透射式光學元件光致熱變形像質分析方法
2023-10-22 03:50:07
專利名稱：透射式光學元件光致熱變形像質分析方法
技術領域：
本發明屬於光學儀器熱光學領域，涉及一種透射式光學元件光致熱變形像質分析方法。
背景技術：
近年來，隨著科學技術的發展，一些學者越來越重視溫度對光學系統的影響，不僅考慮了溫度變化產生的面形畸變，而且也把溫度引起的折射率梯度因素考慮在內。常用光學設計軟體(Code-V，Zemax等)一般認為光學元件溫度為均勻分布，不能任意設定溫度梯度分布。美國Sigmadyne公司的商業軟體SigFit和RMR Design Group公司的PC Fringe,這兩個軟體使用了相同的數據傳輸技術，即利用了幹涉檢驗接口，並通過幹涉圖文件導入光學設計軟體。此種方法是在隨機的光線追跡過程中計算光程變化，因此具有局限性。而對於含有吸收型光強調製光學元件的光學系統來說，元件內溫度梯度變化很大，將產生明顯的折射率梯度，從而影響系統光束質量。因此，本發明目的在於提供一種更加精確快捷計算波前畸變的熱光學分析方法。能夠更加精確的仿真溫度變化後系統波前畸變，為光機系統設計提供準確的反饋信息，因此具有重要的意義。
發明內容
當光學系統受光照射時，光學元件內部將產生不均勻的溫度場，從而引起光學鏡面熱變形及光學元件折射率的變化。因此需要對光學系統進行熱光學分析，得出光學系統受熱後產生的光波前畸變。本發明目的在於提供一種更加精確計算波前畸變的熱光學分析方法。當光束射入到透射式光學元件各個面時，由於介質對光能的吸收，光束的強度將隨著射入介質深度的增加而逐漸減弱，光能轉化為熱能，將產生溫度梯度變化從而導致光學元件折射率的變化。考慮上述條件，本發明將通過有限元軟體(I-DEAS)建立熱分析模型，不僅考慮各個面的輻射換熱和傳導換熱，而且也考慮了光強隨射入介質深度變化等因素，計算每個單元的熱流密度得出光學元件溫度場分布並通過熱彈性計算得到各個節點的坐標位置與變形量，再通過Zernike多項式實現光學表面面型擬合，並由光學系統本身熱源特性出發，提出一種新方法用於實現溫度場的精確擬合，即建立以光軸方向為z軸的圓柱坐標下的溫度基底函數系。該表達式是將Zernike多項式的係數變換為沿光軸方向位置的函數，如式I :
r(A^z)=J[(2 (A^)]CD
/=1 J=O
n式中Zi(P，0 )為Zernike多項式第i項，Zsz7為多項式係數函數。
_/=0
使用該式對節點溫度進行最小二乘法擬合，即能夠得到某一光軸位置截面溫度分布解析表達式，也能夠得到某一孔徑位置沿軸方向溫度分布解析表達式。本方法在不同係數個數情況下擬合精度均優於現在用於溫度場擬合的方法，尤其是擬合係數個數較多(>100)時，本文方法能夠達到極高的擬合精度。由此計算出不同通光孔徑位置光線通過的幾何路程及材質的折射率函數，從而得出波前畸變及其PV、RMS值。本方法能夠更加精確地衡量光學系統出射光束質量，且適用於任何透射式光學元件。本發明能夠解決的技術問題和積極效果是1、該方法是從熱源本身出發，將Zernike多項式的係數變換為沿光軸方向位置的函數，也能夠得到某一孔徑位置沿軸方向溫度分布解析表達式。用此方法擬合溫度場更加精確，且方法簡單，易於實現。2、適用於任何透射式光學元件波前畸變的求取，適用性強。
具體實施例方式1.根據光學系統結構設計方案，建立有限元模型。2.由光源功率及材質吸收率計算有限元各單元熱流密度作為熱分析軟體(I-DEAS)的輸入邊界條件，考慮光學元件與周圍環境的輻射換熱，生成熱分析模型求解系統穩態溫度分布，並通過熱彈性計算得到各節點位置變形量。3.利用節點變形後坐標，擬合各光學元件變形後表面面型。4.利用節點溫度，由光學系統本身熱源特點出發，使用式I圓柱坐標溫度基底函數系實現溫度場的精確擬合。5.在孔徑內均勻採樣，在各孔徑位置擬合沿軸折射率曲線，求取數值積分，得到該孔徑位置的光程。最終合成系統出射波面波前畸變，求取PV、RMS值。
權利要求
1.透射式光學元件光致熱變形像質分析方法，其特徵在於由光學系統熱源特點出發，建立以光軸方向為Z軸的圓柱坐標下的溫度基底函數系，該表達式是將Zernike多項式的係數變換為沿光軸方向位置的函數，如式I :
2.根據權利要求I所述的透射式光學元件光致熱變形像質分析方法，其特徵在於使用式(I)對光學元件溫度場進行擬合。
3.根據權利要求2所述的透射式光學元件光致熱變形像質分析方法，其特徵在於沿光線傳播方向擬合出折射率變化曲線，通過數值積分求取各孔徑位置光程。
全文摘要
本發明屬於光學儀器熱光學領域，涉及一種透射式光學元件光致熱變形像質分析方法。該方法把大氣壓、功率、波長、折射率溫度係數等因素考慮在內，通過有限元軟體(I-DEAS)建立熱分析模型，考慮各個面的輻射換熱和傳導換熱，求解出光學元件溫度場分布和各個節點的坐標位置與變形量，再通過Zernike多項式實現光學表面面型擬合，並由光學系統本身熱源特點出發，提出一種新的圓柱坐標擬合方法用於實現溫度場的精確擬合，由此計算出不同通光孔徑位置光線通過的幾何路程及材質的折射率函數，從而得出波前畸變及其PV、RMS值。本方法實現簡單、精確度高，程序通用性好，適用於任何透射式光學元件波像差求取。
文檔編號G01M11/02GK102620917SQ20121010348
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月11日 優先權日2012年4月11日
發明者付躍剛, 董亭亭, 陳馳, 韓旭, 黎明 申請人:長春理工大學