CE-1成像光谱仪工程化光学技术理论研究

摘要

本论文介绍了博士期间所作的研究工作，主要包括以下内容： 在宽谱段光学镜头的设计方面，通过研究前人关于设计可见光波段光学镜头消色差和二级光谱的方法后，提出了宽谱段情况下玻璃的部分色散(P)和阿贝数(V)的计算方法，通过选择有利于减小二级光谱的玻璃组合、应用消色差和消二级光谱光焦度分配方程组，完成了一个波长范围为420nm～900nm、焦距f=450mm、F／5、视场2(ω=2.60的复消色差光学系统的设计。二级光谱残余量小于0．05mm，MTF接近衍射极限。 在干涉成像光谱仪中，傅立叶变换光学系统对像差的要求较为严格，是选材与加工、装配中重点关注的部件。光学玻璃不同波长的折射率对设计理论值的小量变化都会影响部件性能。为此，论文提出了玻璃的折射率和色散变化对二级光谱的影响，推导了它们之间的关系式，实际应用于CE-l傅立叶变换光学系统的玻璃选取，取得了好的效果。 根掘干涉成像光谱仪中横向剪切干涉仪和傅立叶变换光学系统的等效工作原理图，首次推导了角向差和系统光谱分辨率之间的关系式.在CE-I干涉成像光谱仪的设计中应用这一标准对傅立叶变换光学系统进行了多个视场的验证，结果表明傅立叶变换光学系统的设计满足上述关系式。 通过对干涉仪垂直展开的两条光路的比较和计算，推导出了干涉仪的角度公差的表达式，并将这一公式应用于CE．1干涉仪公差分析。如果不考虑其它方面误差的存在，在主截面内和包含光轴垂直主截面方向，对公差的要求相当严，主截面内的角度误差应该在±5”以内，而垂直于主截面方向上的棱差应该在+8”以内。 对干涉仪、FT光学系统组合起来的误差(装配误差)，从平移和倾斜两方面对系统的相互位置误差进行了分析和计算，提出装配公差仍然应当满足光谱分辨率所要求的角向差。 提出了利用折射定律的投影不变性改进柱面光学系统光线追迹的计算方法，该计算方法可以代替前人提出的折射率等效的计算方法.将CE-1干涉成像光谱仪中柱面光学系统的特殊情况运用球面光学系统进行等效设计对比，结果显示两种情况下弥散斑半径最大差值小于1μm。

目录

文摘

英文文摘

科研道德声明及知识产权声明

第一章研究背景及科学目标

1.1研究背景

1.2我国探月的意义和前景展望

1.3我国首次绕月探测的四大科学目标：

1.4论文研究的意义及概况

参考文献

第二章光谱技术及成像光谱技术的发展

2.1光谱仪器的发展

2.2光谱仪器的分类

2.3成像光谱技术的发展

2.3.1成像光谱技术的系统组成

2.3.2高光谱成像

2.3.3高光谱成像光谱仪分类

2.3.4高光谱成像光谱仪关键技术

2.4国内成像光谱技术的发展概况

2.5总结

参考文献与相关链接

第三章干涉成像光谱技术的发展及工作原理

3.1干涉成像光谱技术的发展

3.2干涉成像光谱技术原理

3.3干涉成像光谱仪的理论

参考文献

第四章宽谱段折射式光学系统的设计

4.1初级色差理论概述

4.2二级光谱理论概述

4.3设计实例及基本结构的选型

4.4设计结果及讨论

4.5小结

参考文献

第五章CE-1干涉成像光谱仪光学系统的设计

5.1前置光学系统的设计

5.2傅立叶变换光学系统的设计(其中干涉仪展开成平板)

5.3柱面光学系统

5.4干涉成像光谱仪全系统

5.5 Sagnac横向剪切干涉仪的设计

5.6允差分析

5.7航天环境适应性

参考文献

第六章关于几个光学问题的分析

6.1玻璃折射率、色散变化对傅立叶变换光学系统的影响

6.1.1在单色像差方面的影响

6.1.2对系统二级光谱的影响

6.2 FT光学系统角向差与光谱分辨率的关系

干涉成像光谱仪中FT光学系统简化原理

傅立叶变换光学系统角向差分析

验证傅立叶变换系统角向差

小结

6.3 Sagnac棱镜角公差问题

棱镜的误差理论

Sagnac干涉仪的结构

Sagnac干涉仪的展开

光谱仪中的干涉仪误差分析

Sagnac干涉仪的公差分配

光谱仪中的干涉仪误差分析2

小结

干涉条纹方向和空间成像方向不垂直现象分析

胶合五角棱镜的对旋分析

关于空间方向上各点光谱分辨率不同的分析

6.4干涉仪、FT光学系统组合的误差分析

干涉仪和傅立叶变换光学系统的组合

平移产生的误差分析

倾斜产生的误差分析

小结

6.5柱面光学系统的等效设计问题

柱面光学系统的像差理论概述

计算方法改进

柱面光学系统的等效设计分析

等效设计对比实验

参考文献与相关链接

第七章主要研究工作总结

7.1宽谱段光学系统的设计(折射型)

7.2玻璃折射率、色散变化对傅立叶变换光学系统的影响

7.3 FT光学系统角向差与光谱分辨率的关系

7.4 Sagnac型干涉仪棱镜角公差

7.5干涉仪、FT光学系统组合的误差分析

7.6柱面光学系统的等效设计

发表论文、专利和获奖情况

第1作者发表论文和专利情况：

获奖情况：

致谢