摘要：

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

過去，進(jìn)行熱分析的光學(xué)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(xué)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(xué)性能，即需要研究其他種類的鏡頭的無熱化設(shè)計方法和特點。

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

其次，本論文分析了CODE V光學(xué)設(shè)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(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)熱分析的模型和計算公式的基礎(chǔ)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(xué)系統(tǒng)的無熱化優(yōu)化設(shè)計過程中以進(jìn)行無熱化系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計，按照設(shè)計步驟詳細(xì)分析了車載鏡頭和監(jiān)控鏡頭的優(yōu)化設(shè)計過程，對最終設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了像質(zhì)評估和公差分析，并對監(jiān)控鏡頭進(jìn)一步進(jìn)行了雜散光分析。本論文設(shè)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(shè)計指標(biāo)要求，實現(xiàn)了車載鏡頭和監(jiān)控鏡頭的無熱化設(shè)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(jìn)行了像質(zhì)的測試和分析，分析表明本論文設(shè)計的監(jiān)控鏡頭的像質(zhì)良好，這進(jìn)一步驗證了使用本論文編寫的CODE V宏語言文件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)確同可靠性。

關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計；溫度效應(yīng)；熱補(bǔ)償；無熱化設(shè)計

緒論

1.1引言

通常，設(shè)計一個光學(xué)系統(tǒng)時，僅對20°C的單一環(huán)境溫度進(jìn)行設(shè)計。但是如果一個光學(xué)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(xué)和結(jié)構(gòu)參數(shù)都會產(chǎn)生較大的改變，從而使得光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量下降，這種情況即為光學(xué)系統(tǒng)的溫度效應(yīng)。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(tǒng)，需要在設(shè)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(xué)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(xué)系統(tǒng)性能。

過去，進(jìn)行熱分析的光學(xué)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(xué)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(xué)性能?，F(xiàn)在已有較多文獻(xiàn)資料對紅外鏡頭、航空航天鏡頭進(jìn)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(xué)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(shè)計階段就使用無熱化技術(shù)對光學(xué)系統(tǒng)的溫度效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。

1.2 光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)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(jī)、熱三個方面，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的整體設(shè)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(jì)后期開始,國外就有許多學(xué)者提出了各種的無熱化設(shè)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(yīng)紅外系統(tǒng)的優(yōu)化。如圖1.2所示。橫坐標(biāo)為阿貝V值,縱坐標(biāo)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)被動式無熱化技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)

圖1.10采用機(jī)械(電子)主動式無熱化技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)

本論文在研究了光學(xué)系統(tǒng)熱分析的基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)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(kuò)展，最后通過編寫的seq宏語言文件進(jìn)行了車載鏡頭和監(jiān)控鏡頭的無熱化設(shè)計，后續(xù)可以進(jìn)一步提升的內(nèi)容如下：

1、本論文進(jìn)行無熱化設(shè)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(xué)系統(tǒng)進(jìn)行無熱化設(shè)計優(yōu)化工作。

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

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

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