同心透镜光学系统中光纤锥元件传像性能研究

Fiber taper worked as relay optics elements played an irreplaceable role in concentric lens systems ,which could transform the curved image plane into flat-field image plane. This technical method that has a significant application prospects can achieved superior space imaging with large field of view, wide spectrum, considerable relative aperture, miniaturization and lightweight. The parameters of fiber taper determine the signal to noise and clarity of the flat-field image of the apparatus in fiber tapered relay optics system. The relationship between parameters of fiber taper and signal to noise，including modulation transform function，will be established in this fund. Using the model to elaborate the relationship, these conclusions can instruct the producer of fiber tapered to select favorable tapered fiber parameters with specified instrument, besides we will give the corresponding experimental verification based on concentric lens. The fund will provide significant instruction in the application of tapered fiber, and has important theoretical and practical significance.

基于光纤锥等中继光学元件能够完成弯曲像面向平场像面转变，在同心透镜光学系统中具有无可替代的优点，使得光学仪器能够同时实现大视场、宽谱段、大相对孔径以及系统轻量化和小型化空间光学成像，具有广阔的应用前景。在光纤锥传像中，光纤锥参数性能直接决定着最终平场像面的清晰度和仪器的信噪比。本项目将通过传递函数和光纤追迹理论，建立光纤锥性能参数和传递函数及信噪比之间关系模型；利用该模型求解光纤锥性能参数与传递函数和信噪比之间的关系；给出在特定光学仪器性能需求下，光纤锥性能参数制作参考依据，并利用自行研制的同心透镜光学系统进行实验验证。研究成果将为光纤锥中继光学元件的应用提供指导作用，具有重要的理论和现实意义。

本项目专注于光纤锥传像器件传像特性研究，研究中以光纤面板为代表，从理论上建立了光纤面板特性参数与能量集中度、传递函数和信噪比之间的关系模型，分析了光纤面板参数与能量集中度、传递函数和信噪比之间的数值关系，并着重研究了点目标探测时光纤面板参数与探测目标质心定位精度之间的关系。通过具体实验研究了光纤面板与探测器耦合时耦合距离对能量弥散的影响，给出了面板与探测器光敏面耦合时的量化参数依据。通过研究制造同心透镜光学系统+光纤面板多面棱体耦合＋多片探测器粘接的光学结构形式，验证了光纤面板特殊形状在实际加工中的工艺可行性，通过粘接抛光实验，验证了光纤面板在实现大视场成像时拼接的可能性。最后通过研制同心透镜光学系统相机，对其进行外场成像实验，验证了该技术方案在球形像场平场化和大视场像面拼接的成像效果，并对项目实际过程中存在的问题进行分析和阐述。通过对研制相机进行实验室测试，测试结果表明采用该技术路线完全能够解决非规则像面的平场化和大面阵焦面的无缝分割问题，前者能够有效降低大视场、大相对孔径、小型化光学系统设计难度，让同心透镜光学系统的使用成为现实，后者能够有效解决大面阵焦面探测器拼接中的技术问题。通过上述研究为采用该类中继器件研制成像光学系统提供了具体的理论指导和重要参数依据，为其工程应用提供了有力的理论基础、对实际应用提供了重要的工艺保证。