一种光学系统热性能仿真方法技术方案

一种光学系统的热性能仿真方法，该方法根据光线在光学系统中的传播路径及光学元件对光能的吸收机理将光学元件的热源分为表面热源和体热源，准确仿真光学系统各元件的热源分布，对光学系统进行准确的热性能仿真。其关键在于提出准确的表面热源和体热源加载方法及相应的光学系统元件热性能分析网格模型划分方法，实现对光学系统热源的准确仿真，进而实现了更为准确的光学系统热性能仿真。该方法对分析高精度光学系统的热像差分析及热像差补偿研究提供重要依据。

【技术实现步骤摘要】
一种光学系统热性能仿真方法
本专利技术属于光学系统仿真领域，涉及一种光学系统热性能仿真方法。
技术介绍
随着光学系统对成像质量的要求越来越高，光学系统及光学系统工作环境越来越复杂，环境因素对光学系统成像质量的影响越来越受到人们的重视，如在高精密光刻领域，高能激光器的热效应对高精度光刻物镜成像质量就有着重要的影响。因此对于成像质量要求高，工作环境复杂的光学系统而言，能否准确分析环境对光学系统的影响直接影响光学系统的性能。热作为影响光学系统性能的一个非常重要环境因素，一直是光学系统性能分析中的难点，尤其是光学系统的热源分布的复杂性，在光学系统的热分析中很难准确仿真真实的热源分布。目前一般运用以下措施减小热对光学系统性能的影响：(1)光学系统采用无热化设计；(2)采用透过率高，热变形小的光学材料；(3)采用温度补偿手段(4)采用加快系统散热手段；(5)其它像质补偿方法。这些方法都能够有效减小热对光学系统性能的影响。如果能够准确仿真光学系统受热后的温度分布，对于仿真热对系统性能的影响及决定采用什么措施能够最有效的减小热对光学系统性能影响都有着重要指导意义。由于光学系统热分析中热源的复杂性，现有热分析方法对热源的处理多为高度近似的，没有根据具体的光在光学系统中的传播路径及真实的光学元件生热方式确定热源，热分析网格模型的划分也没有根据热源的不同而采用相应的形式。很难准确模拟光学系统各光学元件真实的热源情况，光学系统热分析的准确性也难以得到保证。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：为克服已有技术不足，提供一种热性能仿真方法，根据光在光学系统各光学元件上的光强分布及光学元件的生热方式确定热源，根据热源采用相应的热分析网格，能够仿真光学系统复杂热源，从而提高光学系统温度场分布分析的准确性。为光学系统热像差分析和热像差补偿研究提供依据。本专利技术技术解决方案：一种光学系统热分析仿真方法，其特征在实现步骤如下：步骤一：通过光学分析软件确定光学系统各光学元件前后表面上的光强分布及前表面透过率Ts1、后表面透过率Ts2和体透过率Tv，所述光强分布包括光学元件表面上的光斑形状大小及光斑内不同位置处的光强信息；步骤二：对光学系统各光学元件与光束传播方向垂直的面进行多层的热分析网格的划分，且光线穿过每层网格的光程相等，划分热分析网格的层数根据各光学元件前后表面上光斑大小的差异确定；步骤三：将光学系统各光学元件的热源分为前表面热源，后表面热源和体热源，所述前表面热源指光源通过光学元件前表面后能量被光学元件前表面吸收而转换为光学元件前表面热量，所述后表面热源指光源通过光学元件后表面后能量被光学元件后表面吸收而转换为后表面热量，所述体热源指光源通过光学元件体内部后能量被光学元件体内部吸收而转换为光学元件体热量，根据光学系统各光学元件的前表面透过率Ts1、后表面透过率Ts2、体透过率Tv；光学元件前表面热功率转换效率为ηs1，光学元件后表面热功率转换效率为ηs2，光学元件体的热功率转换效率为ηv，根据步骤二中光学元件热分析网格划分的层数和光学元件各个层面热功率转换效率计算出光学元件前表面热源的生热功率Qs1、后表面热源的生热功率Qs2和各层体网格体热源的体积生热功率Qvn，Qs1＝Q*Ts1*ηs1，Qv＝Q*Ts1*Tv*ηv，Qs2＝Q*Ts1*Tv*Ts2*ηs2，Qvn1＝Qvn2＝…Qvn＝Qv/N。(Q为入射到光学元件的光功率，N为体网格的分层数，n代表体网格模型的层序号n＝1，2…N；根据步骤一中的各光学元件前后表面上的光强分布，利用软件仿真出光学元件分层后各层的光强分布，以光学元件的前表面光强分布作为初始的前表面热流率qs1、后表面光强分布作为初始的后表面热流率qs2、各层体网格上的光强分布为初始的各层体网格的体积生热率qvn；步骤四：在热仿真软件中将前表面热流率qs1作为前表面热源加载到热分析网格模型前表面、后表面热流率qs2作为后表面热源加载到网格模型后表面中、体积生热率qvn作为体热源加载到各层体网格模型中，在不考虑其它热边界条件下进行瞬态的热性能仿真，在热仿真软件中计算出光学元件前表面网格模型加载前表面热流率qs1时的前表面热源的生热功率Qs1’、光学元件后表面网格模型加载后表面热流率qs2时的后表面热源的生热功率Qs2’、光学元件各层体网格模型加载各层体积生热率qvn时体热源的体积生热功率Qvn’；步骤五：判定Qs1和Qs1’、Qs2和Qs2’、Qvn和Qvn’值的差别是否在误差范围内，如果否，将Qs1/Qs1’的值作为前表面热流率qs1的缩放因子对qs1进行缩放(qs1＝qs1*Qs1/Qs1’)、Qs2/Qs2’的值作为后表面热流率qs2的缩放因子对qs2进行缩放(qs2＝qs2*Qs2/Qs2’)、Qvn/Qvn’的值作为各层体积生热率qvn的缩放因子对qvn进行缩放(qvn＝qvn*Qvn/Qvn’)，返回步骤四；如果是，说明所加载的前表面热流率qs1、后表面热流率qs2和各层体积生热率qvn为最终光学元件所需加载前表面热流率qs1、后表面热流率qs2和各层体积生热率qvn，代表光学元件准确的前表面热源、体热源和后表面热源，进行步骤六；步骤六：在热仿真软件中加载最终的前表面热流率qs1、后表面热流率qs2和各层体积生热率qvn，并加载包括对流和辐射的其它热边界条件，进行光学系统热性能仿真；步骤七：查看最终热性能仿真结果，查看各光学元件最终的温度分布结果，如有需要可将温度分布结果保存为温度场数据便于进行光学元件热变形仿真，光学系统折射率分布仿真分析的需要，结束热性能仿真。采用以上方法可获得较为准确的光学系统元件的温度分布结果，并为热变形仿真、光学系统折射率分布仿真分析提供准确的输入条件。本专利技术与现有技术相比具有的优点是：(1)根据光学系统中各光学元件前后表面的光斑区域大小差异采用有相应的网格划分方式，能够准确仿真复杂的光学系统热源分布；解决了光学系统热源难以准确仿真的困难。(2)根据光学系统中各光学元件各元件的光强分布，根据步骤4和5所述仿真方法快速准确的计算出各光学元件的热源(qs1、qs2和qvn),所加载的热源与光学元件上的光强分布相关，提高了热源加载的准确性。为最终的热性能仿真的准确性提供重要保障，热性能仿真结果的准确性对光学系统热像差分析及热像差补偿研究提供重要依据。附图说明图1为本专利技术光学系统的热分析仿真方法的实现流程图；图2为本专利技术光学系统光学元件结构及光线传播路径示意图；图3为本专利技术光学元件热分析网格划分示意图；图4为本专利技术光学元件前表面光强分布示意图；图5为本专利技术光学元件前表面热流率加载示意图；具体实施方式本专利技术是基于光线在光学系统中的传播路径及光学元件对光能的吸收机理将光学元件的热源分为表面热流率和体积生热率，准确分析光学系统各元件的热源分布，进而对光学系统进行准确的热分析方法。如图1所示，本专利技术的具体步骤如下：步骤一：通过光学分析软件确定光学系统各光学元件前后表面上的光强分布及前表面透光率Ts1、后表面透光率Ts2和体透光率Tv，所述光强分布包括光学元件表面上的光斑形状大小及光斑内不同位置处的光强信息；步骤二：对光学系统各光学元件与光束传播方向垂直的面进行多层的热分析网格的划分，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学系统热性能仿真方法，其特征在实现步骤如下：步骤一：通过光学分析软件确定光学系统各光学元件前后表面上的光强分布及前表面透过率Ts1、后表面透过率Ts2和体透过率Tv，所述光强分布包括光学元件表面上的光斑形状大小及光斑内不同位置处的光强信息；步骤二：对光学系统各光学元件与光束传播方向垂直的面进行多层的热分析网格的划分，且光线穿过每层网格的光程相等，划分热分析网格的层数根据各光学元件前后表面上光斑大小的差异确定；步骤三：将光学系统各光学元件的热源分为前表面热源，后表面热源和体热源，所述前表面热源指光源通过光学元件前表面后能量被光学元件前表面吸收而转换为光学元件前表面热量，所述后表面热源指光源通过光学元件后表面后能量被光学元件后表面吸收而转换为后表面热量，所述体热源指光源通过光学元件体内部后能量被光学元件体内部吸收而转换为光学元件体热量，根据光学系统各光学元件的前表面透过率Ts1、后表面透过率Ts2、体透过率Tv；光学元件前表面热功率转换效率为ηs1，光学元件后表面热功率转换效率为ηs2，光学元件体的热功率转换效率为ηv，根据步骤二中光学元件热分析网格划分的层数和光学元件各个层面热功率转换效率计算出光学元件前表面热源的生热功率Qs1、后表面热源的生热功率Qs2和各层体网格体热源的体积生热功率Qvn，Qs1＝Q*Ts1*ηs1，Qv＝Q*Ts1*Tv*ηv，Qs2＝Q*Ts1*Tv*Ts2*ηs2，Qvn1＝Qvn2＝…Qvn＝Qv/N；(Q为入射到光学元件的光功率，N为体网格的分层数，n代表体网格模型的层序号n＝1，2…N；根据步骤一中的各光学元件前后表面上的光强分布，利用软件仿真出光学元件分层后各层的光强分布，以光学元件的前表面光强分布作为初始的前表面热流率qs1、后表面光强分布作为初始的后表面热流率qs2、各层体网格上的光强分布为初始的各层体网格的体积生热率qvn；步骤四：在热仿真软件中将前表面热流率qs1作为前表面热源加载到热分析网格模型前表面、后表面热流率qs2作为后表面热源加载到网格模型后表面中、体积生热率qvn作为体热源加载到各层体网格模型中，在不考虑其它热边界条件下进行瞬态的热性能仿真，在热仿真软件中计算出光学元件前表面网格模型加载前表面热流率qs1时的前表面热源的生热功率Qs1’、光学元件后表面网格模型加载后表面热流率qs2时的后表面热源的生热功率Qs2’、光学元件各层体网格模型加载各层体积生热率qvn时体热源的体积生热功率Qvn’；步骤五：判定Qs1和Qs1’、Qs2和Qs2’、Qvn和Qvn’值的差别是否在误差范围内，如果否，将Qs1/Qs1’的值作为前表面热流率qs1的缩放因子对qs1进行缩放(qs1＝qs1*Qs1/Qs1’)、Qs2/Qs2’的值作为后表面热流率qs2的缩放因子对qs2进行缩放(qs2＝qs2*Qs2/Qs2’)、Qvn/Qvn’的值作为各层体积生热率qvn的缩放因子对qvn进行缩放(qvn＝qvn*Qvn/Qvn’)，返回步骤四；如果是，说明所加载的前表面热流率qs1、后表面热流率qs2和各层体积生热率qvn为最终光学元件所需加载前表面热流率qs1、后表面热流率qs2和各层体积生热率qvn，代表光学元件准确的前表面热源、体热源和后表面热源，进行步骤六；步骤六：在热仿真软件中加载最终的前表面热流率qs1、后表面热流率qs2和各层体积生热率qvn，并加载包括对流和辐射的其它热边界条件，进行光学系统热性能仿真；步骤七：查看最终热性能仿真结果，查看各光学元件最终的温度分布结果，如有需要可将温度分布结果保存为温度场数据便于进行光学元件热变形仿真，光学系统折射率分布仿真分析的需要，结束热性能仿真；采用以上方法可获得较为准确的光学系统元件的温度分布结果，并为热变形仿真、光学系统折射率分布仿真分析提供准确的输入条件。...

【技术特征摘要】
1.一种光学系统热性能仿真方法，其特征在实现步骤如下：步骤一：通过光学分析软件确定光学系统各光学元件前表面光强分布As1、后表面光强分布As2及前表面透过率Ts1、后表面透过率Ts2和体透过率Tv，所述前表面光强分布As1包括光学元件前表面上的光斑形状大小及光斑内不同位置处的光强信息，所述后表面光强分布As2包括光学元件后表面上的光斑形状大小及光斑内不同位置处的光强信息；步骤二：对光学系统各光学元件与光束传播方向垂直的面进行多层的热分析网格的划分，且光线穿过每层热分析网格的光程相等，根据各光学元件前表面上光斑大小和后表面上光斑大小的差异确定划分热分析网格的层数N；步骤三：将光学系统各光学元件的热源分为前表面热源，后表面热源和体热源，所述前表面热源指光源通过光学元件前表面后能量被光学元件前表面吸收而转换为光学元件前表面热量，所述后表面热源指光源通过光学元件后表面后能量被光学元件后表面吸收而转换为后表面热量，所述体热源指光源通过光学元件体内部后能量被光学元件体内部吸收而转换为光学元件体热量，根据步骤一中光学系统各光学元件的前表面透过率Ts1、后表面透过率Ts2、体透过率Tv，步骤二中光学元件网格划分的层数N，光学元件前表面热功率转换效率为ηs1、光学元件后表面的热功率转换效率为ηs2、光学元件体的热功率转换效率为ηv，计算出光学元件前表面热源的生热功率Qs1、后表面热源的生热功率Qs2和各层网格体热源的体积生热功率Qvn，Qs1＝Q*Ts1*ηs1，Qv＝Q*Ts1*Tv*ηv，Qs2＝Q*Ts1*Tv*Ts2*ηs2，Qvn＝Qv/N；Q为入射到光学元件的光功率，n代表热分析网格模型的层序号，n＝1，2…N；根据步骤一中的各光学元件前表面光强分布As1、后表面光强分布As2，利用软件仿真出光学元件分层后各层热分析网格的光强分布Avn，以光学元件的前表面光强分布As1作为初始的前表面热流率qs1、后表面光强分布As2作...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘大春，张海波，邢廷文，林妩媚，何毅，卢亮，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51