Optisk systemdesign och mätning av freeformytan

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, "Optisk systemdesign och mätning av freeformytan", Proc. SPIE 11552, Optisk metrologi och inspektion för industri

Ansökningar VII, 115520E (10 oktober 2020); doi: 10.1117\/12.2573873

Händelse: Spie\/Cos Photonics Asia, endast 2020, online online

Optisk systemdesign och mätning av freeformytan

Zhang Huixing¹, Wu Quanying¹*, Fan Junliu_¹, Chen Baohua¹, Tang yunhai1, hou yuwei², Chen Bin³

¹Skolan för fysisk vetenskap och teknik, Suzhou universitet för vetenskap och teknik,

Suzhou, Jiangsu 215009, Kina²

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

³Skola för optoelektronisk vetenskap och teknik, Soochow universitet

Suzhou, Jiangsu 215006, Kina

ABSTRAKT

Användningen av glesöppning kan minska storleken och vikten på det stora bländarens teleskop. Sfären eller asfärisk yta som vanligtvis används är svårt att öka synfältet för systemet och förbättra bildkvaliteten. Jämfört med sfäriska eller asfäriska ytor har optisk freeformyta mer designfriheter. Detta papper designar ett två-speglar glesa bländar-teleskop. Den primära spegeln är gjord av tre undermågor arrangerade i Golay3-konfigurationen medan den primära är en freeformyta definierad av Zernike-polynom. Resultaten visar att hela synfältet ökar upp till 0. 32 grader i det optiska systemet när den primära spegeln använder en freeformyta. Bildkvaliteten uppfyller kraven från sin moduleringsöverföringsfunktion.

Nyckelord: Sparse Aperture; freeformytor; Zernike -polynomer; moduleringsöverföringsfunktion

1. Introduktion

För att förbättra upplösningen av teleskopsystemet måste öppningen av det optiska systemet ökas. Utvecklingen av stora öppningssystem är emellertid begränsad av optiska material, tillverkningskostnader, volym, vikt och så vidare. Sparse -öppning [1] teleskop är ett slags optiskt avbildningssystem som använder rumslig distribution och ömsesidig störning av flera öppningar för att ersätta en stor öppning [2,3]. Det lysande området i hela systemet är mindre än för en enda stor öppning. Systemets volym och massa minskar. Men den erhållna informationen motsvarar i princip den för ett enda stort öppningssystem.

Det finns två typer av metoder för glesa öppningsteleskop. Den ena är multi-mirror-teleskopet (MMT) som den primära spegeln är gjord av flera små speglar och håller en gemensam sekundärspegel. Golay6 Sparse Aperture Telescope of Boeing SVS Company [4] är ett typiskt multi-mirror-teleskop. En annan är multi-telescope-teleskopen (MTT) som flera teleskop utgör ett glesa öppningssystem genom att använda flera afokala teleskop, var och en med sin egen sekundärmirror. Dess typiska exempel är Adaptive Reconnaissance Golay3 Optical Satellite (ARGOS) från Massachusetts Institute of Technology (MIT) [5]. Dessa system använder emellertid vanligtvis sfärisk eller asfärisk yta, som har begränsningar för att få ett större synfält och bättre bildkvalitet.

Jämfört med den traditionella yttypen, särskilt för optiska system med ett stort synfält. Freeformytan har fler designfriheter [6]. Det har en stark förmåga att korrigera avvikelse. Därför kan användningen av freeformytan säkerställa systemets avbildningskvalitet och få ett större synfält [7].

I det här dokumentet presenteras ett nytt Golay3 Sparse Aperture Multiple-Mirror-teleskop utformat med freeformytan. Systemets primära spegel är en freeformyta och den sekundära spegeln är utformad med hyperboloid.

2. Teoretisk bakgrund

Golay3 Sparse -öppningen visas i figur 2.1. Centrumen för de tre underuppträdandena finns på de tre vertikalerna i den vanliga triangeln. Den minsta omskrivna cirkeln av underanfallet kallas den omslutande öppningen. Fyllfaktorn [8] för ett gles öppningssystem definieras som förhållandet mellan alla sekundära speglarområden och deras omgivande bländare. GOLAY3 Sparse Aperture Optical Imaging System's Fill Factor [9] är

Fig. 2.1 Layouten för Golay3 Sparse Aperture Optical Imaging System

Här representerar d underuppträdets diameter och D representerar diametern på den omskrivna cirkeln. Fyllfaktorn indikerar bländarens förmåga att samla ljus.

Eleverfunktionen för det glesa öppningssystemet för bländare kan uttryckas som en upplösning av en underuppträdesfunktion och en 5-funktionsuppsättning:

Från kunskapen om informationsoptik har elevfunktionen, punktspridningsfunktionen (PSF) och överföringsfunktionen följande förhållande, som visas i figur 2.2:

Fig.2.2 Förhållande mellan elevfunktion, punktdiffusionsfunktion och överföringsfunktion

Moduleringsöverföringsfunktionen (MTF) för GOLAY3 Sparse Aperture Optical Imaging System är^[10] :

Här MTF_subär moduleringsöverföringsfunktionen för underanvändningen, och uttrycket är:

Det framgår av formeln att kombinationen av flera underuppträdesmtF i frekvensdomänen utgör MTF för hela glesa öppningssystemet. MTF -kurvor är också en av en viktig metod för att utvärdera systemets avbildningskvalitet.

I praktiska tillämpningar används vanligtvis ett två-speglingssystem för att utforma ett teleskop. GOLAY3 Sparse Aperture Multiple Mirror Telescope som är utformat i detta papper härstammar från ett två-mirror-system. Den primära spegeln för två-spiral-systemet ersätts av Golay3 Sparse-öppningen. Konfigurationen av två-mirrorsystem visas i fig .2.3.

Fig.2.3 Konfiguration av två-spiralssystem

Två-mirrorförhållandet mellan sekundärspegel och förstoringen av sekundärspegel:

Det kan erhållas genom att använda formeln för Gaussian Optics:

Här r₁och r₂är krökningsradie för primär spegel m₁och sekundär spegel m₂respektive.

Från kunskapen om geometri kan vi veta:

För det första är den optiska öppningen, relativ bländare, relativ öppning av den primära spegeln och fokalpunktprojektionen Δ i systemet fast beslutna att beräkna och. Sedan kan L2, D, R1 och R2 beräknas enligt formel (5), (8) och (9). Slutligen, enligt den tredje ordningens avvikande teori, beräknas formkoefficienterna 𝑒𝑒 1 2 och 𝑒𝑒 2 2 de primära och sekundära speglarna.

Emellertid är synfältet för Cassegrain -systemet litet på grund av påverkan av koma och astigmatism. Att använda freeformytan utrustad med Zernike -polynom för att utforma Golay3 Sparse -öppningen kan effektivt öka synfältet och förbättra bildkvaliteten. Formen av freeformytan är som följer:

Där z^l_när Zernike Polynomial:

Därför kan Zernike -polynomerna skrivas som:

Zernike -polynomer har två fördelar. En är kontinuerlig och ortogonal i enhetscirkeldomänen, och polynomens koefficienter är oberoende. För det andra har den ett bra motsvarande förhållande till vågavvikelse, vilket är bekvämt att fastställa förhållandet mellan freeformytform och vågavvikelse.

3. Simuleringar

Detta papper designar ett två-mirrorsystem. Ingångens elevdiameter på systemet är 25 0 mm och f -antalet är 6. Synfältet är ± 0,16 grader. Våglängdsområdet är 486 ~ 656Nm. Diametern på den glesa öppningsundersökningen är 52 mm. Så systemets fyllfaktor är 51,92%. Efter beräkning av den ursprungliga strukturen och optimering med Zemax. De slutliga parametrarna för systemet visas på TAB.3.1:

Systemets sekundära spegel är en hyperboloid. Dess koniska koefficient är -3. 838. Den primära spegeln är en freeformyta som definieras av Zernike Standard Sag. Värdena på de första 14 artiklarna visas på fliken.3.2:

Den tredimensionella strukturen för Golay3 -teleskopsystemet visas i fig .3.1:

Fig.3.1 Treddimensionell struktur för Golay3 -teleskopsystemet

För ett teleskopsystem används vanligtvis den optiska överföringsfunktionen och spotdiagrammet för att utvärdera dess avbildningskvalitet. Fig.3.2 är spotdiagrammet för systemet. Den maximala rotens medelkvadratiska radie för bildplatsen är 3,514 um. Airy Disk är 3,308 um. Systemets avbildningskvalitet är bra.

Fig.3.2 Systemets spotdiagram

Fig.3.3 är MTF -kurvorna för systemet erhållet av Zemax Software. Som du kan se från bilden kan MTF -kurvor uppnå god linearitet i lågfrekvensområdet (0 ~ 100lp\/mm). Bildkvalitet uppfyller kraven.

Fig.3.3 MTF -kurvor för Golay3 Sparse Aperture Optical System med Freeform Surface

4. Slutsats

Den här artikeln introducerar först definitionen av glesöppning och metoden för att utvärdera dess avbildningskvalitet. Sedan använda ZEMAX -programvara för att designa en Golay3 Sparse -öppning multipel spegel teleskop. Den primära spegeln som är utformad med Sparse Aperture antar en freeformyta. Systemet kan uppnå ett fullt synfält av ± 0. 16 grader och en fyllfaktor på nästan 51,92%. Det är av stor betydelse för utvecklingen av stort Aperture Astronomical Telescope.

Erkännanden Detta arbete finansieras av National Natural Science Foundation of China (NSFC) (61875145, 11804243); Jiangsu-provinsens nyckeldisciplin i Kinas 13: e femårsplan (20168765); Natural Science Foundation för Jiangsu Higher Education Institutions of China (17KJA140001); Jiangsu Province Key Laboratory (KJS1710).

HÄNVISNING

[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. "Bedömning av stora bländare lätta avbildningskoncept". Proc. Spie, 187- 203 (1996).

[2] Fiete, Robert D, "Bildkvalitet på glesa bländardesign för fjärravkänning", Optical Engineering. Papers 41 (8), 1957-1969 (2002).

[3] AB Meinel. "Aperture -syntes med oberoende teleskop", Applied Optics 9.11: 2501 (1970).

[4] Johns M, McCarthy P, Raybould K, et al. "Giant Magellan Telescope: Översikt", Proc. Spie, 2012.

[5] Xie, Zongliang, et al. "Experimentell demonstration av förbättrad upplösning av ett Golay3 Sparse-Aperture Telescope", Proc. av Spie Vol. 11552 115520 e -8 Nedladdad från: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie den 11 oktober 2020 användningsvillkor: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms--use-use 15.004: {30-33}}}}}} {2017).

[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer och Wolfgang Osten. "Avancerade studier om mätning av aspheres och freeformytor med den lutade vågen interferometer", Proc. Spie 8082: 80821f -80821 f -11 (2011).

[7] Jiang, X., P. Scott och D. Whitehouse. "Freeform Surface Characterization - A Fresh Strategy", CIRP Annals - Manufacturing Technology 56.1: 553-556 (2007).

[8] Flores, Jorge L, et al. "Effekter av feljusteringsfel på de optiska överföringsfunktionerna för syntetiska bländar teleskop", Appl opt 43.32: 5926-5932 (2004).

[9] Feng W, Quanying W, Lin Q. "Analys av egenskaperna hos Golay3 multipel-mirror-teleskop", Appl Opt ,, 48 (3): 643-652 (2009).

[10] Noll och J. Robert. "Zernike -polynomer och atmosfärisk turbulens*", J.Opt.Soc.AM 66.3: 207-211 (1976). Proc. av Spie Vol. 11552 115520 e -9 Nedladdad från: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie den 11 oktober 2020 Användningsvillkor: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/termsm-använda