温度环境下空间遥感光学系统成像质量的检测

在离轴三反射系统热光学理论分析的基础上,利用热光学实验测试了光学系统在不同热环境下的成像质量。将实测温度代入有限元模型,计算表征镜面变形的Zernike系数。将Zernike系数输入光学设计软件,复算光学系统的理论成像质量,并与测试结果进行对比分析。结果显示,理论复算值与实验实测值相吻合,证明了理论分析的正确性。试验检测表明,系统在Nquist频率下,18℃时的静态传递函数为0．247;14～21℃时的静态传递函数为0．221～0．254,满足系统成像质量要求。     

高空高速航空相机光学窗口的热光学分析

分析航空相机光学窗口的热光学特性,选定熔石英作为窗口玻璃的材料,将热流密度加权分配到窗口外表面各个区域,并考虑整个窗口玻璃的辐射来计算其在一个工作循环内的温度分布。高空高速飞行时,气动热使窗口外表面的温度急剧上升,由于熔石英的导热率很小,窗口产生很大的轴向温差,分别取轴向温差55℃,70℃和90℃时的工况计算窗口热变形;光学窗口内、外表面的变形规律为近似球面,计算了其近似曲率半径,计算由面形变化和折射率变化引起的光程差并转化为Zernike多项式;将Zernike多项式系数带入Code V中考核窗口玻璃的光学性能,得到波像差变化量,其像面离焦量为-0.114mm,调制传递函数的下降最大值小于0.01。结果表明,光学窗口满足光学性能的要求。     

基于辐射状靶标的高分辨率光学卫星传感器像质评价方法研究

空间分辨率与调制传递函数(MTF)是高分辨率光学卫星传感器像质评价的重要参数,直接客观反映遥感器成像系统的成像质量。针对空间分辨率检测的辐射状靶标,提出一种与相同反射率大面积靶标相结合的方法,依据靶标调制度、传感器入瞳的物方调制度与像方调制度之间的关系,准确获取不含大气的星载遥感器成像系统在轨MTF与大气MTF值。实验结果表明:采用辐射状靶标法可同时获取星载遥感器成像系统空间分辨率与在轨MTF值,实时的大气MTF值为0.7519,基于辐射状靶标的在轨MTF检测结果与刃边法在轨MTF检测结果差异小于5%,该方法可用于实现高分辨率光学卫星传感器在轨像质评价。     

基于周期靶标的高分辨光学卫星相机在轨MTF检测方法

调制传递函数(MTF)是高空间分辨率光学卫星相机的重要参数之一.提出一种基于周期靶标的直接检测方法,从遥感影像数据计算得到成像系统在奈奎斯特频率处的MTF值,同时利用参数化模型获取全频率的MTF曲线.试验结果表明,在均匀的暗背景上,沿遥感器的垂轨方向与顺轨方向上分别布设5组非整像素(地面像元分辨率)间隔的三线靶标,并在...     

三线阵测绘相机光学系统的杂光分析与计算

针对光学系统的杂光导致三线阵测绘相机成像质量下降的问题,根据光学系统的设计结果,对相机入口处的杂光能量、像面杂光辐照度、杂光系数等进行了分析与计算,提出了合理的杂光抑制措施。利用ThermalDesktop软件和Light—Tools软件,对三线阵立体测绘相机各光学系统进行分析与模拟计算,得到其杂光系数均小于5％。最后进行了光学实验,并利用面源法测试了杂光系数。检测结果验证了杂光分析与研究方法的正确性以及杂光抑制措施的可行性。     

光学窗口形变对平行光管光学性能影响分析

由于环境工况的多变性,光学窗口设计交叉了光、机、热等多种学科。在压差、轴向温差及径向温差工况下,分析光学窗口形变对某大口径、长焦距平行光管光学性能的影响,建立了光学窗口的有限元模型,与理论结果进行对比,验证了该有限元模型的有效性。以有限元分析得出的光学窗口变形数据为输入数据,带入改进了的Zernike多项式光机分析接口程序,获得了与像差对应的Zernike系数。用得到的Zernike系数表示光学窗口面型,以波像差作为光学系统成像质量评价指标,分析光学窗口变形对大口径、长焦距平行光管系统光学性能的影响。结果表明:光学窗口变形对平行光管系统光学性能的影响可以忽略不计。     

微透镜阵列加工误差对光学性能的影响

研究了微透镜阵列加工误差对光学系统成像性能的影响规律,寻求利于改善光学性能的面形误差分布。对面形误差与波前像差之间的转换矩阵进行建模,使仿真与计算的波前像差达到纳米级的误差精度,选用具有正交性的Zernike多项式作为光学和机械的接口,表示加工后光学表面的面形误差,并分别作为干涉图数据引入到已设计的子眼透镜表面,量化分析不同位置下畸变、点列图、点扩展函数(PSF)、调制传递函数(MTF)的改变情况。分析结果表明相同形状分布下,面形精度峰谷(PV)值对光学系统畸变和MTF的影响呈现递变规律,并且点扩展函数的二维分布与视场位置存在明显的对应关系;相同面形精度下,向左和中心对称分布的面形误差使得畸变、点列图和MTF在一定相对位置得到改善,而降低了其他相对位置的光学性能。综合考虑各光学参数的变化情况,向右对称分布的面形误差分布对于改善光学系统成像性能有利,为实现成像质量的可控超精密加工制造提供了理论基础。     

三线阵CCD立体测绘相机的集成装调

考虑几何精度对三线阵CCD立体测绘相机测绘精度的影响,研究了测绘相机组合体的装调方法以建立和保证相机的空间几何关系。首先,介绍了测绘相机组合体的结构和坐标系的定义;其次,提出了各基准立方镜和相机的装调要求;最后,确定了多相机集成装调流程,重点介绍了测绘相机的装调步骤。装调结果表明：各相机的光学传递函数〉0.2,畸变〈0.03%,测绘相机的空间几何关系满足要求,提出的集成装调技术有效地保证了测绘相机的空间几何关系。     

光电平台变焦镜头光机结构设计及热光学分析

针对光电对抗稳定平台中的变焦镜头进行了光机结构设计及热光学特性分析。根据30~120mm变焦要求采用凸轮机构进行结构设计。为确保工作在高低温环境下的光学系统获得高分辨率的目标图像,利用有限元方法分析了高低温环境下整机热变形与轴向温度场下变形位移,采用Zernike多项式对形变后的镜面进行拟合,带入Zemax软件分析出调制传递函数(MTF)、峰谷值(PV)、均方根(RMs)等评价函数随温度变化曲线,验证了光机设计的合理性。经过高低温可靠性实验对分析结果与变焦光学系统的温度适应性进行了验证。     

推扫式光电成像系统调制传递函数测试装置的设计

光学遥感系统采用线阵CCD推扫成像方法获取地面景物的高分辨图像信息,调制传递函数(MTF)是评价系统成像质量的重要参数。使用矩形波板作为目标在Nyquist频率处测试光电成像系统的静态调制传递函数可以定量评价系统的成像质量。由于采用线阵CCD推扫成像的光电系统还需要测试其在像移补偿、偏流角控制状态下的动态调制传递函数(Dynamic MTF),才可以定量评价系统在工作状态下的动态成像性能。为此,论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研究了测试系统的组成与工作方法,对其中的平行光管组件与动静态目标发生装置进行了仿真设计。其中平行光管的波像差优于25 nm(RMS),静态目标发生装置的调焦精度优于3 m,动态目标发生装置的输出像移补偿偏差小于5/1 000,照明均匀性优于95%,可以理论上实现非相干照明。上述仿真设计结果可以满足新型光学遥感成像系统实验室内动静态调制传递函数的测试需求。     

温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响

为研究温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响,分析了温度变化对光谱仪中准直镜头、成像镜头以及干涉仪组件各光学系统组成部分性能参数的变化关系,建立了温度对光谱仪谱线漂移影响的模型,通过软件仿真和热光学实验对理论模型进行了验证。结果表明,良好的镜头光学设计方案可有效避免星载环境下温度对镜头组件光学性能的影响,干涉仪组件温度变化会使系统基频变化直接导致光谱谱线的漂移,同时温差过大会对光谱仪光谱分辨率产生影响,使光谱谱线发生变形。针对星载空间外差干涉型光谱仪中干涉仪组件的温控条件,应依据基频、结合光谱分辨率和带宽等性能指标提出严格的温控范围。     

光纤成像光谱仪中谱线畸变对调制传递函数的影响

将光纤传像束应用到色散型成像光谱仪中取代其狭缝,链接望远系统和光谱仪组成光纤成像光谱仪。它是二重采样系统,光谱仪的谱线畸变使光纤束采样像元的像与探测器像元之间产生对准偏差,从而对第二次采样过程产生影响,导致调制传递函数(MTF)下降。从线扩散函数角度出发推导出采样过程光学传递函数,分析了谱线畸变对系统MTF的影响,建立了一套评价光纤成像光谱仪MTF的模型。该模型比狭缝型成像光谱仪MTF计算模型多了一项光纤积分MTF因子和一项由谱线畸变引起的对准偏差MTF因子,最后用该模型评价了某机载可见近红外波段光纤成像光谱仪MTF。MTF计算模型的推导和建立方法对计算二重采样系统光学传递函数有参考意义,能指导光纤成像光谱仪的设计。     

CCD的输出响应与相机MTF测试

以往在测试CCD相机的调制传递函数 (MTF)时 ,通常未考虑CCD像元的输出响应对测试的影响 ,因而导致了相机的MTF测试数据与理论计算值存在着一定的偏差。在采用高对比度靶标对线阵CCD相机MTF进行测试时 ,根据对测试数据的分析 ,发现在CCD像元的响应中包含着一种不同于像元暗电流的基底响应。通过考察CCD在不同照度下的输出响应 ,将以往的CCD绝对定标公式进行扩展 ,可以得出CCD像元的基底响应与暗电流对计算相机MTF的影响关系。据此 ,可以在CCD相机系统测试过程中得到相机的真实MTF数据 ,并且为CCD相机的图像后期处理提供了一种方法     

CCD相机动态传递函数核心测试设备的设计

高分辨率CCD相机的动态传递函数测试设备主要用在实验室条件时使用,模拟相机在飞行状态时地面景物的空间运动轨迹,综合评价相机系统在自身动态像移补偿、偏流角控制下的成像质量。与传统的静态传递函数相比,该项指标能够更好地反映CCD相机在实际工作状态下的成像质量。以动态传递函数测试的基本原理为基础,提出了系统中的关键测试设备—动态目标发生器的研制思路,并对设备的测试精度进行了分析,得到了动态目标发生器光学/机械系统的工程化设计方案。     

空间CCD相机高精度在轨调制传递函数估算

空间电荷耦合器件(CCD)相机在轨调制传递函数(MTF)估算由于噪声影响、边缘方向不够准确以及边缘扩展函数(ESF)构建精度低,而最终导致MTF估算精度低,针对此问题提出了一种适于空间CCD相机的高精度在轨调制传递函数估算方法。先根据CCD动态成像特点建立像移速度模型,求出精确的刃边方向,然后提取出满足要求的刃边图像。在考虑噪声情况下修正调制传递函数理论模型,并提出基于CCD相机传递函数参数模型的线扩展函数构建方法,对构建的线扩展函数进行求导和傅里叶变换得到估算的MTF。实验结果表明,此方法可以高效地在轨估算MTF,与传统方法相比,MTF估算的值提高了28.71%,有效性地提升了在轨MTF估算精度。     

Bayer滤波型彩色相机调制传递函数测量方法

Bayer滤波型彩色相机广泛应用于航天遥感、空间对地观测、环境监测等领域.由于Bayer滤波片造成彩色相机相比黑白相机在像质方面进一步退化,如何对Bayer滤波型彩色相机成像性能全频段综合评价是目前亟待解决的问题.调制传递函数(MTF)是相机成像性能综合评价的关键指标,传统调制传递函数测量方法无法实现对Bayer滤波型彩色相机MTF全频段高精度测量.为了解决这个问题,本文提出了一种采用旋转刀口靶测量彩色相机调制传递函数的方法.理论方面,推导了Bayer滤波型彩色相机调制传递函数测量理论模型,仿真分析了刃函数采样率和刀口刃边倾斜角度误差对调制传递函数测量精度的影响,并给出了计算算法.实验方面,对彩色相机R,G,B三基色调制传递函数权重因子进行了实验定标,并搭建了基于条纹板和旋转刀口靶的彩色相机调制传递函数测量试验装置.采用旋转刀口靶法和条纹靶板法测量彩色相机MTF结果在耐奎斯特频率f_c处极差为0.061,在空间频率f_c/2处极差为0.043,试验结果验证了所提方法的有效性.     

光学稀疏孔径系统的成像及其评价方法

对典型阵列结构的光学稀疏孔径系统成像特性进行了数值仿真分析,并采用基于光学实验测量的调制传递函数（MTF）完成了光学稀疏孔径系统成像实验的图像复原处理.针对复杂目标成像,为了评价光学稀疏孔径系统最终成像的整体质量,不仅考虑系统的调制传递函数指标,还提出了一种基于相关系数的成像质量客观评价方法.数值仿真结果和光学实验结果均表明,基于相关系数的成像质量客观评价方法是可行的,实验说明光学稀疏孔径系统成像质量可以达到其等效单个大孔径成像系统的成像效果.     

高分辨率航空相机动态调制传递函数数值分析

航空振动是影响动态高分辨率航空相机成像质量的主要因素.利用"运动的概率密度函数相当于光学系统的点/线扩展函数"这一概念,采用光学传递函数的理论,并运用调制传递函数(MTF)作为评价像质的工具,得到了动态调制传递函数的一般表达式.详细分析线性运动、正弦规律变化的振动和随机振动对像质的影响,并用Matlab软件进行仿真分析.结果表明,得到的结论与其它相关文献的分析结果和理论相吻合的,而且该方法可以推广到二维运动形式下的调制传递函数分析.对振动下系统MTF 与静态情况下进行了实验比较,结果表明在相同奈奎斯特频率处下降0.3左右,与仿真结果一致.该方法可用于预估与评价航空相机和其他光电系统成像质量,该结果也可用于去卷滤波以实现图像复原.     

亚10 μm线宽的投影光刻物镜设计及其成像性能的实验测定

 采用Zemax软件设计出6镜片、数值孔径为0.06、2倍缩小、以405 nm半导体激光器为光源、分辨精度达5 μm、视场12 mm×12 mm 内波像差小于1/4波长、畸变小于0.005%的双远心投影光刻物镜的设计方法。将设计的物镜实物化,并对其光学传递函数(MTF)作精确的实验测定,利用所提出的MTF标准实验测量法,得到该投影物镜的成像性能达亚10 μm线宽。     

基于光学成像的束流截面分布诊断系统

为了准确测量加速器氘离子的束流截面分布,开展了光学成像系统的设计研究。根据截面分布测量的要求,设计了光学成像系统的指标参数。采用光学设计软件ZEMAX进行了光学成像系统的设计,并通过标准白光光源和线对率板对成像效果进行检验。设计和检验的结果表明,该光学成像系统的总体成像质量较好,畸变小于0.05%,在光学分辨率为30lp/mm的条件下,中心和边缘视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.7。将完成设计加工的光学成像系统应用于氘离子束流截面分布测量实验,实验结果初步表明,基于荧光屏的光学方法测量束流截面分布是可行的。