本發(fā)明涉及激光通信領(lǐng)域，尤其涉及一種用于激光通信的光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在激光通信領(lǐng)域中，例如，在衛(wèi)星間激光通信中，如果光學(xué)天線視場（在本文也稱“視角”、“視場角”）較小，則由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)不斷變化，可能導(dǎo)致通信終端無法及時(shí)捕捉到對方衛(wèi)星發(fā)出的激光信號，影響通信的建立。為了彌補(bǔ)光學(xué)天線視場小的不足，系統(tǒng)往往需要增加額外的機(jī)械結(jié)構(gòu)或電子控制裝置，例如，轉(zhuǎn)向電機(jī)和振鏡等器件來實(shí)現(xiàn)天線的大范圍掃描或多方向的信號接收。

2、然而，在激光通信設(shè)備中，轉(zhuǎn)向電機(jī)的存在會(huì)占用大量的空間，使得整個(gè)通信系統(tǒng)的體積增大，難以滿足現(xiàn)代通信設(shè)備對小型化、輕量化的要求。例如，在一些空間激光通信應(yīng)用中，衛(wèi)星或飛行器上的空間有限，過大的電機(jī)體積會(huì)限制通信系統(tǒng)的安裝和布局，影響其他設(shè)備的搭載和使用。此外，用于快速改變激光光束方向的振鏡如果體積過大，則會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的集成度降低，難以將其與其他光學(xué)元件緊密地集成在一起。這不僅會(huì)增加系統(tǒng)的體積，還會(huì)影響光路的穩(wěn)定性和精度。例如，在一些需要高精度光束指向控制的激光通信系統(tǒng)中，振鏡的體積過大可能會(huì)導(dǎo)致光路的調(diào)整精度下降，影響通信的質(zhì)量和可靠性。這些額外的設(shè)備和結(jié)構(gòu)會(huì)增加系統(tǒng)的重量、體積和能耗，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，還提高了系統(tǒng)的成本和維護(hù)難度。

3、為了克服上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中存在兩種主流的激光通信的光學(xué)系統(tǒng)。第一種為配置有基于伽利略透射式構(gòu)型的光學(xué)天線；第二種為配置有離軸式的光學(xué)天線的激光通信的光學(xué)系統(tǒng)。

4、對于第一種激光通信的光學(xué)系統(tǒng)而言，其光學(xué)天線視場角較小，例如，一般四片球面式天線僅能達(dá)到＜1°范圍，因此，在光機(jī)系統(tǒng)中使用時(shí)的定向掃描范圍較小，需要配合振鏡和轉(zhuǎn)向電機(jī)使用。另外，伽利略式構(gòu)型中心無焦，光束未明顯縮束，轉(zhuǎn)折鏡所需口徑較大。

5、對于第二種激光通信的光學(xué)系統(tǒng)而言，其光學(xué)天線視場較小，一般離軸雙反的視場角僅能達(dá)到＜0.5°范圍，因此，在光機(jī)系統(tǒng)使用時(shí)定向掃描范圍較小，需要配合振鏡和轉(zhuǎn)向電機(jī)使用。另外，采用離軸雙反式構(gòu)型，并且主次鏡采用非球面的方案對加工精度要求高，所需成本高，裝調(diào)難度也較高。

6、綜上所述，傳統(tǒng)的用于降低光學(xué)通信系統(tǒng)的體積的方法的不足之處在于：光學(xué)天線的視場角范圍偏小，并且需要額外配置轉(zhuǎn)向電機(jī)和振鏡等器件來實(shí)現(xiàn)天線的掃描或多方向的信號接收，成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種用于激光通信的光學(xué)系統(tǒng)，能夠顯著提高光學(xué)天線的視場角范圍并降低捕跟裝置的體積。

2、根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供了一種用于激光通信的光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)包括：透射式光學(xué)天線系統(tǒng)，其在光學(xué)系統(tǒng)的激光光路中位于雙光楔系統(tǒng)的上游，并且包括分別由多個(gè)透鏡組成的第一物鏡組和第二反物鏡組，第二反物鏡組的物平面是第一物鏡組的焦平面，第一物鏡組被配置為使入射的激光束聚焦至第一物鏡組的焦平面處，第二反物鏡組被配置為使來自第一物鏡組的焦平面處的同一點(diǎn)的激光束縮束后平行出射；以及雙光楔系統(tǒng)，包括兩個(gè)相對設(shè)置的光楔，雙光楔系統(tǒng)被配置為使從透射式光學(xué)天線系統(tǒng)出射的平行激光束偏轉(zhuǎn)到捕跟支路視場范圍內(nèi)，并且雙光楔系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3、在一些實(shí)施例中，透射式光學(xué)天線系統(tǒng)還包括：轉(zhuǎn)折平反鏡，位于第一物鏡組的焦平面處，轉(zhuǎn)折平反鏡被配置為將從第一物鏡組出射的激光束朝向第二反物鏡組反射。

4、在一些實(shí)施例中，第一物鏡組的焦距與口徑的比值在3至3.5之間，第一物鏡組的長度小于或者等于透射式光學(xué)天線系統(tǒng)的長度的2/3，并且第一物鏡組的波像差小于激光束的波長的1/12。

5、在一些實(shí)施例中，第二反物鏡組的焦距與透射式光學(xué)天線系統(tǒng)的放大倍率的乘積與第一物鏡組的焦距相等，第二反物鏡組的長度小于或者等于透射式光學(xué)天線系統(tǒng)的長度的1/3，第二反物鏡組像空間無焦并且第二反物鏡組的波像差小于激光束的波長的1/12。

6、在一些實(shí)施例中，第一物鏡組包括沿激光光路依次放置的凸平正透鏡、第一彎月正透鏡、雙凹負(fù)透鏡和第二彎月正透鏡。

7、在一些實(shí)施例中，凸平正透鏡和第一彎月正透鏡由冕牌玻璃構(gòu)成，雙凹負(fù)透鏡和第二彎月正透鏡由火石玻璃構(gòu)成。

8、在一些實(shí)施例中，第二反物鏡組包括沿激光光路依次放置的平凸正透鏡、凸平正透鏡、彎月正透鏡和彎月負(fù)透鏡，其中平凸正透鏡、凸平正透鏡和彎月正透鏡的色散能力均高于彎月負(fù)透鏡的色散能力。

9、在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)裝置被配置為驅(qū)動(dòng)雙光楔系統(tǒng)中的兩個(gè)光楔以相同方向和角速度圍繞主光軸旋轉(zhuǎn)。

10、在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)裝置中包括用于雙光楔系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序被配置為生成與第一物鏡組的視角范圍內(nèi)的任意視角相對應(yīng)的兩個(gè)光楔的相對擺放角度和同向旋轉(zhuǎn)角速度。

11、在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)裝置被配置為：重復(fù)以下驅(qū)動(dòng)直至完成對第一物鏡組的視角范圍內(nèi)的任意視角的掃描：驅(qū)動(dòng)裝置以與任意視角相對應(yīng)的相對擺放角度來定位兩個(gè)光楔，并且以同向旋轉(zhuǎn)角速度來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)光楔圍繞主光軸旋轉(zhuǎn)360度。

12、在一些實(shí)施例中，兩個(gè)光楔中的每個(gè)光楔的側(cè)面被鏡座包覆，該側(cè)面與光楔的斜切面和圓形表面相鄰，鏡座外表面為齒輪狀，驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別帶動(dòng)一個(gè)齒輪，齒輪與鏡座通過履帶形成傳動(dòng)。

13、應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的有益效果在于：通過使得透射式光學(xué)天線系統(tǒng)至少經(jīng)由第一物鏡組將入射的激光束聚焦至第一物鏡組的焦平面處，本發(fā)明可以增大視場角；另外，通過使雙光楔系統(tǒng)將從透射式光學(xué)天線系統(tǒng)的出射的平行激光束偏轉(zhuǎn)到捕跟支路視場范圍內(nèi)，并且驅(qū)動(dòng)光楔運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)光軸環(huán)形變化以用于針對激光信號的掃描，代替了掃描視場角較小且成本較高的跟瞄快反鏡。進(jìn)一步地，通過采用由第一物鏡組、平反鏡和第二反物鏡組組成類似于開普勒式望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光學(xué)天線的構(gòu)型，進(jìn)一步增大了視場角，降低了系統(tǒng)體積。

14、應(yīng)當(dāng)理解，
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
部分中所描述的內(nèi)容并非旨在限定本公開的實(shí)施例的關(guān)鍵或重要特征，亦非用于限制本公開的范圍。本公開的其他特征將通過以下的描述變得容易理解。

技術(shù)特征：

1.一種用于激光通信的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述透射式光學(xué)天線系統(tǒng)還包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一物鏡組的焦距與口徑的比值在3至3.5之間，所述第一物鏡組的長度小于或者等于所述透射式光學(xué)天線系統(tǒng)的長度的2/3，并且所述第一物鏡組的波像差小于所述激光束的波長的1/12。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二反物鏡組的焦距與所述透射式光學(xué)天線系統(tǒng)的放大倍率的乘積與所述第一物鏡組的焦距相等，所述第二反物鏡組的長度小于或者等于所述透射式光學(xué)天線系統(tǒng)的長度的1/3，所述第二反物鏡組像空間無焦并且所述第二反物鏡組的波像差小于所述激光束的波長的1/12。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一物鏡組包括沿所述激光光路依次放置的凸平正透鏡、第一彎月正透鏡、雙凹負(fù)透鏡和第二彎月正透鏡。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述凸平正透鏡和所述第一彎月正透鏡由冕牌玻璃構(gòu)成，所述雙凹負(fù)透鏡和第二彎月正透鏡由火石玻璃構(gòu)成。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二反物鏡組包括沿所述激光光路依次放置的平凸正透鏡、凸平正透鏡、彎月正透鏡和彎月負(fù)透鏡，其中所述平凸正透鏡、所述凸平正透鏡和所述彎月正透鏡的色散能力均高于所述彎月負(fù)透鏡的色散能力。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置被配置為：驅(qū)動(dòng)所述雙光楔系統(tǒng)中的所述兩個(gè)光楔以相同方向和角速度圍繞主光軸旋轉(zhuǎn)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置中包括用于所述雙光楔系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序，所述驅(qū)動(dòng)程序被配置為生成與所述第一物鏡組的視角范圍內(nèi)的任意視角相對應(yīng)的所述兩個(gè)光楔的相對擺放角度和同向旋轉(zhuǎn)角速度。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置被配置為：重復(fù)以下驅(qū)動(dòng)直至完成對所述第一物鏡組的視角范圍內(nèi)的任意視角的掃描：

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個(gè)光楔中的每個(gè)光楔的側(cè)面被鏡座包覆，所述側(cè)面與所述光楔的斜切面和圓形表面相鄰，所述鏡座外表面為齒輪狀，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別帶動(dòng)一個(gè)齒輪，所述齒輪與所述鏡座通過履帶形成傳動(dòng)。

技術(shù)總結(jié)
提供了一種用于激光通信的光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)包括透射式光學(xué)天線系統(tǒng)，其在光學(xué)系統(tǒng)的激光光路中位于雙光楔系統(tǒng)的上游，并且包括分別由多個(gè)透鏡組成的第一物鏡組和第二反物鏡組，第二反物鏡組的物平面是第一物鏡組的焦平面，第一物鏡組被配置為使入射的激光束聚焦至第一物鏡組的焦平面處，第二反物鏡組被配置為使來自第一物鏡組的焦平面處的同一點(diǎn)的激光束縮束后平行出射；雙光楔系統(tǒng)，包括兩個(gè)相對設(shè)置的光楔，雙光楔系統(tǒng)被配置為使從透射式光學(xué)天線系統(tǒng)出射的平行激光束偏轉(zhuǎn)到捕跟支路視場范圍內(nèi)，并且雙光楔系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。以此方式，提供了一種具有較大視場角范圍的光學(xué)天線和較小體積的捕跟裝置。

技術(shù)研發(fā)人員：請求不公布姓名,譚俊,請求不公布姓名,請求不公布姓名
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海穹窿科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19