光学系统热分析及无热化镜头优化设计

摘要：

对于在温度变化大的环境下使用的光学系统，其环境温度的升高或者降低都会使得光学系统中光学元件的光学与结构参数都产生相应的变化，从而引起成像质量的下降。因此，如果一个光学系统在上述类型的环境中工作，则需要在设计中考虑温度因素带来的影响，即采取特殊的手段使光学系统能在一个温度变化较大的工作环境中保持良好的光学性能。

过去，进行热分析的光学系统大多为红外镜头、航天航空镜头等。随着塑料镜片的广泛使用以及光学系统使用环境的多样化，目前，更多种类的镜头需要在环境温度变化较大的范围内保持良好的光学性能，即需要研究其他种类的镜头的无热化设计方法和特点。

首先，本论文对光学系统热分析的基本理论部分进行了研究，分析了光学系统的光学和结构参数与温度之间的关系，分析比较了三种典型的光学系统的无热化技术。

其次，本论文分析了CODE V光学设计软件现有的热分析功能并指出了该功能中存在的不足之处，在研究和推导光学系统热分析的模型和计算公式的基础上，编写了CODE V宏语言文件实现新的热分析功能，新的分析过程和结果更加符合实际情况，并可以将编写的新的热分析功能运用于光学系统的无热化优化设计过程中以进行无热化系统的设计。

第三，本论文使用了文中编写的新的热分析功能完成了大视场角日夜共焦车载镜头和坡塑混合日夜共焦监控镜头的无热化设计，按照设计步骤详细分析了车载镜头和监控镜头的优化设计过程，对最终设计结果进行了像质评估和公差分析，并对监控镜头进一步进行了杂散光分析。本论文设计的两款镜头在整个工作温度范围内像质较好，所成图像清晰，能够满足设计指标要求，实现了车载镜头和监控镜头的无热化设计。

最后，使用专门的图像测试软件Imatest对监控镜头的实际拍摄图进行了像质的测试和分析，分析表明本论文设计的监控镜头的像质良好，这进一步验证了使用本论文编写的CODE V宏语言文件进行优化设计的准确同可靠性。

关鍵词：光学设计；温度效应；热补偿；无热化设计

绪论

1.1引言

通常，设计一个光学系统时，仅对20°C的单一环境温度进行设计。但是如果一个光学系统工作使用时处于的环境温度变化范围较大，则整个系统的光学和结构参数都会产生较大的改变，从而使得光学系统的成像质量下降，这种情况即为光学系统的温度效应。所以，对于这种在较大温度范围的环境中工作的光学系统，需要在设计时就考虑到温度变化造成的影响，即采取特殊的方法和手段使光学系统能在一个温度变化较大的工作环境中保持良好的光学系统性能。

过去，进行热分析的光学系统大多为红外镜头、航天航空镜头等。随着塑料镜片的广泛使用以及光学系统使用环境的多样化，目前，更多种类的镜头需要在环境温度变化较大的范围内保持良好的光学性能。现在已有较多文献资料对红外镜头、航空航天镜头进行热分析，但对车载镜头、监控镜头等其他种类的镜头的研究资料较少，且目前它们同样需要在较大的温度范围内工作。为了使得光学系统在整个工作环境温度范围内都保持良好的性能，需要在设计阶段就使用无热化技术对光学系统的温度效应进行补偿。

1.2 光学系统无热化设计国内外研究现状

国外对热分析研究起步较早。1981年，Miller等人[1，2]首次开创了热-结构-光集成分析方法(the structure-thermal-optical integrated analysis，STO)，综合了光、机、热三个方面，并在此基础上进行光学系统的整体设计和分析。文章中通过编程的方法实现了STO分析，如图1.1所示。

图1.1热-结构-光集成分析流程图

早在20世纪后期开始,国外就有许多学者提出了各种的无热化设计的方法和手段。

1984年,Gibbons使用热学V值-阿贝V值图的方法进行温度自适应红外系统的优化。如图1.2所示。横坐标为阿贝V值,纵坐标为热学V值。其中热学V值如式(1.1)所示。

图1.9采用光学被动式无热化技术的光学系统

图1.10采用机械(电子)主动式无热化技术的光学系统

本论文在研究了光学系统热分析的基础理论的基础上对CODE V软件的热分析功能进行了进一步的研究并进行了扩展，最后通过编写的seq宏语言文件进行了车载镜头和监控镜头的无热化设计，后续可以进一步提升的内容如下：

1、本论文进行无热化设计的两款镜头的工作温度均在-40°C~85°C之间，后续可以对工作环境温度范围更加宽广的光学系统进行无热化设计优化工作。

2、本论文进行无热化设计时，光学系统中光学材料需要人工进行替换，后续可以结合CODEV中坡璃专家功能，实现光学材料的自动筛选和优化。

3、本论文提出光学系统在温度变化范围较大的环境中的无热化设计方法，除了温度会对光学系统产生影响之外，环境中压强的变化也会影响光学系统的像质，因此可以引申出设计在环境压强变化范围较大的工作场合中使用的光学系统的优化方法。

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