大气二氧化硫遥感监测紫外连续变焦镜头光学设计

作     者：尚涵 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟祥翔;杨晓许

授予年度：2024年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 09[农学] 083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0903[农学-农业资源与环境] 0706[理学-大气科学] 0816[工学-测绘科学与技术] 081602[工学-摄影测量与遥感] 0803[工学-光学工程] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：二氧化硫监测 紫外成像 连续变焦镜头 光学设计 

摘      要：二氧化硫危害生态环境,威胁人类健康,是大气中的常见污染物之一。紫外成像遥感监测技术是一种可实现对二氧化硫实时监测的手段,其核心设备为紫外相机。但是目前国内用于该监测方法的紫外相机多采用定焦镜头,在不同场景下的二氧化硫实时监测中带来诸多不便。变焦镜头在拍摄不同距离处的烟羽时,不需移动设备位置便能迅速对焦,像面稳定不变,还能保证高质量成像。因此,搭载有紫外连续变焦镜头的紫外相机在二氧化硫监测中能带来极高的便利性,应用场景将也随之增多。为了满足大气二氧化硫遥感监测在不同距离下高清晰度成像的使用需求,基于变焦系统高斯光学解的理论分析,利用ZEMAX软件设计了一款10倍紫外连续变焦镜头,具体研究内容如下: (1)根据变焦光学系统遵循的物像交换、像面位置固定等规律,讨论了变焦光学系统设计中的变焦形式,重点进行了二组元机械补偿变焦光学系统高斯解的理论计算,以此建立了二组元机械补偿式紫外连续变焦光学系统的数学模型。 (2)综合考虑二氧化硫紫外相机监测的使用波段、应用场景以及成像质量需求制定紫外连续变焦系统的设计指标,并使用缩放法获得了系统的初始结构。利用光学设计软件ZEMAX对初始结构进行优化,最终得到的光学系统的焦距范围25～250mm,总长为431.5mm,F#为4,可实现10倍连续变焦。在变焦过程中:系统的调制传递函数在107lp/mm下始终大于0.3;所有变焦位置的中心视场弥散斑均方根半径均小于5.5μm,几何半径小于8μm;最大相对畸变小于1%。 (3)利用ZEMAX软件公差分析模块对紫外连续变焦光学系统进行灵敏度分析与蒙特卡罗分析,最终得到了紫外连续变焦光学系统的公差范围。基于动态光学理论阐明了凸轮曲线的拟合方法,分析了变焦过程中凸轮直径、工作转角以及螺旋升角三者满足的等量关系,并利用MATLAB软件拟合了实现连续变焦的凸轮曲线。最后利用ZEMAX软件对紫外连续变焦光学系统不同焦距处的成像进行了模拟。