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。     

高隔离度激光通信终端光学系统设计

激光通信具有信息容量大、光学增益高、高度抗干扰和抗截获能力等突出优点,是解决高速通信问题的重要技术手段。根据激光通信中收发一体、双向双工工作模式对收发隔离度的要求,通过对不同光学结构隔离度仿真分析后,提出采用离轴三反光学天线降低后向散射从而实现高收发隔离度,在光学设计时,通过迭代优化控制光学表面上最小入射角,以及对光学表面精细加工工艺提出了明确的指标要求,最终实现了隔离度≥70 dB。仿真分析得出物方视场角5 mrad隔离度为73.7 dB,实测Φ150 mm离轴三反光学天线的隔离度可达73 dB,与仿真分析的结果一致,满足卫星激光通信系统捕跟和通信对光线天线隔离度的要求,可用于星间激光通信。     

空间激光通信系统离轴天线设计研究

空间激光通信终端通常依靠光学天线提高整个通信系统的发射及接收效率。提出了一种空间激光通信系统的离轴天线系统,以克服传统卡塞格林两镜系统存在接收视场小、发射效率低等缺点。设计了一个通光孔径为150 mm,放大倍率为15,满足0.85、1.064、1.55 m多个通信波段光学天线系统。计算了初始结构参数,利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光学天线系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。分析结果表明:在整个工作波段(0.85、1.064、1.55 m)内,点列图半径几何值小于10 rad,实现了高放大倍率、宽波段像散同时校正,在宽波段内均达到衍射极限,满足设计指标要求,能够满足高性能空间激光通信系统的要求。     

三镜反射式光学系统综述（特邀）

三镜反射式光学系统由于具备同时校正球差、彗差与像散三种像差的能力,可以实现较高的光学性能,基于其反射镜数量少、装调复杂性可接受等特点,在光学成像领域有着广泛的应用。特别是离轴三镜反射式光学系统,凭借其无孔径遮拦、可实现大视场等诸多优势,在高性能光学仪器装备中占据着重要位置。文中以典型的三镜反射式光学系统发展为主线,全面介绍了多种类型的三镜反射式光学系统,涵盖同轴三反系统、两轴三反系统、离轴三反系统与无焦三反系统,讨论了其光学结构特点、结构关联与光学系统性能,并给出了设计示例,供光学设计领域研究人员共同探讨。     

基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计

针对离轴三反光学系统初始结构求解复杂、视场宽度小的问题,提出了利用光学传递矩阵求解三反系统初始结构的计算方法,推导了三反系统焦距和后截距的表达式,求解了光阑位于次镜的三反系统初始结构。采用引入高次非球面以增加系统设计自由度的技术路线,基于ZEMAX光学设计软件,通过对同轴初始结构进行离轴优化,得到了一个矩形视场172,焦距1 440 mm,F数4.8的离轴三反光学系统。该系统三个反射面均为高次非球面,可同时满足宽视场角和高分辨率的要求,在空间频率50 lp/mm处,调制传递函数大于0.6,接近衍射极限。结果表明:该系统搭载线阵/面阵时间延迟积分电荷耦合元件(TDI-CCD)用于推扫/多通道式空间对地成像时,可有效扩大空间对地成像系统的地面覆盖范围,提高信息获取效率。     

离轴四反射镜光学系统设计

与一般光学系统相比,航空遥感光学系统具有长焦距、大口径、宽波段等特点。因此,广泛使用反射式光学系统。常见的离轴三反系统已不能满足系统小型化、轻量化的要求。介绍了一种无中心遮拦的离轴四反射镜系统,由离轴三反系统改进而成,结构更加紧凑。带一次中间像面的离轴三反系统的中间像位于次镜和三镜之间,为了进一步折叠光路,在中间像面处加入球面反射场镜,从而成为离轴四反。分析了离轴四反的设计步骤,设计了一个焦距为1 200 mm,视场为0.8°×0.8°,相对孔径为F/6的光学系统,系统总长只有300 mm,并达到很好的光学性能,具有长焦距、小尺寸、良好的杂散光抑制能力等特点。     

中高轨道空间详查相机光学设计

明确了几种三反和四反结构的性能优劣,进而获得一种性能优良的中高轨空间详查光学系统的设计方案。针对同一种光学设计技术指标,分析了空间详查相机的各项主要参数,利用Zemax光学设计软件设计了同轴三反射镜,一次中间像离轴三反射镜和无中间像离轴三反射镜3种三反光学系统以及同轴四反射镜,无中间像离轴四反射镜和一次中间像离轴四反射镜3种四反光学系统,均满足指标要求。对比了上述系统的优缺点,在综合考虑当前的光学加工、检测、装调的可行性以及高分辨力空间对地成像技术发展先进性的基础上,决定选用有一次中间像的离轴四反射镜光学系统作为最终方案,得到了有效焦距29 m,F数9.7,视场角1°×0.3°,外形尺寸3200 mm×6489 mm×8194 mm的空间详查相机光学系统。对该光学系统的性能进行了模拟和验证,结果表明该光学系统的分辨率、传递函数、像差、畸变等各项性能优异。     

激光通信终端光学系统杂散光抑制技术研究

随着空间应用领域的扩展,卫星激光通信凭借其在速率、带宽、体积、重量和功耗等方面的优势而得到广泛应用。对于卫星光通信来说,终端光学系统的性能直接影响通信的可靠性和稳定性,本文根据激光通信中收发一体、双向双工工作模式对收发隔离度的要求,采用Code V软件完成了830nm激光通信终端光学系统设计,实现物方全视场15mrad,全视场MTF值>065@100线对/mm,限制光线出射角不小于8SymbolpB@,设计结果满足系统使用要求。通过对光学系统杂散光分析与抑制技术研究,控制轴外杂散光在离轴角5°～20°时杂散光抑制能力大于45dB且20°时大于60dB。实验结果给出830nm激光通信终端光学系统光路图并对系统轴外杂光范围及抑制能力进行了测试,测试结果与仿真的结果一致,满足卫星激光通信系统使用要求。     

基于ZPL宏指令的大口径反射式平行光管设计

大口径、长焦距离轴三反射镜系统的设计过程中会出现透镜的挡光问题.传统的优化方法降低了光学设计的效率,对成像质量有负面影响.实践表明用ZPL宏指令可以解决这个问题.反射式平行光管设计指标为:通光口径500 mm,焦距4000mm,波长范围为400～1400 nm,有效视场2°×1°,点列图优于6 μm.根据设计指标计算了同轴三反射镜(TMA)系统的初始光学结构参数,借助Zemax软件中的ZPL宏指令得出最终设计方案.结果表明:各个视场的点列图均优于6 μm,波像差均优于λ/25,满足设计指标.ZPL宏指令辅助设计在离轴多反射镜系统中能控制系统结构,避免挡光,提高设计效率和成像质量.     

大线视场大相对口径红外成像系统的光学设计

在同轴三反射光学系统基础上,采用视场离轴方式,设计了一个在地球同步轨道上对地观测的空间离轴三反射光学系统.该系统同时具有大线视场和大相对口径的特点,设计结果表明,成像质量达到了衍射极限.     

大视场离轴三反光学系统设计

与传统折射光学系统相比,离轴反射光学系统具有小体积、轻量化和无色差等特点,因此被广泛应用于望远镜系统和空间观测系统等领域。随着目前自由曲面的广泛应用,首先分析了离轴三反光学系统的初始结构参数确定方法,然后在系统的主反射镜设计中引入Zernike边缘矢高形式的自由曲面,最终设计了一款有效焦距为700 mm,视场角为10°,F/#为4.5,系统总长为597.58 mm的离轴三反光学系统。该系统在71.4 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.28,畸变均小于0.1%,结果表明,该系统在有效视场内成像质量较好。该系统的设计方法对类似的离轴三反光学系统设计具有一定的参考价值。     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。     

离轴反射式头戴显示光学系统的自由曲面设计方法

为克服现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题,提出了基于马吕斯定律的自由曲面三维直接设计方法。首先根据马吕斯定律求解自由曲面在全视场和全孔径范围内的所有特征数据点,然后将特征数据点拟合成用多项式表征的自由曲面,直接获得成像质量良好的自由曲面离轴系统初始结构,最后利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化,确定最佳拟合系数,生成所需的自由曲面反射镜,得到离轴头戴显示光学系统最终结构。该方法简化了设计流程,计算效率高。基于提出的方法分别设计了单反射面和双反射面的头戴显示光学系统,单反射面系统的出瞳直径为3 mm,视场角19.12°×14.4°;双反射面系统的出瞳直径为8 mm,视场角23°×16°。设计结果表明,用该方法设计的单/双反射面头戴显示系统,其成像质量良好,系统结构紧凑。公差分析表明,引入公差后单/双反射面头戴显示系统最终可实现全视场调制传递函数(MTF)大于0.3 lp/mm和0.35 lp/mm。     

激光星间通信中不同光学终端的研究

光学终端在激光星间通信中扮演着重要的角色.研究了单个光学望远镜及光学望远镜阵用作激光星间通信中的光学终端时的系统性能,从电磁辐射入手,分析比较了单个光学望远镜及光学望远镜阵的增益及光学接收终端的方向图与相关参数的关系.仿真不仅论证了激光星间通信需要极精确的指向角度,而且得出结论:使用光学望远镜阵作为激光星间通信系统的光学终端具有更大的优势.     

多波段共孔径光学成像系统的几种实现途径（特约）

借助微分方法,提出光学系统内的消波段间色差和波段内色差条件,建立了扩展的复消色差理论,通过对比各自波段和全波段的折射率-色差系数,进行材料配对,并迭代优化校正各类像差。由此介绍了几种多波段共孔径光学系统的实现途径和具体设计实例,包括:透射式结构的宽波段及多波段成像物镜光学系统;透射式结构的中波/近红外二次成像变焦系统;透射式结构的中/长波红外二次成像变焦系统;通过反求工程（Reverse Engineering）设计了AN/AAQ-33“狙击手XR”吊舱采用的中波/近红外共孔径透射式前置望远系统主光路;AN/ASQ-228 ATFLIR吊舱采用的共孔径离轴三反射式消像散前置望远系统主光路;AN/AAS-52 MTS-B吊舱采用的同轴偏视场三反前置望远系统主光路;EKV采用的同轴四反二次成像系统;拓展介绍了采用同轴折反式前置望远+后置成像结构的光路结构,包括同轴折反式中波/短波/近红外和长/中/短波红外望远系统+后置分光成像系统的设计;以及一些典型弹载光学系统共孔径或共光路的设计。     

衍射望远镜光学系统设计

当前对空间望远镜光学系统的要求是：在宽光谱范围内,系统具有分辨率高、质量轻等特点,衍射望远镜可以满足上述要求。利用Schupmann提出的消色差理论可实现系统宽光谱覆盖,采用平面衍射透镜做物镜可使系统轻量化,降低了成本。设计了一个物镜口径为1 000 mm,f/# =100,用离轴三反射镜做目镜的衍射望远镜。设计结果表明：系统在0.65~0.75 ?滋m波段,0.02°×0.035° 视场范围内,得到了消色差,接近衍射极限的成像质量。     

离轴三反光纤阵列激光三维成像发射系统

离轴三反光纤阵列激光三维成像发射系统中,大功率激光器发出的激光经阵列光纤分束,由光纤的芯径和单元发散角计算离轴三反光学系统的焦距,由光纤的数值孔径确定系统的入瞳直径范围,光纤阵列的长度决定了光学系统的发射总视场。离轴三反光学系统采用正向设计、反向使用的思路,将光纤阵列置于离轴三反光学系统焦面位置,反向追迹光线,可以得到光纤阵列上各元激光经光学系统后的高斯光束发散角大小和相邻元之间的角度关系。文中的设计实例实现了51元激光,每一元以20 rad的较小发散角出射,实例表明,该发射系统能实现多元激光微弧度量级的发散角出射,在目标面上形成间隔均匀、圆对称性良好的足印光斑。该发射系统在设计的发射总视场内,理论上不存在波束数的限制,这是区别于其他发射系统的另一优势。     

大口径大视场望远镜探测器平面度检测方法综述

为了更好地适应大口径大视场望远镜的成像要求,在相机焦平面拼接多个CCD使其能够覆盖望远镜的全视场成为大口径大视场望远镜光学相机设计的重点。本文系统地总结了当前国内外探测器平面度测量方法的最新研究进展,对比了应用较广的扫描白光干涉仪、三角激光测量仪以及激光同轴位移器的特点。文章还结合了国外大口径大视场望远镜中的相机焦平面靶面拼接特点,对其测量方法及设备进行了详细介绍和总结分析,为大口径大视场地基光电望远镜焦平面拼接探测器的平面度测量提供一定的经验参考。