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基于光纤传像束的推扫式红外成像系统研究

作　者: 闫兴涛
导　师: 杨建峰
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 红外遥感成像技术光纤传像束离轴三反消像散后继耦接系统微透镜阵列
分类号: TN216
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

针对推扫式红外遥感成像技术在高分辨对地观测领域的重要地位，结合我国红外遥感技术发展现状和长线阵红外探测器技术水平，本文研究了利用线面转换的异型红外光纤传像束线阵端实现大视场推扫，面阵端每根光纤与成熟的小面阵红外焦平面阵列像元间一对一耦合获得高分辨红外遥感图像的方法。该方法规避直接获取长线阵红外探测器的技术难度，对我国红外遥感技术的发展意义重大。全文对基于红外光纤传像束的推扫式红外相机系统的工作原理、结构组成、系统像质评价方法、各光学系统的选型设计、光纤传像束与光学系统间高效率耦合等关键技术进行了论述，并进行了推扫式红外光纤传像系统原理演示实验。分析出的系统调制传递函数表达式和仿真结果可用于系统的像质评价，对其它离散采样成像系统的光学系统设计和评价也具有指导意义。所介绍的像方远心型离轴三反光学系统设计方法简单快速，利用该方法设计的Wetherell型离轴TMA光学系统不仅可作为本文红外相机的前置望远系统，还可用作成像光谱仪等其它要求像方远心结构的各类仪器中。所设计的两种型式后继耦接系统结构参数、成像质量、温度灵敏度和公差分析结果等均满足设计要求，还可用作其它要求100%冷光阑效率的红外中继系统。所设计的用于红外光纤传像束耦合的微透镜阵列解决了系统填充率低、焦比退化引起耦合损耗大等问题，模拟结果表明，引入微透镜后可使系统的光能利用率提高40%以上，且所述设计方法还可设计用于红外焦平面耦合的微透镜阵列。最后进行了光纤传像红外系统推扫成像演示实验，获得了良好像质的拼接图像，实验结果及分析表明利用红外光纤传像束实现推扫成像具有可行性和优越性，为后续进一步的原理样机实现奠定了基础。

全文目录

致谢  4-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-36
  1.1 研究的目的与意义  12-14
  1.2 国内外相关研究现状及发展趋势  14-30
    1.2.1 国外红外遥感技术发展历程  14-25
    1.2.2 国内红外遥感技术发展现状  25-28
    1.2.3 国外红外探测器研究现状  28-29
    1.2.4 国内红外探测器研究现状  29-30
  1.3 基于光纤传像束原理的长线阵红外探测器研究现状  30-33
  1.4 论文主要研究内容  33-36
第二章推扫式红外光纤传像系统工作原理与分析  36-54
  2.1 引言  36
  2.2 光纤传像束简介  36-44
    2.2.1 光纤传像束的结构特点  36-37
    2.2.2 光纤传像束的主要参数  37-42
    2.2.3 红外光纤传像束的研究现状  42-44
  2.3 推扫式红外光纤传像系统工作原理及设计原则  44-51
    2.3.1 系统组成及工作原理  44-45
    2.3.2 系统各部分关键技术分析  45-51
  2.4 系统其他关键技术分析  51-52
    2.4.1 系统的光束限制和光瞳匹配  51-52
    2.4.2 系统的像质评价问题  52
  2.5 本章小结  52-54
第三章推扫式红外光纤传像系统平均调制传递函数  54-70
  3.1 引言  54
  3.2 离散采样系统平均光学传递函数基本理论  54-64
    3.2.1 空间不变线性系统的性质  54-56
    3.2.2 光学传递函数的定义  56-57
    3.2.3 离散采样理论  57-59
    3.2.4 光纤传像束的离散采样数学模型  59-62
    3.2.5 红外光纤传像系统的平均传递函数  62-64
  3.3 推扫式红外光纤传像系统 MTF 计算  64-69
  3.4 本章小结  69-70
第四章光纤传像束前后光学系统的选型设计  70-110
  4.1 引言  70
  4.2 系统总体指标要求及其各部分基本参数  70-74
    4.2.1 系统总体指标要求  70
    4.2.2 选用光纤传像束的基本参数  70-71
    4.2.3 前置望远光学系统的基本参数  71-73
    4.2.4 后继耦接光学系统的基本参数  73-74
  4.3 前置望远光学系统的选型设计  74-96
    4.3.1 常用望远物镜光学系统型式  74-84
    4.3.2 离轴三反型前置望远光学系统设计  84-94
    4.3.3 Wetherell 型离轴 TMA 系统的公差与装调分析  94-96
  4.4 后继耦接光学系统的选型设计  96-109
    4.4.1 后继耦接光学系统的特点  96-99
    4.4.2 后继耦接系统的选型设计  99-109
  4.5 本章小结  109-110
第五章用于红外光纤传像系统耦合的微透镜阵列设计  110-122
  5.1 引言  110-111
  5.2 微透镜阵列的作用  111-114
  5.3 微透镜阵列的选型设计  114-120
    5.3.1 入射端微透镜单元参数计算  115-116
    5.3.2 出射端微透镜单元参数计算  116-118
    5.3.3 设计实例与模拟仿真  118-120
  5.4 微透镜阵列加工工艺分析  120-121
  5.5 本章小结  121-122
第六章推扫式红外光纤传像系统成像演示实验  122-140
  6.1 引言  122
  6.2 系统演示实验  122-138
    6.2.1 实验仪器  122-125
    6.2.2 实验原理  125
    6.2.3 实验过程  125-131
    6.2.4 实验结果  131-137
    6.2.5 结果分析  137-138
  6.3 本章小结  138-140
第七章总结与展望  140-144
  7.1 总结  140-142
  7.2 创新点说明  142
  7.3 展望  142-144
参考文献  144-154
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果  154-155

基于光纤传像束的推扫式红外成像系统研究

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