Optinen järjestelmän suunnittelu ja vapaamuotopinnan mittaus

Zhang, Huixing, Wu, Quanying, Fan, Junliu, Chen, Baohua, Tang, Yunhai, et ai.

Huixing Zhang, Quanying Wu, Junliu -fani, Baohua Chen, Yunhai Tang, Yuwei

Hou, bin chen, "Optinen järjestelmän suunnittelu ja vapaamuotoisen pinnan mittaus", Proc. SPIE 11552, Optinen metrologia ja teollisuuden tarkastus

Sovellukset VII, 115520E (10. lokakuuta 2020); doi: 10.1117\/12.2573873

Tapahtuma: Spie\/Cos Photonics Asia, 2020, vain online

Optinen järjestelmän suunnittelu ja vapaamuotopinnan mittaus

Zhang huixing¹, Wu Quanying¹*, Fan Junliu_¹, Chen Baohua¹, Tang Yunhai1, Hou Yuwei², Chen Bin³

¹Fysiikan ja tekniikan korkeakoulu, Suzhoun tiede- ja tekniikan yliopisto,

Suzhou, Jiangsu 215009, Kiina²

Suzhou Foif Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215006, Kiina

³Optoelektronisen tieteen ja tekniikan korkeakoulu, Soochow University

Suzhou, Jiangsu 215006, Kiina

ABSTRAKTI

Harvan aukon käyttö voi vähentää suuren aukon kaukoputken kokoa ja painoa. Yleisesti käytettyä palloa tai asfääristä pintaa on vaikea lisätä järjestelmän näkökenttää ja parantaa kuvanlaatua. Pallomaisten tai asfääristen pintojen verrattuna optisella vapaamuotoisella pinnalla on enemmän suunnitteluvapauksia. Tässä artikkelissa suunnitellaan kahden miljarin harva aukko teleskooppi. Ensisijainen peili on valmistettu kolmesta Golay3-konfiguraatiossa järjestetystä alihiirrosta, kun taas primaari on Zernike-polynomien määrittelemä vapaamuotoinen pinta. Tulokset osoittavat, että koko näkökenttä kasvaa jopa 0. 32 asteeseen optisessa järjestelmässä, kun ensisijainen peili käyttää vapaamuotoista pintaa. Kuvanlaatu täyttää vaatimukset, jotka muodostavat sen modulaation siirtotoiminnon.

Avainsanat: harva aukko; Freeform -pinnat; Zernike -polynomit; modulaation siirtofunktio

1. Johdanto

Teleskooppijärjestelmän ratkaisun parantamiseksi on lisättävä optisen järjestelmän aukkoa. Suurten aukkojen optisten järjestelmien kehittämistä rajoittavat kuitenkin optiset materiaalit, valmistuskustannukset, volyymi, paino ja niin edelleen. Harva aukko [1] teleskoopit ovat eräänlainen optinen kuvantamisjärjestelmä, joka käyttää useiden aukkojen alueellista jakautumista ja keskinäistä häiriötä suuren aukon korvaamiseksi [2,3]. Koko järjestelmän valoinen alue on pienempi kuin yhden suuren aukon. Järjestelmän tilavuus ja massa vähenevät. Mutta saadut tiedot vastaavat pohjimmiltaan yhtä suurta aukkojärjestelmää.

Harvoille aukkojen teleskoopeille on olemassa kahta tyyppiä. Yksi on Multi Mirror -teleskooppi (MMT), että ensisijainen peili on valmistettu useista pienistä peileistä ja pitää yhteisen toissijaisen peilin. Boeing SVS Company -yrityksen Golay6-harva-teleskooppi [4] on tyypillinen monivirtausteleskooppi. Toinen on moni-teleskoopin teleskoopit (MTT), että useat teleskoopit muodostavat harvan aukkojärjestelmän käyttämällä useita afokaalisia teleskoopeja, jokaisella on oma sekundaarikirror. Sen tyypillinen esimerkki on Massachusetts Institute of Technology Institute (MIT) [5] adaptiivinen tiedustelu Golay3 -optinen satelliitti (Argos). Nämä järjestelmät käyttävät kuitenkin yleensä pallomaista tai asfääristä pintaa, joilla on rajoituksia suuremman näkökentän ja paremman kuvanlaadun saamisessa.

Verrattuna perinteiseen pintatyyppiin, etenkin optisissa järjestelmissä, joilla on suuri näkökenttä. Freeform -pinnalla on enemmän suunnitteluvapauksia [6]. Sillä on vahva kyky korjata poikkeavuus. Siksi vapaamuotoisen pinnan käyttö voi varmistaa järjestelmän kuvantamisen laadun ja saada suuremman näkökentän [7].

Tässä artikkelissa esitetään uusi Golay3-harva-aukko moniriki-teleskooppi, joka on suunniteltu vapaamuotoisella pinnalla. Järjestelmän ensisijainen peili on vapaamuotoinen pinta, ja toissijainen peili on suunniteltu hyperboloidilla.

2. teoreettinen tausta

Golay3 -harva aukko on esitetty kuvassa 2.1. Kolmen ala-aukon keskukset ovat tavanomaisen kolmion kolmessa kärkipisteessä. Ala-aukkojen pienin rajoitettu ympyrä kutsutaan sulkevaksi aukkoksi. Harvan aukkojärjestelmän täyttökerroin [8] määritellään kaikkien toissijaisten peilien alueen suhteeksi ympäröivään aukkoon. Golay3 -harva aukon optisen kuvantamisjärjestelmän täyttökerroin [9] on

Kuva 2.1 Golay3 -harvan aukon optisen kuvantamisjärjestelmän asettelu

Tässä D edustaa ala-aukon halkaisijaa ja D edustaa rajatun ympyrän halkaisijaa. Täyttökerroin osoittaa aukon kyvyn kerätä valoa.

Harvan aukon optisen kuvantamisjärjestelmän oppilaan toiminta voidaan ilmaista ala-aukon oppilaan toiminnan ja A-funktioryhmän konvoluutiona:

Tietooptiikan tietämyksestä oppilaan toiminnolla, pisteen leviämistoiminnolla (PSF) ja siirtofunktiolla on seuraava suhde, kuten kuvassa 2.2:

Kuva.2.2 Oppilaan toiminnan, pisteen diffuusiofunktion ja siirtofunktion välinen suhde

Golay3: n modulaation siirtofunktio (MTF) on optisen kuvantamisjärjestelmä on^[10] :

Täällä mtf_subon ala-aukon modulaation siirtofunktio, ja lauseke on:

Kaavasta voidaan nähdä, että usean ala-aukon MTF: n yhdistelmä taajuusalueella on koko harvan aukkojärjestelmän MTF. MTF -käyrät ovat myös yksi tärkeimmistä menetelmistä järjestelmän kuvantamisen laadun arvioimiseksi.

Käytännöllisissä sovelluksissa kaukoputken suunnitteluun käytetään yleensä kahden miljorisjärjestelmää. Tässä artikkelissa suunniteltu Golay3-harva-aukko monen peilin teleskooppi on johdettu kahden miljarilaisesta järjestelmästä. Kahden miljaryhmän ensisijainen peili korvataan Golay3-harvalla aukkolla. Kahden miljehdollisen järjestelmän kokoonpano on esitetty kuvassa.3.3.

Kuva.2.3 Kahden miljarin järjestelmän kokoonpano

Toissijaisen peilin kahden miljorisuhde ja sekundaarisen peilin suurennus:

Se voidaan saada käyttämällä Gaussin optiikan kaavaa:

Täällä r₁ja r₂ovat ensisijaisen peilin kaarevuussäde m₁ja toissijainen peili m₂vastaavasti.

Geometrian tietämyksestä voimme tietää:

Ensinnäkin ensisijaisen peilin optinen aukko, suhteellinen aukko, suhteellinen aukko ja järjestelmän polttopisteprojektio A määritetään laskemaan ja. Sitten L2, D, R1 ja R2 voidaan laskea kaavan (5), (8) ja (9) mukaisesti. Lopuksi, kolmannen asteen aberraatioteorian mukaan primaaristen ja toissijaisten peilien muotokertoimet 𝑒𝑒 1 2 ja 𝑒𝑒 2 2.

Cassegrain -järjestelmän näkökenttä on kuitenkin pieni johtuen kooman ja unigmatismin vaikutuksesta. Käyttämällä Freeform -pintaa, joka on varustettu Zernike -polynomilla Golay3 -harvan aukon suunnittelemiseksi, voi lisätä järjestelmän näkökenttää tehokkaasti ja parantaa kuvantamisen laatua. Freeform -pinnan muoto on seuraava:

Siellä z^l_non Zernike -polynomi:

Siksi Zernike -polynomit voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Zernike -polynomeilla on kaksi etua. Yksi on jatkuva ja ortogonaalinen yksikköympyrän domeenissa, ja polynomien kertoimet ovat riippumattomia. Toiseksi, sillä on hyvä vastaava suhde aallon poikkeavuuteen, mikä on kätevää luoda suhde vapaamuotoisen pinnan muodon ja aallon poikkeavuuden välillä.

3. Simulaatiot

Tämä artikkeli suunnittelee kahden miljardin järjestelmän. Järjestelmän sisäänkäynnin oppilaan halkaisija on 25 0 mm ja F -luku on 6. Näkymäkenttä on ± 0,16 astetta. Aallonpituusalue on 486 ~ 656 nm. Harvan aukon aukon halkaisija on 52 mm. Joten järjestelmän täyttökerroin on 51,92%. Alkuperäisen rakenteen laskemisen jälkeen ja optimoinnin ZEMAX: llä. Järjestelmän lopulliset parametrit on esitetty välilehdessä.3.1:

Järjestelmän toissijainen peili on hyperboloidi. Sen kartiokerroin on -3. 838. Ensisijainen peili on Freeform -pinta, jonka määrittelee Zernike Standard SAG. Ensimmäisten 14 kohteen arvot on esitetty välilehdessä.3.2:

Golay3 -teleskooppijärjestelmän kolmiulotteinen rakenne on esitetty kuvassa 3.1:

Kuva.3.1 Golay3 -teleskooppijärjestelmän kolmiulotteinen rakenne

Teleskooppijärjestelmässä optisen siirtofunktion ja spot -kaaviota käytetään yleensä sen kuvantamisen laadun arviointiin. Kuva.3.2 on järjestelmän pistekaavio. Kuvapisteen suurin juuren keskimääräinen neliön säde on 3,514 μm. Ilmainen levy on 3,308 μm. Järjestelmän kuvantamisen laatu on hyvä.

Kuva.3.2 Järjestelmän pistekaavio

Kuva.3.3 on ZEMAX -ohjelmiston saaman järjestelmän MTF -käyrät. Kuten kuvasta voidaan nähdä, MTF -käyrät voivat saavuttaa hyvän lineaarisuuden matalataajuusalueella (0 ~ 100lp\/mm). Kuvanlaatu täyttää vaatimukset.

Kuva.3

4. PÄÄTELMÄT

Tämä artikkeli esittelee ensin harvan aukon määritelmän ja sen kuvantamisen laadun arviointimenetelmän. Sitten ZEMAX -ohjelmiston avulla Golay3 -harvan aukon monimuotoisen peilien kaukoputken suunnittelu. Ensisijainen peili, joka on suunniteltu harvalla aukkolla, ottaa vapaan pinnan. Järjestelmä voi saavuttaa täydellisen näkökentän ± 0. 16 astetta ja täyttökerroin lähes 51,92%. Sillä on suuri merkitys suuren aukon tähtitieteellisen kaukoputken kehittämiselle.

Tunnustukset Tätä työtä rahoittaa Kiinan kansallinen luonnontieteellinen säätiö (NSFC) (61875145, 11804243); Jiangsun maakunnan keskeinen kurinalaisuus Kiinan 13. viisivuotisesta suunnitelmasta (20168765); Kiinan Jiangsu -korkeakoulujen luonnontieteiden säätiö (17KJA140001); Jiangsun maakunnan keskeinen laboratorio (KJS1710).

VIITE

[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. "Arvio suurista aukon kevyistä kuvantamiskonsepteista". Proc. Spie, 187- 203 (1996).

[2] Fiete, Robert D, "Hienojen aukkojen kuvanlaatu kaukokartoitukseen", optinen tekniikka. Paperit 41 (8), 1957-1969 (2002).

[3] AB Meinel. "Aukon synteesi käyttämällä riippumattomia teleskoopeja", Applied Optics 9.11: 2501 (1970).

[4] Johns M, McCarthy P, Raybould K, et ai. "Jättiläinen Magellan Telescope: Yleiskatsaus", Proc. Spie, 2012.

[5] Xie, Zongliang, et ai. "Golay3: n harvan aukon teleskoopin tehostetun resoluution kokeellinen osoitus", Proc. Spie Vol. 11552 115520 E -8 ladattu: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie 11. lokakuuta 2020 Käyttöehdot: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-of-ule 15.004: 30-33 (2017).

[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer ja Wolfgang Osten. "Edisolliset tutkimukset asfäärien ja vapaamuotoisten pintojen mittaamisesta kallistetun aallon interferometrin kanssa", Proc. SPIE 8082: 80821F -80821 f -11 (2011).

[7] Jiang, X., P. Scott ja D. Whitehouse. "Freeform -pinnan karakterisointi - tuore strategia", Cirp Annals - Manufacturing Technology 56.1: 553-556 (2007).

[8] Flores, Jorge L, et ai. "Virheellisten virheiden vaikutukset synteettisten aukkojen teleskooppien optisiin siirtofunktioihin", Appl Opt 43.32: 5926-5932 (2004).

[9] Feng W, Quanying W, Lin Q. "Analyysi Golay3: n monipuolisen kaukoputken ominaisuuksien", Appl Opt, 48 (3): 643-652 (2009).

[10] Noll ja J. Robert. "Zernike -polynomit ja ilmakehän turbulenssi*", J.opt.soc.am 66.3: 207-211 (1976). Proc. Spie Vol. 11552 115520 e -9 ladattu osoitteesta: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie 11. lokakuuta 2020 käyttöehdot: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-orms-Orms