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基于HDE的MWIR/LWIR双波段成像光谱系统的研究

作　者: 刘英
导　师: 卢振武；孙强
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
关键词: HDE 双波段 成像光谱系统 光学设计 红外系统
分类号: O433
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着现代社会对轻小型、高性能设备的需求,衍射光学元件(DOE)日益受到光学设计者的重视和青睐。作为一种特殊类型的衍射元件,谐衍射光学元件(HDE)的单色像差性质与普通衍射光学元件类似,色散性质却介于折射透镜和普通衍射元件之间,这种特殊光学性能决定了其独有的应用价值,例如可实现多个谐振波段的同时分光和成像,为多波段共光路以及轻小型化折衍混合光学系统设计奠定了基础。基于HDE的成像光谱技术正是利用HDE的特殊色散性质来同时完成色散和成像的一种新兴多波段成像光谱技术。该类型成像光谱仪具有光谱分辨率较高、结构紧凑、重量轻、坚固耐用、性价比高,便于实现小型化和轻量化等优点。本文以衍射光学及红外光学理论为基础,对基于HDE的MWIR/LWIR双波段成像光谱系统进行了系统深入的理论研究和原理样机的研制;并利用原理样机进行了相关实验,获得了实验目标的光谱图像;实验结果和理论分析相吻合,证实了HDE在成像光谱系统中的工程可行性。本文第一章概述了DOE的应用与发展概况,MWIR/LWIR双波段系统的应用和发展前景以及典型成像光谱仪的基本原理和基本仪器类型;并通过光谱层析技术和窄带滤波技术的结合,实现了一种新的成像光谱技术,即利用HDE多波段轴向色散的凝视型成像光谱技术,从而确定了论文的总体研究方向和基本方案。第二章介绍了DOE的成像分光特性,指出了HDE作为一种特殊的DOE所具有的独特色散特性。第三章详细介绍了基于HDE的凝视型成像光谱技术的理论知识,完成了基于HDE的分光系统光谱分辨率和线分辨率的公式推导,给出了具体表达式。第四章深入研究了基于HDE的MWIR/LWIR双波段成像光谱系统的像差理论和系统设计,分析了HDE的加工误差对系统设计的影响;然后设计了在λ=10 m处分辨率为24nm的高分辨率系统和在λ=8.5 m处分辨率为72nm的中分辨率系统;并将中分辨率系统作为原理样机的光学系统。第五章详细讲述了基于HDE的MWIR/LWIR双波段成像光谱系统的定标理论,并确定了定标方案。第六章介绍了原理样机的工作原理,进行了原理样机的相关实验测试,获得了较好的试验结果,验证了基于HDE的双波段光谱系统的工程可行性。最后是全文总结和进一步工作展望。总之,利用HDE轴向色散的凝视成像光谱技术在理论上和技术上都是可行的,它还可设计为工作在紫外、可见、近红外及热红外波段的设备,用于空间监视、遥感、医学成像、环境监测等方面。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章 绪论  14-28
  1.1 DOE 的应用与发展  14-17
  1.2 MWIR/LWIR 双波段系统的应用和发展  17-22
  1.3 典型的成像光谱仪  22-27
    1.3.1 传统的成像光谱仪  22-24
    1.3.2 衍射光学成像光谱仪  24-27
  1.4 选题的意义  27
  1.5 小结  27-28
第2章 DOE 的成像分光特性  28-42
  2.1 DOE 的位相特性  28-29
  2.2 DOE 的色散特性  29-30
  2.3 DOE 初级像差特性  30-33
  2.4 DOE 的衍射效率  33-37
  2.5 HDE 的独特性质  37-40
    2.5.1 HDE 的结构特点  37-38
    2.5.2 P 对HDE 结构的影响  38-39
    2.5.3 HDE 的衍射效率  39-40
  2.6 小结  40-42
第3章 基于HDE 的凝视型成像光谱技术的理论基础  42-54
  3.1 HDE 凝视型成像光谱仪的基本原理  42-45
  3.2 HDE 凝视型成像光谱仪的光谱分辨率  45-49
  3.3 HDE 凝视型成像光谱技术图像处理算法的数理模型  49-51
  3.4 HDE 凝视型成像光谱技术的优缺点分析  51-52
  3.5 小结  52-54
第4章 基于HDE 的MWIR/LWIR 双波段成像光谱系统的光学设计  54-94
  4.1 基于HDE 的红外热成像光谱仪光学设计的理论基础  54-59
    4.1.1 红外热成像基础  54-56
    4.1.2 HDE 的初级像差特性  56-57
    4.1.3 非球面的初级像差特性  57-59
  4.2 A1 的正负对 HDE 的加工和基于HDE 的MWIR/LWIR 成像光谱仪光学系统的影响  59-67
    4.2.1 刀头形状对HDE 加工的影响  59-63
    4.2.2 A1 正负对HDE 加工的影响  63-64
    4.2.3 A1的正负对基于HDE 的MWIR/LWIR成像光谱仪光学系统的影响  64-67
  4.3 基于 HDE 的MWIR/LWIR 双波段高分辨率成像光谱仪光学设计  67-80
    4.3.1 光学系统的参数制定和设计  67-70
    4.3.2 高分辨率成像光谱仪光学系统的性能分析  70-75
    4.3.3 HDE 的位相结构  75-80
  4.4 基于HDE 的MWIR/LWIR 双波段成像光谱仪原理样机的光学系统设计  80-93
    4.4.1 光学系统的参数制定  80-81
    4.4.2 光学系统的设计  81-85
    4.4.3 光学系统的性能分析  85-87
    4.4.4 HDE 的位相结构  87-92
    4.4.5 HDE 透镜的实物照片  92
    4.4.6 原理样机的光学系统参数与国外先进水平样机参数的对比  92-93
  4.5 小结  93-94
第5章 基于HDE 的MWIR/LWIR 双波段成像光谱系统的定标理论  94-102
  5.1 成像光谱仪的实验室定标  94-95
  5.2 基本的辐射理论  95-97
    5.2.1 普朗克辐射定律  95-96
    5.2.2 维恩位移定律  96-97
  5.3 辐射定标源  97-98
  5.4 光谱定标原理  98-101
  5.5 小结  101-102
第6章 原理样机及试验  102-114
  6.1 原理样机  102-106
    6.1.1 原理样机的工作原理  102-103
    6.1.2 原理样机及关键部件说明  103-106
  6.2 辐射定标试验结果  106-108
  6.3 辐射定标的误差分析与计算  108-109
  6.4 光谱定标试验结果  109
  6.5 对实际目标的光谱图像测试  109-113
  6.6 小结  113-114
第7章 结论  114-116
  7.1 论文的主要工作进展  114
  7.2 具有创新意义的工作  114-115
  7.3 进一步研究工作  115-116
参考文献  116-125
在学期间学术成果情况  125-127
指导教师及作者简介  127-128
致谢  128

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 光谱学
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