激光通信終端光學系統雜散光抑制技術研究

趙 迎,接長偉

(長春理工大學光電信息學院,吉林 長春 130052)

1 引 言

反射光學系統具有易于輕量化、對溫度變化不敏感、無色差等諸多優勢,因此在激光通信終端光學系統中往往采用反射式結構。目前,國內外對兩反系統的雜散光分析研究已經非常深入,長春光機所的史光輝對卡塞格林系統的遮光罩,擋光環等消雜散光措施的設置給出了詳細的分析[1]；西安光機所的李婷等定量計算了同類系統的雜散光數值[2]；美國國家天文臺的史蒂芬等人對地基天文望遠系統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、機械結構表面的光學參數,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,得到最初的分析結果。然后,根據結果改進模型,修改遮光罩的設計,在散射路徑上加入遮光葉片等,最終減小光學系統雜散光水平[4]。常規的卡塞格林光學天線具有工作波長范圍寬、消像差能力強、結構簡單、像質優良等優點,被美國、歐洲、日本以及中國廣泛應用于衛星激光通信終端,但由于卡-格光學天線是同軸光學結構形式,不可避免會出現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置光陷阱等措施抑制散射光,但不能從根本降低卡-格光學天線的后向散射[5-9]。采取上述雜散光抑制措施的卡-格光學天線的隔離度僅能達到55 dB,離軸三反光學天線可避免同軸光學天線中發射光路出現180°的后向反射和散射,其收發隔離度達到90～100 dB,而同軸光學天線的隔離度僅能達到30～55 dB[10-12]。因此,光學天線采用離軸三反光學結構形式,是激光通信終端具備高收發隔離度的基礎。

基于光學表面散射理論,本文提出在光學設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,測量結果與仿真分析一致。滿足衛星激光通信系統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(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i表示入射;s表示散射;L(αs,βs)是光學面的輻亮度;E(αi)是入射光的輻照度。對于光學鏡面(哈維模型)其表面散射能量分布與出射角的關系如圖1所示。

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

對于光滑的光學表面,98 %散射能量分布在出射角附近 ±7°以內,結合工程實現性,所以在光學設計中,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 光學設計參數

激光通信終端光學系統的工作波長為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。根據指標要求選取激光通信終端光學系統的初始結構進行優化,主、次鏡成一次中間像,目鏡將一次像轉成平行光,限制光線出射角不小于8°,用Code V軟件完成了如圖2所示的光學設計,從調制傳遞函數曲線圖3可以看出,設計結果滿足使用要求。

圖2 離軸光學天線結構形式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；光學件鏡面反射率大于99.8 %。根據光學設計和結構設計結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)以及內部物理性質,按照光學件、結構件的實際情況賦值。通過對系統進行非順序光線追跡,分析到達系統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

光學系統的雜光由散射雜光與邊緣衍射雜光共同構成,圖5為該光學系統衍射雜光PSTd(θ)的計算值(一級衍射雜光)。

圖5 光學系統衍射雜光PSTFig.5 Optical system diffracted stray light PST

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

圖6 光學系統雜散光抑制能力PST曲線圖Fig.6 PST curve of stray light suppressioncapability of optical system

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

5 實驗結果

系統加工裝調集成后,波像差測量結果如表2所示,測試結果表明: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 系統測試結果Tab.2 System test results

6 結 論

收發一體雙向通信的離軸三反光學天線的雜散光與光學設計方案有關,采用Code V軟件設計完成了全視場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系統設計,設計結果滿足系統使用要求。通過雜散光仿真分析條件給出雜散光抑制能力分析模型,進而對光學系統衍射雜光點源透過率和光學系統雜散光抑制能力點源透過率進行了分析。測試結果與仿真的結果一致,滿足衛星激光通信系統使用要求。