文章來源：A Stray light analysis of the apache point observatory 3.5-Meter telescope system [J]. SPIE,2003, 4842:128-138.
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。
Stephen M. Pompea^a, Richard N. Pfisterer^b, and Jeffrey S. Morganc^c
a National Optical Astronomy bservatory, Tucson, Arizona¹, b photon Engineering LLC, Tucson, Arizona2,c Depment of Astronomy, University of Washington, Seattle, Washington3
摘要
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。
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。
1.介紹
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
2. 系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)和散射特性模型
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)。
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。
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。
反射鏡表面采用綜合的模型，來代表反射和散射特征。由于望遠鏡的灰塵沉積速率沒有被透徹研究，所以我們單獨檢查反射鏡并具體計數(shù)，以得到合適的有污染表面散射特性模型。
圖1
圖2
圖3
圖4
圖5
由于缺少特定的信息，我們決定使用MIL-1246B 模型，這個模型在工業(yè)中廣泛應(yīng)用⁹。這個模型是可考的，著名的，而且經(jīng)常用于這種類型的研究中。它主要的不足是，(1)常常過度估計粒子的數(shù)量（至少對于凈室測量情況），所以是比較保守的，(2)而且與許多通用模型一樣，它可能不能代表我們這個特定例子。
清潔水平由暴露水平?jīng)Q定；表面暴露在環(huán)境中越久，就變得越“臟”。由于望遠鏡鏡面是定期清潔的，我們預(yù)期不同的計數(shù)時間會有比較大的變化。選擇保守的方法，我們假設(shè)粒子的水平為500；一個表面在這個水平時，是可是視覺看見的“臟”的程度，但是實際上只有0.3% 的表面面積被粒子占據(jù)。
3. 使用針孔圖像檢驗?zāi)Ｐ?/strong>
使用阿帕奇望遠鏡在2001 年1月7號拍攝的針孔圖像用來驗證和對比所用的電腦模型。圖像在望遠鏡的焦面上。與Nasmyth 倍鏡（與焦面距離3.05英寸）軸上距離118.0 英寸，光路上放置一個針孔。在望遠鏡和我們的模型中使用一個400微米的光闌。光路包括主鏡，第二主鏡，Nasmyth 折疊鏡；沒有其它的相機透鏡放在光路中。
月亮和木星，亮度分別為 -12.94 和 -2.7，在觀察中可以看到，被認為是最主要的場外光源。它們代表觀測中的光源。使用觀察過程中的月亮和木星的上升和下降坐標，以及描述望遠鏡的仰角和方位角，我們轉(zhuǎn)換月球和木星的坐標到緯度和經(jīng)度角，然后將這些信息轉(zhuǎn)化為雜散光建模程序能夠理解的形式。
圖6-9顯示了實際和模擬的圖像，望遠鏡圖像標記為en01.009，en01.011，en01.013 和 en01.017。計算機模型與實際的針孔模型圖像匹配的很好。熟練的運用雜散光分析工具，比如Photon Engineering 的 FRED 程序，使得這些比較可以實現(xiàn)。之前，這種比較和一致程度，要么太難，要么根本無法實現(xiàn)。
圖6
圖7
圖8
圖9
當前望遠鏡結(jié)構(gòu)的PST 分析
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。PST 不試圖找出雜散光的來源，而是將所有的雜散光加到一個數(shù)字中，方便比較系統(tǒng)和改進。
更詳細一點，PST 是傳輸函數(shù)，將焦面上由于雜散光機制產(chǎn)生的照度，與入射孔徑處由一個遠距離點光源的照度聯(lián)系起來，即
<FUNTION PST>
這個定義對于有遮蔽或變口徑的光闌也適用。有其它的給予能量比的PST 定義，但是對于有遮蔽的系統(tǒng)不是很適用。
對于當前望遠鏡PST 的計算，采用如下假設(shè)：
1.入射光闌的輻照度為1。由于這出現(xiàn)在PST公式的分母上。
2.焦面直徑為4英寸。這比針孔圖中計算中的要小。對于這些計算，焦面是陣列還是連續(xù)平面不是很重要。
3.標記為"NA 2 Baffle Rot"的直徑為3.08英寸的擋板從模型中被移除。這只在針孔觀察和計算中有用。 |
