大型综合巡天望远镜LSST光学系统的性能分析

"MoV*U2s,   文章来源：Performance and Analysis of the LSST Optical System JGj_{|=:   9?,n +   LSST使用了一个改良的Paul-Baker三反射镜光学设计，包含8.4m的主镜、3.4m的次镜和5m的第二次镜。系统开始向更深、更宽范围以及更快的任务演变。主和第二次级表面的曲率半径很接近保障可以从单个基底制造两个反射镜。这种独特的设计，称为M1M3整料，在操作对准和改进的结构刚度期间，就减少自由度方面为其他环形主面提供了显著的优势。为三反射镜望远镜提供了一个三元屈光校正器，在64cm平坦焦面上、在具有出色成像质量的6个光谱带上产生3.5度全视场。最近的设计优化包括了三个相机镜头的零位补偿检验，产生了更加简单的参数配置，减少了次镜的非球面性。并进行了透镜位移、重力畸变、玻璃质量和制造误差的光学效应的详细分析，表明该系统在工业制造能力以内是很好的。杂散射光分析表明LSST能够实现它的信噪比要求。在反射镜、抗反射和滤波涂层的发展上已经取得进一步的成果，表明系统的吞吐量已经满足了测量的深度要求并超过了滤波抑制要求。 ei\X/Z*q%P   wf|CE410   反射镜测试 d57(#)`   'kH#QO\(e"   第一和第三反射表面将制造成单个镜坯，每个表面适用于光学计量标准。M1和M3之间关系实现是通过同步光学测试、激光跟踪定位和机械偏心测量的组合实现的。 ) &_{m K      f\r$T Nd6   凸状的二级镜面限制为远离一个球面19微米的非球面。在12个子孔径内使用矩阵光学试验可以测量该表面。在试验中具有受限灵敏度的低阶表面误差可以很容易改正。 A: 0] n   HS( <wI   光学设计 /jj@ =H   `Z%XA>   X\1D[n:   在LSST光学设计的中心是一个三反射镜系统，起源于Mersenne-Schmidt族的光学系统，可以在非常宽的视场产生非常好的成像质量。LSST系统添加了一个三元屈光相机来进一步提高成像质量，补偿来自于滤光片和dewer窗口的色差，并且使焦平面平坦。半月形滤光片基板保持光束的远心充满全视场，从而消除在滤光片响应时的任何波长偏移。L3的厚度由需求的应力安全余量决定，可以用作dewar窗口和真空挡板。生成的图像质量在50%处（下曲线）<0.2"，在80%能量环绕处（上曲线）<0.3"横跨整个可视光谱（330-1080Å）。 Xo%Anqk   #y>oCB`EM   +Kf::[wP7   透镜零位校验 h(G&X9*   V{d"cs>9   1d\K{ 7i#   三个屈光元件的每个零位校验作为最终设计优化的一部分。可以通过整个光学系统非球面项的平衡来简化可制造性。最后，L1保持了完全球面光学，L2上非常小的非球面量引起了一个简单的零位校验及M2上非球面性的降低，同样的在L3上添加的非球面性极大的简化了它的零点校验。每个零点校验均是沿着重力的取向实施。通过在它们首选操作取向上校验透镜，可以补偿由重力扭曲导致的1阶光学误差。 /)oxuk&}c   !Id F6 %   杂散&散射光分析 c#HocwP@   V 8n}"   在FRED软件包（Photon Engineering，LLC）中使用非序列光线追迹模型可以完成LSST散射光分析。LSST散射光模型包含了所有光学元件以及结构元件，表现为圆顶（1），望远镜装置（2），和相机组件（3）。每个光学表面赋予微表面粗糙规格及颗粒清洁度，非光学表面赋予Z306 Aeroglaze（涂黑处理）。 "K\Rq+si   wV5<sH__   ,(c="L4[   \2NiI]t]   YmF`7W   关键面的分析是从2个视角分析照明模型元件：1）从探测器，2）从圆顶外部。在前一种情况下，从探测器的角度来看，关键面可以由这些可见元件的主镜 (蓝色)，次镜(绿色)和第二次镜(紫色)来确定。在后一种情况中，通过圆顶开口（红色）照明的任何表面可以标记为关键表面。由两个光线追迹共用的模型元件归类为一阶散射表面。根据目前的设计，在LSST中超过300个这样的表面存在。在全视场上的综合影响是点源透射比的函数，其中最重要的面可以识别出来。减轻这些表面的影响是目前设计的重点。 <m@U`RFm   .S?,%4v%%   8V}c(2m   红色是直射光 蓝色是（主镜）的反射光 绿色是次镜的反射光 紫色是三级镜的反射光 =A!I-@]q<   N#[/h96F   直射：相机，相机内部，圆顶底面，圆顶壁，方位组件，PM-TM交界面 "UAW   从第二次镜：相机外壳，次镜挡板叶片，次镜三脚架 \[>Rt   从次镜：PM单元，方位组件，PM-TM交界面 }:jXl!:V   从主镜：PM单元，主挡板，挡风玻璃板，圆顶内部 rzl2Oj"4   为了清楚，圆顶壁和望远镜结构已经隐藏 0hN c#x6   2l\Oufer"   K} ;uH,   鬼像分析 |=h>3Z=r!   ko, u   屈光元件的二次反射会产生不想要的鬼像。我们已经分析了在LSST光学系统中两表面鬼像的所有组合。在每个透镜表面镀上抗反射涂层，快速f/1.23 LSST光束在鬼像中产生非常低的表面亮度。由滤光片基板（插图，最内层圆）产生的最坏情况鬼像比它的光源弱108倍（22.5倍放大）。远离传感器和L2表面2反射产生的鬼像随着视场角几乎是不变的。这个“瞳孔”的去除将是常规仪器校正图像处理的一部分。 JT_#>',   bjvi`jyL3k   :$}67b)MO   系统吞吐量 ]\_4r)cN<n   ol:_2G2xQ   LSST的六波段系统吞吐量由5个系统元件响应函数的乘积决定。整个系统响应（黑色）组合了大气、光学和传感器QE的函数。在海拔2700m的位置，在平均温度、湿度和压力的条件下使用MODTRAN计算出在智利帕切翁山的大气透射率（蓝色）。透镜-反射镜响应函数（紫色）结合了三个反射镜表面和具有抗反射涂层的六个透镜表面。镜面反射基于混合AL-AG涂层，与双子天文台合作下开发。理想的滤光片响应函数（下）是使用模系设计软件计算的（多层膜）。最终的六波段系统响应是单个响应函数的乘积总和。 nZ%<2   g8qN+Gg   9]7^/g*!   YEZ"BgUnbp   $hEX,   参考： !MGQ+bD6   paul-bake结构可以参考：http://www.telescope-optics.net/paul-baker_telescope.htm

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