[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

摘要

本发明公开了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，包括步骤如下：确定光学天线物镜初始结构；光学天线整体初始结构计算与选择；进行像差校正；光学天线误差分析；隔离度分析。本发明在保证光学天线口径、视场和放大倍率的情况下，分析计算光学天线的焦距、波像差、结构形式和误差分配等。本发明可准确评估激光通信光学天线像质、隔离度和传输效率，提升光学天线在激光通信领域的相关技术指标。

主权项

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·β₁³β₂³B₁＝‑1/4·α₁³β₂³(1+β₁³)C₁＝1/4·α₁α₂(1+β₂)³D₁＝1/4·(‑β₁³β₂³+α₁β₂³(1+β₁)(1‑β₁)²‑α₁α₂(1+β₂)(1‑β₂)²)A₂＝0B₂＝‑(α₁‑1)β₂³(1+β₁)³/4β₁β₂C₂＝(α₂(α₁‑1)+β₁(1‑α₂))(1+β₂)³/4β₁β₂D₂＝(α₁‑1)β₂³(1+β₁)(1‑β₁)²/4β₁β₂‑(α₂(α₁‑1)+β₁(1‑α₂))(1+β₂)(1‑β₂)²/(4β₁β₂)‑1/2A₃＝0B₃＝‑β₂(α₁‑1)²(1‑β₁)³/4α₁β₁²C₃＝(α₂(α₁‑1)+β₁(1‑α₂))²(1‑β₂)³/4α₁α₂β₁²β₂²D₃＝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。