激光通信終端光學(xué)系統(tǒng)雜散光抑制技術(shù)研究

趙 迎,接長偉

(長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院,吉林 長春 130052)

1 引 言

反射光學(xué)系統(tǒng)具有易于輕量化、對溫度變化不敏感、無色差等諸多優(yōu)勢,因此在激光通信終端光學(xué)系統(tǒng)中往往采用反射式結(jié)構(gòu)。目前,國內(nèi)外對兩反系統(tǒng)的雜散光分析研究已經(jīng)非常深入,長春光機所的史光輝對卡塞格林系統(tǒng)的遮光罩,擋光環(huán)等消雜散光措施的設(shè)置給出了詳細(xì)的分析[1]；西安光機所的李婷等定量計算了同類系統(tǒng)的雜散光數(shù)值[2]；美國國家天文臺的史蒂芬等人對地基天文望遠(yuǎn)系統(tǒng)的雜散光抑制方法進行了研究[3]。這些工作使用的主要方法是建立實體模型,包括給定各個光學(xué)、機械結(jié)構(gòu)表面的光學(xué)參數(shù),通過改進的蒙特卡洛法進行光線追跡,確定各離軸角度的雜散光傳輸路徑,得到最初的分析結(jié)果。然后,根據(jù)結(jié)果改進模型,修改遮光罩的設(shè)計,在散射路徑上加入遮光葉片等,最終減小光學(xué)系統(tǒng)雜散光水平[4]。常規(guī)的卡塞格林光學(xué)天線具有工作波長范圍寬、消像差能力強、結(jié)構(gòu)簡單、像質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點,被美國、歐洲、日本以及中國廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星激光通信終端,但由于卡-格光學(xué)天線是同軸光學(xué)結(jié)構(gòu)形式,不可避免會出現(xiàn)次鏡及次鏡支撐筋遮擋引入的后向散射,雖然可以通過次鏡打孔或設(shè)置光陷阱等措施抑制散射光,但不能從根本降低卡-格光學(xué)天線的后向散射[5-9]。采取上述雜散光抑制措施的卡-格光學(xué)天線的隔離度僅能達(dá)到55 dB,離軸三反光學(xué)天線可避免同軸光學(xué)天線中發(fā)射光路出現(xiàn)180°的后向反射和散射,其收發(fā)隔離度達(dá)到90～100 dB,而同軸光學(xué)天線的隔離度僅能達(dá)到30～55 dB[10-12]。因此,光學(xué)天線采用離軸三反光學(xué)結(jié)構(gòu)形式,是激光通信終端具備高收發(fā)隔離度的基礎(chǔ)。

基于光學(xué)表面散射理論,本文提出在光學(xué)設(shè)計中控制光線出射角不小于8°,20°離軸角軸外雜散光抑制能力大于60 dB,測量結(jié)果與仿真分析一致。滿足衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)捕跟和通信對光線天線雜散光抑制的要求。

2 表面散射理論

對于一個表面通常用雙向散射分布函數(shù)(bidirectional scattering distribution function)評價其表面散射特性,BSDF的定義如下所示:

(1)

其中,a是高低角;b是方位角;下標(biāo)i表示入射;s表示散射;L(αs,βs)是光學(xué)面的輻亮度;E(αi)是入射光的輻照度。對于光學(xué)鏡面(哈維模型)其表面散射能量分布與出射角的關(guān)系如圖1所示。

圖1 光學(xué)鏡面散射能量分布與方位角Fig.1 Optical mirror scattering energy distribution and azimuth angle

對于光滑的光學(xué)表面,98 %散射能量分布在出射角附近 ±7°以內(nèi),結(jié)合工程實現(xiàn)性,所以在光學(xué)設(shè)計中,對光線出射角限制在不小于8°,可避免大部分后向散射直接進入視場。

3 光學(xué)設(shè)計參數(shù)

激光通信終端光學(xué)系統(tǒng)的工作波長為830 nm,入瞳直徑125 mm,物方視場15 mrad,全視場MTF值>0.65@100線對/mm。根據(jù)指標(biāo)要求選取激光通信終端光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,主、次鏡成一次中間像,目鏡將一次像轉(zhuǎn)成平行光,限制光線出射角不小于8°,用Code V軟件完成了如圖2所示的光學(xué)設(shè)計,從調(diào)制傳遞函數(shù)曲線圖3可以看出,設(shè)計結(jié)果滿足使用要求。

圖2 離軸光學(xué)天線結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Off-axis optical antenna structure

圖3 MTF曲線Fig.3 MTF curve

4 雜散光仿真分析

雜散光仿真分析中所有光學(xué)件均采用哈維模型(RMS粗糙度0.5～3 nm),所有機械件均采用多項式散射模型。雜散光仿真模型中機械件表面朗伯散射率0.15；光學(xué)件鏡面反射率大于99.8 %。根據(jù)光學(xué)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果建立雜散光仿真分析模型。

雜散光抑制能力分析模型如圖4所示。仿真模型的表面特性(反射率、散射模型等)以及內(nèi)部物理性質(zhì),按照光學(xué)件、結(jié)構(gòu)件的實際情況賦值。通過對系統(tǒng)進行非順序光線追跡,分析到達(dá)系統(tǒng)像面的雜散光能量大小。

圖4 軸外雜散光抑制能力分析模型Fig.4 Analytical model of off-axis straylight suppression capability

光學(xué)系統(tǒng)的雜光由散射雜光與邊緣衍射雜光共同構(gòu)成,圖5為該光學(xué)系統(tǒng)衍射雜光PSTd(θ)的計算值(一級衍射雜光)。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)衍射雜光PSTFig.5 Optical system diffracted stray light PST

系統(tǒng)總PST(散射和衍射)如圖6和表1所示,光學(xué)系統(tǒng)軸外雜光抑制能力大于45 dB。

圖6 光學(xué)系統(tǒng)雜散光抑制能力PST曲線圖Fig.6 PST curve of stray light suppressioncapability of optical system

表1 光學(xué)系統(tǒng)軸外雜散光抑制能力表Tab.1 Suppression ability of off-axis straylit of optical system

5 實驗結(jié)果

系統(tǒng)加工裝調(diào)集成后,波像差測量結(jié)果如表2所示,測試結(jié)果表明:0視場RMS值為15.92 nm；0視場PV值為120.1 nm；FOV1 RMS值為40.55 nm(+X:5.25 mrad),41.42 nm(-X:-5.25 mrad),39.14 nm(+Y:5.25 mrad),38.54 nm(-Y:-5.25 mrad)；FOV1 PV值為173.4 nm(+X:5.25 mrad),169.3 nm(-X:-5.25 mrad)166.4 nm(+Y:5.25 mrad),167.5 nm(-Y:-5.25 mrad)；FOV2 RMS值為55.84 nm(+X:7.5 mrad),57.66 nm(-X:-7.5 mrad)55.15 nm(+Y:7.5 mrad),55.67 nm(-Y:-7.5 mrad)；FOV2 PV值為350.6 nm(+X:7.5 mrad),360.3 nm(-X:-7.5 mrad)362.4 nm(+Y:7.5 mrad),356.6 nm(-Y:-7.5 mrad)。軸外雜光范圍及抑制能力(5°～20°)≥45 dB,與實測結(jié)果相符,驗證了雜散光分析模型,分析方法的正確性。

表2 系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.2 System test results

6 結(jié) 論

收發(fā)一體雙向通信的離軸三反光學(xué)天線的雜散光與光學(xué)設(shè)計方案有關(guān),采用Code V軟件設(shè)計完成了全視場MTF值>0.65@100線對/mm且光線出射角不小于8°的激光通信終端光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計,設(shè)計結(jié)果滿足系統(tǒng)使用要求。通過雜散光仿真分析條件給出雜散光抑制能力分析模型,進而對光學(xué)系統(tǒng)衍射雜光點源透過率和光學(xué)系統(tǒng)雜散光抑制能力點源透過率進行了分析。測試結(jié)果與仿真的結(jié)果一致,滿足衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)使用要求。