主要內(nèi)容：本文針對(duì)的是阿帕奇天文望遠(yuǎn)鏡，利用光學(xué)工程仿真軟件FRED構(gòu)建了望遠(yuǎn)鏡模型，并重現(xiàn)了其真實(shí)雜散光情況，證明了我們建立模型的準(zhǔn)確性。PST(Point Source Transmittance，點(diǎn)光源傳遞函數(shù))是常常被用來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的雜散光特性的一個(gè)量。在這里被用來(lái)評(píng)價(jià)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(dòng)以增強(qiáng)系統(tǒng)的性能。 ?y/LMja  
Stephen M. Pompea^a, Richard N. Pfisterer^b, and Jeffrey S. Morganc^c  j1~'[  
a National Optical Astronomy bservatory, Tucson, Arizona¹, b photon Engineering LLC, Tucson, Arizona2,c Depment of Astronomy, University of Washington, Seattle, Washington3 uN;]Fv@Z  
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摘要 b[/uSwvi  
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阿帕奇天文臺(tái)3.5米望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)被做過(guò)一次雜散光分析，以理解各種不同的成像模式的性能。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)包括3.5米望遠(yuǎn)鏡，封裝結(jié)構(gòu)，附帶的成像相機(jī)。這個(gè)研究的目的是評(píng)價(jià)這個(gè)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(dòng)的有效性。建立了一個(gè)詳細(xì)的望遠(yuǎn)鏡幾何模型，并為這個(gè)望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的針孔雜散光圖像，由此驗(yàn)證了這個(gè)模型的準(zhǔn)確性。點(diǎn)光源傳遞函數(shù)(Point Source Transmittance, PST)，這個(gè)參數(shù)普遍用來(lái)評(píng)價(jià)雜散光，在這里被用來(lái)評(píng)價(jià)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(dòng)以增強(qiáng)系統(tǒng)性能。 -dyN Ah?=  
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現(xiàn)有系統(tǒng)觀察面上的PST 基線幾乎沒(méi)有隨著離軸角度的下降。這是由于(1)焦面有一個(gè)大的，沒(méi)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(yuǎn)鏡對(duì)觀察面的大角度范圍內(nèi)相對(duì)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(jí)散射路徑，能夠直接到達(dá)焦面。我們減少雜散光的途徑是通過(guò)PST的計(jì)算來(lái)定位光線路徑。我們的計(jì)算顯示，通過(guò)對(duì)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的簡(jiǎn)單改動(dòng)就可以得到很大的提高。 Lk8[fFa4  
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1.介紹 2kfX_RK  
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對(duì)于提高望遠(yuǎn)鏡和望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡如SIRTF¹和陸地望遠(yuǎn)鏡如斯隆數(shù)字巡天望遠(yuǎn)鏡²(Sloan Digital Sky Survey Telescope)中得到很好的驗(yàn)證。之前已經(jīng)對(duì)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(jìn)步使得這種方法對(duì)于望遠(yuǎn)鏡/設(shè)備的分析變得更有效率。⁵當(dāng)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(xì)的程度來(lái)分析整個(gè)系統(tǒng)。這些進(jìn)步允許直接比較詳細(xì)構(gòu)造的電腦模型產(chǎn)生的焦平面雜散光分析圖像，和實(shí)際點(diǎn)光源產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)來(lái)做比較。這種比較也可以用來(lái)驗(yàn)證復(fù)雜的雜散光模型，例如這篇論文中的案例。當(dāng)前的研究強(qiáng)調(diào)高效生成準(zhǔn)確的雜散光級(jí)別的值，以及描述雜散光在焦面上的空間分別變化。 59MpHkr  
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華盛頓大學(xué)希望同時(shí)提高阿帕奇天文臺(tái)3.5米望遠(yuǎn)鏡采用當(dāng)前結(jié)構(gòu)的雜散光性能，并且評(píng)價(jià)該望遠(yuǎn)鏡與一個(gè)廣角相機(jī)聯(lián)合使用時(shí)的性能。建議的相機(jī)有一個(gè)矩形的FOV ，在3.5-m 望遠(yuǎn)鏡上使用時(shí)，角度范圍是0.32°x0.80°。此后我們會(huì)將這個(gè)廣角相機(jī)稱作UWBC(UW Big Camera)。 '$0~PH&  
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這篇論文描述了理解當(dāng)前望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)本身雜散光，以及那些由于結(jié)合廣角相機(jī)造成的雜散光，的努力過(guò)程。這個(gè)工作的目的是找到3.5-m 望遠(yuǎn)鏡中何處的修改能夠提高離軸規(guī)避特性，并且評(píng)價(jià)這些修改的有效性。這個(gè)工作的主要焦點(diǎn)是提高望遠(yuǎn)鏡的離軸性能。但是，鑒于開(kāi)發(fā)UWBC的努力，這個(gè)項(xiàng)目的第二目標(biāo)是評(píng)估一個(gè)廣角系統(tǒng)的離軸散射，以及確保建議的改動(dòng)不會(huì)妨礙廣角系統(tǒng)的性能。這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵方面是，要將雜散光看成整個(gè)系統(tǒng)的問(wèn)題，包括望遠(yuǎn)鏡，封裝結(jié)構(gòu)，相機(jī)和操作室。 qP5'&!s&!  
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這項(xiàng)工作有四個(gè)階段。第一，建立望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，如圖1-3中簡(jiǎn)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(huà)出當(dāng)前的支撐結(jié)構(gòu)和擋板來(lái)建立一個(gè)模型。這個(gè)模型包括望遠(yuǎn)鏡上所有機(jī)械結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)，甚至包括觀察平臺(tái)，望遠(yuǎn)鏡封裝，人行通道，這個(gè)人行通道是為了方便到達(dá)望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的頂端。人行通道包括一個(gè)大的平臺(tái)，和相連的在望遠(yuǎn)鏡三面的金屬圍欄，大概在望遠(yuǎn)鏡指向天頂時(shí)的第二主鏡的水平。為了驗(yàn)證這個(gè)望遠(yuǎn)鏡模型，我們?nèi)〉酵�遠(yuǎn)鏡的一系列針孔雜散光測(cè)量。 I.>SC  
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第二階段是對(duì)比我們的電腦模型和軸上的測(cè)量，為了理解模型的限制并改進(jìn)模型。第二階段的工作是建立一個(gè)模型，既估計(jì)雜散光的平均水平，也要畫(huà)出等高圖顯示雜散光的變化，以Seaver Prototype Imaging Camera(SPIcam)的視野來(lái)看，這是一種一般用途的CCD相機(jī)。它包括一個(gè)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(chǎng)為4.78弧分。評(píng)估雜散光水平是用幾個(gè)離軸點(diǎn)光源。 d:!A`sk7  
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第三階段是使用模型評(píng)價(jià)望遠(yuǎn)鏡在不同情況下的雜散光規(guī)避特性。這些計(jì)算用來(lái)確定離軸角度對(duì)系統(tǒng)雜散光性能的影響，并用來(lái)提出對(duì)望遠(yuǎn)鏡的擋板提出修改建議�？紤]的改動(dòng)建議包括當(dāng)前設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單改動(dòng)，到完全重新設(shè)計(jì)擋板系統(tǒng)。第三階段工作的一個(gè)重要部分，是評(píng)價(jià)預(yù)備做的改動(dòng)會(huì)對(duì)UWBC 的視場(chǎng)有出什么影響。為了做這種評(píng)價(jià)，模型評(píng)估雜散光UWBC 轉(zhuǎn)動(dòng)部分兩個(gè)方向上的視場(chǎng)。對(duì)于每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置，我們計(jì)算雜散光水平在建議的擋板改動(dòng)之前和之后的雜散光水平。這些計(jì)算對(duì)于感興趣的光源角度是在低分辨率下完成的。 $6DA<v^=z  
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2. 系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)和散射特性模型 N<e72x  
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為了使分析結(jié)果有效，望遠(yuǎn)鏡的模型必須準(zhǔn)確和包含足夠多的信息。特別的，系統(tǒng)中表面的表面散射特性，包括反射鏡，擋板，系統(tǒng)其它各種面，必須詳細(xì)知道。在美國(guó)和加拿大的致力于表面散射特性數(shù)據(jù)庫(kù)⁶的工作，提供了很大的幫助，見(jiàn)表面散射性質(zhì)測(cè)量的綜述⁷。光學(xué)模型的總結(jié)和黑體表面的測(cè)量在這個(gè)主題的Handbook of Optics 章節(jié)⁸中有給出，對(duì)于黑擋板表面特別有用。類似，在望遠(yuǎn)鏡環(huán)境中，必須建立切合實(shí)際的反射鏡表面的光學(xué)模型。雜散光建模軟件容許選擇簡(jiǎn)單的散射模型，或者建立一個(gè)更復(fù)雜的散射模型，根據(jù)特定波長(zhǎng)下測(cè)量的雙面散射分布函數(shù)(BRDF, Bidirectional Reflectance Scatter Distribution Function)。 /^\UB fE  
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我們建立了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)大概50個(gè)表面的模型，包括組成觀察平臺(tái)的灰色油布。最重要的是黑色擋板模型，比如鍍有Aeroglaze Z-306 的那些表面。使用的Aeroglaze Z-306的BRDF模型是基于實(shí)際的測(cè)量，如圖4顯示。軸上繪的是log₍₁₀₎|sin theta — sin theta₀|，其中theta 和theta₀是從表面法線方向測(cè)量的散射和入射角。在y軸上，我們繪出這種鍍膜的BRDF以10為底的對(duì)數(shù)值。 Z=.$mFE\  
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由于理想郎伯體的BRDF 對(duì)于所有角度都是常數(shù)，這個(gè)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(shí)會(huì)有比較多的能量散射。 #V-0-n,`  
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反射鏡表面采用綜合的模型，來(lái)代表反射和散射特征。由于望遠(yuǎn)鏡的灰塵沉積速率沒(méi)有被透徹研究，所以我們單獨(dú)檢查反射鏡并具體計(jì)數(shù)，以得到合適的有污染表面散射特性模型。 RQO&F$R=  
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由于缺少特定的信息，我們決定使用MIL-1246B 模型，這個(gè)模型在工業(yè)中廣泛應(yīng)用⁹。這個(gè)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(guò)度估計(jì)粒子的數(shù)量（至少對(duì)于凈室測(cè)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(gè)特定例子。  3PUyua'  
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(yuǎn)鏡鏡面是定期清潔的，我們預(yù)期不同的計(jì)數(shù)時(shí)間會(huì)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(gè)表面在這個(gè)水平時(shí)，是可是視覺(jué)看見(jiàn)的“臟”的程度，但是實(shí)際上只有0.3% 的表面面積被粒子占據(jù)。 M" vd/FV  
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