宽波段紧凑型环形孔径透镜成像系统设计

作     者：王少颖 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋世磊

授予年度：2024年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：环形孔径 端到端设计 衍射光学元件 图像复原 二次反射 杂散光分析 

摘      要：随着点金刚石车削、精密模压等先进光学加工技术的不断进步,非球面和异性面透镜的加工精度得到了显著提升。这些技术的快速发展不仅推动了光学在工业和商业领域的应用,还使得设计高性能环形孔径成像系统成为可能。文中分析了环形孔径镜头在空间相机设计中的应用方案与发展趋势,采纳端到端式光学-数字联合优化成像方案,将其应用至折衍混合光学系统。该方案有效地解决了在宽波段下衍射光学元件衍射效率降低的问题,标志着计算光学新分支的兴起,并在现代光电成像系统中展示出巨大的应用优势。 环形孔径成像系统采用端到端式光学-数字联合成像设计方法,主要包括镜头优化成像设计、求取PSF退化模型、图像复原三个部分。文中先从空间相机使用需求出发,分析出了环形孔径镜头不同的遮拦比、外直径、反射折叠次数等不同条件下对分辨率、光收集率、系统体积及系统长度等指标的影响,并确定了二次及四次环形孔径系统的光学参数指标。其中,二次反射环形孔径工作波段确定为0.45～1μm,焦距为185mm,视场为5°,F数为4,遮拦比为0.35,系统总长为67.8mm。其次,根据系统结构形式计算出初始结构,并针对目标约束编写ZPL宏语言等控制优化,根据每次迭代的结果对约束条件进行调整,逐步达到系统的技术要求。对仿真结果进行了像质分析,并进行了初步公差分析,以确保装配和调整的合理性。同时,对影响衍射效率主要级次的点扩散函数进行一致性优化,构建出空间不变的点扩散函数模型,为后续图像复原建立复原函数,实现退化图像的复原,并对复原结果进行了评价。评价结果表明,该环形孔径设计方案可以减弱由低衍射效率造成的模糊,从而扩展了折衍混合环形孔径系统的应用波段范围。 最后文中对环形孔径系统进行杂散光分析,使用外部与内部挡光结构来消除主要背景杂散光。对于大视场背景杂散光,采用叶片形挡光元件进行抑制。PST曲线分析揭示了对辐射源的抑制程度,当强光光线离轴半视场大于20°时,点源透射率值小于1.0×10-5,符合空间相机的一般设计要求。