一种高性能光电检测光学系统优化设计

黄凯郦　文忠　熊铁军　谢辉　罗涛

摘 要：经典卡塞格伦光学系统的中心遮挡一直是影响系统光学信息传输效率的重要因素，本文设计高性能光电检测光学系统，采用主镜和次镜开孔的设计方案，解决中心光束被遮挡的问题。利用光学软件CODE-V对系统进行结构建模以及参数优化计算，并通过光学软件Ze-max对系统的光学调制传递函数进行分析，以实现系统的优化设计。

关键词：光学系统 优化 设计

中圖分类号：TH744 文献标识码：A 文章编号：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

空间光通信设备具有体积小、重量轻、功耗低、效率高等优势，尤其是应用于激光卫星通信的光学系统，对系统的体积、重量、功耗、效率要求更高[1]。随着科技的快速进步，信息传输总量越来越大，那么对于系统的传输效率要求也越来越高[2]。在空间光信息传输领域中，经典卡塞格伦光学系统的中心遮挡缺陷，是光学领域亟待解决的问题[3]。本文从光学系统的结构优化设计角度出发，采用系统主镜和次镜开孔的设计方案，以提高系统的传输效率。

1 光学系统结构设计

如图1所示，该光电检测光学系统采用主镜和次镜开孔的设计结构，系统由光源、透镜组、布拉格光纤、耦合透镜、主镜和次镜组成。在该结构中，光源采用632.8nm的激光，主镜的孔径为D1、次镜的孔径为D2、次镜的开孔孔径为D3、系统的总长度为L、透镜组的厚度分别为d1和d2、耦合系统的孔径为d4、耦合光束的宽度为d3、光束发散角为、耦合系统的发射光束发散角为、主镜的曲率半径为、耦合透镜的耦合效率为η。

2 光学系统结构建模及优化

利用光学软件CODE-V对光学系统结构进行了建模，如图2所示。根据建模的初始参数，结合点光源信息在系统中传输的效率，对系统的参数进行最优化计算，如表1所示。通过光学软件Ze-max对系统的光学调制传递函数进行了仿真分析，得到如图3所示的仿真结果。从图3中可以看出，对于多个视场角（0°、0.2°、0.4°、0.6°）情况下，该光学系统的光学调制传递函数都非常理想，均接近于衍射极限条件下的调制传递函数曲线，由此可以判定系统的性能非常好。

3 结语

本文从优化设计光电检测光学系统的结构角度出发，采用系统主镜和次镜开孔的设计方案，利用光学软件CODE-V对系统进行了结构建模和参数最优化计算，并通过光学软件Ze-max对系统的光学调制传递函数进行了仿真分析，得到该光学系统传输效率较高的结论。

参考文献

[1] 葛林，邱昆，唐明光.激光空间通信中的天线研究[J].电子科技大学学报，1998，27（4）：367-368.

[2] 李玉权，朱勇，王江平.光通信原理与技术[M].北京：科学出版社，2006.

[3] 冉英华，杨华军，徐权，等.卡塞格伦光学天线偏轴及性能分析[J].物理学报，2009，58（2）：946-951.