空间激光通信离轴两镜反射望远镜自由曲面光学天线设计

同轴两反结构作为空间激光通信光学天线时常存在接收视场小、发射效率低等缺点。同时,因中心遮拦造成的能量损失,也会大大降低通信系统的瞄准和捕获概率。针对此缺陷,提出采用离轴两反天线结构并引入自由曲面设计以提高通信系统的性能。由初级像差理论推导得出离轴两反系统的初始结构,并采用Zernike多项式自由曲面面形,增加系统设计自由度,提高系统平衡像差的能力。给出入瞳口径与焦距相同的同轴两反和离轴两反系统的设计实例,并比较二者的光学传递函数MTF、点列图、衍射包围圆能量、波前误差等。结果表明:离轴两反自由曲面天线的像质明显优于同轴两反天线,因而该种天线结构的使用可提升空间激光通信系统的整体性能。

离轴两反无焦系统镜面结构选择及优化

根据非球面离轴两反光学系统的结构特征,利用初级像差理论对其成像特性进行分析,结合不同非球面的面形特征,推导了离轴系统像差的矢量表达式,利用赛德尔系数将系统的初级波像差进行展开,并具体计算了不同非球面面形组合下的系统像差值。确定了离轴两反结构的评价指标后,对不同面形组合的成像质量进行了比较。利用定量比较结果对最优面形选择方法进行分析,结果表明:相比其他镜面组合方式,离轴双抛物面系统的球差、彗差、像散均为0,波前RMS远优于λ/14(λ=0.5876μm),斯托列尔比大于0.8。根据计算结果可知,离轴双抛物面系统结构不仅具有更强的多种初级像差的抑制能力,而且还能有效压缩系统的体积。

基于离轴自由曲面的激光通信光学天线设计

为了提高空间激光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500~1100 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,该种天线结构在激光通信领域具有较强的实用性和很好的发展前景。

紧凑型长焦距平行光管的设计

设计一台用于CCD相机外场测试标定的超小体积、长焦距、高像质的平行光管,结构形式采用全反射离轴两镜式。设计的平行光管焦距1 2000mm,有效口径Φ400mm,在线视场30mm×30mm范围内波像差优于λ/20@632.8nm。光路经过多次折转后,平行光管外形尺寸小于1 000mm×600mm×500mm,总质量小于60kg。经分析计算,平行光管的环境适应性较好,能够满足被检相机正常发射场测试使用需求。