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    [技術(shù)]大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡LSST光學(xué)系統(tǒng)的性能分析 [復(fù)制鏈接]

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    文章來(lái)源:Performance and Analysis of the LSST Optical System

    LSST使用了一個(gè)改良的Paul-Baker三反射鏡光學(xué)設(shè)計(jì),包含8.4m的主鏡、3.4m的次鏡和5m的第二次鏡。系統(tǒng)開(kāi)始向更深、更寬范圍以及更快的任務(wù)演變。主和第二次級(jí)表面的曲率半徑很接近保障可以從單個(gè)基底制造兩個(gè)反射鏡。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì),稱(chēng)為M1M3整料,在操作對(duì)準(zhǔn)和改進(jìn)的結(jié)構(gòu)剛度期間,就減少自由度方面為其他環(huán)形主面提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。為三反射鏡望遠(yuǎn)鏡提供了一個(gè)三元屈光校正器,在64cm平坦焦面上、在具有出色成像質(zhì)量的6個(gè)光譜帶上產(chǎn)生3.5度全視場(chǎng)。最近的設(shè)計(jì)優(yōu)化包括了三個(gè)相機(jī)鏡頭的零位補(bǔ)償檢驗(yàn),產(chǎn)生了更加簡(jiǎn)單的參數(shù)配置,減少了次鏡的非球面性。并進(jìn)行了透鏡位移、重力畸變、玻璃質(zhì)量和制造誤差的光學(xué)效應(yīng)的詳細(xì)分析,表明該系統(tǒng)在工業(yè)制造能力以?xún)?nèi)是很好的。雜散射光分析表明LSST能夠?qū)崿F(xiàn)它的信噪比要求。在反射鏡、抗反射和濾波涂層的發(fā)展上已經(jīng)取得進(jìn)一步的成果,表明系統(tǒng)的吞吐量已經(jīng)滿足了測(cè)量的深度要求并超過(guò)了濾波抑制要求。

    反射鏡測(cè)試

    第一和第三反射表面將制造成單個(gè)鏡坯,每個(gè)表面適用于光學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。M1和M3之間關(guān)系實(shí)現(xiàn)是通過(guò)同步光學(xué)測(cè)試、激光跟蹤定位和機(jī)械偏心測(cè)量的組合實(shí)現(xiàn)的。

      

    凸?fàn)畹亩?jí)鏡面限制為遠(yuǎn)離一個(gè)球面19微米的非球面。在12個(gè)子孔徑內(nèi)使用矩陣光學(xué)試驗(yàn)可以測(cè)量該表面。在試驗(yàn)中具有受限靈敏度的低階表面誤差可以很容易改正。

    光學(xué)設(shè)計(jì)

    在LSST光學(xué)設(shè)計(jì)的中心是一個(gè)三反射鏡系統(tǒng),起源于Mersenne-Schmidt族的光學(xué)系統(tǒng),可以在非常寬的視場(chǎng)產(chǎn)生非常好的成像質(zhì)量。LSST系統(tǒng)添加了一個(gè)三元屈光相機(jī)來(lái)進(jìn)一步提高成像質(zhì)量,補(bǔ)償來(lái)自于濾光片和dewer窗口的色差,并且使焦平面平坦。半月形濾光片基板保持光束的遠(yuǎn)心充滿全視場(chǎng),從而消除在濾光片響應(yīng)時(shí)的任何波長(zhǎng)偏移。L3的厚度由需求的應(yīng)力安全余量決定,可以用作dewar窗口和真空擋板。生成的圖像質(zhì)量在50%處(下曲線)<0.2",在80%能量環(huán)繞處(上曲線)<0.3"橫跨整個(gè)可視光譜(330-1080Å)。

    透鏡零位校驗(yàn)

    三個(gè)屈光元件的每個(gè)零位校驗(yàn)作為最終設(shè)計(jì)優(yōu)化的一部分。可以通過(guò)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)非球面項(xiàng)的平衡來(lái)簡(jiǎn)化可制造性。最后,L1保持了完全球面光學(xué),L2上非常小的非球面量引起了一個(gè)簡(jiǎn)單的零位校驗(yàn)及M2上非球面性的降低,同樣的在L3上添加的非球面性極大的簡(jiǎn)化了它的零點(diǎn)校驗(yàn)。每個(gè)零點(diǎn)校驗(yàn)均是沿著重力的取向?qū)嵤。通過(guò)在它們首選操作取向上校驗(yàn)透鏡,可以補(bǔ)償由重力扭曲導(dǎo)致的1階光學(xué)誤差。

    雜散&散射光分析

    在FRED軟件包(Photon Engineering,LLC)中使用非序列光線追跡模型可以完成LSST散射光分析。LSST散射光模型包含了所有光學(xué)元件以及結(jié)構(gòu)元件,表現(xiàn)為圓頂(1),望遠(yuǎn)鏡裝置(2),和相機(jī)組件(3)。每個(gè)光學(xué)表面賦予微表面粗糙規(guī)格及顆粒清潔度,非光學(xué)表面賦予Z306 Aeroglaze(涂黑處理)。

    關(guān)鍵面的分析是從2個(gè)視角分析照明模型元件:1)從探測(cè)器,2)從圓頂外部。在前一種情況下,從探測(cè)器的角度來(lái)看,關(guān)鍵面可以由這些可見(jiàn)元件的主鏡 (藍(lán)色),次鏡(綠色)和第二次鏡(紫色)來(lái)確定。在后一種情況中,通過(guò)圓頂開(kāi)口(紅色)照明的任何表面可以標(biāo)記為關(guān)鍵表面。由兩個(gè)光線追跡共用的模型元件歸類(lèi)為一階散射表面。根據(jù)目前的設(shè)計(jì),在LSST中超過(guò)300個(gè)這樣的表面存在。在全視場(chǎng)上的綜合影響是點(diǎn)源透射比的函數(shù),其中最重要的面可以識(shí)別出來(lái)。減輕這些表面的影響是目前設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

    紅色是直射光 藍(lán)色是(主鏡)的反射光 綠色是次鏡的反射光 紫色是三級(jí)鏡的反射光

    直射:相機(jī),相機(jī)內(nèi)部,圓頂?shù)酌,圓頂壁,方位組件,PM-TM交界面

    從第二次鏡:相機(jī)外殼,次鏡擋板葉片,次鏡三腳架

    從次鏡:PM單元,方位組件,PM-TM交界面

    從主鏡:PM單元,主擋板,擋風(fēng)玻璃板,圓頂內(nèi)部

    為了清楚,圓頂壁和望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)已經(jīng)隱藏

    鬼像分析

    屈光元件的二次反射會(huì)產(chǎn)生不想要的鬼像。我們已經(jīng)分析了在LSST光學(xué)系統(tǒng)中兩表面鬼像的所有組合。在每個(gè)透鏡表面鍍上抗反射涂層,快速f/1.23 LSST光束在鬼像中產(chǎn)生非常低的表面亮度。由濾光片基板(插圖,最內(nèi)層圓)產(chǎn)生的最壞情況鬼像比它的光源弱108倍(22.5倍放大)。遠(yuǎn)離傳感器和L2表面2反射產(chǎn)生的鬼像隨著視場(chǎng)角幾乎是不變的。這個(gè)“瞳孔”的去除將是常規(guī)儀器校正圖像處理的一部分。

    系統(tǒng)吞吐量

    LSST的六波段系統(tǒng)吞吐量由5個(gè)系統(tǒng)元件響應(yīng)函數(shù)的乘積決定。整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)(黑色)組合了大氣、光學(xué)和傳感器QE的函數(shù)。在海拔2700m的位置,在平均溫度、濕度和壓力的條件下使用MODTRAN計(jì)算出在智利帕切翁山的大氣透射率(藍(lán)色)。透鏡-反射鏡響應(yīng)函數(shù)(紫色)結(jié)合了三個(gè)反射鏡表面和具有抗反射涂層的六個(gè)透鏡表面。鏡面反射基于混合AL-AG涂層,與雙子天文臺(tái)合作下開(kāi)發(fā)。理想的濾光片響應(yīng)函數(shù)(下)是使用模系設(shè)計(jì)軟件計(jì)算的(多層膜)。最終的六波段系統(tǒng)響應(yīng)是單個(gè)響應(yīng)函數(shù)的乘積總和。

    參考:

    paul-bake結(jié)構(gòu)可以參考:http://www.telescope-optics.net/paul-baker_telescope.htm

     
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