微透镜阵列积分视场成像光谱仪的研究与设计

doi:BF36A8B23343792ACA34031C3C13C3B9

	微透镜阵列积分视场成像光谱仪的研究与设计
	刘嘉楠
学位类型	博士
导师	王成 ; 崔继承
	2019-06-30
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	成像光谱仪积分视场成像光谱仪微透镜阵列傅里叶光学光学设计
摘要	积分视场成像光谱仪是在二十世纪末出现的一种三维成像光谱仪器,最初是应用于天文光谱观测领域。它与狭缝型成像光谱仪的不同之处是在狭缝的位置处,由一个用于视场分割的积分视场单元所替代。积分视场单元的主要原理是将二维的观测目标进行连续切割成若干的单元目标信息,这些单元信息在二维视场上被重新排列,然后被其后端的光谱仪系统收集,通过一次的曝光就可以实现二维观测目标的三维数据立方体(x,y;λ)的同时采集,从而获取天体的完整信息。积分视场成像光谱仪由于其单次扫描的优势,可以大大的节省望远镜宝贵的观测时间,同时还可以避免扫描过程中,由大气状况在观测的过程中产生的变化对所获得的观测数据的影响,可以极大地提高所得到的观测数据的稳定性和一致性。积分视场成像光谱仪目前是实现三维成像光谱技术的最有效的手段之一,同时也是成像光谱仪器研究的焦点之一。根据积分视场单元的不同,积分视场成像光谱仪可分为三种不同类型,即微透镜阵列型的积分视场成像光谱仪器、微透镜阵列加光纤型的积分视场成像光谱仪器,以及像切分器型的积分视场成像光谱仪器。与基于光纤及像切分器的积分视场成像光谱仪比,基于微透镜阵列的积分视场类成像光谱仪具有明显优势。该类型的积分视场成像光谱仪分割视场的关键器件——微透镜阵列性能成熟、市场易获得,总体结构紧凑、成本低、可小型化、具有在医学、农业、物探等其他领域广泛应用潜力。但微透镜阵列积分视场成像光谱仪中所应用的微透镜阵列属于二元光学元件,它的引入极大地增加了光学系统的复杂性。因此,基于此,本文对基于微透镜阵列的积分视场成像光谱仪的系统原理以及设计方法进行了深入的研究,主要研究工作如下:第一,对微透镜阵列积分视场成像光谱仪的原理进行了深入的研究与分析。并根据其原理特性,分析了前置成像系统对微孔径的影响。为了得到均匀分布的微孔径,前置成像系统需要采用像方远心的光学结构。并经过几何光学分析,给出前置成像系统的像方远心度,即对某一视场主光线在微透镜阵列上的入射角α要求小于每个阵列透镜所对应的视场角的二分之一。第二,根据傅里叶光学原理,对微透镜阵列积分视场成像光谱仪中视场分割的关键部分,即微孔径的视场分割模型进行了分析与模拟,并进行了验证。随后分析了不同微透镜阵列直径、曲率半径、F/#对微孔径能量分布变化的影响,以及对相邻微孔径之间的光学串扰的变化规律,并依此得到最佳微孔径能量分布。第三,提出了一种高精度、高灵敏度的装调方法。微透镜阵列属于二元光学元件,对系统装调的灵敏度要求比传统成像光谱仪的精度更高。因此,提出了一种基于复色光杨氏双缝干涉为辅助系统的装调方法,从而达到更高的装调灵敏度。并对该方法进行了几何光学原理的分析与模拟,最后给出了装调误差精度的评价函数。第四,对微透镜阵列积分视场成像光谱仪进行了分部的设计以及整体的一体化优化设计。首先对前置成像系统不同光路结构进行了光学结构设计并对其成像质量进行了分析与评价,然后对其后的光谱仪系统进行了光学系统的设计。最终将整体的光学系统结构进行了一体化的优化,得到成像质量良好、光谱分辨率满足系统要求的光学系统。第五,提出了系统的装调要求,并完成了系统的机械设计与最终的系统装调。最后进行了系统的实验以及原理的验证。
页数	124
DOI	BF36A8B23343792ACA34031C3C13C3B9
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63817
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	刘嘉楠. 微透镜阵列积分视场成像光谱仪的研究与设计[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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