光学学报, 2018, 38 (11): 1122003, 网络出版: 2019-05-09   

基于自由曲面的大视场天基探测光学系统 下载: 1464次

Large Field of View Space-Based Optical Detection System Based on Freeform Surfaces
作者单位
1 中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学应用研究室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西 西安 710119
图 & 表

图 1. 天基探测光学系统的结构图

Fig. 1. Structural diagram of space-based detection optical system

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图 2. 主镜Zernike自由曲面的面型。(a)二维;(b)三维

Fig. 2. Profile of Zernike freeform surface of primary mirror. (a) Two-dimensional; (b) three-dimensional

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图 3. 三镜XY自由曲面的面型。(a)二维;(b)三维

Fig. 3. Profile of XY freeform surface of tertiary mirror. (a) Two-dimensional; (b) three-dimensional

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图 4. 系统点列图

Fig. 4. Spot diagram of system

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图 5. 不同视场下的能量包围分布。(a) 0.5视场;(b) 0.7视场;(c)视场边缘

Fig. 5. Encircled energy distributions under different field views. (a) Field view of 0.5; (b) field view of 0.7; (c) edge field of view

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图 6. 检测光路。(a)自由曲面的CGH检测光路;(b)检测光路中的CGH元件

Fig. 6. Detecting optical path. (a) CGH detecting optical path of freeform surface; (b) CGH unit in detecting optical path

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图 7. CGH元件的刻线密度及检测系统的波像差。(a)刻线密度;(b)波像差

Fig. 7. Lithography linear density of CGH and wave aberration of detecting system. (a) Lithographic linear density; (b) wave aberration

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表 1Zernike多项式与像差之间的对应关系

Table1. Corresponding relationship between Zernike polynomials and aberration

No.PolynomialAberration
Polar coordinate systemCartesian coordinate system
111Piston
2ρcos θxx-tilt
3ρsin θyy-tilt
4ρ2cos(2θ)x2-y20° or 90° astigmatism
52ρ2-12(x2+y2)-1Defocus
6ρ2sin(2θ)2xy45° astigmatism
7ρ3cos(3θ)x(x2-y2)-2xy2x-trefoil
8(3ρ2-2)ρcos θx[3(x2+y2)-2]x-coma
9(3ρ2-2)ρsin θy[3(x2+y2)-2]y-coma

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表 2探测器性能参数

Table2. Performance parameters of detector

ParameterValue
B8
Nc46
τ0.8
Integration time /s0.02
Eph /(10-19 J)3.4
fQE /%55

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表 3天基探测光学系统的主要技术指标

Table3. Main technical indexes of space-based optical detection system

System parameterValue
Focal length /mm64
Field of view /[(°) ×(°)]30×30
Entrance aperture /mm51
Equivalent visual magnitude9
Spectral band /nm400-900

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表 4光学系统的初始结构参数

Table4. Initial structural parameters of optical system

SurfaceRadius /mmThickness /mm
Primary mirror175.4386-150
Secondary mirror333.3333150
Tertiary mirror-330.3704-125

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表 5优化后的光学系统反射镜参数

Table5. Mirror parameters of optical system after optimization

MirrorRadius /mmDistance /mmConstant ofquadric surfaceY decenter /mmx tilt /(°)
Primary mirror398.39-297.29-2.73117.5522.60
Secondary mirror1165.19287.29019.030
Tertiary mirror-770.05-267.70-6.82-22.213.15

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表 6主镜的Zernike自由曲面参数

Table6. Parameters of Zernike freeform surface of primary mirror

No.TermCoefficient
1Z13.703732952805
2Z2-0.005921378239
3Z31.074318956926
4Z4-0.000844676164
5Z50.000225724509
6Z6-7.298797621080×10-6
7Z75.336916645650×10-8
8Z8-2.419364792778×10-8
9Z92.566383909345×10-6
10Z10-1.197484299545×10-6
11Z114.052592425289×10-10
12Z12-2.946732238365×10-9

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表 7三镜的XY自由曲面参数

Table7. Parameters of XY freeform surface of tertiary mirror

ItemCoefficientItemCoefficient
Y0.0657280763771848X4Y-1.508575293882×10-13
X20.000526216242287311X2Y3-1.246876764365×10-12
Y20.000529147800335145Y51.859610071502×10-12
X2Y-2.14467235342657×10-8X68.860132888429×10-15
Y3-3.04871515062429×10-8X4Y22.549695693063×10-14
X4-1.89146570020516×10-9X2Y41.780628633470×10-14
X2Y2-3.7733664377066×10-9Y61.292338859180×10-14
Y4-1.69502835366705×10-9--

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表 8系统公差分配

Table8. Distribution of system tolerance

MirrorManufacture toleranceAlignment tolerance
ΔR /mmΔKRMS of shapeerror /λDecenter /mmTilt /radDisplacementΔY /mm
Primary mirror0.020.011/500.023×10-40.02
Second mirror0.0050.0021/500.011.5×10-40.02
Tertiary mirror0.020.0081/500.023×10-40.08

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表 9系统公差表现

Table9. Performance of system tolerance

Field No.Sagittal direction /(°)Tangential direction /(°)Design value /μmDesign tolerance /μm
10-50.0154160.023123
20-200.0105100.018538
30-350.0106990.018867
45-50.0093670.016026
55-200.0130220.022765
65-350.0078000.014165
710-50.0095850.017063
810-200.0134780.021934
910-350.0068470.012299
1015-50.0099960.018456
1115-200.0070320.012354
1215-350.0064250.016219

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倪栋伟, 李旭阳, 杨明洋, 任志广. 基于自由曲面的大视场天基探测光学系统[J]. 光学学报, 2018, 38(11): 1122003. Dongwei Ni, Xuyang Li, Mingyang Yang, Zhiguang Ren. Large Field of View Space-Based Optical Detection System Based on Freeform Surfaces[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(11): 1122003.

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