宽波段平面光栅型成像光谱仪光学系统研究

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1、宽波段平面光栅型成像光谱仪光学系统研究郑成2015年1月中图分类号：TN23UDC分类号：681.7宽波段平面光栅型成像光谱仪光学系统研究作者姓名郑成学院名称光电学院指导教师唐义副教授答辩委员会主席崔志刚教授申请学位工学硕士学科专业光学工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchontheOpticalSystemofBroadbandPlane-GratingImagingSpectrometerCandidateName：ChengZhengSchoolorDepartme

2、nt:OptoelectronicsFacultyMentor:Asso.Prof.YiTangChair,ThesisCommittee：Prof.Zhi-gangCuiDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor：OpticalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究

3、成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要成像光谱仪同时具有传统光谱仪获取目标光谱信息功能和传统成像遥感仪获取目标影像信息的功能，是一种光谱技术与成像技术有机结合的新型光学遥感仪器。为了能够给后期宽波段平面光栅型成像光谱仪研制提供较为理想的光学系

4、统结构，本文对宽波段成像光谱仪的应用需求、系统分类、像差理论、结构特点、设计方法进行了研究。本文在介绍成像光谱仪相关基础理论的前提下，提出以光栅为分划点分别校正前后光路的像散从而完成系统像散校正。并以该设计思想为指导设计了基于双柱面镜系统的Czerny-Turner成像光谱仪光学系统结构。为满足成像光谱仪光谱分辨力与空间分辨力的要求，在光学设计前首先分析了成像光谱仪的像差理论，接着针对该结构分别讨论了其对应的消像散条件，然后分析并得出其对应的宽波段成像条件，最后设计出宽波段平面光栅型成像光谱仪系统，其光

5、学结构满足设计指标。设计的宽波段平面光栅型成像光谱仪的工作波段为200-700nm。基于双柱面镜系统的成像光谱仪，其光谱仪系统的准直光路与聚焦光路同样采用双柱面镜系统结构，全系统中只有柱面镜与平面光栅，易于加工与装调，但由于反射面较多，光能利用率不是很高。成像光谱仪系统光谱分辨力优于3nm，MTF在25lp/mm时，全波段全视场对比度优于0.4。本文还提出了消像散型Czerny-Turner成像光谱仪的一种畸变校正方法。首先分析了光栅在不同位置所得图像的差异，并给出校正方法和公式，接着分析了光栅在1级位

6、置时不同波长对重建图像的影响和公式推导，然后分别给出了基于柱面镜和基于超环面的成像光谱仪畸变校正系数公式，最后通过理论计算、ZEMAX光线追迹仿真和实际光谱成像测量验证了畸变校正系数公式的正确性以及畸变校正方法的易于操作性。该畸变校正公式和方法能为其他准直光工作条件下离轴结构色散型成像光谱仪的畸变校正研究提供参考。关键词：成像光谱仪；宽波段；双柱面镜系统；像差校正；光学设计；畸变校正I北京理工大学硕士学位论文AbstractImagingspectrometer,whichhasboththefunct

7、ionoftraditionalspectrometertoobtainspectralinformationandtraditionalimaginginstrumenttoobtaintargetinformation,isanewkindofspaceopticalremotesensinginstrumentcombiningimagingtechniquewithspectrumtechnique.Inordertoproposeanidealopticalstructureforthecor

8、respondingfabricationofthebroadbandplane-gratingimagingspectrometer,theapplicationrequirements,systematicclassification,structuralcharacterization,aberrationtheoryanddesignmethodsoftheimagingspectrometerisstudiedinthisdiss