光學(xué)系統熱分析及無(wú)熱化鏡頭優(yōu)化設計

摘要：

對于在溫度變化大的環(huán)境下使用的光學(xué)系統，其環(huán)境溫度的升高或者降低都會(huì )使得光學(xué)系統中光學(xué)元件的光學(xué)與結構參數都產(chǎn)生相應的變化，從而引起成像質(zhì)量的下降。因此，如果一個(gè)光學(xué)系統在上述類(lèi)型的環(huán)境中工作，則需要在設計中考慮溫度因素帶來(lái)的影響，即采取特殊的手段使光學(xué)系統能在一個(gè)溫度變化較大的工作環(huán)境中保持良好的光學(xué)性能。

過(guò)去，進(jìn)行熱分析的光學(xué)系統大多為紅外鏡頭、航天航空鏡頭等。隨著(zhù)塑料鏡片的廣泛使用以及光學(xué)系統使用環(huán)境的多樣化，目前，更多種類(lèi)的鏡頭需要在環(huán)境溫度變化較大的范圍內保持良好的光學(xué)性能，即需要研究其他種類(lèi)的鏡頭的無(wú)熱化設計方法和特點(diǎn)。

首先，本論文對光學(xué)系統熱分析的基本理論部分進(jìn)行了研究，分析了光學(xué)系統的光學(xué)和結構參數與溫度之間的關(guān)系，分析比較了三種典型的光學(xué)系統的無(wú)熱化技術(shù)。

其次，本論文分析了CODE V光學(xué)設計軟件現有的熱分析功能并指出了該功能中存在的不足之處，在研究和推導光學(xué)系統熱分析的模型和計算公式的基礎上，編寫(xiě)了CODE V宏語(yǔ)言文件實(shí)現新的熱分析功能，新的分析過(guò)程和結果更加符合實(shí)際情況，并可以將編寫(xiě)的新的熱分析功能運用于光學(xué)系統的無(wú)熱化優(yōu)化設計過(guò)程中以進(jìn)行無(wú)熱化系統的設計。

第三，本論文使用了文中編寫(xiě)的新的熱分析功能完成了大視場(chǎng)角日夜共焦車(chē)載鏡頭和坡塑混合日夜共焦監控鏡頭的無(wú)熱化設計，按照設計步驟詳細分析了車(chē)載鏡頭和監控鏡頭的優(yōu)化設計過(guò)程，對最終設計結果進(jìn)行了像質(zhì)評估和公差分析，并對監控鏡頭進(jìn)一步進(jìn)行了雜散光分析。本論文設計的兩款鏡頭在整個(gè)工作溫度范圍內像質(zhì)較好，所成圖像清晰，能夠滿(mǎn)足設計指標要求，實(shí)現了車(chē)載鏡頭和監控鏡頭的無(wú)熱化設計。

最后，使用專(zhuān)門(mén)的圖像測試軟件Imatest對監控鏡頭的實(shí)際拍攝圖進(jìn)行了像質(zhì)的測試和分析，分析表明本論文設計的監控鏡頭的像質(zhì)良好，這進(jìn)一步驗證了使用本論文編寫(xiě)的CODE V宏語(yǔ)言文件進(jìn)行優(yōu)化設計的準確同可靠性。

關(guān)鍵詞：光學(xué)設計；溫度效應；熱補償；無(wú)熱化設計

緒論

1.1引言

通常，設計一個(gè)光學(xué)系統時(shí)，僅對20°C的單一環(huán)境溫度進(jìn)行設計。但是如果一個(gè)光學(xué)系統工作使用時(shí)處于的環(huán)境溫度變化范圍較大，則整個(gè)系統的光學(xué)和結構參數都會(huì )產(chǎn)生較大的改變，從而使得光學(xué)系統的成像質(zhì)量下降，這種情況即為光學(xué)系統的溫度效應。所以，對于這種在較大溫度范圍的環(huán)境中工作的光學(xué)系統，需要在設計時(shí)就考慮到溫度變化造成的影響，即采取特殊的方法和手段使光學(xué)系統能在一個(gè)溫度變化較大的工作環(huán)境中保持良好的光學(xué)系統性能。

過(guò)去，進(jìn)行熱分析的光學(xué)系統大多為紅外鏡頭、航天航空鏡頭等。隨著(zhù)塑料鏡片的廣泛使用以及光學(xué)系統使用環(huán)境的多樣化，目前，更多種類(lèi)的鏡頭需要在環(huán)境溫度變化較大的范圍內保持良好的光學(xué)性能?，F在已有較多文獻資料對紅外鏡頭、航空航天鏡頭進(jìn)行熱分析，但對車(chē)載鏡頭、監控鏡頭等其他種類(lèi)的鏡頭的研究資料較少，且目前它們同樣需要在較大的溫度范圍內工作。為了使得光學(xué)系統在整個(gè)工作環(huán)境溫度范圍內都保持良好的性能，需要在設計階段就使用無(wú)熱化技術(shù)對光學(xué)系統的溫度效應進(jìn)行補償。

1.2 光學(xué)系統無(wú)熱化設計國內外研究現狀

國外對熱分析研究起步較早。1981年，Miller等人[1，2]首次開(kāi)創(chuàng )了熱-結構-光集成分析方法(the structure-thermal-optical integrated analysis，STO)，綜合了光、機、熱三個(gè)方面，并在此基礎上進(jìn)行光學(xué)系統的整體設計和分析。文章中通過(guò)編程的方法實(shí)現了STO分析，如圖1.1所示。

圖1.1熱-結構-光集成分析流程圖

早在20世紀后期開(kāi)始,國外就有許多學(xué)者提出了各種的無(wú)熱化設計的方法和手段。

1984年,Gibbons使用熱學(xué)V值-阿貝V值圖的方法進(jìn)行溫度自適應紅外系統的優(yōu)化。如圖1.2所示。橫坐標為阿貝V值,縱坐標為熱學(xué)V值。其中熱學(xué)V值如式(1.1)所示。

圖1.9采用光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化技術(shù)的光學(xué)系統

圖1.10采用機械(電子)主動(dòng)式無(wú)熱化技術(shù)的光學(xué)系統

本論文在研究了光學(xué)系統熱分析的基礎理論的基礎上對CODE V軟件的熱分析功能進(jìn)行了進(jìn)一步的研究并進(jìn)行了擴展，最后通過(guò)編寫(xiě)的seq宏語(yǔ)言文件進(jìn)行了車(chē)載鏡頭和監控鏡頭的無(wú)熱化設計，后續可以進(jìn)一步提升的內容如下：

1、本論文進(jìn)行無(wú)熱化設計的兩款鏡頭的工作溫度均在-40°C~85°C之間，后續可以對工作環(huán)境溫度范圍更加寬廣的光學(xué)系統進(jìn)行無(wú)熱化設計優(yōu)化工作。

2、本論文進(jìn)行無(wú)熱化設計時(shí)，光學(xué)系統中光學(xué)材料需要人工進(jìn)行替換，后續可以結合CODEV中坡璃專(zhuān)家功能，實(shí)現光學(xué)材料的自動(dòng)篩選和優(yōu)化。

3、本論文提出光學(xué)系統在溫度變化范圍較大的環(huán)境中的無(wú)熱化設計方法，除了溫度會(huì )對光學(xué)系統產(chǎn)生影響之外，環(huán)境中壓強的變化也會(huì )影響光學(xué)系統的像質(zhì)，因此可以引申出設計在環(huán)境壓強變化范圍較大的工作場(chǎng)合中使用的光學(xué)系統的優(yōu)化方法。

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