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大气激光通信接收系统的光学天线

设计报告

大气激光通信，是近年来出现的通信研究热点。它是以大气为媒介，让载波激光在大气中传输有效信息，达到通信目的。有无线电通信的便利性，同时也继承了光纤通信的绝大部分优点，尤其是大通信容量的特点，是“无线＋带宽”的有效解决方案。
一个简单的大气激光通信终端由声像信号编码、激光发射光学天线、激光接收光学天线、声像信号滤波解码等部分组成。对于接收端光学天线，应尽量多地接收包含目标信号在内的自由空间微弱光辐射，然后将光信号耦合到滤波器的接收端，滤除“噪声”，保留目标信号。
所以对于接收端的光学天线，其光学特性特点：入瞳直径大、具有一定视场、相对孔径大、工作波长一般为近红外（与激光器波长有关，常取1.55μm，透过率高、大气损耗小、人眼安全），结构尽量简单以增加透过率。

光学系统设计：
1、要求：
焦距：60mm，D/F=1/1.2,视场角+0.1°,激光波长1.55微米，波长漂移1.53-1.57微米。
探测器的光敏面直径为0.3mm
rd玻璃牌号有效通光孔径41.697.8ZK1034274.3120.424.327.4ZK1030.262.7137.0QK129-155.966.0ZF62815.4889.832.5425.5ZF122-157.4
该天线属于大孔径，小视场光学系统，可以采用望远镜物镜或照相物镜形式，工作波长为近红外，波长带宽不算很宽，为获得足够透过率，天线片数要少，可以采用无色光学玻璃材料。
像差校正主要集中在轴上点的单色像差和高级像差，色差估计不大，也加以控制。像质评价可以采用弥散圆和MTF指标。

2、过程：
输入表中数据，孔径光阑放在第1光学面上，第8面到Image面的距离（像距）可以取为近轴像距，确定方法为：用鼠标单击“LensDataEditor”中第8面的“Thickness栏”，选择该栏并右击鼠标，从弹出的“下拉选项框”中选取“MarginalRayHeight”，设置Height和PupilZone均为0，表示近轴，确定以后，该栏计算得到的数据后会有“M”显示。
选择“System→Wavelength…→波长输入对话框”，输入波长1.53，1.55，和1.57，选择主波长为1.55
选择“System→Field…→视场输入对话框”，选择Angle，在Y-field框中输入视场1为0，视场2为0.05，表示物点在子午面内
选择“System→General…→Aperture→孔径输入对话框”，选择ApertureType为EntrancePupilDiameter，在ApertureValue中输入34
选择“Tools→MakeFocal→输入数据”中输入60，后选择“OK”，完成焦距缩放，并将厚度（Thickness）一栏数据归整后，得到优化前的初始结构数据。

系统弥散圆如图所示

3、优化设计
该结构形式可以用做优化变量的数据有：8个曲率半径，第6个空气间隔，必要时还可以将玻璃作为变量。要校正的像差有6个，同时需要控制焦距f’=60mm。
将8个曲率半径设为变量。
使用DefaultMeritFunction建立缺省评价函数进行优化。
选择“Editors→MeritFunction→打开评价函数编辑器”，在第1行中先输入EFFL，第2,3行中输入OPLT、OPGT控制焦距范围，再选择“Tools→DefaultMeritFunction→SpotRadius→Start”中输入4，再选择“OK”，可以建立缺省评价函数。
将LensDataEditor中第1~8个曲率半径设置成变量后，从主菜单中选择Tools→Optimization→Automatic”，ZEMAX将进行优化设计，评价函数下降到0.001679965，此时点列图等像质指标得到很大改善。点列图如图所示，

MTF得到很大提高，在空间频率50pl/mm处，MTF达到0.7。

缺省评价函数优化后的结构参数

光学接收天线示意图

感想：
本学期计算机辅助设计的课程和练习，使我对ZEMAX光学设计软件有了一定程度的了解，初步明确了ZEMAX软件的基本功能和在光学设计中的应用。通过完成课程作业——大气激光通信接收系统的光学天线的设计，了解了光学系统设计的基本思路，明确了进行光学系统设计的基本方法。在完成课程作业的过程中，我更认识到了自己在光学基础和实用光学设计方面知识的欠缺，这是在今后学习中需要着重加强的部分。此外，通过查阅文献资料，还使我认识到，光学系统设计并不是一个理论上的设计过程，还要考虑许多其它因素，如环境、性价比、加工难易程度等等。课程的学习使我了解了光学设计的基本思路，掌握了一个软件，提升了自己的专业能力，也让我更明确了理论与实践相