阿帕奇天文臺3.5米望遠鏡系統的雜散光分析

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。望遠鏡系統包括3.5米望遠鏡，封裝結構，附帶的成像相機。這個研究的目的是評價這個系統的雜散光性能，確定何處的改變能夠提高系統的離軸排斥特性，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和封裝部件建立了散射模型。我們建立的軟件模型重現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(Point Source Transmittance, PST)，這個參數普遍用來評價雜散光，在這里被用來評價系統在某一離軸角度下的系統雜散光表現，以及指導如何改動以增強系統性能。

 

現有系統觀察面上的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的性能，雜散光分析地位和作用，已經在空間望遠鏡如SIRTF¹和陸地望遠鏡如斯隆數字巡天望遠鏡²(Sloan Digital Sky Survey Telescope)中得到很好的驗證。之前已經對空間系統³和陸地自適應光學系統⁴總結出了一般的方法。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雜和詳細的程度來分析整個系統。這些進步允許直接比較詳細構造的電腦模型產生的焦平面雜散光分析圖像，和實際點光源產生的圖像數據來做比較。這種比較也可以用來驗證復雜的雜散光模型，例如這篇論文中的案例。當前的研究強調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。
 

華盛頓大學希望同時提高阿帕奇天文臺3.5米望遠鏡采用當前結構的雜散光性能，并且評價該望遠鏡與一個廣角相機聯合使用時的性能。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構本身雜散光，以及那些由于結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UWBC的努力，這個項目的第二目標是評估一個廣角系統的離軸散射，以及確保建議的改動不會妨礙廣角系統的性能。這項研究的一個關鍵方面是，要將雜散光看成整個系統的問題，包括望遠鏡，封裝結構，相機和操作室。
 

這項工作有四個階段。第一，建立望遠鏡系統，如圖1-3中簡要顯示。我們使用光學系統的規格，所有用到鍍膜的描述，畫出當前的支撐結構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構的光學性質，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構的頂端。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，我們取到望遠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避特性。這些計算用來確定離軸角度對系統雜散光性能的影響，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計的簡單改動，到完全重新設計擋板系統。第三階段工作的一個重要部分，是評價預備做的改動會對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 轉動部分兩個方向上的視場。對于每個轉動位置，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. 系統幾何結構和散射特性模型

 

為了使分析結果有效，望遠鏡的模型必須準確和包含足夠多的信息。特別的，系統中表面的表面散射特性，包括反射鏡，擋板，系統其它各種面，必須詳細知道。在美國和加拿大的致力于表面散射特性數據庫⁶的工作，提供了很大的幫助，見表面散射性質測量的綜述⁷。光學模型的總結和黑體表面的測量在這個主題的Handbook of Optics 章節⁸中有給出，對于黑擋板表面特別有用。類似，在望遠鏡環境中，必須建立切合實際的反射鏡表面的光學模型。雜散光建模軟件容許選擇簡單的散射模型，或者建立一個更復雜的散射模型，根據特定波長下測量的雙面散射分布函數(BRDF, Bidirectional Reflectance Scatter Distribution Function)。
 

我們建立了望遠鏡系統大概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為底的對數值。
 

由于理想郎伯體的BRDF 對于所有角度都是常數，這個數據表明Aeroglaze 的散射不是郎伯體。數據表現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，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，這個模型在工業中廣泛應用⁹。這個模型是可考的，著名的，而且經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決定；表面暴露在環境中越久，就變得越“臟”。由于望遠鏡鏡面是定期清潔的，我們預期不同的計數時間會有比較大的變化。選擇保守的方法，我們假設粒子的水平為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。

 

3. 使用針孔圖像檢驗模型

 

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，我們轉換月球和木星的坐標到緯度和經度角，然后將這些信息轉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。之前，這種比較和一致程度，要么太難，要么根本無法實現。

圖6

圖7

圖8
 

圖9
 

當前望遠鏡結構的PST 分析
 

PST(Point Source Transmittance，點光源傳遞函數)是常常被用來評價光學系統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字中，方便比較系統和改進。

更詳細一點，PST 是傳輸函數，將焦面上由于雜散光機制產生的照度，與入射孔徑處由一個遠距離點光源的照度聯系起來，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不是很適用。

對于當前望遠鏡PST 的計算，采用如下假設：

1.入射光闌的輻照度為1。由于這出現在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。