Konsepsyon sistèm optik ak mezi nan sifas freeform

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, "konsepsyon sistèm optik ak mezi nan sifas freeform," Proc. SPIE 11552, metroloji optik ak enspeksyon pou endistriyèl

Aplikasyon VII, 115520E (10 oktòb 2020); doi: 10.1117\/12.2573873

Evènman: SPIE\/COS fotonik Azi, 2020, sou entènèt sèlman

Konsepsyon sistèm optik ak mezi nan sifas freeform

Zhang Huixing¹, Wu quanying¹*, Fanatik junliu_¹, Chen Baohua¹, Tang Yunhai1, Hou Yuwei², Chen bin³

¹Lekòl nan Syans Fizik ak Teknoloji, Suzhou University of Syans ak Teknoloji,

Suzhou, Jiangsu 215009, Lachin²

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

³Lekòl nan Optoelectronic Syans ak Jeni, Soochow University

Suzhou, Jiangsu 215006, Lachin

Abstrè

Itilize nan Ouverture rar ka diminye gwosè a ak pwa nan teleskòp la Ouverture gwo. Esfè a oswa sifas asferik souvan itilize se difisil ogmante jaden an de vi nan sistèm lan ak amelyore bon jan kalite a imaj. Konpare ak sifas esferik oswa asferik, sifas optik freeform gen plis libète konsepsyon. Papye sa a desine yon teleskòp Ouverture de-glas rar. Se glas la prensipal te fè nan twa sub-miwa ranje nan konfigirasyon an Golay3 pandan y ap prensipal la se yon sifas freeform defini nan polinòm Zernike. Rezilta yo montre ke jaden an plen de vi ogmante jiska 0. 32 degre nan sistèm nan optik lè glas prensipal la sèvi ak yon sifas freeform. Bon jan kalite a imaj satisfè kondisyon yo fòme fonksyon transfè modulasyon li yo.

Mo kle: Ouverture rar; sifas lib; Polinòm Zernike; Fonksyon transfè modulasyon

1. Entwodiksyon

Yo nan lòd yo amelyore rezolisyon an nan sistèm nan teleskòp, Ouverture nan sistèm nan optik bezwen yo dwe ogmante. Sepandan, se devlopman nan gwo Ouverture sistèm optik limite pa materyèl optik, depans fabrikasyon, volim, pwa ak sou sa. Telescope rar [1] telescope se yon kalite sistèm optik D 'ki sèvi ak distribisyon espasyal ak entèferans mityèl nan ouvèti miltip ranplase yon gwo Ouverture [2,3]. Zòn nan lumineux nan tout sistèm lan se pi piti pase sa yo ki an yon sèl gwo Ouverture. Volim sistèm lan ak mas diminye. Men, enfòmasyon yo jwenn se fondamantalman ekivalan a sa yo ki an yon sèl sistèm gwo Ouverture.

Gen de kalite metòd pou telescope Ouverture rar. Youn nan se teleskòp la milti-glas (MMT) ki se glas la prensipal te fè nan plizyè miwa ti ak kenbe yon glas komen segondè. Teleskòp la Golay6 rar Ouverture nan Boeing SVS Konpayi [4] se yon tipik milti-glas teleskòp. Yon lòt se telescope yo milti-teleskòp (MTT) ki telescope plizyè fè moute yon sistèm Ouverture rar lè l sèvi avèk plizyè teleskòp Afocal, yo chak ak Secondaryror pwòp li yo. Egzanp tipik li se adaptasyon rekonesans Golay3 satelit optik (Argos) nan Massachusetts Enstiti nan Teknoloji (MIT) [5]. Sepandan, sistèm sa yo anjeneral itilize sifas esferik oswa asferik, ki gen limit nan jwenn yon jaden pi gwo de vi ak pi bon kalite imaj.

Konpare ak kalite sifas tradisyonèl la, espesyalman pou sistèm optik ak yon gwo jaden de vi. Sifas la Freeform gen plis libète konsepsyon [6]. Li gen yon kapasite fò yo korije aberasyon. Se poutèt sa, itilize nan sifas freeform ka asire bon jan kalite a D 'nan sistèm lan epi pou yo jwenn yon jaden pi gwo de vi [7].

Nan papye sa a, se yon nouvo Golay3 rar Ouverture milti-glas teleskòp ki fèt ak sifas freeform prezante. Premye glas sistèm lan se yon sifas freeform, epi li se glas segondè a ki fèt ak hyperboloid.

2. background teyorik

Ouvèti Golay3 rar yo montre nan Figi 2.1. Sant yo nan twa sub-aperture yo se sou twa somè yo nan triyang lan regilye. Se pi piti sèk la sikonskri nan sub-aperture yo rele Ouverture la jwen. Faktè a ranpli [8] nan yon sistèm Ouverture rar defini kòm rapò a nan tout zòn miwa segondè yo 'nan sa yo ki an ki antoure Ouverture yo. Golay3 rar Ouverture Optical D 'sistèm nan ranpli [9] se

Fig. 2.1 Layout nan Golay3 rar Ouverture sistèm nan D '

Isit la d reprezante dyamèt la nan sub-Ouverture a, ak D reprezante dyamèt la nan sèk la sikonskri. Faktè a ranpli endike kapasite a nan Ouverture a kolekte limyè.

Fonksyon elèv la nan sistèm nan rar Ouverture optik ka eksprime kòm yon convolution nan yon fonksyon elèv sub-ouvèti ak yon etalaj fonksyon δ:

Soti nan konesans nan optik enfòmasyon, fonksyon elèv la, pwen gaye fonksyon (PSF) ak fonksyon transfè gen relasyon ki anba la a, jan yo montre nan Figi 2.2:

Fig.2.2 Relasyon ant fonksyon elèv yo, fonksyon difizyon pwen ak fonksyon transfè

Fonksyon an transfè modulasyon (MTF) nan Golay3 rar Ouverture sistèm optik D 'se^[10] :

Isit la mtf_subse fonksyon transfè modulasyon nan sub-ouvèti a, ak ekspresyon an se:

Li ka wè nan fòmil la ki konbinezon an nan miltip sub-Ouverture MTF nan domèn nan frekans konstitye MTF la nan tout sistèm nan Ouverture rar. Koub MTF se tou youn nan yon metòd enpòtan yo evalye bon jan kalite a D 'nan sistèm lan.

Nan aplikasyon pratik, se yon sistèm de-glas anjeneral itilize nan konsepsyon yon teleskòp. Golay3 rar Ouverture teleskòp glas miltip ki fèt nan papye sa a sòti nan yon sistèm de-glas. Se glas la prensipal nan sistèm nan de-glas ranplase pa Golay3 Ouverture la rar. Se konfigirasyon an nan de-glas sistèm yo montre nan Fig.2.3.

Fig.2.3 Konfigirasyon nan sistèm de-glas

Rapò a de-glas nan glas segondè ak mikwoskòp la nan glas segondè:

Li ka jwenn lè l sèvi avèk fòmil la nan optik Gaussian:

Isit la r₁ak r₂yo se reyon an nan deviation nan glas prensipal m₁ak glas segondè m₂respektivman.

Soti nan konesans nan jeyometri, nou ka konnen:

Premyerman, Ouverture nan optik, Ouverture relatif, Ouverture relatif nan glas la prensipal ak pwojeksyon nan pwen fokal δ nan sistèm lan yo detèmine ki kalkile ak. Lè sa a, L2, D, R1 ak R2 ka kalkile dapre fòmil (5), (8) ak (9). Finalman, dapre teyori a twazyèm-lòd aberasyon, koefisyan yo fòm 𝑒𝑒 1 2 ak 𝑒𝑒 2 2 nan miwa yo primè ak segondè yo kalkile.

Sepandan, jaden an de vi nan sistèm cassegrain se ti akòz enfliyans nan koma ak asmatism. Sèvi ak sifas Freeform ekipe ak polinòm Zernike nan konsepsyon Golay3 Ouverture a rar ka efektivman ogmante jaden an nan gade nan sistèm lan ak amelyore bon jan kalite a D '. Fòm lan nan sifas freeform se jan sa a:

Gen z^l_nse polinòm Zernike:

Se poutèt sa, polinòm yo Zernike ka ekri tankou:

Polinòm Zernike gen de avantaj. Youn nan se kontinyèl ak orthogonal nan domèn nan sèk inite, ak koefisyan yo nan polinòm yo yo endepandan. Dezyèmman, li gen yon bon relasyon korespondan ak aberasyon vag, ki se pratik yo etabli relasyon ki genyen ant fòm sifas freeform ak aberasyon vag.

3. Similasyon

Papye sa a desine yon sistèm de-glas. Dyamèt elèv antre nan sistèm lan se 25 0 mm ak nimewo f se 6. jaden an de vi se ± 0.16 degre. Ranje a nan longèdonn se 486 ~ 656nm. Dyamèt la nan sub-Ouverture a rar Ouverture se 52mm. Se konsa, faktè a ranpli nan sistèm lan se 51.92%. Apre kalkile estrikti inisyal la ak optimize ak Zemax. Paramèt final yo nan sistèm lan yo montre nan Tab.3.1:

Miwa segondè nan sistèm lan se yon hyperboloid. Koyefisyan konik li se -3. 838. Miwa prensipal la se yon sifas freeform defini nan Sag estanda Zernike. Valè yo nan premye 14 atik yo yo montre nan Tab.3.2:

Estrikti a twa dimansyon nan sistèm teleskòp Golay3 yo montre nan Fig.3.1:

Fig.3.1 Twa estrikti dimansyon nan sistèm teleskòp Golay3

Pou yon sistèm teleskòp, fonksyon transfè optik ak dyagram plas yo anjeneral itilize pou evalye bon jan kalite D 'li yo. Fig.3.2 se dyagram nan plas nan sistèm lan. Rasin maksimòm lan vle di reyon kare nan plas imaj se 3.514μm. Airy ki gen kapasite se 3.308μm. Bon jan kalite a D 'nan sistèm lan se yon bon bagay.

Fig.3.2 Dyagram nan plas nan sistèm lan

Fig.3.3 se koub yo MTF nan sistèm nan jwenn nan lojisyèl Zemax. Kòm ou ka wè nan foto a ki MTF koub ka reyalize bon linear nan seri a frekans ki ba (0 ~ 100lp\/mm). Kalite imaj satisfè kondisyon.

Fig.3.3 MTF koub

4. Konklizyon

Atik sa a premyèman entwodwi definisyon an nan Ouverture rar ak metòd la nan evalye bon jan kalite D 'li yo. Lè sa a, lè l sèvi avèk Zemax lojisyèl nan konsepsyon yon Golay3 rar Ouverture miltip teleskòp glas. Miwa prensipal la ki fèt ak Ouverture rar adopte yon sifas freeform. Sistèm lan ka reyalize yon jaden konplè de vi nan ± 0. 16 degre ak yon faktè ranpli nan prèske 51,92%. Li se nan gwo siyifikasyon nan devlopman nan gwo Ouverture teleskòp astwonomik.

Remèsiman sa a travay finanse pa Nasyonal Natirèl Syans Fondasyon an nan Lachin (NSFC) (61875145, 11804243); Jiangsu Pwovens Kle Disiplin nan 13th Plan Lachin nan senk ane (20168765); Fondasyon Syans Natirèl la nan enstitisyon edikasyon siperyè Jiangsu nan Lachin (17KJA140001); Laboratwa kle pwovens Jiangsu (KJS1710).

Mansyon

[1] Kevin D Bell, Richard H Boucher. "Evalyasyon nan gwo Ouverture konsèp D 'lejè". Proc. Spie, 187- 203 (1996).

[2] Fiete, Robert D, "Kalite Imaj nan desen Ouverture rar pou kèk aleka", Jeni optik. Papye 41 (8), 1957-1969 (2002).

[3] AB Meinel. "Sentèz Aperture lè l sèvi avèk telescope endepandan", aplike optik 9.11: 2501 (1970).

[4] Johns M, McCarthy P, Raybould K, et al. "Giant Magellan Teleskòp: Apèsi sou lekòl la", Proc. Spie, 2012.

[5] Xie, Zongliang, et al. "Demonstrasyon eksperimantal nan rezolisyon ranfòse nan yon teleskòp Golay3 rar-Ouverture", Proc. nan Spie Vol. 11552 115520 e -8 telechaje soti nan: https:\/\/www.spiedigitaLibrary.org\/conference-proceedings-of-spie sou 11 oktòb 2020 Itilize: https:\/\/www.spidigitallibrary.orgs-

[6] Eugenio Garbusi, Goran Baer, ​​ak Wolfgang Osten. "Etid avanse sou mezi a nan Aspheres ak sifas Freeform ak entèrferomètr a panche-onn", Proc. SPIE 8082: 80821f -80821 f -11 (2011).

[7] Jiang, X., P. Scott, ak D. Whitehouse. "Freeform karakterizasyon sifas - yon estrateji fre", CIRP Istwa - Teknoloji Faktori 56.1: 553-556 (2007).

[8] Flores, Jorge L, et al. "Efè erè aliyman sou fonksyon yo transfè optik nan telescope sentetik Ouverture", Appl Opt 43.32: 5926-5932 (2004).

[9] Feng W, Quanying W, Lin Q. "Analiz de karakteristik yo ki nan teleskòp la Golay3 miltip-glas", appl opt ,, 48 (3): 643-652 (2009).

[10] Noll, ak J. Robert. "Polinòm Zernike ak atmosferik tourbiyon*", J.Opt.Soc.am 66.3: 207-211 (1976). Proc. nan Spie Vol. {}