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基于离轴自由曲面的 通信光学天线设计

谷茜茜,崔占刚,亓波

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谷茜茜, 崔占刚, 亓波. 基于离轴自由曲面的 通信光学天线设计[J]. , 2020, 13(3): 547-557. doi: 10.3788/CO.2019-0157
引用本文: 谷茜茜, 崔占刚, 亓波. 基于离轴自由曲面的 通信光学天线设计[J]. , 2020, 13(3): 547-557.doi:10.3788/CO.2019-0157
GU Xi-xi, CUI Zhan-gang, QI Bo. Design of optical antenna for laser communication based on an off-axis freeform surface[J]. Chinese Optics, 2020, 13(3): 547-557. doi: 10.3788/CO.2019-0157
Citation: GU Xi-xi, CUI Zhan-gang, QI Bo. Design of optical antenna for laser communication based on an off-axis freeform surface[J].Chinese Optics, 2020, 13(3): 547-557.doi:10.3788/CO.2019-0157

基于离轴自由曲面的 通信光学天线设计

doi:10.3788/CO.2019-0157
基金项目:中国科学院创新基金(No. CXJJ-19S008)
详细信息
    作者简介:

    谷茜茜(1993—),女,河北石家庄人,硕士研究生,2017年于长春理工大学获得学士学位,主要从事 通信光学系统设计方面的研究。E-mail:gu_xi_xi@126.com

    亓 波(1978—),男,山东莱芜人,博士,研究员,博士生导师,主要从事光学工程,光学精密机械等方面的研究。E-mail:qibo@ioe.ac.cn

  • 中图分类号:TP394.1;TH691.9

Design of optical antenna for laser communication based on an off-axis freeform surface

Funds:Supported by CAS Innovation Project of China (No. CXJJ-19S008)
More Information
  • 摘要:为了提高空间 通信系统的工作范围,简化光学系统的结构,提出了基于离轴自由曲面的大视场两镜无焦光学天线的设计形式。该光学天线采用无焦结构,无需再使用准直透镜元件,可以极大地简化系统结构,克服了传统聚焦光学天线体积过大、大功率光源情况下焦点处功率密度过高等问题。首先,基于三级像差理论,推导了两镜无焦系统的消像差公式,并对求解结果进行了分析总结。然后,根据求解结果和实际需求设计了一款无焦光学天线,该系统的有效通光口径为100 mm,放大倍率为5倍,波段为500~1 100 nm,全视场角为0.6°,主镜为凹抛物面的一部分,次镜采用XY多项式表征的自由曲面,并用MATLAB 对次镜自由曲面面形进行了仿真。结果表明,光学系统全视场的波像差优于λ/14(λ=500 nm),斯托列尔比大于0.8,系统能量集中度较高,像质接近衍射极限,光学视场相对于传统二次曲面系统增加了26.7%。因此,该种天线结构在 通信领域具有较强的实用性和很好的发展前景。

  • 图 1离轴两镜无焦系统的两种结构

    Figure 1.Structures of two kinds of off-axis two-mirror afocalsystems

    图 2同轴两镜无焦系统示意图

    Figure 2.Schematic of coaxial two-mirror afocal system

    图 3离轴量示意图

    Figure 3.Schematic of off-axis distance

    图 4视场采样图

    Figure 4.Field sampling map

    图 5光学系统结构图

    Figure 5.Layout of the optical system

    图 6次镜XY自由曲面的二维和三维面形图

    Figure 6.2-D and 3-D profiles of XY freeform surface for secondary mirror

    图 7次镜的面形梯度

    Figure 7.Surface gradient of secondary mirror

    图 8光学系统的RMS波像差

    Figure 8.RMS wavefront errors of different optical systems

    图 9光学系统的斯托列尔比(SR)

    Figure 9.Strehl Ratios (SR) of different optical systems

    图 10光学系统点列图

    Figure 10.Spot diagrams of different optical systems

    图 11不同光学系统的MTF

    Figure 11.MTFs of different optical systems

    表 1次镜自由曲面参数

    Table 1.Polynomial parameters of freeform surface for secondary mirror

    Item CoefficientAi Item CoefficientAi
    X1Y0 0 X3Y1 0
    X0Y1 6.735 780×10–5 X2Y2 6.216 308×10–9
    X2Y0 0 X1Y3 0
    X1Y1 0 X0Y4 1.616 430×10–9
    X0Y2 0 X5Y0 0
    X3Y0 0 X4Y1 −2.079 343×10–11
    X2Y1 −1.055 768×10–7 X3Y2 0
    X1Y2 0 X2Y3 −1.129 752×10–10
    X0Y3 −4.533 126×10–8 X1Y4 0
    X4Y0 5.532 042×10–11 X0Y5 −1.957 926×10–11
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  • [1] 姜会林, 佟首峰, 张立中, 等. 空间 通信技术与系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 2010.

    JIANG H L, TONG SH F, ZHANG L ZH,et al..The Technologies and Systems of Space Laser Communication[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010. (in Chinese)
    [2] 金光, 李艳杰, 钟兴, 等. 空间成像与 通信共口径光学系统设计[J]. 光学精密工程,2014,22(8):2067-2074.doi:10.3788/OPE.20142208.2067

    JIN G, LI Y J, ZHONG X,et al. Design of co-aperture optical system for space imaging and laser communication[J].Optics and Precision Engineering, 2014, 22(8): 2067-2074. (in Chinese)doi:10.3788/OPE.20142208.2067
    [3] 肖海桥, 张量, 汤俊雄. 卫星光通信链路新型宽视场角捕捉方案探讨[J]. 电子学报,1999,27(8):56-59.doi:10.3321/j.issn:0372-2112.1999.08.016

    XIAO H Q, ZHANG L, TANG J X. A new wide field-of-view acquistion approach in inter-satellite laser link establishing[J].Acta Electronica Sinica, 1999, 27(8): 56-59. (in Chinese)doi:10.3321/j.issn:0372-2112.1999.08.016
    [4] JURANEK H J, SAND R, SCHWEIZER J,et al. Off-axis telescopes: the future generation of earth observation telescopes[J].Proceedings of SPIE, 1998, 3439: 104-115.doi:10.1117/12.325617
    [5] 王蕴琦, 刘伟奇, 付瀚毅, 等. 离轴式共口径 通信光学系统设计[J]. 与光电子学进展,2018,55(1):010602.

    WANG Y Q, LIU W Q, FU H Y,et al. Design of laser communication optical system with off-axis common aperture[J].Laser&Optoelectronics Progress, 2018, 55(1): 010602. (in Chinese)
    [6] 孙权社, 赵发财, 陈坤峰, 等. 空间 通信系统离轴天线设计研究[J]. 红外与 工程,2015,44(8):2501-2505.doi:10.3969/j.issn.1007-2276.2015.08.044

    SUN Q SH, ZHAO F C, CHEN K F,et al. Design of off-axis optical antenna for space optical communications[J].Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(8): 2501-2505. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1007-2276.2015.08.044
    [7] 王伟. 自由曲面离轴反射式光学系统设计[D]. 南京: 南京理工大学, 2016.

    WANG W. Design of off-axis reflective optical system with freeform surface[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2016. (in Chinese)
    [8] GAUTAM S, GUPTA A, SINGH G S. Optical design of off-axis Cassegrain telescope using freeform surface at the secondary mirror[J].Optical Engineering, 2015, 54(2): 025113.doi:10.1117/1.OE.54.2.025113
    [9] 关姝, 王超, 佟首峰, 等. 空间 通信离轴两镜反射望远镜自由曲面光学天线设计[J]. 红外与 工程,2017,46(12):01222003.doi:10.3788/IRLA201746.1222003

    GUAN SH, WANG CH, TONG SH F,et al. Optical antenna design of off-axis two-mirror reflective telescope with freeform surface for space laser communication[J].Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(12): 01222003. (in Chinese)doi:10.3788/IRLA201746.1222003
    [10] 田永明, 王永志, 姜义君, 等. 星间 通信信标跟踪无焦光学系统设计[J]. 制导与引信,2016,37(4):54-57.doi:10.3969/j.issn.1671-0576.2016.04.011

    TIAN Y M, WANG Y ZH, JIANG Y J,et al. The design of afocal optical system of beacon tracking system in inter-satellite laser communication[J].Guidance&Fuze, 2016, 37(4): 54-57. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1671-0576.2016.04.011
    [11] 王红亚. 大气 通信系统及其主要部件的研究[D]. 天津: 天津大学, 2005.

    WANG H Y. Research on free space optical communication system and its major components[D]. Tianjin: Tianjin University, 2005. (in Chinese)
    [12] 武越. 离轴反射式扩束系统研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2016.

    WU Y. Research of off-axis reflection beam expander[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2016. (in Chinese)
    [13] 王灵杰, 张新, 张建萍, 等. 自由曲面空间光学系统设计研究[J]. 应用光学,2012,33(6):1040-1046.

    WANG L J, ZHANG X, ZHANG J P,et al. Free-form surface space optical system[J].Journal of Applied Optics, 2012, 33(6): 1040-1046. (in Chinese)
    [14] 朱钧, 吴晓飞, 侯威, 等. 自由曲面在离轴反射式空间光学成像系统中的应用[J]. 航天返回与遥感,2016,37(3):1-8.doi:10.3969/j.issn.1009-8518.2016.03.001

    ZHU J, WU X F, HOU W,et al. Application of freeform surfaces in designing off-axis reflective space optical imaging systems[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing, 2016, 37(3): 1-8. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1009-8518.2016.03.001
    [15] YE J F, CHEN L, LI X H,et al. Review of optical freeform surface representation technique and its application[J].Optical Engineering, 2017, 56(11): 110901.
    [16] 薛栋林, 郑立功, 张峰, 等. 基于光学自由曲面的离轴三反光学系统[J]. 光学精密工程,2011,19(12):2813-2820.doi:10.3788/OPE.20111912.2813

    XUE D L, ZHENG L G, ZHANG F,et al. Off-axis three-mirror system based on freeform mirror[J].Optics and Precision Engineering, 2011, 19(12): 2813-2820. (in Chinese)doi:10.3788/OPE.20111912.2813
    [17] 倪栋伟, 李旭阳, 杨明洋, 等. 基于自由曲面的大视场天基探测光学系统[J]. 光学学报,2018,38(11):1122003.

    NI D W, LI X Y, YANG M Y,et al. Large field of view space-based optical detection system based on freeform surface[J].Acta Optica Sinica, 2018, 38(11): 1122003. (in Chinese)
    [18] 刘秀梅, 李红光. 离轴非球面无光焦度系统的设计[J]. 红外,2010,31(7):14-17.doi:10.3969/j.issn.1672-8785.2010.07.003

    LIU X M, LI H G. Design of off-axis aspheric non-power system[J].Infrared, 2010, 31(7): 14-17. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1672-8785.2010.07.003
    [19] 潘君骅. 光学非球面的设计、加工与检验[M]. 苏州: 苏州大学出版社, 2004.

    PAN J H. The Design,Manufacture and Test of the Aspherical Optical Surfaces[M]. Suzhou: Suzhou University Press, 2010. (in Chinese)
    [20] 王涌天. 自由曲面光学系统设计及其应用[J]. 光学与光电技术,2012,10(3):13-16.

    WANG Y T. Design and application of free-curved surface optical system[J].Optics&Optoelectronic Technology, 2012, 10(3): 13-16. (in Chinese)
    [21] 张磊, 刘东, 师途, 等. 光学自由曲面面形检测技术[J]. 中国光学,2017,10(3):283-299.doi:10.3788/co.20171003.0283

    ZHANG L, LIU D, SHI T,et al. Optical free-form surfaces testing technologies[J].Chinese Optics, 2017, 10(3): 283-299. (in Chinese)doi:10.3788/co.20171003.0283
    [22] 李旭阳, 倪栋伟, 杨明洋, 等. 基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计[J]. 光子学报,2018,47(9):922003.doi:10.3788/gzxb20184709.0922003

    LI X Y, NI D W, YANG M Y,et al. Design of large field of view space camera optical system based on freeform surfaces[J].Acta Photonica Sinica, 2018, 47(9): 922003. (in Chinese)doi:10.3788/gzxb20184709.0922003
    [23] 王权陡, 余景池, 张学军, 等. 离轴非球面最接近球面半径及非球面度的求解[J]. 光电工程,2000,27(3):16-19.doi:10.3969/j.issn.1003-501X.2000.03.005

    WANG Q D, YU J CH, ZHANG X J,et al. Solution for best fitting spherical curvature radius and asphericity of off-axis aspherics[J].Opto-Electronic Engineering, 2000, 27(3): 16-19. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1003-501X.2000.03.005
    [24] 杜玉军, 任海霞, 刘中本. 光学非球面元件非球面度计算方法[J]. 应用光学,2002,23(5):42-45.

    DU Y J, REN H X, LIU ZH B. The method of calculation to asphericity of optical aspheric surface component[J].Journal of Applied Optics, 2002, 23(5): 42-45. (in Chinese)
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  • 收稿日期:2019-07-25
  • 修回日期:2019-09-15
  • 刊出日期:2020-06-01

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