用于空间外差光谱仪的Offner成像研究

摘要

Offner光学成像系统是一种经典的三反光学系统，最早是Abe.Offner提出。目前普遍应用于Offner凸面光栅光谱仪和中继望远成像系统中，尤其在宽谱段遥感仪器中应用优势明显。因此，将Offner光学成像系统与空间外差光谱技术结合，可同时满足超光谱与宽谱段的空间遥感探测需求。
　　空间外差光谱技术具有超光谱分辨率的特性，适用于痕量气体的精细测量、大气层中水汽的探测、星际矿物质研究等应用，在遥感应用领域具有重要意义。近年来，宽谱段空间外差技术的研究，以及基于该技术在中高层大气风场、天文观测等领域的应用成为研究热点。
　　空间外差光谱仪的成像系统用于对有限远物距干涉条纹进行比例缩放，成像于探测器焦面处。而成像系统的调制传递函数(MTF)曲线、畸变、色差等因素直接影响探测器所采集的干涉图质量，进而影响复原光谱的信噪比和精度。同时，空间外差光谱仪大光通量以及宽波段光栅衍射角度范围要求成像系统具有较大物方数值孔径。因此，成像系统的设计具有一定的难度，其成像质量直接影响空间外差光谱仪获取的原始干涉图质量，进而影响复原光谱的质量。
　　研究表明，Offner光学成像系统对比于传统透射式系统具有适用波段范围宽、初级像差小、物方数值孔径大等优点。本论文的主要工作有以下几个方面:
　　(1)结合空间外差技术特点和要求，给出一种Offner光学成像系统的设计方法，利用光学软件完成了系统的光线追迹，对该系统进行了像差校正与优化，最后对系统进行了成像质量评估和公差分析。
　　(2)以系统光学设计的参数为输入条件，运用机械设计软件结合装调方案对Offner光学成像系统的结构进行设计。系统结构主要包含折轴镜组件、三反射镜组件和缩放比透镜组件。结构设计结果可以满足该系统公差分析对各元件的精度。
　　(3)对设计的空间外差光谱仪的Offner成像进行了杂散光分析，设计了合理的消杂散光光阑和内遮光罩，对主要杂光来源进行抑制。利用杂散光分析软件对光学系统进行仿真，通过计算得到光学系统的点源透射比(PST)，并运用最小二乘法对PST进行曲线拟合。由杂光系数和点源透射比的公式，可算出Offner成像的杂光系数。计算结果表明，提出的抑制杂散光的优化结构方案可满足指标要求。
　　Offner成像系统具有良好的成像质量，尤其适用于深紫外、红外以及宽波段应用场合中透射材料受限的空间外差光谱仪中。两种技术的结合可以提高整个光学系统的光学效率，满足超光谱、宽谱段、高通量的遥感探测需求。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 Offner光学成像系统的发展与现状

1．2．1 国外Offner光学成像系统的发展及应用

1．2．2 国内Offner光学成像系统的发展及应用

1．2．3 应用于空间外差光谱仪的Offner成像技术发展现状

1．3 论文的主要工作及研究思路

第2章 Offner光学成像系统基本理论

2．1 Offner光学成像系统基本理论

2．2 Offner成像系统评价理论

2．3 应用于SHS的Offner光学成像系统基本原理

2．4 本章小结

第3章 应用于SHS的Offner成像系统设计

3．1 Offner成像系统光学设计及评估

3．1．1 应用于SHS的Offner成像系统光学设计

3．1．2 Offner成像系统光学设计优化

3．1．3 Offner光学成像系统的性能评估

3．2 Offner成像系统结构设计

3．2．1 折轴镜组件结构设计

3．2．2 三反射镜组件结构设计

3．2．3 透镜组件结构设计

3．3 本章小结

第4章 Offner成像系统杂散光分析

4．1 杂散光分析的基本思路

4．2 Offner成像系统消杂散光设计

4．2．1 消杂散光措施

4．2．2 系统遮光罩的设计

4．2．3 系统消光光阑设计

4．3 系统建模与杂散光计算

4．3．1 系统建模

4．3．2 确定系统散射路径

4．3．2 系统消杂散光的能力评价

4．4 本章小结

第5章 Offner光学成像系统性能评估

5．1 系统杂散光测试

5．2 系统性能测试及评估

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文主要内容总结

6．2 论文的创新之处

6．3 存在的问题与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与申请专利情况