大口径宽波段薄膜衍射成像系统设计

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1、硕士学位论文大口径宽波段薄膜衍射成像系统设计DESIGNOFDIFFRACTIVEMEMBRANCEIMAGINGSYSTEMWITHLARGEAPERTUREANDWIDEBAND胡佳盛哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP702学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工学硕士学位论文大口径宽波段薄膜衍射成像系统设计硕士研究生：胡佳盛导师：任智斌申请学位：工学硕士学科：光学工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP702U.D.C:620Dissert

2、ationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNOFDIFFRACTIVEMEMBRANCEIMAGINGSYSTEMWITHLARGEAPERTUREANDWIDEWAVEBANDCandidate：HuJiashengSupervisor：RenZhibinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：OpticalEngineeringAffiliation：SchoolofAeronauticsDateofDefence：June,20

3、18Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学硕士学位论文摘要遥感卫星成像技术目前已在全球得到广泛应用，遥感系统的分辨率与其使用的光学系统的口径直接相关。美国国防预先研究计划局对大口径地球静止轨道遥感卫星提出MORIE(MembraneOpticalImagerReal-timeExploitation)卫星研究计划，该方案拟采用薄膜衍射主镜来实现10米量级以上口径光学系统对地面的实时成像。采用薄膜作为主镜的优势在于其面密度极轻、生产工艺简单且对面形的公差要

4、求低，所以具有很强的工程实施性。但其衍射特性导致的极大色差带来了很大的光学设计难度，因此目前国内外并没有具体的设计结果公布。本文利用谐衍射透镜作为系统的主镜，采用多波段成像的方式缩短不同波段的焦距差来降低色差，结合后续的Schupmann校正光路使得色差进一步降低，从而提升系统像质，使成像系统的波段宽度是MORIE计划指标的3倍、视场是其8倍。首先，本文研究了薄膜衍射成像系统的原理，分析了衍射透镜的成像原理，衍射透镜的色散和部分色散特性，衍射透镜的初级像差系数以及衍射透镜的衍射效率。在此基础上考虑到整体口径薄膜衍射主镜的实现难度，研究了拼接口

5、径主镜的设计方式，并对比分析整体口径与拼接口径的薄膜衍射主镜的像质，确定了主镜面形的拼接方式。其次，由于薄膜衍射主镜的色差问题，研究了后续的消色差光路，采用矩阵方程推导其消色差原理，计算得到成像系统的初始结构参数。之后，在MORIE指标下对初始结构进行优化，得到符合指标要求的光学设计结果。在此基础上保持其他指标不变，扩大视场优化后，得到视场为MORIE指标8倍的光学设计结果，并对该设计结果的像质展开分析。最后，为了进一步扩大成像系统的波段宽度，研究了谐衍射成像原理。成像系统使用谐衍射主镜，选取衍射效率都达到90%以上的三个成像波段，在ZEMA

6、X中采用多重结构进行光学设计，最终可以达到波段宽度是MORIE指标的3倍、视场是其8倍的设计结果，后续对像质进行了分析。关键词：薄膜主镜；谐衍射透镜；消色差；光学设计；像质分析-I-哈尔滨工业大学硕士学位论文AbstractRemotesensingimagingtechnologyhasbeenwidelyappliedintheglobal,andtheresolutionofremotesensingsystemisdirectlyrelatedtotheapertureoftheopticalsystem.DARPARproposed

7、aresearchplanforlargeaperturegeostationaryremotesensingsatellitenamedMORIE(MembraneOpticalImagerReal-timeExploitation).Thisschemeintendstousediffractivemembraneprimarylenstorealizereal-timeimagingoftheground,theapertureofwhichis10metersorabove.Theadvantageofusingmembraneast

8、heprimarylensisitsstrongengineeringimplementation,includinglowsurfacedensity,simpl