[发明专利]低温真空环境下光学窗口的热光学特性表征与优化方法

说明书

本发明公开了一种低温真空环境下光学窗口的热光学特性表征与优化方法，运用有限元法仿真低温真空环境下的大口径平行光管系统中的熔石英窗口。基于光学设计软件的自定义面型，该面型结合偶次非球面面型与梯度折射率面面型，用于表征温差、压差带来的光学窗口面形变化及材料折射率变化。使用偏置无焦透镜组对大口径平行光管系统的轴外视场波像差进行优化，加入温度变化引起的面形变化后，采用变焦设计补偿温度引起的系统波像差及焦距变化，将波像差优化至衍射极限以下，符合使用要求。本发明具有光学窗口热光学特性表征全面、利用小口径元件优化大口径元件像差、适应多种温度变化、结构简单等优点。

技术领域

本发明属于光学热分析领域，具体涉及一种低温真空环境下光学窗口的热光学特性表征与优化方法。

背景技术

光学窗口作为一种常见的光学元件，其作为光学系统的光学通道广泛应用于空间载荷及潜艇、坦克、飞弹等装备中，起到通光、压力隔离和温度隔离等作用，其光学性能直接影响光学系统的使用性能。

光学窗口在使用时两侧通常处于不同的环境中，由此造成的温差及压差会使光学窗口面形和材料折射率发生改变，从而改变光学窗口的透射波前，影响后续系统的成像质量或光束均匀性。因此，光学窗口的热光学特性表征及优化是光学系统设计中不可忽视的问题。

目前对光学窗口的热光学仿真主要包括：一是利用光学设计软件自带的温度分析功能进行分析，其局限性在于只能分析轴向温度场情况，不能准确模拟窗口所处的真实环境；二是利用ANSYS等有限元软件分析温度与压强对表面面形的影响，将节点变形拟合为Zernike多项式表示，并调入光学设计软件中分析，没有考虑折射率变化对光学性能的影响；三是利用折射率随温度变化公式求解每个位置点的折射率，用梯度折射率公式进行拟合，将拟合数据调入光学设计软件中分析，这种方法没有考虑其面形变化的影响。文献“一种离轴抛物面镜像差校正镜组的设计，光学学报,2014,34(6):219-224.”及专利“大视场离轴主焦点式平行光管光学系统CN 203337922 U[P].2013.”中，作者胡明勇提出一种三片式的偏置透镜组用于校正大口径平行光管系统中离轴抛物面的轴外视场像差，其优化环境是常温常压，没有考虑温度变化对系统波像差的影响，故没有对光学窗口进行热光学分析。参考文献“Method of determining effects of heat-induced irregular refractiveindex on an optical system”Applied Optics,2015,54(25):7701-7.中，作者宋席发提出使用梯度折射率拟合温度引起的光学元件材料折射率的变化，但是其没有考虑温度引起的光学元件的面形变化，表征不够全面，也没有据此对光学系统进行优化。

传统的优化窗口温度变形导致系统波像差变化的方法有优化窗口厚度、控制窗口温度减少变形量、设计双层的窗口结构等方法，这些方法的成本高且操作难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温真空环境下光学窗口的热光学特性表征与优化方法，有针对性的分析低温环境下光学窗口变形及校正平行光管光学系统的波像差，提高平行光管的使用性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种低温真空环境下光学窗口的热光学特性表征与优化方法，方法步骤如下：

步骤1、在ZEMAX软件中，建立大口径平行光管光学设计模型，形成大口径平行光管系统；

步骤2、采用偏置无焦透镜组优化大口径平行光管系统的轴外视场像差；

在光学窗口外侧加入偏置无焦透镜组，通过优化将大口径平行光管系统的轴外视场优化至衍射极限以下；

步骤3、建立光学窗口的实体模型；

步骤4、将光学窗口的实体模型进行有限元网络划分；

步骤5、添加光学窗口的材料、温度及边界条件载荷；