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, "Thiết kế hệ thống quang học và đo lường bề mặt dạng tự do", Proc. SPIE 11552, đo lường và kiểm tra quang học cho công nghiệp
Ứng dụng VII, 115520E (10 tháng 10 năm 2020); doi: 10.1117\/12.2573873
Sự kiện: SPIE\/COS Photonics Asia, 2020, chỉ trực tuyến
Thiết kế hệ thống quang học và đo lường bề mặt dạng tự do
Trương Huệ Tinh1, Wu Quanying1*, Người hâm mộ Junliu1, Chen Baohua1, Tang yunhai1, hou yuwei2, Chen Bin3
1Trường Khoa học và Công nghệ Vật lý, Đại học Khoa học và Công nghệ Tô Châu,
Tô Châu, Giang Tô 215009, Trung Quốc2
Tô Châu Foif Co., Ltd., Tô Châu, Jiangsu 215006, Trung Quốc
3Trường Khoa học và Kỹ thuật quang điện tử, Đại học Soochow
Tô Châu, Giang Tô 215006, Trung Quốc
Tóm tắt
Việc sử dụng khẩu độ thưa thớt có thể làm giảm kích thước và trọng lượng của kính viễn vọng khẩu độ lớn. Bề mặt hình cầu hoặc hình cầu thường được sử dụng rất khó để tăng trường nhìn của hệ thống và cải thiện chất lượng hình ảnh. So với bề mặt hình cầu hoặc hình cầu, bề mặt dạng tự do quang học có nhiều quyền tự do thiết kế hơn. Bài viết này thiết kế một kính viễn vọng khẩu độ hai gương thưa thớt. Gương chính được làm bằng ba mirror con được sắp xếp trong cấu hình Golay3 trong khi chính là bề mặt dạng tự do được xác định bởi đa thức zernike. Các kết quả cho thấy trường nhìn đầy đủ tăng lên đến 0. 32 độ trong hệ thống quang học khi gương chính sử dụng bề mặt dạng tự do. Chất lượng hình ảnh đáp ứng các yêu cầu hình thành chức năng chuyển điều chế của nó.
Từ khóa: Khẩu độ thưa thớt; bề mặt dạng tự do; Đa thức Zernike; chức năng chuyển giao điều chế
1. Giới thiệu
Để cải thiện độ phân giải của hệ thống kính viễn vọng, khẩu độ của hệ thống quang học cần được tăng lên. Tuy nhiên, sự phát triển của các hệ thống quang học khẩu độ lớn bị giới hạn bởi các vật liệu quang học, chi phí sản xuất, khối lượng, trọng lượng, v.v. Khẩu độ thưa thớt [1] kính viễn vọng là một loại hệ thống hình ảnh quang học sử dụng phân phối không gian và nhiễu lẫn nhau của nhiều khẩu độ để thay thế khẩu độ lớn [2,3]. Khu vực phát sáng của toàn bộ hệ thống nhỏ hơn so với một khẩu độ lớn duy nhất. Khối lượng và khối lượng của hệ thống giảm. Nhưng thông tin thu được về cơ bản tương đương với thông tin của một hệ thống khẩu độ lớn duy nhất.
Có hai loại phương pháp cho kính viễn vọng khẩu độ thưa thớt. Một là kính viễn vọng đa gương (MMT) mà gương chính được làm từ một số gương nhỏ và giữ một gương thứ cấp phổ biến. Kính thiên văn khẩu độ Golay6 thưa thớt của Công ty Boeing SVS [4] là một kính viễn vọng đa gương điển hình. Một cách khác là Kính thiên văn đa bộ phận (MTT) mà một số kính viễn vọng tạo nên một hệ thống khẩu độ thưa thớt bằng cách sử dụng nhiều kính viễn vọng afocal, mỗi chiếc có bộ điều hòa thứ cấp riêng. Ví dụ điển hình của nó là Trinh sát Thích ứng Golay3 Vệ tinh quang học (Argos) của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) [5]. Tuy nhiên, các hệ thống này thường sử dụng bề mặt hình cầu hoặc hình cầu, có những hạn chế trong việc có được một trường nhìn lớn hơn và chất lượng hình ảnh tốt hơn.
So với loại bề mặt truyền thống, đặc biệt là đối với các hệ thống quang học với tầm nhìn lớn. Bề mặt tự do có nhiều quyền tự do thiết kế hơn [6]. Nó có khả năng mạnh mẽ để điều chỉnh quang sai. Do đó, việc sử dụng bề mặt dạng tự do có thể đảm bảo chất lượng hình ảnh của hệ thống và có được một trường nhìn lớn hơn [7].
Trong bài báo này, một kính viễn vọng nhiều gương mới của Golay3 Mater mới được thiết kế với bề mặt dạng tự do được trình bày. Gương chính của hệ thống là một bề mặt dạng tự do và gương thứ cấp được thiết kế với hyperboloid.
2. Bối cảnh lý thuyết
Khẩu độ golay3 thưa thớt được hiển thị trong Hình 2.1. Các trung tâm của ba phần phụ nằm trên ba đỉnh của tam giác thông thường. Vòng tròn nhỏ nhất của các đoạn phụ được gọi là khẩu độ bao quanh. Hệ số lấp đầy [8] của hệ thống khẩu độ thưa thớt được định nghĩa là tỷ lệ của tất cả các khu vực của gương thứ cấp so với khẩu độ xung quanh của chúng. Hệ số lấp đầy hệ thống hình ảnh quang học của Golay3 SPARSE
Hình 2.1 Bố cục của hệ thống hình ảnh quang học khẩu độ Golay3
Ở đây D đại diện cho đường kính của apolics phụ và D đại diện cho đường kính của vòng tròn được đăng ký. Hệ số lấp đầy cho thấy khả năng của khẩu độ để thu thập ánh sáng.
Chức năng đồng tử của hệ thống hình ảnh quang khẩu độ thưa thớt có thể được biểu thị dưới dạng tích chập của hàm đồng tử aparerture và mảng hàm Δ:
Từ kiến thức về quang học thông tin, hàm đồng tử, hàm lây lan điểm (PSF) và chức năng chuyển giao có mối quan hệ sau, như trong Hình 2.2:
Hình.2.2 Mối quan hệ giữa hàm đồng tử, chức năng khuếch tán điểm và chức năng chuyển giao
Chức năng chuyển giao điều chế (MTF) của hệ thống hình ảnh quang khẩu độ thưa thớt Golay3[10] :
Ở đây MTFphụlà chức năng chuyển giao điều chế của apererture phụ và biểu thức là:
Có thể thấy từ công thức rằng sự kết hợp của nhiều MTF apererture trong miền tần số tạo thành MTF của toàn bộ hệ thống khẩu độ thưa thớt. Các đường cong MTF cũng là một trong những phương pháp quan trọng để đánh giá chất lượng hình ảnh của hệ thống.
Trong các ứng dụng thực tế, một hệ thống hai gương thường được sử dụng để thiết kế kính viễn vọng. Kính viễn vọng gương Golay3 thưa thớt được thiết kế trong bài viết này có nguồn gốc từ hệ thống hai gương. Gương chính của hệ thống hai gương được thay thế bằng khẩu độ golay3 thưa thớt. Cấu hình của hệ thống hai gương được hiển thị trong Hình.2.3.
Hình.2.3 Cấu hình của hệ thống hai gương
Tỷ lệ hai gương của gương thứ cấp và độ phóng đại của gương thứ cấp:
Nó có thể thu được bằng cách sử dụng công thức của quang học Gaussian:
Ở đây r1và r2là bán kính cong của gương chính m1và gương thứ cấp m2tương ứng.
Từ kiến thức về hình học, chúng ta có thể biết:
Đầu tiên, khẩu độ quang học, khẩu độ tương đối, khẩu độ tương đối của gương chính và phép chiếu tiêu điểm của hệ thống được xác định để tính toán và. Sau đó, L2, D, R1 và R2 có thể được tính toán theo công thức (5), (8) và (9). Cuối cùng, theo lý thuyết quang sai bậc ba, các hệ số hình dạng 𝑒𝑒 1 2 và 𝑒𝑒 2 2 của gương chính và thứ cấp được tính toán.
Tuy nhiên, lĩnh vực quan điểm của hệ thống Cassegrain là nhỏ do ảnh hưởng của hôn mê và loạn thị. Sử dụng bề mặt dạng tự do được trang bị đa thức Zernike để thiết kế khẩu độ thưa thớt Golay3 có thể làm tăng hiệu quả lĩnh vực quan điểm của hệ thống và cải thiện chất lượng hình ảnh. Hình thức của bề mặt dạng tự do như sau:
Có zlnlà đa thức Zernike:
Do đó, đa thức Zernike có thể được viết là:
Đa thức Zernike có hai lợi thế. Một là liên tục và trực giao trong miền vòng tròn đơn vị và các hệ số của đa thức là độc lập. Thứ hai, nó có mối quan hệ tương ứng tốt với quang sai sóng, thuận tiện để thiết lập mối quan hệ giữa hình dạng bề mặt tự do và quang sai sóng.
3. Mô phỏng
Bài viết này thiết kế một hệ thống hai gương. Đường kính đồng tử lối vào của hệ thống là 25 0 mm và số F là 6. Trường quan sát là ± 0,16 độ. Phạm vi của bước sóng là 486 ~ 656nm. Đường kính của Aparse Aperture Suberture là 52mm. Vì vậy, hệ số lấp đầy của hệ thống là 51,92%. Sau khi tính toán cấu trúc ban đầu và tối ưu hóa với Zemax. Các tham số cuối cùng của hệ thống được hiển thị trong Tab.3.1:
Gương thứ cấp của hệ thống là một hyperboloid. Hệ số hình nón của nó là -3. 838. Gương chính là một bề mặt dạng tự do được xác định bởi Zernike Standard Sag. Các giá trị của 14 mục đầu tiên được hiển thị trong Tab.3.2:
Cấu trúc ba chiều của hệ thống kính viễn vọng Golay3 được hiển thị trong Hình.3.1:
Hình.3.1 Cấu trúc ba chiều của hệ thống kính viễn vọng Golay3
Đối với một hệ thống kính viễn vọng, chức năng truyền quang và sơ đồ điểm thường được sử dụng để đánh giá chất lượng hình ảnh của nó. Hình.3.2 là sơ đồ điểm của hệ thống. Bán kính bình phương trung bình tối đa của điểm hình ảnh là 3,514μm. Đĩa thoáng là 3,308μm. Chất lượng hình ảnh của hệ thống là tốt.
Hình.3.2 Sơ đồ điểm của hệ thống
Hình.3.3 là các đường cong MTF của hệ thống thu được từ phần mềm Zemax. Như bạn có thể thấy từ hình ảnh rằng các đường cong MTF có thể đạt được độ tuyến tính tốt trong dải tần số thấp (0 ~ 100lp\/mm). Chất lượng hình ảnh đáp ứng yêu cầu.
Hình.3.3 Đường cong MTF của hệ thống quang học khẩu độ Golay3
4. Kết luận
Bài viết này trước tiên giới thiệu định nghĩa về khẩu độ thưa thớt và phương pháp đánh giá chất lượng hình ảnh của nó. Sau đó, sử dụng phần mềm Zemax để thiết kế kính viễn vọng Golay3 thưa thớt. Gương chính được thiết kế với khẩu độ thưa thớt áp dụng bề mặt dạng tự do. Hệ thống có thể đạt được một trường toàn bộ chế độ xem ± 0. 16 độ và hệ số điền gần 51,92%. Nó có ý nghĩa lớn đối với sự phát triển của kính thiên văn thiên văn khẩu độ lớn.
Lời cảm ơn Công việc này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc (NSFC) (61875145, 11804243); Jiangsu tỉnh kỷ luật chính của Kế hoạch năm năm thứ 13 của Trung Quốc (20168765); Tổ chức Khoa học Tự nhiên của các tổ chức giáo dục đại học Jiangsu của Trung Quốc (17KJA140001); Phòng thí nghiệm chính của tỉnh Giang Tô (KJS1710).
THẨM QUYỀN GIẢI QUYẾT
[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. "Đánh giá các khái niệm hình ảnh hạng nhẹ của khẩu độ lớn". Proc. Spie, 187- 203 (1996).
[2] Fiete, Robert D, "Chất lượng hình ảnh của các thiết kế khẩu độ thưa thớt cho viễn thám", Kỹ thuật quang học. Giấy tờ 41 (8), 1957-1969 (2002).
[3] Ab Meinel. "Tổng hợp khẩu độ sử dụng kính viễn vọng độc lập", Optics Optics 9.11: 2501 (1970).
[4] Johns M, McCarthy P, Raybould K, et al. "Kính viễn vọng Magellan khổng lồ: Tổng quan", Proc. Spie, 2012.
[5] Xie, Zongliang, et al. "Trình diễn thử nghiệm về độ phân giải nâng cao của kính viễn vọng golay3 thưa thớt", Proc. của spie vol. {A
[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer và Wolfgang Osten. "Các nghiên cứu nâng cao về phép đo aspheres và bề mặt dạng tự do với giao thoa kế nghiêng nghiêng", Proc. Spie 8082: 80821f -80821 f -11 (2011).
[7] Jiang, X., P. Scott và D. Whitehouse. "Đặc tính bề mặt tự do - Một chiến lược mới", Biên niên sử CIRP - Công nghệ sản xuất 56.1: 553-556 (2007).
[8] Flores, Jorge L, et al. "Ảnh hưởng của các lỗi sai lệch đối với các chức năng truyền quang của kính viễn vọng khẩu độ tổng hợp", Appl Opt 43.32: 5926-5932 (2004).
[9] Feng W, Quanying W, Lin Q. "Phân tích các đặc điểm của kính viễn vọng nhiều gương của Golay3", Appl Opt ,, 48 (3): 643-652 (2009).
[10] Noll và J. Robert. "Các đa thức Zernike và nhiễu loạn khí quyển*", J.Opt.Soc.am 66.3: 207-211 (1976). Proc. của spie vol. {Ul