Dizajn optičkog sustava i mjerenje površine slobodnog oblika

Zhang, Huixing, Wu, Quaning, Fan, Junliu, Chen, Baohua, Tang, Yunhai, et al.

Huixing Zhang, Quaniying Wu, obožavatelj Junliu, Baohua Chen, Yunhai Tang, Yuwei

HOU, Bin Chen, "Dizajn optičkog sustava i mjerenje površine slobodnih oblika", Proc. SPIE 11552, optička metrologija i inspekcija za industrijsku

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

Događaj: SPIE\/COS Photonics Asia, 2020, samo na mreži

Dizajn optičkog sustava i mjerenje površine slobodnog oblika

Zhang Huixing¹, Wu quaning¹*, Obožavatelj Junliu_¹, Chen Baohua¹, Tang Yunhai1, Hou Yuwei², Chen Bin³

¹Škola fizikalnih znanosti i tehnologije, Sveučilište za znanost i tehnologiju Suzhou,

Suzhou, Jiangsu 215009, Kina²

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

³Škola optoelektronske znanosti i inženjerstva, Sveučilište Soochow

Suzhou, Jiangsu 215006, Kina

SAŽETAK

Upotreba rijetkog otvora može smanjiti veličinu i težinu velikog teleskopa otvora. Sfera ili asferična površina koja se obično koristi teško je povećati vidno polje sustava i poboljšati kvalitetu slike. U usporedbi sa sfernim ili asferičnim površinama, optička površina slobodnog oblika ima više sloboda dizajna. Ovaj rad dizajnira teleskop s dvostrukim mirrorom. Primarno ogledalo izrađeno je od tri pod-mirura raspoređena u konfiguraciji Golay3, dok je primarna površina slobodnog oblika definirana polinomima Zernike. Rezultati pokazuju da se potpuno vidno polje povećava do 0. 32 stupnja u optičkom sustavu kada primarno ogledalo koristi površinu slobodnog oblika. Kvaliteta slike ispunjava zahtjeve iz njegove funkcije prijenosa modulacije.

Ključne riječi: rijetki otvor otvora; Slobodne površine; Zernike polinomi; Funkcija prijenosa modulacije

1. Uvod

Da bi se poboljšala razlučivost teleskopskog sustava, otvor optičkog sustava treba povećati. Međutim, razvoj optičkih sustava velikih otvora ograničen je optičkim materijalima, troškovima proizvodnje, volumenom, težinom i tako dalje. Rijesni otvor otvora [1] teleskopi su vrsta optičkog sustava za snimanje koji koristi prostornu raspodjelu i međusobnu smetnju višestrukih otvora za zamjenu velikog otvora [2,3]. Svjetlosno područje cijelog sustava manje je od one jednog velikog otvora. Volumen i masa sustava smanjuje. Ali dobiveni podaci u osnovi su ekvivalentni podacima jednog velikog sustava otvora.

Postoje dvije vrste metoda za rijetke teleskope otvora. Jedan je multi-mirorski teleskop (MMT) da je primarno ogledalo izrađeno od nekoliko malih ogledala i drži uobičajeno sekundarno ogledalo. Golay6 rijetki otvor teleskopa tvrtke Boeing SVS Company [4] tipičan je višestruki teleskop. Drugi su multi-telesskop teleskopi (MTT) koji nekoliko teleskopa čine sustav rijetkog otvora koristeći više afokalnih teleskopa, svaki sa svojim sekundarskim radom. Njegov tipični primjer je adaptivni izviđački golay3 optički satelit (Argos) Massachusetts Institute of Technology (MIT) [5]. Međutim, ovi sustavi obično koriste sfernu ili asferičnu površinu, koja imaju ograničenja u dobivanju većeg vidnog polja i bolju kvalitetu slike.

U usporedbi s tradicionalnim vrstama površine, posebno za optičke sustave s velikim vidnim poljem. Površina slobodnog oblika ima više sloboda dizajna [6]. Ima snažnu sposobnost ispravljanja aberacije. Stoga, upotreba površine slobodnog oblika može osigurati kvalitetu snimanja sustava i dobiti veće vidno polje [7].

U ovom radu prikazan je novi Golay3 rijetki otvor s višestrukim teleskopom dizajniran s površinom slobodnog oblika. Primarno ogledalo sustava je površina slobodnog oblika, a sekundarno ogledalo dizajnirano je s hiperboloidom.

2. Teoretska pozadina

Golay3 rijetki otvor otvoren je na slici 2.1. Centri triju pod-apera nalaze se na tri vrhova uobičajenog trokuta. Najmanji opisani krug pod-aperta naziva se zatvorenim otvorom. Faktor punjenja [8] sustava rijetkog otvora definiran je kao omjer svih područja sekundarnog ogledala i onog u njihovom okolnom otvoru. Golay3 rijetki otvor otvora optičkog sustava za snimanje [9] je

Sl. 2.1. Izgled sustava Optički slikovni otvor Golay3

Ovdje D predstavlja promjer sub-aperture, a D predstavlja promjer obrezanog kruga. Faktor punjenja ukazuje na sposobnost otvora da prikupi svjetlost.

Funkcija zjenice u rijetkoj otvoru otvora optičkog sustava za snimanje može se izraziti kao savijanje funkcije zjenice sub-aperture i Δ funkcionalnog niza:

Iz znanja o informacijskom optiku, funkcija zjenice, funkcija širenja točke (PSF) i funkcija prijenosa imaju sljedeći odnos, kao što je prikazano na slici 2.2:

Slika.2.2 Odnos između funkcije zjenice, funkcije difuzije točke i prijenosne funkcije

Funkcija prijenosa modulacije (MTF) GOLAY3 Spremnog sustava Optical Imaging je otvoren^[10] :

Ovdje MTF_podje funkcija prijenosa modulacije pod-aperture, a izraz je:

Iz formule se može vidjeti da kombinacija višestrukog sub-aperture MTF u frekvencijskoj domeni predstavlja MTF cijelog sustava rijetkog otvora. Krivulje MTF -a također su jedna od važnih metoda za procjenu kvalitete snimanja sustava.

U praktičnim primjenama, za dizajniranje teleskopa obično se koristi sustav s dva mirura. Golay3 rijetki otvor s više zrcalnih teleskopa dizajniranog u ovom radu izvedeno je iz sustava s dva mirura. Primarno ogledalo sustava s dva mirura zamjenjuje se rijetkim otvorom GOLAY3. Konfiguracija sustava s dva mirura prikazana je na slici2.3.

Sl.2.3 Konfiguracija sustava s dva mirura

Omjer sekundarnog ogledala s dva radova i povećanje sekundarnog ogledala:

Može se dobiti pomoću formule Gaussove optike:

Ovdje r₁i r₂su polumjer zakrivljenosti primarnog ogledala m₁i sekundarno ogledalo m₂odnosno.

Iz znanja o geometriji možemo znati:

Prvo, optički otvor, relativni otvor otvora, relativni otvor primarnog ogledala i projekcija žarišne točke Δ sustava određeni su izračunavanje i. Tada se L2, D, R1 i R2 mogu izračunati prema formuli (5), (8) i (9). Konačno, prema teoriji aberacije trećeg reda, izračunavaju se koeficijenti oblika 𝑒𝑒 1 2 i 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒 𝑒𝑒

Međutim, vidno polje kassegrain sustava je malo zbog utjecaja kome i astigmatizma. Korištenje površine Freeform opremljenog Zernike Polynomyal za dizajniranje rijetkog otvora Golay3 može učinkovito povećati vidno polje sustava i poboljšati kvalitetu snimanja. Oblik površine slobodnog oblika je sljedeći:

Tamo z^l_nJe li zernike polinom:

Stoga se Zernike polinomi mogu napisati kao:

Zernike polinomi imaju dvije prednosti. Jedna je kontinuirana i ortogonalna u domeni jediničnog kruga, a koeficijenti polinoma su neovisni. Drugo, ima dobar odgovarajući odnos s aberacijom valova, koji je prikladan za uspostavljanje odnosa između oblika površine slobodnog oblika i aberacije valova.

3. Simulacije

Ovaj rad dizajnira sustav s dva mirura. Promjer ulaznog zjenice sustava je 25 0 mm, a F broj je 6. Vidno polje je ± 0,16 stupnjeva. Raspon valne duljine je 486 ~ 656Nm. Promjer sub-aperture rijetkog otvora je 52 mm. Dakle, faktor punjenja sustava je 51,92%. Nakon izračuna početne strukture i optimizacije Zemaxom. Konačni parametri sustava prikazani su na kartici.3.1:

Sekundarno ogledalo sustava je hiperboloid. Njegov konični koeficijent je -3. 838. Primarno ogledalo je površina slobodnog oblika definirana Zernike Standard SAG. Vrijednosti prvih 14 stavki prikazane su na kartici.3.2:

Trodimenzionalna struktura sustava teleskopa Golay3 prikazana je na slici.3.1:

Sl.3.1 Trodimenzionalna struktura teleskopskog sustava Golay3

Za teleskopski sustav, optička funkcija prijenosa i dijagram točaka obično se koriste za procjenu njegove kvalitete snimanja. Sl.3.2 je točkasti dijagram sustava. Maksimalni korijenski srednji kvadratni polumjer slike je 3,514 μm. Zračni disk je 3,308 μm. Kvaliteta snimanja sustava je dobra.

Sl.3.2 Spot dijagram sustava

Sl.3.3 je MTF krivulje sustava dobivenih softverom Zemax. Kao što možete vidjeti na slici da MTF krivulje mogu postići dobru linearnost u rasponu niske frekvencije (0 ~ 100LP\/mm). Kvaliteta slike ispunjava zahtjeve.

Sl.3.3 MTF krivulje optičkog sustava GOLAY3 Optički sustav otvora s površinom slobodnog oblika

4. Zaključak

Ovaj članak prvo uvodi definiciju rijetkog otvora i metodu procjene njegove kvalitete snimanja. Zatim pomoću Zemax softvera za dizajniranje Golay3 rijetkog otvora više zrcalnih teleskopa. Primarno ogledalo koje je dizajnirano s rijetkim otvorom blende prihvaća površinu slobodnog oblika. Sustav može postići cijelo vidno polje ± 0. 16 stupnjeva i faktor punjenja od gotovo 51,92%. To je od velikog značaja za razvoj astronomskog teleskopa velikog otvora.

Priznanja Ovaj rad financira Nacionalna zaklada za prirodne znanosti u Kini (NSFC) (61875145, 11804243); Ključna disciplina kineskog petogodišnjeg plana provincije Jiangsu provincije Jiangsu (20168765); Fondacija za prirodne znanosti iz Kineske ustanove za visoke obrazovanje Jiangsu (17kja140001); Ključni laboratorij provincije Jiangsu (KJS1710).

Referenca

[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. "Procjena velikih koncepata za snimanje velikih otvora". Proc. SPIE, 187- 203 (1996).

[2] Fiete, Robert D, "Kvaliteta slike dizajna rijetkih otvora za daljinsko istraživanje", optički inženjering. Radovi 41 (8), 1957-1969 (2002).

[3] AB Meinel. "Sinteza otvora pomoću neovisnih teleskopa", primijenjena optika 9.11: 2501 (1970).

[4] Johns M, McCarthy P, Raybould K i sur. "Giant Magellan teleskop: Pregled", Proc. SPIE, 2012.

[5] Xie, Zongliang i sur. "Eksperimentalna demonstracija pojačane razlučivosti teleskopa Golay3 rijetko-aperture", Proc. od Spie Vol. 11552 115520 e {-8 preuzeto sa: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceesings-of-pie 11. listopada 2020. Uvjeti korištenja: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-ose 15.004: {201.004: 201.

[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer i Wolfgang Osten. "Napredne studije o mjerenju asfera i površina slobodnog oblika s nagljenim valnim interferometrom", Proc. SPIE 8082: 80821F -80821 f -11 (2011).

[7] Jiang, X., P. Scott i D. Whitehouse. "Karakterizacija površine slobodnog oblika - svježa strategija", CIRP Annals - Manufacturing Technology 56.1: 553-556 (2007).

[8] Flores, Jorge L i sur. "Učinci pogrešaka u neusklađivanju na funkcije optičkog prijenosa teleskopa sintetičkih otvora", APPL OPT 43.32: 5926-5932 (2004).

[9] Feng W, Quaning W, Lin q. "Analiza karakteristika GOLAY3 teleskopa s više mirrora", Appl Opt ,, 48 (3): 643-652 (2009).

[10] Noll i J. Robert. "Zernike polinomi i atmosferska turbulencija*", J.Opt.soc.am 66.3: 207-211 (1976). Proc. od Spie Vol. 11552 115520 e -9 Preuzeto sa: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-ofpie 11. listopada 2020. Uvjeti korištenja: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-ose