三子镜与三臂形

,三子镜与三臂形稀疏孔径的对比研究,时间： 2013.11,编号：L062,研究论文：,本课题的研究成果将在 核心期刊激光与光电子学进展 2013年 50 卷第 12 期发表。,论文首末页：,项目背景,航天遥感技术发展，,促使人们追求,更高分,辨率的,空间望远镜。,稀疏孔径光学系统,结果：整个系统重量、体积都变大制造、加工的难度增大成本的增加,优点：,子镜口径小，加工成本也会降低。,典型的稀疏孔径结构：,环形 Golay-6型 Y型 复合三子镜,研究目的,研究方法：,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：,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。,N：子镜的个数，d：子镜的直径，D：外包围孔径的直径。,由N个子镜环状排列而成孔径结构的最大填充因子可表示为：,三子镜的最大填充因子：Fmax =65%三臂的最大填充因子： Fmax =35%,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最大填充因子,大，可以获得较好的成像效果。,初步分析：,MTF 分 析,研究思路,调制传递函数（MTF）比较客观全面地评价了光学系统的成像质量。,直径为d的单个子孔径的调制传递函数：,是直径为d的子孔径的截止频率:,首先计算单个子镜的MTF,光瞳函数:,表示波长，,表示频率。,图1 三子镜结构,三子镜结构光学系统归一化MTF为：,三臂结构的归一化MTF表达式为：,图2 三臂形结构,Matlab软件模拟MTF曲线：,F=22%,F=28%,F=34%,MTF 二 维 图,（1）随着填充因子的增大，子调制传递函数间的距离逐渐减小。,进一步分析：,F=22%,F=28%,F=34%,（2）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。,（3）当三臂形结构的填充因子34%时，子调制传递函数出现了重叠现象 。,选取两种结构在最大截止频率方向上的归一化 MTF 曲线图,F=22%,F=28%,F=34%,1、三臂结构MTF曲线较三子镜结构起伏较小，更加稳定。,2、随着填充因子的增加，两种结构的MTF分布有了明显改善： 在F=28%，三子镜在归一化频率0.35附近出现零频，而三臂结构在小于截止频率区域内不出现零频，没有信息丢失;,在归一化频率0.250.45 范围内，三臂结构的MTF特性明显优于三子镜，表现出了良好的中频特性; 在归一化频率 0.450.75范围内，三臂结构的MTF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。,3、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，这是由于随着填充因子的增大，子镜间的距离减小，各子镜的MTF开始出现叠加，从而导致MTF值较高。,ZEMAX,成像分析：,利用ZEMAX设计出上述两种孔径结构，波长选取550nm，包围孔径为40mm进行模拟成像，进行模拟成像。,物：辐射图,F=22%,F=28%,F=34%,成像效果图：,ZEMAX,相对模糊度曲线图：,灰度值0-255：表示图案由黑逐渐变白。,计算时用二值法简化： 定义：0-128取为1， 代表黑色 128-255取为0，代表白色,图像增强,采用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结构（F=34%）的图像增强处理，可调阶数取 v=0.2。,微分算子,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,增强图,Three arms,F=34%,Three sub-apertures,整体上看，三子镜结构MTF值要优于三臂结构相应的MTF值，因此： 三子镜结构的整体成像效