一種高性能光電檢測光學系統優化設計

黃凱酈　文忠　熊鐵軍　謝輝　羅濤

摘 要：經典卡塞格倫光學系統的中心遮擋一直是影響系統光學信息傳輸效率的重要因素，本文設計高性能光電檢測光學系統，采用主鏡和次鏡開孔的設計方案，解決中心光束被遮擋的問題。利用光學軟件CODE-V對系統進行結構建模以及參數優化計算，并通過光學軟件Ze-max對系統的光學調制傳遞函數進行分析，以實現系統的優化設計。

關鍵詞：光學系統 優化 設計

中圖分類號：TH744 文獻標識碼：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

空間光通信設備具有體積小、重量輕、功耗低、效率高等優勢，尤其是應用于激光衛星通信的光學系統，對系統的體積、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，那么對于系統的傳輸效率要求也越來越高[2]。在空間光信息傳輸領域中，經典卡塞格倫光學系統的中心遮擋缺陷，是光學領域亟待解決的問題[3]。本文從光學系統的結構優化設計角度出發，采用系統主鏡和次鏡開孔的設計方案，以提高系統的傳輸效率。

1 光學系統結構設計

如圖1所示，該光電檢測光學系統采用主鏡和次鏡開孔的設計結構，系統由光源、透鏡組、布拉格光纖、耦合透鏡、主鏡和次鏡組成。在該結構中，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、系統的總長度為L、透鏡組的厚度分別為d1和d2、耦合系統的孔徑為d4、耦合光束的寬度為d3、光束發散角為、耦合系統的發射光束發散角為、主鏡的曲率半徑為、耦合透鏡的耦合效率為η。

2 光學系統結構建模及優化

利用光學軟件CODE-V對光學系統結構進行了建模，如圖2所示。根據建模的初始參數，結合點光源信息在系統中傳輸的效率，對系統的參數進行最優化計算，如表1所示。通過光學軟件Ze-max對系統的光學調制傳遞函數進行了仿真分析，得到如圖3所示的仿真結果。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，該光學系統的光學調制傳遞函數都非常理想，均接近于衍射極限條件下的調制傳遞函數曲線，由此可以判定系統的性能非常好。

3 結語

本文從優化設計光電檢測光學系統的結構角度出發，采用系統主鏡和次鏡開孔的設計方案，利用光學軟件CODE-V對系統進行了結構建模和參數最優化計算，并通過光學軟件Ze-max對系統的光學調制傳遞函數進行了仿真分析，得到該光學系統傳輸效率較高的結論。

參考文獻

[1] 葛林，邱昆，唐明光.激光空間通信中的天線研究[J].電子科技大學學報，1998，27（4）：367-368.

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

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