一種高性能光電檢測光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

黃凱酈　文忠　熊鐵軍　謝輝　羅濤

摘 要：經(jīng)典卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)的中心遮擋一直是影響系統(tǒng)光學(xué)信息傳輸效率的重要因素，本文設(shè)計高性能光電檢測光學(xué)系統(tǒng)，采用主鏡和次鏡開孔的設(shè)計方案，解決中心光束被遮擋的問題。利用光學(xué)軟件CODE-V對系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)建模以及參數(shù)優(yōu)化計算，并通過光學(xué)軟件Ze-max對系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)進行分析，以實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：光學(xué)系統(tǒng) 優(yōu)化 設(shè)計

中圖分類號：TH744 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0153-02

Abstract： The central occlusion of the classic Cassegrain optical system has always been an important factor affecting the transmission efficiency of the optical information of the system. This paper designs a high-performance optoelectronic detection optical system， which adopts the design scheme of the primary mirror and the secondary mirror opening to solve the problem that the central beam is blocked. The optical software CODE-V was used to construct the system and optimize the parameters. The optical modulation transfer function of the system was analyzed by optical software Ze-max to realize the optimal design of the system.

Key Words：Optical system； Optimization； Design

空間光通信設(shè)備具有體積小、重量輕、功耗低、效率高等優(yōu)勢，尤其是應(yīng)用于激光衛(wèi)星通信的光學(xué)系統(tǒng)，對系統(tǒng)的體積、重量、功耗、效率要求更高[1]。隨著科技的快速進步，信息傳輸總量越來越大，那么對于系統(tǒng)的傳輸效率要求也越來越高[2]。在空間光信息傳輸領(lǐng)域中，經(jīng)典卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)的中心遮擋缺陷，是光學(xué)領(lǐng)域亟待解決的問題[3]。本文從光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計角度出發(fā)，采用系統(tǒng)主鏡和次鏡開孔的設(shè)計方案，以提高系統(tǒng)的傳輸效率。

1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，該光電檢測光學(xué)系統(tǒng)采用主鏡和次鏡開孔的設(shè)計結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由光源、透鏡組、布拉格光纖、耦合透鏡、主鏡和次鏡組成。在該結(jié)構(gòu)中，光源采用632.8nm的激光，主鏡的孔徑為D1、次鏡的孔徑為D2、次鏡的開孔孔徑為D3、系統(tǒng)的總長度為L、透鏡組的厚度分別為d1和d2、耦合系統(tǒng)的孔徑為d4、耦合光束的寬度為d3、光束發(fā)散角為、耦合系統(tǒng)的發(fā)射光束發(fā)散角為、主鏡的曲率半徑為、耦合透鏡的耦合效率為η。

2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模及優(yōu)化

利用光學(xué)軟件CODE-V對光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了建模，如圖2所示。根據(jù)建模的初始參數(shù)，結(jié)合點光源信息在系統(tǒng)中傳輸?shù)男?，對系統(tǒng)的參數(shù)進行最優(yōu)化計算，如表1所示。通過光學(xué)軟件Ze-max對系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)進行了仿真分析，得到如圖3所示的仿真結(jié)果。從圖3中可以看出，對于多個視場角（0°、0.2°、0.4°、0.6°）情況下，該光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)都非常理想，均接近于衍射極限條件下的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，由此可以判定系統(tǒng)的性能非常好。

3 結(jié)語

本文從優(yōu)化設(shè)計光電檢測光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，采用系統(tǒng)主鏡和次鏡開孔的設(shè)計方案，利用光學(xué)軟件CODE-V對系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)建模和參數(shù)最優(yōu)化計算，并通過光學(xué)軟件Ze-max對系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)進行了仿真分析，得到該光學(xué)系統(tǒng)傳輸效率較高的結(jié)論。

參考文獻

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[2] 李玉權(quán)，朱勇，王江平.光通信原理與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3] 冉英華，楊華軍，徐權(quán)，等.卡塞格倫光學(xué)天線偏軸及性能分析[J].物理學(xué)報，2009，58（2）：946-951.