Zhang, Huixing, Wu, Quanying, fan, Junliu, Chen, Baohua, Tang, Yunhai, et al.
Huixing Zhang, Quanying Wu, fan de Junliu, Baohua Chen, Yunhai Tang, Yuwei
Hou, Bin Chen, «Conception et mesure du système optique de la surface de forme libre», Proc. SPIE 11552, métrologie optique et inspection de l'industrie
Applications VII, 115520E (10 octobre 2020); doi: 10.1117 \/ 12.2573873
Événement: SPIE \/ COS Photonics Asia, 2020, en ligne uniquement
Conception du système optique et mesure de la surface de forme libre
Zhang Huixing1, Wu Quanying1*, Fan junliu1, Chen Baohua1, Tang Yunhai1, Hou Yuwei2, Chen bin3
1École des sciences physiques et de la technologie, Université des sciences et technologies de Suzhou,
Suzhou, Jiangsu 215009, Chine2
Suzhou Foif Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215006, Chine
3École des sciences et ingénieurs optoélectroniques, Université de Soochow
Suzhou, Jiangsu 215006, Chine
ABSTRAIT
L'utilisation d'une ouverture clairsemée peut réduire la taille et le poids du grand télescope d'ouverture. La sphère ou la surface asphérique couramment utilisée est difficile pour augmenter le champ de vision du système et améliorer la qualité de l'image. Par rapport aux surfaces sphériques ou asphériques, la surface de forme libre optique a plus de libertés de conception. Ce papier conçoit un télescope d'ouverture clairsemé à deux mirraux. Le miroir primaire est composé de trois sous-mirors disposés dans la configuration de Golay3 tandis que le primaire est une surface de forme libre définie par les polynômes de Zernike. Les résultats montrent que le champ de vision complet augmente jusqu'à 0. 32 degrés dans le système optique lorsque le miroir principal utilise une surface de forme libre. La qualité d'image répond aux exigences de sa fonction de transfert de modulation.
Mots-clés: ouverture clairsemée; surfaces de forme libre; Polynômes de Zernike; Fonction de transfert de modulation
1. Introduction
Afin d'améliorer la résolution du système de télescope, l'ouverture du système optique doit être augmentée. Cependant, le développement de systèmes optiques à grande ouverture est limité par les matériaux optiques, les coûts de fabrication, le volume, le poids, etc. Les télescopes à ouverture clairsemés [1] sont une sorte de système d'imagerie optique qui utilise la distribution spatiale et l'interférence mutuelle de plusieurs ouvertures pour remplacer une grande ouverture [2,3]. La zone lumineuse de l'ensemble du système est plus petite que celle d'une seule grande ouverture. Le volume et la masse du système réduisent. Mais les informations obtenues sont essentiellement équivalentes à celles d'un seul système d'ouverture à grande ouverture.
Il existe deux types de méthodes pour les télescopes d'ouverture clairsemés. L'un est le télescope multi-mirreur (MMT) que le miroir primaire est composé de plusieurs petits miroirs et conserve un miroir secondaire commun. Le télescope Golay6 SPARSE Aperture de Boeing SVS Company [4] est un télescope multi-mirreur typique. Un autre est les télescopes multi-télescopes (MTT) que plusieurs télescopes constituent un système d'ouverture clairsemé en utilisant plusieurs télescopes afocaux, chacun avec son propre sourire secondaire. Son exemple typique est la reconnaissance adaptative Golay3 Satellite optique (Argos) du Massachusetts Institute of Technology (MIT) [5]. Cependant, ces systèmes utilisent généralement une surface sphérique ou asphérique, qui ont des limites à l'obtention d'un champ de vision plus grand et d'une meilleure qualité d'image.
Comparé au type de surface traditionnel, en particulier pour les systèmes optiques avec un grand champ de vision. La surface de forme libre a plus de libertés de conception [6]. Il a une forte capacité de corriger l'aberration. Par conséquent, l'utilisation de la surface de forme libre peut assurer la qualité d'imagerie du système et obtenir un champ de vision plus important [7].
Dans cet article, un nouveau télescope à miroir multiples de l'ouverture clairsemée Golay3 conçu avec une surface de forme libre est présenté. Le miroir principal du système est une surface de forme libre et le miroir secondaire est conçu avec l'hyperboloïde.
2. Contexte théorique
L'ouverture clairsemée Golay3 est illustrée à la figure 2.1. Les centres des trois sous-apertions sont sur les trois sommets du triangle ordinaire. Le plus petit cercle circonscrit des sous-apertures est appelé l'ouverture entorante. Le facteur de remplissage [8] d'un système d'ouverture clairsemé est défini comme le rapport de tous les miroirs secondaires à celui de leur ouverture environnante. Le facteur de remplissage du système d'imagerie optique Golay3 Carsese Aperture [9] est
Fig. 2.1 La disposition du système d'imagerie optique de l'ouverture clairsemée Golay3
Ici, D représente le diamètre de la sous-aperçue, et D représente le diamètre du cercle circonscrit. Le facteur de remplissage indique la capacité de l'ouverture à collecter la lumière.
La fonction de pupille du système d'imagerie optique de l'ouverture clairsemée peut être exprimée comme une convolution d'une fonction d'élève de sous-aperçu et d'un réseau de fonction Δ:
D'après la connaissance de l'optique de l'information, la fonction d'élève, la fonction de propagation ponctuelle (PSF) et la fonction de transfert ont la relation suivante, comme le montre la figure 2.2:
Fig.2.2 Relation entre la fonction des élèves, la fonction de diffusion ponctuelle et la fonction de transfert
La fonction de transfert de modulation (MTF) du système d'imagerie optique de l'ouverture clairse[10] :
Ici MTFsousest la fonction de transfert de modulation de la sous-évaluation, et l'expression est:
On peut voir à partir de la formule que la combinaison de multiples MTF de sous-aperçu dans le domaine de fréquence constitue le MTF de l'ensemble du système d'ouverture clairsemé. Les courbes MTF font également partie d'une méthode importante pour évaluer la qualité d'imagerie du système.
Dans les applications pratiques, un système à deux mirraux est généralement utilisé pour concevoir un télescope. Le télescope miroir multiple de l'ouverture clairsemée Golay3 conçu dans cet article est dérivé d'un système à deux mirraux. Le miroir primaire du système à deux mirraux est remplacé par l'ouverture clairsemée Golay3. La configuration du système à deux mirraux est représentée sur la figure 2.3.
Fig.2.3 Configuration du système à deux mirraux
Le rapport à deux miroirs du miroir secondaire et le grossissement du miroir secondaire:
Il peut être obtenu en utilisant la formule de l'optique gaussienne:
Ici r1et r2sont le rayon de courbure du miroir primaire m1et miroir secondaire m2respectivement.
D'après la connaissance de la géométrie, nous pouvons savoir:
Premièrement, l'ouverture optique, l'ouverture relative, l'ouverture relative du miroir primaire et la projection du point focal δ du système sont déterminées à calculer et. Ensuite, L2, D, R1 et R2 peuvent être calculés en fonction de la formule (5), (8) et (9). Enfin, selon la théorie d'aberration du troisième ordre, les coefficients de forme 𝑒𝑒 1 2 et 𝑒𝑒 2 2 des miroirs primaires et secondaires sont calculés.
Cependant, le champ de vision du système Cassegrain est faible en raison de l'influence du coma et de l'astigmatisme. L'utilisation de la surface de forme libre équipée de Zernike Polynomial pour concevoir l'ouverture clairsemée Golay3 peut augmenter efficacement le champ de vision du système et améliorer la qualité d'imagerie. La forme de surface de forme libre est la suivante:
Là zlnest Zernike Polynomial:
Par conséquent, les polynômes de Zernike peuvent être écrits comme:
Les polynômes de Zernike ont deux avantages. L'un est continu et orthogonal dans le domaine du cercle unitaire, et les coefficients des polynômes sont indépendants. Deuxièmement, il a une bonne relation correspondante avec l'aberration des vagues, ce qui est pratique pour établir la relation entre la forme de la surface de forme libre et l'aberration des vagues.
3. Simulations
Ce papier conçoit un système à deux miroirs. Le diamètre de la pupille d'entrée du système est de 25 0} mm et le nombre F est 6. Le champ de vision est de ± 0,16 degré. La plage de longueur d'onde est de 486 ~ 656 nm. Le diamètre de la sous-évaluation de l'ouverture clairsemée est de 52 mm. Le facteur de remplissage du système est donc de 51,92%. Après avoir calculé la structure initiale et optimisé avec Zemax. Les paramètres finaux du système sont affichés dans TAB.
Le miroir secondaire du système est un hyperboloïde. Son coefficient conique est -3. 838. Le miroir primaire est une surface de forme libre définie par Zernike standard SAG. Les valeurs des 14 premiers éléments sont affichées dans TAB.
La structure tridimensionnelle du système de télescope Golay3 est illustrée à la Fig.3.1:
Fig.3.1 Structure tridimensionnelle du système de télescope Golay3
Pour un système de télescope, la fonction de transfert optique et le diagramme ponctuel sont généralement utilisés pour évaluer sa qualité d'imagerie. La figure3.2 est le schéma spot du système. Le rayon carré moyen maximum de la tache carrée de l'image est de 3,514 μm. Le disque aéré est de 3,308 μm. La qualité d'imagerie du système est bonne.
Fig.3.2 Le schéma de spot du système
La Fig.3.3 est les courbes MTF du système obtenues par le logiciel Zemax. Comme vous pouvez le voir sur l'image que les courbes MTF peuvent obtenir une bonne linéarité dans la plage de basses fréquences (0 ~ 100lp \/ mm). La qualité de l'image répond aux exigences.
Fig.3.3 Courbes MTF du système optique de l'ouverture clairsemée Golay3 avec surface de forme libre
4. Conclusion
Cet article présente d'abord la définition de l'ouverture clairsemée et la méthode d'évaluation de sa qualité d'imagerie. Ensuite, en utilisant le logiciel Zemax pour concevoir un télescope miroir multiple de l'ouverture clairsemée Golay3. Le miroir primaire conçu avec une ouverture clairsemée adopte une surface de forme libre. Le système peut atteindre un champ de vision complet de ± 0. 16 degrés et un facteur de remplissage de près de 51,92%. Il est d'une grande importance pour le développement d'un télescope astronomique à grande ouverture.
Remerciements Ce travail est financé par la National Natural Science Foundation of China (NSFC) (61875145, 11804243); Discipline clé de la province du Jiangsu du 13e plan quinquennal chinois (20168765); La Fondation des sciences naturelles des établissements d'enseignement supérieur du Jiangsu de Chine (17KJA140001); Laboratoire clé de la province du Jiangsu (KJS1710).
RÉFÉRENCE
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