三子镜与三臂形疏孔径的对比研究.ppt

时间：时间： 2013.1 2013.11 1编编号：号：L0621研究论文：研究论文：本课题的研究成果已经于2013 2013 年年 11 11 月月15 15 日日在在核心期刊核心期刊《《激光与光电子学进展激光与光电子学进展》》第第 50 50 卷卷 第第 12 12 期网络发表期网络发表2论文首末页：论文首末页：3 项目背景研究目的 研究方法 研究结论4项目背景项目背景 增大口径VISTA望远镜4.1米的主镜图5稀疏孔径光学系统结果：①整个系统重量、体积都变大②制造、加工的难度增大③成本的增加 由几个较小的光学孔径以一定的规则组合排列（拼接），用来代替一个比较大的光学口径•概念6望远镜主镜制造成本（望远镜主镜制造成本（C C）与口径）与口径（（DD）关系曲线图）关系曲线图Giant Magellan Telescope (GMT)Golay-6James Webb Space Telescope (JWST)James Webb Space Telescope (JWST)7优点：◆由一个个子镜有规则排列成由一个个子镜有规则排列成一个一个大口径的主镜，子镜容易加工大口径的主镜，子镜容易加工。

◆子镜口径小，加工子镜口径小，加工成本也会降低成本也会降低◆与同规格的主镜相比，利用这种排列形式与同规格的主镜相比，利用这种排列形式重量更小，更易于用于太空中重量更小，更易于用于太空中8典型的稀疏孔径结构：环形环形 Golay-6型型 Y型型 复合三子镜复合三子镜对比对比对比对比分析分析分析分析研究目的研究目的9研究方研究方法法：：(1)(1)三子镜与三臂形三子镜与三臂形两种稀疏孔径两种稀疏孔径结构结构分析分析(2)(2)三子镜与三臂形三子镜与三臂形两种稀疏孔径两种稀疏孔径MTFMTF分分析析(3)(3)三子镜与三臂形三子镜与三臂形两种稀疏孔径两种稀疏孔径成像分成像分析析10 三臂稀疏孔径结构由6个子镜按“Y”形状排列而成 这两种结构极其类似，我们有必要对比研究这两种结构，以期得出更好的成像效果的结构结构分析：结构分析：11•特征参数特征参数- -填充因子（填充因子（F F）） 填充因子的大小不仅反映了孔径结构的稀疏程度，填充因子的大小不仅反映了孔径结构的稀疏程度，而且也在一定程度上反映了成像的效果而且也在一定程度上反映了成像的效果。

N：子镜的个数，：子镜的个数，d：子镜的直径，：子镜的直径，D：外包围孔：外包围孔径的直径径的直径定义式：12•特征参数特征参数- -填充因子（填充因子（F F））：6 6个子镜的三臂形结构阵列中内环个子镜的三臂形结构阵列中内环3 3个子个子镜相切且各个臂的子镜也与包围孔径相切镜相切且各个臂的子镜也与包围孔径相切时，最大填充因子可表示为：时，最大填充因子可表示为：，，N=3nN=3n，，n=2n=2，，3 3，，4 4图图1 三子镜结构三子镜结构N=3N=3时，三子镜结构的最时，三子镜结构的最大填充因子为：大填充因子为： Fmax =65%Fmax =65% 图图2 三臂形结构三臂形结构N=6N=6时，时，6 6个子镜的三个子镜的三臂形结构最大填充因子臂形结构最大填充因子为为: : Fmax =35%Fmax =35% 由由N N个子镜环状排列而成孔径结构的个子镜环状排列而成孔径结构的最大填充因子可表示为：最大填充因子可表示为：13三子镜的最大填充因子：三子镜的最大填充因子：Fmax =65%Fmax =65%三臂的最大填充因子：三臂的最大填充因子： Fmax =35%Fmax =35%在相同角分辨率的前提下，与三臂结构相在相同角分辨率的前提下，与三臂结构相比较，三子镜结构稀疏孔径比较，三子镜结构稀疏孔径最大填充因子最大填充因子大，可以获得较好的成像效果大，可以获得较好的成像效果。

初步分析初步分析：：14MTF 分分 析析研究思路研究思路调制传递函数（调制传递函数（MTFMTF）比较客观全面地评价了光学系）比较客观全面地评价了光学系统的成像质量统的成像质量15直径为直径为d d的单个孔径的调制传递函数：的单个孔径的调制传递函数： 是直径为是直径为d的子孔径的截止频率的子孔径的截止频率: 首先计算单个子镜的首先计算单个子镜的MTFMTF光瞳函数光瞳函数: :表示波长表示波长，表示频率表示频率16 图图1 三子镜结构三子镜结构三子镜结构光学系统归一化三子镜结构光学系统归一化MTFMTF为：为： 三臂结构的归一化三臂结构的归一化MTFMTF表达式为表达式为：： 图图2 三臂形结构三臂形结构17Matlab软件模拟软件模拟MTF曲线：曲线： Three sub-aperturesThree armsF=22%F=28%F=34%MTF 二二 维维 图图18Three sub-aperturesThree armsF=22%F=28%F=34%（（1 1）随着填充因子的增大，子调制传递函数间的距）随着填充因子的增大，子调制传递函数间的距离逐渐减小。

离逐渐减小2）在相同填充下，三子镜结构的子调制传递函数间的距）在相同填充下，三子镜结构的子调制传递函数间的距离要明显大于三臂结构离要明显大于三臂结构3 3）当三臂形结构的填充因子）当三臂形结构的填充因子34%34%时，在截止时，在截止频率之前调制传递函数不出现零频率之前调制传递函数不出现零 进一步分析：进一步分析：19选取两种结构在最大截止频率方向上的归一化选取两种结构在最大截止频率方向上的归一化 MTF MTF 曲线图曲线图F=22%F=28%F=34%1、三臂结构、三臂结构MTF曲线较三子镜结构起曲线较三子镜结构起伏较小，更加稳定伏较小，更加稳定2、随着填充因子的增加，两种结构的、随着填充因子的增加，两种结构的MTF分布有了明显改善：分布有了明显改善：    ①在在F=28%，三子镜在归一化频率，三子镜在归一化频率0.35附近出现零频，而三臂结构在小于附近出现零频，而三臂结构在小于截止频率区域内不出现零频，没有信息截止频率区域内不出现零频，没有信息丢失丢失;        ②在归一化频率在归一化频率0.25~0.45 范围内，三臂结范围内，三臂结构的构的MTF特性明显优于三子镜，表现出了良好特性明显优于三子镜，表现出了良好的中频特性的中频特性;    ③在归一化频率在归一化频率 0.45~0.75范围内，三臂结范围内，三臂结构的构的MTF值明显小于三子镜结构，表明三子镜值明显小于三子镜结构，表明三子镜对高频信息有良好的响应。

对高频信息有良好的响应3、、部分频率区存在稀疏孔径结构的部分频率区存在稀疏孔径结构的MTF值高于全孔径结构的情况，这值高于全孔径结构的情况，这是由于随着是由于随着填充因子的增大，子镜间的填充因子的增大，子镜间的距离减小，各子镜的距离减小，各子镜的MTF开始出现叠加，开始出现叠加，从而从而导致导致MTF值较高20ZEMAX成像分析：成像分析：利用利用ZEMAXZEMAX设计出上述两种孔径结构，波长选取设计出上述两种孔径结构，波长选取550nm550nm，包围，包围孔径为孔径为40mm40mm进行模拟成像，进行模拟成像进行模拟成像，进行模拟成像物：辐射图物：辐射图21F=22%Three sub-aperturesThree armsF=22%F=28%F=34%成像效果图：成像效果图：ZEMAX22相对模糊度曲线图：相对模糊度曲线图：灰度值灰度值0-2550-255：表示图案由黑：表示图案由黑逐渐变白逐渐变白计算时用二值法简化：计算时用二值法简化： 定义：定义：0-1280-128取为取为1 1，， 代表黑色代表黑色 128-255 128-255取为取为0 0，代表白色，代表白色23图像增强图像增强采用采用5*5 5*5 模板的阶数连续可调的分数阶微分算子将三子镜与三臂模板的阶数连续可调的分数阶微分算子将三子镜与三臂结构（结构（F=34%F=34%）的图像增强处理，可调阶数取）的图像增强处理，可调阶数取 v=0.2 v=0.2。

微分算子微分算子24两种结构中心模糊区域的面积明显减小，图像轮廓更加清晰两种结构中心模糊区域的面积明显减小，图像轮廓更加清晰原始图原始图增强图增强图Three armsF=34%Three sub-apertures25研究结论：研究结论：26整体上看：整体上看： 三子镜结构三子镜结构MTFMTF分布要分布要比三臂结构相应的比三臂结构相应的MTFMTF分分布更加均匀布更加均匀 三子镜结构的整体成像效三子镜结构的整体成像效果要优于三臂结构果要优于三臂结构展望：展望：27 三子镜结构成像效果较好，三子镜结构成像效果较好，成本低，适用于空间遥感成本低，适用于空间遥感 三子镜与三臂结构的研究过三子镜与三臂结构的研究过程为我们接下来研究更加复杂程为我们接下来研究更加复杂的稀疏孔径结构打下基础的稀疏孔径结构打下基础28致谢致谢 感谢感谢 江苏省大学生实践创新训练计划江苏省大学生实践创新训练计划 重点项目的支持重点项目的支持谢谢！29。