(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211276461.2 (22)申请日 2022.10.19 (71)申请人 中国科学院西安 光学精密机 械研究 所 地址 710119 陕西省西安市高新区新型工 业园信息大道17号 (72)发明人 畅晨光　赵珩翔　李西杰　孙剑　 冯玉涛　孙丽军　柯善良　贾昕胤　 (74)专利代理 机构 西安智邦专利商标代理有限 公司 6121 1 专利代理师 赵逸宸 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G01P 5/26(2006.01) G01J 9/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于光机热集成分析的干涉仪热稳定 性优化方法 (57)摘要 本发明涉及多普勒差分干涉仪， 具体涉及一 种基于光机热集成分析的干涉仪热稳定性优化 方法， 用于解决现有多普勒差分干涉仪在热补偿 设计时仅考虑理想热变形， 未考虑实际热变形所 造成的多普勒差分干涉仪两臂之间基准光程差 的变化， 导致实际相位热漂移大于理论设计值， 进而造成多普勒差分干涉仪测风精度降低的不 足之处。 该基于光机热集 成分析的干涉仪热稳定 性优化方法通过有 限元分析结合泽尼克多项式 仿真得到 各光学面的刚体位移和高阶面型误差， 并通过在光学模型中各光学面分别设置泽尼克 透镜仿真得到热变形后的相位变化， 并进一步更 改短臂视场棱镜支撑元件、 长臂视场棱镜支撑元 件的中心厚度， 以消除干涉仪相位热漂移。 权利要求书3页 说明书8页 附图5页 CN 115358132 A 2022.11.18 CN 115358132 A 1.一种基于光机热集成分析的干涉仪热 稳定性优化方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1、 建立干涉仪的有限元模型； 在有限元软件中建立干涉仪的有限元模型， 各元件对应3D单元大小为1 ‑5mm， 光学元件 和间隔元件之间用粘接单元连接， 约束位置设在分光棱镜(01)中心； 并在各元件的通光区 域内提取多个2D单元， 并根据对应元件设置各2D单元的材料； 多个2D单元厚度均为0.001 ‑ 0.01mm； 建立完成后， 对有限元模型输入载荷， 计算载荷条件下干涉仪的变形情况； 所述载 荷为温度载荷和/或力学 载荷； 步骤2、 计算各光学面的刚体位移和高阶面型误差； 在步骤1所建立的有限元模型的各光学面上建立坐标系； 在温度升温1℃后的有限元模 型热变形结果中， 分别在各光学面的坐标系 下提取该光学面2D单元 的节点位移， 对该光学 面的节点 位移进行泽尼克多 项式拟合， 进 而计算该光学面的刚体位移和高阶面型误差； 步骤3、 建立干涉仪的光学模型； 步骤3.1、 在光学软件中建立光学模型， 在光学模型中各光学面分别设置泽尼克透镜， 且令泽尼克系数均为0； 输入初始温度、 光学模型的折射率与温度的对应关系， 以及初始条 件下的短臂光 栅(14)密度、 长臂光 栅(24) 密度， 仿真获得探测波长下初始干涉图； 步骤3.2、 在载荷条件下， 改变光学模型的温度， 并将步骤2各光学面拟合的泽尼克多项 式导入光学模型中对应的泽尼克面上， 用来修正对应光学面变形； 根据短臂光栅(14)热膨 胀系数、 长臂光栅(24)热膨胀系数， 计算温度变化后的对应光栅刻槽密度 ， 用以修正光 栅刻槽密度变化， 即完成载荷条件下 的光学模型修正； 通过修正后的光学模型仿真获得探 测波长下变形后干涉图； 步骤4、 根据步骤3.1所获得的初始干涉图中的干涉条纹、 步骤3.2所获得的变形后 干涉 图中的干涉条纹， 分别计算初始中心相位、 变形后中心相位； 获得变形后中心相位与初始中 心相位之差， 即为对应载荷条件下的相位变化 ； 若相位变化 大于10‑4 rad， 则执 行步骤5， 否则完成干涉仪热 稳定性优化， 结束流 程； 步骤5、 优化干涉仪支撑元件尺寸补偿相位变化； 根据步骤4所得的相位变化 ， 计算短臂视场棱镜支撑元件(11)中心厚度和长臂视场 棱镜支撑元件(21)中心厚度同时增加或减少的量 ； 根据 对短臂视场棱镜支撑元件(11) 中心厚度和长臂视场棱镜支撑元件(21)中心厚度进行调整后， 返回步骤1。 2.根据权利要求1所述的一种基于光机热集成分析的干涉仪热稳定性优化方法， 其特 征在于： 步骤2中， 所述在步骤1所建立的有限元模型的各光学面上建立坐标系具体为： 坐标 系的原点在主光线与该光学面的交点处， X轴为竖直方向， Z轴为每个光学面的法线方向， X 轴正方向为竖直向下， Z轴正方向由棱镜内部指向外部或由光栅外部指向内部， Y轴正方向 根据右手定则判断。 3.根据权利要求2所述的一种基于光机热集成分析的干涉仪热稳定性优化方法， 其特 征在于： 步骤3.1中， 所述在光学模型中各光学面分别设置泽尼克透镜具体为： 在分光棱镜 (01)短臂表面、 短臂视场棱镜(12)前表 面、 短臂视场棱镜(12)后表 面、 分光棱镜(01)长臂表 面、 长臂视场棱镜(22)前表 面、 长臂视场棱镜(22)后表 面上设置泽尼克透镜， 泽尼克透镜厚权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115358132 A 2度0.001‑0.01mm； 在短臂光栅(14)表面、 长臂光栅(24)表面加入折射率为2的泽尼克透镜， 且泽尼克透镜 与短臂光栅(14)表面、 长臂光栅(24)表面分别留有0.001 ‑0.01mm的间隙， 泽尼克透镜的泽 尼克面朝向对应光 栅表面， 用来模拟光 栅面热变形对光 程差的影响。 4.根据权利要求3所述的一种基于光机热集成分析的干涉仪热稳定性优化方法， 其特 征在于， 所述 步骤4具体为： 所述初始中心相位、 变形后中心相位计算方法如下： 首先对对应干涉图的实条纹数据进行傅里叶变换变换至频域， 在频域提取特征 峰得到 目标谱， 再对目标谱进行傅里叶逆变换得到复干涉图 ， 计算复干涉图中的像元   在一 个条纹内的辐角获取对应相位   ： 其中 代表复干涉图 的虚部， 代表复干涉图 的实部； 每个 条纹对应一个周期， 选定复干涉图左边亮 的中心条纹的相位为初始相位， 向右 个条纹时 相位叠加为 ； 根据条纹数 和图像中心像元所在的条纹中对应相位 即可获得中心相位； 计算得到初始中心相位 、 变形后中心相位 ， 得到对应载荷条 件下的相位变化 。 5.根据权利要求4所述的一种基于光机热集成分析的干涉仪热稳定性优化方法， 其特 征在于： 所述步骤5具体为： 依据下式计算短臂视场棱镜支撑元件(11)中心厚度和长臂视场 棱镜支撑元件(21)中心厚度同时增 加或减少的量 ； 其中： C为常数， ； 为短臂视场棱镜支撑元件(11)原材料的热膨胀系数， 为长臂视场棱镜支撑元件 (21)原材 料的热膨胀系数； 和 分别为短臂视场棱镜支撑元件(11)中心厚度、 长臂视场棱镜支撑元件(21)中心 厚度； 为干涉仪基准 光程差的变化 量， ；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115358132 A 3