CN111045201A - 一种小型化激光通信系统光学天线 - Google Patents

一种小型化激光通信系统光学天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，特别是涉及一种小型化激光通信系统的光学天线，包括正透镜组a1、第一负透镜a2和反射镜m1，所述正透镜组a1包括第一正透镜b1、第二负透镜b2和第二正透镜b3，接收激光时，光线依次经过第一正透镜b1、反射镜m1、第二负透镜b2、第二正透镜b3、第一负透镜a2，发射激光时，光线依次经过第一负透镜a2、第二正透镜b3、第二负透镜b2、反射镜m1、第一正透镜b1，本光学天线结构简单，工程上实现难度小，结构紧凑，有利于实现光机系统轻小型化，可广泛应用于机载、星载激光通信技术领域。

Description

一种小型化激光通信系统光学天线
技术领域
本发明属于无线激光通信技术领域，特别是涉及一种用于无线激光通信系统的小型化、轻量化的透射式激光收发光学天线。
背景技术
无线激光通信是指利用激光束作为信道在空间直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，其优势在于频带较宽，可以增加链路通信容量，设备功耗、质量、体积较小，波束发散角较小，具有良好的抗干扰和抗截获性能，系统安全性高。可广泛应用于机载、星载平台的高速宽带通信。
无线激光通信系统目前主要采用反射式和折反式两种形式，具有接收口径较大的、无色差、轴向尺寸可折叠等特点，但随着无线激光通信技术的发展，比如光源电光转换效率的提高、相干光通信探测灵敏度的提升，激光通信可实现小口径光学接收。随着卫星、飞机等平台对高速光通信的需求更加迫切，开发适用于上述平台的小型化、轻量化的光学收发天线尤为重要。
无线激光通信系统的收发天线多采用卡塞格林反射式的光学天线，虽然可以实现大口径接收，但是其中心存在遮拦，对于小型化的光学天线系统不适用，离轴三反、离轴四反等离轴光学系统中心无遮拦，但是横向尺寸较大，且加工装调难度较大，不利于实现光学系统的小型化。上述因素制约着光学天线进一步小型化、轻量化。
发明内容
本发明的目的在于解决卡塞格林光学天线同轴两反结构存在中心遮拦，离轴光学系统存在的横向尺寸大、装调困难等问题，提供一种适于目前技术发展趋势，且更加小型、轻量化、易装配的无线激光通信光学天线。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种小型化激光通信系统的光学天线，其特征在于，包括正透镜组a1、第一负透镜a2和反射镜m1，所述正透镜组a1包括第一正透镜b1、第二负透镜b2和第二正透镜b3；
接收激光时，光线依次经过正透镜组a1和第一负透镜a2，在光线经过正透镜组a1时，光线首先经过第一正透镜b1改变方向，然后经过反射镜m1折射，再依次经过第二负透镜b2和第二正透镜b3，最后再经第一负透镜a2准直；
发射激光时，光线依次经过第一负透镜a2和正透镜组a1，在经过正透镜组a1时，光线首先依次经过第二正透镜b3和第二负透镜b2，再经过反射镜m1反射，最后在第一正透镜b1被准直。
首先，本发明采用正负透镜组合方式，光学结构等效于伽利略式望远系统结构，有效降低了轴向尺寸；其次，本发明在光学结构上采用正负透镜的组合方式，正透镜组分三个单元，前端正透镜(即第一正透镜b1)采用片数较少、光束直径较大、光角度为正的正透镜，后端采用直径较小的正、负透镜组合(即第二负透镜b2和第二正透镜b3)，通过组合，最终达到减少透镜数量的目的，保证像质的同时，有效降低光学元件的整体质量，实现光学元件的轻量化；再次，本发明采用纯透射式的光学系统设计，光学天线中心无遮拦，接收和发射效率都有明显提高，通过多层介质膜镀膜，可实现较高的光学效率。
进一步，所述反射镜的折转角度为90°(可根据整体需求进行调整)，有效减小了光学天线的轴向尺寸。
进一步，所述第一正透镜b1为平凸透镜，凸面的曲率半径为152±1；所述第二负透镜b2为双凹透镜，曲率半径分别为-66±1和-182±1；所述第二正透镜b3为双凸透镜，曲率半径分别为23±1和33±1；所述第一负透镜a2为凹凸透镜，曲率半径分别为-28±1和18±1。
所述第一正透镜b1的厚度为9mm，所述第二负透镜b2的厚度为4mm，所述第二正透镜b3的厚度为7mm，所述第一负透镜a2的厚度为5mm。
所述第一正透镜b1与第二负透镜b2之间的中心间隔为115±1mm，所述第二负透镜b2与第二正透镜b3之间的中心间隔为0.1mm，所述第二正透镜b3与第一负透镜a2之间的中心间隔为24±1mm。
所述第一正透镜b1、第二负透镜b2、第二正透镜b3以及第一负透镜a2采用型号为H-ZF52GT的玻璃材质。
通过对各透镜曲率半径、厚度、间隔以及材质的合理优化，有效减小光学天线的球差、彗差、畸变、色差等像差，全视场内的波前差RMS小于0.04λ，保证像质的前提下，可实现的最大变倍比T约为15-20倍，有效降低光学天线后续光学元件的尺寸，工作波长基本可以实现可见光到短波红外的单点或者多点激光信号的覆盖。
进一步，第一正透镜b1、第二负透镜b2、第二正透镜b3以及第一负透镜a2均为球面透镜，透镜直径均小于100mm，可较好的校正各类像差，易于加工，实现良好的光学性能，公差敏感度低，装调难度相对较小。
综上所述，本光学天线的优点在于：
(1)工程上易实现
本光学天线采用小于100mm直径的球面透镜实现，可较好的校正各类像差，易于加工，实现良好的光学性能，公差敏感度低，装调难度相对较小。
(2)小型化
采用正、负透镜组组合方式，光学结构上等效于伽利略式望远系统结构，有效降低轴向尺寸；采用反射镜实现90°的光路折转，进一步压缩轴向尺寸。
(3)轻量化
光学结构上采用正负透镜组的组合方式，保证像质的同时，有效降低透镜的总体质量，实现光学元件的轻量化。
(4)效率高
采用纯透射式的光学系统设计，光学天线中心无遮拦，接收和发射效率都有明显提高，通过多层介质膜镀膜，可实现较高的光学效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中两幅，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明光学天线的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种小型化激光通信系统的光学天线，包括正透镜组a1、第一负透镜a2和反射镜m1，其中，正透镜组a1包括第一正透镜b1、第二负透镜b2和第二正透镜b3，根据像质要求，各个透镜可以为单个透镜或者多片透镜的组合。
接收激光时，光线依次经过正透镜组a1和第一负透镜a2，具体过程是光线首先经过正透镜组a1汇聚，光束直径随着距离逐渐缩小，光线到达第一负透镜a2时，光线在较小直径状态被准直；在光线经过正透镜组a1时，光线首先经过第一正透镜b1改变方向，然后经过反射镜m1折转，再依次经过第二负透镜b2和第二正透镜b3，最后再经第一负透镜a2准直；光学天线的倍数为T，接收光束的直径被压缩T倍，接收光线的发散角被扩大T倍，若入射光束直径为D1，出射光束的直径为D2，那么D1/D2＝T。
发射激光时，光线依次经过第一负透镜a2和正透镜组a1，在经过正透镜组a1时，光线首先依次经过第二正透镜b3和第二负透镜b2，再经过反射镜m1折转，最后在第一正透镜b1被准直，相反，发射光线的直径被扩大T倍，发射光线的发散角被压缩T倍。
首先，本发明采用正负透镜组合方式，光学结构等效于伽利略式望远系统结构，有效降低了轴向尺寸；其次，本发明在光学结构上采用正负透镜的组合方式，正透镜组分三个单元，前端正透镜(即第一正透镜b1)采用片数较少、光束直径较大、光角度为正的正透镜，后端采用直径较小的正、负透镜组合(即第二负透镜b2和第二正透镜b3)，通过组合，最终达到减少透镜数量的目的，保证像质的同时，有效降低光学元件的整体质量，实现光学元件的轻量化；再次，本发明采用纯透射式的光学系统设计，光学天线中心无遮拦，接收和发射效率都有明显提高，通过多层介质膜镀膜，可实现较高的光学效率。
作为本发明的一种优选实施方式，反射镜m1的折转角度为90°(可根据整体需求进行调整)，经过反射镜折转可以有效减小光学天线的轴向尺寸。
作为本发明的一种优选实施方式，所述第一正透镜b1为平凸透镜，凸面的曲率半径为152.813；所述第二负透镜b2为双凹透镜，曲率半径分别为-66.436和-182.691；所述第二正透镜b3为双凸透镜，曲率半径分别为23.526和33.877；所述第一负透镜a2为凹凸透镜，曲率半径分别为-28.676和18.099。
所述第一正透镜b1的厚度为9mm，所述第二负透镜b2的厚度为4mm，所述第二正透镜b3的厚度为7mm，所述第一负透镜a2的厚度为5mm。
所述第一正透镜b1与第二负透镜b2之间的中心间隔为115mm，所述第二负透镜b2与第二正透镜b3之间的中心间隔为0.1mm，所述第二正透镜b3与第一负透镜a2之间的中心间隔为24.906mm。
通过对各透镜曲率半径、厚度、间隔以及材质的合理优化，有效减小光学天线的球差、彗差、畸变、色差等像差，全视场内的波前差RMS小于0.04λ，保证像质的前提下，可实现的最大变倍比T约为15-20倍，有效降低光学天线后续光学元件的尺寸，工作波长基本可以实现可见光到短波红外的单点或者多点激光信号的覆盖。
作为本发明的一种优选实施方式，第一正透镜b1、第二负透镜b2、第二正透镜b3以及第一负透镜a2均为球面透镜，透镜直径均小于100mm，可较好的校正各类像差，易于加工，实现良好的光学性能，公差敏感度低，装调难度相对较小。
综上所述，本光学天线结构简单，工程上实现难度小，结构紧凑，有利于实现光机系统轻小型化，可广泛应用于机载、星载激光通信技术领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型化激光通信系统的光学天线，其特征在于，包括正透镜组a1、第一负透镜a2和反射镜m1，所述正透镜组a1包括第一正透镜b1、第二负透镜b2和第二正透镜b3；
接收激光时，光线依次经过正透镜组a1和第一负透镜a2，在光线经过正透镜组a1时，光线首先经过第一正透镜b1改变方向，然后经过反射镜m1折射，再依次经过第二负透镜b2和第二正透镜b3，最后再经第一负透镜a2准直；
发射激光时，光线依次经过第一负透镜a2和正透镜组a1，在经过正透镜组a1时，光线首先依次经过第二正透镜b3和第二负透镜b2，再经过反射镜m1反射，最后在第一正透镜b1被准直。
2.根据权利要求1所述的小型化激光通信系统的光学天线，其特征在于：所述反射镜的折转角度为90°。
3.根据权利要求1所述的小型化激光通信系统的光学天线，其特征在于：所述第一正透镜b1为平凸透镜，凸面的曲率半径为152±1；所述第二负透镜b2为双凹透镜，曲率半径分别为-66±1和-182±1；所述第二正透镜b3为双凸透镜，曲率半径分别为23±1和33±1；所述第一负透镜a2为凹凸透镜，曲率半径分别为-28±1和18±1。
4.根据权利要求1所述的小型化激光通信系统的光学天线，其特征在于：所述第一正透镜b1的厚度为9mm，所述第二负透镜b2的厚度为4mm，所述第二正透镜b3的厚度为7mm，所述第一负透镜a2的厚度为5mm。
5.根据权利要求1所述的小型化激光通信系统的光学天线，其特征在于：所述第一正透镜b1与第二负透镜b2之间的中心间隔为115±1mm，所述第二负透镜b2与第二正透镜b3之间的中心间隔为0.1mm，所述第二正透镜b3与第一负透镜a2之间的中心间隔为24±1mm。
6.根据权利要求1所述的小型化激光通信系统的光学天线，其特征在于：所述第一正透镜b1、第二负透镜b2、第二正透镜b3以及第一负透镜a2采用型号为H-ZF52GT的玻璃材质。
7.根据权利要求1所述的小型化激光通信系统的光学天线，其特征在于：第一正透镜b1、第二负透镜b2、第二正透镜b3以及第一负透镜a2均为球面透镜，透镜直径均小于100mm。
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