留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

大倍率离轴无焦四反光学系统设计

陈胜楠 姜会林 王春艳 陈哲

陈胜楠, 姜会林, 王春艳, 陈哲. 大倍率离轴无焦四反光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(1): 179-188. doi: 10.3788/CO.20201301.0179
引用本文: 陈胜楠, 姜会林, 王春艳, 陈哲. 大倍率离轴无焦四反光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(1): 179-188. doi: 10.3788/CO.20201301.0179
CHEN Sheng-nan, JIANG Hui-lin, WANG Chun-yan, CHEN Zhe. Design of off-axis four-mirror afocal optical system with high magnification[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 179-188. doi: 10.3788/CO.20201301.0179
Citation: CHEN Sheng-nan, JIANG Hui-lin, WANG Chun-yan, CHEN Zhe. Design of off-axis four-mirror afocal optical system with high magnification[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 179-188. doi: 10.3788/CO.20201301.0179

大倍率离轴无焦四反光学系统设计

doi: 10.3788/CO.20201301.0179
基金项目: 

国家自然基金重大研究计划 No. 91838301

详细信息
    作者简介:

    陈胜楠(1988-), 女, 吉林长春人, 博士, 2015年于长春理工大学获得硕士学位, 主要从事光学系统设计方面的研究。E-mail:865666068@qq.com

    姜会林(1945-), 男, 辽宁辽中人, 博士, 教授、博士生导师, 中国工程院院士, 应用光学专家。E-mail:hljiang@cust.edu.cn

  • 中图分类号: O439

Design of off-axis four-mirror afocal optical system with high magnification

Funds: 

Supported by National Natural Science Foundation of China No. 91838301

More Information
  • 摘要: 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±8 μrad,波前误差RMS值优于0.005λPV值优于0.023λλ=1 064 nm),波前一致性残差RMS值优于0.000 8λλ=1 064 nm),在捕获视场±200 μrad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。

     

  • 图 1  光学系统初始结构

    Figure 1.  Initial structure of optical system

    图 2  初始同轴系统结构设计结果

    Figure 2.  Result of structure design for initial on-axis optical system

    图 3  口径中采样位置的选取

    Figure 3.  Selection of sampling positions on the pupil

    图 4  优化后的光学系统结构

    Figure 4.  Optical system structure after optimization

    图 5  出瞳不同视场点的波前误差

    Figure 5.  Wave-front errors on exit pupil at different field of view points

    图 6  平均波前误差

    Figure 6.  Average wave-front error

    图 7  不同视场点处的波前一致性残差

    Figure 7.  Wave-front similarity residuals at different field-of-view points

    图 8  捕获视场MTF曲线

    Figure 8.  MTF curves of capture field of view

    图 9  波前误差累积概率曲线图

    Figure 9.  Cumulative probability of RMS wave-front error

    表  1  光学系统指标

    Table  1.   Optical system requirements

    系统参数 技术指标
    光学口径/mm 200
    工作波长/nm 1 064
    捕获视场/μrad ±200
    科学视场/μrad ±8
    激光束放大倍数 40
    波前质量(科学视场内) λ/30RMS(λ=1 064 nm)
    下载: 导出CSV

    表  2  光学系统的结构参数

    Table  2.   Structural parameters of optical system

    结构参数 取值范围 取值
    α1 (0, 1) 0.055 47
    α2 (-∞, 0) -0.101 75
    α3 (0, ∞) 4.432 66
    β1 (-∞, 0) -18.020 53
    β2 (-∞, ∞) -1.130 47
    下载: 导出CSV

    表  3  优化后光学系统的设计参数

    Table  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 -
    下载: 导出CSV

    表  4  出瞳波前误差

    Table  4.   Wave-front errors on exit pupil

    视场(μrad) RMS(λ=1 064 nm) PV(λ=1 064 nm)
    (0, 0) 0.005λ 0.021λ
    (5.6, 0) 0.005λ 0.023λ
    (8.0, 0) 0.005λ 0.023λ
    (0, 5.6) 0.005λ 0.022λ
    (0, 8.0) 0.005λ 0.022λ
    (0, -5.6) 0.004λ 0.021λ
    (0, -8.0) 0.004λ 0.021λ
    下载: 导出CSV

    表  5  波前一致性残差

    Table  5.   Wave-front similarity residuals

    视场(μrad) RMS(λ=1 064 nm) PV(λ=1 064 nm)
    (0, 0) 0.000 19λ 0.001λ
    (5.6, 0) 0.000 35λ 0.003λ
    (8.0, 0) 0.000 58λ 0.005λ
    (0, 5.6) 0.000 57λ 0.005λ
    (0, 8.0) 0.000 79λ 0.007λ
    (0, -5.6) 0.000 57λ 0.005λ
    (0, -8.0) 0.000 79λ 0.007λ
    下载: 导出CSV

    表  6  公差分配结果

    Table  6.   Tolerance allocation of optical system

    类型 公差项 主镜 次镜 三镜 四镜
    加工公差 曲率半径(mm) 0.1 0.02 0.5 0.1
    二次曲面系数 0.000 5 0.001 - -
    面形精度(λ=1 064 nm) 1/100λ 1/100λ 1/200λ 1/200λ
    装调公差 X向位移(μm) - 5 20 20
    Y向位移(μm) - 5 20 20
    Z向位移(μm) - 5 20 20
    X轴倾斜(″) - 20 20 20
    Y轴倾斜(″) - 20 20 20
    Z轴倾斜(″) - 40 60 60
    下载: 导出CSV

    表  7  波前误差累积概率

    Table  7.   Cumulative probability of RMS wave-front error

    累积概率 全视场波前误差变化(λ=1 064 nm)
    50% 0.005 1λ
    84.1% 0.007 6λ
    97.7% 0.009 6λ
    99.9% 0.011 4λ
    下载: 导出CSV
  • [1] JENNRICH O. LISA technology and instrumentation[J]. Classical and Quantum Gravity, 2009, 26(15): 153001. doi: 10.1088/0264-9381/26/15/153001
    [2] HU W R, WU Y L. The Taiji program in space for gravitational wave physics and the nature of gravity[J]. National Science Review, 2017, 4(5): 685-686. doi: 10.1093/nsr/nwx116
    [3] LIVAS J C, ARSENOVIC P, CROW J A, et al.. Telescopes for space-based gravitational wave missions[J]. Optical Engineering, 2013, 52(9): 091811. doi: 10.1117/1.OE.52.9.091811
    [4] VERLAAN A L, HOGENHUIS H, PIJNENBURG J, et al.. LISA telescope assembly optical stability characterization for ESA[C].International Conference on Space OpticsICSO 2012. International Society for Optics and Photonics, 2017, 10564: 105640K. https://www.researchgate.net/publication/258719157_LISA_Telescope_Assembly_Optical_Stability_Characterization_for_ESA
    [5] 刘河山, 高瑞弘, 罗子人, 等.空间引力波探测中的绝对距离测量及通信技术[J].中国光学, 2019, 12(3):486-492. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zggxyyygxwz201903008

    LIU H SH, GAO R H, LUO Z R, et al.. Laser ranging and data communication for space gravitational wave detection[J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 486-492. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zggxyyygxwz201903008
    [6] SANKAR S, LIVAS J. Testing and characterization of a prototype telescope for the evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA)[C]. Space Telescopes and Instrumentation 2016: Optical, Infrared, and Millimeter Wave. International Society for Optics and Photonics, 2016, 9904: 99045A.
    [7] 王智, 沙巍, 陈哲, 等.空间引力波探测望远镜初步设计与分析[J].中国光学, 2018, 11(1):131-151. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zggxyyygxwz201801014

    WANG ZH, SHA W, CHEN ZH, et al..Preliminary design and analysis of telescope for space gravitational wave detection[J]. Chinese Optics, 2018, 11(1), 131-151. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zggxyyygxwz201801014
    [8] 孙可, 江厚满, 程湘爱.强光辐照下主镜表面散射引起的视场内杂光分布[J].光学 精密工程, 2011, 19(2): 493-499. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201102040

    SUN K, JIANG H M, CHENG X A. Distribution of in-field stray light due to surface scattering from primary mirror illuminated by intense light[J]. Opt. Precision Eng., 2011, 19(2): 493-499. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201102040
    [9] SHIRI R, STEIN R, MURPHY K, et al.. Fabrication of petal-shaped masks for suppression of the on-axis poisson spot in telescope systems[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(4): 043112. doi: 10.1063/1.4945793
    [10] 高瑞弘, 刘河山, 罗子人, 等.太极计划激光指向调控方案介绍[J].中国光学, 2019, 12(3): 425-431. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zggxyyygxwz201903002

    GAO R H, LIU H SH, LUO Z R, et al.. Introduction of laser pointing scheme in the Taiji program[J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 425-431. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zggxyyygxwz201903002
    [11] SCHUSTER S. Tilt-to-length coupling and diffraction aspects in satellite interferometry[D]. Hannover: Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, 2017.
    [12] SCHUSTER S, WANER G, TRÖBS M, et al.. Vanishing tilt-to-length coupling for a singular case in two-beam laser interferometers with Gaussian beams[J]. Applied optics, 2015, 54(5): 1010-1014. doi: 10.1364/AO.54.001010
    [13] WANNER G. Complex optical systems in space: numerical modelling of the heterodyne interferometery of LISA Pathfinder and LISA[D]. Hannover: Albert Enstein Institute & University of Hannover, 2010.
    [14] 马烈, 陈波.三维成像载荷共孔径光学系统设计[J].光学 精密工程, 2018, 26(9): 2326-2333. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201809026

    MA L, CHEN B. Optical design of a co-aperture system for 3-D remote sensing payload[J]. Opt. Precision Eng., 2018, 26(9): 2326-2333. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201809026
    [15] 梅贵, 翟岩, 曲贺盟, 等.离轴三反系统的无应力装调[J].光学 精密工程, 2015, 23(12): 3414-3421. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201512018

    MEI G, ZHAI Y, QU H M, et al.. Stress-free alignment of off-axis three-mirror system[J]. Opt. Precision Eng., 2015, 23(12): 3414-3421. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201512018
    [16] 杜福嘉, 李朋辉.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].光学 精密工程, 2018, 26(3): 616-623. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201803013

    DU F J, LI P H. Effect of material expansion coefficient and lubrication on telescope load torque under low temperature[J]. Opt. Precision Eng., 2018, 26(3): 616-623. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201803013
  • 加载中
图(9) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  1281
  • HTML全文浏览量:  347
  • PDF下载量:  91
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-05
  • 修回日期:  2019-08-30
  • 刊出日期:  2020-02-01

目录

    /

    返回文章
    返回