Návrh optického systému a měření povrchu volného formy

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, „Návrh optického systému a měření povrchu volného tvaru“, Proc. SPIE 11552, Optická metrologie a inspekce pro průmyslové

Aplikace VII, 115520E (10. října 2020); doi: 10.1117\/12.2573873

Událost: SPIE\/COS Photonics Asia, 2020, pouze online

Návrh optického systému a měření povrchu volného formy

Zhang Huixing¹, Wu quanying¹*, Fanoušek Junliu_¹, Chen Baohua¹, Tang Yunhai1, Hou yuwei², Chen bin³

¹Škola fyzikální vědy a technologie, Suzhou University of Science and Technology,

Suzhou, Jiangsu 215009, Čína²

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

³Škola optoelektronické vědy a inženýrství, Soochow University

Suzhou, Jiangsu 215006, Čína

ABSTRAKTNÍ

Použití řídkého clona může snížit velikost a hmotnost velkého aperture dalekohledu. Obvykle používaný povrch koule nebo asférického povrchu je obtížné zvýšit zornou oblast systému a zlepšit kvalitu obrazu. Ve srovnání se sférickými nebo asférickými povrchy má optický volný povrch více svobod konstrukcí. Tento papír navrhuje dvouprocesový řídký dalekohled clony. Primární zrcadlo je vyrobeno ze tří dílčích zrcadlových uspořádaných v konfiguraci Golay3, zatímco primární je povrch volného formy definovaný Zernike Polynoms. Výsledky ukazují, že úplné zorné pole se zvyšuje až na 0. 32 stupňů v optickém systému, když primární zrcadlo používá povrch volnéhoformu. Kvalita obrazu splňuje požadavky, které tvoří funkci přenosu modulace.

Klíčová slova: Sparse clonare; Freeform povrchy; Zernike Polynoms; funkce přenosu modulace

1. Úvod

Za účelem zlepšení rozlišení systému dalekohledu je třeba zvýšit otvor optického systému. Vývoj velkých optických systémů clony je však omezen optickými materiály, výrobními náklady, objemem, hmotností atd. Sparse clonare [1] Teleskopy jsou druhem optického zobrazovacího systému, který používá prostorové rozložení a vzájemné rušení více otvorů k nahrazení velkého otvoru [2,3]. Svítilá oblast celého systému je menší než oblast jediného velkého otvoru. Objem a hmotnost systému se snižují. Získané informace však jsou v zásadě ekvivalentní informaci jediného velkého systému clony.

Existují dva druhy metod pro řídké teleskopy clony. Jedním z nich je multi-mirrorový dalekohled (MMT), že primární zrcadlo je vyrobeno z několika malých zrcadel a udržuje společné sekundární zrcadlo. Golay6 Sparse Aperture Telescope of Boeing SVS Company [4] je typický multi-mirrorový dalekohled. Dalším je multi-teleskopové dalekohledy (MTT), že několik dalekohledů tvoří řídký systém clony pomocí více afokálních dalekohledů, z nichž každá má vlastní sekundární. Jeho typickým příkladem je adaptivní průzkumný optický satelit Golay3 (Argos) Massachusetts Institute of Technology (MIT) [5]. Tyto systémy však obvykle používají sférický nebo asférický povrch, který má omezení při získávání většího zorného pole a lepší kvalitu obrazu.

Ve srovnání s tradičním typem povrchu, zejména pro optické systémy s velkým zorným polem. Povrch volného proformu má více svobod konstrukcí [6]. Má silnou schopnost opravit aberaci. Použití povrchu volného proformu proto může zajistit kvalitu zobrazování systému a získat větší zorné pole [7].

V tomto článku je uveden nový řídký clona Golay3 s vícenásobným zrcadlem navrženým s povrchem volného formy. Primární zrcadlo systému je povrch volného formy a sekundární zrcadlo je navrženo s hyperboloidem.

2. teoretické pozadí

Sparse clona Golay3 je znázorněn na obrázku 2.1. Středy tří dílčích apertur jsou na třech vrcholech běžného trojúhelníku. Nejmenší ohraničený kruh dílčích apertur se nazývá uzavřený clona. Výplňový faktor [8] řídkého systému clony je definován jako poměr všech sekundárních zrcadlových plochy k oblasti okolního otvoru. Faktor výplňového systému optického zobrazovacího systému Golay3 IS IS IS IS IS

Obr. 2.1 Rozložení systému Golay3 Sparse Optical Imaging System

Zde D představuje průměr sub-apertury a D představuje průměr ohraničeného kruhu. Faktor plnění ukazuje schopnost clony shromažďovat světlo.

Funkce žáka systému Optical Imaging Optical Imaging System Sparse Closer lze vyjádřit jako konvoluce funkce žáka sub-apertury a funkce A Function:

Ze znalosti o optice informací mají funkce žáka, funkce rozpětí bodu (PSF) a funkce přenosu následující vztah, jak je znázorněno na obrázku 2.2:

Obr.2.2 Vztah mezi funkcí žáka, funkcí difúze bodů a funkcí přenosu

Funkce přenosu modulace (MTF) systému Golay3 Sparse Optical Imaging Imaging^[10] :

Zde mtf_subje funkce přenosu modulace sub-aperture a výraz je::

Z vzorce je vidět, že kombinace vícenásobného sub-aperture MTF ve frekvenční doméně představuje MTF celého řídkého systému clony. Křivky MTF jsou také jednou z důležitých metod pro vyhodnocení kvality zobrazování systému.

V praktických aplikacích se obvykle používá systém dvou zrcadrů k navrhování dalekohledu. Golay3 řídký clona s více zrcadlovými dalekohled navržený v tomto článku je odvozen od dvouprocentního systému. Primární zrcadlo dvouprocentního systému je nahrazeno řídký clona Golay3. Konfigurace systému dvou mirr je znázorněna na obr.2.3.

Obr.2.3 Konfigurace systému dvou zrcadlení

Poměr dvou zrcadlů sekundárního zrcadla a zvětšení sekundárního zrcadla:

Lze jej získat použitím vzorce Gaussovské optiky:

Tady r₁a r₂jsou poloměr zakřivení primárního zrcadla m₁a sekundární zrcadlo m₂respektive.

Ze znalosti geometrie můžeme vědět:

Za prvé, optický otvor, relativní otvor, relativní otvor primárního zrcadla a projekce ohniskové body systému je stanovena pro výpočet a. Poté lze L2, D, R1 a R2 vypočítat podle vzorce (5), (8) a (9). Nakonec se podle teorie aberace třetího řádu vypočítává koeficienty tvaru 1 2 a 𝑒𝑒 2 2 primárních a sekundárních zrcadel.

Pole zorného pole je však malé kvůli vlivu kómatu a astigmatismu. Použití povrchu volného tvaru vybaveného Zernike Polynom k ​​návrhu řídce clona Golay3 může účinně zvýšit zorné pole systému a zlepšit kvalitu zobrazování. Forma volného povrchu je následující:

Tam z^l_nje Zernike Polynomial:

Proto lze Zernike Polynoms psát jako:

Polynomy Zernike mají dvě výhody. Jeden je kontinuální a ortogonální v doméně jednotkové kruhu a koeficienty polynomů jsou nezávislé. Za druhé, má dobrý odpovídající vztah s aberací vlny, což je vhodné pro navázat vztah mezi tvarem povrchu volného tvaru a aberací vlny.

3. simulace

Tento papír navrhuje systém dvou zrcadlení. Průměr vstupního žáka systému je 25 0 mm a F je 6. Zorné pole je ± 0,16 stupňů. Rozsah vlnové délky je 486 ~ 656nm. Průměr dílčí apertury řídce je 52 mm. Faktor plnění systému je tedy 51,92%. Po výpočtu počáteční struktury a optimalizace pomocí ZEMAX. Konečné parametry systému jsou uvedeny na kartě.3.1:

Sekundární zrcadlo systému je hyperboloid. Jeho koeficientní koeficient je -3 838. Primární zrcadlo je povrch volného formy definovaný standardním SAG Zernike. Hodnoty prvních 14 položek jsou uvedeny na kartě.3.2:

Trojrozměrná struktura systému dalekohledu Golay3 je znázorněna na obr.3.1:

Obr.3.1 Trojrozměrná struktura dalekohledu Golay3

Pro systém dalekohledu se funkce optického přenosu a bodového diagramu obvykle používají k vyhodnocení kvality zobrazování. Obr.3.2 je bodový diagram systému. Maximální kořenový průměrný čtvercový poloměr skvrny obrazu je 3,514 μm. Vzdušný disk je 3,308 μm. Kvalita zobrazování systému je dobrá.

Obr.3.2 Stopové diagram systému

Obr.3.3 jsou křivky MTF systému získaného softwarem ZEMAX. Jak vidíte z obrázku, že křivky MTF mohou dosáhnout dobré linearity v rozsahu nízké frekvence (0 ~ 100lp\/mm). Kvalita obrazu splňuje požadavky.

Obr.3.3 MTF křivky optického systému Golay3 Sparseho s povrchem volnéhoformu

4. závěr

Tento článek nejprve představuje definici řídkého clony a metodu hodnocení jeho kvality zobrazování. Poté pomocí softwaru ZEMAX k navrhování řídkého otvoru Golay3 s více zrcadly. Primární zrcadlo, které navrhovalo s řídkým clonou, přijímá povrch volnéhoformu. Systém může dosáhnout úplného zorného pole ± 0. 16 stupňů a faktor plnění téměř 51,92%. To má velký význam pro rozvoj velkého clona astronomického dalekohledu.

Poděkování Tato práce je financována Národní přírodní vědeckou nadací Číny (NSFC) (61875145, 11804243); Klíčová disciplína provincie Jiangsu pro 13. pětiletý plán Číny (20168765); Nadace přírodní vědy na vysokoškolské instituce Jiangsu v Číně (17KJA140001); Klíčová laboratoř provincie Jiangsu (KJS1710).

ODKAZ

[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. „Posouzení velkých konceptů zobrazování velkých clony“. Proc. SPIE, 187- 203 (1996).

[2] Fiete, Robert D, „Kvalita obrazu řídkých návrhů clony pro dálkové snímání“, optické inženýrství. Papíry 41 (8), 1957-1969 (2002).

[3] AB Meinel. „Syntéza clony pomocí nezávislých dalekohledů“, Applied Optics 9.11: 2501 (1970).

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

[5] Xie, Zongliang, et al. „Experimentální demonstrace zvýšeného rozlišení dalekohledu Golay3 Sparse-Aperture“, Proc. SPIE Vol. 11552 115520 E -8 Stahováno z: https:\/\/www.spiedigitalLibrary.org\/conference-proceedings-ofpie Dne 11. října 2020 Podmínky použití: https:\/\/www.spiedigiTalLibrary.org\/terms-of-use 15.004: 30-33 (2017).

[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer a Wolfgang Osten. „Pokročilé studie o měření asférů a povrchů volného formu s interferometrem nakloněné vlny“, Proc. SPIE 8082: 80821F -80821 f -11 (2011).

[7] Jiang, X., P. Scott a D. Whitehouse. "Freeform Surface Charakterizace - čerstvá strategie", CIRP Annals - výrobní technologie 56.1: 553-556 (2007).

[8] Flores, Jorge L, et al. "Účinky chyb nesprávně vyrovnání na funkce optického přenosu syntetických aperture dalekohledů", Appl Opt 43,32: 5926-5932 (2004).

[9] Feng W, Quanying W, Lin Q. "Analýza charakteristik dalekohledu Golay3 více mirr“, Appl Opt ,, 48 (3): 643-652 (2009).

[10] Noll a J. Robert. "Zernike polynomy a atmosférické turbulence*", J.opt.soc.am 66.3: 207-211 (1976). Proc. SPIE Vol. 11552 115520 E -9 Stahováno z: https:\/\/www.spiedigitalLibrary.org\/conference-proceedings-ofpie.