FRED应用：TMT MOBIE成像光谱仪的概念设计阶段杂散光分析

文章来源：Conceptual Design Phase Stray Light Analysis of the MOBIE Imaging Spectrograph for TMT

 

简介

三十米望远镜（Thirty Meter Telescope, TMT）是由美国加州大学、加州理工学院、加拿大大学天文研究联盟、日本国立天文台、中国国家天文台以及印度科技部联合参与的21 世纪地基巨型光学－红外天文观测设备。TMT的30米口径的集光面积是当前主流10米级大望远镜的十倍，空间分辨率则比哈勃空间望远镜（HST）提高一个量级，它将把望远镜灵敏度和空间分辨率等技术指标提高到前所未有的程度，其强大的洞察宇宙的能力必将引发天文学研究的飞跃发展，更清楚地揭示宇宙起源及其物质组成、暗物质和暗能量的本质、地外生命与文明的存在等最重要的自然科学图景。本文以MOBIE为背景，使用FRED软件对其杂散光部分进行了预评估。

 

绪论

宽视场光学光谱仪(MOBIE)是视觉受限的光学光谱仪，它是为第一代Thirty Meter

Telescope (TMT)仪器而设计的。目前MOBIE仪器处于概念设计阶段。本文记录了成像模块配置中杂散光分析的进展。在项目的这一阶段杂散光分析的目标是提供预期的杂散光背景的基线评估。为此，我们完成了四个量的杂散光计算：

 关键物体的识别

 预估杂散光背景

 离轴抑制特性

 鬼像的形成

 

分析基于一个完整的系统模型（尽管简化过）的端到端光线追迹，包括帽型圆顶、望远镜光学器件、支撑结构、MOBIE仪器光学器件和外壳。

 

 

图1.完整的TMT-MOBIE杂散光分析模型

 

TMT-MOBIE几何模型

端到端系统模型如图2所示（隐藏了圆顶壁）。MOBIE仪器的成像模块配置如图3所示。一对大气色散校正（ADC）棱镜刚好位于视场光阑孔径的前面。视场光阑是一个弯曲的掩膜，与TMT焦面的曲率相匹配，且传输5.4±2.1弧分×±4.8弧分的矩形视场。视场光阑是仪器内部主要的杂散光控制机构。反射瞄准仪（MC-1）沿着视场光阑。二色分束镜透射和反射光线到红色和蓝色镜头部件中。随后折叠到折射式照相机装置中。

 

图2.圆顶内部 简化的模型只包含可能被MOBIE仪器看到的元件

 

图3.MOBIE仪器模型

 

表面属性指定 

反射镜表面具有一层铝涂层，平均反射率在90%。透镜表面具有一个理想的抗反射涂层，在每个面上反射1%的入射通量。光学表面被分配了两个散射函数。Harvey2 BSDF模拟了由RMS微粗糙3导致的散射。米散射模型使用一个IEST-STD-1246D颗粒尺寸分布函数来模拟由微粒污染4,5导致的散射。非光学表面的处理从黑漆到光滑的白色而有所不同。

 

分析结果

关键/照明物分析表明从视场外部进来的光线没有直接的路径到达摄像头。摄像头捕捉到在M2和M3附近的望远镜支撑结构、立面轴承和圆顶底板。所有这些物体由外部光源照明，光线从圆顶的顶部或者排列在圆顶壁的通风口进入。

 

黑色圆顶内部，到达蓝色摄像头探测器平面的杂散光占整个光通量的4%。蓝色摄像头捕捉到来自二色分束镜的强烈的红色鬼像反射。忽略这一贡献，背景减小为3.2%。散射光背景占2.8%。对于红色摄像头，在相同的条件下，到达探测器平面的杂散光占据整个光通量的3.7%。散射光背景是总的光通量的3.3%。大部分贡献来自于观察的传感器视场内的光源。白色圆顶内部在两个成像路径上增加了0.3%到散射光背景中。

 

图4.PST分析结果（蓝色-上；红色-下）

 

图4分别显示蓝色和红色摄像头PST曲线的对数间隔图。PST分析提供了一种方法来量化望远镜和仪器的视场之外的抑制特性。图上的注解表明在显示的角度范围内对杂散光背景最显著的贡献者。需要注意的最重要的特征是，仪器视场外没有直接镜像路径到达摄像头，对于仪器视场外部的物体来说，来自望远镜光学器件和圆顶的散射占据了几乎所有的杂散光背景。

 

图5显示了来自位于视场内部光源方向的摄像头传感器平面的对数间隔鬼像辐照度图。ADC棱镜在主图的上部和下部产生了图像伪影。蓝色摄像头从二色分束镜捕捉了一个强烈的红色反射，覆盖到了直接成像上去。

 

 

图5.鬼像辐照度（蓝色-上；红色-下）

 

总结

TMT/MOBIE仪器成像模型配置的一个初步杂散光分析已经完成。包括圆顶、望远镜和仪器的核心部件的复杂光机模型已经构建。分析表明，杂散光背景由光学表面贡献主导，特别是来自于仪器视场内的光源。圆顶内部结构对杂散光背景的贡献在一个相对比较低的水平。

 

光谱操作模型类似地杂散光分析也已经着手开始。

 

致谢

作者非常感谢TMT合作机构支持，它们是加拿大大学天文研究协会（ACURA）、加利福尼亚技术研究所和加州大学。本项工作也受到Gordon和Betty Moore基金会、加拿大创新基金会、Ontario研究和创新部门、加拿大国家研究委员会、加拿大自然科学和工程研究理事会、英国哥伦比亚知识发展基金会，大学天文研究协会（AURA）和美国国家科学基金会的支持。