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大视场光纤成像光谱仪光学系统研究

作　者: 程欣
导　师: 张葆
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 成像光谱仪光学设计光纤传像束采样调制传递函数
分类号: TH744.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

增大视场可以提高成像光谱仪的工作效率，大视场宽覆盖是下一代成像光谱仪的发展趋势。视场增大通常会导致遥感器质量和体积的增加，如何在获得大视场的同时具有小型化与轻量化的结构是每个成像光谱仪设计者应该权衡的问题。为了突破成像光谱仪质量与体积对视场的限制，提出使用光纤传像束代替色散型成像光谱仪中的狭缝来链接望远镜和光谱仪组成光纤成像光谱仪。利用线列光纤传像束柔软可拆分的特点，将望远镜的线性大视场拆分为若干个小视场，将它们折叠分离放置于光谱仪物面上，经过光谱仪分光成像至同一焦平面上。因为这些小视场独立成像且共用一个光谱仪和探测器，这不仅能显著增大视场，而且能有效减小体积和谱线畸变。在光谱仪结构的选择方面，同心结构被公认为适合用作光谱成像系统，分析并总结了若干同心光谱成像结构的特点，最终选用Offner结构Féry棱镜双通结构作为光谱成像系统。根据研究目标，设计了一个星载大视场光纤成像光谱仪，其线视场为72mm，介绍了设计过程并给出设计结果。设计结果表明，这种光谱仪既继承了Offner结构结构小畸变小的优点，又克服了光栅光谱仪衍射效率低、谱线级次重叠的缺点。光纤成像光谱仪是二重采样成像系统，不满足线性空间不变条件，并且光纤束的耦合作用与系统存在的像差和指标偏差会使采样过程变得混乱复杂，导致成像质量的下降，因此需要重新建立调制传递函数(MTF)来评价其像质。从线扩散函数出发，推导出二重采样系统的线扩散函数计算公式，建立了级联MTF计算模型。利用该模型评价了设计的光纤成像光谱仪，为了体现光纤成像光谱仪的优点，将其与狭缝型Offner光栅光谱仪在同等指标要求下作比较，给出了主要指标的比较结果。比较结果表明，光纤光谱仪的体积为后者的约1/5，畸变也得到了控制，但像质有所下降，这表明光纤光谱能同时获得大视场和小体积是以牺牲部分MTF值为代价的。光纤束在光能传输过程中存在F数退化和耦合效率不高的缺点，对此提出在光纤束两端使用微透镜阵列组成光纤-微透镜阵列模块。分析了光纤-微透镜阵列光谱仪的工作原理和采样过程。分析表明它克服了光纤光谱仪的缺点，性能指标突出，但结构复杂研制难度大，若要工程化尚需作进一步研究。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-29
  1.1 引言  13-14
  1.2 成像光谱仪简介  14-15
  1.3 成像光谱仪的发展状况  15-25
    1.3.1 国外发展状况  16-23
    1.3.2 国内发展现状  23-25
  1.4 成像光谱仪的发展趋势  25-26
  1.5 本论文研究内容及意义  26-29
第2章对地观测成像光谱仪结构分析  29-61
  2.1 成像光谱仪的分类  29-43
    2.1.1 按空间分辨方式分类  30-34
      2.1.1.1 摆扫式  30-31
      2.1.1.2 推帚式  31-33
      2.1.1.3 画幅式与窗口式  33-34
    2.1.2 按光谱分辨方式分类  34-43
      2.1.2.1 滤光片型  34-38
      2.1.2.2 色散型  38-40
      2.1.2.3 干涉型  40-43
  2.2 成像光谱仪相关技术指标  43-46
  2.3 同心光谱仪结构分析  46-54
    2.3.1 Offner 结构  47-50
    2.3.2 Littrow 结构  50-51
    2.3.3 Dyson 结构  51-53
    2.3.4 等晕结构  53-54
  2.4 望远镜结构分析  54-60
    2.4.1 折射式与折反式望远镜  55-58
    2.4.2 反射式望远镜  58-60
  2.5 本章小结  60-61
第3章 Offner 结构 Féry 棱镜光谱成像系统研究  61-75
  3.1 棱镜色散非均匀性的校正  61-64
  3.2 成像原理与像差分析  64-68
    3.2.1 Féry 棱镜与成像原理  65-67
    3.2.2 像差分析  67-68
  3.3 Offner 结构 Féry 棱镜光谱仪的设计  68-72
    3.3.1 SWIR 波段光谱成像系统的设计  68-70
    3.3.2 VNIR 光谱通道光谱成像系统的设计  70-72
  3.4 结果分析  72-74
  3.5 本章小结  74-75
第4章大视场光纤成像光谱仪的设计与像质评价  75-110
  4.1 成像光谱仪实现大视场的方法  75-82
    4.1.1 常用视场增大方法  76-78
    4.1.2 光纤传像束简介  78-81
    4.1.3 使用光纤束增大视场方法  81-82
  4.2 大视场光纤成像光谱仪的设计  82-90
    4.2.1 前置望远镜设计  85-87
    4.2.2 光谱仪设计  87-90
  4.3 调制传递函数与采样理论  90-96
    4.3.1 光学传递函数理论  90-93
      4.3.1.1 线性空间不变概念  90-92
      4.3.1.2 光学传递函数  92-93
    4.3.2 离散采样理论  93-96
      4.3.2.1 采样定理  93-95
      4.3.2.2 函数重建  95-96
  4.4 光纤成像光谱仪的像质评价  96-108
    4.4.1 常用评价方法  96-99
      4.4.1.1 统计学方法  97-98
      4.4.1.2 点扩散函数的傅里叶变换方法  98-99
    4.4.2 二重采样线扩散函数的推导  99-103
    4.4.3 MTF 计算模型的建立  103-106
    4.4.4 结果分析  106-108
  4.5 本章小结  108-110
第5章基于微透镜阵列的光纤成像光谱仪  110-127
  5.1 光纤束 F 数退化  110-115
  5.2 光纤-微透镜阵列成像光谱仪概念  115-119
    5.2.1 入射微透镜基本参数的求解  116-117
    5.2.2 出射微透镜基本参数的求解  117-118
    5.2.3 视场死区  118-119
  5.3 采样过程和分辨率分析  119-124
  5.4 探测器装调误差对 MTF 的影响  124-126
  5.5 本章小结  126-127
第6章总结与展望  127-131
  6.1 总结  127-129
  6.2 本论文的创新点  129
  6.3 展望  129-131
参考文献  131-139
在学期间学术成果情况  139-140
指导教师及作者简介  140-141
致谢  141

大视场光纤成像光谱仪光学系统研究

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