[发明专利]一种应用空间激光通信离轴反射式光学天线设计方法

权利要求书

1.一种应用于空间激光通信的离轴反射式光学天线设计方法，其特征在于步骤如下：

(1)确定光学天线物镜的初始结构参数；所述物镜包括主镜、次镜和三镜；所述初始结构参数包括主镜的偏心率e₁、次镜的偏心率e₂、三镜的偏心率e₃，主镜与次镜间距d₁、次镜与三镜的间距d₂、三镜与主镜的间距d₃以及主镜、次镜、三镜的半径r₁、r₂、r₃；

具体确定方式如下：

(1a)利用下式得到三级像差系数为S_Ⅰ、S_Ⅱ、S_Ⅲ、S_Ⅳ和S_Ⅴ：

S_Ⅰ＝∑h·P+∑h⁴·K                                 (1)

S_Ⅱ＝∑y·P-J∑W+∑h³·y·K                        (2)

S_Ⅲ＝∑P·y²/h-2J∑W·y/h+J²∑Φ+∑h²·y²·K       (3)

S_Ⅳ＝∑Π/h                                        (4)

S_Ⅴ＝∑P·y³/h²-3J∑W·y²/h²+J²∑(y/h)·(3Φ+Π/h)-J³∑(1/h²)·Δ·(1/n²)+∑h·y³·K(5)

其中：J为贝赛尔函数，h为物镜口径的半径，P＝(Δu/(1/Δn))²·(Δu/n)，W＝Δu/(1/Δn)·(Δu/n)，Π＝Δ(u·n)/(nn′)，Φ＝1/h·(Δ(u/n))，K＝-(e²/R³)·Δn，y²＝2Rx-(1-e²)x²，e为二次曲面的偏心率，R为顶点曲率半径，u为物方数值孔径，u′为像方数值孔径，n为物方折射率，n′为像方折射率，Δ表示微分，x为非球面的旋转对称轴，y为入射光线在非球面上的高度；

(1b)对于反射式光学天线，n＝n′＝1，令h₁＝1，u₁′＝u₂＝β，u₂′＝1，J＝1，R＝2α₁/(β₁+1)；其中h₁为主镜口径的半径，h₂为次镜口径的半径，u₁′为主镜像方孔径角，u₂为次镜物方孔径角，u₂′为次镜像方孔径角；α₁＝h₂/h₁，表示次镜对主镜的遮挡比，β₁为次镜的放大倍率；

将上述参数代入到公式(1)-(5)中得到S_Ⅰ、S_Ⅱ、S_Ⅲ解析式，并另S_Ⅰ＝0、S_Ⅱ＝0、S_Ⅲ＝0，通过公式(6)-(8)计算得出主镜、次镜和三镜的偏心率e₁、e₂、e₃：

S_Ⅰ＝A₁e₁²+B₁e₂²+C₁e₃²+D₁；                                        (6)

S_Ⅱ＝A₂e₁²+B₂e₂²+C₂e₃²+D₂；                                        (7)

S_Ⅲ＝A₃e₁²+B₃e₂²+C₃e₃²+D₃；                                        (8)

其中

A₁＝1/4·β₁³β₂³

B₁＝-1/4·α₁³β₂³(1+β₁³)

C₁＝1/4·α₁α₂(1+β₂)³

D₁＝1/4·(-β₁³β₂³+α₁β₂³(1+β₁)(1-β₁)²-α₁α₂(1+β₂)(1-β₂)²)

A₂＝0

B₂＝-(α₁-1)β₂³(1+β₁)³/4β₁β₂

C₂＝(α₂(α₁-1)+β₁(1-α₂))(1+β₂)³/4β₁β₂

D₂＝(α₁-1)β₂³(1+β₁)(1-β₁)²/4β₁β₂-(α₂(α₁-1)+β₁(1-α₂))(1+β₂)(1-β₂)²/(4β₁β₂)-1/2

A₃＝0

B₃＝-β₂(α₁-1)²(1-β₁)³/4α₁β₁²

C₃＝(α₂(α₁-1)+β₁(1-α₂))²(1-β₂)³/4α₁α₂β₁²β₂²

D₃＝β₂(α₁-1)²(1+β₁)(1-β₁)²/4α₁β₁²-(α₂(α¹-1)+β₁(1-α₂))²(1+β₂)(1-β₂)²/4α₁α₂β₁²β₂²-β₂(α₁-1)(1+β₁)(1-β₁)/α₁β₁-β₁β₂+β₂(1+β₁)/α₁-(1+β₁)/α₁α₂-(α₂(α₁-1)+β₁(1-α₂))(1+β₁)(1-β₁)/α₁α₂β₁β₂

其中α₁为次镜对主镜的遮挡比，α₂为三镜对次镜的遮挡比，β₁为次镜的放大率，β₂为三镜的放大率；

(1c)利用下式并根据主镜与次镜间距d₁、次镜与三镜的间距d₂、三镜与主镜的间距d₃确定主镜、次镜和三镜的半径r₁、r₂、r₃：

S_Ⅳ＝1/r₁+1/r₂+1/r₃                                   (9)

1/f＝(r₁r₂-2r₂d₁)/(2r₁-4d₁-2r₂)-d₂                    (10)

d₃/f＝(2(r₁r₃-2r₃d₁-r₂r₃)+1)/2r₁r₂                    (11)

(1d)确定物镜的初始结构参数确定后，将主镜孔径离轴，使主光束无遮挡即可，离轴量为主镜的有效口径，最终得到物镜离轴后的初始结构；

(2)光学天线的整体初始结构；

(2a)根据光学天线放大倍率和物镜焦距确定目镜焦距；

f_目镜＝f_物镜/Γ，其中f_目镜为目镜焦距，f_物镜＝为物镜焦距，Γ为放大倍率；

(2b)进行物镜与目镜光路拼接，得到光学天线的整体初始结构；

(3)通过控制优化主镜半径、次镜半径、三镜半径、目镜半径、镜组间距离d₁、d₂、d₃以及光学天线整体初始结构的焦距、球差、场曲、像散和畸变进行像差校正；

(4)误差分析

光学天线误差分析主要由仿真设计结果、镜面加工误差、光机装调误差和环境条件影响。

(4a)通过对加工误差和光机装调误差进行分析，计算出给定公差范围内的波像差变化值，用于判断光学天线像质是否满足要求；

(4b)在步骤(4a)的基础上，通过对环境影响造成的误差分析，确定波像差预算；所述的环境影响包括重力、湿度、热冲击、沉降、蠕动特性、老化、空间辐射、微振动和偶然误差；

(5)收发隔离度分析

(5a)对步骤(4)误差分析调整后的光学天线的结构进行隔离度分析建模，并通过仿真成像结果，验证光学天线的建模正确性；

(5c)进行隔离度分析

设置点源透过率，照度以及杂散辐射比仿真参数，选择波长1064nm，选择光线数量进行模拟计算，最终得出隔离度指标，并判断光学天线是否满足设计要求，若满足则进入步骤(6)，若不满足，则进入步骤(1)重新设计，直到满足条件，并进入步骤(6)；

(6)光学天线设计结束。

2.根据权利要求1所述的一种应用于空间激光通信的离轴反射式光学天线设计方法，其特征在于：所述步骤(4c)中确定的不同影响对应的波像差预算为：重力为0.5nm(rms)、湿度为4nm(rms)、热冲击为10nm(rms)、沉降为4nm(rms)、蠕动特性为4nm(rms)、老化为5nm(rms)、空间辐射为5nm(rms)、微振动为5nm(rms)、偶然误差为5nm(rms)、光机装调为19.3nm(rms)、加工误差为19.6nm(rms)。