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基于计算成像的二次曲面共形光学系统像差校正技术研究

于佳倩  
【摘要】:共形光学系统与传统光学系统的本质区别在于其优先考虑整流罩的空气动力学性能而非系统的成像质量。校正共形头罩引入的动态像差,是共形头罩及其后方光学系统设计的关键。传统的像差校正方法包括固定校正器和动态像差校正器,有各自的局限性。因此,研究新形式的像差校正技术有着深远意义。计算成像作为一项新兴技术,将成像光学与数字信号处理技术相结合,成像性能较传统光学系统有了很大提升。波前编码技术作为计算成像中最为经典的技术之一,能够在不降低系统的光通量、成像分辨率的前提下,扩大系统焦深,也能有效抑制离焦等原因引起的像差,为像差校正提供了新思路。本文致力于基于计算成像的像差校正技术研究,重点研究了二次曲面共形整流罩像差特性及波前编码技术对离轴像差的敏感性,提出将波前编码技术应用于二次曲面共形光学系统的设计中,抑制其动态像差,进而实现光学成像系统性能改善,获得高清晰度、优良像质的目标图像。该研究能为光学成像系统设计及像差校正提供一定的理论依据及技术支撑。本文的主要研究内容包括以下三部分。(1)研究了二次曲面共形整流罩像差特性。分别建立长径比为1的椭球面、抛物面、双曲面共形整流罩的初始结构,分析了共形头罩在扫描过程中引入的动态像差变化特性。然后,以泽尼克像差理论为基础,研究了不同长径比的二次曲面共形头罩的像散、彗差随目标视场变化规律。(2)研究了波前编码技术对离轴像差的敏感性。从光学传递函数的解析表达式出发,详细分析了加入三次相位板的光学系统对离轴像差——初级像散、初级彗差的敏感性。另外,介绍了两种相位掩膜板参数优化方法,即基于PSF一致性的优化方法、基于Fisher信息理论的优化方法。(3)基于波前编码的二次曲面共形光学系统设计。将波前编码技术应用于共形光学系统进行像差校正,给出典型设计实例,证明了波前编码技术对共形光学系统中非对称像差的校正能力。在由共形头罩、固定校正器和双反系统组成的共形光学系统中添加三次相位掩膜板,用于校正共形光学系统的动态像差。根据光学系统参数及红外光学系统的特性,完成光学系统的设计并进行图像仿真,验证了波前编码技术可以有效校正共形头罩动态像差。


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