CN111625878A - 一种紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列设计方法 - Google Patents
一种紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列设计方法，分别建立各离轴合束系统内遮光筒圆柱曲面空间解析方程；求解方程组，获得各离轴合束系统内遮光筒最高点空间位置坐标；根据各离轴合束系统内遮光筒最低点与最高点的空间位置坐标，求解各离轴合束系统内遮光筒倾斜端面截面的倾角；根据内遮光筒倾斜截面倾角与内遮光筒圆柱曲面方程，在三维建模软件(ProE、Cero等)中建立紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列。此方法主要通过空间解析几何的方法推导多孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面倾角，该解析思路可以适用于任意多孔径离轴合束系统内遮光筒的设计，本发明有效改善了多孔径离轴合束系统各子孔径之间外部杂散光的相互串扰。
Description
技术领域
本发明涉及激光通信系统杂散光抑制技术领域，具体涉及一种紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列设计方法。
背景技术
激光通信具有高速率、低功耗、高安全性的优点，是未来实现星地大数据通信的有效手段。传统的单孔径激光发射机发射的信号光在达到接收平面后，光斑扭曲和畸变严重，能量集中度低，采用光束合成(相干合成或者非相干合成)方法，将多台激光器合束实现激光阵列多孔径传输系统，是有效克服激光增益介质的非线性效应、克服大气湍流相位影响、获取更高功率的重要途径。紧凑型多孔径合束系统可以在获取高功率并保持较好的光束质量的同时，缩小系统结构尺寸，降低系统造价，提升系统性价比。在光束传输中，系统必须有很强的排除杂光的能力，否则阳光或其他杂散光源就会沉没激光束。紧凑型多孔径离轴合束系统各子孔径之间视场外杂散光存在互相串扰的问题，传统端口平齐的内遮光筒阵列对来自于相邻子孔径的视场外杂散光抑制效果不佳，相邻孔径视场外杂散光会穿过内遮光筒，进入后续成像光路，存在漏光现象。针对多孔径合束系统各子孔径之间视场外杂散光互相串扰的现象，需要设计新型的内遮光筒阵列，成功抑制来自于相邻孔径的视场外杂散光线穿过内遮光筒，进入后续成像光路，降低系统信噪比，影响成像质量。
发明内容：
为克服现有反射式紧凑型多孔径离轴合束系统平齐端口内遮光筒阵列无法有效的遮挡来自相邻子孔径视场外杂散光线，使视场外杂散光线可以直接穿过内遮光筒进入合成成像光路，影响成像效果的问题，本发明的目的是在于提供一种新型内遮光筒阵列数值解析设计方法。该内遮光筒阵列数值解析设计方法通过空间解析几何数值计算确定了内遮光筒阵列倾斜截面位置以及倾斜截面的倾斜角度，便于加工制造；解决了紧凑型多孔径离轴合束系统各子孔径之间视场外杂散光线互相干扰的问题。
为解决以上技术问题，本发明提供以下技术方案：一种紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列设计方法，包括以下步骤：
1)以多孔径离轴合束系统主镜背板所在平面作为坐标XOY平面，以多孔径系统旋转对称轴为Z轴，建立空间右手坐标系；
2)根据光学系统参数，在光学设计软件(Zemax、CODEV)中，分别确定各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最低点空间位置坐标；
3)根据系统尺寸限制及系统外部杂散光抑制角，确定单孔径离轴合束系统外遮光筒边缘点空间位置坐标；
4)根据单孔径离轴合束系统外遮光筒边缘点空间位置坐标和各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最低点空间位置坐标，求解各子孔径之间视场外杂散光互相干扰的最大抑制角平面方程；
5)根据各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最低点空间位置坐标，分别建立各离轴合束系统圆柱形内遮光筒空间圆柱曲面方程；
6)求解方程组，获得各子孔径离轴合束系统内遮光筒斜截面边缘最高点空间位置坐标；
7)根据各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最低点与最高点的空间位置坐标，求解各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面的倾角；
8)根据内遮光筒斜截面倾角与内遮光筒圆柱曲面方程，在三维建模软件(ProE、Cero等)中建立多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列。
所述单孔径离轴合束系统外遮光筒为圆筒形结构，内部有多个挡光环组成，外遮光筒的尺寸由系统的尺寸限制和系统通光口径决定。
所述内遮光筒阵列由三个相同的圆柱筒旋转对称排列组成，每个圆柱筒一端为平面，与主镜基板固定连接，另一端为倾斜截面，抑制相邻子孔径视场外杂散光线穿过内遮光筒进入后续成像光路，所得紧凑型离轴合束系统内遮光筒阵列可以高效抑制相邻子孔径间视场外杂散光的串扰。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明首次提出将紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒边缘一端设计为倾斜截面，在不遮挡成像光线的基础上，充分利用系统空间，抑制相邻子孔径视场外杂散光线穿过内遮光筒进入后续成像光路。与边缘平齐的内遮光筒相比，拥有倾斜截面的紧凑型离轴合束系统内遮光筒阵列可以高效抑制相邻子孔径间视场外杂散光的串扰。
(2)本发明首次结合空间向量运算、空间解析几何基本方法计算获得紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒边缘高点和最低点的空间坐标位置，然后求解离轴合束系统圆柱内遮光筒倾斜截面的倾斜角度θ，便于遮光筒阵列三维模型的快速建立。
附图说明
图1为本发明一种紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列设计方法的流程图；
图2为紧凑型三孔径离轴合束系统关键点在主镜背板平面投影示意图；
图3为单个子孔径离轴合束系统子午平面剖面图；
图4为紧凑型三孔径离轴合束系统单个内遮光筒剖面图；
图5为紧凑型三孔径离轴合束系统倾斜截面内遮光筒阵列示意图；
图6为紧凑型三孔径离轴合束系统平齐端口内遮光筒阵列示意图。
具体实施方式：
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
结合图2至图4所示，采用紧凑型三孔径离轴合束系统内遮光筒阵列设计过程，说明本发明具体实施过程、思路和方法。图2中所示有13个关键点，均为具体实施过程中需要用到的辅助坐标点，点O为紧凑型离轴合束系统的旋转对称轴与系统主镜背板的交点，设为整个系统的坐标原点，主镜背板所在平面为XOY平面，垂直主镜背板平面指向光束入口方向为Z轴方向，建立右手坐标系；OA、OB、OC分别为各子孔径离轴合束系统的光轴与主镜背板的交点，同时也是各子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒中心原点，根据离轴合束系统的相对位置关系可以获得其空间坐标为OA(x1，y1，0)；OB(x2，y2，0)；OC(x3，y3，0)，其中x1，y1，0分别为空间点OA的x、y、z轴坐标，x2，y2，0分别为空间点OB的x、y、z轴坐标，x3，y3，0分别为空间点OC的x、y、z轴坐标；A、B、C三点分别为各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最低点，由离轴合束系统光学结构决定，其空间位置坐标为A(xa，ya，za)；B(xb，yb，zb)；C(xc，yc，zc)，其中xa，ya，za分别为空间点A的x、y、z轴坐标，xb，yb，zb分别为空间点B的x、y、z轴坐标，xc，yc，zc分别为空间点C的x、y、z轴坐标；D、E、F三点分别为各子孔径离轴合束系统外遮光筒边缘点，由离轴合束系统光学结构以及系统尺寸决定，其空间位置坐标为D(xd，yd，zd)；E(xe，ye，ze)；F(xf，yf，zf)，其中xd，yd，zd分别为空间点D的x、y、z轴坐标，xe，ye，ze分别为空间点E的x、y、z轴坐标，xf，yf，zf分别为空间点F的x、y、z轴坐标；G、H、I三点分别为各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最高点，其空间位置坐标可以通过本发明中紧凑型离轴合束系统内遮光筒阵列设计方法求得。图3为单个子孔径离轴合束系统子午平面剖面图，从图中可以进一步明确子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒中心原点OA的位置；子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最低点A的位置；子孔径离轴合束系统外遮光筒边缘点D的位置；以及子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最高点G的位置。
各子孔径离轴合束系统内遮光筒孔径边缘最高点G、H、I三点空间位置坐标求解步骤如下：
1.利用空间向量运算基本方法，求解平面法向量：
上式中(a1，b1，c1)为向量
的空间坐标，
上式中(a2，b2，c2)为向量
的空间坐标，
上式中
为ABF三点确定平面的法向量，(A1，B1，C1)为向量
的空间坐标，同理可得ACF三点确定平面的法向量
BCD三点确定平面的法向量
进一步的，利用空间解析几何基本方法，获得以下平面方程：
ABF三点确定的平面方程为：
A1(x-xa)+B1(y-ya)+C1(z-za)＝0 (1)
ACE三点确定的平面方程为：
A2(x-xc)+B2(y-yc)+C2(z-zc)＝0 (2)
BCD三点确定的平面方程为：
A3(x-xb)+B3(y-yb)+C3(z-zb)＝0 (3)
2.根据已知的空间点坐标位置，利用空间解析几何基本方法，获得以下曲面方程：
以OA为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒圆柱曲面方程：
上式中R1为以OA为圆心的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒的半径，
同理，以OB为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒曲面方程：
上式中R2为以OB为圆心的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒的半径，
以OC为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒曲面方程：
上式中R3为以OC为圆心的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒的半径。
3.根据两两平面相交获得交线，交线与单个子孔径离轴合束系统圆柱曲面相交获得子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最高点与最低点空间位置坐标。
解方程组(1)(2)(4)获得以OA为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒边缘最低点A(xa，ya，za)和最高点G(xg，yg，zg)；
解方程组(1)(3)(5)获得以OB为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒边缘最低点B(xb，yb，zb)和最高点H(xh，yh，zh)；
解方程组(2)(3)(6)获得以OC为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒边缘最低点C(xc，yc，zc)和最高点I(xi，yi，zi)。
4.获得单个子孔径离轴合束系统内遮光筒圆柱曲面边缘最高点和最低点后，根据空间向量计算基本方法，求解离轴合束系统圆柱内遮光筒倾斜截面的倾斜角度θ。
如图4所示，单个子孔径离轴合束系统内遮光筒一端为平面，固定在离轴主镜背板上，另一端为斜面与主镜背板法向单位向量
夹角为θ，
以OA为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒斜截面平面内向量
则倾斜截面倾斜角度，
以OB为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒斜截面平面内向量
则倾斜截面倾斜角度，
以OC为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒斜截面平面内向量
则倾斜截面倾斜角度，
5.多孔径离轴合束系统以OA为圆心的子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面与AGOA三点确定的平面垂直，而且与主镜背板平面的法向量
之间的夹角为θ1；
多孔径离轴合束系统以OB为圆心的子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面与BHOB三点确定的平面垂直，而且与主镜背板平面的法向量
之间的夹角为θ2；
多孔径离轴合束系统以OC为圆心的子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面与CIOC三点确定的平面垂直，而且与主镜背板平面的法向量
之间的夹角为θ3。
在三维建模软件中，根据以上空间位置关系，以及步骤4计算得到的倾斜截面夹角θ1、θ2、θ3，可以方便快速的建立紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列，三孔径离轴合束系统内遮光筒阵列如图5所示。相比于图6中所示平齐端口三孔径离轴合束系统内遮光筒阵列遮光结构更加合理，在不遮挡系统成像光线的条件下，充分增加内遮光筒对视场外杂散光线的遮挡范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实例，并非对发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做成的任何简单修改、等同变化和修饰，均仍属于本发明的范围内。
Claims (6)
1.一种紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以多孔径离轴合束系统各抛物面主镜背板所在平面作为坐标XOY平面，以多孔径系统旋转对称轴为Z轴，建立空间右手坐标系；
2)在光学设计软件中，建立单个子孔径离轴合束系统模型，确定各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最低点空间位置坐标；
3)根据系统尺寸限制及系统外部杂散光抑制角，确定单孔径离轴合束系统外遮光筒边缘点空间位置坐标；
4)根据单孔径离轴合束系统外遮光筒边缘点空间位置坐标和各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最低点空间位置坐标，求解各子孔径之间视场外杂散光互相干扰的最大抑制角平面方程；
5)根据各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最低点空间位置坐标，分别建立各离轴合束系统圆柱形内遮光筒空间圆柱曲面方程；
6)求解方程组，获得各子孔径离轴合束系统内遮光筒斜截面边缘最高点空间位置坐标；
7)根据各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最低点与最高点的空间位置坐标，求解各子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面的倾角；
8)根据内遮光筒斜截面倾角与内遮光筒圆柱曲面方程，在三维建模软件中建立多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列。
2.根据权利要求1所述的紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列设计方法，其特征在于：该方法具体步骤包括：利用光的直线传播原理和空间解析几何中不在同一直线上的三个点确定一个平面基本定理，求解两两相交平面方程与其对应子孔径离轴合束系统内遮光筒圆柱曲面方程，对于三孔径离轴合束系统，包括：
以多孔径离轴合束系统主镜背板所在平面作为坐标XOY平面，以多孔径系统旋转对称轴作为Z轴，建立右手坐标系，建立坐标系统后，根据光学系统参数，在光学设计软件中，分别确定各子孔径离轴合束系统内遮光筒孔径倾斜截面边缘最低点空间位置坐标：
A(xa，ya，za)；B(xb，yb，zb)；C(xc，yc，zc)
其中，xa，ya，za分别为空间点A的x、y、z轴坐标，xb，yb，zb分别为空间点B的x、y、z轴坐标，xc，yc，zc分别为空间点C的x、y、z轴坐标；
分别确定各子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒中心原点空间位置坐标：
OA(x1，y1，0)；OB(x2，y2，0)；OC(x3，y3，0)
其中，x1，y1，0分别为空间点OA的x、y、z轴坐标，x2，y2，0分别为空间点OB的x、y、z轴坐标，x3，y3，0分别为空间点OC的x、y、z轴坐标；
根据系统尺寸限制及系统外部杂散光抑制角，确定单孔径离轴合束系统外遮光筒边缘点坐标：
D(xd，yd，zd)；E(xe，ye，ze)；F(xf，yf，zf)
其中，xd，yd，zd分别为空间点D的x、y、z轴坐标，xe，ye，ze分别为空间点E的x、y、z轴坐标，xf，yf，zf分别为空间点F的x、y、z轴坐标；
ABF三点确定平面：
上式中(a1，b1，c1)为向量
的空间坐标，
上式中(a2，b2，c2)为向量
的空间坐标，
上式中
为ABF三点确定平面的法向量，(A1，B1，C1)为向量
的空间坐标，同理可得ACF三点确定平面的法向量
BCD三点确定平面的法向量
ABF三点确定的平面方程为：
A1(x-xa)+B1(y-ya)+C1(z-za)＝0 (1)
ACE三点确定的平面方程为：
A2(x-xc)+B2(y-yc)+C2(z-zc)＝0 (2)
BCD三点确定的平面方程为：
A3(x-xb)+B3(y-yb)+C3(z-zb)＝0 (3)
以OA为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒曲面方程：
上式中R1为以OA为圆心的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒的投影半径，
同理，以OB为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒曲面方程：
上式中R2为以OB为圆心的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒的投影半径，
以OC为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒曲面方程：
上式中R3为以OC为圆心的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒的投影半径。
3.根据权利要求2所述的紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒设计方法，其特征在于：根据两两平面相交获得交线，交线与单个子孔径离轴合束系统圆柱曲面组成方程组，获得子孔径离轴合束系统圆柱曲面倾斜截面的边缘最高点与最低点空间位置坐标，
解方程组(1)(2)(4)获得以OA为圆心的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒倾斜截面边缘最低点A(xa，ya，za)和最高点G(xg，yg，zg)；
解方程组(1)(3)(5)获得以0B为圆心的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒倾斜截面边缘最低点B(xb，yb，zb)和最高点H(xh，yh，zh)；
解方程组(2)(3)(6)获得以OC为圆心的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒倾斜截面边缘最低点C(xc，yc，zc)和最高点I(xi，yi，zi)。
4.根据权利要求3所述的紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒设计方法，其特征在于：获得单个子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面边缘最高点和最低点后，可以根据向量计算，求解内遮光筒倾斜截面的倾斜角度θ；
单个子孔径离轴合束系统内遮光筒一端为平面，固定在主镜背板上，另一端为倾斜截面与主镜背板法向单位向量
夹角为θ，
以OA为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒倾斜截面内向量
倾斜截面倾斜角度，
以OB为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒倾斜截面内向量
倾斜截面倾斜角度，
以OC为中心原点的子孔径离轴合束系统圆柱形内遮光筒倾斜截面内向量
倾斜截面倾斜角度，
5.根据权利要求1所述的紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒设计方法，其特征在于：多孔径离轴合束系统以OA为中心原点的子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面与AGOA三点确定的平面垂直，而且与主镜背板平面的法向量
之间的夹角为θ1；
多孔径离轴合束系统以OB为中心原点的子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面与BHOB三点确定的平面垂直，而且与主镜背板平面的法向量
之间的夹角为θ2；
多孔径离轴合束系统以OC为中心原点的子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面与CIOC三点确定的平面垂直，而且与主镜背板平面的法向量
之间的夹角为θ3。
6.根据权利要求1所述的紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒设计方法，其特征在于：获得空间解析几何理论计算设计出了多孔径离轴合束系统单个子孔径离轴合束系统内遮光筒倾斜截面与主镜背板平面的法向量
之间的夹角，以及单个子孔径离轴合束系统内遮光筒圆柱曲面方程后，可以通过三维建模软件很方便的构建出多孔径离轴合束系统的内遮光筒阵列，即可以获得满足实际系统总体设计要求且可以显著抑制多孔径系统中各子系统之间视场外杂散光相互干扰的内遮光筒阵列。
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|---|---|---|---|
| CN202010438692.3A Active CN111625878B (zh) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | 一种紧凑型多孔径离轴合束系统内遮光筒阵列设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111625878B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113281005A (zh) * | 2021-05-13 | 2021-08-20 | 中国科学技术大学 | 一种激光制备分子束源装置 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010030805A1 (en) * | 1998-09-16 | 2001-10-18 | Fujitsu Limited | Optical device and display device using the same |
| CN2662265Y (zh) * | 2003-10-15 | 2004-12-08 | 中国科学院光电技术研究所 | 光学系统的多孔径杂光抑制装置 |
| CN101694414A (zh) * | 2009-10-20 | 2010-04-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统 |
| CN102183803A (zh) * | 2011-05-14 | 2011-09-14 | 苏州大学 | 一种用于光学系统成像过程中的消杂光面板 |
| US20140132960A1 (en) * | 2012-04-16 | 2014-05-15 | National University Of Defense Technology | Near-Null Compensator and Figure Metrology Apparatus for Measuring Aspheric Surfaces by Subaperture Stitching and Measuring Method Thereof |
| US20170017145A1 (en) * | 2015-06-25 | 2017-01-19 | X Development Llc | High contrast projection screen with stray light rejection |
| CN107643595A (zh) * | 2017-10-12 | 2018-01-30 | 北京空间机电研究所 | 基于空间光线追迹的次镜遮光罩和方锥形消光锥设计方法 |
-
2020
- 2020-05-22 CN CN202010438692.3A patent/CN111625878B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010030805A1 (en) * | 1998-09-16 | 2001-10-18 | Fujitsu Limited | Optical device and display device using the same |
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| CN101694414A (zh) * | 2009-10-20 | 2010-04-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统 |
| CN102183803A (zh) * | 2011-05-14 | 2011-09-14 | 苏州大学 | 一种用于光学系统成像过程中的消杂光面板 |
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| CN107643595A (zh) * | 2017-10-12 | 2018-01-30 | 北京空间机电研究所 | 基于空间光线追迹的次镜遮光罩和方锥形消光锥设计方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| M.H.FREEMANJ.STONE: "A new diffractive bifocal contact lens", 《JOURNAL OF THE BRITISH CONTACT LENS ASSOCIATION》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113281005A (zh) * | 2021-05-13 | 2021-08-20 | 中国科学技术大学 | 一种激光制备分子束源装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111625878B (zh) | 2023-06-30 |
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