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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)
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    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
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    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 -
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    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
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    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
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    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
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    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
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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

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