C.F. Claver (NOAO), L. Seppala (LLNL), M. Liang (NOAO), K. Gilmore (SLAC), W. Gressler (NOAO), V. Krabbendam (NOAO), D. Niell (NOAO), S. Oliver (LLNL), J. Sebag (NOAO) and the LSST Collaboration

 

文章來源：Performance and Analysis of the LSST Optical System 

文章翻譯：訊技光電科技(上海)有限公司 http://www.infotek.com.cn/html/17/20161101753.html

 

LSST使用了一個改良的Paul-Baker三反射鏡光學設計，包含8.4m的主鏡、3.4m的次鏡和5m的第二次鏡。系統開始向更深、更寬范圍以及更快的任務演變。主和第二次級表面的曲率半徑很接近保障可以從單個基底制造兩個反射鏡。這種獨特的設計，稱為M1M3整料，在操作對準和改進的結構剛度期間，就減少自由度方面為其他環形主面提供了顯著的優勢。為三反射鏡望遠鏡提供了一個三元屈光校正器，在64cm平坦焦面上、在具有出色成像質量的6個光譜帶上產生3.5度全視場。最近的設計優化包括了三個相機鏡頭的零位補償檢驗，產生了更加簡單的參數配置，減少了次鏡的非球面性。并進行了透鏡位移、重力畸變、玻璃質量和制造誤差的光學效應的詳細分析，表明該系統在工業制造能力以內是很好的。雜散射光分析表明LSST能夠實現它的信噪比要求。在反射鏡、抗反射和濾波涂層的發展上已經取得進一步的成果，表明系統的吞吐量已經滿足了測量的深度要求并超過了濾波抑制要求。

 

反射鏡測試
 

第一和第三反射表面將制造成單個鏡坯，每個表面適用于光學計量標準。M1和M3之間關系實現是通過同步光學測試、激光跟蹤定位和機械偏心測量的組合實現的。

  

凸狀的二級鏡面限制為遠離一個球面19微米的非球面。在12個子孔徑內使用矩陣光學試驗可以測量該表面。在試驗中具有受限靈敏度的低階表面誤差可以很容易改正。

 

光學設計

 

 

在LSST光學設計的中心是一個三反射鏡系統，起源于Mersenne-Schmidt族的光學系統，可以在非常寬的視場產生非常好的成像質量。LSST系統添加了一個三元屈光相機來進一步提高成像質量，補償來自于濾光片和dewer窗口的色差，并且使焦平面平坦。半月形濾光片基板保持光束的遠心充滿全視場，從而消除在濾光片響應時的任何波長偏移。L3的厚度由需求的應力安全余量決定，可以用作dewar窗口和真空擋板。生成的圖像質量在50%處（下曲線）<0.2"，在80%能量環繞處（上曲線）<0.3"橫跨整個可視光譜（330-1080?）。

 

 

透鏡零位校驗
 

 

三個屈光元件的每個零位校驗作為最終設計優化的一部分。可以通過整個光學系統非球面項的平衡來簡化可制造性。最后，L1保持了完全球面光學，L2上非常小的非球面量引起了一個簡單的零位校驗及M2上非球面性的降低，同樣的在L3上添加的非球面性極大的簡化了它的零點校驗。每個零點校驗均是沿著重力的取向實施。通過在它們首選操作取向上校驗透鏡，可以補償由重力扭曲導致的1階光學誤差。

 

雜散&散射光分析
 

在FRED軟件包（Photon Engineering，LLC）中使用非序列光線追跡模型可以完成LSST散射光分析。LSST散射光模型包含了所有光學元件以及結構元件，表現為圓頂（1），望遠鏡裝置（2），和相機組件（3）。每個光學表面賦予微表面粗糙規格及顆粒清潔度，非光學表面賦予Z306 Aeroglaze（涂黑處理）。

 

 

關鍵面的分析是從2個視角分析照明模型元件：1）從探測器，2）從圓頂外部。在前一種情況下，從探測器的角度來看，關鍵面可以由這些可見元件的主鏡 (藍色)，次鏡(綠色)和第二次鏡(紫色)來確定。在后一種情況中，通過圓頂開口（紅色）照明的任何表面可以標記為關鍵表面。由兩個光線追跡共用的模型元件歸類為一階散射表面。根據目前的設計，在LSST中超過300個這樣的表面存在。在全視場上的綜合影響是點源透射比的函數，其中最重要的面可以識別出來。減輕這些表面的影響是目前設計的重點。

 

 

紅色是直射光 藍色是（主鏡）的反射光 綠色是次鏡的反射光 紫色是三級鏡的反射光

 

直射：相機，相機內部，圓頂底面，圓頂壁，方位組件，PM-TM交界面

從第二次鏡：相機外殼，次鏡擋板葉片，次鏡三腳架

從次鏡：PM單元，方位組件，PM-TM交界面

從主鏡：PM單元，主擋板，擋風玻璃板，圓頂內部

 

為了清楚，圓頂壁和望遠鏡結構已經隱藏

 

 

鬼像分析
 

屈光元件的二次反射會產生不想要的鬼像。我們已經分析了在LSST光學系統中兩表面鬼像的所有組合。在每個透鏡表面鍍上抗反射涂層，快速f/1.23 LSST光束在鬼像中產生非常低的表面亮度。由濾光片基板（插圖，最內層圓）產生的最壞情況鬼像比它的光源弱108倍（22.5倍放大）。遠離傳感器和L2表面2反射產生的鬼像隨著視場角幾乎是不變的。這個“瞳孔”的去除將是常規儀器校正圖像處理的一部分。

 

 

系統吞吐量
 

LSST的六波段系統吞吐量由5個系統元件響應函數的乘積決定。整個系統響應（黑色）組合了大氣、光學和傳感器QE的函數。在海拔2700m的位置，在平均溫度、濕度和壓力的條件下使用MODTRAN計算出在智利帕切翁山的大氣透射率（藍色）。透鏡-反射鏡響應函數（紫色）結合了三個反射鏡表面和具有抗反射涂層的六個透鏡表面。鏡面反射基于混合AL-AG涂層，與雙子天文臺合作下開發。理想的濾光片響應函數（下）是使用模系設計軟件計算的（多層膜）。最終的六波段系統響應是單個響應函數的乘積總和。

 

 

 

 

參考：

paul-bake結構可以參考：http://www.telescope-optics.net/paul-baker_telescope.htm