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, "Diseño del sistema óptico y medición de la superficie de forma libre", Proc. SPIE 11552, Metrología óptica e inspección para industrial
Solicitudes VII, 115520E (10 de octubre de 2020); doi: 10.1117\/12.2573873
Evento: SPIE\/COS Photonics Asia, 2020, solo en línea
Diseño y medición del sistema óptico de la superficie de forma libre
Zhang Huixing1, Wu Quanying1*, Fan Junliu1, Chen Baohua1, Tang Yunhai1, Hou Yuwei2, Chen Bin3
1Escuela de Ciencias y Tecnología Física, Universidad de Ciencia y Tecnología de Suzhou,
Suzhou, 215009 de Jiangsu, China2
Suzhou Foif Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215006, China
3Escuela de Ciencia e Ingeniería Optoelectrónica, Universidad Soochow
Suzhou, Jiangsu 215006, China
ABSTRACTO
El uso de abertura escasa puede reducir el tamaño y el peso del telescopio de apertura grande. La esfera o la superficie asférica comúnmente utilizada es difícil de aumentar el campo de visión del sistema y mejorar la calidad de la imagen. En comparación con las superficies esféricas o asféricas, la superficie de forma libre óptica tiene más libertades de diseño. Este documento diseña un telescopio de apertura disperso de dos espesor. El espejo primario está hecho de tres subrislantes dispuestos en la configuración de Golay3, mientras que el primario es una superficie de forma libre definida por polinomios de Zernike. Los resultados muestran que el campo de visión completo aumenta hasta 0. 32 grados en el sistema óptico cuando el espejo primario usa una superficie de forma libre. La calidad de imagen cumple con los requisitos de su función de transferencia de modulación.
Palabras clave: apertura escasa; superficies de forma libre; Polinomios de Zernike; función de transferencia de modulación
1. Introducción
Para mejorar la resolución del sistema de telescopio, la apertura del sistema óptico debe aumentarse. Sin embargo, el desarrollo de grandes sistemas ópticos de apertura está limitado por materiales ópticos, costos de fabricación, volumen, peso, etc. Los telescopios de apertura dispersa [1] son un tipo de sistema de imágenes ópticas que utiliza distribución espacial e interferencia mutua de aberturas múltiples para reemplazar una gran abertura [2,3]. El área luminosa de todo el sistema es más pequeña que la de una sola apertura grande. El volumen y la masa del sistema reducen. Pero la información obtenida es básicamente equivalente a la de un solo sistema de apertura grande.
Hay dos tipos de métodos para telescopios de apertura escasa. Uno es el telescopio múltiple (MMT) que el espejo primario está hecho de varios espejos pequeños y mantiene un espejo secundario común. El telescopio de apertura escaso de Golay6 de Boeing SVS Company [4] es un telescopio típico de múltiples espelegones. Otro son los telescopios de múltiples telescopio (MTT) que varios telescopios constituyen un sistema de apertura disperso mediante el uso de múltiples telescopios afocales, cada uno con su propio mirror secundario. Su ejemplo típico es el satélite óptico de reconocimiento adaptativo Golay3 (Argos) del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) [5]. Sin embargo, estos sistemas generalmente usan superficie esférica o asférica, que tienen limitaciones para obtener un campo de visión más grande y una mejor calidad de imagen.
En comparación con el tipo de superficie tradicional, especialmente para los sistemas ópticos con un gran campo de visión. La superficie de forma libre tiene más libertades de diseño [6]. Tiene una fuerte capacidad para corregir la aberración. Por lo tanto, el uso de la superficie de forma libre puede garantizar la calidad de la imagen del sistema y obtener un campo de visión más grande [7].
En este artículo, se presenta un nuevo telescopio de apertura de apertura dispersa Golay3 diseñada con superficie de forma libre. El espejo primario del sistema es una superficie de forma libre, y el espejo secundario está diseñado con hiperboloide.
2. Antecedentes teóricos
La apertura dispersa Golay3 se muestra en la Figura 2.1. Los centros de las tres subaperturas están en los tres vértices del triángulo regular. El círculo circunscrito más pequeño de las subaperturas se llama apertura encerrada. El factor de relleno [8] de un sistema de abertura escasa se define como la relación de todos los espejos secundarios al área de su abertura circundante. El factor de relleno del sistema de imágenes ópticas de apertura escaso de Golay3 es
Fig. 2.1 El diseño del sistema de imágenes ópticas de apertura escasa de Golay3
Aquí D representa el diámetro de la subapertura, y D representa el diámetro del círculo circunscrito. El factor de relleno indica la capacidad de la apertura para recolectar luz.
La función de la pupila del sistema de imágenes ópticas de apertura dispersa se puede expresar como una convolución de una función de pupila de subapertura y una matriz de función δ:
Desde el conocimiento de la óptica de la información, la función de la pupila, la función de dispersión de puntos (PSF) y la función de transferencia tienen la siguiente relación, como se muestra en la Figura 2.2:
Fig.2.2 Relación entre la función de la pupila, la función de difusión de puntos y la función de transferencia
La función de transferencia de modulación (MTF) del sistema de imágenes ópticas de apertura dispersa Golay3 es[10] :
Aquí mtfsubes la función de transferencia de modulación de la subapertura, y la expresión es:
Se puede ver en la fórmula que la combinación de mtf de subapertura múltiple en el dominio de frecuencia constituye el MTF de todo el sistema de apertura dispersa. Las curvas MTF también es uno de un método importante para evaluar la calidad de la imagen del sistema.
En aplicaciones prácticas, un sistema de dos espías generalmente se usa para diseñar un telescopio. El telescopio de espejo múltiple de apertura disperso de Golay3, diseñado en este documento, se deriva de un sistema de dos esposas. El espejo primario del sistema de dos espías se reemplaza por la abertura escasa de Golay3. La configuración del sistema de dos esposas se muestra en la Fig.2.3.
Fig.2.3 Configuración del sistema de dos esposas
La relación de dos espejos del espejo secundario y la ampliación del espejo secundario:
Se puede obtener utilizando la fórmula de la óptica gaussiana:
Aquí r1y r2son el radio de curvatura del espejo primario m1y espejo secundario m2respectivamente.
Según el conocimiento de la geometría, podemos saber:
En primer lugar, la apertura óptica, la apertura relativa, la apertura relativa del espejo primario y la proyección del punto focal δ del sistema están determinados para calcular y. Luego, L2, D, R1 y R2 se pueden calcular de acuerdo con la fórmula (5), (8) y (9). Finalmente, de acuerdo con la teoría de la aberración del tercer orden, se calculan los coeficientes de forma 𝑒𝑒 1 2 y 𝑒𝑒 2 2 de los espejos primarios y secundarios.
Sin embargo, el campo de visión del sistema CasseGrain es pequeño debido a la influencia del coma y el astigmatismo. El uso de la superficie de forma libre equipada con Zernike Polynomial para diseñar la abertura dispersa Golay3 puede aumentar efectivamente el campo de visión del sistema y mejorar la calidad de la imagen. La forma de la superficie de la forma libre es la siguiente:
Ahí zlnes polinomial de zernike:
Por lo tanto, los polinomios de Zernike se pueden escribir como:
Los polinomios de Zernike tienen dos ventajas. Uno es continuo y ortogonal en el dominio del círculo unitario, y los coeficientes de los polinomios son independientes. En segundo lugar, tiene una buena relación correspondiente con la aberración de las olas, que es conveniente para establecer la relación entre la forma de la superficie de la forma libre y la aberración de las olas.
3. Simulaciones
Este documento diseña un sistema de dos esposas. El diámetro de la pupila de entrada del sistema es 25 0 mm y el número F es 6. El campo de visión es ± 0.16 grados. El rango de longitud de onda es 486 ~ 656Nm. El diámetro de la subapertura de apertura dispersa es de 52 mm. Entonces, el factor de relleno del sistema es del 51,92%. Después de calcular la estructura inicial y optimizar con Zemax. Los parámetros finales del sistema se muestran en la pestaña 3.1:
El espejo secundario del sistema es un hiperboloide. Su coeficiente cónico es -3. 838. El espejo primario es una superficie de forma libre definida por Zernike Standard SAG. Los valores de los primeros 14 elementos se muestran en la pestaña 3.2:
La estructura tridimensional del sistema de telescopio Golay3 se muestra en la Fig.3.1:
Fig.3.1 Estructura tridimensional del sistema de telescopio Golay3
Para un sistema de telescopio, la función de transferencia óptica y el diagrama de manchas generalmente se usan para evaluar su calidad de imagen. La figura 3.2 es el diagrama de manchas del sistema. El radio cuadrado medio de raíz máxima del punto de imagen es de 3.514 μm. El disco aireado es de 3.308 μm. La calidad de la imagen del sistema es buena.
Fig.3.2 El diagrama de manchas del sistema
La figura 3.3 son las curvas MTF del sistema obtenida por el software Zemax. Como puede ver en la imagen, las curvas MTF pueden lograr una buena linealidad en el rango de baja frecuencia (0 ~ 100lp\/mm). La calidad de la imagen cumple con los requisitos.
Fig.3.3 Curvas MTF del sistema óptico de apertura dispersa Golay3 con superficie de forma libre
4. Conclusión
Este artículo presenta en primer lugar la definición de apertura dispersa y el método para evaluar su calidad de imagen. Luego, utilizando el software ZEMAX para diseñar un telescopio de espejo múltiple de apertura dispersa Golay3. El espejo primario que diseñó con apertura escasa adopta una superficie de forma libre. El sistema puede lograr un campo de visión completo de ± 0. 16 grados y un factor de relleno de casi 51.92%. Es de gran importancia para el desarrollo del telescopio astronómico de gran apertura.
Agradecimientos Este trabajo está financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC) (61875145, 11804243); Disciplina clave de la provincia de Jiangsu del 13 ° plan quinquenal de China (20168765); La Fundación de Ciencias Naturales de las Instituciones de Educación Superior de Jiangsu de China (17KJA140001); Laboratorio clave de la Provincia de Jiangsu (KJS1710).
REFERENCIA
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[4] Johns M, McCarthy P, Raybould K, et al. "Gigante Magellan Telescope: Descripción general", Proc. SPIE, 2012.
[5] Xie, Zongliang, et al. "Demostración experimental de la resolución mejorada de un telescopio de apertura dispersa Golay3", Proc. de Spie vol. 11552 115520 E -8 Descargado de: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceptings-of-spie el 11 de oct 2020 Términos de uso: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-O-O- OUS 15.004: 30-33 (2017).
[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer y Wolfgang Osten. "Estudios avanzados sobre la medición de los asferios y las superficies de forma libre con el interferómetro de onda inclinada", Proc. SPIE 8082: 80821F -80821 F -11 (2011).
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