红外与激光工程
2023, 52(1): 20220330
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
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0.005λ, PV值优于0.023λ(λ=1 064 nm), 波前一致性残差RMS值优于0.000 8λ(λ=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。
望远镜 空间引力波探测 离轴四反系统 像质评价 公差分析 telescope space gravitational wave detection off-axis four-mirror optical system image quality evaluation tolerance analysis
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间一部, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
明确了几种三反和四反结构的性能优劣，进而获得一种性能优良的中高轨空间详查光学系统的设计方案。针对同一种光学设计技术指标，分析了空间详查相机的各项主要参数，利用Zemax光学设计软件设计了同轴三反射镜，一次中间像离轴三反射镜和无中间像离轴三反射镜3种三反光学系统以及同轴四反射镜，无中间像离轴四反射镜和一次中间像离轴四反射镜3种四反光学系统，均满足指标要求。对比了上述系统的优缺点，在综合考虑当前的光学加工、检测、装调的可行性以及高分辨力空间对地成像技术发展先进性的基础上，决定选用有一次中间像的离轴四反射镜光学系统作为最终方案，得到了有效焦距29 m，F 数9.7，视场角1°×0.3°，外形尺寸3200 mm×6489 mm×8194mm 的空间详查相机光学系统。对该光学系统的性能进行了模拟和验证，结果表明该光学系统的分辨率、传递函数、像差、畸变等各项性能优异。
光学设计 空间光学 详查相机 全反射系统 四反系统
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为满足空间远紫外探测系统的超大视场、较大相对孔径、轻小型化、高消杂光比等要求，提出利用反远距系统光焦度分配理论计算全球面反射系统的初始结构，给出了一种焦距f′=12 mm，F 数为3，全视场70°×10°的全球面离轴四反望远光学系统的设计方案。设计了系统内部的消杂光结构，对系统进行杂光分析，确定系统杂光主要来源，并对相关结构优化，给出了优化前后杂光定量对比结果。各视场光学传递函数在截止频率处大于0.7，杂光规避角10°时点源透射比(PST)达到4.2×10-7，远小于5×10-5的指标要求。与其他系统相比，该系统主要优点是可获得超大视场，结构紧凑，各反射镜均为球面且无倾斜，有效降低了制造的周期与成本，杂光规避角小且抑制比高。
光学设计 离轴四反系统 杂散光分析 空间光学
