طراحی سیستم نوری و اندازه گیری سطح آزاد

Zhang ، Huixing ، Wu ، Quanying ، Fan ، Junliu ، Chen ، Baohua ، Tang ، Yunhai ، et al.

Huixing Zhang ، Quanying Wu ، Fan Junliu ، Baohua Chen ، Yunhai Tang ، Yuwei

هو ، بن چن ، "طراحی سیستم نوری و اندازه گیری سطح Freeform" ، Proc. SPIE 11552 ، اندازه گیری نوری و بازرسی برای صنعتی

برنامه های VII ، 115520E (10 اکتبر 2020) ؛ doi: 10.1117\/12.2573873

رویداد: SPIE\/COS Photonics Asia ، 2020 ، فقط آنلاین

طراحی سیستم نوری و اندازه گیری سطح آزاد

ژانگ هیوسینگ¹، وو Quanying¹*، فن جونلیو_¹، چن باوهوا¹، Tang Yunhai1 ، Hou Yuwei²، چن بن³

¹دانشکده علوم و فناوری فیزیکی ، دانشگاه علوم و فناوری سوژو ،

سوژو ، جیانگسو 215009 ، چین²

شرکت سوژو فیف ، آموزشی ویبولیتین ، سوژو ، جیانگسو 215006 ، چین

³دانشکده علوم و مهندسی نوری ، دانشگاه سوچو

سوژو ، جیانگسو 215006 ، چین

چکیده

استفاده از دیافراگم پراکنده می تواند اندازه و وزن تلسکوپ دیافراگم بزرگ را کاهش دهد. حوزه یا سطح آسفریک که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد ، افزایش میدان دید سیستم و بهبود کیفیت تصویر دشوار است. در مقایسه با سطوح کروی یا آسفریک ، سطح آزاد نوری دارای آزادی های طراحی بیشتری است. در این مقاله یک تلسکوپ دیافراگم پراکنده دو آینه طراحی شده است. آینه اصلی از سه آینه زیر تنظیم شده در پیکربندی Golay3 ساخته شده است در حالی که اصلی یک سطح آزاد است که توسط چند جمله ای Zernike تعریف شده است. نتایج نشان می دهد که حوزه کامل نمای تا 32 درجه 32 درجه در سیستم نوری افزایش می یابد که آینه اصلی از یک سطح آزاد استفاده می کند. کیفیت تصویر با شکل الزامات عملکرد انتقال مدولاسیون آن را برآورده می کند.

کلمات کلیدی: دیافراگم پراکنده ؛ سطوح آزاد چند جمله ای Zernike ؛ تابع انتقال مدولاسیون

1. مقدمه

به منظور بهبود وضوح سیستم تلسکوپ ، دیافراگم سیستم نوری افزایش می یابد. با این حال ، توسعه سیستم های نوری بزرگ دیافراگم توسط مواد نوری ، هزینه های تولید ، حجم ، وزن و غیره محدود است. دیافراگم پراکنده [1] تلسکوپ ها نوعی سیستم تصویربرداری نوری هستند که از توزیع مکانی و تداخل متقابل دیافراگم های متعدد برای جایگزینی یک دیافراگم بزرگ استفاده می کند [2،3]. ناحیه درخشان کل سیستم از یک دیافراگم بزرگ منفرد کوچکتر است. حجم و جرم سیستم کاهش می یابد. اما اطلاعات به دست آمده اساساً معادل یک سیستم دیافراگم بزرگ است.

دو نوع روش برای تلسکوپ های دیافراگم پراکنده وجود دارد. یکی تلسکوپ چند آینه (MMT) است که آینه اصلی از چندین آینه کوچک ساخته شده و یک آینه ثانویه مشترک را نگه می دارد. تلسکوپ دیافراگم پراکنده Golay6 شرکت Boeing SVS [4] یک تلسکوپ معمولی چند آینه است. مورد دیگر تلسکوپ های Multilescope (MTT) است که چندین تلسکوپ با استفاده از چندین تلسکوپ Afocal ، که هر کدام دارای ثانویه خود هستند ، یک سیستم دیافراگم پراکنده را تشکیل می دهند. نمونه بارز آن ، ماهواره نوری شناسایی سازگار Golay3 (ARGOS) انستیتوی فناوری ماساچوست (MIT) است [5]. با این حال ، این سیستم ها معمولاً از سطح کروی یا آسفریک استفاده می کنند که محدودیت هایی در دستیابی به یک میدان دید بزرگتر و کیفیت بهتر تصویر دارند.

در مقایسه با نوع سطح سنتی ، به ویژه برای سیستم های نوری با یک میدان بزرگ. سطح آزاد دارای آزادی های طراحی بیشتری است [6]. این توانایی قوی برای تصحیح انحراف دارد. بنابراین ، استفاده از سطح Freeform می تواند کیفیت تصویربرداری سیستم را تضمین کرده و از دیدگاه بزرگتری برخوردار شود [7].

در این مقاله ، یک تلسکوپ چند آینه دیافراگم Golay3 جدید طراحی شده با سطح Freeform ارائه شده است. آینه اصلی سیستم یک سطح آزاد است و آینه ثانویه با Hyperboloid طراحی شده است.

2. پیشینه نظری

دیافراگم پراکنده Golay3 در شکل 2.1 نشان داده شده است. مراکز سه زیر آپارتمان در سه راس مثلث معمولی قرار دارند. کوچکترین دایره ای از زیر آپارتمان ها ، دیافراگم محصور نامیده می شود. فاکتور پر کردن [8] یک سیستم دیافراگم پراکنده به عنوان نسبت همه منطقه آینه های ثانویه به دیافراگم اطراف آنها تعریف شده است. فاکتور پر کردن سیستم تصویربرداری نوری دیافراگم Golay3 [9]

شکل 2.1 طرح سیستم تصویربرداری نوری دیافراگم پراکنده Golay3

در اینجا D قطر زیر آب را نشان می دهد ، و D قطر دایره دوربینی را نشان می دهد. فاکتور پر کردن توانایی دیافراگم در جمع آوری نور را نشان می دهد.

عملکرد شاگرد سیستم تصویربرداری نوری دیافراگم پراکنده را می توان به عنوان یک نتیجه از یک عملکرد شاگرد زیر آپارتمان و یک آرایه عملکرد δ بیان کرد:

از دانش اپتیک اطلاعات ، عملکرد مردمک ، عملکرد گسترش نقطه (PSF) و عملکرد انتقال رابطه زیر را دارند ، همانطور که در شکل 2.2 نشان داده شده است:

شکل .2.2 رابطه بین عملکرد دانش آموزان ، عملکرد انتشار نقطه و عملکرد انتقال

عملکرد انتقال مدولاسیون (MTF) سیستم تصویربرداری نوری دیافراگم پراکنده Golay3^[10] :

اینجا MTF_زیرعملکرد انتقال مدولاسیون زیر آپارتمان است ، و بیان این است:

از این فرمول می توان دید که ترکیبی از MTF زیر آپارتمان در دامنه فرکانس ، MTF کل سیستم دیافراگم پراکنده را تشکیل می دهد. منحنی های MTF همچنین یکی از روشهای مهم برای ارزیابی کیفیت تصویربرداری سیستم است.

در کاربردهای عملی ، معمولاً از یک سیستم دو آینه برای طراحی یک تلسکوپ استفاده می شود. دیافراگم پراکنده Golay3 تلسکوپ آینه چندگانه طراحی شده در این مقاله از یک سیستم دو آینه گرفته شده است. آینه اصلی سیستم دو آینه با دیافراگم پراکنده Golay3 جایگزین می شود. پیکربندی سیستم دو آینه در شکل .2.3 نشان داده شده است.

شکل .2.3 پیکربندی سیستم دو آینه

نسبت دو آینه آینه ثانویه و بزرگنمایی آینه ثانویه:

با استفاده از فرمول اپتیک گاوسی می توان آن را بدست آورد:

در اینجا r₁و r₂شعاع انحنای آینه اولیه m است₁و آینه ثانویه م₂به ترتیب

از دانش هندسه می توانیم بدانیم:

در مرحله اول ، دیافراگم نوری ، دیافراگم نسبی ، دیافراگم نسبی آینه اولیه و پیش بینی نقطه کانونی δ سیستم برای محاسبه و تعیین می شود. سپس L2 ، D ، R1 و R2 را می توان با توجه به فرمول (5) ، (8) و (9) محاسبه کرد. سرانجام ، طبق نظریه انحراف مرتبه سوم ، ضرایب شکل 𝑒𝑒 1 2 و 𝑒𝑒 2 2 از آینه های اولیه و ثانویه محاسبه می شوند.

با این حال ، میدان دید سیستم Cassegrain به دلیل تأثیر کما و آستیگماتیسم اندک است. با استفاده از سطح آزاد مجهز به چند جمله ای Zernike برای طراحی دیافراگم پراکنده Golay3 می تواند به طور موثری میدان دید سیستم را افزایش داده و کیفیت تصویربرداری را بهبود بخشد. شکل سطح Freeform به شرح زیر است:

آنجا Z^l_nZernike چند جمله ای است:

بنابراین ، چند جمله ای Zernike را می توان به این صورت نوشت:

چند جمله ای Zernike دو مزیت دارد. یکی در دامنه دایره واحد مداوم و متعامد است و ضرایب چند جمله ای مستقل است. ثانیا ، این رابطه خوب با انحراف موج دارد ، که برای برقراری رابطه بین شکل سطح آزاد و انحراف موج مناسب است.

3. شبیه سازی ها

در این مقاله یک سیستم دو آینه طراحی شده است. قطر دانش آموز ورودی سیستم 25 {3}} mm و تعداد F 6 است. میدان دید 0.16 درجه است. دامنه طول موج 656 نانومتر 486 است. قطر زیر آب دیافراگم پراکنده 52 میلی متر است. بنابراین ضریب پر کردن سیستم 51.92 ٪ است. پس از محاسبه ساختار اولیه و بهینه سازی با Zemax. پارامترهای نهایی سیستم در Tab.3.1 نشان داده شده است:

آینه ثانویه سیستم یک هیپربولوئید است. ضریب مخروط آن -3. 838 است. آینه اصلی یک سطح آزاد است که توسط Zernike Standard SAG تعریف شده است. مقادیر 14 مورد اول در Tab.3.2 نشان داده شده است:

ساختار سه بعدی سیستم تلسکوپ Golay3 در شکل 3.1 نشان داده شده است:

شکل .3.1 ساختار سه بعدی سیستم تلسکوپ Golay3

برای یک سیستم تلسکوپ ، از عملکرد انتقال نوری و نمودار نقطه ای معمولاً برای ارزیابی کیفیت تصویربرداری آن استفاده می شود. شکل .3.2 نمودار نقطه ای از سیستم است. حداکثر شعاع مربع ریشه تصویر 3.514μm است. دیسک هوایی 3.308μm است. کیفیت تصویربرداری سیستم خوب است.

شکل .3.2 نمودار نقطه سیستم

شکل .3.3 منحنی MTF سیستم به دست آمده توسط نرم افزار Zemax است. همانطور که از تصویر می بینید که منحنی های MTF می توانند در محدوده فرکانس پایین به خطی خوب دست یابند ({2}}} ~ 100lp\/mm). کیفیت تصویر نیازهای خود را برآورده می کند.

شکل .3.3 منحنی MTF از سیستم نوری دیافراگم پراکنده Golay3 با سطح آزاد

4. نتیجه گیری

این مقاله ابتدا تعریف دیافراگم پراکنده و روش ارزیابی کیفیت تصویربرداری آن را ارائه می دهد. سپس با استفاده از نرم افزار Zemax برای طراحی یک دیافراگم پراکنده Golay3 ، تلسکوپ آینه چندگانه. آینه اصلی که با دیافراگم پراکنده طراحی شده است ، یک سطح آزاد را اتخاذ می کند. این سیستم می تواند به یک میدان کامل از ± 1 {1}}. 16 درجه و یک عامل پر شده نزدیک به 51.92 ٪ برسد. از اهمیت زیادی برای توسعه تلسکوپ نجومی دیافراگم بزرگ برخوردار است.

تأیید این کار توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین (NSFC) تأمین می شود (61875145 ، 11804243). Jiangsu استان رشته اصلی برنامه پنج ساله چین (20168765) ؛ بنیاد علوم طبیعی مؤسسات آموزش عالی جیانگسو چین (17KJA140001) ؛ آزمایشگاه کلیدی استان جیانگسو (KJS1710).

مرجع

[1] کوین د بل ، ریچارد H بوچر. "ارزیابی مفاهیم تصویربرداری سبک دیافراگم بزرگ". پروک SPIE ، {1}} (1996).

[2] Fiete ، Robert D ، "کیفیت تصویر طرح های دیافراگم پراکنده برای سنجش از دور" ، مهندسی نوری. مقالات 41 (8) ، {3}} (2002).

[3] AB Meinel. "سنتز دیافراگم با استفاده از تلسکوپ های مستقل" ، اپتیک کاربردی 9.11: 2501 (1970).

[4] Johns M ، McCarthy P ، Raybould K ، et al. "تلسکوپ غول پیکر: نمای کلی" ، Proc. SPIE ، 2012.

[5] Xie ، Zongliang ، et al. "نمایش تجربی وضوح پیشرفته یک تلسکوپ پراکنده Golay3" ، Proc. از SPIE VOL. 11552 115520 E -8} بارگیری از: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proussings-of-spie در 11 اکتبر 2020 اصطلاحات استفاده: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-of-use 15.004:

[6] Eugenio Garbusi ، Goran Baer و Wolfgang Osten. "مطالعات پیشرفته در مورد اندازه گیری آسفرها و سطوح آزاد با تداخل سنج موج کج" ، Proc. SPIE 8082: 80821f -80821 f -11 (2011).

[7] Jiang ، X. ، P. Scott و D. Whitehouse. "خصوصیات سطح آزاد - یک استراتژی تازه" ، Annals CIRP - فناوری تولید 56.1: {5 5}} (2007).

[8] Flores ، Jorge L ، et al. "تأثیر خطاهای سوء استفاده در توابع انتقال نوری تلسکوپ های دیافراگم مصنوعی" ، Appl Opt 43.32: 5926-5932 (2004).

[9] Feng W ، Quanying W ، Lin Q. "تجزیه و تحلیل ویژگی های تلسکوپ چند آینه Golay3" ، Appl Opt ، ، 48 (3): 643-652 (2009).

[10] نول ، و جی. رابرت. "چند جمله ای Zernike و تلاطم جوی*" ، j.opt.soc.am 66.3: 207-211 (1976). پروک از SPIE VOL. 11552 115520E-9 Downloaded From: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/conference-proceedings-of-spie on 11 Oct 2020 Terms of Use: https:\/\/www.spiedigitallibrary.org\/terms-of-use