Optisk systemdesign og måling af freeform -overfladen

Zhang, Huixing, Wu, Quaning, Fan, Junliu, Chen, Baohua, Tang, Yunhai, et al.

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

Hou, bin Chen, "Optisk systemdesign og måling af Freeform Surface," Proc. SPIE 11552, Optisk metrologi og inspektion for industriel

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

Begivenhed: SPIE\/COS Photonics Asia, kun 2020, online online

Optisk systemdesign og måling af freeform -overfladen

Zhang Huixing¹, Wu Quanying¹*, Fan Junliu_¹, Chen Baohua¹, Tang Yunhai1, Hou Yuwei², Chen Bin³

¹School of Physical Science and Technology, Suzhou University of Science and Technology,

Suzhou, Jiangsu 215009, Kina²

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

³School of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University

Suzhou, Jiangsu 215006, Kina

ABSTRAKT

Anvendelsen af ​​sparsom blænde kan reducere størrelsen og vægten af ​​det store blændeteleskop. Kuglen eller den asfæriske overflade, der ofte bruges, er vanskeligt at øge synsfeltet for systemet og forbedre billedkvaliteten. Sammenlignet med sfæriske eller asfæriske overflader har den optiske freeform -overflade flere designfriheder. Dette papir designer et to-spirror sparsomt åbningsteleskop. Det primære spejl er lavet af tre underspiler arrangeret i Golay3-konfigurationen, mens den primære er en freeform-overflade defineret af Zernike-polynomer. Resultaterne viser, at det fulde synsfelt øges op til 0. 32 grad i det optiske system, når det primære spejl bruger en freeform -overflade. Billedkvaliteten opfylder kravene danner dens moduleringsoverførselsfunktion.

Nøgleord: Sparse blænde; Freeform Surfaces; Zernike -polynomer; Moduleringsoverførselsfunktion

1. Introduktion

For at forbedre opløsningen af ​​teleskopsystemet skal åbningen af ​​det optiske system øges. Udviklingen af ​​store optiske systemer er imidlertid begrænset af optiske materialer, produktionsomkostninger, volumen, vægt og så videre. Sparse blænde [1] teleskoper er et slags optisk billeddannelsessystem, der bruger rumlig fordeling og gensidig interferens af flere åbninger til at erstatte en stor blænde [2,3]. Det lysende område af hele systemet er mindre end for en enkelt stor blænde. Systemets volumen og masse reducerer. Men de opnåede oplysninger svarer dybest set til den for et enkelt stort åbningssystem.

Der er to slags metoder til sparsomme åbningsteleskoper. Den ene er det multi-spirror-teleskop (MMT), som det primære spejl er lavet af flere små spejle og holder et fælles sekundært spejl. Golay6 Sparse Aperture Telescope of Boeing SVS Company [4] er et typisk multi-mirror-teleskop. En anden er multi-telescope-teleskoper (MTT), som flere teleskoper udgør et sparsomt åbningssystem ved hjælp af flere afocale teleskoper, hver med sin egen sekundære mirror. Dets typiske eksempel er adaptiv rekognosering Golay3 Optical Satellite (Argos) fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) [5]. Imidlertid bruger disse systemer normalt sfærisk eller asfærisk overflade, som har begrænsninger i opnåelse af et større synsfelt og bedre billedkvalitet.

Sammenlignet med den traditionelle overfladetype, især for optiske systemer med et stort synsfelt. Freeform -overfladen har flere designfriheder [6]. Det har en stærk kapacitet til at korrigere afvigelse. Derfor kan brugen af ​​freeform -overflade sikre billedkvaliteten af ​​systemet og få et større synsfelt [7].

I dette papir præsenteres et nyt Golay3 sparsomt blænde med flere spirror-teleskop designet med freeform-overflade. Systemets primære spejl er en freeform -overflade, og det sekundære spejl er designet med hyperboloid.

2. teoretisk baggrund

Golay3 sparsom åbning er vist i figur 2.1. Centrene for de tre underparver er på de tre vertikater i den almindelige trekant. Den mindste omskrevne cirkel af underponerne kaldes den lukkede åbning. Fyldningsfaktoren [8] af et sparsomt åbningssystem er defineret som forholdet mellem alle sekundære spejleområde og deres omgivende blænde. Golay3 Sparse Aperture Optical Imaging System's fyldfaktor [9] er

Fig. 2.1 Layoutet af Golay3 Sparse Aperture Optical Imaging System

Her repræsenterer d diameteren af ​​underpasningen, og D repræsenterer diameteren af ​​den omskrevne cirkel. Fyldfaktoren indikerer åbningens evne til at indsamle lys.

Elevfunktionen af ​​det sparsomme åbningsoptagelsessystem kan udtrykkes som en sammenvikling af en under-eperturelevfunktion og en Δ-funktionsarray:

Fra viden om informationsoptik har elevfunktionen, pointspredningsfunktionen (PSF) og overførselsfunktionen følgende forhold, som vist i figur 2.2:

Fig.2.2 Forholdet mellem elevfunktion, punktdiffusionsfunktion og overførselsfunktion

Moduleringsoverførselsfunktionen (MTF) af Golay3 Sparse Aperture Optical Imaging System er^[10] :

Her mtf_suber moduleringsoverførselsfunktionen af ​​underpasningen, og udtrykket er:

Det kan ses fra formlen, at kombinationen af ​​flere MTF-under-aber i frekvensdomænet udgør MTF for hele den sparsomme åbningssystem. MTF -kurver er også en af ​​en vigtig metode til at evaluere billedkvaliteten af ​​systemet.

I praktiske applikationer bruges et to-spirrorsystem normalt til at designe et teleskop. Golay3 Sparse Aperture Multiple Mirror Telescope designet i dette papir er afledt af et to-spiral-system. Det primære spejl i to-spirror-systemet erstattes af Golay3 sparsomme blænde. Konfigurationen af ​​to-spirrorsystemet er vist i fig. 2.3.

Fig.2.3 Konfiguration af to-spirror-systemet

Det to-spirror-forhold mellem sekundært spejl og forstørrelse af sekundært spejl:

Det kan opnås ved hjælp af formlen for Gaussian Optics:

Her r₁og r₂er krumningens radius af primær spejl m₁og sekundært spejl m₂henholdsvis.

Fra viden om geometri kan vi vide:

For det første bestemmes den optiske åbning, relativ åbning, relativ åbning af det primære spejl og omdrejningspunktet for systemet δ af systemet til at beregne og. Derefter beregnes L2, D, R1 og R2 i henhold til formlen (5), (8) og (9). Endelig, i henhold til den tredje ordens afvigelse af teorien, beregnes formskoefficienterne 𝑒𝑒 1 2 og 𝑒𝑒 2 2 for de primære og sekundære spejle.

Imidlertid er synsfeltet for cassegrain -systemet lille på grund af påvirkningen af ​​koma og astigmatisme. Brug af freeform -overflade udstyret med Zernike -polynom til at designe Golay3 -sparsomme blænde kan effektivt øge synsfeltet for systemet og forbedre billedbehandlingskvaliteten. Formen af ​​freeform -overfladen er som følger:

Der z^l_nEr Zernike Polynomial:

Derfor kan Zernike -polynomerne skrives som:

Zernike -polynomer har to fordele. Den ene er kontinuerlig og ortogonal i enhedens cirkeldomæne, og polynomets koefficienter er uafhængige. For det andet har det et godt tilsvarende forhold til bølgeafvigelse, hvilket er praktisk at etablere forholdet mellem freeform overfladeform og bølgeafvigelse.

3. Simuleringer

Dette papir designer et to-pirror-system. Systemets indgangspupillens diameter er 25 0 mm og F -nummer er 6. synsfeltet er ± 0,16 grad. Området af bølgelængde er 486 ~ 656nm. Diameteren på den sparsomme blænde-under-asky er 52 mm. Så systemets fyldningsfaktor er 51,92%. Efter beregning af den indledende struktur og optimering med Zemax. Systemets endelige parametre er vist i fanen.3.1:

Systemets sekundære spejl er en hyperboloid. Dens koniske koefficient er -3. 838. Det primære spejl er en freeform -overflade defineret af Zernike Standard Sag. Værdierne for de første 14 poster er vist i fanen.3.2:

Den tredimensionelle struktur af Golay3 -teleskopsystemet er vist i fig. 3.1:

Fig.3.1 Tredimensionel struktur af Golay3 -teleskopsystem

For et teleskopsystem bruges den optiske overførselsfunktion og spotdiagram normalt til at evaluere dets billeddannelseskvalitet. Fig.3.2 er spotdiagrammet for systemet. Den maksimale rodmiddelværdi firkantede radius af billedplads er 3,514μm. Airy Disk er 3,308μm. Systemets billedkvalitet er god.

Fig.3.2 Systemets spotdiagram

Fig.3.3 er MTF -kurverne for systemet opnået af Zemax -software. Som du kan se på billedet, at MTF -kurver kan opnå god linearitet i lavfrekvensområdet (0 ~ 100LP\/mm). Billedkvalitet opfylder kravene.

Fig.3.3 MTF -kurver for Golay3 Sparse Aperture Optical System med Freeform Surface

4. konklusion

Denne artikel introducerer først definitionen af ​​sparsom blænde og metoden til evaluering af dens billeddannelseskvalitet. Brug derefter Zemax -software til at designe en Golay3 sparsom blænde flere spejleteleskop. Det primære spejl, der er designet med sparsom blænde, vedtager en freeform -overflade. Systemet kan opnå et komplet synsfelt på ± 0. 16 grad og en fyldfaktor på næsten 51,92%. Det er af stor betydning for udviklingen af ​​store apertur astronomiske teleskop.

Anerkendelser Dette arbejde finansieres af National Natural Science Foundation of China (NSFC) (61875145, 11804243); Jiangsu Province Key Disciplin of Kinas 13. femårsplan (20168765); Naturvidenskabsfundamentet for Jiangsu -videregående uddannelsesinstitutioner i Kina (17KJA140001); Jiangsu Province Key Laboratory (KJS1710).

REFERENCE

[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. "Vurdering af store blænde lette billedbehandlingskoncepter". Proc. SPIE, 187- 203 (1996).

[2] Fiete, Robert D, "Billedkvalitet af sparsomme åbningsdesign til fjernmåling", optisk teknik. Papirer 41 (8), 1957-1969 (2002).

[3] Ab Meinel. "Aperture -syntese ved hjælp af uafhængige teleskoper", anvendt optik 9.11: 2501 (1970).

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

[5] Xie, Zongliang, et al. "Eksperimentel demonstration af forbedret opløsning af et Golay3 sparse-asket teleskop", Proc. af Spie Vol. 11552 115520 e -8 downloadet fra: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie den 11. oktober 2020 brugsbetingelser: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-of-use 15.004: {30-33} (2017).

[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer og Wolfgang Osten. "Avancerede undersøgelser af måling af aspherer og freeform-overflader med det vippede bølgeinterferometer", Proc. SPIE 8082: 80821F -80821 f -11 (2011).

[7] Jiang, X., P. Scott og D. Whitehouse. "Freeform Surface Characterization - A Fresh Strategy", CIRP ANNALS - Fremstillingsteknologi 56.1: 553-556 (2007).

[8] Flores, Jorge L, et al. "Effekter af fejljusteringsfejl på de optiske overførselsfunktioner af syntetiske åbningsteleskoper", Appl OPT 43.32: 5926-5932 (2004).

[9] Feng W, Quanying W, Lin Q. "Analyse af egenskaberne ved Golay3 multiple-spirror-teleskop", Appl Opt ,, 48 (3): 643-652 (2009).

[10] Noll og J. Robert. "Zernike -polynomer og atmosfærisk turbulens*", J.opt.Soc.am 66.3: 207-211 (1976). Proc. af Spie Vol. {{5.