專利名稱：透射式光學(xué)元件光致熱變形像質(zhì)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)儀器熱光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種透射式光學(xué)元件光致熱變形像質(zhì)分析方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者越來越重視溫度對光學(xué)系統(tǒng)的影響，不僅考慮了溫度變化產(chǎn)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(nèi)。常用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件(Code-V，Zemax等)一般認(rèn)為光學(xué)元件溫度為均勻分布，不能任意設(shè)定溫度梯度分布。美國Sigmadyne公司的商業(yè)軟件SigFit和RMR Design Group公司的PC Fringe,這兩個(gè)軟件使用了相同的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，即利用了干涉檢驗(yàn)接口，并通過干涉圖文件導(dǎo)入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。此種方法是在隨機(jī)的光線追跡過程中計(jì)算光程變化，因此具有局限性。而對于含有吸收型光強(qiáng)調(diào)制光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)來說，元件內(nèi)溫度梯度變化很大，將產(chǎn)生明顯的折射率梯度，從而影響系統(tǒng)光束質(zhì)量。因此，本發(fā)明目的在于提供一種更加精確快捷計(jì)算波前畸變的熱光學(xué)分析方法。能夠更加精確的仿真溫度變化后系統(tǒng)波前畸變，為光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的反饋信息，因此具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)受光照射時(shí)，光學(xué)元件內(nèi)部將產(chǎn)生不均勻的溫度場，從而引起光學(xué)鏡面熱變形及光學(xué)元件折射率的變化。因此需要對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行熱光學(xué)分析，得出光學(xué)系統(tǒng)受熱后產(chǎn)生的光波前畸變。本發(fā)明目的在于提供一種更加精確計(jì)算波前畸變的熱光學(xué)分析方法。當(dāng)光束射入到透射式光學(xué)元件各個(gè)面時(shí)，由于介質(zhì)對光能的吸收，光束的強(qiáng)度將隨著射入介質(zhì)深度的增加而逐漸減弱，光能轉(zhuǎn)化為熱能，將產(chǎn)生溫度梯度變化從而導(dǎo)致光學(xué)元件折射率的變化。考慮上述條件，本發(fā)明將通過有限元軟件(I-DEAS)建立熱分析模型，不僅考慮各個(gè)面的輻射換熱和傳導(dǎo)換熱，而且也考慮了光強(qiáng)隨射入介質(zhì)深度變化等因素，計(jì)算每個(gè)單元的熱流密度得出光學(xué)元件溫度場分布并通過熱彈性計(jì)算得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置與變形量，再通過Zernike多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)光學(xué)表面面型擬合，并由光學(xué)系統(tǒng)本身熱源特性出發(fā)，提出一種新方法用于實(shí)現(xiàn)溫度場的精確擬合，即建立以光軸方向?yàn)閦軸的圓柱坐標(biāo)下的溫度基底函數(shù)系。該表達(dá)式是將Zernike多項(xiàng)式的系數(shù)變換為沿光軸方向位置的函數(shù)，如式I :
r(A^z)=J[(2 (A^)]CD
/=1 J=O
n式中Zi(P，0 )為Zernike多項(xiàng)式第i項(xiàng)，Zsz7為多項(xiàng)式系數(shù)函數(shù)。
_/=0
使用該式對節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)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(dá)式，也能夠得到某一孔徑位置沿軸方向溫度分布解析表達(dá)式。本方法在不同系數(shù)個(gè)數(shù)情況下擬合精度均優(yōu)于現(xiàn)在用于溫度場擬合的方法，尤其是擬合系數(shù)個(gè)數(shù)較多(>100)時(shí)，本文方法能夠達(dá)到極高的擬合精度。由此計(jì)算出不同通光孔徑位置光線通過的幾何路程及材質(zhì)的折射率函數(shù)，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(xué)系統(tǒng)出射光束質(zhì)量，且適用于任何透射式光學(xué)元件。本發(fā)明能夠解決的技術(shù)問題和積極效果是1、該方法是從熱源本身出發(fā)，將Zernike多項(xiàng)式的系數(shù)變換為沿光軸方向位置的函數(shù)，也能夠得到某一孔徑位置沿軸方向溫度分布解析表達(dá)式。用此方法擬合溫度場更加精確，且方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。2、適用于任何透射式光學(xué)元件波前畸變的求取，適用性強(qiáng)。
具體實(shí)施例方式1.根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立有限元模型。2.由光源功率及材質(zhì)吸收率計(jì)算有限元各單元熱流密度作為熱分析軟件(I-DEAS)的輸入邊界條件，考慮光學(xué)元件與周圍環(huán)境的輻射換熱，生成熱分析模型求解系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度分布，并通過熱彈性計(jì)算得到各節(jié)點(diǎn)位置變形量。3.利用節(jié)點(diǎn)變形后坐標(biāo)，擬合各光學(xué)元件變形后表面面型。4.利用節(jié)點(diǎn)溫度，由光學(xué)系統(tǒng)本身熱源特點(diǎn)出發(fā)，使用式I圓柱坐標(biāo)溫度基底函數(shù)系實(shí)現(xiàn)溫度場的精確擬合。5.在孔徑內(nèi)均勻采樣，在各孔徑位置擬合沿軸折射率曲線，求取數(shù)值積分，得到該孔徑位置的光程。最終合成系統(tǒng)出射波面波前畸變，求取PV、RMS值。
權(quán)利要求
1.透射式光學(xué)元件光致熱變形像質(zhì)分析方法，其特征在于由光學(xué)系統(tǒng)熱源特點(diǎn)出發(fā)，建立以光軸方向?yàn)閆軸的圓柱坐標(biāo)下的溫度基底函數(shù)系，該表達(dá)式是將Zernike多項(xiàng)式的系數(shù)變換為沿光軸方向位置的函數(shù)，如式I :
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透射式光學(xué)元件光致熱變形像質(zhì)分析方法，其特征在于使用式(I)對光學(xué)元件溫度場進(jìn)行擬合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透射式光學(xué)元件光致熱變形像質(zhì)分析方法，其特征在于沿光線傳播方向擬合出折射率變化曲線，通過數(shù)值積分求取各孔徑位置光程。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)儀器熱光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種透射式光學(xué)元件光致熱變形像質(zhì)分析方法。該方法把大氣壓、功率、波長、折射率溫度系數(shù)等因素考慮在內(nèi)，通過有限元軟件(I-DEAS)建立熱分析模型，考慮各個(gè)面的輻射換熱和傳導(dǎo)換熱，求解出光學(xué)元件溫度場分布和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置與變形量，再通過Zernike多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)光學(xué)表面面型擬合，并由光學(xué)系統(tǒng)本身熱源特點(diǎn)出發(fā)，提出一種新的圓柱坐標(biāo)擬合方法用于實(shí)現(xiàn)溫度場的精確擬合，由此計(jì)算出不同通光孔徑位置光線通過的幾何路程及材質(zhì)的折射率函數(shù)，從而得出波前畸變及其PV、RMS值。本方法實(shí)現(xiàn)簡單、精確度高，程序通用性好，適用于任何透射式光學(xué)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(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者付躍剛, 董亭亭, 陳馳, 韓旭, 黎明 申請人:長春理工大學(xué)