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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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  • 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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