摘要：

對于在(zai)溫(wen)度(du)變化(hua)(hua)大的(de)(de)環(huan)(huan)境(jing)下(xia)使(shi)(shi)用的(de)(de)光(guang)學(xue)(xue)系(xi)統(tong)，其(qi)環(huan)(huan)境(jing)溫(wen)度(du)的(de)(de)升(sheng)高或者(zhe)降(jiang)低都會使(shi)(shi)得光(guang)學(xue)(xue)系(xi)統(tong)中光(guang)學(xue)(xue)元件(jian)的(de)(de)光(guang)學(xue)(xue)與結構(gou)參數(shu)都產生相應的(de)(de)變化(hua)(hua)，從而引(yin)起成像質量的(de)(de)下(xia)降(jiang)。因(yin)此(ci)，如果一個(ge)光(guang)學(xue)(xue)系(xi)統(tong)在(zai)上述(shu)類型的(de)(de)環(huan)(huan)境(jing)中工作，則(ze)需(xu)要(yao)在(zai)設計中考慮溫(wen)度(du)因(yin)素帶來(lai)的(de)(de)影響，即采取特殊的(de)(de)手段(duan)使(shi)(shi)光(guang)學(xue)(xue)系(xi)統(tong)能(neng)在(zai)一個(ge)溫(wen)度(du)變化(hua)(hua)較大的(de)(de)工作環(huan)(huan)境(jing)中保持良好的(de)(de)光(guang)學(xue)(xue)性能(neng)。

過去，進行熱(re)分析的(de)光學(xue)系統大多(duo)(duo)為紅外鏡頭(tou)、航天航空(kong)鏡頭(tou)等。隨著塑(su)料鏡片的(de)廣泛使用(yong)以及光學(xue)系統使用(yong)環境(jing)的(de)多(duo)(duo)樣化(hua)，目(mu)前，更多(duo)(duo)種(zhong)(zhong)類的(de)鏡頭(tou)需要(yao)在(zai)環境(jing)溫度(du)變(bian)化(hua)較大的(de)范圍內保持良好(hao)的(de)光學(xue)性(xing)能，即需要(yao)研究其他(ta)種(zhong)(zhong)類的(de)鏡頭(tou)的(de)無(wu)熱(re)化(hua)設計方法和特點(dian)。

首先(xian)，本論文對光(guang)學(xue)系(xi)統(tong)(tong)熱分(fen)析(xi)的(de)(de)基本理論部分(fen)進行了(le)研究，分(fen)析(xi)了(le)光(guang)學(xue)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)光(guang)學(xue)和結構參數(shu)與溫度(du)之間的(de)(de)關系(xi)，分(fen)析(xi)比較了(le)三種典型的(de)(de)光(guang)學(xue)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)無熱化技術。

其次，本(ben)論文分(fen)析(xi)(xi)了(le)CODE V光(guang)(guang)學(xue)(xue)設(she)計軟件現有(you)的熱(re)(re)分(fen)析(xi)(xi)功(gong)(gong)能(neng)并指出了(le)該功(gong)(gong)能(neng)中(zhong)存在(zai)的不足之處，在(zai)研究和推導光(guang)(guang)學(xue)(xue)系統熱(re)(re)分(fen)析(xi)(xi)的模型和計算(suan)公式的基礎上，編寫(xie)了(le)CODE V宏語(yu)言文件實現新(xin)(xin)的熱(re)(re)分(fen)析(xi)(xi)功(gong)(gong)能(neng)，新(xin)(xin)的分(fen)析(xi)(xi)過程(cheng)和結果更加符合實際情況，并可以將編寫(xie)的新(xin)(xin)的熱(re)(re)分(fen)析(xi)(xi)功(gong)(gong)能(neng)運(yun)用于光(guang)(guang)學(xue)(xue)系統的無熱(re)(re)化優化設(she)計過程(cheng)中(zhong)以進行無熱(re)(re)化系統的設(she)計。

第三，本論文使用了(le)文中編寫的(de)(de)(de)(de)新的(de)(de)(de)(de)熱(re)分析(xi)功能(neng)完成了(le)大視場角日夜共焦車載(zai)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)和(he)坡塑混合(he)日夜共焦監控鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)無熱(re)化設(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)，按照(zhao)設(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)步(bu)驟詳細分析(xi)了(le)車載(zai)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)和(he)監控鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)優化設(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)過(guo)程，對最終設(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)結果(guo)進行了(le)像(xiang)質評估和(he)公差分析(xi)，并對監控鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)進一步(bu)進行了(le)雜(za)散(san)光分析(xi)。本論文設(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)兩款鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)在整個工作(zuo)溫度(du)范(fan)圍內(nei)像(xiang)質較好，所成圖(tu)像(xiang)清晰，能(neng)夠(gou)滿足設(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)指標要求(qiu)，實現了(le)車載(zai)鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)和(he)監控鏡(jing)(jing)(jing)頭(tou)(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)無熱(re)化設(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)。

最后，使用專門的圖(tu)像(xiang)(xiang)測試(shi)軟(ruan)件Imatest對監(jian)控(kong)鏡頭的實際拍攝圖(tu)進行了像(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)的測試(shi)和分析(xi)，分析(xi)表明本論文設(she)計(ji)的監(jian)控(kong)鏡頭的像(xiang)(xiang)質(zhi)(zhi)良好，這(zhe)進一步驗證了使用本論文編寫(xie)的CODE V宏(hong)語(yu)言文件進行優化設(she)計(ji)的準(zhun)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(ji)一(yi)個光學(xue)(xue)系(xi)統(tong)(tong)時，僅對20°C的(de)(de)(de)(de)單一(yi)環(huan)境溫度(du)進行設計(ji)。但是如果一(yi)個光學(xue)(xue)系(xi)統(tong)(tong)工(gong)作(zuo)使用時處于的(de)(de)(de)(de)環(huan)境溫度(du)變化(hua)(hua)范(fan)圍(wei)較大，則整(zheng)個系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)光學(xue)(xue)和結構參數都(dou)會(hui)產(chan)生較大的(de)(de)(de)(de)改(gai)變，從而使得光學(xue)(xue)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)成像質量下降(jiang)，這(zhe)種情況即為(wei)光學(xue)(xue)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)效應(ying)。所以，對于這(zhe)種在(zai)較大溫度(du)范(fan)圍(wei)的(de)(de)(de)(de)環(huan)境中工(gong)作(zuo)的(de)(de)(de)(de)光學(xue)(xue)系(xi)統(tong)(tong)，需要在(zai)設計(ji)時就(jiu)考慮到溫度(du)變化(hua)(hua)造成的(de)(de)(de)(de)影響，即采取特殊(shu)的(de)(de)(de)(de)方法和手段使光學(xue)(xue)系(xi)統(tong)(tong)能在(zai)一(yi)個溫度(du)變化(hua)(hua)較大的(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)環(huan)境中保持良好的(de)(de)(de)(de)光學(xue)(xue)系(xi)統(tong)(tong)性(xing)能。

過去，進行熱分析的(de)(de)(de)光(guang)(guang)學(xue)系統大(da)(da)多為紅外(wai)鏡(jing)(jing)頭、航(hang)天(tian)航(hang)空(kong)鏡(jing)(jing)頭等。隨著塑料(liao)鏡(jing)(jing)片的(de)(de)(de)廣泛使(shi)(shi)用(yong)以及光(guang)(guang)學(xue)系統使(shi)(shi)用(yong)環(huan)境的(de)(de)(de)多樣(yang)化(hua)(hua)，目前(qian)，更多種(zhong)類(lei)的(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)頭需要在(zai)(zai)環(huan)境溫(wen)度(du)(du)變化(hua)(hua)較大(da)(da)的(de)(de)(de)范圍(wei)內(nei)保持(chi)良好的(de)(de)(de)光(guang)(guang)學(xue)性(xing)能。現在(zai)(zai)已有(you)較多文獻資(zi)料(liao)對紅外(wai)鏡(jing)(jing)頭、航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)鏡(jing)(jing)頭進行熱分析，但對車載鏡(jing)(jing)頭、監控鏡(jing)(jing)頭等其他種(zhong)類(lei)的(de)(de)(de)鏡(jing)(jing)頭的(de)(de)(de)研究資(zi)料(liao)較少，且目前(qian)它(ta)們(men)同樣(yang)需要在(zai)(zai)較大(da)(da)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)范圍(wei)內(nei)工(gong)作(zuo)。為了使(shi)(shi)得光(guang)(guang)學(xue)系統在(zai)(zai)整個(ge)工(gong)作(zuo)環(huan)境溫(wen)度(du)(du)范圍(wei)內(nei)都保持(chi)良好的(de)(de)(de)性(xing)能，需要在(zai)(zai)設計階段就(jiu)使(shi)(shi)用(yong)無熱化(hua)(hua)技術(shu)對光(guang)(guang)學(xue)系統的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)效應(ying)進行補償(chang)。

1.2 光學系統無熱化設計國內外研究現狀

國(guo)外對(dui)熱(re)分(fen)析(xi)(xi)研究起步(bu)較早。1981年，Miller等人[1，2]首次開創(chuang)了(le)熱(re)-結構-光集成分(fen)析(xi)(xi)方(fang)法(fa)(the structure-thermal-optical integrated analysis，STO)，綜(zong)合了(le)光、機、熱(re)三(san)個方(fang)面，并在(zai)此基(ji)礎上進行光學系統(tong)的整體(ti)設(she)計(ji)和分(fen)析(xi)(xi)。文(wen)章中通過編程的方(fang)法(fa)實現了(le)STO分(fen)析(xi)(xi)，如(ru)圖1.1所示。

圖1.1熱-結構-光集成(cheng)分析流程圖

早在20世紀(ji)后期(qi)開始(shi),國(guo)外就有許(xu)多學者提出了各(ge)種的無熱化設計的方法和(he)手段。

1984年(nian),Gibbons使用熱(re)學V值-阿貝(bei)V值圖(tu)的(de)方法進(jin)行(xing)溫度自適應紅外系統的(de)優化(hua)。如圖(tu)1.2所示。橫坐標為(wei)阿貝(bei)V值,縱坐標為(wei)熱(re)學V值。其中熱(re)學V值如式(1.1)所示。

圖1.9采(cai)用光(guang)(guang)學被(bei)動式(shi)無熱化技術的光(guang)(guang)學系統

圖1.10采(cai)用機械(電(dian)子)主動式無(wu)熱化技術的(de)光學系統

本論文在研究(jiu)了(le)光學(xue)系統(tong)熱分(fen)析(xi)的(de)基礎理論的(de)基礎上對(dui)CODE V軟件的(de)熱分(fen)析(xi)功能進(jin)行(xing)了(le)進(jin)一步的(de)研究(jiu)并進(jin)行(xing)了(le)擴展(zhan)，最(zui)后(hou)通(tong)過(guo)編寫的(de)seq宏語言(yan)文件進(jin)行(xing)了(le)車載鏡頭(tou)和(he)監控鏡頭(tou)的(de)無熱化設計，后(hou)續可以進(jin)一步提升的(de)內容如下(xia)：

1、本論文進(jin)行(xing)無熱化設計的兩款鏡(jing)頭的工作(zuo)溫(wen)度均在-40°C~85°C之間，后續可以對工作(zuo)環境溫(wen)度范(fan)圍更加寬廣的光學(xue)系統進(jin)行(xing)無熱化設計優化工作(zuo)。

2、本論文進行無熱化設計時，光(guang)(guang)學系統中光(guang)(guang)學材料(liao)需要(yao)人工(gong)進行替換，后續(xu)可以結合CODEV中坡璃專(zhuan)家功能(neng)，實(shi)現光(guang)(guang)學材料(liao)的(de)自(zi)動篩選(xuan)和優(you)化。

3、本論(lun)文提出光學(xue)系(xi)統(tong)在溫度(du)變(bian)化(hua)范圍(wei)較(jiao)大的(de)(de)(de)環(huan)境(jing)中的(de)(de)(de)無熱化(hua)設計方法(fa)，除了(le)溫度(du)會(hui)對光學(xue)系(xi)統(tong)產生(sheng)影(ying)(ying)響(xiang)之外，環(huan)境(jing)中壓強(qiang)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)也會(hui)影(ying)(ying)響(xiang)光學(xue)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)像(xiang)質(zhi)，因此(ci)可以引申出設計在環(huan)境(jing)壓強(qiang)變(bian)化(hua)范圍(wei)較(jiao)大的(de)(de)(de)工(gong)作場合(he)中使用(yong)的(de)(de)(de)光學(xue)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)優化(hua)方法(fa)。

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