verbetering van de resolutie van de telescoop met behulp van een diffractieve fasemodulator

simulatie van DOE in reflecterende telescoop

De meeste telescopen hebben meerdere lenzen in brandpuntsvlak, zoals de Smyth-lens of de Barlow-lens. Deze lenzen worden gebruikt als veldflitsen en aberratiecorrectie27, 28. Freeform lenzen zijn ontworpen om de resolutie van telescopen te verbeteren29. Echter, deze lenzen zijn dik en zwaar, en de sag van vrije vorm lens is over het algemeen moeilijk voor fabricage als gevolg van de hoge orde niet-lineaire termijn van de sag vergelijking. Platte DOE is dun, licht, en beroemd om zijn grote vermogen om het vormen en homogeniseren van de lichtbundel. Alle bovengenoemde karakters maken DOE een geschikt element voor golffront correctie. Ten eerste, omdat reflecterende telescoop de meest voorkomende astronomische telescoop is, gebruiken we een Cassegrain telescoop model als de initiële structuur van het systeem . We voegen ook een achromatische lens (L1 en L2) en een Smyth lens (L3) toe als oculair van het systeem om de aberratie van het systeem te corrigeren. Nadat we het systeem hebben geoptimaliseerd, heeft de eerste spiegel een straal van -1200 mm en de kegelsnede is -1.038, de tweede spiegel heeft een straal van -394.737 mm en de kegelsnede is -3.004. Het in ons systeem gesimuleerde oogstuk bestaat uit twee lenzen, de eerste lens is van 5 mm N-PSK53 met een straal van 225.038 mm en -1940.972 mm. de tweede lens is van 5 mm SF1 met een straal van 11970 mm en 457.65 mm. De vlekstraal van het centrale gezichtsveld (GV) bereikt 1,4 µm en de Seidel-coëfficiënten van het systeem (S1, S2, S3, S4) liggen allemaal onder 10-3, de vlekstraal en de modulate transfer function (MTF) van het systeem zijn weergegeven in Fig. 1, onder b).

Figuur 1
figure1

De prestaties van DOE in een geoptimaliseerde Cassegrain telescoop (a) Schematische weergave van de telescoop, er zijn twee reflecterende spiegels (M1 en M2) als de objectief lenzen, twee achromatische lenzen (L1 en L2) en een Smyth lens (L3) als het oculair van de telescoop. b) de MTF en het spotdiagram van het systeem. De inhoud in het vak rechtsboven is de legende van de MTF-curves, de streepjeslijnen vertegenwoordigen de MTF-curves na het toepassen van de DOE. Rood, groen en blauw vertegenwoordigen drie golflengten van 486 nm, 587 nm en 656 nm in de rechterbovenhoek spot diagram respectievelijk en ⋇ betekent het effect na het toepassen van de DOE. c) de doorsnede van de oppervlakteverzakking van de DOE in dit systeem.

figuur 1(A) toont het gesimuleerde optische pad van de reflecterende telescoop, waarbij de hoek van het invallende licht, vergroot door objectieve lens (M1 en M2), door twee lenzen (L1 en L2) gaat om de sferische, coma-en astigmatische aberratie te wijzigen. In de buurt van het beeldvlak wordt een 3 mm dikke lens gebruikt om het veld te plateren en de vervorming en krommingafwijkingen te corrigeren die door het vorige systeem worden veroorzaakt. Seidel aberratiecoëfficiënten van het beeldvlak zijn 0,000396(S1), 0,000104(S2), -0.000014(S3), 0,000235 (S4) en -0.014364(S5). De MTF curves zijn weergegeven in Fig. 1 (b) zoals de rechte lijn en het vlekdiagram wordt getoond in de eerste rij van vlekdiagram aan de bovenkant van Fig. 1, onder b). De resolutie van het systeem is goed genoeg voor praktische detectie. Om de prestaties van de DOE te testen, vervangen we L3 door een 0.1 mm dikke DOE. De oppervlaktesage van het binaire element dat we gebruiken zijn:

$$Z(r)=\frac{M\lambda }{2\pi (n-\mathrm{1)}}(\sum _{i=1}^{N}{A}_{i}\frac{{r}^{2i}}{\rho }\,mod\,2\pi )$$
(1)

waarbij Z de hoogte van de sag is, r de straal van de sag, λ de golflengte van het invallende licht, n de brekingsindex, m de diffractieorde, n het aantal termen, ρ de genormaliseerde radiale apertuurcoördinaat en ai de I-coëfficiënt op de i-de veelterm, mod betekent modulo-werking. In deze simulatie is M gelijk aan 1. λ is gelijk aan 550 nm, N is gelijk aan 2, n is gelijk aan 1,49 en A1 is gelijk aan -390,993, A2 is gelijk aan 118,548 met de genormaliseerde straal ρ is gelijk aan 17,397 mm. 1, onder c). Zoals we in deze afbeelding kunnen zien, benaderen de MTF-krommen van het oorspronkelijke systeem de diffractiegrens wanneer de Veldhoek 0°nadert. Terwijl nadat we de DOE in dit systeem hebben toegepast, de MTF-krommen in alle FOV ‘ s stijgen en de toename extreem duidelijk is in off-axis veldhoeken. De rode gestreepte lijn in Fig. 1 (b) is blijkbaar hoger dan de rechte rode lijn. Uit het spotdiagram op het bovenste deel van Fig. 1 (b), kunnen wij ook zien dat het originele systeem tot een goed niveau wordt geoptimaliseerd, en Hin krimpt het vlekdiagram en vermindert de chromatische aberratie in een verdere stap, is de vlekstraal van 0.5 0.5° kleiner dan die van 0.5°. Seidel coëfficiënten van het systeem met DOE zijn 0,000331(S1), 0,000015(S2), -0.000082(S3), 0,000052 (S4) en -0.014528(S5), de sferische aberratie, coma en veldkromming zijn sterk verminderd.

DOE in Kepler telescoop

simulatie

We controleren ook de prestaties van de DOE in een eenvoudige Kepler telescoop als een proof-of-principle experiment. De DOE wordt gegeven als aberratie compensatie element in het brandpuntsvlak van de telescoop. De systeemindeling wordt weergegeven in Fig. 2.

Figuur 2
figure2

de schematische weergave van het refractieve telescoopsysteem, van links naar rechts, is de micro-objectief, pinhole, collimatorlens (L1), kalibratiedoel van de telescoop (L2), doe, oculair van de telescoop (L3) en een CCD.

het invallende licht (532 nm) gaat door het microobjectief en het pinhole om een puntlichtbron te worden, waarna een lens dient als collimator om parallel licht te genereren. De parallelle lichtbundel in de telescoop over een kalibratiedoel. We gebruiken twee plano-convexe lenzen als objectief en oculair van de telescoop, en een DOE wordt geplaatst in het brandpunt van de telescoop om het golffront te kalibreren. Ten slotte vangt een CCD het opkomende licht. De straal van de objectief lens is 156 mm met een diameter van 76,2 mm en de straal van de oculair lens is 31 mm met een diameter van 30 mm, het materiaal van de lenzen zijn zowel BK7 en de hoekvergroting van dit systeem is 5. Door de verstrooiing en het strooilicht van het systeem is de geometrische vlekstraal van het gesimuleerde systeem 8 mm wanneer de diameter van de instappupil 68,58 mm is, bovendien zijn de MTF-krommen extreem laag, zoals weergegeven in Fig. 3, onder b). Wanneer we een DOE-lens in het brandpuntsvlak toevoegen, wordt de geometrische vlekstraal met dezelfde ingangspupil verkleind tot 0,174 mm en liggen de MTF-krommen veel dichter bij de diffractiebeperking . De S1 van de Seidel-coëfficiënten daalt van 0,184 naar 0,163. De sag-vergelijking is dezelfde als in de Cassegrain-telescoop, terwijl λ gelijk is aan 532 nm, ρ gelijk is aan 3.574 mm.

Figuur 3
figure3

(a) het spotdiagram van het systeem voor (links) en na (rechts) het DOE toepassen. (b) de MTF van het systeem, de blauwe lijn is de MTF van de diffractie van het systeem; gele streeplijn en rode lijn zijn de MTF met en zonder de DOE.

fabricage en experimenten

Voor het gemak van fabricage kiezen we N is gelijk aan 2 en A1 is gelijk aan -349.179, A2 is gelijk aan 396.199, wat aangeeft dat de hoogste orde van de sag vier is. De Zaag van de hinde wordt weergegeven in Fig. 4, onder a). Het sag oppervlak bestaat uit twee delen, in het midden van de DOE is een convexe sag en de zijkant van de DOE heeft een concave vorm. De verandering van de sag is aangepast aan de on-as en off-as aberratie in dit systeem. Gezien de moeilijkheid van fabricage, kiezen we PMMA als het materiaal van DOE. De invallende golflengte is 632,8 nm en de brekingsindex van PMMA in de golflengte is 1,49. De dikte van het oppervlak is 1,09 µm. We gebruiken nanolathe om het oppervlak te fabriceren en voegen een 5 mm dikke PMMA toe als substraat om het element vast te klemmen bij het fabriceren van het oppervlak. Gefabriceerde DOE en de meetresultaten zijn weergegeven in Fig. 4. De monsters (diameter 7,1 mm) werden gefabriceerd op een PMMA-substraat (brekingsindex n = 1,49) bij een maximale afstemmingsdiepte van 1,09 µm door nano-draaibank. de kinetische nauwkeurigheid van de draaibankrail is 10 nm. Van Fig. 4 (c, d), kunnen we opmerken dat de grootte van de DOE klein is en het gewicht ervan 0,26 g is. Uit het meetresultaat kunnen we zien dat de door nanolathe verwerkte sag van PMMA een goede overeenkomst met de simulatie laat zien. Er is geen noemenswaardige stap op verschillende radius, dus de diffractie-efficiëntie blijft op een hoog niveau.

Figuur 4
figure4

(a) de dwarsdoorsnede van de oppervlakteverzakking van de DOE. (b) is het praktijkbeeld van de hinde samengesteld uit PMMA. (c) is het beeld van de DOE in een omgekeerde microscoop. (d) het meetresultaat is van de middelste sag van de DOE met behulp van een oppervlakteprofiel (de breedte van het raster is 100 µm en de hoogte van het raster is 100 nm).

we gebruiken dit PMMA-element in het brandpuntsvlak van de telescoop en de resultaten worden weergegeven in Fig. 4. In dit experiment is het kalibratiedoel dat in dit systeem wordt gebruikt ongeveer 4 mm en de spleet tussen de zwarte strepen ongeveer 0,3 mm, die in Fig. 5 a). Uit het beeld dat door CCD is vastgelegd, kunnen we zien dat het beeld van het kalibratiedoel niet te onderscheiden is na vergroting door het telescoopsysteem. Bovendien zijn de gaten tussen de strepen volledig onopgelost op het beeldvlak van het systeem. Echter, na het aanbrengen van de hinde in het brandpunt vlak , de horizontale strepen in het middelste veld zijn duidelijk en de andere strepen zijn ook te onderscheiden. De kloof tussen elke streep is oplosbaar, wat betekent dat de resolutie van het systeem is opmerkelijk verbeterd. Echter, vervorming verscheen als de afbeelding wordt duidelijk na het invoegen van de DOE.

Figuur 5
figure5

Het experimentele resultaat van het beeld van de telescoop systeem, (a) is de kalibratie doel en de achtergrond cirkel is de locatie gat van de optische tafel, waarvan de diameter is 8 mm, het blauwe vierkant vertegenwoordigt het gebied van (b,c), het rode plein vertegenwoordigt het gebied van (d,e). (b, d) zijn de afbeeldingen zonder de DOE en (c,e) zijn de afbeeldingen na het gebruik van de DOE.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.