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大口径近红外波前检测装置光机设计

周家淳 高天元

周家淳, 高天元. 大口径近红外波前检测装置光机设计[J]. 应用光学, 2023, 44(5): 943-951. doi: 10.5768/JAO202344.0501001
引用本文: 周家淳, 高天元. 大口径近红外波前检测装置光机设计[J]. 应用光学, 2023, 44(5): 943-951. doi: 10.5768/JAO202344.0501001
ZHOU Jiachun, GAO Tianyuan. Opto-mechanical design of large-aperture near-infrared wavefront detection device[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(5): 943-951. doi: 10.5768/JAO202344.0501001
Citation: ZHOU Jiachun, GAO Tianyuan. Opto-mechanical design of large-aperture near-infrared wavefront detection device[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(5): 943-951. doi: 10.5768/JAO202344.0501001

大口径近红外波前检测装置光机设计

doi: 10.5768/JAO202344.0501001
基金项目: 吉林省科技发展计划项目(20200401054GX)
详细信息
    作者简介:

    周家淳(1998—),男,主要从事现代光学测试理论与技术研究。E-mail:anthony.j.c@foxmail.com

    通讯作者:

    高天元(1970—),男,博士,副研究员,主要从事现代光学技术及工程应用的教学和科研工作。E-mail:gty@cust.edu.cn

  • 中图分类号: TN206

Opto-mechanical design of large-aperture near-infrared wavefront detection device

  • 摘要: 自适应光学校正系统的主要功能是校正入射光的波前失真和补偿波前畸变,为了测量自适应光学系统的波前误差,采用非球面技术研制了一种工作波长为1 030 nm的波前检测装置。装置能够探测通光口径为200 mm×80 mm的大尺寸近红外矩形光束的波前,系统的中心视场PV值为0.123 λ,RMS值为0.036 1 λ,成像质量良好。在光学设计的基础上完成了结构设计,并在实验室环境下对该装置进行了组装和测试。测试结果表明,装置的光学参数和机械参数均满足设计的指标要求,可以完成自适应光学系统的波前检测任务。
  • 图  1  波前检测装置总体光路示意图

    Fig.  1  Schematic diagram of overall optical path of wavefront detection device

    图  2  主缩束系统光学结构示意图

    Fig.  2  Schematic diagram of optical structure of main beam-shrinking system

    图  3  追迹光线的点列图

    Fig.  3  Spot diagram of tracing lights

    图  4  波前图

    Fig.  4  Wavefront diagram

    图  5  波前检测装置结构图

    Fig.  5  Structure diagram of wavefront detection device

    图  6  主缩束系统主镜结构设计示意图

    Fig.  6  Schematic diagram of main-mirror structure design of main beam-shrinking system

    图  7  主缩束系统次镜镜筒结构图

    Fig.  7  Structure diagram of secondary mirror tube of main beam-shrinking system

    图  8  主框架结构设计示意图

    Fig.  8  Schematic of design for main frame structure

    图  9  反射(分光)镜框

    Fig.  9  Reflection (spectroscopic) frame

    图  10  光学元件在基板上的分布示意图

    Fig.  10  Schematic diagram of distribution of optical elements on substrate

    图  11  光瞳探测系统结构图

    Fig.  11  Structure diagram of pupil detection system

    图  12  光轴探测系统结构图

    Fig.  12  Structure diagram of optical axis detection system

    图  13  主缩束系统主镜面形分析

    Fig.  13  Analysis of main mirror shape of main beam-shrinking system

    图  14  大口径近红外波前检测装置

    Fig.  14  Large-aperture near-infrared wavefront detection device

    图  15  各传感器的接收图像

    Fig.  15  Received images of each sensor

    图  16  整体处理结果

    Fig.  16  Overall processing result

    表  1  波前检测装置技术指标

    Table  1  Technical indexes of wavefront detection device

    系统指标数值
    主缩束系统倍率11.9
    主缩束系统通光口径/ mm200×80
    视场/(′)±2.89
    波长/ nm1030±1
    主缩束系统筒长/ mm≤265
    主缩束装置出射光束准直度/(°)≤0.02
    主缩束系统入瞳位置/mm500
    主缩束系统配合光轴探测子光学系统等效焦距/m5.5±5%
    光轴探测子光学系统焦距/mm462±2%
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    表  2  主缩束系统透镜数据

    Table  2  Lens data of main beam-shrinking system

    表面类型曲率半径/mm厚度/mm材料4阶项6阶项8阶项
    偶次非球面20033H-ZF7LA−1.70×10−8−2.16×10−13−3.69×10−18
    标准面1
    偶次非球面63618H-ZF7LA−5.39×10−9−1.55×10−141.12×10−19
    标准面174.75
    标准面1.5H-ZF7LA
    偶次非球面−53.30.1−1.19×10−51.01×10−7−2.71×10−10
    标准面2.8H-ZF7LA
    偶次非球面−16.810.724.41×10−52.55×10−81.31×10−10
    近轴面16.81
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    表  3  波前检测装置整体性能指标

    Table  3  Overall performance indexes of wavefront detection device

    整体性能技术要求
    环境适应性方便运输、易于安装、抗霉菌、抗腐蚀抗锈、
    户外环境温度−30 ℃~+60 ℃
    装置重量/kg<20
    外形尺寸/ mm3<300×120×250
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    表  4  光学指标检测结果

    Table  4  Test results of optical indexes

    名称检测项目技术指标要求检测结果检测设备
    光轴探测系统焦距/mm462462.5焦距测量仪
    复合传感器焦距/m5.55.5焦距测量仪
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    表  5  部件与整机外形尺寸

    Table  5  External dimensions of parts and whole machine mm

    名称安装要求
    (长×宽×高)
    检测结果
    光瞳探测光学系统<123×45×45126×44×44
    光轴探测光学系统<70×45×4563×44×44
    整机<300×120×250299.9×120.1×249.8
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  • [1] CAHOY K L, MARINAN A D, NOVAK B, et al. Wavefront control in space with MEMS deformable mirrors for exoplanet direct imaging[J]. Journal of Micro/Nanolithography MEMS and MOEMS,2014,13(1):011105. doi: 10.1117/1.JMM.13.1.011105
    [2] 饶长辉, 朱磊, 张兰强, 等. 太阳自适应光学技术进展[J]. 光电工程,2018,45(3):170733.

    RAO Changhui, ZHU Lei, ZHANG Lanqiang, et al. Development of solar adaptive optics[J]. Opto-Electronic Engineering,2018,45(3):170733.
    [3] RAO CH H, GU N T, RAO X J, et al. First light of the 1.8 m solar telescope-CLST[J]. Science China Physics, Mechanics & Astronomy,2020,63(10):1-2.
    [4] CHEN M, LIU CH, RUI D M, et al. Performance verification of adaptive optics for satellite-to-ground coherent optical communications at large zenith angle[J]. Optics Express,2018,26(4):4230. doi: 10.1364/OE.26.004230
    [5] CHEN M, LIU C, RUI D, et al. Experimental results of atmospheric coherent optical communications with adaptive optics[J]. Optics Communications,2019,434:91-96. doi: 10.1016/j.optcom.2018.10.013
    [6] 芮道满, 刘超, 陈莫, 等. 自适应光学技术在星地激光通信地面站上的应用[J]. 光电工程,2018,45(3):170647.

    RUI Daoman, LIU Chao, CHEN Mo, et al. Application of adaptive optics on the satellite laser communication ground station[J]. Opto-Electronic Engineering,2018,45(3):170647.
    [7] WANG D, ZHANG X, DAI W J, et al. 1178 J, 527 nm near diffraction limited laser based on a complete closed-loop adaptive optics controlled off-axis multi-pass amplification laser system[J]. High Power Laser Science and Engineering,2021,9:1-12. doi: 10.1017/hpl.2021.3
    [8] LI S S, WANG Y L, LU ZH W, et al. High-quality near-field beam achieved in a high-power laser based on SLM adaptive beam-shaping system[J]. Optics Express,2015,23(2):681. doi: 10.1364/OE.23.000681
    [9] 相里微. 大功率激光波前测量系统设计[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2012.

    XIANGLI Wei. Design of high power laser wavefront measurement system[D]. Xi'an: Xidian University, 2012.
    [10] FOURMAUX S, PAYEUR S, ALEXANDROV A, et al. Laser beam wavefront correction for ultra high intensities with the 200 TW laser system at the advanced laser light source[J]. Optics Express,2008,16(16):11987. doi: 10.1364/OE.16.011987
    [11] 张禹, 杨忠明, 刘兆军, 等, 大口径多光谱通道波前测量系统设计[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(8): 20190559.

    ZHANG Yu, YANG Zhongming, LIU Zhaojun, et al. Design of large aperture multi-spectra channel wavefront measurement system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(8): 20190559.
    [12] 张禹. 共轴式大口径多光谱通道波前测量系统的研究[D]. 济南: 山东大学, 2020.

    ZHANG Yu. Research on coaxial large aperture multispectral wavefront measurement system[D]. Jinan: Shandong University, 2020.
    [13] 吴道胜. 相位差图像重建技术在液晶自适应光学系统中的应用研究[D]. 长春: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2019.

    WU Daosheng. Application of phase difference image reconstruction technology in liquid crystal adaptive optical system[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2019.
    [14] 郭骏立. 视频相机反射镜组件结构设计及其胶结工艺研究[D]. 长春: 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所), 2015.

    GUO Junli. Structural design and cementing technology of mirror assembly for video camera[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2015.
    [15] 邢辉, 焦文春, 王昀. 透射式红外镜头的高精度定心装调[J]. 红外,2013,34(9):19-23. doi: 10.3969/j.issn.1672-8785.2013.09.004

    XING Hui, JIAO Wenchun, WANG Yun. High precision assembling of diffractive infrared lens[J]. Infrared,2013,34(9):19-23. doi: 10.3969/j.issn.1672-8785.2013.09.004
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-08
  • 修回日期:  2023-03-26
  • 网络出版日期:  2023-08-10
  • 刊出日期:  2023-09-15

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