激光通信终端光学系统杂散光抑制技术研究

赵 迎,接长伟

(长春理工大学光电信息学院,吉林 长春 130052)

1 引 言

反射光学系统具有易于轻量化、对温度变化不敏感、无色差等诸多优势,因此在激光通信终端光学系统中往往采用反射式结构。目前,国内外对两反系统的杂散光分析研究已经非常深入,长春光机所的史光辉对卡塞格林系统的遮光罩,挡光环等消杂散光措施的设置给出了详细的分析[1]；西安光机所的李婷等定量计算了同类系统的杂散光数值[2]；美国国家天文台的史蒂芬等人对地基天文望远系统的杂散光抑制方法进行了研究[3]。这些工作使用的主要方法是建立实体模型,包括给定各个光学、机械结构表面的光学参数,通过改进的蒙特卡洛法进行光线追迹,确定各离轴角度的杂散光传输路径,得到最初的分析结果。然后,根据结果改进模型,修改遮光罩的设计,在散射路径上加入遮光叶片等,最终减小光学系统杂散光水平[4]。常规的卡塞格林光学天线具有工作波长范围宽、消像差能力强、结构简单、像质优良等优点,被美国、欧洲、日本以及中国广泛应用于卫星激光通信终端,但由于卡-格光学天线是同轴光学结构形式,不可避免会出现次镜及次镜支撑筋遮挡引入的后向散射,虽然可以通过次镜打孔或设置光陷阱等措施抑制散射光,但不能从根本降低卡-格光学天线的后向散射[5-9]。采取上述杂散光抑制措施的卡-格光学天线的隔离度仅能达到55 dB,离轴三反光学天线可避免同轴光学天线中发射光路出现180°的后向反射和散射,其收发隔离度达到90～100 dB,而同轴光学天线的隔离度仅能达到30～55 dB[10-12]。因此,光学天线采用离轴三反光学结构形式,是激光通信终端具备高收发隔离度的基础。

基于光学表面散射理论,本文提出在光学设计中控制光线出射角不小于8°,20°离轴角轴外杂散光抑制能力大于60 dB,测量结果与仿真分析一致。满足卫星激光通信系统捕跟和通信对光线天线杂散光抑制的要求。

2 表面散射理论

对于一个表面通常用双向散射分布函数(bidirectional scattering distribution function)评价其表面散射特性,BSDF的定义如下所示:

(1)

其中,a是高低角;b是方位角;下标i表示入射;s表示散射;L(αs,βs)是光学面的辐亮度;E(αi)是入射光的辐照度。对于光学镜面(哈维模型)其表面散射能量分布与出射角的关系如图1所示。

图1 光学镜面散射能量分布与方位角Fig.1 Optical mirror scattering energy distribution and azimuth angle

对于光滑的光学表面,98 %散射能量分布在出射角附近 ±7°以内,结合工程实现性,所以在光学设计中,对光线出射角限制在不小于8°,可避免大部分后向散射直接进入视场。

3 光学设计参数

激光通信终端光学系统的工作波长为830 nm,入瞳直径125 mm,物方视场15 mrad,全视场MTF值>0.65@100线对/mm。根据指标要求选取激光通信终端光学系统的初始结构进行优化,主、次镜成一次中间像,目镜将一次像转成平行光,限制光线出射角不小于8°,用Code V软件完成了如图2所示的光学设计,从调制传递函数曲线图3可以看出,设计结果满足使用要求。

图2 离轴光学天线结构形式Fig.2 Off-axis optical antenna structure

图3 MTF曲线Fig.3 MTF curve

4 杂散光仿真分析

杂散光仿真分析中所有光学件均采用哈维模型(RMS粗糙度0.5～3 nm),所有机械件均采用多项式散射模型。杂散光仿真模型中机械件表面朗伯散射率0.15；光学件镜面反射率大于99.8 %。根据光学设计和结构设计结果建立杂散光仿真分析模型。

杂散光抑制能力分析模型如图4所示。仿真模型的表面特性(反射率、散射模型等)以及内部物理性质,按照光学件、结构件的实际情况赋值。通过对系统进行非顺序光线追迹,分析到达系统像面的杂散光能量大小。

图4 轴外杂散光抑制能力分析模型Fig.4 Analytical model of off-axis straylight suppression capability

光学系统的杂光由散射杂光与边缘衍射杂光共同构成,图5为该光学系统衍射杂光PSTd(θ)的计算值(一级衍射杂光)。

图5 光学系统衍射杂光PSTFig.5 Optical system diffracted stray light PST

系统总PST(散射和衍射)如图6和表1所示,光学系统轴外杂光抑制能力大于45 dB。

图6 光学系统杂散光抑制能力PST曲线图Fig.6 PST curve of stray light suppressioncapability of optical system

表1 光学系统轴外杂散光抑制能力表Tab.1 Suppression ability of off-axis straylit of optical system

5 实验结果

系统加工装调集成后,波像差测量结果如表2所示,测试结果表明:0视场RMS值为15.92 nm；0视场PV值为120.1 nm；FOV1 RMS值为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值为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值为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值为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)。轴外杂光范围及抑制能力(5°～20°)≥45 dB,与实测结果相符,验证了杂散光分析模型,分析方法的正确性。

表2 系统测试结果Tab.2 System test results

6 结 论

收发一体双向通信的离轴三反光学天线的杂散光与光学设计方案有关,采用Code V软件设计完成了全视场MTF值>0.65@100线对/mm且光线出射角不小于8°的激光通信终端光学系统设计,设计结果满足系统使用要求。通过杂散光仿真分析条件给出杂散光抑制能力分析模型,进而对光学系统衍射杂光点源透过率和光学系统杂散光抑制能力点源透过率进行了分析。测试结果与仿真的结果一致,满足卫星激光通信系统使用要求。