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文章來源：A Stray light analysis of the apache point observatory 3.5-Meter telescope system [J]. SPIE,2003, 4842:128-138. R" 5/
主要內(nèi)容：本文針對的是阿帕奇天文望遠鏡，利用光學(xué)工程仿真軟件FRED構(gòu)建了望遠鏡模型，并重現(xiàn)了其真實雜散光情況，證明了我們建立模型的準確性。PST(Point Source Transmittance，點光源傳遞函數(shù))是常常被用來評價光學(xué)系統(tǒng)的雜散光特性的一個量。在這里被用來評價系統(tǒng)在某一離軸角度下的系統(tǒng)雜散光表現(xiàn)，以及指導(dǎo)如何改動以增強系統(tǒng)的性能。 $L AaG65V
Stephen M. Pompea^a, Richard N. Pfisterer^b, and Jeffrey S. Morganc^c b6b mvHD a National Optical Astronomy bservatory, Tucson, Arizona1, b photon Engineering LLC, Tucson, Arizona2,c Depment of Astronomy, University of Washington, Seattle, Washington3 a: iIfdd4' sa#=#0yg 摘要 YM3oqS D }tft@,dIC 阿帕奇天文臺3.5米望遠鏡系統(tǒng)被做過一次雜散光分析，以理解各種不同的成像模式的性能。望遠鏡系統(tǒng)包括3.5米望遠鏡，封裝結(jié)構(gòu)，附帶的成像相機。這個研究的目的是評價這個系統(tǒng)的雜散光性能，確定何處的改變能夠提高系統(tǒng)的離軸排斥特性，以及確定這些改動的有效性。建立了一個詳細的望遠鏡幾何模型，并為這個望遠鏡系統(tǒng)和封裝部件建立了散射模型。我們建立的軟件模型重現(xiàn)了望遠鏡的針孔雜散光圖像，由此驗證了這個模型的準確性。點光源傳遞函數(shù)(Point Source Transmittance, PST)，這個參數(shù)普遍用來評價雜散光，在這里被用來評價系統(tǒng)在某一離軸角度下的系統(tǒng)雜散光表現(xiàn)，以及指導(dǎo)如何改動以增強系統(tǒng)性能。 u):z1b3*? dLD"Cx 現(xiàn)有系統(tǒng)觀察面上的PST 基線幾乎沒有隨著離軸角度的下降。這是由于(1)焦面有一個大的，沒有阻擋的視野，可以看到Nasmyth 透鏡和單元，第一主鏡單元，Nasmyth 單元上的擋板(2)，望遠鏡對觀察面的大角度范圍內(nèi)相對未被阻擋的照明，和(3)未完全封閉的第二及Nasmyth擋板。這些物體產(chǎn)生了一系列一級散射路徑，能夠直接到達焦面。我們減少雜散光的途徑是通過PST的計算來定位光線路徑。我們的計算顯示，通過對望遠鏡系統(tǒng)的簡單改動就可以得到很大的提高。 NxNR;wz>l =zVbZ7 1.介紹 ;Bc f~[ErM
<$UMMA 對于提高望遠鏡和望遠鏡系統(tǒng)的性能，雜散光分析地位和作用，已經(jīng)在空間望遠鏡如SIRTF1和陸地望遠鏡如斯隆數(shù)字巡天望遠鏡2(Sloan Digital Sky Survey Telescope)中得到很好的驗證。之前已經(jīng)對空間系統(tǒng)3和陸地自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)⁴總結(jié)出了一般的方法。最近雜散光分析的進步使得這種方法對于望遠鏡/設(shè)備的分析變得更有效率。⁵當前的電腦分析程序，比如FRED，能夠以前所未有的更復(fù)雜和詳細的程度來分析整個系統(tǒng)。這些進步允許直接比較詳細構(gòu)造的電腦模型產(chǎn)生的焦平面雜散光分析圖像，和實際點光源產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)來做比較。這種比較也可以用來驗證復(fù)雜的雜散光模型，例如這篇論文中的案例。當前的研究強調(diào)高效生成準確的雜散光級別的值，以及描述雜散光在焦面上的空間分別變化。 LN?T$H
?-#w [J'6 華盛頓大學(xué)希望同時提高阿帕奇天文臺3.5米望遠鏡采用當前結(jié)構(gòu)的雜散光性能，并且評價該望遠鏡與一個廣角相機聯(lián)合使用時的性能。建議的相機有一個矩形的FOV ，在3.5-m 望遠鏡上使用時，角度范圍是0.32°x0.80°。此后我們會將這個廣角相機稱作UWBC(UW Big Camera)。 w a<@bub
@WhcY*R2 這篇論文描述了理解當前望遠鏡結(jié)構(gòu)本身雜散光，以及那些由于結(jié)合廣角相機造成的雜散光，的努力過程。這個工作的目的是找到3.5-m 望遠鏡中何處的修改能夠提高離軸規(guī)避特性，并且評價這些修改的有效性。這個工作的主要焦點是提高望遠鏡的離軸性能。但是，鑒于開發(fā)UWBC的努力，這個項目的第二目標是評估一個廣角系統(tǒng)的離軸散射，以及確保建議的改動不會妨礙廣角系統(tǒng)的性能。這項研究的一個關(guān)鍵方面是，要將雜散光看成整個系統(tǒng)的問題，包括望遠鏡，封裝結(jié)構(gòu)，相機和操作室。 7*'_& 0
3tnY K& 這項工作有四個階段。第一，建立望遠鏡系統(tǒng)，如圖1-3中簡要顯示。我們使用光學(xué)系統(tǒng)的規(guī)格，所有用到鍍膜的描述，畫出當前的支撐結(jié)構(gòu)和擋板來建立一個模型。這個模型包括望遠鏡上所有機械結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)，甚至包括觀察平臺，望遠鏡封裝，人行通道，這個人行通道是為了方便到達望遠鏡結(jié)構(gòu)的頂端。人行通道包括一個大的平臺，和相連的在望遠鏡三面的金屬圍欄，大概在望遠鏡指向天頂時的第二主鏡的水平。為了驗證這個望遠鏡模型，我們?nèi)〉酵h鏡的一系列針孔雜散光測量。 "uGJ\
/,Ln)? eD 第二階段是對比我們的電腦模型和軸上的測量，為了理解模型的限制并改進模型。第二階段的工作是建立一個模型，既估計雜散光的平均水平，也要畫出等高圖顯示雜散光的變化，以Seaver Prototype Imaging Camera(SPIcam)的視野來看，這是一種一般用途的CCD相機。它包括一個背照明的SITe 2048x2048 像素設(shè)備，24微米像素，底片尺度0.14弧秒每像素，視場為4.78弧分。評估雜散光水平是用幾個離軸點光源。 Zdh4CNEeFP
wI x Lr{ 第三階段是使用模型評價望遠鏡在不同情況下的雜散光規(guī)避特性。這些計算用來確定離軸角度對系統(tǒng)雜散光性能的影響，并用來提出對望遠鏡的擋板提出修改建議�？紤]的改動建議包括當前設(shè)計的簡單改動，到完全重新設(shè)計擋板系統(tǒng)。第三階段工作的一個重要部分，是評價預(yù)備做的改動會對UWBC 的視場有出什么影響。為了做這種評價，模型評估雜散光UWBC 轉(zhuǎn)動部分兩個方向上的視場。對于每個轉(zhuǎn)動位置，我們計算雜散光水平在建議的擋板改動之前和之后的雜散光水平。這些計算對于感興趣的光源角度是在低分辨率下完成的。 |t]-a%A=w eX?o 4> 2. 系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)和散射特性模型 |YZ`CN<
x18ei@c 為了使分析結(jié)果有效，望遠鏡的模型必須準確和包含足夠多的信息。特別的，系統(tǒng)中表面的表面散射特性，包括反射鏡，擋板，系統(tǒng)其它各種面，必須詳細知道。在美國和加拿大的致力于表面散射特性數(shù)據(jù)庫⁶的工作，提供了很大的幫助，見表面散射性質(zhì)測量的綜述⁷。光學(xué)模型的總結(jié)和黑體表面的測量在這個主題的Handbook of Optics 章節(jié)⁸中有給出，對于黑擋板表面特別有用。類似，在望遠鏡環(huán)境中，必須建立切合實際的反射鏡表面的光學(xué)模型。雜散光建模軟件容許選擇簡單的散射模型，或者建立一個更復(fù)雜的散射模型，根據(jù)特定波長下測量的雙面散射分布函數(shù)(BRDF, Bidirectional Reflectance Scatter Distribution Function)。 lqX]'gu]\
7X|&:V.s| 我們建立了望遠鏡系統(tǒng)大概50個表面的模型，包括組成觀察平臺的灰色油布。最重要的是黑色擋板模型，比如鍍有Aeroglaze Z-306 的那些表面。使用的Aeroglaze Z-306的BRDF模型是基于實際的測量，如圖4顯示。軸上繪的是log₍₁₀₎|sin theta — sin theta₀|，其中theta 和theta₀是從表面法線方向測量的散射和入射角。在y軸上，我們繪出這種鍍膜的BRDF以10為底的對數(shù)值。 }xLwv= Ia
g/` i:= 由于理想郎伯體的BRDF 對于所有角度都是常數(shù)，這個數(shù)據(jù)表明Aeroglaze 的散射不是郎伯體。數(shù)據(jù)表現(xiàn)出增加的前散射分量，意味著在大入射角時會有比較多的能量散射。 c1|o^
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