Zemax光学设计实例（39）---自由空间光通信中光学天线的设计

导论：

自由空间光通信（Free Space optical Communication，FSO），又称大气激光通信（Free Space Laser Commu.）或无线光通信（Wireless Optical Commu.），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。自由空间光通信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。

自由空间光通信是一种定向的点对点通信，一个简单的自由空间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。其中光学天线相当于一个物镜系统，可以采用折射、反射或折反光学系统。用于激光发射和接收的光学天线可以相同，也可以不同，如下图所示。

对于发射用光学天线，应尽量使激光发射光束准直性好，传输距离远；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（便于尽可能多接收来自自由空间的光信号）、具有一定视场（取决于后续耦合滤波的光敏面大小）、相对孔径大、工作波长一般为近红外，结构尽量简单以增加透过率。

像质评价时，应尽量减小弥散圆，光学分辨率与光电探测器分辨率相匹配，像差校正时，要考虑校正球差、慧差、场曲、像散等，还要校正色差等。

设计要求如下：

设计一接收用光学天线，满足以下技术要求：

焦距：f’ = 60 mm，D/f’ = 1 / 1.2，视场角2ω＝±0.1°，激光波长：λ＝0.850μm，激光波长漂移：0.848～0.852μm。

光学特性特点与像差校正要求

根据设计要求，该天线属于一大相对孔径光学系统，色差与后续光纤的纤芯直径相当，因属于定向发射和接收系统，所以视场角不是很大。因此该天线属于大孔径，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，色差不大，也加以控制。像质评价可以采用弥散圆和MTF指标。

设计流程：

（1）初始系统的确定：

我们选用的初始结构参数如下：

初始结构的主要光学特性为：f’ = 52.87 mm，D/f’ = 1 / 1.5，视场角2ω＝30°，物无限远，工作波长可见波段。一般无色普通玻璃透过的光谱范围高达2 μm，所以这种构型可以选为该光学天线的初始结构。

但是，要做如下修改：（1）将工作波段改成中间波长为0.85μm，校正色差的波长为：0.848μm和0.852μm；（2）将结构的焦距由f’ = 52.87 mm缩放到f’ = 60 mm。

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“Lens Data Editor”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“Marginal Ray Height”，设置Height和Pupil Zone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。

（2）Zemax设计与优化：

1）系统建模

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置孔径和玻璃库。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“34”；

在视场设定对话框中设置2个视场（0，0.05视场），要选择“Angle（Deg）”如下图：

在波长设定对话框中，加入0.85，0.848和0.852三个波长，主波长0.85，如下图：

然后在LDE中输入查找出来的初始结构，如下图：

这样，主窗口状态栏中可以知道EFFL（系统焦距），WFNO（系统F数）、ENPD（入瞳直径）、TOTR（系统从第1面到最后一面的长度）。

选择“Tools → Make Focal → 输入数据”中输入60，后选择“OK”，完成焦距缩放。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，将入瞳直径改为“50”；

这就得到优化前的初始结构数据，如下图：

这样系统的焦距就为f’ = 60 mm，D/f’ = 1 / 1.2，总长等于69.2155。

观察系统的结构图，如下图：

系统弥散圆很大，明显需要进行优化，改善成像质量。如下图所示：

2）系统优化

首先建立评价函数。

打开MFE，选择“Tools-Default Merit Function”，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Wavefront+Centroid”。设置如下图：

点击OK后，系统已经根据上述设置自动生成了一系列控制像差的操作数。

增加EFFL操作数，控制系统焦距为60mm，权重为1；

增加OPLT操作数，控制系统焦距小于62mm，权重为1；

增加OPGT操作数，控制系统焦距大于58mm，权重为1。

如下图所示：

返回LDE，为系统设置变量。将8个球面的曲率设置为变量，如下图所示：

点击opt按钮执行优化。

优化后系统的结构图，如下图：

查看优化后的点列图，如下图：

此时点列图等像质指标得到很大改善。

查看优化后的MTF，如下图：

MTF得到很大提高，在空间频率50pl/mm处，MTF达到0.7，已经基本符合设计要求。