光學系統(tǒng)熱分析及無熱化鏡頭優(yōu)化設計

摘要：

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

過去，進行熱分析的光學系統(tǒng)大多為紅外鏡頭、航天航空鏡頭等。隨著塑料鏡片的廣泛使用以及光學系統(tǒng)使用環(huán)境的多樣化，目前，更多種類的鏡頭需要在環(huán)境溫度變化較大的范圍內(nèi)保持良好的光學性能，即需要研究其他種類的鏡頭的無熱化設計方法和特點。

首先，本論文對光學系統(tǒng)熱分析的基本理論部分進行了研究，分析了光學系統(tǒng)的光學和結(jié)構(gòu)參數(shù)與溫度之間的關系，分析比較了三種典型的光學系統(tǒng)的無熱化技術。

其次，本論文分析了CODE V光學設計軟件現(xiàn)有的熱分析功能并指出了該功能中存在的不足之處，在研究和推導光學系統(tǒng)熱分析的模型和計算公式的基礎上，編寫了CODE V宏語言文件實現(xiàn)新的熱分析功能，新的分析過程和結(jié)果更加符合實際情況，并可以將編寫的新的熱分析功能運用于光學系統(tǒng)的無熱化優(yōu)化設計過程中以進行無熱化系統(tǒng)的設計。

第三，本論文使用了文中編寫的新的熱分析功能完成了大視場角日夜共焦車載鏡頭和坡塑混合日夜共焦監(jiān)控鏡頭的無熱化設計，按照設計步驟詳細分析了車載鏡頭和監(jiān)控鏡頭的優(yōu)化設計過程，對最終設計結(jié)果進行了像質(zhì)評估和公差分析，并對監(jiān)控鏡頭進一步進行了雜散光分析。本論文設計的兩款鏡頭在整個工作溫度范圍內(nèi)像質(zhì)較好，所成圖像清晰，能夠滿足設計指標要求，實現(xiàn)了車載鏡頭和監(jiān)控鏡頭的無熱化設計。

最后，使用專門的圖像測試軟件Imatest對監(jiān)控鏡頭的實際拍攝圖進行了像質(zhì)的測試和分析，分析表明本論文設計的監(jiān)控鏡頭的像質(zhì)良好，這進一步驗證了使用本論文編寫的CODE V宏語言文件進行優(yōu)化設計的準確同可靠性。

關鍵詞：光學設計；溫度效應；熱補償；無熱化設計

緒論

1.1引言

通常，設計一個光學系統(tǒng)時，僅對20°C的單一環(huán)境溫度進行設計。但是如果一個光學系統(tǒng)工作使用時處于的環(huán)境溫度變化范圍較大，則整個系統(tǒng)的光學和結(jié)構(gòu)參數(shù)都會產(chǎn)生較大的改變，從而使得光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量下降，這種情況即為光學系統(tǒng)的溫度效應。所以，對于這種在較大溫度范圍的環(huán)境中工作的光學系統(tǒng)，需要在設計時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系統(tǒng)能在一個溫度變化較大的工作環(huán)境中保持良好的光學系統(tǒng)性能。

過去，進行熱分析的光學系統(tǒng)大多為紅外鏡頭、航天航空鏡頭等。隨著塑料鏡片的廣泛使用以及光學系統(tǒng)使用環(huán)境的多樣化，目前，更多種類的鏡頭需要在環(huán)境溫度變化較大的范圍內(nèi)保持良好的光學性能。現(xiàn)在已有較多文獻資料對紅外鏡頭、航空航天鏡頭進行熱分析，但對車載鏡頭、監(jiān)控鏡頭等其他種類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(nèi)工作。為了使得光學系統(tǒng)在整個工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)都保持良好的性能，需要在設計階段就使用無熱化技術對光學系統(tǒng)的溫度效應進行補償。

1.2 光學系統(tǒng)無熱化設計國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外對熱分析研究起步較早。1981年，Miller等人[1，2]首次開創(chuàng)了熱-結(jié)構(gòu)-光集成分析方法(the structure-thermal-optical integrated analysis，STO)，綜合了光、機、熱三個方面，并在此基礎上進行光學系統(tǒng)的整體設計和分析。文章中通過編程的方法實現(xiàn)了STO分析，如圖1.1所示。

圖1.1熱-結(jié)構(gòu)-光集成分析流程圖

早在20世紀后期開始,國外就有許多學者提出了各種的無熱化設計的方法和手段。

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

圖1.9采用光學被動式無熱化技術的光學系統(tǒng)

圖1.10采用機械(電子)主動式無熱化技術的光學系統(tǒng)

本論文在研究了光學系統(tǒng)熱分析的基礎理論的基礎上對CODE V軟件的熱分析功能進行了進一步的研究并進行了擴展，最后通過編寫的seq宏語言文件進行了車載鏡頭和監(jiān)控鏡頭的無熱化設計，后續(xù)可以進一步提升的內(nèi)容如下：

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

2、本論文進行無熱化設計時，光學系統(tǒng)中光學材料需要人工進行替換，后續(xù)可以結(jié)合CODEV中坡璃專家功能，實現(xiàn)光學材料的自動篩選和優(yōu)化。

3、本論文提出光學系統(tǒng)在溫度變化范圍較大的環(huán)境中的無熱化設計方法，除了溫度會對光學系統(tǒng)產(chǎn)生影響之外，環(huán)境中壓強的變化也會影響光學系統(tǒng)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合中使用的光學系統(tǒng)的優(yōu)化方法。

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