文章來源：Conceptual Design Phase Stray Light Analysis of the MOBIE Imaging Spectrograph for TMT
簡介
三十米望遠(yuǎn)鏡（Thirty Meter Telescope, TMT）是由美國加州大學(xué)、加州理工學(xué)院、加拿大大學(xué)天文研究聯(lián)盟、日本國立天文臺(tái)、中國國家天文臺(tái)以及印度科技部聯(lián)合參與的21 世紀(jì)地基巨型光學(xué)－紅外天文觀測設(shè)備。TMT的30米口徑的集光面積是當(dāng)前主流10米級大望遠(yuǎn)鏡的十倍，空間分辨率則比哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）提高一個(gè)量級，它將把望遠(yuǎn)鏡靈敏度和空間分辨率等技術(shù)指標(biāo)提高到前所未有的程度，其強(qiáng)大的洞察宇宙的能力必將引發(fā)天文學(xué)研究的飛躍發(fā)展，更清楚地揭示宇宙起源及其物質(zhì)組成、暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)、地外生命與文明的存在等最重要的自然科學(xué)圖景。本文以MOBIE為背景，使用FRED軟件對其雜散光部分進(jìn)行了預(yù)評估。
緒論
寬視場光學(xué)光譜儀(MOBIE)是視覺受限的光學(xué)光譜儀，它是為第一代Thirty Meter
Telescope (TMT)儀器而設(shè)計(jì)的。目前MOBIE儀器處于概念設(shè)計(jì)階段。本文記錄了成像模塊配置中雜散光分析的進(jìn)展。在項(xiàng)目的這一階段雜散光分析的目標(biāo)是提供預(yù)期的雜散光背景的基線評估。為此，我們完成了四個(gè)量的雜散光計(jì)算：
關(guān)鍵物體的識(shí)別
預(yù)估雜散光背景
離軸抑制特性
鬼像的形成
分析基于一個(gè)完整的系統(tǒng)模型（盡管簡化過）的端到端光線追跡，包括帽型圓頂、望遠(yuǎn)鏡光學(xué)器件、支撐結(jié)構(gòu)、MOBIE儀器光學(xué)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(tǒng)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(gè)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(nèi)部主要的雜散光控制機(jī)構(gòu)。反射瞄準(zhǔn)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(lán)色鏡頭部件中。隨后折疊到折射式照相機(jī)裝置中。
圖2 圓頂內(nèi)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(gè)理想的抗反射涂層，在每個(gè)面上反射1%的入射通量。光學(xué)表面被分配了兩個(gè)散射函數(shù)。Harvey2 BSDF模擬了由RMS微粗糙3導(dǎo)致的散射。米散射模型使用一個(gè)IEST-STD-1246D顆粒尺寸分布函數(shù)來模擬由微粒污染4,5導(dǎo)致的散射。非光學(xué)表面的處理從黑漆到光滑的白色而有所不同。
分析結(jié)果
關(guān)鍵/照明物分析表明從視場外部進(jìn)來的光線沒有直接的路徑到達(dá)攝像頭。攝像頭捕捉到在M2和M3附近的望遠(yuǎn)鏡支撐結(jié)構(gòu)、立面軸承和圓頂?shù)装�。所有這些物體由外部光源照明，光線從圓頂?shù)捻敳炕蛘吲帕性趫A頂壁的通風(fēng)口進(jìn)入。
黑色圓頂內(nèi)部，到達(dá)藍(lán)色攝像頭探測器平面的雜散光占整個(gè)光通量的4%。藍(lán)色攝像頭捕捉到來自二色分束鏡的強(qiáng)烈的紅色鬼像反射。忽略這一貢獻(xiàn)，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(dá)探測器平面的雜散光占據(jù)整個(gè)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(xiàn)來自于觀察的傳感器視場內(nèi)的光源。白色圓頂內(nèi)部在兩個(gè)成像路徑上增加了0.3%到散射光背景中。
圖4 PST分析結(jié)果（藍(lán)色-上；紅色-下）
圖4分別顯示藍(lán)色和紅色攝像頭PST曲線的對數(shù)間隔圖。PST分析提供了一種方法來量化望遠(yuǎn)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(nèi)對雜散光背景最顯著的貢獻(xiàn)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(dá)攝像頭，對于儀器視場外部的物體來說，來自望遠(yuǎn)鏡光學(xué)器件和圓頂?shù)纳⑸湔紦?jù)了幾乎所有的雜散光背景。
圖5顯示了來自位于視場內(nèi)部光源方向的攝像頭傳感器平面的對數(shù)間隔鬼像輻照度圖。ADC棱鏡在主圖的上部和下部產(chǎn)生了圖像偽影。藍(lán)色攝像頭從二色分束鏡捕捉了一個(gè)強(qiáng)烈的紅色反射，覆蓋到了直接成像上去。
圖5 鬼像輻照度（藍(lán)色-上；紅色-下）
總結(jié)
TMT/MOBIE儀器成像模型配置的一個(gè)初步雜散光分析已經(jīng)完成。包括圓頂、望遠(yuǎn)鏡和儀器的核心部件的復(fù)雜光機(jī)模型已經(jīng)構(gòu)建。分析表明，雜散光背景由光學(xué)表面貢獻(xiàn)主導(dǎo)，特別是來自于儀器視場內(nèi)的光源。圓頂內(nèi)部結(jié)構(gòu)對雜散光背景的貢獻(xiàn)在一個(gè)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(jīng)著手開始。
致謝
作者非常感謝TMT合作機(jī)構(gòu)支持，它們是加拿大大學(xué)天文研究協(xié)會(huì)（ACURA）、加利福尼亞技術(shù)研究所和加州大學(xué)。本項(xiàng)工作也受到Gordon和Betty Moore基金會(huì)、加拿大創(chuàng)新基金會(huì)、Ontario研究和創(chuàng)新部門、加拿大國家研究委員會(huì)、加拿大自然科學(xué)和工程研究理事會(huì)、英國哥倫比亞知識(shí)發(fā)展基金會(huì)，大學(xué)天文研究協(xié)會(huì)（AURA）和美國國家科學(xué)基金會(huì)的支持。
參考文獻(xiàn)
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