光學(xué)系統(tǒng)熱分析及無(wú)熱化鏡頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：

對(duì)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(huì)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(gè)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(jì)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(tǒng)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(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(wú)熱化設(shè)計(jì)方法和特點(diǎn)。

首先，本論文對(duì)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(wú)熱化技術(shù)。

其次，本論文分析了CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)算公式的基礎(chǔ)上，編寫了CODE V宏語(yǔ)言文件實(shí)現(xiàn)新的熱分析功能，新的分析過(guò)程和結(jié)果更加符合實(shí)際情況，并可以將編寫的新的熱分析功能運(yùn)用于光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中以進(jìn)行無(wú)熱化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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(chǎng)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(wú)熱化設(shè)計(jì)，按照設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程，對(duì)最終設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了像質(zhì)評(píng)估和公差分析，并對(duì)監(jiān)控鏡頭進(jìn)一步進(jìn)行了雜散光分析。本論文設(shè)計(jì)的兩款鏡頭在整個(gè)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(jì)指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了車載鏡頭和監(jiān)控鏡頭的無(wú)熱化設(shè)計(jì)。

最后，使用專門的圖像測(cè)試軟件Imatest對(duì)監(jiān)控鏡頭的實(shí)際拍攝圖進(jìn)行了像質(zhì)的測(cè)試和分析，分析表明本論文設(shè)計(jì)的監(jiān)控鏡頭的像質(zhì)良好，這進(jìn)一步驗(yàn)證了使用本論文編寫的CODE V宏語(yǔ)言文件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確同可靠性。

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

緒論

1.1引言

通常，設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，僅對(duì)20°C的單一環(huán)境溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是如果一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)的光學(xué)和結(jié)構(gòu)參數(shù)都會(huì)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(duì)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(jì)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(tǒng)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(tǒng)性能。

過(guò)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(duì)紅外鏡頭、航空航天鏡頭進(jìn)行熱分析，但對(duì)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(gè)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(jì)階段就使用無(wú)熱化技術(shù)對(duì)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(wú)熱化設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)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(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(gè)方面，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和分析。文章中通過(guò)編程的方法實(shí)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(kāi)始,國(guó)外就有許多學(xué)者提出了各種的無(wú)熱化設(shè)計(jì)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(dòng)式無(wú)熱化技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)

圖1.10采用機(jī)械(電子)主動(dòng)式無(wú)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(duì)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(guò)編寫的seq宏語(yǔ)言文件進(jìn)行了車載鏡頭和監(jiān)控鏡頭的無(wú)熱化設(shè)計(jì)，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(wú)熱化設(shè)計(jì)的兩款鏡頭的工作溫度均在-40°C~85°C之間，后續(xù)可以對(duì)工作環(huán)境溫度范圍更加寬廣的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。

2、本論文進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)現(xiàn)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(tǒng)在溫度變化范圍較大的環(huán)境中的無(wú)熱化設(shè)計(jì)方法，除了溫度會(huì)對(duì)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(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)，因此可以引申出設(shè)計(jì)在環(huán)境壓強(qiáng)變化范圍較大的工作場(chǎng)合中使用的光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化方法。

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