了口径为20mm的三个波段光子筛[46]，如图1.4(a)。实验成像效果令人满意。2011年，Hou等制作了口径为70mm，最小孔径尺寸为3.5μm的PI薄膜二元相位光子筛[47]，如图1.4(b)，在波长650nm处实际测量衍射效率均值为11.9%。2011年，Kallne等人提出了反射型光子筛[48]，如图1.4(c)，在没有大幅度减小衍射元件尺寸的情况下，提高了成像对比度[48]。
第1章5过扩展目标分辨率板成像实验可知：光子筛的实测最大空间频率接近成像系统的截止频率。与菲涅尔透镜相比，光子筛具有更高的分辨率，但这是以牺牲光能利用率为代价的。图1.3离轴成像衍射光学测试系统[45]Figure1.3Diffractiveopticaltestsystemsforimagingoffaxis图1.4光子筛研制（a）多波长光子筛[46]；（b）相位光子筛[47]；（c）反射型光子筛[48]；（d）PI光子筛[49]。Figure1.4DevelopmentofPhotonSieve(a)Multi-wavelengthphotonsieve;(b)Phasephotonsieve;(c)Reflectionphotonsieve;(d)PIphotonsieve.上述几种衍射透镜至少有一半入射光能量被遮挡，这是导致衍射效率低的主(a)(d)(b)(c)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于图像复原的衍射望远镜暗弱目标成像[J]. 杨静静,王帅,文良华,杨平,杨伟,官春林,许冰. 光学学报. 2020(14)
[2]可见光电视摄像机整机MTF测量装置及方法[J]. 康登魁,杨鸿儒,袁良,姜昌录,王雷,陈洁婧,王生云. 应用光学. 2020(01)
[3]基于虹膜识别的小畸变手机镜头设计[J]. 于雪莲,郭冰梅,李秀芳,沈涛. 激光与光电子学进展. 2020(01)
[4]高分辨率医用内窥镜光学成像系统设计[J]. 陈思婷,曹一青,沈志娟,张瑞华. 光电技术应用. 2019(06)
[5]天宫二号对地观测应用研究进展[J]. 任海根,李盛阳. 载人航天. 2019(06)
[6]空间大口径衍射成像系统的图像反演恢复与增强[J]. 乔凯,智喜洋,江世凯,张蕾,尹忠科. 光学精密工程. 2019(07)
[7]红外热成像系统传递函数的测试研究[J]. 张春仙,李忠升,张昦润. 激光与红外. 2019(04)
[8]高分四号卫星及应用概况[J]. 刘凤晶,李果,于登云,王丽俐,李响. 卫星应用. 2018(12)
[9]基于月球目标的FY-2G在轨调制传递函数评估[J]. 陈林,陈海龙,张鹏,胡秀清. 光学精密工程. 2018(12)
[10]卡塞格林望远镜的优化与设计[J]. 张妹玉. 湖北农机化. 2018(10)
博士论文
[1]单点金刚石车削复杂曲面技术研究[D]. 黄岳田.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]光学稀疏孔径系统设计与中频信息改善方法研究[D]. 周程灏.哈尔滨工业大学 2019
[3]大口径衍射望远镜光学系统设计理论研究[D]. 李飞.中国科学技术大学 2019
[4]高衍射效率菲涅尔波带片的制作工艺及衍射特性研究[D]. 国成立.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[5]相控望远镜阵列成像关键技术研究[D]. 谢宗良.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[6]薄膜成像中的自适应光学技术研究[D]. 文良华.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[7]折、衍混合成像光学系统杂散光研究[D]. 刘盾.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[8]基于衍射成像系统的薄膜元件关键技术研究[D]. 王若秋.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[9]光学遥感图像质量提升及评价技术研究[D]. 崔光茫.浙江大学 2016
[10]光子筛在空间光学应用中的关键技术研究[D]. 闫俊良.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
硕士论文
[1]分块主镜式相机共相位检测系统研究[D]. 李浩田.北京理工大学 2016
本文编号：3470066
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3470066.html
