【摘要】：薄膜衍射成像在成為輕量化大口徑天基望遠(yuǎn)鏡的重要發(fā)展方向時(shí),也面臨一些亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。譬如薄膜元件環(huán)帶結(jié)構(gòu)不可避免的加工缺陷,薄膜材料在空間環(huán)境中的形變,系統(tǒng)運(yùn)行擾動(dòng)對(duì)成像光學(xué)參數(shù)的影響,望遠(yuǎn)鏡空間布置時(shí)引入的光學(xué)誤差,以及成像參數(shù)的長(zhǎng)期可靠性與穩(wěn)定性等問(wèn)題。論文從成像光束波前畸變出發(fā),提出了基于自適應(yīng)光學(xué)的薄膜成像方法,即將自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)作為薄膜天基成像系統(tǒng)的末端組成,實(shí)現(xiàn)成像波前的實(shí)時(shí)反饋控制,獲得高分辨率的目標(biāo)圖像。論文根據(jù)薄膜天基成像波前像差的準(zhǔn)靜態(tài)特性,結(jié)合空間成像對(duì)系統(tǒng)規(guī)模嚴(yán)格限制的要求,提出了以目標(biāo)圖像為優(yōu)化對(duì)象的無(wú)波前傳感自適應(yīng)光學(xué)實(shí)現(xiàn)薄膜高性能成像的方法。為厘清薄膜元件成像特性和無(wú)波前傳感自適應(yīng)光學(xué)校正算法特性對(duì)薄膜成像的影響,論文采取算法理論結(jié)合薄膜成像實(shí)驗(yàn)研究的方法,并以點(diǎn)目標(biāo)成像遞進(jìn)到擴(kuò)展目標(biāo)成像的方式,從以下幾個(gè)方面開展相關(guān)研究。論文首先開展了點(diǎn)目標(biāo)成像波前畸變校正算法研究,為薄膜點(diǎn)目標(biāo)成像應(yīng)用提供算法研究和實(shí)驗(yàn)積累。論文分析了基于搜索的盲優(yōu)化算法和基于模型的通用模式校正算法在波前像差校正中的局限性,提出了基于模型的無(wú)波前傳感自適應(yīng)光學(xué)同步校正算法。論文采用數(shù)值仿真的方法,驗(yàn)證了同步校正算法對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)波前像差的校正能力,分析了算法的噪聲特性,提出了基于動(dòng)態(tài)區(qū)域提取的波前校正算法。在對(duì)校正算法充分研究的基礎(chǔ)上,論文詳細(xì)介紹了點(diǎn)目標(biāo)透鏡成像波前像差校正實(shí)驗(yàn),并從成像效果和校正速度兩個(gè)方面,分析了同步校正算法和隨機(jī)并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法的校正能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,同步校正算法能獲得1.1DL近衍射成像,其收斂速度是SPGD算法的4倍。隨后,論文開展了擴(kuò)展目標(biāo)成像波前像差校正算法研究,為薄膜擴(kuò)展目標(biāo)成像應(yīng)用提供算法研究和實(shí)驗(yàn)積累。論文首先介紹了擴(kuò)展目標(biāo)SPGD算法和基于目標(biāo)圖像頻域分析的模型校正算法,并分析其局限性;然后從理論上推導(dǎo)了基于圖像空域的同步校正算法。針對(duì)目標(biāo)成像探測(cè)對(duì)相機(jī)大視場(chǎng)與全靶面需求和自適應(yīng)光學(xué)對(duì)相機(jī)高幀頻要求之間的矛盾,提出了基于目標(biāo)圖像局部區(qū)域提取的波前像差校正與圖像復(fù)原算法。最后,論文詳細(xì)介紹了擴(kuò)展目標(biāo)透鏡成像波前像差校正實(shí)驗(yàn),分析了不同算法復(fù)原目標(biāo)圖像的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于圖像局部區(qū)域提取算法的靜態(tài)波前像差校正速度是傳統(tǒng)方法的近20倍;其動(dòng)態(tài)波前像差校正速度是傳統(tǒng)方法的4倍;該算法的快速收斂性有利于薄膜成像的動(dòng)態(tài)波前像差校正。論文在對(duì)點(diǎn)目標(biāo)和擴(kuò)展目標(biāo)波前像差校正算法研究與實(shí)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上,開展了基于自適應(yīng)光學(xué)的薄膜成像實(shí)驗(yàn)研究。首先介紹了典型薄膜成像元件——菲涅爾波帶片(Fresnel zone plates,FZP)的成像特性,分析其波前像差和強(qiáng)背景噪聲雙重退化因素,然后開展了基于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)的點(diǎn)目標(biāo)FZP成像實(shí)驗(yàn)研究,討論了傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)改善薄膜成像性能的有效性和局限性;隨后,論文詳細(xì)介紹了基于無(wú)波前傳感自適應(yīng)光學(xué)的點(diǎn)目標(biāo)和擴(kuò)展目標(biāo)FZP成像實(shí)驗(yàn)研究;重點(diǎn)分析和討論了同步校正算法、SPGD算法、局部區(qū)域提取算法應(yīng)用于薄膜成像的有效性和必要性。FZP點(diǎn)目標(biāo)獲得了1.1DL近衍射成像,同步校正算法的校正速度為SPGD算法的4倍;系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的中頻分量明顯提高,表明無(wú)波前傳感自適應(yīng)光學(xué)有效改善了薄膜成像系統(tǒng)的性能。FZP擴(kuò)展目標(biāo)成像波前像差校正后,目標(biāo)圖像分辨率獲得了明顯提高,局部區(qū)域提取算法的收斂速度提高了近3倍。最后,論文初步探索了基于自適應(yīng)光學(xué)薄膜成像的圖像后處理算法,目標(biāo)圖像經(jīng)后處理后,圖像強(qiáng)背景噪聲得到了有效去除,圖像分辨率明顯提高。論文工作從算法理論和實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用于薄膜成像的有效性和必要性。研究結(jié)果表明自適應(yīng)光學(xué)實(shí)時(shí)波前像差校正協(xié)同圖像后處理是薄膜高性能成像的有效途徑。
【圖文】：

宇宙奧秘的腳步從未停止。新一代太空望遠(yuǎn)鏡——詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（/ames<ebb8pace9elescope，/<89）將探測(cè)宇宙大爆炸后發(fā)出的第一縷光，探索銀河系、恒星、行星以及太陽(yáng)系進(jìn)化過(guò)程，揭示宇宙和生命的起源23]�？梢�，從微觀世界的組織細(xì)胞到浩渺的宇宙天體，光學(xué)成像無(wú)疑是人類認(rèn)知世界的重要手段。天基成像系統(tǒng)擺脫了大氣湍流的影響，具有機(jī)動(dòng)性、靈活性和全天候等特點(diǎn)因此光學(xué)成像衛(wèi)星、空間望遠(yuǎn)鏡如雨后春筍般出現(xiàn)在浩渺的星空中。而空間望遠(yuǎn)鏡具有大視場(chǎng)、暗弱目標(biāo)、超遠(yuǎn)距離成像探測(cè)能力，已經(jīng)成為人類認(rèn)知宇宙的重要工具。空間望遠(yuǎn)鏡成像主鏡的口徑越大，目標(biāo)圖像的分辨率越高，探測(cè)暗弱目標(biāo)能力越強(qiáng)。在哈勃望遠(yuǎn)鏡  米直徑的成像主鏡下，人類獲得了距離地球  億光年的正在快速生長(zhǎng)的黑洞/ 45]、閃閃發(fā)光的蝴蝶星云（9win /et 3ebula）6]、嬰兒星系]等  個(gè)天體，，對(duì)研究恒星的形成與死亡、暗物質(zhì)、黑洞和宇宙形成產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的意義。

薄膜成像中的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)研究拼接大口徑成像主鏡成了空間望遠(yuǎn)鏡的重要發(fā)展方向。 年，勞倫斯利佛莫爾實(shí)驗(yàn)室的天基“眼睛”項(xiàng)目研制了硅基 米的單體成像主鏡78]，隨后開展 米折疊主鏡的研究9]；韋伯望遠(yuǎn)鏡成像主鏡口徑進(jìn)一步增大到  米10]。然而，成像主鏡口徑增大亦使望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量急劇增加，哈勃望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量達(dá)到了  噸。如果采用傳統(tǒng)主鏡技術(shù)，韋伯望遠(yuǎn)鏡將因質(zhì)量導(dǎo)致發(fā)射困難，因而其成像主鏡由 塊輕質(zhì) 基鍍金拼接子鏡輔以波前控制組成，以減小主鏡的質(zhì)量與火箭發(fā)射的體積與載荷限制1112]。即便如此，韋伯望遠(yuǎn)鏡每塊拼接子鏡的質(zhì)量也有  千克（含致動(dòng)器），其拼接成像主鏡質(zhì)量接近  噸，算上成像次鏡等后端成像系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)的質(zhì)量，韋伯望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)  噸13]，成像主鏡的大口徑與其體積質(zhì)量之間的矛盾是一個(gè)難解的問(wèn)題。因此輕量化的大口徑成像成為未來(lái)空間望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵技術(shù)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP391.41;O484

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2614462