[發明專利]低溫真空環境下光學窗口的熱光學特性表征與優化方法

有效

• 申請號: 201810946493.6
• 申請日: 2018-08-20
• 公開（公告）號: CN108919486B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 高志山;倪瑞滬;袁群;姚艷霞;王若言;陳銘
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱沉雁

本發明公開了一種低溫真空環境下光學窗口的熱光學特性表征與優化方法，運用有限元法仿真低溫真空環境下的大口徑平行光管系統中的熔石英窗口。基于光學設計軟件的自定義面型，該面型結合偶次非球面面型與梯度折射率面面型，用于表征溫差、壓差帶來的光學窗口面形變化及材料折射率變化。使用偏置無焦透鏡組對大口徑平行光管系統的軸外視場波像差進行優化，加入溫度變化引起的面形變化后，采用變焦設計補償溫度引起的系統波像差及焦距變化，將波像差優化至衍射極限以下，符合使用要求。本發明具有光學窗口熱光學特性表征全面、利用小口徑元件優化大口徑元件像差、適應多種溫度變化、結構簡單等優點。

技術領域

本發明屬于光學熱分析領域，具體涉及一種低溫真空環境下光學窗口的熱光學特性表征與優化方法。

背景技術

光學窗口作為一種常見的光學元件，其作為光學系統的光學通道廣泛應用于空間載荷及潛艇、坦克、飛彈等裝備中，起到通光、壓力隔離和溫度隔離等作用，其光學性能直接影響光學系統的使用性能。

光學窗口在使用時兩側通常處于不同的環境中，由此造成的溫差及壓差會使光學窗口面形和材料折射率發生改變，從而改變光學窗口的透射波前，影響后續系統的成像質量或光束均勻性。因此，光學窗口的熱光學特性表征及優化是光學系統設計中不可忽視的問題。

目前對光學窗口的熱光學仿真主要包括：一是利用光學設計軟件自帶的溫度分析功能進行分析，其局限性在于只能分析軸向溫度場情況，不能準確模擬窗口所處的真實環境；二是利用ANSYS等有限元軟件分析溫度與壓強對表面面形的影響，將節點變形擬合為Zernike多項式表示，并調入光學設計軟件中分析，沒有考慮折射率變化對光學性能的影響；三是利用折射率隨溫度變化公式求解每個位置點的折射率，用梯度折射率公式進行擬合，將擬合數據調入光學設計軟件中分析，這種方法沒有考慮其面形變化的影響。文獻“一種離軸拋物面鏡像差校正鏡組的設計，光學學報,2014,34(6):219-224.”及專利“大視場離軸主焦點式平行光管光學系統CN 203337922 U[P].2013.”中，作者胡明勇提出一種三片式的偏置透鏡組用于校正大口徑平行光管系統中離軸拋物面的軸外視場像差，其優化環境是常溫常壓，沒有考慮溫度變化對系統波像差的影響，故沒有對光學窗口進行熱光學分析。參考文獻“Method of determining effects of heat-induced irregular refractiveindex on an optical system”Applied Optics,2015,54(25):7701-7.中，作者宋席發提出使用梯度折射率擬合溫度引起的光學元件材料折射率的變化，但是其沒有考慮溫度引起的光學元件的面形變化，表征不夠全面，也沒有據此對光學系統進行優化。

傳統的優化窗口溫度變形導致系統波像差變化的方法有優化窗口厚度、控制窗口溫度減少變形量、設計雙層的窗口結構等方法，這些方法的成本高且操作難度大。

發明內容

本發明的目的在于提供一種低溫真空環境下光學窗口的熱光學特性表征與優化方法，有針對性的分析低溫環境下光學窗口變形及校正平行光管光學系統的波像差，提高平行光管的使用性能。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種低溫真空環境下光學窗口的熱光學特性表征與優化方法，方法步驟如下：

步驟1、在ZEMAX軟件中，建立大口徑平行光管光學設計模型，形成大口徑平行光管系統；

步驟2、采用偏置無焦透鏡組優化大口徑平行光管系統的軸外視場像差；

在光學窗口外側加入偏置無焦透鏡組，通過優化將大口徑平行光管系統的軸外視場優化至衍射極限以下；

步驟3、建立光學窗口的實體模型；

步驟4、將光學窗口的實體模型進行有限元網絡劃分；

步驟5、添加光學窗口的材料、溫度及邊界條件載荷；