Freeform optics adapted to the design of spatial instrumentation for Earth observation

Abstract

Freeform surfaces have been introduced in the optical design of a two-mirror Cassegrain telescope for Earth observation purposes. The application requires two field positions at the image plane with minimum aberrations where two micro spectrometers (HAMAMATSU C12880MA) shall be placed. These micro spectrometers are small and compact devices that incorporate the slit, a concave diffractive element and the CMOS sensor in the same component. Although these are very small components their position at the image plane are slightly deviated from the optical axis, where it is well known minimum aberrations occurs for classical optical systems. Freeform surfaces are introduced to correct those aberrations, mainly astigmatism and coma, for the specific fields determined by the positions of the micro spectrometers. Nodal Aberration Theory (NAT) will be used to determine the mirrors surface deformation as a set of ϕ-polynomials calculating, at the same time, the effects of such deformations on the total aberrations

Se han introducido superficies freeform en el diseño de un telescopio Cassegrain de dos espejos para observación de la Tierra. En el plano imagen de este telescopio, se colocarán 2 micro espectrómetros (HAMAMATSU C12880MA) en diferentes posiciones de dicho plano. Estos micro espectrómetros son pequeños y compactos dispositivos que integran la rendija de entrada, un elemento difractivo cóncavo y el sensor CMOS. La misión espacial requiere incluir al menos dos dispositivos en el plano focal. Aunque su tamaño ha sido considerablemente reducido, sus posiciones en el plano imagen generan una restricción en los campos que deben alejarse del eje óptico. Se sabe que un campo fuera del eje óptico introduce aberraciones en este tipo de telescopio, aberraciones que aumentan a medida que el campo se aleja del eje. Se introducen superficies freeform para corregir estas aberraciones, principalmente astigmatismo y coma, para los campos concretos que quedan determinados por las posiciones de los micro espectrómetros. Por lo tanto, por la Teoría Nodal de Aberraciones (NAT), se introducen deformaciones en las superficies que componen el telescopio mediante un conjunto de polinomios con dependencia angular (ϕ-polynomials) y se calculan los efectos que dichas deformaciones tienen en las aberraciones totales en el plano imagen.