Оптична система за проектиране и измерване на повърхността на свободната форма

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

Хуисинг Жан, Куанин У, Джунлиу Фан, Баохуа Чен, Юнхай Танг, Ювеи

Hou, Bin Chen, „Оптична система за проектиране и измерване на повърхността на свободната форма“, Proc. SPIE 11552, Оптична метрология и инспекция за индустриални

Приложения VII, 115520E (10 октомври 2020 г.); doi: 10.1117\/12.2573873

Събитие: SPIE\/COS Photonics Asia, 2020, само онлайн

Оптична система за проектиране и измерване на повърхността на свободната форма

Джан Хуейсин¹, Ву Куанинг¹*, Вентилатор Junliu_¹, Чен Баохуа¹, Tang Yunhai1, Hou Yuwei², Chen Bin³

¹Училище за физически науки и технологии, Университет за наука и технологии в Сучжоу,

Suzhou, Jiangsu 215009, Китай²

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

³Училище по оптоелектронна наука и инженерство, Университет Сохоу

Suzhou, Jiangsu 215006, Китай

Резюме

Използването на оскъдна бленда може да намали размера и теглото на големия телескоп на блендата. Обикновено използваната сфера или асферична повърхност е трудно да се увеличи зрителното поле на системата и да се подобри качеството на изображението. В сравнение със сферичните или асферичните повърхности, оптичната повърхност на свободната форма има повече дизайнерски свободи. Този документ проектира телескоп с рядък бленда с две мерки. Основното огледало е направено от три подражания, подредени в конфигурацията на Golay3, докато първичната е повърхност на свободна форма, дефинирана от Zernike Polynomials. Резултатите показват, че цялото зрително поле се увеличава до 0. 32 градуса в оптичната система, когато основното огледало използва повърхност на свободна форма. Качеството на изображението отговаря на изискванията за неговата функция за прехвърляне на модулация.

Ключови думи: рядка бленда; Повърхности на свободна форма; Полиноми на Zernike; Функция за прехвърляне на модулация

1. Въведение

За да се подобри разделителната способност на телескопната система, отворът на оптичната система трябва да бъде увеличен. Разработването на големи оптични системи на блендата е ограничено от оптични материали, производствени разходи, обем, тегло и т.н. Шировата бленда [1] телескопите са вид оптична система за изображения, която използва пространствено разпределение и взаимна намеса на множество отвори, за да замени голяма бленда [2,3]. Светещата зона на цялата система е по -малка от тази на една голяма бленда. Обемът и масата на системата намаляват. Но получената информация е в основата си еквивалентна на тази на една голяма система от бленда.

Има два вида методи за оскъдни телескопи. Единият е мулти-о-оживеният телескоп (MMT), че основното огледало е направено от няколко малки огледала и поддържа общо вторично огледало. Телескопът за рядък бленда на GoLay6 на Boeing SVS Company [4] е типичен мулти-о-о-о-о-о-минен телескоп. Друго са мултителескопските телескопи (MTT), които няколко телескопа съставляват система за рядка бленда, като използват множество AFOCAL телескопи, всяка със собствена вторична. Типичният му пример е адаптивният разузнавателен оптичен сателит (Argos) на Масачузетския технологичен институт (MIT) [5]. Тези системи обаче обикновено използват сферична или асферична повърхност, които имат ограничения за получаване на по -голямо зрително поле и по -добро качество на изображението.

В сравнение с традиционния тип повърхност, особено за оптични системи с голямо зрително поле. Повърхността на свободната форма има повече свободи от дизайна [6]. Той има силна способност да коригира аберацията. Следователно използването на повърхността на свободната форма може да гарантира качеството на изображения на системата и да получи по -голямо зрително поле [7].

В този документ е представен нов телескоп с много мерки GOLAY3 Scarse Aperture, проектиран с повърхност на свободна форма. Основното огледало на системата е повърхност на свободна форма, а вторичното огледало е проектирано с хиперболоид.

2. Теоретична фон

Шировата бленда на Golay3 е показана на фигура 2.1. Центровете на трите под-аперти са на трите върха на редовния триъгълник. Най-малкият обрязан кръг на под-апертите се нарича ограждаща бленда. Коефициентът на запълване [8] на оскъдна система от бленда се определя като съотношението на всички зони на вторичните огледала към това на заобикалящата им бленда. Коефициентът на запълване на оптичното изображение на GoLay3 Scarse Aperture [9] е

Фиг. 2.1 Оформлението на оптичната система за изображения на GoLay3 Scarse Aperture

Тук D представлява диаметъра на под-апертовата, а D представлява диаметъра на описания кръг. Коефициентът на запълване показва способността на блендата да събира светлина.

Функцията на зениците на оптичната система за изобразяване на рядката бленда може да бъде изразена като скръб на функция на зеницата на под-аперт и δ функционална масив:

От познаването на информационната оптика функцията на ученика, функцията за разпространение на точките (PSF) и функцията за прехвърляне имат следната връзка, както е показано на фигура 2.2:

Фиг.2.2 Връзка между функцията на ученика, функцията на дифузия на точката и функцията на прехвърляне

Функцията за прехвърляне на модулация (MTF) на оптичната система за изображения на Golay3 Scarse Aperture е^[10] :

Тук MTF_поде функцията за прехвърляне на модулация на под-апертовата и изразът е:

От формулата може да се види, че комбинацията от множество под-аперти MTF в честотния домейн представлява MTF на цялата система за рядка бленда. MTF кривите също е един от важните методи за оценка на качеството на изображения на системата.

В практическите приложения обикновено се използва система от две огледала за проектиране на телескоп. Множественият огледален телескоп GOLAY3, проектиран в тази статия, е получен от двумитрична система. Основното огледало на системата от две омита се заменя с рядката бленда на Golay3. Конфигурацията на системата с две огледала е показана на фиг.2.3.

Фиг.2.3 Конфигурация на двусърдедна система

Съотношението на две мерки на вторичното огледало и увеличението на вторичното огледало:

Може да се получи с помощта на формулата на гаусската оптика:

Тук r₁и r₂са радиусът на кривината на първичното огледало m₁и вторично огледало m₂съответно.

От знанията за геометрията можем да знаем:

Първо, оптичната бленда, относителната бленда, относителната бленда на основното огледало и проекцията на фокусната точка δ на системата се определят за изчисляване и. Тогава L2, D, R1 и R2 могат да бъдат изчислени според формулата (5), (8) и (9). И накрая, според теорията за аберация от трети ред се изчисляват коефициентите на формата 𝑒𝑒 1 2 и 𝑒𝑒 2 2 на първичните и вторичните огледала.

Въпреки това, зрителното поле на системата Cassegrain е малко поради влиянието на кома и астигматизъм. Използването на повърхността на свободната форма, снабдена с Zernike Polynomial за проектиране на Scarse Aperture Golay3, може ефективно да увеличи полето на зрителното поле и да подобри качеството на изображения. Формата на повърхността на свободната форма е следната:

Там z^l_nе zernike polynomial:

Следователно полиномите на Zernike могат да бъдат написани като:

Полиномите на Zernike имат две предимства. Единият е непрекъснат и ортогонален в домейна на единичния кръг, а коефициентите на полиномите са независими. Второ, тя има добра съответна връзка с аберацията на вълната, което е удобно да се установи връзката между формата на повърхността на свободната форма и аберацията на вълната.

3. Симулации

Този документ проектира система с две огледала. Диаметърът на входния ученик на системата е 25 0 mm, а F номер е 6. Гривното поле е ± 0,16 градуса. Обхватът на дължината на вълната е 486 ~ 656nm. Диаметърът на под-апертовата на рядката бленда е 52 мм. Така че коефициентът на запълване на системата е 51,92%. След изчисляване на първоначалната структура и оптимизиране със Zemax. Крайните параметри на системата са показани в Tab.3.1:

Вторичното огледало на системата е хиперболоид. Неговият коничен коефициент е -3. 838. Основното огледало е повърхност на свободна форма, дефинирана от Zernike Standard Sag. Стойностите на първите 14 елемента са показани в Tab.3.2:

Триизмерната структура на телескопната система GoLay3 е показана на фиг.3.1:

Фиг.3.1 Триизмерна структура на телескопната система Golay3

За телескопна система оптичната функция за прехвърляне и петна диаграма обикновено се използват за оценка на качеството му на изображения. Фиг.3.2 е спотната диаграма на системата. Максималният среден корен квадратен радиус на петното на изображението е 3,514 μm. Airy Disk е 3.308 μm. Качеството на изображения на системата е добро.

Фиг.3.2 Спотната диаграма на системата

Фиг.3.3 е MTF кривите на системата, получена от Zemax Software. Както можете да видите от картината, че кривите на MTF могат да постигнат добра линейност в нискочестотния диапазон (0 ~ 100lp\/mm). Качеството на изображението отговаря на изискванията.

Фиг.3.3 MTF криви на оптичната система GoLay3 Scarse Aperture с повърхност на свободна форма

4. Заключение

Тази статия първо въвежда дефиницията на рядката бленда и метода за оценка на качеството му на изображения. След това използвайки софтуера Zemax за проектиране на много огледален телескоп Golay3 Scarse Aperture. Основното огледало, което е проектирано с оскъдна бленда, приема повърхност на свободна форма. Системата може да постигне пълно зрително поле на ± 0. 16 градуса и коефициент на пълнене от близо 51,92%. Това е от голямо значение за развитието на голям бленда астрономически телескоп.

Признания Тази работа се финансира от Националната природонаучна фондация на Китай (NSFC) (61875145, 11804243); Основна дисциплина на провинция Jiangsu на 13-ия петгодишен план на Китай (20168765); Фондацията за природни науки на Китайското висше образование на Jiangsu (17KJA140001); Ключова лаборатория на провинция Jiangsu (KJS1710).

Справка

[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. „Оценка на големи концепции за изобразяване на светли тежести“. Proc. Spie, 187- 203 (1996).

[2] Fiete, Robert D, "Качество на изображението на оскъдни дизайни на блендата за дистанционно наблюдение", Оптично инженерство. Доклади 41 (8), 1957-1969 (2002).

[3] AB Meinel. „Синтез на бленда с помощта на независими телескопи“, Applied Optics 9.11: 2501 (1970).

[4] Johns M, McCarthy P, Raybould K, et al. „Гигантски телескоп Magellan: Преглед“, Proc. Spie, 2012.

[5] Xie, Zongliang, et al. „Експериментална демонстрация на засилена разделителна способност на резервен телескоп GOLAY3“, Proc. на Spie Vol. 11552 115520 e -8 Изтеглено от: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceings-of-pie на 11 октомври 2020 г. Условия за ползване: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-of-of-use 15.004: {30-33 (2017).

[6] Евгенио Гарбуси, Горан Баер и Волфганг Остен. „Разширени проучвания за измерване на асфери и повърхности на свободна форма с наклонена вълна интерферометър“, Proc. SPIE 8082: 80821F -80821 f -11 (2011).

[7] Jiang, X., P. Scott и D. Whitehouse. "Характеристика на повърхността на свободна форма - свежа стратегия", CIRP Annals - Производствена технология 56.1: 553-556 (2007).

[8] Flores, Horge L, et al. „Ефекти на грешките на несъответствие върху функциите на оптичния трансфер на телескопи за синтетична бленда“, Appl Opt 43.32: 5926-5932 (2004).

[9] Feng W, Quanying W, Lin Q. "Анализ на характеристиките на GOLAY3 с множество огледали телескоп", Appl Opt ,, 48 (3): 643-652 (2009).

[10] Нол и Дж. Робърт. "Полиноми на Zernike и атмосферна турбулентност*", J.Opt.Soc.am 66.3: 207-211 (1976). Proc. на Spie Vol. 11552 115520 e -9 Изтеглено от: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceings-of-spie на 11 октомври 2020 г. Условия за ползване: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-of-use