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斐索式稀疏孔径光学系统成像技术研究

作　者: 段相永
导　师: 乔彦峰
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: 斐索式稀疏孔径多望远镜结构调制传递函数点扩散函数
分类号: TH74
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

空间角分辨率是评价望远光学系统探测能力的重要指标。在固定工作波段内要想提高系统角分辨率必须增大光学系统口径，但是光学材料、加工工艺、成本、重量和体积等因素的限制，给望远光学系统口径增大带来了极大的困难。因此，人们开始探索突破望远镜口径增大限制的新理论、新方法和新技术，其中稀疏孔径光学系统成像技术就是实现望远镜光学系统高分辨率观测的主要技术之一。本文讨论了稀疏孔径光学系统成像技术提高系统分辨率的原理，对适用于光电经纬仪的稀疏孔径阵列进行了专项研究，设计了稀疏孔径光学系统，搭建了双孔径干涉成像实验平台并成功进行了原理验证实验。首先，概述了稀疏孔径光学系统成像技术的研究背景和国内外发展现状，分析了稀疏孔径光学系统的分类进而引出了本论文的研究方向，对本论文的主要研究内容作了总结性阐述。从夫琅和费衍射理论出发分析了稀疏孔径光学系统的成像原理，论述了点扩散函数和调制传递函数的物理意义并推导了其具体计算公式，介绍了已有的几种主要的阵列结构以及相应阵列的MTF的二维分布形式，论述了阵列结构性能评价方式。其次，根据光电经纬仪的特点确定了三种适用的阵列——Golay-3型、Y型和等边五角形。分析三种阵列性能，结果表明Golay-3阵列的子孔径口径最大，Y型阵列截止频率最大值和最小值差异最大，等边五角形阵列调制传递函数对u-v空间频率的覆盖范围最接近圆形分布。由于现有的阵列只能分布于跟踪架以内，于是提出了一种能够分布于跟踪架两侧的新型阵列——类“十”字型阵列。分析表明，类“十”字型阵列调制传递函数整体接近圆形分布，系统最小截止频率对应的等效口径是子孔径口径的2.7倍。再次，简要介绍了光学系统的7种像差，着重介绍了现今消色差和复消色差的原理与方法。讨论了光束组合过程中存在的三种误差，以及三种误差对系统成像的影响。将多望远镜结构斐索式稀疏孔径光学系统分为三个子系统分别进行设计，子孔径为后接消色差准直镜的卡塞格林结构，光束校正器有两种结构可供选择，光束组合器采用五片式复消色差设计。合理搭配各个子系统，理论上可以组成任何一种阵列结构，主要以Golay-3阵列为例分析了系统MTF截止频率和等效口径。最后，基于斐索式稀疏孔径光学系统成像理论及多望远镜结构形式，搭建了双孔径干涉成像原理验证实验系统。该系统可以实现双孔径干涉成像，并验证piston误差对系统点扩散函数的影响，实验结果表明双孔径干涉成像系统在子孔径连线方向上的分辨率是单个子孔径系统的分辨率的2.1倍，piston误差对系统点扩散函数的影响与理论分析结果和仿真结果基本一致。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第1章绪论  12-26
  1.1 课题研究背景及意义  12-15
  1.2 稀疏孔径光学系统介绍  15-18
    1.2.1 迈克尔逊式稀疏孔径光学系统  15-16
    1.2.2 斐索式稀疏孔径光学系统  16-17
    1.2.3 两种成像方式的比较  17-18
  1.3 国内外研究现状  18-23
    1.3.1 国外研究现状  18-23
    1.3.2 国内研究现状  23
  1.4 论文的主要研究内容  23-26
第2章稀疏孔径干涉成像基本理论  26-46
  2.1 传统光学系统成像理论  26-33
    2.1.1 夫琅和费衍射理论  26-29
    2.1.2 点扩散函数与调制传递函数  29-33
  2.2 稀疏孔径光学系统成像理论  33-37
    2.2.1 稀疏孔径光学系统分析  33-35
    2.2.2 双孔径光学系统分析  35-37
  2.3 典型稀疏孔径阵列结构  37-39
  2.4 稀疏孔径阵列性能评价方式  39-44
    2.4.1 填充因子  39-41
    2.4.2 等效口径  41-42
    2.4.3 门限判据  42-44
  2.5 本章小结  44-46
第3章基于经纬仪的稀疏孔径阵列分布  46-70
  3.1 稀疏孔径阵列设计基本原理  46-52
    3.1.1 MTF 相关点阵与基线  46-48
    3.1.2 子孔径中心距对 MTF 的影响  48-50
    3.1.3 中心遮挡对 MTF 的影响  50-52
  3.2 基于光电经纬仪的稀疏孔径阵列研究  52-66
    3.2.1 适用于经纬仪的已有阵列  52-59
    3.2.2 新型经纬仪子孔径阵列设计  59-66
  3.3 成像过程模拟  66-68
  3.4 本章小结  68-70
第4章稀疏孔径光学系统设计  70-108
  4.1 像差理论  70-80
    4.1.1 单色像差  70-73
    4.1.2 色差  73-74
    4.1.3 消色差与复消色差  74-80
  4.2 光束组合误差  80-89
    4.2.1 Piston 误差  80-84
    4.2.2 倾斜误差  84-87
    4.2.3 剪切误差  87-89
  4.3 稀疏孔径光学系统设计  89-107
    4.3.1 子孔径系统的光学设计  90-93
    4.3.2 光束校正器  93-97
    4.3.3 光束组合器的光学设计  97-99
    4.3.4 总系统组合与像质分析  99-103
    4.3.5 稀疏孔径光学系统阵列扩展  103-107
  4.4 本章小结  107-108
第5章斐索式稀疏孔径光学系统成像验证实验  108-124
  5.1 实验系统的搭建  108-113
  5.2 双孔径实验系统干涉成像  113-122
  5.3 本章小结  122-124
第6章结论与展望  124-126
  6.1 论文的主要研究工作和创新点  124-125
  6.2 展望  125-126
参考文献  126-132
在学期间学术成果情况  132-133
指导教师及作者简介  133-134
致谢  134

斐索式稀疏孔径光学系统成像技术研究

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