| 题名 | 中子扫描变像官超快诊断技术 |
| 作者 | 廖华 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2000 |
| 授予单位 | 中国科学院西安光学精密机械研究所. |
| 关键词 | 空间详查 IDI CCD相机 光学系统设计 光学公差 计算机辅助装校 |
| 中文摘要 | 本文的研究目的是从空间详查相机的关键技术一光学系统的设计与研究入手，在国内率先展开对空间详查相机的研究，以尽快满足用户需求。论文丛空间详查相机国内外发展状况、其结构型式的分析论证、可选的6种方案的设计理论与方法、其5种方案的具体设计与像质评价、其加工装配公差制订的新途径、四种计算机辅助装校方法的原理研究等六个方面，力图将详查相机研制所可能遇到的技术难点预先进行剖析与解决，为我国详查相机研制迈开第一步作出应有的贡献。本文提出并研究了6种详查相机光学系统的预选方案，它们是：方案1-R-C系统加无光焦度视场校正器型(参见图2-3-4)；方案2一反射式Cooke三镜离轴平场TMA(参见图2-4-6)；方案3-共轴十字光路正平场TMA(参见图2-4-1)；方案4-共轴偏视场平场TMA(参见图2-4-4)；方案5-子瞳偏视场离轴平场TMA(参见图2-4-5)；方案6一反射式施密特系统(参见图2-4-14)。本课题是一个设计难度较大的系统，主要指标为焦距12米，相对孔径 1／10，视场角(1.5°-2°)，外型尺寸为(4m * 2m * l.5m)，线遮拦比不大于0.3，无渐晕，谱段(0.5-0.9)μ m，综合像质接近衍射极限，这一指标超过了国际上已发表的所有同焦距等级的高分辨率相机的水平。本文在大量研究工作的基础上，探索出一系列实现设计要求的新方法，同时又要考虑加工与装调的可能性。具体而言，本文主要研究内容有：1．空间详查相机光学系统选型论证分析本文在大量数据资料的基础上，研究了空间TDI CCD详查相机国内外的发展概况，阐明了课题的应用背景和意义，总结了此类系统的发展趋势。分别对折射式、折反式、反射式等不同类型实现详查相机光学系统的可能性进行了充分的论证，得出了上述6种可选结构方案，这些方案尤其是带有中间像的平场TMA类型是当今国际上研究的热点，这些类型的研究对于长焦距光学系统的理论和实践均具有重要意义。2．六种方案的设计方法新探本文对6种方案均研究出了特定的有效的求解方法，对其中5种设计方案给出了设计结果，此中有3种方案满足本课题的设计要求。本文在解外型尺寸和初始结构参数中所运用的某些独到的方法对于其它长焦距光学系统的设计也具有参考价值。2.1．方案1：采用了一个四片近无光焦度视场校正器作为R-C系统的轴外像差补偿器，通过解初级球差、初级慧差、初级像散方程组的方法确定初始结构参数，推导了求解公式，采用了一个高次非球面消除较大的畸变，最终得到一个视场1.5°的折反系统，但是此系统属小相对孔径和小遮拦比的系统，一次入射的杂光消除困难，研究结果表明，所能达到的视场解、线遮拦比、像差校正能力之间存在着相互的矛盾，年以该方案不是本课题的优选方案，但当视场角要求较小(≤1°)时,此类系统多被采用，尤其是有大孔径要求的场合。本文推导的遮光罩长度与结构参数和性能参数的关系公式对于合理优选R-C系统的设计参数具有指导意义。2．2方案2： 采用了一个Cooke三片型离轴TMA，孔径光栏位于次镜，利用偏轴视场得到适合线阵推扫CCD型相机的条形视场。论文推导了光栏位于次镜的平场TMA像差求解公式和外型参数的确定方法，推导了此类系统实现像方平场远心光路的条件，探讨了此类系统运用两个二次非球面和一个球面的可能性，并获得成功，最终得到了一个含有两个二次非球面和一个球面的大视场离轴像方平场远心光路的TMA，视场为5°* 0.5°，但外型尺寸要求不能满足，但是本文研究的Cooke型离轴TMA可以实现相对孔径范围(1／4－1／16)、视场在10°以上的结构较小的像方远心平场光学系统，其中含有一个球面和两个二次非球面，对于加工和装校更加有利，其性能指标超过了美国和日本学者发表的结果，达到了国际先进水平，这—结果对于我国空间宽覆盖侦察相机的发展具有重要的理论和实际意义。2．3方案3：采用了一种共轴十字光路平场TMA系统，该系统属共轴性质，在主次镜之间的中间像附近利用45°折转反射镜使光轴进行90°折转。论文推导了设计公式，编制了初始结构参数计算程序，提出了并推导了系统无二次遮拦的条件，推导了共轴十字光路平场TMA无二次遮拦情况下所可能达到的最大视场计算公式，并将其作为初始解筛选判掘，提高了选解方向性，这是本文在解些类系统时的新的尝试。结果得到了满足全部设计要求的诸多解。对于此类系统的研究结果表明：共轴十字光路TMA型式的像差校正能力随焦距的增加逐渐减弱，在本课题设计要求下可以达到3°左右的校正能力，但实际使用视场限制一般不超过2°。本文建立起来的利用无二次遮拦条件选取初始解的方法使得此类系统的设计更加具有条理性和方向性，使在全局范围内寻措到综合最优初始解成为可能。2．4方案4：采用了一种共轴偏视场平场TMA，这是一个中间像位于主镜顶点附近的使用轴外条形偏视场的共轴型式，借助于条形折转反射镜将焦面引出光路以外。论文提出了最小偏轴视场和最大可用视场两个参数，设计原则是最小偏轴视场尽可能小和最大可用视尽可能大，推导了此类系统无二次遮拦的条件和最小偏轴视场求解公式，对于全局优化选解提供了有利的判据，提高了设计效率和系统性能，据此我们得到了完全满足设计要求的诸多系统，其中一例主要结果为视场2.4°。这是本本对于此类系统设计的新探索，所研究的设计方法和后到的最小偏轴视场分布规律有于在全局范围内挖掘设计的最大视场潜力，，在同等性能参数和外型尺寸要求下此类系统可获得更大的线条形视 ii场，其范围在(2—3)°左右，若视场角要求减小则可以获得更小的外型尺寸。2．5方案5：采用了一种子瞳偏视场离轴TMA，其原始系统为一相对孔径较大的共轴系统，为避开次镜遮拦，实际利用了其一个子瞳，在使用偏视场时可获得相对孔径较小的条形视场的离轴TMA。论文推导了带有中间像的子瞳偏视场离轴TMA的相对孔径和其原始系统相对孔径的关系公式，论述了此类系统的设计方法，并得到了多个达到本课题设计要求的系统，其一为视场2°。研究表明：系统筒长约为焦距的1／4，当相对孔径为1／10时，其原始系统的相对孔径在1／4左右，视场可达到2°－3°左右。当主次镜间距和第三镜后截距相当时，可以不加折转反射镜，因而可以得到结构紧凑镜片数目少带有中间像的大视场系统，此类系统的弱点是加工装调困难。2．6方案6：采用了一种近年来因际上研究较多的反射式施密特系统，提出于三次折叠的反射式施密特系统新型式，与传统方法不同的是，本文采用了费马原理进行设计，并对于校正面突起的厚度进行直接补偿求解，这也是本文的一个特色。本文的研究三次折叠型式和求解方法对于小相对孔径的施密特系统的应用开辟了广阔的前景。2．7论文对于完全能满足课题设计要求的三种方案：方案3、方案4、方案5进行了综合像质评价和性能比较，经比较本文府为方案4为最佳，方案5次之，再次为方案3。3．多级优化补偿法制订非球面光学系统加工和装调公差新探．本文首次提出了一种多组优化补偿法来放松非球面反射系统的光学加工么差方法，目的在于放松非球面反射系统超严的光学加工公差。并以一个三反系统的公差设计为例说明该方法的可行性和实用性。这种方法不但对于反射系统适用，对于其它类型的超严公差系统也可适用。本文的研究结果表明：该方法司以对于参数较少的系统如非球面系统的严公差进行放松，解决此类系统加工和装调公差过严的问题，对于非球面系统的研制具有实际应用价值。4．非球面光学系统计算机辅助装调原理与方法论文还对非球面和非旋转对称类型的光学系统计算机辅助装调的四种方法进行了理论研究与探索，对于常用的适应法和最小二乘法装调的数学模型进行了理论推导，对于这两种方法中存在的像差与调整参数线性近似问题提出了非线性修正的方法。本文还提出了一种随机抽样计算机模拟装调的新方法这种方法在原理上可以实现装调的一步到位，采用非线性近似进行寻优，侃认工的工量大大降低，因此本方法具有用前景，尤其是可解决于空间离位问题。本文还研究了用线扩散函数作为控制函数的光学系统装调方法，由于这种方法无须使用干涉仪，而是直接测量系统的线扩敞函数，因此设备和过程相对简单，适合空间应用。本文的研究结果对于当前的非球面窨系统的研制具有重要的理论参考价值。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2011-10-09 |
| 页码 | 151 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.opt.ac.cn/handle/181661/12422]  |
| 专题 | 西安光学精密机械研究所_中国科学院西安光学精密机械研究所(2010年前) |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 廖华. 中子扫描变像官超快诊断技术[D]. 中国科学院西安光学精密机械研究所.. 2000. |
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