一种折射式猫眼光学结构的制作方法

本发明涉及激光通信领域，尤其涉及一种折射式猫眼光学结构。

背景技术：

激光通信也称自由空间光通信(fso，freespaceoptic)是利用光在自由空间传播以实现信息传递的光通信技术。近二十年来，自由空间光通信技术获得了长足的进步，在很多领域获得了应用。在军事通信中，利用激光进行自由空间通信是对抗电磁干扰和电子攻击的一种有效手段。传统的激光通信链路需要两端都装载激光发射接收系统以及复杂的捕跟系统，导致机端质量体积功耗等增加，成为一定程度上制约激光通信的应用。基于逆向调制器mrr(modulatingretro-reflector)的空间激光通信系统可以免去链路中的一个终端的激光发射器和捕跟系统，从而减轻链路一端的质量、体积和功耗，同时方便快速捕获对准，对于无人机、小卫星、浮标等对体积、载重和功耗有严格限制的小平台应用具有重要意义。近几年逆向调制激光通信的研究受到国内外关注，国外已对铁电液晶、mems、量子阱电吸收等逆向调制器进行了深入研究，建立了几千米级的自由空间光通信链路，并计划利用逆向调制技术建立中心数据采集空间通信网络。常用的逆向反射器有角管式和猫眼式。角管式逆向反射器结构原理图如图1所示，是三个互相垂直的平面反射镜构成，任一入射光学经过三个平面镜的反射都可以原路返回，具有良好的后向反射特性，任意改变其中一个面的反射率，就可以改变回波强度。“猫眼”反射器通常有两种结构形式，一种是球形“猫眼”如图2所示，另一种就是分离式“猫眼”如图3所示，分离式猫眼结构有折射式结构、反射式结构、折反射式结构；猫眼式逆向反射器其原理是利用“猫眼”原理，将入射光沿原路返回，其实现方法是在凸透镜的焦平面处放置一块平面发射镜。角管式逆向反射器比“猫眼”式的视场角大，但是与角管式逆向反射器结合的调制器其尺寸要和角管棱镜尺寸相当。

现有的逆向反射器角管式、球形猫眼式，需要反射器的尺寸较大，降低了调制速率，反射式与折反射式结构存在中心遮挡，系统装配复杂，成本高，进入系统的杂散光多等问题。对于单个透镜的折射系统，无法校正球差，双胶合的折射系统不能校正像散、场区、和畸变等轴外像差，所以视场一般不能超过8°～10°。

现有的逆向反射器无论是角管式和还是球形猫眼式，都存在安装灵敏度高，且工程实现难，很难做到大视场、小体积结构，且有像差的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种折射式猫眼光学结构，可以满足在视场角15°以上，搜索距离15km内的激光器打出波长850-1550nm的光线并实现光的逆向回传，其光学系统安装灵敏度低、全通光孔径、无中心遮挡、结构设计简单、小体积、像质优化潜质大等优点。

为达到上述目的，本发明提供一种折射式猫眼光学结构，包括光学透镜组和反射面；在所述的光学透镜组内设置孔径光阑，由孔径光阑控制入射激光光束宽度；所述的反射面置于光学透镜组的焦平面上；所述的光学透镜组包括

产生负球差的第一透镜，其物侧表面为凸面及像侧表面为凸面；

产生正球差的第二透镜，其物侧表面为凹面及像侧表面为凸面；

产生负球差的第三透镜，其物侧表面为凸面及像侧表面为凸面；

产生正球差的第四透镜，其物侧表面为凹面及像侧表面为凸面；

所述的第一透镜，第二透镜，第三透镜、第四透镜依次共光轴分离式设置；

激光器照射光学透镜组，其入射激光光束分别经过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜折射，将入射激光光束聚焦于反射面上发生反射并调制，然后反射光线穿过光学透镜组，即依次经过第四透镜、第三透镜、第二透镜、第一透镜折射出去，其折射光线对称于入射激光光束。

可选的，还包括保护玻璃，所述的保护玻璃分离式设置在第一透镜的物侧。保护玻璃保护光学透镜组不被损坏。

可选的，第一透镜，第二透镜，第三透镜、第四透镜的物侧表面和像侧表面均为球面。光学透镜采用球面具有易加工，提高成像质量，光学系统安装误差灵敏度低等优点。

可选的，第一透镜，第二透镜，第三透镜、第四透镜可以是重冕、重火石玻璃、gaf2、mgf2、znse任意一种。这些玻璃可以使得波段在850nm～1550nm激光光束透射过去。

可选的，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的物侧表面和像侧表面均设置一层增透膜。激光器发出进入光学透镜组的光通量，即使在没有几何遮拦的情况下，也不能全部到达反射面，这主要是光在光学系统中传播时，透明介质折射面的光反射、介质对光的吸收以及反射面对光的透射和吸收等造成的光能损失。由于本发明采用的是折射式结构，为了获得更多的能量，因此所有透镜的物侧表面和像侧表面都需要设置一层增透膜。

可选的，增透膜采用稀土氟化物材料，所述的稀土氟化物可以是sio2、mgf2、ybf3、yf3、laf3、na3alf6。这些材料均是低折射率薄膜材料，可以更好地实现入射激光光束的聚焦功能。

可选的，折射式猫眼光学结构的体积长(l)*宽(w)*高(h)小于80mm(l)×60mm(w)×60mm(h)。该折射式猫眼光学结构属于小体积大视场光学系统，这样在逆向调制通信链路中，就可以大大减轻链路一端的重量，并且在较大的视场范围内捕捉光线，实现光的逆向回传。

可选的，孔径光阑可以设置在第一透镜和第二透镜之间，也可以设置在第二透镜和第三透镜之间，还可以设置在第三透镜和第四透镜之间，所述的通光孔径不超过40mm。因光阑位于光学透镜组内，不用考虑色差，可以综合考虑轴外像差，该通光孔径可以更好地控制光线传播路径。

可选的，反射面尺寸不小于10mm*10mm，若反射面尺寸若小于10mm*10mm，则会出现成像不全的问题，但也不能太大，太大会增加整个折射式猫眼光学结构的重量及浪费反射面材料。

可选的，f≥1.7，视场角2ω≦30°,其中，

本发明的有益效果如下：

(1)安装灵敏度低，降低该折射式猫眼光学结构安装难度、结构简单、易制造；

(2)视场角大，视场角可达到30°；

(3)光学透镜组可采用球面也可采用非球面，球面加工简单，非球面可消除各种像差，减小光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性；

(4)保护玻璃保护光学透镜组不被损坏；

(5)光学透镜组的所有透镜的左右物侧表面和像侧表面都设置增透膜，可获得更多的入射激光能量；

(6)增透膜材料采用低折射率薄膜材料，可以更多的获得入射激光能量；

(7)小体积大视场光学系统，这样在逆向调制通信链路中，就可以大大减轻链路一端的重量，并且在较大的视场范围内捕捉光线，实现光的逆向回传。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中提供的一种角管式逆向反射器；

图2为现有技术中提供的一种球形猫眼式逆向反射器；

图3为现有技术中提供的一种分离式猫眼式逆向反射器；

图4为本发明实施例一的一种折射式猫眼光学结构；

图5为本发明实施例二的一种折射式猫眼光学结构；

图6本发明实施例二仿真优化后的二维光路图；

图7为本发明实施例二仿真优化后的点列图；

图8为本发明实施例二仿真优化后的传递函数曲线；

图9为本发明实施例二仿真优化后的点扩散函数；

图10是本发明实施例九的一种折射式猫眼光学结构；

图11是本发明实施例十的一种折射式猫眼光学结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图4所示，一种折射式猫眼光学结构，包括光学透镜组和反射面60；在所述的光学透镜组内设置孔径光阑50，由孔径光阑50控制入射激光光束宽度；所述的反射面60置于光学透镜组的焦平面上；所述的光学透镜组包括：

产生负球差的第一透镜10，其物侧表面s11为凸面及像侧表面s12为凸面；

产生正球差的第二透镜20，其物侧表面s21为凹面及像侧表面s22为凸面；

产生负球差的第三透镜30，其物侧表面s31为凸面及像侧表面s32为凸面；

产生正球差的第四透镜40，其物侧表面s41为凸面及像侧表面s42为凹面；

所述的第一透镜10，第二透镜20，第三透镜30、第四透镜40依次共光轴分离式设置。

孔径光阑50设置在第二透镜20和第三透镜30之间，所述孔径光阑50其通光孔径不超过40mm。因光阑位于光学透镜组内，不用考虑色差，可以综合考虑轴外像差，该通光孔径可以更好地控制光线传播路径。

每个透镜的负担有所减轻，且轴上光线经过第一透镜10正光焦度后，入射高度下降，这利于轴上像差的校正，则轴外像差可以综合考虑，可以由第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40的平衡来实现校正。

上述孔径光阑50可以设置在第一透镜10和第二透镜20之间，也可以还可以设置在第三透镜30和第四透镜40之间。

实施例二

如图5所示，一种折射式猫眼光学结构，包括光学透镜组和反射面6；在所述的光学透镜组内设置孔径光阑5，由孔径光阑5控制入射激光光束宽度；所述的反射面6置于光学透镜组的焦平面上；所述的光学透镜组包括：

产生负球差的第一透镜1，其物侧表面为凸面及像侧表面为凸面；

产生正球差的第二透镜2，其物侧表面为凹面及像侧表面为凸面；

产生负球差的第三透镜3，其物侧表面为凸面及像侧表面为凸面；

产生正球差的第四透镜4，其物侧表面为凸面及像侧表面为凹面；

所述的第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3、第四透镜4依次共光轴分离式设置。

孔径光阑5设置在第二透镜2和第三透镜3之间，所述孔径光阑50其通光孔径不超过40mm，在第一透镜1的物侧分离式设置保护玻璃7，保护光学透镜组不被损坏。

将该折射式猫眼光学结构采用zemax光学设计软件进行仿真，设计指标如下：视场角2w＝20°；主波长λ＝1550nm；反射面6尺寸10mm*10mm；由反射面6尺寸为1cm*1cm,视场角为20°，则焦距为f2＝5/tan10＝5/0.17633＝28.36，采用成都光明玻璃库中h-qk3l、h-zk3、h-zf7la、h-zf52a四种玻璃，经过像差的校正及优化仿真后获得图6所示的二维光路图，其中s1为保护玻璃7的物侧表面，s2为保护玻璃7的像侧表面，s3为第一透镜1的物侧表面，s4为第一透镜1的像侧表面，s5为第二透镜2的物侧表面，s6为第二透镜2的像侧表面，光阑为孔径光阑5，s7为第三透镜3的物侧表面，s8为第三透镜3的像侧表面，s9为第四透镜4的物侧表面，s10为第四透镜4的像侧表面，像面为反射面6；图7为仿真后的点列图，从图可知，在零视场时光斑均方根半径为2.177um，在0.7倍视场时，均方根半径为7.137um；在全视场时，均方根半径为9.781um；图8为仿真后的传递函数曲线，其中，t代表子午光线，s代表弧失光线，从图可知所有视场传递函数都接近于衍射极限；图9为仿真后的点扩散函数，从图可知系统中心能量较高。

表1是采用zemax光学设计软件进行仿真后得到的优化后数据表，系统使用四块玻璃分别为h-qk3l、h-zk3、h-zf7la、h-zf52a，全部选择于成都光明玻璃库，h-qk3l、h-zk3、h-zf7la、h-zf52a代表玻璃型号；表2是赛的尔系数，可知系统总体球差为0.000695，总体慧差为-0.000029，总体向三位0.00271，总体场区为0.010542，总体畸变为0.135016，满足于我们的要求；

表1优化后数据表

表2赛的尔系数

本实施例的一种折射式猫眼光学结构采用zemax光学设计软件仿真优化后的每一片镜片的具体参数如下，其中保护玻璃7直径为25.4mm，厚度1mm；第一透镜1选择成都光明玻璃库的h-qk3l，第一个面曲率半径54.89mm，第二个面曲率半径-193.82mm，中心厚度5mm；第二块透镜选择h-zk3玻璃，第一面曲率半径-27.69mm,第二块曲率半径-36.45mm，中心厚度10mm；孔径光阑通光孔径为16.97mm；第三块透镜采用h-zf7la，第一面曲率半径42.08mm，第二面曲率半径-201.39mm,中心厚度5mm,焦距46.02mm；第四块透镜采用h-zf52a玻璃，第一面曲率半径为14.76mm,第二面曲率半径10.61mm,中心厚度10mm,焦距662.37mm；该折射式猫眼光学结构仿真优化后的系统框图如8所示，总长77.63mm。

该猫眼光学结构总长度77.63mm,f数1.7，入瞳直径16mm。光斑半径：当光线以0°入射时，光斑半径为2.177um；光线以14°入射时，光斑半径为7.137um；若光线以20°入射时，光斑半径为9.781um。所有视场的mtf在30lp/mm时都大于0.6。

实施三

在实施例二的基础上，第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3、第四透镜4的物侧表面和像侧表面均为球面。光学透镜采用球面具有易加工，提高成像质量，光学系统安装误差灵敏度低等优点。

实施四

在实施例二的基础上，第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3、第四透镜4可以是重冕、重火石玻璃、gaf2、mgf2、znse任意一种。这些玻璃可以使得波段在850nm～1550nm激光光束透射过去。

实施例五

在实施例2-4任一实施例的基础上，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4的物侧表面和像侧表面均设置一层增透膜。激光器发出进入光学透镜组的光通量，即使在没有几何遮拦的情况下，也不能全部到达反射面6，这主要是光在光学系统中传播时，透明介质折射面的光反射、介质对光的吸收以及反射面6对光的透射和吸收等造成的光能损失。由于本发明采用的是折射式结构，为了获得更多的能量，因此所有透镜的物侧表面和像侧表面都需要设置一层增透膜。

实施例六

在实施例五的基础上，增透膜采用稀土氟化物材料，所述的稀土氟化物可以是sio2、mgf2、ybf3、yf3、laf3、na3alf6。这些材料均是低折射率薄膜材料，可以更好地实现入射激光光束的聚焦功能。

实施例七

在实施例一的基础上，折射式猫眼光学结构的体积长(l)*宽(w)*高(h)小于80mm(l)×60mm(w)×60mm(h)。该折射式猫眼光学结构属于小体积大视场光学系统，这样在逆向调制通信链路中，就可以大大减轻链路一端的重量，并且在较大的视场范围内捕捉光线，实现光的逆向回传。

实施例八

在实施例一的基础上，反射面60尺寸不小于10mm*10mm，f≥1.7，f可取1.7、2.0、2.5、3.0及以上，其中视场角2ω≦30°,视场角2ω可取30°、20°、10°。若反射面60尺寸若小于10mm*10mm，则会出现成像不全的问题，但也不能太大，太大会增加整个折射式猫眼光学结构的重量及浪费反射面60材料。

实施例九

如图10所示，一种折射式猫眼光学结构，包括光学透镜组和反射面260；在所述的光学透镜组内设置孔径光阑250，由孔径光阑250控制入射激光光束传播路径；所述的反射面260置于光学透镜组的焦平面上；所述的光学透镜组包括：

产生负球差的第一透镜210，其物侧表面s211为凸面及像侧表面s212为凸面；

产生正球差的第二透镜220，其物侧表面s221为凹面及像侧表面s222为凸面；

产生正球差的第三透镜230，其物侧表面s231为凸面及像侧表面s232为凹面；

产生负球差的第四透镜240，其物侧表面s241为凸面及像侧表面s242为凸面；

所述的第一透镜210，第二透镜220、第三透镜230、第四透镜240依次共光轴分离式设置。

孔径光阑250设置在第三透镜230和第四透镜240之间，所述的孔径光阑250其通光孔径不超过40mm。因孔径光阑250位于光学透镜组内，不用考虑色差，可以综合考虑轴外像差，该孔径光阑250可以更好地控制光线传播路径。

每个透镜的负担有所减轻，且轴上光线经过第一透镜210正光焦度后，入射高度下降，这利于轴上像差的校正，则轴外像差可以综合考虑，可以由第一透镜210、第二透镜220、第三透镜230和第四透镜240的平衡来实现校正。

上述孔径光阑250可以设置在第一透镜210和第二透镜220之间，也可以设置在第二透镜220和第三透镜230之间。

实施例十

如图11所示，一种折射式猫眼光学结构，包括光学透镜组和反射面360；在所述的光学透镜组内设置孔径光阑350，由孔径光阑350控制入射激光光束传播路径；所述的反射面360置于光学透镜组的焦平面上；所述的光学透镜组包括：

产生负球差的第一透镜310，其物侧表面s311为凸面及像侧表面s312为凸面；

产生负球差的第二透镜320，其物侧表面s321为凸面及像侧表面s322为凸面；

产生正球差的第三透镜330，其物侧表面s331为凹面及像侧表面s332为凸面；

产生正球差的第四透镜340，其物侧表面s341为凸面及像侧表面s342为凹面；

所述的第一透镜310，第三透镜320、第二透镜330、第四透镜340依次共光轴分离式设置。

孔径光阑350设置在第一透镜310和第二透镜320之间，孔径光阑350其通光孔径不超过40mm。因光阑位于光学透镜组内，不用考虑色差，可以综合考虑轴外像差，该通光孔径可以更好地控制光线传播路径。

每个透镜的负担有所减轻，且轴上光线经过第一透镜310正光焦度后，入射高度下降，这利于轴上像差的校正，则轴外像差可以综合考虑，可以由第一透镜310、第二透镜320、第三透镜330和第四透镜340的平衡来实现校正。

上述孔径光阑350也可以设置在第二透镜320和第三透镜330之间，还可以设置在第三透镜330和第四透镜340之间。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。