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        FRED應用:TMT MOBIE成像光譜儀的概念設計階段雜散光分析
        時間:2022-01-18 20:30來源:訊技光電作者: 技術部點擊:次打印
        文章來源:Conceptual Design Phase Stray Light Analysis of the MOBIE Imaging Spectrograph for TMT
         
        簡介
        三十米望遠鏡(Thirty Meter Telescope, TMT)是由美國加州大學、加州理工學院、加拿大大學天文研究聯盟、日本國立天文臺、中國國家天文臺以及印度科技部聯合參與的21 世紀地基巨型光學-紅外天文觀測設備。TMT的30米口徑的集光面積是當前主流10米級大望遠鏡的十倍,空間分辨率則比哈勃空間望遠鏡(HST)提高一個量級,它將把望遠鏡靈敏度和空間分辨率等技術指標提高到前所未有的程度,其強大的洞察宇宙的能力必將引發天文學研究的飛躍發展,更清楚地揭示宇宙起源及其物質組成、暗物質和暗能量的本質、地外生命與文明的存在等最重要的自然科學圖景。本文以MOBIE為背景,使用FRED軟件對其雜散光部分進行了預評估。
         
        緒論
        寬視場光學光譜儀(MOBIE)是視覺受限的光學光譜儀,它是為第一代Thirty Meter
        Telescope (TMT)儀器而設計的。目前MOBIE儀器處于概念設計階段。本文記錄了成像模塊配置中雜散光分析的進展。在項目的這一階段雜散光分析的目標是提供預期的雜散光背景的基線評估。為此,我們完成了四個量的雜散光計算:
        關鍵物體的識別
        預估雜散光背景
        離軸抑制特性
        鬼像的形成
         
        分析基于一個完整的系統模型(盡管簡化過)的端到端光線追跡,包括帽型圓頂、望遠鏡光學器件、支撐結構、MOBIE儀器光學器件和外殼。
         
         
        圖1.完整的TMT-MOBIE雜散光分析模型
         
        TMT-MOBIE幾何模型
        端到端系統模型如圖2所示(隱藏了圓頂壁)。MOBIE儀器的成像模塊配置如圖3所示。一對大氣色散校正(ADC)棱鏡剛好位于視場光闌孔徑的前面。視場光闌是一個彎曲的掩膜,與TMT焦面的曲率相匹配,且傳輸5.4±2.1弧分×±4.8弧分的矩形視場。視場光闌是儀器內部主要的雜散光控制機構。反射瞄準儀(MC-1)沿著視場光闌。二色分束鏡透射和反射光線到紅色和藍色鏡頭部件中。隨后折疊到折射式照相機裝置中。
         
        圖2.圓頂內部 簡化的模型只包含可能被MOBIE儀器看到的元件
         
        圖3.MOBIE儀器模型
         
        表面屬性指定
        反射鏡表面具有一層鋁涂層,平均反射率在90%。透鏡表面具有一個理想的抗反射涂層,在每個面上反射1%的入射通量。光學表面被分配了兩個散射函數。Harvey2 BSDF模擬了由RMS微粗糙3導致的散射。米散射模型使用一個IEST-STD-1246D顆粒尺寸分布函數來模擬由微粒污染4,5導致的散射。非光學表面的處理從黑漆到光滑的白色而有所不同。
         
        分析結果
        關鍵/照明物分析表明從視場外部進來的光線沒有直接的路徑到達攝像頭。攝像頭捕捉到在M2和M3附近的望遠鏡支撐結構、立面軸承和圓頂底板。所有這些物體由外部光源照明,光線從圓頂的頂部或者排列在圓頂壁的通風口進入。
         
        黑色圓頂內部,到達藍色攝像頭探測器平面的雜散光占整個光通量的4%。藍色攝像頭捕捉到來自二色分束鏡的強烈的紅色鬼像反射。忽略這一貢獻,背景減小為3.2%。散射光背景占2.8%。對于紅色攝像頭,在相同的條件下,到達探測器平面的雜散光占據整個光通量的3.7%。散射光背景是總的光通量的3.3%。大部分貢獻來自于觀察的傳感器視場內的光源。白色圓頂內部在兩個成像路徑上增加了0.3%到散射光背景中。
         

        圖4.PST分析結果(藍色-上;紅色-下)
         
        圖4分別顯示藍色和紅色攝像頭PST曲線的對數間隔圖。PST分析提供了一種方法來量化望遠鏡和儀器的視場之外的抑制特性。圖上的注解表明在顯示的角度范圍內對雜散光背景最顯著的貢獻者。需要注意的最重要的特征是,儀器視場外沒有直接鏡像路徑到達攝像頭,對于儀器視場外部的物體來說,來自望遠鏡光學器件和圓頂的散射占據了幾乎所有的雜散光背景。
         
        圖5顯示了來自位于視場內部光源方向的攝像頭傳感器平面的對數間隔鬼像輻照度圖。ADC棱鏡在主圖的上部和下部產生了圖像偽影。藍色攝像頭從二色分束鏡捕捉了一個強烈的紅色反射,覆蓋到了直接成像上去。
         
         

        圖5.鬼像輻照度(藍色-上;紅色-下)
         
        總結
        TMT/MOBIE儀器成像模型配置的一個初步雜散光分析已經完成。包括圓頂、望遠鏡和儀器的核心部件的復雜光機模型已經構建。分析表明,雜散光背景由光學表面貢獻主導,特別是來自于儀器視場內的光源。圓頂內部結構對雜散光背景的貢獻在一個相對比較低的水平。
         
        光譜操作模型類似地雜散光分析也已經著手開始。
         
        致謝
        作者非常感謝TMT合作機構支持,它們是加拿大大學天文研究協會(ACURA)、加利福尼亞技術研究所和加州大學。本項工作也受到Gordon和Betty Moore基金會、加拿大創新基金會、Ontario研究和創新部門、加拿大國家研究委員會、加拿大自然科學和工程研究理事會、英國哥倫比亞知識發展基金會,大學天文研究協會(AURA)和美國國家科學基金會的支持。
         
        參考文獻
        [1] Bernstein, R.A., Bigelow, B. C., "An optical design for a wide-field optical spectrograph for TMT," Proc. SPIE 7014, 70141G, (2008).
        [2] Harvey, J. E., "Light scattering characteristics of optical surfaces," Proc. SPIE 0107, 41-47
        (1977).
        [3] Bennett, J., Mattsson, L., [Introduction to Surface Roughness and Scattering], Optical Society of America, (1999).
        [4] Spyak, P., et al, “Scatter from particulate-contaminated mirrors. Parts 1-4,” Optical Engineering, Vol. 31, No. 8, (1992).
        [5] IEST, "IEST-STD-CC1246C: Product cleanliness levels and contamination control program," Institute of Environmental Sciences and Technology/IEST, (2002).
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