大倍率离轴无焦四反光学系统设计
发布时间：2021-02-16 19:29
空间引力波探测任务采用的是外差法激光干涉测量技术,其对系统的噪声和精度要求极为苛刻。望远镜是引力波探测天文台的重要组成部分,起到激光信号收发的作用,其光学系统应具备大倍率、高像质、杂光抑制能力强,波前误差一致性好的特点。针对上述要求,对大倍率离轴四反无焦光学系统进行了设计和优化。基于初级像差理论阐述了初始结构的求解方法。系统具有中间像面和可用的实出瞳,便于杂光抑制和与后端科学干涉仪的承接。优化过程中,建立了波前一致性优化函数,通过优化设计,系统入瞳直径为200 mm,放大倍率为40倍,科学视场为±8μrad,波前误差RMS值优于0.005λ,PV值优于0.023λ（λ=1 064 nm）,波前一致性残差RMS值优于0.000 8λ（λ=1 064 nm）,在捕获视场±200μrad内的成像质量均接近衍射极限,并对系统公差进行了分析,满足引力波探测的应用需求。
【文章来源】：中国光学. 2020,13(01)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
初始同轴系统结构设计结果
优化过程中,在系统科学视场内取(0,0)、(5.6 μrad,0)、(8 μrad,0)、(0, 5.6 μrad)、(0, 8 μrad)、(0, -5.6 μrad)、(-8 μrad,0)7个视场点,在口径范围内取16个位置(如图3所示),将光程一致性函数Ed作为优化函数的一部分,进行优化。此外,由于极高的杂光抑制要求,系统对光学元件表面粗糙度的要求极高。为提高系统工艺性,应适当控制反射镜尺寸和光路折转角度。采用离轴光学系统设计,提升次镜表面光线的入射角度和次三镜间隔,并在中间像面设置视场光阑可有效减小次镜产生的后向散射杂光。增加光线在三镜和四镜表面的折转角度,同样可以有效降低系统的后向散射能量。优化过程中,还应考虑光阑、遮光罩、挡光板等机械结构的位置和尺寸,以减小来自视场外非成像光束的杂散光。为提高次镜的工艺性,需要对其二次曲面系数进行约束,以控制次镜的非球面度。优化设计得到的光学系统结构如图4所示,参数如表3所示。中心视场主光线在三镜和次镜的折转角度均大于15°,次镜的非球面度低于6 μm,系统具有较高的杂光抑制能力和工艺性。
此外,由于极高的杂光抑制要求,系统对光学元件表面粗糙度的要求极高。为提高系统工艺性,应适当控制反射镜尺寸和光路折转角度。采用离轴光学系统设计,提升次镜表面光线的入射角度和次三镜间隔,并在中间像面设置视场光阑可有效减小次镜产生的后向散射杂光。增加光线在三镜和四镜表面的折转角度,同样可以有效降低系统的后向散射能量。优化过程中,还应考虑光阑、遮光罩、挡光板等机械结构的位置和尺寸,以减小来自视场外非成像光束的杂散光。为提高次镜的工艺性,需要对其二次曲面系数进行约束,以控制次镜的非球面度。优化设计得到的光学系统结构如图4所示,参数如表3所示。中心视场主光线在三镜和次镜的折转角度均大于15°,次镜的非球面度低于6 μm,系统具有较高的杂光抑制能力和工艺性。表3 优化后光学系统的设计参数Tab.3 Design parameters of optical system after optimization 半径(mm) 间隔(mm) 二次曲面类型 主镜 -1 075 -507.68 Ellipsoid 次镜 -63.13 591.95 Ellipsoid 三镜 -947.40 -217.58 - 四镜 -543.89 235.46 -
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间引力波探测中的绝对距离测量及通信技术[J]. 刘河山,高瑞弘,罗子人,靳刚. 中国光学. 2019(03)
[2]太极计划激光指向调控方案介绍[J]. 高瑞弘,刘河山,罗子人,靳刚. 中国光学. 2019(03)
[3]三维成像载荷共孔径光学系统设计[J]. 马烈,陈波. 光学精密工程. 2018(09)
[4]低温环境下材料膨胀系数和润滑对望远镜负载扭矩的影响[J]. 杜福嘉,李朋辉. 光学精密工程. 2018(03)
[5]空间引力波探测望远镜初步设计与分析[J]. 王智,沙巍,陈哲,王永宪,康玉思,罗子人,黎明,李钰鹏. 中国光学. 2018(01)
[6]The Taiji Program in Space for gravitational wave physics and the nature of gravity[J]. Wen-Rui Hu,Yue-Liang Wu. National Science Review. 2017(05)
[7]离轴三反系统的无应力装调[J]. 梅贵,翟岩,曲贺盟,浦前帅. 光学精密工程. 2015(12)
[8]强光辐照下主镜表面散射引起的视场内杂光分布[J]. 孙可,江厚满,程湘爱. 光学精密工程. 2011(02)
本文编号：3036825
【文章来源】：中国光学. 2020,13(01)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
初始同轴系统结构设计结果
优化过程中,在系统科学视场内取(0,0)、(5.6 μrad,0)、(8 μrad,0)、(0, 5.6 μrad)、(0, 8 μrad)、(0, -5.6 μrad)、(-8 μrad,0)7个视场点,在口径范围内取16个位置(如图3所示),将光程一致性函数Ed作为优化函数的一部分,进行优化。此外,由于极高的杂光抑制要求,系统对光学元件表面粗糙度的要求极高。为提高系统工艺性,应适当控制反射镜尺寸和光路折转角度。采用离轴光学系统设计,提升次镜表面光线的入射角度和次三镜间隔,并在中间像面设置视场光阑可有效减小次镜产生的后向散射杂光。增加光线在三镜和四镜表面的折转角度,同样可以有效降低系统的后向散射能量。优化过程中,还应考虑光阑、遮光罩、挡光板等机械结构的位置和尺寸,以减小来自视场外非成像光束的杂散光。为提高次镜的工艺性,需要对其二次曲面系数进行约束,以控制次镜的非球面度。优化设计得到的光学系统结构如图4所示,参数如表3所示。中心视场主光线在三镜和次镜的折转角度均大于15°,次镜的非球面度低于6 μm,系统具有较高的杂光抑制能力和工艺性。
此外,由于极高的杂光抑制要求,系统对光学元件表面粗糙度的要求极高。为提高系统工艺性,应适当控制反射镜尺寸和光路折转角度。采用离轴光学系统设计,提升次镜表面光线的入射角度和次三镜间隔,并在中间像面设置视场光阑可有效减小次镜产生的后向散射杂光。增加光线在三镜和四镜表面的折转角度,同样可以有效降低系统的后向散射能量。优化过程中,还应考虑光阑、遮光罩、挡光板等机械结构的位置和尺寸,以减小来自视场外非成像光束的杂散光。为提高次镜的工艺性,需要对其二次曲面系数进行约束,以控制次镜的非球面度。优化设计得到的光学系统结构如图4所示,参数如表3所示。中心视场主光线在三镜和次镜的折转角度均大于15°,次镜的非球面度低于6 μm,系统具有较高的杂光抑制能力和工艺性。表3 优化后光学系统的设计参数Tab.3 Design parameters of optical system after optimization 半径(mm) 间隔(mm) 二次曲面类型 主镜 -1 075 -507.68 Ellipsoid 次镜 -63.13 591.95 Ellipsoid 三镜 -947.40 -217.58 - 四镜 -543.89 235.46 -
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间引力波探测中的绝对距离测量及通信技术[J]. 刘河山,高瑞弘,罗子人,靳刚. 中国光学. 2019(03)
[2]太极计划激光指向调控方案介绍[J]. 高瑞弘,刘河山,罗子人,靳刚. 中国光学. 2019(03)
[3]三维成像载荷共孔径光学系统设计[J]. 马烈,陈波. 光学精密工程. 2018(09)
[4]低温环境下材料膨胀系数和润滑对望远镜负载扭矩的影响[J]. 杜福嘉,李朋辉. 光学精密工程. 2018(03)
[5]空间引力波探测望远镜初步设计与分析[J]. 王智,沙巍,陈哲,王永宪,康玉思,罗子人,黎明,李钰鹏. 中国光学. 2018(01)
[6]The Taiji Program in Space for gravitational wave physics and the nature of gravity[J]. Wen-Rui Hu,Yue-Liang Wu. National Science Review. 2017(05)
[7]离轴三反系统的无应力装调[J]. 梅贵,翟岩,曲贺盟,浦前帅. 光学精密工程. 2015(12)
[8]强光辐照下主镜表面散射引起的视场内杂光分布[J]. 孙可,江厚满,程湘爱. 光学精密工程. 2011(02)
本文编号：3036825
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