Σχεδιασμός και μέτρηση οπτικού συστήματος της επιφάνειας Freeform

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

Huixing Zhang, Quanying Wu, Junliu Fan, Baohua Chen, Yunhai Tang, Yuwei

Hou, bin Chen, "Οπτικός σχεδιασμός και μέτρηση της επιφάνειας freeform", Proc. Spie 11552, οπτική μετρολογία και επιθεώρηση για τη βιομηχανία

Εφαρμογές VII, 115520E (10 Οκτωβρίου 2020). doi: 10.1117\/12.2573873

Εκδήλωση: SPIE\/COS PHOTONICS ASIA, 2020, μόνο σε απευθείας σύνδεση

Σχεδιασμός και μέτρηση οπτικού συστήματος της επιφάνειας Freeform

Zhang Huixing¹, Wu quanying¹*, Ανεμιστήρας junliu_¹, Chen Baohua¹, Tang Yunhai1, Hou Yuwei², Τσεν Μπιν³

¹Σχολή Φυσικής Επιστήμης και Τεχνολογίας, Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Suzhou,

Suzhou, Jiangsu 215009, Κίνα²

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

³Σχολή Οπτιηηλεκτρονικών Επιστημών και Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Soochow

Suzhou, Jiangsu 215006, Κίνα

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η χρήση του αραιού ανοίγματος μπορεί να μειώσει το μέγεθος και το βάρος του μεγάλου τηλεσκοπίου ανοίγματος. Η σφαίρα ή η ασφαιρική επιφάνεια που χρησιμοποιείται συνήθως είναι δύσκολο να αυξηθεί το οπτικό πεδίο του συστήματος και να βελτιωθεί η ποιότητα της εικόνας. Σε σύγκριση με τις σφαιρικές ή ασφαιρικές επιφάνειες, η οπτική επιφάνεια Freeform έχει περισσότερες ελευθερίες σχεδιασμού. Αυτό το έγγραφο σχεδιάζει ένα τηλεσκόπιο με αραιά διαφράγματος δύο καθυστέρησης. Ο πρωταρχικός καθρέφτης είναι κατασκευασμένος από τρεις υπο-μίρες διατεταγμένους στη διαμόρφωση Golay3, ενώ η πρωτεύουσα είναι μια επιφάνεια ελεύθερης μορφής που ορίζεται από πολυώνυμα Zernike. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το πλήρες οπτικό πεδίο αυξάνεται έως 0. Η ποιότητα της εικόνας πληροί τις απαιτήσεις που αποτελούν τη λειτουργία μεταφοράς διαμόρφωσης.

Λέξεις -κλειδιά: αραιό άνοιγμα. Freeform επιφάνειες? Polynomials Zernike. Λειτουργία μεταφοράς διαμόρφωσης

1. Εισαγωγή

Προκειμένου να βελτιωθεί η επίλυση του συστήματος τηλεσκοπίου, το άνοιγμα του οπτικού συστήματος πρέπει να αυξηθεί. Ωστόσο, η ανάπτυξη οπτικών συστημάτων μεγάλου ανοίγματος περιορίζεται από οπτικά υλικά, κόστος κατασκευής, όγκο, βάρος και ούτω καθεξής. Τα τηλεσκόπια αραιών [1] είναι ένα είδος οπτικού συστήματος απεικόνισης που χρησιμοποιεί χωρική κατανομή και αμοιβαία παρεμβολή πολλαπλών ανοίξεων για να αντικαταστήσει ένα μεγάλο άνοιγμα [2,3]. Η φωτεινή περιοχή ολόκληρου του συστήματος είναι μικρότερη από αυτή ενός μόνο μεγάλου ανοίγματος. Ο όγκος και η μάζα του συστήματος μειώνονται. Αλλά οι πληροφορίες που λαμβάνονται είναι βασικά ισοδύναμες με αυτές ενός ενιαίου μεγάλου συστήματος διαφράγματος.

Υπάρχουν δύο είδη μεθόδων για τηλεσκόπια αραιής διαφράγματος. Το ένα είναι το τηλεσκόπιο πολλαπλών φορέων (MMT) ότι ο κύριος καθρέφτης είναι κατασκευασμένος από αρκετούς μικρούς καθρέφτες και διατηρεί έναν κοινό δευτερεύον καθρέφτη. Το τηλεσκόπιο Golay6 Sparse Aperture της Boeing SVS Company [4] είναι ένα τυπικό τηλεσκόπιο πολλαπλών φορτίων. Ένας άλλος είναι τα τηλεσκόπια πολλαπλών τελεσκόπιο (MTT) ότι πολλά τηλεσκόπια αποτελούν ένα αραιό σύστημα διαφράγματος χρησιμοποιώντας πολλαπλά Afocal Telescopes, το καθένα με το δικό του δευτεροεξίμιο. Το τυπικό του παράδειγμα είναι η προσαρμοστική αναγνώριση του οπτικού δορυφόρου Golay3 (Argos) του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) [5]. Ωστόσο, αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν συνήθως σφαιρική ή ασφαιρική επιφάνεια, οι οποίες έχουν περιορισμούς στην απόκτηση μεγαλύτερου οπτικού πεδίου και καλύτερη ποιότητα εικόνας.

Σε σύγκριση με τον παραδοσιακό τύπο επιφάνειας, ειδικά για οπτικά συστήματα με μεγάλο οπτικό πεδίο. Η επιφάνεια Freeform έχει περισσότερες ελευθερίες σχεδιασμού [6]. Έχει ισχυρή ικανότητα να διορθώσει την εκτροπή. Επομένως, η χρήση της επιφάνειας Freeform μπορεί να εξασφαλίσει την ποιότητα απεικόνισης του συστήματος και να πάρει ένα μεγαλύτερο οπτικό πεδίο [7].

Σε αυτό το έγγραφο παρουσιάζεται ένα νέο τηλεσκόπιο πολλαπλών ωοτοκίων Golay3 που έχει σχεδιαστεί με επιφάνεια Freeform. Ο πρωταρχικός καθρέφτης του συστήματος είναι μια επιφάνεια ελεύθερης μορφής και ο δευτερεύων καθρέφτης έχει σχεδιαστεί με υπερβολικό.

2. Θεωρητικό υπόβαθρο

Το αραιό άνοιγμα Golay3 φαίνεται στο σχήμα 2.1. Τα κέντρα των τριών υπο-απλών βρίσκονται στις τρεις κορυφές του κανονικού τριγώνου. Ο μικρότερος περιγραφόμενος κύκλος των υπο-ερμηνευτικών ονομάζεται το περίβλημα του ανοίγματος. Ο συντελεστής πλήρωσης [8] ενός αραιή σύστημα διαφράγματος ορίζεται ως η αναλογία όλων των δευτερευόντων καθρέφτη της περιοχής σε εκείνη του περιβάλλοντος ανοίγματος τους. Ο συντελεστής πλήρωσης του συστήματος οπτικής απεικόνισης Golay3

Εικ. 2.1 Η διάταξη του συστήματος οπτικής απεικόνισης Golay3 Aperture Aperture

Εδώ το D αντιπροσωπεύει τη διάμετρο της υπο-επένδυσης και το D αντιπροσωπεύει τη διάμετρο του περιγραφόμενου κύκλου. Ο συντελεστής πλήρωσης υποδεικνύει την ικανότητα του ανοίγματος να συλλέγει φως.

Η συνάρτηση μαθητών του συστήματος οπτικής απεικόνισης αραιής διαφράγμα

Από τη γνώση της οπτικής πληροφόρησης, η συνάρτηση μαθητών, η συνάρτηση εξάπλωσης σημείων (PSF) και η λειτουργία μεταφοράς έχουν την ακόλουθη σχέση, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.2:

Εικ.2.2 Σχέση μεταξύ της λειτουργίας των μαθητών, της συνάρτησης διάχυσης σημείων και της συνάρτησης μεταφοράς

Η συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF) του συστήματος οπτικής απεικόνισης Golay3 αραιής διαφράγματος είναι^[10] :

Εδώ MTF_υποείναι η συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης της υπο-επένδυσης και η έκφραση είναι:

Μπορεί να φανεί από τον τύπο ότι ο συνδυασμός MTF πολλαπλών υπο-πλήρων στον τομέα συχνοτήτων αποτελεί το MTF ολόκληρου του συστήματος αραιών διαφράγματος. Οι καμπύλες MTF είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της ποιότητας απεικόνισης του συστήματος.

Σε πρακτικές εφαρμογές, ένα σύστημα δύο καθυστέρησης χρησιμοποιείται συνήθως για το σχεδιασμό ενός τηλεσκοπίου. Το τηλεσκόπιο πολλαπλών καθρέφτη Golay3 που σχεδιάστηκε σε αυτό το έγγραφο προέρχεται από ένα σύστημα δύο καθυστέρησης. Ο πρωταρχικός καθρέφτης του συστήματος δύο καθυστέρησης αντικαθίσταται από το αραιό άνοιγμα Golay3. Η διαμόρφωση του συστήματος δύο καθυστέρησης παρουσιάζεται στο Σχ.2.3.

Εικ.2.3 Διαμόρφωση του συστήματος δύο ωρών

Η αναλογία δύο καθυστέρησης του δευτερογενούς καθρέφτη και η μεγέθυνση του δευτερεύοντος καθρέφτη:

Μπορεί να ληφθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο της Gaussian οπτικής:

Εδώ r₁και r₂είναι η ακτίνα της καμπυλότητας του πρωτογενούς καθρέφτη m₁και δευτερεύων καθρέφτη m₂αντίστοιχα.

Από τη γνώση της γεωμετρίας, μπορούμε να γνωρίζουμε:

Πρώτον, το οπτικό διάφραγμα, το σχετικό άνοιγμα, το σχετικό άνοιγμα του κύριου καθρέφτη και η προβολή του εστιακού σημείου δ του συστήματος καθορίζονται να υπολογίζουν και. Στη συνέχεια, τα L2, D, R1 και R2 μπορούν να υπολογιστούν σύμφωνα με τον τύπο (5), (8) και (9). Τέλος, σύμφωνα με τη θεωρία εκτροπής τρίτης τάξης, υπολογίζονται οι συντελεστές σχήματος 𝑒𝑒 1 2 και 𝑒𝑒 2 2 των πρωτογενών και δευτερογενών καθρέφτη υπολογίζονται.

Ωστόσο, το οπτικό πεδίο του συστήματος cassegrain είναι μικρό λόγω της επίδρασης του κώματος και του αστιγματισμού. Χρησιμοποιώντας την επιφάνεια freeform εξοπλισμένη με πολυώνυμο Zernike για να σχεδιάσει το αραιό άνοιγμα Golay3 μπορεί να αυξήσει αποτελεσματικά το οπτικό πεδίο του συστήματος και να βελτιώσει την ποιότητα απεικόνισης. Η μορφή της επιφάνειας Freeform έχει ως εξής:

Εκεί z^l_nείναι πολυώνυμο Zernike:

Επομένως, τα πολυώνυμα Zernike μπορούν να γραφτούν ως:

Τα πολυώνυμα Zernike έχουν δύο πλεονεκτήματα. Το ένα είναι συνεχές και ορθογώνιο στον τομέα του κύκλου μονάδας και οι συντελεστές των πολυωνύμων είναι ανεξάρτητοι. Δεύτερον, έχει μια καλή αντίστοιχη σχέση με την εκτροπή των κυμάτων, η οποία είναι βολική για την καθιέρωση της σχέσης μεταξύ σχήματος επιφάνειας ελεύθερης μορφής και εκτροπής κυμάτων.

3 προσομοιώσεις

Αυτό το έγγραφο σχεδιάζει ένα σύστημα δύο mirror. Η διάμετρος του μαθητή εισόδου του συστήματος είναι 25 0 mm και ο αριθμός F είναι 6. Το οπτικό πεδίο είναι ± 0,16 βαθμοί. Το εύρος του μήκους κύματος είναι 486 ~ 656nm. Η διάμετρος του αραιοκατοικημένου ανοίγματος ανοίγματος είναι 52mm. Έτσι, ο συντελεστής πλήρωσης του συστήματος είναι 51,92%. Μετά τον υπολογισμό της αρχικής δομής και τη βελτιστοποίηση με το Zemax. Οι τελικές παράμετροι του συστήματος εμφανίζονται στην καρτέλα.3.1:

Ο δευτερεύων καθρέφτης του συστήματος είναι υπερβολικός. Ο κωνικός συντελεστής του είναι -3. 838. Ο κύριος καθρέφτης είναι μια επιφάνεια ελεύθερης μορφής που ορίζεται από το Zernike Standard SAG. Οι τιμές των πρώτων 14 στοιχείων εμφανίζονται στην καρτέλα.3.2:

Η τρισδιάστατη δομή του συστήματος τηλεσκοπίου Golay3 φαίνεται στο Σχ.3.1:

Εικ.3.1 Τρισδιάστατη δομή του συστήματος Telescope Golay3

Για ένα σύστημα τηλεσκοπίου, η λειτουργία οπτικής μεταφοράς και το διάγραμμα σημείων χρησιμοποιούνται συνήθως για την αξιολόγηση της ποιότητας απεικόνισης. Το Σχ.3.2 είναι το διάγραμμα σημείου του συστήματος. Η μέγιστη μέση τετραγωνική ακτίνα της εικόνας είναι 3,514μm. Το Airy Disk είναι 3,308μm. Η ποιότητα απεικόνισης του συστήματος είναι καλή.

Εικ.3.2 Το διάγραμμα Spot του συστήματος

Το Σχ.3.3 είναι οι καμπύλες MTF του συστήματος που λαμβάνεται από το λογισμικό Zemax. Όπως μπορείτε να δείτε από την εικόνα ότι οι καμπύλες MTF μπορούν να επιτύχουν καλή γραμμικότητα στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων (0 ~ 100LP\/mm). Η ποιότητα της εικόνας πληροί τις απαιτήσεις.

Εικ.3.3 Καμπύλες MTF του οπτικού συστήματος Golay3 Aperture με επιφάνεια Freeform

4. Συμπέρασμα

Αυτό το άρθρο εισάγει πρώτα τον ορισμό του αραιού ανοίγματος και τη μέθοδο αξιολόγησης της ποιότητας απεικόνισης. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λογισμικό Zemax για να σχεδιάσετε ένα τηλεσκόπιο πολλαπλών καθρέφτη Golay3. Ο πρωταρχικός καθρέφτης που σχεδιάστηκε με αραιά διάφραγμα υιοθετεί μια επιφάνεια ελεύθερης μορφής. Το σύστημα μπορεί να επιτύχει ένα πλήρες οπτικό πεδίο ± 0 16 βαθμών και συντελεστή πλήρωσης σχεδόν 51,92%. Έχει μεγάλη σημασία για την ανάπτυξη αστρονομικού τηλεσκοπίου μεγάλου ανοίγματος.

Ευχαριστίες Το έργο αυτό χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας (NSFC) (61875145, 11804243). Jiangsu επαρχία Βασική πειθαρχία του 13ου πενταετούς σχεδίου της Κίνας (20168765). Το Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών των Ιδρυμάτων Τριτοβάθμιας Εκπαίδευσης Jiangsu της Κίνας (17kja140001). Το εργαστήριο βασικού εργαστηρίου της επαρχίας Jiangsu (KJS1710).

ΑΝΑΦΟΡΑ

[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. "Αξιολόγηση των ελαφρών εννοιών απεικόνισης μεγάλου διαφράγματος". Proc. SPIE, 187- 203 (1996).

[2] Fiete, Robert D, "Η ποιότητα εικόνας των σχεδίων αραιής ανοίγματος για τηλεπισκόπηση", οπτική μηχανική. Papers 41 (8), 1957-1969 (2002).

[3] Ab Meinel. "Σύνθεση διάφραγμα χρησιμοποιώντας ανεξάρτητα τηλεσκόπια", Applied Optics 9.11: 2501 (1970).

[4] Johns Μ, McCarthy Ρ, Raybould Κ, et αϊ. "Giant Magellan Telescope: Επισκόπηση", Proc. Spie, 2012.

[5] Xie, Zongliang, et αϊ. "Πειραματική επίδειξη ενισχυμένης ανάλυσης ενός τηλεσκοπίου Golay3 αραιής κάμψης", Proc. του Spie Vol. 11552 115520 e -8 Λήψη από: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie στις 11 Οκτωβρίου 2020 Όροι χρήσης: https:\/\/www.spiedallibrary.org\/terms-of-us-use-use-use-use-use-104: {}}}}}}}}}}}}

[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer και Wolfgang Osten. "Προχωρημένες μελέτες σχετικά με τη μέτρηση των ασφυγών και των επιφανειών ελεύθερης μορφής με το συμβολόμετρο κεκλιμένου κύματος", Proc. SPIE 8082: 80821F -80821 f -11 (2011).

[7] Jiang, Χ., Ρ. Scott και D. Whitehouse. "Χαρακτηρισμός επιφάνειας Freeform - μια νέα στρατηγική", CIRP Annals - Τεχνολογία κατασκευής 56.1: 553-556 (2007).

[8] Flores, Jorge L, et αϊ. "Επιδράσεις των σφαλμάτων κακής ευθυγράμμισης στις λειτουργίες οπτικής μεταφοράς των τηλεσκοπίων συνθετικού ανοίγματος", Appl Opt 43.32: 5926-5932 (2004).

[9] Feng W, Quanying W, Lin Q. "Ανάλυση των χαρακτηριστικών του τηλεσκοπίου πολλαπλών ωοτοκίων Golay3, Appl Opt, 48 (3): 643-652 (2009).

[10] Noll και J. Robert. "Zernike Polynomials και ατμοσφαιρική αναταραχή*", J.Opt.Soc.AM 66.3: 207-211 (1976). Proc. του Spie Vol. 11552 115520 e -9 Λήψη από: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie στις 11 Οκτωβρίου 2020 Όροι χρήσης: https:\/\/www.spiedallibrary.org\/terms-