بخشی از مقاله
چکیده -
نورهای مزاحم اثرات مخربی بر روی تباین و کیفیت تصویر در سیستمهای اپتیکی دارد. برای کاهش اثرات نورهای مزاحم نیاز به استفاده از ساختارهای مکانیکی است. بعد از طراحی ساختارهای مکانیکی باید اثراتی که این ساختارها در سیستم ایجاد میکنند مشخص شود. هدف از این مطالعه تعیین عملکرد نورهای مزاحم در سیستم تلسکوپ ملی ایران و شناسایی تغییراتی است که ویژگیهای پس زنی برون محوری سیستم را بهبود دهد.
در این مقاله اصول تحلیل نورهای مزاحم با استفاده از نرم افزار زیمکس ارائه میشود. منحنی تراگسیل چشمه نقطهای برای میدانهای مختلف محاسبه و رسم شده است. همچنین کنترل نورهای مزاحم با استفاده از بافل و پرهها برای چندین میدان خاص بررسی شده است. نتایج نشان میدهد برای زوایای خروج از محور بیشتر از 9 درجه تراگسیل به کمتر از 10-5 کاهش یافته است، که برای سیستم مطلوب است.
-1 مقدمه
نورهای مزاحم در سیستمهای اپتیکی به صورت نور از منابع ناخواسته تعریف میشود. برای کنترل نورهای مزاحم در سیستم تلسکوپ بافلها و پرهها طراحی میشوند.[1-3] با استفاده از تحلیل نورهای مزاحم در سیستمهای اپتیکی، تأثیراتی که هرکدام از این ساختارهای مکانیکی در کاهش نورهای مزاحم دارند محاسبه میشود. در این مطالعه تحلیل نورهای مزاحم برای تلسکوپ ملی ایران با استفاده از نرم افزار زیمکس انجام میشود.
در این تحلیل با شناسایی مسیر نور-های مزاحم به سمت صفحه تصویر و محاسبه مقدار تراگسیل چشمه نقطهای - PST - ، برای تعیین عملکرد سیستم تلسکوپ ملی ایران بررسی میشود. برای ردیابی پرتو و تحلیل نتایج به دو بخش کلی نیاز است. ابتدا باید سیستم تلسکوپ با تمام جزئیات وارد شود، سپس برای همه سطوح ویژگیهای پراگندگی مدل شود.
برای انجام تحلیل دقیق باید سیستم به-درستی شبیهسازی شود تا اثرهای نور مزاحم مانند پراکندگی از آینهها و ساختارهای مکانیکی در سیستم تأثیرات درستی داشته باشد. مجموعهای از مدلها برای پراکندگی از آینهها، سطوح مکانیکی و آلایندگی ذرات توسعه یافته است .[4] مدل-های پراکندگی در نرمافزار را میتوان بر اساس رفتار تابع توزیع پراکندگی دو سویه - BSDF - برای هر سطح انتخاب کرد. تعدادی از مدلهای اپتیکی و اندازهگیریهای BSDF برای سطوح مشکی در مرجع [5] بررسی شده است.
-2 تحلیل نورهای مزاحم
در تحلیل نورهای مزاحم پیدا کردن مسیرهای نور مزاحم اهمیت ویژهای دارند. این مسیرها به صورت زیر تفکیک می-شوند. مسیر مرتبه صفر از نورهای مزاحم به صورت مستقیم وارد صفحه تصویر میشود. مسیر مرتبه اول بعد از یک پراکندگی و مسیر مرتبه دوم بعد از دو پراکندگی وارد صفحه تصویر میشود. نیاز است چگونگی انتشار نورهای مزاحم در داخل سیستم مشخص شود.
برای این منظور ردیابی پرتو از صفحه تصویر برای پیدا کردن مسیرهای مرتبه اول، یعنی سطوحی که مستقیماً از صفحه تصویر دیده میشوند که اجرام - سطوح - بحرانی نامیده میشود، اهمیت زیادی دارد. همچنین سطوحی که نور از میدان دید سیستم به آنها برخورد میکند باید مشخص شود. هر سطحی که در این دو لیست قرار دارد مسیر نورهای مزاحم به صفحه تصویر را تشکیل میدهد. با این کار تعیین میشود چه اجسامی داخل سیستم در افزایش نورهای مزاحم مشارکت بیشتری دارند.[6] با انجام این کار برای سیستم تلسکوپ مشخص شده بافل اصلی مشارکت زیادی دارد و حذف آن عملکرد سیستم را بهبود میدهد .[
منبع نورهای مزاحم و GCF ضریب پیکربندی هندسی سیستم است. در یک تحلیل خوب برای حذف نورهای مزاحم با توجه به رابطه - 1 - تنها ترمی که میتواند به صفر برسد GCF است. بنابراین با کار کردن بر روی هندسه سیستم - میدان دید صفحه تصویر - میتوان نورهای مزاحم را کنترل کرد.
-3 تحلیل نورهای مزاحم با استفاده از نرم افزار زیمکس
فرآیند تحلیل نورهای مزاحم در نرم افزار به چهار بخش کلی تقسیم میشود: ایجاد مدل اپتیکی و هندسی، تعریف مشخصات پراکندگی برای تمامی سطوح، ایجاد ساختار مکانیکی در سیستم برای کنترل نورهای مزاحم و تحلیل نتایج. رایجترین معیار ارزیابی در تحلیل نورهای مزاحم تراگسیل چشمه نقطهای - PST - است.
PST به صورت نسبت تابع تابندگی انتقال یافته به صفحه تصویر ناشی از اثرات نور مزاحم به تابندگی در مردمک ورودی تلسکوپ به وسیله یک منبع نقطهای است. در واقع PST نمی-تواند منابع نورهای مزاحم را شناسایی کند، در عوض همهی اثرات نورهای مزاحم را به صورت یک مقدار عددی ترکیب میکند. بنابراین با مقایسه آن در سیستمهای متفاوت میتوان عملکرد سیستم را شناسایی کرد.
1؛-1 ایجاد مدل
برای مدل کردن تلسکوپ اولین گام تشکیل سیستم اپتیکی است. گام بعد ایجاد هندسه مکانیکی شامل بافل، پره و دیگر ساختارها است. برخی از این ساختارها مانند بافل اغلب در داخل نرم افزار زیمکس طراحی میشود و در برخی موارد لازم به طراحی این ساختارها در نرم افزارهای مکانیکی و وارد کردن از طریق یک فایل با فرمت IGES، STEP، SAT و STL هستیم. مشخصات تلسکوپ ملی ایران بر حسب میلی متر در جدول 1 داده شده است. میدان دید تلسکوپ 20 دقیقه است. R شعاع، D قطر، K ثابت مخروطی - conic constant - برای آینهها است.
جدول :1 مشخصات تلسکوپ ملی ایران
در شکل 1 مدل تلسکوپ ملی ایران با بافل در زیمکس طراحی شده است. در این شکل ردیابی پرتو با زاویه 4 درجه نسبت به محور اپتیکی انجام شده است.
شکل : 1 طرح اپتیکی تلسکوپ ملی ایران با بافل و ردیابی پرتو.
2؛-1 تعیین ویژگیهای اپتیکی سطوح
ویژگیهای سطح به وسیله جذب، بازتاب آینهای و پراکندگی تعریف میشود. بهترین روش توصیف پراکندگی با تابع توزیع پراکندگی دو سویه BSDF است . در تحلیل نورهای مزاحم نیاز به انتخاب BSDF برای سطوح مکانیکی و اپتیکی داریم. این تابع در یک طول موج خاص برای زاویه فرود معلوم و بازتاب معلوم، پراکندگی را توصیف میکند. که به صورت درخشندگی پراکنده شده از سطح، بهنجار شده به تابندگی فرودی روی سطح، تعریف میشود. برای مدل کردن پراکندگی از سطوح در زیمکس مدل ABg را در نظر میگیریم. این مدل به دلیل استفاده از این سه پارامتر در مدل کردن تابع توزیع بازتاب دو سویه BRDF، ABg نامیده میشود. که با رابطه زیر داده شده است.
شکل : 2 طرح مدل .BRDF
با توجه به شکل 2 در رابطه بالا تصویر بردار یکه پراکنده شده r بر روی سطح و 0 تصویر بردار یکه r0 در جهت بازتاب آینهای بر روی سطح است. پارامترها برای مدل هر سطح در جدول 2 مشخص شده است.[8]
جدول : 2 پارامترهای سطح.
3؛-1 ایجاد موانع و تحلیل
الف - بافل: در تلسکوپهای کاسگرین نورهای مزاحم مستقیماً به صفحه تصویر برخورد میکنندمعمولاً. برای حذف نورهای مستقیم به صفحه تصویر بافل برای آینه اولیه و ثانویه به سیستم تلسکوپ اضافه میشود. بافل باید به صورتی طراحی شود که مانع پرتوهای تصویر ساز از داخل میدان دید سیستم نشود. پارامترهای بافل اولیه و ثانویه طراحی شده برای تلسکوپ ملی ایران در جدول 3 نشان داده شده است.
برای کاهش نورهای مزاحم حاصل از پراکندگی، مدل پراکندگی از سطوح مشکی برای سطوح بافل انتخاب شده است. در شکل 3 نمودار لوگاریتم PST بر حسب میدان دید - FOV - برای بافل آینه اولیه به دو شکل استوانهای و مخروطی نشان داده شده است. محاسبه PST برای سیستم تلسکوپ ملی ایران در نرم افزار زیمکس با ردیابی دو میلیون پرتو و در نظر گرفتن پراکندگی، شکسته شدن پرتو - - Split Rays و قطبش انجام شده است.
