具有二元光学校正元件的反射式光学系统研究

论文摘要

二元光学是基于光波的衍射理论,利用计算机辅助设计,并利用微电子技术中的超大规模集成电路制作工艺,在片基上(或传统光学元件表面)刻蚀产生多个台阶深度的浮雕结构的衍射光学元件的一门前沿交叉学科。二元光学元件具有体积小、重量轻、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特及衍射效率高等优点,现已广泛应用于红外光学系统、光纤通信、全息显示、光学扫描、图像识别和图像处理、生物医学、国防军事等领域。将二元光学技术应用于航天光学遥感系统,有助于减小系统的体积和重量,提高系统的性能,降低系统的成本。本文围绕二元光学在成像系统设计中的相关理论,设计了具有二元光学校正元件的离轴三反射镜光学系统。二元光学元件扩大了系统的视场,使之达到4°×3°,成像质量接近衍射极限。本文的主要内容包括:光学系统技术指标的确定,传统反射式光学系统的设计,具有二元光学校正元件的反射式光学系统的设计,二元光学元件对像差校正作用的分析以及二元光学元件制作误差对衍射效率的影响的分析。利用二元光学元件扩大反射式光学系统的视场在理论上是可行的。带有二元光学校正元件的反射式光学系统可设计用于可见光和红外波段的空间目标监视、对地遥感观测等领域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 反射式光学系统的国内外发展现状
• 1.2.2 二元光学在成像系统中的应用的发展现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 光学系统技术指标的确定
• 2.1 焦距与视场角
• 2.2 光学系统的F数的选择及其限制
• 2.3 验证CCD探测器的能量要求
• 2.3.1 CCD推扫行频时间和积分时间
• 2.3.2 CCD的输出电压与信噪比
• 2.4 本章小结
• 第3章 传统反射式光学系统设计
• 3.1 共轴三反系统理论
• 3.1.1 共轴三反系统结构参数求解的一般性方法
• 3.1.2 共轴三反系统中镜面面形的说明
• 3.2 光学系统初始结构的求解
• 3.2.1 求解初始结构的另一种方法
• 3.2.2 光学系统初始结构参数的确定
• 3.2.3 光阑离轴量的求解
• 3.3 优化结果及像质评价
• 3.4 本章小结
• 第4章 二元光学元件初级像差理论
• 4.1 二元光学元件的初级单色像差特性
• 4.1.1 光阑密接于衍射透镜时的初级像差公式
• 4.1.2 光阑远离衍射透镜时的初级像差公式
• 4.2 二元光学元件的色差特性
• 4.3 本章小结
• 第5章 具有二元光学校正元件反射式光学系统设计
• 5.1 反衍混合系统的设计及像质评价
• 5.2 二元光学元件的结构分析
• 5.3 二元光学元件对像差校正作用的分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 制作误差对衍射效率影响的分析
• 6.1 理想情况菲涅尔透镜的衍射效率
• 6.2 存在制作误差的情况下的衍射光学元件的衍射效率
• 6.2.1 刻蚀深度误差对衍射效率的影响
• 6.2.2 线宽误差对衍射效率的影响
• 6.2.3 对准误差对衍射效率的影响
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢