發(fā)布時(shí)間：2018-08-22 15:04

【摘要】：隨著光電成像技術(shù)的發(fā)展,為了獲取更大空間范圍以及更多空間細(xì)節(jié)的目標(biāo)圖像信息,光電成像系統(tǒng)逐步向大視場(chǎng)和高分辨率的方向發(fā)展。對(duì)于單一的光學(xué)系統(tǒng),總信息量由成像芯片的像元數(shù)決定�？傂畔⒘恳坏┐_定,視場(chǎng)與分辨率就成為一對(duì)相互矛盾的參數(shù),即不能同時(shí)提高光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)和分辨率。一般而言,大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)往往分辨率比較低;高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)往往視場(chǎng)比較小。因此,解決視場(chǎng)與分辨率之間的矛盾,同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)與高分辨成像是目前光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。大視場(chǎng)高分辨的光學(xué)系統(tǒng)在航天遙感、航空偵察、安防監(jiān)控、天文觀測(cè)及文物保護(hù)等軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。論文以大視場(chǎng)高分辨率成像為研究主題,以離軸三反光學(xué)系統(tǒng)、離軸四反光學(xué)系統(tǒng)、同心多尺度光學(xué)系統(tǒng)及曲Petzval像面光學(xué)系統(tǒng)為研究對(duì)象,主要進(jìn)行了以下四方面的研究:1)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。以反射定律和正弦條件為基礎(chǔ),推導(dǎo)了一組用于求解同軸三反初始結(jié)構(gòu)的Wassermann-Wolf(W-W)微分方程。利用該方程解算出次鏡和三鏡的面型數(shù)據(jù)點(diǎn),通過(guò)多項(xiàng)式擬合W-W曲面,獲得了像質(zhì)良好的同軸三反初始結(jié)構(gòu)。以此初始結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)起點(diǎn),應(yīng)用偶次非球面,設(shè)計(jì)了一款焦距為1.2m、視場(chǎng)為18o?4o、F/4的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)各個(gè)視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)在50 lp/mm處均大于0.5,成像質(zhì)量良好。此外,系統(tǒng)的主鏡為二次曲面、次鏡和三鏡為非球面,3個(gè)反射鏡均無(wú)偏心和傾斜,有效地降低了制造成本和裝調(diào)難度。2)離軸四反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。研究了離軸光學(xué)系統(tǒng)的矢量像差理論和各像差的節(jié)點(diǎn)特性。對(duì)同軸四反光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了像差分析,建立了由帶權(quán)重的初級(jí)像差系數(shù)和結(jié)構(gòu)布局約束條件所組成的目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)遺傳算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解,解算出同軸四反光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù),獲得了像質(zhì)良好和特定結(jié)構(gòu)布局的同軸四反初始結(jié)構(gòu)。選擇遮攔比最小的初始結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)起點(diǎn),應(yīng)用Zernike自由曲面,最終設(shè)計(jì)了一款焦距為1.2m、視場(chǎng)為30o?4o、F/4的離軸四反光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局緊湊,各個(gè)視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)在40 lp/mm處均大于0.52。3)同心多尺度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。同心多尺度光學(xué)系統(tǒng)可以解決視場(chǎng)與分辨率之間的矛盾,是目前同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)和高分辨成像的最佳手段。研究了同心多尺度設(shè)計(jì)理論,推導(dǎo)了同心球透鏡的焦距公式、消色差條件及消球差條件,分析了同心球透鏡的像面移動(dòng)問(wèn)題。對(duì)中繼微相機(jī)進(jìn)行了像差分析,研究了微相機(jī)的視場(chǎng)重疊及排布方式。基于同心多尺度設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)了一款焦距為35mm、視場(chǎng)為120o?60o、F/2.8的十億像素同心多尺度光學(xué)系統(tǒng)。各視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)在270 lp/mm處均大于0.3。該光學(xué)系統(tǒng)由104個(gè)微相機(jī)組成,微相機(jī)按照基于正二十面體的最密方式排布,填充率可達(dá)76.6%。最后對(duì)同心多尺度光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了公差分析。4)曲Petzval像面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。為了更精確的評(píng)估曲面像面光學(xué)系統(tǒng)的畸變,提出了弧長(zhǎng)畸變的概念。通過(guò)編寫宏程序約束像面與Petzval面重合,設(shè)計(jì)了一款焦距為100mm、視場(chǎng)為40o、F/2.8的曲Petzval像面光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)各視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)在100 lp/mm處均大于0.69,相對(duì)照度92.4%,弧長(zhǎng)畸變0.5%。與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)相比,曲Petzval像面光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、元件數(shù)量少、像差校正能力強(qiáng)、光焦度分配均勻及鏡頭對(duì)稱度高等光學(xué)優(yōu)勢(shì)。曲Petzval像面光學(xué)系統(tǒng)為大視場(chǎng)高分辨率成像提供了新的發(fā)展方向。
[Abstract]:With the development of optoelectronic imaging technology, in order to obtain the target image information with larger spatial range and more spatial details, optoelectronic imaging system is gradually developing towards the direction of large field of view and high resolution. As a pair of contradictory parameters, it is impossible to improve both the field of view and the resolution of the optical system. Generally speaking, the resolution of the optical system with large field of view is often lower; the field of view of the optical system with high resolution is often smaller. Research hotspots in the field of science. Large-field high-resolution optical systems have wide application prospects in military and civil fields such as space remote sensing, aeronautical reconnaissance, security monitoring, astronomical observation and cultural relics protection. The optical system and the curved Petzval image plane optical system are studied in the following four aspects: 1) The design of off-axis three-mirror optical system is studied. Based on the reflection law and sinusoidal condition, a set of Wassermann-Wolf (W-W) differential equations for solving the initial structure of coaxial three-mirror are derived. An off-axis triaxial optical system with a focal length of 1.2m, a field of view of 18o?4o and an F/4 is designed by using an even aspheric surface. In addition, the main mirror of the system is quadric, the secondary mirror and the three mirrors are non-spherical, and the three mirrors are non-eccentric and inclined, which effectively reduces the manufacturing cost and the difficulty of assembly and adjustment. 2) The design of the off-axis four-mirror system is studied. The vector aberration theory and the node characteristics of each aberration are studied. An objective function consisting of weighted primary aberration coefficients and structural layout constraints is established. The objective function is solved by genetic algorithm and the structural parameters of the coaxial four-mirror optical system are solved. The coaxial four-mirror initial junction with good image quality and special configuration is obtained. An off-axis four-mirror optical system with a focal length of 1.2m, a field of view of 30o?4o and an F/4 is designed by using Zernike free-form surface. The structure of the system is compact and the modulation transfer function of each field of view is greater than 0.52.3 at 40 lp/mm. The design of a concentric multi-scale optical system is studied. Multiscale optical system can solve the contradiction between field of view and resolution, and is the best way to realize large field of view and high resolution imaging at the same time. The theory of concentric multiscale design is studied, the focal length formula of concentric spherical lens, achromatic condition and spherical aberration condition are deduced, and the image plane movement of concentric spherical lens is analyzed. Based on the concentric multi-scale design theory, a 1-billion-pixel concentric multi-scale optical system with a focal length of 35mm, a field of view of 120o? 60o and an F/2.8 pixel is designed. The modulation transfer function of each field of view is greater than 0.3 at 270lp/mm. The optical system consists of 104 microphases. Finally, the tolerance analysis of the concentric multi-scale optical system is carried out. 4) The optical system design of curved Petzval image plane is studied. In order to evaluate the distortion of the optical system more accurately, the concept of arc length distortion is proposed. A curved Petzval image plane optical system with focal length of 100 mm, field of view of 40 O and F/2.8 is designed. The modulation transfer function of each field of view is greater than 0.69 at 100 lp/mm, relative illumination 92.4% and arc length distortion 0.5%. Compared with the traditional optical system, the curved Petzval image plane optical system has compact structure and the number of components. The optical system of curved Petzval image plane provides a new development direction for large field of view and high resolution imaging.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH74

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本文編號(hào)：2197466