CN102620917A - 透射式光学元件光致热变形像质分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学仪器热光学领域，涉及一种透射式光学元件光致热变形像质分析方法。该方法把大气压、功率、波长、折射率温度系数等因素考虑在内，通过有限元软件(I-DEAS)建立热分析模型，考虑各个面的辐射换热和传导换热，求解出光学元件温度场分布和各个节点的坐标位置与变形量，再通过Zernike多项式实现光学表面面型拟合，并由光学系统本身热源特点出发，提出一种新的圆柱坐标拟合方法用于实现温度场的精确拟合，由此计算出不同通光孔径位置光线通过的几何路程及材质的折射率函数，从而得出波前畸变及其PV、RMS值。本方法实现简单、精确度高，程序通用性好，适用于任何透射式光学元件波像差求取。

Description

透射式光学元件光致热变形像质分析方法

技术领域

本发明属于光学仪器热光学领域，涉及一种透射式光学元件光致热变形像质分析方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，一些学者越来越重视温度对光学系统的影响，不仅考虑了温度变化产生的面形畸变，而且也把温度引起的折射率梯度因素考虑在内。常用光学设计软件(Code-V，Zemax等)一般认为光学元件温度为均匀分布，不能任意设定温度梯度分布。美国Sigmadyne公司的商业软件SigFit和RMR Design Group公司的PC Fringe，这两个软件使用了相同的数据传输技术，即利用了干涉检验接口，并通过干涉图文件导入光学设计软件。此种方法是在随机的光线追迹过程中计算光程变化，因此具有局限性。而对于含有吸收型光强调制光学元件的光学系统来说，元件内温度梯度变化很大，将产生明显的折射率梯度，从而影响系统光束质量。

因此，本发明目的在于提供一种更加精确快捷计算波前畸变的热光学分析方法。能够更加精确的仿真温度变化后系统波前畸变，为光机系统设计提供准确的反馈信息，因此具有重要的意义。

发明内容

当光学系统受光照射时，光学元件内部将产生不均匀的温度场，从而引起光学镜面热变形及光学元件折射率的变化。因此需要对光学系统进行热光学分析，得出光学系统受热后产生的光波前畸变。本发明目的在于提供一种更加精确计算波前畸变的热光学分析方法。

当光束射入到透射式光学元件各个面时，由于介质对光能的吸收，光束的强度将随着射入介质深度的增加而逐渐减弱，光能转化为热能，将产生温度梯度变化从而导致光学元件折射率的变化。考虑上述条件，本发明将通过有限元软件(I-DEAS)建立热分析模型，不仅考虑各个面的辐射换热和传导换热，而且也考虑了光强随射入介质深度变化等因素，计算每个单元的热流密度得出光学元件温度场分布并通过热弹性计算得到各个节点的坐标位置与变形量，再通过Zernike多项式实现光学表面面型拟合，并由光学系统本身热源特性出发，提出一种新方法用于实现温度场的精确拟合，即建立以光轴方向为z轴的圆柱坐标下的温度基底函数系。该表达式是将Zernike多项式的系数变换为沿光轴方向位置的函数，如式1：

$T(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ},z)=\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left[\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}{z}^j\right)Z_i(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})\right]---\left(1\right)$

式中：Z_i(ρ，θ)为Zernike多项式第i项，

为多项式系数函数。

使用该式对节点温度进行最小二乘法拟合，即能够得到某一光轴位置截面温度分布解析表达式，也能够得到某一孔径位置沿轴方向温度分布解析表达式。本方法在不同系数个数情况下拟合精度均优于现在用于温度场拟合的方法，尤其是拟合系数个数较多(＞100)时，本文方法能够达到极高的拟合精度。由此计算出不同通光孔径位置光线通过的几何路程及材质的折射率函数，从而得出波前畸变及其PV、RMS值。本方法能够更加精确地衡量光学系统出射光束质量，且适用于任何透射式光学元件。

本发明能够解决的技术问题和积极效果是：

1、该方法是从热源本身出发，将Zernike多项式的系数变换为沿光轴方向位置的函数，也能够得到某一孔径位置沿轴方向温度分布解析表达式。用此方法拟合温度场更加精确，且方法简单，易于实现。

2、适用于任何透射式光学元件波前畸变的求取，适用性强。

具体实施方式

1.根据光学系统结构设计方案，建立有限元模型。

2.由光源功率及材质吸收率计算有限元各单元热流密度作为热分析软件(I-DEAS)的输入边界条件，考虑光学元件与周围环境的辐射换热，生成热分析模型求解系统稳态温度分布，并通过热弹性计算得到各节点位置变形量。

3.利用节点变形后坐标，拟合各光学元件变形后表面面型。

4.利用节点温度，由光学系统本身热源特点出发，使用式1圆柱坐标温度基底函数系实现温度场的精确拟合。

5.在孔径内均匀采样，在各孔径位置拟合沿轴折射率曲线，求取数值积分，得到该孔径位置的光程。最终合成系统出射波面波前畸变，求取PV、RMS值。

Claims (3)

1.透射式光学元件光致热变形像质分析方法，其特征在于：由光学系统热源特点出发，建立以光轴方向为z轴的圆柱坐标下的温度基底函数系，该表达式是将Zernike多项式的系数变换为沿光轴方向位置的函数，如式1：

$T(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ},z)=\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left[\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}{z}^j\right)Z_i(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})\right]---\left(1\right)$

式中：Z_i(ρ，θ)为Zernike多项式第i项，

为多项式系数函数。

2.根据权利要求1所述的透射式光学元件光致热变形像质分析方法，其特征在于：使用式(1)对光学元件温度场进行拟合。

3.根据权利要求2所述的透射式光学元件光致热变形像质分析方法，其特征在于：沿光线传播方向拟合出折射率变化曲线，通过数值积分求取各孔径位置光程。