Оптична система проектування та вимірювання поверхні вільної форми

Zhang, Huixing, Wu, Quaning, Fan, Junliu, Chen, Baohua, Tang, Yunhai та ін.

Huixing Zhang, Quaning Wu, Junliu Fan, Baohua Chen, Yunhai Tang, Yuwei

Хоу, Бін Чен, "Оптична система проектування та вимірювання поверхні вільної форми", Зб. SPIE 11552, Оптична метрологія та інспекція промисловості

Заявки VII, 115520E (10 жовтня 2020 р.); doi: 10.1117\/12.2573873

Подія: SPIE\/COS Photonics Asia, 2020, лише в Інтернеті

Оптична система проектування та вимірювання поверхні вільної форми

Чжан Хуйкінг¹, Wu quanying¹*, Фанат junliu_¹, Чен Баохуа¹, Тан Юнхай1, Хоу Ювей², Чен Бін³

¹Школа фізичних наук і технологій, Університет науки і техніки Сучжоу,

Сучжоу, Цзянсу 215009, Китай²

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

³Школа оптоелектронних наук та інженерії, Університет Сохув

Сучжоу, Цзянсу 215006, Китай

Абстрактний

Використання розрідженої діафрагми може зменшити розмір і вагу великого телескопа діафрагми. Сфера або асферична поверхня, яка зазвичай використовується, важко збільшити поле зору системи та покращити якість зображення. Порівняно з сферичними або асферичними поверхнями, оптична поверхня вільної форми має більше конструкційних свобод. У цьому документі розробляє телескоп з двома мірками розрідженої діафрагми. Первинне дзеркало виготовлене з трьох підмірів, розташованих у конфігурації golay3, тоді як первинна-поверхня вільної форми, визначена Zernike ponomials. Результати показують, що повне поле перегляду збільшується до 0. 32 градусів в оптичній системі, коли первинне дзеркало використовує поверхню вільної форми. Якість зображення відповідає вимогам, що формують свою функцію передачі модуляції.

Ключові слова: рідка діафрагма; Поверхні вільної форми; Zernike postonomials; Функція передачі модуляції

1. Вступ

Для покращення роздільної здатності системи телескопа необхідно збільшити діафрагму оптичної системи. Однак розробка великих діафрагми оптичних систем обмежена оптичними матеріалами, виробничими витратами, обсягом, ваги тощо. Рідна діафрагма [1] телескопи - це своєрідна оптична система візуалізації, яка використовує просторовий розподіл та взаємне перешкоди декількох діафрагм для заміни великої діафрагми [2,3]. Світлова область усієї системи менша, ніж у єдиної великої діафрагми. Об'єм системи та маса зменшують. Але отримана інформація в основному еквівалентна інформації єдиній великій системі діафрагми.

Існує два види методів для розріджених телескопів діафрагми. Один-це мультимірерський телескоп (ММТ), що первинне дзеркало виготовлено з декількох невеликих дзеркал і зберігає загальне вторинне дзеркало. Телескоп розрідженої діафрагми Golay6 компанії Boeing SVS [4]-типовий телескоп з мультимірром. Іншим є мультителескоп телескопи (MTT), що кілька телескопів складають розріджену систему діафрагми за допомогою декількох афокальних телескопів, кожна з яких має власний середній час. Його типовим прикладом є адаптивна розвідувальна оптичний супутник Golay3 (Argos) Массачусетського технологічного інституту (MIT) [5]. Однак ці системи зазвичай використовують сферичну або асферичну поверхню, які мають обмеження в отриманні більшого поля зору та кращої якості зображення.

Порівняно з традиційним типом поверхні, особливо для оптичних систем з великим полем зору. Поверхня вільної форми має більше конструкційних свобод [6]. Він має сильну здатність виправити аберацію. Тому використання поверхні вільної форми може забезпечити якість зображень системи та отримати більший поле зору [7].

У цій роботі представлений новий телескоп з множинним телескопом Golay3, розроблений з поверхнею вільної форми. Первинне дзеркало системи - це поверхня вільної форми, а вторинне дзеркало розроблене з гіперболоїдним.

2. Теоретичний фон

Рідка діафрагма golay3 показана на малюнку 2.1. Центри трьох підпункту знаходяться на трьох вершинах регулярного трикутника. Найменше описане коло підпункту називається діафрагмою, що знаходиться в огородженні. Коефіцієнт заповнення [8] розрідженої системи діафрагми визначається як співвідношення всієї області вторинних дзеркал до їх навколишньої діафрагми. Фактор заповнення оптичного зображення Golay3 розрідженої діафрагми [9] є

Рис. 2.1 Макет оптичної системи обласної діафрагми Golay3

Тут D являє собою діаметр підпункту, а D являє собою діаметр описаного кола. Коефіцієнт заповнення вказує на здатність діафрагми збирати світло.

Функція зіниця розрідженої системи діафрагми оптичної візуалізації може бути виражена як згортається функція зіниці підпункту та функцію δ:

З знання інформаційної оптики функція учня, функція розповсюдження точки (PSF) та функція передачі мають таке співвідношення, як показано на малюнку 2.2:

Рис.2.2 Зв'язок між функцією учнів, функцією дифузії точки та функцією передачі

Функція передачі модуляції (MTF) розрідженої системи діафрагми оптичної візуалізації є^[10] :

Тут MTF_суб-функція передачі модуляції підпункту, а вираз::

З формули видно, що комбінація множинної підпункту MTF у частотному домені становить MTF всієї системи рідкісної діафрагми. Криві MTF також є одним із важливих методів оцінки якості зображення системи.

У практичних додатках для проектування телескопа зазвичай використовується двомруркова система. Рідка діафрагми Golay3 Множинний дзеркальний телескоп, розроблений у цій роботі, походить із системи з двома мірками. Первинне дзеркало двомірурної системи замінюється рідкісною діафрагмою Golay3. Конфігурація двомірусної системи показана на фіг.2.3.

Рис.2.3 Конфігурація системи з двома мірками

Співвідношення вторинного дзеркала з двома маторами та збільшення вторинного дзеркала:

Його можна отримати за допомогою формули гауссової оптики:

Тут r₁і r₂є радіусом кривизни первинного дзеркала m₁і вторинне дзеркало m₂відповідно.

З знань про геометрію ми можемо знати:

По -перше, оптична діафрагма, відносна діафрагма, відносна діафрагма первинного дзеркала та фокусна проекція δ системи визначаються для обчислення та. Тоді L2, D, R1 і R2 можна обчислити відповідно до формули (5), (8) та (9). Нарешті, згідно з теорією аберації третього порядку, коефіцієнти форми 𝑒𝑒 1 2 і 𝑒𝑒 2 2 первинних і вторинних дзеркал обчислюються.

Однак поле зору системи Cassegrain невелике через вплив коми та астигматизму. Використання поверхні вільної форми, оснащеної Zernike Ponomial для розробки рідкісної діафрагми Golay3, може ефективно збільшити поле зору системи та покращити якість зображень. Форма поверхні вільної форми така:

Там Z^l_nє Zernike ponlomial:

Тому Zernike postomials можна написати як:

Поліноми Zernike мають дві переваги. Один є безперервним і ортогональним у домені одиничного кола, а коефіцієнти поліномів незалежні. По -друге, він має хороший відповідний взаємозв'язок з аберацією хвилі, що зручно встановити взаємозв'язок між формою поверхні вільної форми та аберацією хвилі.

3. Моделювання

Цей документ розробляє систему з двома мірками. Діаметр входу в систему дорівнює 25 0 мм, а число F - 6. Поле зору становить ± 0,16 градусів. Діапазон довжини хвилі становить 486 ~ 656nm. Діаметр розрідженої діафрагми підпункту-52 мм. Отже, коефіцієнт заповнення системи становить 51,92%. Після обчислення початкової структури та оптимізації за допомогою Zemax. Кінцеві параметри системи показані на вкладці.3.1:

Вторинне дзеркало системи - це гіперболоїд. Його коефіцієнт коніки - -3. 838. Первинне дзеркало - це поверхня вільної форми, визначена Zernike Standard SAG. Значення перших 14 елементів показані на вкладці.3.2:

Тривимірна структура системи телескопа Golay3 показана на фіг.3.1:

Рис.3.1 Тривимірна структура телескопа Golay3

Для системи телескопа функція оптичної передачі та точкова діаграма зазвичай використовуються для оцінки якості зображень. Рис.3.2 - точкова діаграма системи. Максимальний кореневий середній квадратний радіус плями зображення становить 3,514 мкм. Airy Disk - 3,308 мкм. Якість зображень системи хороша.

Рис.3.2 Стокова схема системи

Рис.3.3 - криві MTF системи, отримані за допомогою програмного забезпечення Zemax. Як ви бачите з картини, що криві MTF можуть досягти хорошої лінійності в низькому діапазоні частот (0 ~ 100lp\/мм). Якість зображення відповідає вимогам.

Рис.3.3 Криві MTF оптичної системи розрідженої діафрагми Golay3 з поверхнею вільної форми

4. Висновок

Ця стаття по -перше, вводить визначення розрідженої діафрагми та метод оцінки якості її зображень. Потім за допомогою програмного забезпечення Zemax для розробки розрідженої діафрагми Golay3 декількох дзеркальних телескопів. Первинне дзеркало, яке розробляло з розрідженою діафрагмою, приймає поверхню вільної форми. Система може досягти повного поля зору ± 0. 16 градусів та коефіцієнт заповнення майже 51,92%. Це має велике значення для розвитку великої діафрагми астрономічного телескопа.

Подяка Ця робота фінансується Національним природним науковим фондом Китаю (NSFC) (61875145, 11804243); Ключова дисципліна провінції Цзянсу 13-го п'ятирічного плану Китаю (20168765); Натуральний науковий фонд вищих навчальних закладів Цзянсу Китаю (17KJA140001); Ключова лабораторія провінції Цзянсу (KJS1710).

Довідник

[1] Кевін Д Белл, Річард Н Бушер. "Оцінка великої діафрагми легких понять візуалізації". Збро. SPIE, 187- 203 (1996).

[2] Фієт, Роберт Д, "Якість зображення розріджених конструкцій діафрагми для дистанційного зондування", оптична інженерія. Документи 41 (8), 1957-1969 (2002).

[3] Ab Meinel. "Синтез діафрагми з використанням незалежних телескопів", застосована оптика 9.11: 2501 (1970).

[4] Johns M, McCarthy P, Raybould K та ін. "Телескоп -гігант Магеллан: Огляд", Proc. Шпі, 2012.

[5] Xie, Zongliang та ін. "Експериментальна демонстрація посиленої роздільної здатності телескопа з розрідженою апіркою Golay3", Proc. шпильки Vol. 11552 115520 e -8 завантажено з: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie 11 жовтня 2020 р.

[6] Євгеніо Гарбусі, Горан Баер та Вольфганг Остен. "Просунуті дослідження вимірювання асферів та поверхонь вільної форми з нахиленим хвильовим інтерферометром", Proc. SPIE 8082: 80821F -80821 f -11 (2011).

[7] Цзян, X., П. Скотт та Д. Уайтхаус. "Характеристика поверхні вільної форми - свіжа стратегія", CIRP Annals - технологія виробництва 56.1: 553-556 (2007).

[8] Флорес, Хорхе Л та ін. "Вплив помилок нерівності на функції оптичної передачі телескопів синтетичної діафрагми", Appl Opt 43.32: 5926-5932 (2004).

[9] Feng W, Quaning W, Lin q. "Аналіз характеристик телескопа з множирним телескопом Golay3", Appl Opt ,, 48 (3): 643-652 (2009).

[10] Нолл та Дж. Роберт. "Zernike полінома та атмосферна турбулентність*", J.Opt.Soc.Am 66.3: 207-211 (1976). Збро. шпильки Vol. 11552 115520 e -9 Завантажено з: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie на 11 жовтня 2020 р.