Zhang, Huixing, Wu, Quanying, Fan, Junliu, Chen, Baohua, Tang, Yunhai et al.
Huixing Zhang, Quanying Wu, Junliu -Fan, Baohua Chen, Yunhai Tang, Yuwei
Hou, bin Chen, "Optisches Systemdesign und Messung der Freiformoberfläche", Proc. SPIE 11552, optische Metrologie und Inspektion für Industrie
Anträge VII, 115520E (10. Oktober 2020); doi: 10.1117\/12.2573873
Veranstaltung: SPIE\/COS Photonics Asia, 2020, nur online
OPTISCHES SYSTEM -Design und Messung der Freiformoberfläche
Zhang Huixing1, Wu quanying1*, Fan Junliu1, Chen Baohua1, Tang Yunhai1, Hou Yuwei2, Chen Bin3
1School of Physical Science and Technology, Suzhou Universität für Wissenschaft und Technologie,
Suzhou, Jiangsu 215009, China2
Suzhou Foif Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215006, China
3Schule für optoelektronische Wissenschaft und Ingenieurwesen, Universität Soochow
Suzhou, Jiangsu 215006, China
ABSTRAKT
Die Verwendung einer spärlichen Blende kann die Größe und das Gewicht des großen Blenden -Teleskops verringern. Die häufig verwendete Kugel- oder Asphärische Oberfläche ist schwierig, das Sichtfeld des Systems zu erhöhen und die Bildqualität zu verbessern. Im Vergleich zu kugelförmigen oder aspherischen Oberflächen weist die optische Freiformoberfläche mehr Designfreiheiten auf. Dieses Papier entwirft ein Zwei-Mirror-Blenden Teleskop. Der primäre Spiegel besteht aus drei in der Golay3-Konfiguration angeordneten Submirroren, während das Primär eine freie Oberfläche ist, die von Zernike-Polynomen definiert ist. Die Ergebnisse zeigen, dass das gesamte Sichtfeld bis zu 0. Die Bildqualität erfüllt die Anforderungen aus der Modulationstransferfunktion.
Schlüsselwörter: spärliche Blende; Freiformflächen; Zernike Polynome; Modulationstransferfunktion
1. Einführung
Um die Auflösung des Teleskopsystems zu verbessern, muss die Blende des optischen Systems erhöht werden. Die Entwicklung von optischen Systemen mit großer Blende ist jedoch durch optische Materialien, Herstellungskosten, Volumen, Gewicht usw. begrenzt. Die teleskope spärliche Apertur [1] sind eine Art optisches Bildgebungssystem, das räumliche Verteilung und gegenseitige Interferenz mehrerer Aperturen verwendet, um eine große Apertur zu ersetzen [2,3]. Der leuchtende Bereich des gesamten Systems ist kleiner als die einer einzigen großen Blende. Das Volumen und die Masse des Systems reduzieren sich. Die erhaltenen Informationen entsprechen jedoch im Wesentlichen der eines einzelnen großen Apertursystems.
Es gibt zwei Arten von Methoden für spärliche Blendenteleskope. Eines ist das Multi-Mirror-Teleskop (MMT), dass der Primärspiegel aus mehreren kleinen Spiegeln besteht und einen gemeinsamen sekundären Spiegel aufbewahrt. Das Golay6 Sparse Aperture Telescope of Boeing SVS Company [4] ist ein typisches Multi-Mirror-Teleskop. Ein weiteres ist die Multi-Teleskop-Teleskope (MTT), dass mehrere Teleskope ein spärliches Aperture-System durch Verwendung mehrerer afokaler Teleskope mit jeweils eine eigene Sekundarmaschine bilden. Sein typisches Beispiel ist der adaptive Aufklärung Golay3 Optical Satellit (Argos) des Massachusetts Institute of Technology (MIT) [5]. Diese Systeme verwenden jedoch normalerweise eine kugelförmige oder asphärische Oberfläche, die Einschränkungen bei der Erlangung eines größeren Sichtfelds und einer besseren Bildqualität aufweisen.
Im Vergleich zum traditionellen Oberflächentyp, insbesondere für optische Systeme mit einem großen Sichtfeld. Die Freiformoberfläche hat mehr Designfreiheiten [6]. Es hat eine starke Fähigkeit, Aberration zu korrigieren. Daher kann die Verwendung von freier Oberfläche die Bildgebungsqualität des Systems sicherstellen und ein größeres Sichtfeld erhalten [7].
In diesem Artikel wird ein neues Golay3-Sparse-Blenden-Multiple-Mirror-Teleskop mit freier Oberfläche vorgestellt. Der primäre Spiegel des Systems ist eine freie Oberfläche, und der Sekundärspiegel ist mit Hyperboloid ausgelegt.
2. Theoretischer Hintergrund
Die Golay3 -spärliche Blende ist in Abbildung 2.1 dargestellt. Die Zentren der drei Unteraperturen befinden sich auf den drei Eckpunkten des regulären Dreiecks. Der kleinste umschriebene Kreis der Unteraperturen wird als eingeschlossene Blende bezeichnet. Der Füllfaktor [8] eines spärlichen Blendensystems ist definiert als das Verhältnis des gesamten Bereichs der Sekundärspiegel zu dem ihrer umgebenden Blende. Der Füllfaktor des Golay3 Sparse Aperture Optical Imaging System [9] ist
Abb. 2.1 Das Layout des optischen Bildgebungssystems der Golay3 -spärlichen Blende
Hier repräsentiert D den Durchmesser der Unterapertur und D den Durchmesser des umschriebenen Kreises darstellt. Der Füllfaktor zeigt die Fähigkeit der Blende an, Licht zu sammeln.
Die Pupillenfunktion des optischen Bildgebungssystems der spärlichen Blende kann als Faltung einer Unteraperturfunktion und eines δ-Funktionsarrays ausgedrückt werden:
Aus der Kenntnis der Informationsoptik haben die Schülerfunktion, die Punktspread -Funktion (PSF) und die Übertragungsfunktion die folgende Beziehung, wie in Abbildung 2.2 dargestellt:
Abb.2.2 Beziehung zwischen der Pupillenfunktion, der Punktdiffusionsfunktion und der Übertragungsfunktion
Die Modulationstransferfunktion (MTF) des optischen Bildgebungssystems von Golay3 Sparse Aperture ist[10] :
Hier MTFSubist die Modulationstransferfunktion der Unterapertur, und der Ausdruck ist:
Aus der Formel ist ersichtlich, dass die Kombination aus mehreren MTF in der Frequenz des Frequenzbereichs das MTF des gesamten spärlichen Aperture-Systems darstellt. MTF -Kurven sind auch eine wichtige Methode zur Bewertung der Bildgebungsqualität des Systems.
In praktischen Anwendungen wird normalerweise ein Zwei-Mirror-System verwendet, um ein Teleskop zu entwerfen. Das in diesem Papier entwickelte Golay3-Blende-Multiple-Spiegel-Teleskop wird von einem Zwei-Mirror-System abgeleitet. Der primäre Spiegel des Zwei-Mirror-Systems wird durch die Golay3-spärliche Blende ersetzt. Die Konfiguration des Zwei-Mirror-Systems ist in Abb.2.3 dargestellt.
Abb.2.3 Konfiguration des Zwei-Mirror-Systems
Das Zwei-Mirror-Verhältnis des Sekundärspiegels und die Vergrößerung des Sekundärspiegels:
Es kann unter Verwendung der Formel der Gaußschen Optik erhalten werden:
Hier r1und r2sind der Radius der Krümmung des Primärspiegels m1und Sekundärspiegel m2jeweils.
Aus dem Wissen der Geometrie können wir wissen:
Erstens werden die optische Apertur, die relative Apertur, die relative Apertur des Primärspiegels und die Fokuspunktprojektion δ des Systems zur Berechnung und zur Berechnung und zur Berechnung und. Dann können L2, D, R1 und R2 gemäß der Formel (5), (8) und (9) berechnet werden. Nach der Aberrationstheorie dritter Ordnung werden die Formkoeffizienten 𝑒𝑒 1 2 und 𝑒𝑒 2 2 der primären und sekundären Spiegel berechnet.
Das Sichtfeld des Cassegrain -Systems ist jedoch aufgrund des Einflusses von Koma und Astigmatismus gering. Mit der mit Zernike -Polynom ausgestatteten Freeform -Oberfläche kann die spärliche Golay3 -Apertur das Sichtfeld des Systems effektiv erhöhen und die Bildgebungsqualität verbessern. Die Form der Freiformoberfläche lautet wie folgt:
Dort zlnist Zernike Polynom:
Daher können die Zernike -Polynome geschrieben werden als:
Zernike -Polynome haben zwei Vorteile. Man ist kontinuierlich und orthogonal in der Einheitskreisdomäne, und die Koeffizienten der Polynome sind unabhängig. Zweitens hat es eine gute entsprechende Beziehung zur Wellenaberration, die zweckmäßig ist, die Beziehung zwischen der Form der freien Form und der Wellenaberration zu bestimmen.
3. Simulationen
Dieses Papier entwirft ein Zwei-Mirror-System. Der Eingangsmesser des Systems beträgt 25 0 mm und die F -Nummer 6. Das Sichtfeld beträgt ± 0,16 Grad. Der Wellenlängenbereich beträgt 486 ~ 656nm. Der Durchmesser der spärlichen Blendenunterapertur beträgt 52 mm. Der Füllfaktor des Systems beträgt also 51,92%. Nach Berechnung der Anfangsstruktur und Optimierung mit Zemax. Die endgültigen Parameter des Systems sind in Tab.3.1 angezeigt:
Der sekundäre Spiegel des Systems ist ein Hyperboloid. Sein konischer Koeffizient ist -3. 838. Der Primärspiegel ist eine freie Oberfläche, die von Zernike Standard SAG definiert ist. Die Werte der ersten 14 Elemente sind in Tab.3.2 angezeigt:
Die dreidimensionale Struktur des Golay3 -Teleskopsystems ist in Abb.3.1 dargestellt:
Abb.3.1 Dreidimensionale Struktur des Golay3 -Teleskopsystems
Für ein Teleskopsystem werden in der Regel die optische Übertragungsfunktion und das Spot -Diagramm verwendet, um die Bildgebungsqualität zu bewerten. Abb.3.2 ist das Spot -Diagramm des Systems. Der maximale Quadratradius der Wurzel des Bildflecks beträgt 3,514 μm. Die luftige Festplatte beträgt 3,308 μm. Die Bildgebungsqualität des Systems ist gut.
Abb.3.2 Das Spot -Diagramm des Systems
Abb.3.3 sind die MTF -Kurven des von der Zemax -Software erhaltenen Systems. Wie Sie aus dem Bild sehen können, können MTF -Kurven im Niederfrequenzbereich eine gute Linearität ({0 ~ 100lp\/mm) erreichen. Die Bildqualität erfüllt die Anforderungen.
Abb.3.3 MTF -Kurven des optischen Systems der Golay3 -spärlichen Blende mit freier Oberfläche
4. Schlussfolgerung
In diesem Artikel wird zunächst die Definition der spärlichen Apertur und die Methode zur Bewertung seiner Bildgebungsqualität eingeführt. Verwenden Sie dann die Zemax -Software zum Entwerfen eines Golay3 -spärlichen Blenden -Multiple -Spiegel -Teleskops. Der primäre Spiegel, der mit einer spärlichen Blende ausgestattet ist, verwendet eine freie Oberfläche. Das System kann ein vollständiges Sichtfeld von ± 0. 16 Grad und einen Füllfaktor von fast 51,92%erreichen. Es ist von großer Bedeutung für die Entwicklung eines astronomischen Teleskops mit großer Apertur.
Danksagung Diese Arbeit wird von der National Natural Science Foundation of China (NSFC) (61875145, 11804243) finanziert; Jiangsu Provinz Key Disziplin des 13. Fünfjahresplans Chinas (20168765); Die Natural Science Foundation der Jiangsu Higher Education Institutions in China (17KJA140001); Jiangsu Provinz Key Laboratory (KJS1710).
REFERENZ
[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. "Bewertung von leichten Bildgebungskonzepten mit großer Blende". Proc. Spie, 187- 203 (1996).
[2] Fiete, Robert D, "Bildqualität von spärlichen Aperture -Designs für die Fernerkundung", optisches Engineering. Papers 41 (8), 1957-1969 (2002).
[3] Ab Meinel. "Aperture -Synthese unter Verwendung unabhängiger Teleskope", Applied Optics 9.11: 2501 (1970).
[4] Johns M., McCarthy P., Raybould K. et al. "Riesenmagellan Teleskop: Übersicht", Proc. Spie, 2012.
[5] Xie, Zongliang, et al. "Experimentelle Demonstration einer verstärkten Auflösung eines Golay3-spärlichen Apertur-Teleskops", Proc. von Spie Vol. 11552 115520E-8 Downloaded From: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie on 11 Oct 2020 Terms of Use: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-of-use 15.004:30-33(2017).
[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer und Wolfgang Osten. "Fortgeschrittene Studien zur Messung von Asphen und Freiformflächen mit dem Tilted-Wave-Interferometer", Proc. SPIE 8082: 80821f -80821 f -11 (2011).
[7] Jiang, X., P. Scott und D. Whitehouse. "Freeform Surface Charakterisierung - Eine neue Strategie", CIRP Annals - Fertigungstechnologie 56.1: 553-556 (2007).
[8] Flores, Jorge L, et al. "Auswirkungen von Fehlausrichtungsfehlern auf die optischen Übertragungsfunktionen von Teleskopen der synthetischen Apertur", Appl Option 43.32: 5926-5932 (2004).
[9] Feng W, Quanying W, Lin Q. "Analyse der Eigenschaften des Golay3-Multiple-Mirror-Teleskops", Appl Opt, 48 (3): 643-652 (2009).
[10] Noll und J. Robert. "Zernike Polynome und atmosphärische Turbulenz*", J.opt.Soc.am 66.3: 207-211 (1976). Proc. von Spie Vol. {Oder