一种光学系统热分析方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种光学系统热分析方法及系统，其中方法包括：建立待分析光学系统的有限元模型，对有限元模型进行热变形分析；从热变形分析的结果中提取至少一部分相邻两个光学表面与光轴的交点沿光轴方向的间隔变化量，并基于该间隔变化量计算等效热膨胀系数，作为这两个光学表面之间的热膨胀系数；将待分析光学系统的光路展开为同轴光学系统，并基于所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数，利用光学软件的热分析功能进行高低温条件下的成像质量分析。本发明专利技术只需对光学表面顶点沿光轴方向的位移进行简单计算，并基于光学表面的间隔变化量计算等效热膨胀系数，从而输入光学软件进行热分析，大幅减小了分析工作量和难度。

【技术实现步骤摘要】
一种光学系统热分析方法及系统
本专利技术涉及光学
，尤其涉及一种光学系统热分析方法及系统。
技术介绍
温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔都发生变化，元件基体材料的折射率及所在介质的折射率也将发生变化，从而导致光学系统的成像质量发生变化，因此必须对光学系统进行热分析，并根据分析结果采取适当的无热化措施。对于透射式同轴光学系统，可以使用光学设计软件(如CodeV，Zemax等)直接进行热分析，软件会自动计算光学镜片的曲率、厚度和折射率变化，并根据结构件材料的热膨胀系数利用圆柱筒(CylinderTube)模型计算相邻两个光学元件的间隔变化。对于反射式(折反混合)光学系统和光路中有棱镜(或反射镜)等光学元件的复杂光学系统，由于结构支撑点不确定、结构材料可能有多种等原因，直接用光学软件进行热分析结果不准确。因此通常采用光机热集成分析方法，但该方法需要对所有表面的所有节点变形数据进行基于矢高或基于表面法向的转换，然后再多项式拟合，有时拟合前还要对方程组进行正交化处理，运算量大，过程复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中的至少一部分技术问题，提供了一种光学系统热分析方法及系统。为了解决上述技术问题，本专利技术第一方面，提供了一种光学系统热分析方法，所述方法包括：S1、建立待分析光学系统的有限元模型，对有限元模型进行热变形分析，其中所述待分析光学系统包括光学元件和结构件；S2、从热变形分析的结果中提取至少一部分相邻两个光学表面与光轴的交点沿光轴方向的间隔变化量，并基于该间隔变化量计算等效热膨胀系数，作为这两个光学表面之间的热膨胀系数；S3、将待分析光学系统的光路展开为同轴光学系统，并基于所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数，利用光学软件的热分析功能进行高低温条件下的成像质量分析。在根据本专利技术所述的光学系统热分析方法中，可选地，所述步骤S2中通过以下公式计算等效热膨胀系数，包括：其中，ΔL为相邻两个光学表面与光轴的交点沿光轴方向的间隔变化量，ΔT为对有限元模型进行热变形分析时施加环境温度变化值，L为初始状态时的光学表面间隔。在根据本专利技术所述的光学系统热分析方法中，可选地，所述步骤S2中提取由非单一材料结构件固定的两个光学元件的相邻表面的间隔变化量，并计算等效热膨胀系数作为热膨胀系数；所述步骤S3中在进行成像质量分析时使用的所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数包括：1)对于由单一材料结构件固定的两个光学元件，其相邻两个光学表面之间的热膨胀系数为该单一材料的热膨胀系数；2)对于由非单一材料结构件固定的两个光学元件，其相邻两个光学表面之间的热膨胀系数为由步骤S2计算获得的热膨胀系数；3)对于光学元件上的两个相邻光学表面，其热膨胀系数为该光学元件所使用光学材料的热膨胀系数。在根据本专利技术所述的光学系统热分析方法中，可选地，所述步骤S2中提取所有两个光学元件的相邻表面的间隔变化量，并计算等效热膨胀系数作为热膨胀系数；所述步骤S3中在进行成像质量分析时使用的所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数均由步骤S2计算获得。在根据本专利技术所述的光学系统热分析方法中，可选地，所述步骤S2中提取特定光学元件与相邻的光学元件之间的两个相邻光学表面的间隔变化量，并计算等效热膨胀系数作为热膨胀系数；所述特定光学元件包括反射镜和棱镜；所述步骤S3中在进行成像质量分析时使用的所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数包括：1)对于特定光学元件与相邻的光学元件，其相邻两个光学表面之间的热膨胀系数为由步骤S2计算获得的热膨胀系数；2)对于非特定光学元件，其相邻两个光学表面之间的热膨胀系数为设置的结构件材料的热膨胀系数；3)对于光学元件上的两个相邻光学表面，其热膨胀系数为该光学元件所使用光学材料的热膨胀系数。在根据本专利技术所述的光学系统热分析方法中，可选地，所述步骤S3中将待分析光学系统的光路展开为同轴光学系统时，其中平面反射镜用虚拟面代替，棱镜按光程展开为平板玻璃。在根据本专利技术所述的光学系统热分析方法中，可选地，所述步骤S2中在计算等效热膨胀系数时，根据光学元件的类型确定光学表面间隔L：a、相邻两个光学元件均为透镜时，以两个相邻光学表面最大口径处在平行光轴方向的距离作为光学表面间隔L；b、相邻两个光学元件为非平面反射镜时，以两个相邻光学表面与光轴的交点的距离作为光学表面间隔L；c、相邻两个光学元件依次为棱镜与透镜时，以透镜入射表面最大口径处在平行光轴方向与棱镜出射表面的距离作为光学表面间隔L；d、相邻两个光学元件依次为棱镜与平面反射镜时，以两个相邻光学表面与光轴的交点的距离作为光学表面间隔L；e、相邻两个光学元件依次为透镜与平面反射镜时，计算第一点以及第二点之间的距离作为光学表面间隔L，其中第一点为透镜的出射面最大口径处的点在光轴上的垂直投影点，第二点为平面反射镜与光轴的交点；f、相邻两个光学元件均为平面反射镜时，以两个相邻光学表面与光轴的交点的距离作为光学表面间隔L；g、相邻两个光学元件均为棱镜时，以两个相邻光学表面与光轴的交点的距离作为光学表面间隔L。本专利技术还提供了一种光学系统热分析系统，所述方法包括：有限元分析模块，用于建立待分析光学系统的有限元模型，对有限元模型进行热变形分析，其中所述待分析光学系统包括光学元件和结构件；热膨胀系数计算模块，用于从热变形分析的结果中提取至少一部分相邻两个光学表面与光轴的交点沿光轴方向的间隔变化量，并基于该间隔变化量计算等效热膨胀系数，作为这两个光学表面之间的热膨胀系数；热分析模块，用于将待分析光学系统的光路展开为同轴光学系统，并基于所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数，利用光学软件的热分析功能进行高低温条件下的成像质量分析。在根据本专利技术所述的光学系统热分析系统中，可选地，所述热膨胀系数计算模块通过以下公式计算等效热膨胀系数，包括：其中，ΔL为相邻两个光学表面与光轴的交点沿光轴方向的间隔变化量，ΔT为对有限元模型进行热变形分析时施加环境温度变化值，L为初始状态时的光学表面间隔。在根据本专利技术所述的光学系统热分析系统中，可选地，所述热膨胀系数计算模块提取由非单一材料结构件固定的两个光学元件的相邻表面的间隔变化量，并计算等效热膨胀系数作为热膨胀系数；所述热分析模块在进行成像质量分析时使用的所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数包括：1)对于由单一材料结构件固定的两个光学元件，其相邻两个光学表面之间的热膨胀系数为该单一材料的热膨胀系数；2)对于由非单一材料结构件固定的两个光学元件，其相邻两个光学表面之间的热膨胀系数为由所述热膨胀系数计算模块计算获得的热膨胀系数；3)对于光学元件上的两个相邻光学表面，其热膨胀系数为该光学元件所使用光学材料的热膨胀系数。在根据本专利技术所述的光学系统热分析系统中，可选地，所述热膨胀系数计算模块提取所有两个光学元件的相邻表面的间隔变化量，并计算等效热膨胀系数作为热膨胀系数；所述热分析模块在进行成像质量分析时使用的所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数均由热膨胀系数计算模块计算获得。在根据本专利技术所述的光学系统热分析系统中，可选地，所述热膨胀系数计算模块提取特定光学元件与相邻的光学元件之间的两个相邻光学表面的间隔变化量，并计算等效热膨胀系数作为热膨胀系数；所述特定光学元件包括反射镜和棱镜；所述热分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学系统热分析方法，其特征在于，所述方法包括：S1、建立待分析光学系统的有限元模型，对有限元模型进行热变形分析，其中所述待分析光学系统包括光学元件和结构件；S2、从热变形分析的结果中提取至少一部分相邻两个光学表面与光轴的交点沿光轴方向的间隔变化量，并基于该间隔变化量计算等效热膨胀系数，作为这两个光学表面之间的热膨胀系数；S3、将待分析光学系统的光路展开为同轴光学系统，并基于所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数，利用光学软件的热分析功能进行高低温条件下的成像质量分析。

【技术特征摘要】
1.一种光学系统热分析方法，其特征在于，所述方法包括：S1、建立待分析光学系统的有限元模型，对有限元模型进行热变形分析，其中所述待分析光学系统包括光学元件和结构件；S2、从热变形分析的结果中提取至少一部分相邻两个光学表面与光轴的交点沿光轴方向的间隔变化量，并基于该间隔变化量计算等效热膨胀系数，作为这两个光学表面之间的热膨胀系数；S3、将待分析光学系统的光路展开为同轴光学系统，并基于所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数，利用光学软件的热分析功能进行高低温条件下的成像质量分析。2.根据权利要求1所述的光学系统热分析方法，其特征在于，所述步骤S2中通过以下公式计算等效热膨胀系数，包括：其中，ΔL为相邻两个光学表面与光轴的交点沿光轴方向的间隔变化量，ΔT为对有限元模型进行热变形分析时施加环境温度变化值，L为初始状态时的光学表面间隔。3.根据权利要求1或2所述的光学系统热分析方法，其特征在于，所述步骤S2中提取由非单一材料结构件固定的两个光学元件的相邻表面的间隔变化量，并计算等效热膨胀系数作为热膨胀系数；所述步骤S3中在进行成像质量分析时使用的所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数包括：1)对于由单一材料结构件固定的两个光学元件，其相邻两个光学表面之间的热膨胀系数为该单一材料的热膨胀系数；2)对于由非单一材料结构件固定的两个光学元件，其相邻两个光学表面之间的热膨胀系数为由步骤S2计算获得的热膨胀系数；3)对于光学元件上的两个相邻光学表面，其热膨胀系数为该光学元件所使用光学材料的热膨胀系数。4.根据权利要求1或2所述的光学系统热分析方法，其特征在于，所述步骤S2中提取所有两个光学元件的相邻表面的间隔变化量，并计算等效热膨胀系数作为热膨胀系数；所述步骤S3中在进行成像质量分析时使用的所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数均由步骤S2计算获得。5.根据权利要求1或2所述的光学系统热分析方法，其特征在于，所述步骤S2中提取特定光学元件与相邻的光学元件之间的两个相邻光学表面的间隔变化量，并计算等效热膨胀系数作为热膨胀系数；所述特定光学元件包括反射镜和棱镜；所述步骤S3中在进行成像质量分析时使用的所有相邻两个光学表面之间的热膨胀系数包括：1)对于特定光学元件与相邻的光学元件，其相邻两个光学表面之间的热膨胀系数为由步骤S2计算获得的热膨胀系数；2)对于非特定光学元件，其相邻两个光学表面之间的热膨胀系数为设置的结构件材料的热膨胀系数；3)对于光学元件上的两个相邻光学表面，其热膨胀系数为该光学元件所使用光学材料的热膨胀系数。6.根据权利要求1或2所述的光学系统热分析方法，其特征在于，所述步骤S3中将待分析光学系统的光路展开为同轴光学系统时，其中平面反射镜用虚拟面代替，棱镜按光程展开为平...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘家国，李婷，曾克思，张进，
申请(专利权)人：北京环境特性研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11