Аналіз паразитного світла. Частина 2

В першій частині ми обговорили радше теоретичний аспект розсіяного світла. В цій частині мова буде йти про те як охарактеризувати і як зарадити паразитному світлу.

Глушителі паразитного світла (baffles)

Телескоп має 4 такі глушителі. Два з них є вирізані в тілі телескопу, а два інших є зовнішні.

Ті, що внутрішні є досить важливими, у контролі розсіяного світла. Вони отримуються свердлінням у тілі телескопу і утворений об'єм заливається чорною краскою. Оскільки поверхні свердління є важкодосяжними, оптична обробка поверхонь є усладненою. Тому я очікую досить значне розсіяння з цих поверхонь.

Тим не менш, фактично єдиний параметр, що характеризує ці два глушителі є їх глибина. Глибина глушителя у М1 дзеркалі є 20мм, а глубина глушителя навколо М2 дзкркала є 3мм. Товщина стінки обох є 1.5 мм. Чим тонша стінка, тим краще, але я очікую, що тут є можливим певне технологічне обмеження на мінімальну товщину.

Далі йдуть зовнішні глушителі: головний глушитель (main baffle) навколо апертури телескопу і допоміжний (a la "cold shield") біля детектора.

Проектування глушителя це не rocket science. Він має кілька основних параметрів, як от довжина, діаметр, а все інше -- це допоміжне. Чим більше діаметр глушителя, тим більший кут незатемненого поля зору. Наприклад, уявіть що діаметр бочки глушителя рівний діаметру головного дзеркала. Тоді телескоп може дивитись тільки прямо. Огляд на будь-який кут відмінний від нуля матиме затемнення через глушитель. Знову ж таки, чим довший глушитель, тим менший кут падіння паразитного світла на головне дзеркало (див малюнок знизу).

У своєму дизайні я обрав D/d=1.5, а довжина є такою, що лінія яка з'єднує кінець телескопа і край дзеркала (позначає максимальний кут на малюнку) торкається також краю М2 дзеркала.

Окрім цього, глушитель має також лопатки в середині. Обрахувати їх положення доволі просто:

Тут щоразу на дзеркало дивиться неосвітлена чатина глушителя, а освітлена перебуває в тіні лопатки. При обрахунку для нашого випадку, потрібно взяти до уваги, що зовнішня стінка тіла телескопу є частиною глушителя.

Так само обраховується і глушитель поблизу детектора. Вреші модель виглядає ось так:

Характеризування паразитного світла

Характеризування паразитного світла залежить від використання приладу. Тут я опишу деякі найбільш вживані.

Передача точкового джерела

Передача точнового джерела (point source transmittance) це відношення всієї енергій отриманої детектором до енергії що входить в систему за певного кута. Наприклад, для нашого телескопу ця характеристика виглядає ось так:

Допоки у FRED нема автоматичної функції обрахунку PST, тому треба писати скрипт. Аби робити якісний аналіз, без скриптів у FRED не обійтись. Ось мій скрипт:

'#Language "WWB-COM"

Option Explicit
Dim Ipower As Double
Dim i As Double
Dim num, arnid As Long
Dim theta, phi As Double
Dim x,y,z As Double
Sub Main

    DeleteRays()
    ARNDeleteAllNodes()
    ClearOutputWindow()
    EnableTextPrinting(False)

    Dim nSrc As Long
    nSrc = FindFullName("Optical Sources.SEA source")

    Dim anaNode As Long
    anaNode = FindFullName( "Analysis Surface(s).Detector Analysis" )

    theta=DegToRad(0)
    phi=DegToRad(0)

For i=0 To 300
	phi=DegToRad(i/5)
	SetSourceDirection nSrc, Cos(theta)*Sin(phi),Sin(theta)*Sin(phi),Cos(phi)
    	TraceCreate()
	num = IrradianceToARN(anaNode,"Irradiance",arnid)
	Ipower = ARNComputeTotalPower( arnid )

	EnableTextPrinting(True)
	Print RadToDeg(phi) & Chr(9)  & Ipower
	EnableTextPrinting(False)
	ARNDelete( arnid )
	DeleteRays()
Next i

End Sub

Він простенький: змінює кут джерела, запускає моделювання і в кінці вимірює потужність на детекторі.

В нашому випадку, я не бачу чогось надзвичайного у цій характеристиці, але наведу приклад з проблемою, яку можна виявити цим методом.

На малюнку ми спостерігаємо зростання PST на кутах 8-18 градусів для поганої конфігурації глушителів. Це спричинено прямим шляхом паразитно світла до детектора як от це проілюстровано на малюнку знизу:

Ця проблема вирішується подовженням або встановленням додаткових глушителів.

Звіт паразитного світла

У попередньому випадку ми міряли відношення всього світла на детекторі до вхідного. Але щоб дізнатись яка частина світла є паразитним, можна скористатись FRED функцією Stray Light report. Для прикладу я запускаю плоску хвилю як джерело по центру поля зору. Для кращої статистики варто запустити побільше променів. Щоб згенерувати звіт, потрібно скористатись Advanced raytrace і вибрати галочки як на малюнку:

Тоді в Tools>Report>Stray Light report буде:

В меню можна отримати характеристику як розсіяного світла (scatter paths) так і привидів (specular paths). Рівень вказує скільки разів світло розсіялось чи залишково відбилося (для привидів).

Скопіювавши ці дані у ексель, можна зробити маленький аналіз:

Поверхня	Одиничне розсіяння, %	Подвійне розсіяння, %
Detector	0,64595449	0,00425426
Telescope L1	0,37213458	2,34E-03
Telescope M2	0,01153375	1,39E-04
Telescope M1	3,85E-03	5,75E-05
Pupil	0,14494036	1,63E-03
M1 baffle, inner wall	5,97E-08	1,14E-08
M1 baffle, back surf	1,82E-10	1,10E-10

Проміжні висновки:

• Чим ближче поверхня до детектора, тим більший вона вносить вклад в паразитне світло.
• Апертура детектора також вносить значний внесок. Ймовірно краще винести апертуру на вхід головного глушителя чи інде.
• Подвійне розсіяння дає значно менший внесок, але забирає значно часу для обрахунку. Варто шукати компроміс у цьому питанні.
• Основними вкладниками паразитного світла є оптичні поверхні, а не структури захисту (глушителі).

Відсоток паразитного світла

Звіт, то добре, але ми рахували його для центру поля зору. Чи будуть ці обрахунки валідні на краю детектора залишається питанням. Аби трохи узагальнити для всього поля зору і мати змогу характеризувати паразитне світло одним числом, ми вводимо нову характеристику -- відсоток паразитного світла.

Для цього на місці детектора ставлять Ламбертівське джерело з таким же розміром і розкидом кутів як і апертура телескопу, а детектором слугує напівсфера-всесвіт з центром на першій поверхні.

Відсоток паразитного світла за визначенням -- це кількість паразитного світла до прямого світла. Схоже значення можна отримати у звіті паразитного світла, але варто зазначити, що звіт дає відсоток паразитного світла до усього світла. Це не біда і його можна легко перерахувати. Отже, у звіті я отримав 2.63% паразитного світла загалом (1 і 2й рівень розсіяння і привиди). Тоді відсоток паразитного світла становить 2.7%, що є небагато.

Поле зору детектора

В тій же конфігурації можна дослідити звідки (з який напрямків) на детектор приходить світло. Ось наприклад розподіл інтенсивності за кутами:

В основному вся інтенсивнісь концентрується у полі зору детектора, але оптична система чутлива до світла і з інших напрямків, яке через розсіяння досягає площини детектора.

Veiling glare

Через паразитне світло, деградує veiling glare (Завуальовані відблиски?). Метод його вимірювання є наступним: перед оптичним приладом виставляється білий ламбертівський екран з чорною цяткою в центрі поля детектора. За відсутності паразитного світла, в полі видимості чорної цятки на детектор прилетить 0 фотонів (veiling glare 0). Але з паразитним світлом, цятка матиме ненульовий рівень освітленості -- veiling glare зростає. Відсоткове віндошення середнього рівня освітленості в полі зору цятки до рівня поза нею є визначенням veiling glare (VG). Промоделювати таку сцену можна наступним чином:

Розподіл яскравості на детекторі виглядає ось так:

З поганою статистикою, та все ж, значення VG є у нашому випадку рівним приблизно 8.7% (я не прагну до великої точності у цій вправі). Порахувати це значення можна також і з PST. Це значення є важливим, бо цей експеримент можна перевірити на практиці, а отже і всю модель паразитного світла.

Привиди

Наша система має три заломлюючі поверхні (вхід, вихід телескопу і детектор) а тому і три привиди (N*(N-1)/2):

Найбільший внесок роблять ті, що відбиваються від детектора:

Ось як вони виглядають для різних точок в полі зору детектора:

Висновок

Отже, ми провели який-неякий аналіз паразитного світла і з'ясували, що система є досить ефективна (за відсутності чітких вимог). Покращити систему можна зробивши неглибокі лопасті на тілі телескопу, аби убити світло, що падає на циліндричну стінку телескопа на великих кутах (кут ковзання) і майже перфектно відбивається, а не розсіюється.

Для бажаючих погратись FRED моделлю ось мій файл:

Я маю значно більше що сказати на цю тематику, але лінивий писати. Тож напиши в коментарях ти, шановний читач, чи тобі цікаво.