Zhang, Huixing, Wu, Quanying, Fan, Junliu, Chen, Baohua, Tang, Yunhai, et al.
Huixing Zhang, Quanyying Wu, Junliu Fan, Baohua Chen, Yunhai Tang, Yuwei
Hou, bin Chen, "Optisch systeemontwerp en meting van vrijvormoppervlak", Proc. SPIE 11552, Optische metrologie en inspectie voor industrieel
Toepassingen VII, 115520e (10 oktober 2020); doi: 10.1117\/12.2573873
Evenement: Spie\/Cos Photonics Asia, 2020, alleen online
Optisch systeemontwerp en meting van het vrije vormoppervlak
Zhang Huixing1, Wu Quanying1*, Fan junliu1, Chen Baohua1, Tang yunhai1, hou yuwwei2, Chen Bin3
1School of Natuurwetenschappen en Technologie, Suzhou Universiteit voor Wetenschap en Technologie,
Suzhou, Jiangsu 215009, China2
Suzhou Foif Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215006, China
3School voor Optoelektronische Wetenschap en Engineering, Soochow Universiteit
Suzhou, Jiangsu 215006, China
SAMENVATTING
Het gebruik van schaarse diafragma kan de grootte en het gewicht van de grote diafragma -telescoop verminderen. De veel gebruikte bol of het asferische oppervlak is moeilijk om het gezichtsveld van het systeem te vergroten en de beeldkwaliteit te verbeteren. In vergelijking met bolvormige of asferische oppervlakken heeft het optische freeform -oppervlak meer ontwerpvrijheden. Dit artikel ontwerpt een twee-miruror schaarse diafragma-telescoop. De primaire spiegel is gemaakt van drie sub-mirurors gerangschikt in de Golay3-configuratie, terwijl de primaire een vrijformaat is dat wordt gedefinieerd door Zernike Polynomials. De resultaten laten zien dat het volledige gezichtsveld tot 0 toeneemt. 32 graden in het optische systeem wanneer de primaire spiegel een vrijformaat oppervlak gebruikt. De beeldkwaliteit voldoet aan de vereisten voor de modulatieoverdrachtsfunctie.
Sleutelwoorden: schaarse opening; Freeform -oppervlakken; Zernike polynomen; Modulatieoverdrachtsfunctie
1. Inleiding
Om de resolutie van het telescoopsysteem te verbeteren, moet het diafragma van het optische systeem worden verhoogd. De ontwikkeling van optische systemen met grote diafragma wordt echter beperkt door optische materialen, productiekosten, volume, gewicht enzovoort. Schaarse opening [1] Telescopen zijn een soort optisch beeldvormingssysteem dat ruimtelijke verdeling en wederzijdse interferentie van meerdere openingen gebruikt om een groot diafragma te vervangen [2,3]. Het lichtgebied van het hele systeem is kleiner dan dat van een enkele grote opening. Het volume en de massa van het systeem verminderen. Maar de verkregen informatie is in principe equivalent aan die van een enkel groot diafragma -systeem.
Er zijn twee soorten methoden voor schaarse diafragma -telescopen. Een daarvan is de multi-mirror-telescoop (MMT) dat de primaire spiegel is gemaakt van verschillende kleine spiegels en een gemeenschappelijke secundaire spiegel behoudt. De Golay6 schaarse Aperture Telescope van Boeing SVS Company [4] is een typische multi-mirror-telescoop. Een andere is de multi-telescope-telescopen (MTT) dat verschillende telescopen een schaars diafragmersysteem vormen met behulp van meerdere Afocal-telescopen, elk met zijn eigen secundaire mirror. Het typische voorbeeld is Adaptive Reconnaissance Golay3 Optical Satellite (Argos) van Massachusetts Institute of Technology (MIT) [5]. Deze systemen gebruiken echter meestal bolvormig of asferisch oppervlak, die beperkingen hebben bij het verkrijgen van een groter gezichtsveld en een betere beeldkwaliteit.
Vergeleken met het traditionele oppervlaktetype, vooral voor optische systemen met een groot gezichtsveld. Het freeform -oppervlak heeft meer ontwerpvrijheden [6]. Het heeft een sterke mogelijkheid om aberratie te corrigeren. Daarom kan het gebruik van freeform -oppervlak de beeldvormingskwaliteit van het systeem garanderen en een groter gezichtsveld krijgen [7].
In dit artikel wordt een nieuwe golay3 schaarse diafragma meerdere miruror telescoop ontworpen met freeform-oppervlak gepresenteerd. De primaire spiegel van het systeem is een vrijvormoppervlak en de secundaire spiegel is ontworpen met hyperboloid.
2. Theoretische achtergrond
De golay3 schaarse diafragma wordt getoond in figuur 2.1. De centra van de drie submetingen bevinden zich op de drie hoekpunten van de reguliere driehoek. De kleinste omschreven cirkel van de sub-appartementen wordt het omsluitende diafragma genoemd. De vulfactor [8] van een schaarse openingssysteem wordt gedefinieerd als de verhouding van het gebied van alle secundaire spiegels tot die van hun omliggende diafragma. De vulfactor van het golay3 schaarse diafragma optische beeldvormingssysteem is [9] is
Fig. 2.1 De lay -out van het optische beeldvormingssysteem van het golay3 schaarse diafragma
Hier vertegenwoordigt D de diameter van het sub-schakel en D vertegenwoordigt de diameter van de omschreven cirkel. De vulfactor geeft het vermogen van het diafragma aan om licht te verzamelen.
De pupilfunctie van het optische beeldvormingssysteem van de schaarse opening kan worden uitgedrukt als een convolutie van een sub-apertuurpupilfunctie en een Δ-functie-array:
Uit de kennis van informatie -optiek hebben de pupilfunctie, puntspreadfunctie (PSF) en overdrachtsfunctie de volgende relatie, zoals weergegeven in figuur 2.2:
Fig.2.2 Relatie tussen pupilfunctie, puntdiffusiefunctie en overdrachtsfunctie
De modulatieoverdrachtsfunctie (MTF) van golay3 schaarse apertuur optisch beeldvormingssysteem is[10] :
Hier MTFsubis de modulatieoverdrachtsfunctie van het sub-apertuur en de uitdrukking is:
Uit de formule kan worden gezien dat de combinatie van MTF met meerdere sub-apertuur in het frequentiedomein de MTF van het gehele schaarse diafragmesysteem vormt. MTF -curven is ook een van een belangrijke methode om de beeldvormingskwaliteit van het systeem te evalueren.
In praktische toepassingen wordt een systeem met twee sporen meestal gebruikt om een telescoop te ontwerpen. De golay3 schaarse diafragma meerdere spiegeltelescoop die in dit artikel is ontworpen, is afgeleid van een twee-miruror-systeem. De primaire spiegel van het twee-miruror-systeem wordt vervangen door de golay3 schaarse diafragma. De configuratie van twee-miruror-systeem wordt getoond in Fig.2.3.
Fig.2.3 Configuratie van twee-miruror-systeem
De twee-mirror-verhouding van secundaire spiegel en de vergroting van secundaire spiegel:
Het kan worden verkregen door de formule van Gaussiaanse optica te gebruiken:
Hier r1en r2zijn de straal van kromming van primaire spiegel m1en secundaire spiegel m2respectievelijk.
Uit de kennis van de geometrie kunnen we weten:
Ten eerste worden de optische opening, relatieve opening, relatieve opening van de primaire spiegel en het brandpuntsprojectie A van het systeem bepaald om te berekenen en. Vervolgens kunnen L2, D, R1 en R2 worden berekend volgens formule (5), (8) en (9). Ten slotte worden volgens de derde-orde aberratietheorie de vormcoëfficiënten 𝑒𝑒 1 2 en 𝑒𝑒 2 2 van de primaire en secundaire spiegels berekend.
Het gezichtsveld van het Cassegrain -systeem is echter klein vanwege de invloed van coma en astigmatisme. Het gebruik van freeform -oppervlak dat is uitgerust met Zernike polynoom om het golay3 schaarse diafragma te ontwerpen, kan het gezichtsveld van het systeem effectief vergroten en de beeldvormingskwaliteit verbeteren. De vorm van freeform -oppervlak is als volgt:
Daar zlnis Zernike Polynomial:
Daarom kunnen de Zernike polynomen worden geschreven als:
Zernike polynomen hebben twee voordelen. Een daarvan is continu en orthogonaal in het eenheidscirkeldomein en de coëfficiënten van de polynomen zijn onafhankelijk. Ten tweede heeft het een goede overeenkomstige relatie met golfafwijking, wat handig is om de relatie te vestigen tussen vrije oppervlaktevorm en golfafwijking.
3. Simulaties
Dit artikel ontwerpt een systeem met twee miruror. De diameter van de ingang van het systeem is 25 0 mm en F -nummer is 6. Het gezichtsveld is ± 0,16 graden. Het golflengte is 486 ~ 656 nm. De diameter van het sub-aparture van het schaarse opening is 52 mm. De vulfactor van het systeem is dus 51,92%. Na het berekenen van de initiële structuur en het optimaliseren met Zemax. De uiteindelijke parameters van het systeem worden weergegeven in tab.3.1:
De secundaire spiegel van het systeem is een hyperboloïde. De conische coëfficiënt is -3. 838. De primaire spiegel is een vrijvormoppervlak gedefinieerd door Zernike Standard SAG. De waarden van de eerste 14 items worden weergegeven in tab.3.2:
De driedimensionale structuur van Golay3 -telescoopsysteem wordt getoond in Fig.3.1:
Fig.3.1 Driedimensionale structuur van Golay3 Telescope -systeem
Voor een telescoopsysteem worden de optische overdrachtsfunctie en het spotdiagram meestal gebruikt om de beeldvormingskwaliteit te evalueren. Fig.3.2 is het spotdiagram van het systeem. De maximale wortelgemiddelde vierkante straal van de beeldspot is 3,514 μm. Luchtige schijf is 3,308 μm. De beeldvormingskwaliteit van het systeem is goed.
Fig.3.2 Het spotdiagram van het systeem
Fig.3.3 zijn de MTF -curven van het systeem verkregen door ZEMAX -software. Zoals u kunt zien in de afbeelding dat MTF -curven een goede lineariteit kunnen bereiken in het lage frequentiebereik (0 ~ 100LP\/mm). Afbeeldingskwaliteit voldoet aan de vereisten.
Fig.3.3 MTF -curven van het golay3 schaarse diafragma optische systeem met freeform -oppervlak
4. Conclusie
Dit artikel introduceert eerst de definitie van schaarse diafragma en de methode voor het evalueren van de beeldvormingskwaliteit. Vervolgens gebruiken Zemax -software om een Golay3 -schaarse diafragma te ontwerpen Meerdere spiegeltelescoop. De primaire spiegel die is ontworpen met schaarse diafragma hanteert een vrijvormoppervlak. Het systeem kan een volledig gezichtsveld bereiken van ± 0. 16 graden en een vulfactor van bijna 51,92%. Het is van groot belang voor de ontwikkeling van de astronomische telescoop met een grote opening.
Dankbetuigingen Dit werk wordt gefinancierd door de National Natural Science Foundation of China (NSFC) (61875145, 11804243); Jiangsu Province Key Discipline van het 13e vijfjarenplan van China (20168765); De Natural Science Foundation van de Jiangsu Higher Education Institutions of China (17KJA140001); Jiangsu Province Key Laboratory (KJS1710).
REFERENTIE
[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. "Beoordeling van lichtgewicht beeldvormingsconcepten met grote openingen". Proc. Spie, 187- 203 (1996).
[2] Fiete, Robert D, "Beeldkwaliteit van schaarse diafragma -ontwerpen voor teledetectie", Optical Engineering. Papers 41 (8), 1957-1969 (2002).
[3] Ab Meinel. "Apertuursynthese met behulp van onafhankelijke telescopen", Applied Optics 9.11: 2501 (1970).
[4] Johns M, McCarthy P, Raybould K, et al. "Giant Magellan Telescope: Overzicht", Proc. Spie, 2012.
[5] Xie, Zongliang, et al. "Experimentele demonstratie van verbeterde resolutie van een Golay3-schaarse telescoop", Proc. van Spie Vol. 11552 115520 e -8 gedownload van: https:\/\/www.spiedigitalLibrary.org\/conference-proceeding--of-spie op 11 oktober 2020 Gebruiksvoorwaarden: https:\/\/www.spiedigitalLibrary.org\/terms-Fus- of Use 15.004: 30-33}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} (2017).
[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer en Wolfgang Osten. "Geavanceerde studies naar het meten van asferen en vrijvormoppervlakken met de Tilted-Wave Interferometer", Proc. Spie 8082: 80821f -80821 f -11 (2011).
[7] Jiang, X., P. Scott en D. Whitehouse. "FreeForm Surface Characterization - A Fresh Strategy", CIRP Annals - Manufacturing Technology 56.1: 553-556 (2007).
[8] Flores, Jorge L, et al. "Effecten van verkeerde uitlijningsfouten op de optische overdrachtsfuncties van synthetische diafragma telescopen", Appl Opt 43.32: 5926-5932 (2004).
[9] Feng W, Quanying W, Lin Q. "Analyse van de kenmerken van de Golay3 multiple-mirror telescoop", Appl Opt ,, 48 (3): 643-652 (2009).
[10] Noll en J. Robert. "Zernike polynomen en atmosferische turbulentie*", J.Opt.Soc.am 66.3: 207-211 (1976). Proc. van Spie Vol. 11552 115520 e -9 gedownload van: https:\/\/www.spiedigitalLibrary.org\/conference-proceeding--of-spie op 11 oktober 2020 Gebruiksvoorwaarden: https:\/\/ww