無(wú)熱化設(shè)計(jì)崔小強(qiáng)叢海佳李立源趙曉孫永雪李渤1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介2、多重結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介3、利用codev對(duì)光學(xué)系統(tǒng)溫度分析4、無(wú)熱化設(shè)計(jì)5、前沿?zé)o熱化技術(shù)進(jìn)展目錄1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介

光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化技術(shù)就是指通過(guò)特殊設(shè)計(jì)或一定的補(bǔ)償方法使光學(xué)系統(tǒng)在一個(gè)較大的溫度范圍內(nèi)保持焦距、像面或像質(zhì)不變或變化很小，以滿足使用要求。典型的無(wú)熱化設(shè)計(jì)方法主要有電子主動(dòng)式、機(jī)械被動(dòng)式和光學(xué)被動(dòng)式三種。1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介

無(wú)熱系統(tǒng)是一種沒(méi)有熱差的系統(tǒng)，也就是說(shuō)是一種使光學(xué)熱差和機(jī)械熱差互相補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)。而光學(xué)熱差值又可通過(guò)選取不同的透鏡組合加以改變，使之與機(jī)械熱差相匹配。從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)無(wú)熱化。1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介電子主動(dòng)式：利用溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)溫度，將探測(cè)到的溫度信息傳遞給處理器，由處理器實(shí)時(shí)計(jì)算出溫度變化引起的像面位移，而由電機(jī)驅(qū)動(dòng)消熱元件到達(dá)正確的位置。機(jī)械被動(dòng)式：通過(guò)利用兩種不同膨脹系數(shù)的機(jī)械元件以可靠方式進(jìn)行自然膨脹和收縮來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)。光學(xué)被動(dòng)式：利用光學(xué)材料熱特性之間的差異，通過(guò)不同特性材料的組合來(lái)消除溫度的影響。在較大溫度范圍內(nèi)保持像質(zhì)的穩(wěn)定。1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介光學(xué)被動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)：不引入運(yùn)動(dòng)元件，提高了可靠性，而且它們不需要供電，能以非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式來(lái)完成緊湊、輕質(zhì)量的設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單尺寸小質(zhì)量輕不需供電系統(tǒng)可靠性好1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介無(wú)熱化性能方法的比較1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介紅外光學(xué)系統(tǒng)的使用環(huán)境復(fù)雜，氣候條件多種多樣，經(jīng)常要經(jīng)歷非常大的溫度變化，典型的可達(dá)-40~80度。而紅外光學(xué)材料的折射率系數(shù)dn/dt較大。因此，環(huán)境溫度對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)有極嚴(yán)重的影響，如使系統(tǒng)焦距變化、像面漂移、成像質(zhì)量惡化等。因此，紅外光學(xué)系統(tǒng)必須進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)。1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介

這是由光學(xué)元件的熱膨脹而帶來(lái)的變化。介質(zhì)的線性熱膨脹系數(shù)為α0=(1/L)dL/dt在一定的溫度范圍內(nèi)，α0是常數(shù)，只隨介質(zhì)的不同而不同。光學(xué)元件折射面曲率半徑和厚度變化折射率溫度系數(shù)β=dn/dt只和介質(zhì)有關(guān)。在一定的溫度范圍內(nèi)，對(duì)于特定波長(zhǎng)的光線，這是一個(gè)常數(shù)，即便在一個(gè)很大的溫度范圍內(nèi)，對(duì)有些介質(zhì)而言，這個(gè)系數(shù)也只有微小的變化，甚至沒(méi)有變化。介質(zhì)折射率變化由裝配材料的熱膨脹引起。空氣間隔變化溫度變化對(duì)于紅外光學(xué)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介

紅外材料的溫度參數(shù)比普通光學(xué)玻璃的參數(shù)值大得多。在溫度對(duì)成像質(zhì)量的影響中折射率的貢獻(xiàn)最大，曲率半徑貢獻(xiàn)次之，而中心厚度和間隔的影響最小。1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介

均勻溫度變化下光學(xué)元件結(jié)構(gòu)參數(shù)相應(yīng)變化如下：1、無(wú)熱化簡(jiǎn)介

光焦度分配要求：消軸向色差要求：消熱差要求：光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下三個(gè)方程：2、多重結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

多重結(jié)構(gòu)（變焦）表示鏡頭里面的群組可以變化（即使鏡片的位置移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)焦距的縮放），但是像面固定。即不管里面怎么變化，都在同一位置成像。多重結(jié)構(gòu)主要是用于變焦上，有時(shí)也用于定焦上。3、利用codev對(duì)光學(xué)系統(tǒng)溫度分析

Environmentanalysis(ENV)簡(jiǎn)介以下環(huán)境因素由于對(duì)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響相對(duì)較小，故ENV在分析時(shí)并未予以考慮：

濕度變化；元件前后表面壓強(qiáng)不同引起的面形變化；

應(yīng)力雙折射的影響；

軸向溫度梯度的影響（這可以通過(guò)將光學(xué)元件分割成許多薄的元件來(lái)模擬）。對(duì)環(huán)境分析而言，溫度與壓力變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響占主要地位，應(yīng)此上述因素以及其他類似因素產(chǎn)生的影響基本可忽略。3、利用codev對(duì)光學(xué)系統(tǒng)溫度分析

CODEV的ENV選項(xiàng)可通過(guò)以下路徑進(jìn)入：Lens→Environmentalchange，如圖所示。3、利用codev對(duì)光學(xué)系統(tǒng)溫度分析

進(jìn)入后頁(yè)面如右圖所示，默認(rèn)條件下溫度為20℃，壓強(qiáng)為海拔高度為0時(shí)的壓強(qiáng)。在此界面中可輸入溫度、壓強(qiáng)、材料膨脹系數(shù)等參數(shù)，而在Gradients選項(xiàng)卡中可輸入徑向溫度梯度分布等條件。3、利用codev對(duì)光學(xué)系統(tǒng)溫度分析

CODEV中自帶溫度范圍在20℃-40℃的常用光學(xué)玻璃的dn/dt數(shù)據(jù)，因此在分析此溫度范圍時(shí)直接修改溫度值即可（注意，要把所有材料都改成SCHOTT廠的玻璃，因?yàn)镾CHOTT玻璃數(shù)據(jù)相對(duì)更完整），若超出此溫度范圍，或沒(méi)有相應(yīng)玻璃的參數(shù)時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)，此時(shí)應(yīng)手動(dòng)輸入相應(yīng)參數(shù)。ENV分析功能僅針對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)及非多重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，其他系統(tǒng)也可進(jìn)行分析，不過(guò)所得結(jié)果可能并不準(zhǔn)確，需要設(shè)計(jì)者進(jìn)一步對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢查與修改。3、利用codev對(duì)光學(xué)系統(tǒng)溫度分析

選取一組紅外光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如下：3、利用codev對(duì)光學(xué)系統(tǒng)溫度分析

其在常溫環(huán)境下的傳函曲線如下：3、利用codev對(duì)光學(xué)系統(tǒng)溫度分析

溫度變?yōu)?40℃時(shí)的傳函曲線：由此可見(jiàn)溫度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響是非常大的。4、無(wú)熱化設(shè)計(jì)

首先根據(jù)所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)編寫宏命令，其內(nèi)容主要包括光學(xué)系統(tǒng)所組成的每一種玻璃材料的熱脹系數(shù)和折射率隨溫度的變化系數(shù)，另外還可以輸入結(jié)構(gòu)材料的熱脹系數(shù)（結(jié)構(gòu)材料默認(rèn)是鋁）編寫宏命令：tem60!AddappropriateENVcommandsbelowforDN/DT,EXP,EXM,etc.expGERMLW58dnGERMLW400400

400expSILICN32dnSILICN142142

142go4、無(wú)熱化設(shè)計(jì)

把編好的宏放在和鏡頭同一目錄下，運(yùn)行可得到如下的文本。4、無(wú)熱化設(shè)計(jì)

同時(shí)系統(tǒng)變?yōu)槎嘀亟Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)自動(dòng)選擇了三個(gè)溫度，光學(xué)系統(tǒng)在這三個(gè)溫度下成像都較好說(shuō)明系統(tǒng)在這個(gè)溫度范圍內(nèi)成像都好。4、無(wú)熱化設(shè)計(jì)

最后限定優(yōu)化條件，例如在不同溫度下同一焦距，進(jìn)行優(yōu)化，多次優(yōu)化成像質(zhì)量依然不好，可以考慮更換不同的材料。另外要注意的是無(wú)熱化設(shè)計(jì)至少需要三種或以上的不同材料的玻璃進(jìn)行設(shè)計(jì)。4、無(wú)熱化設(shè)計(jì)

例如結(jié)構(gòu)如下圖所示的光學(xué)系統(tǒng)。4、無(wú)熱化設(shè)計(jì)

在20℃時(shí)的傳函曲線4、無(wú)熱化設(shè)計(jì)

在-20℃時(shí)的傳函曲線4、無(wú)熱化設(shè)計(jì)

在60℃時(shí)的傳函曲線5、前沿?zé)o熱化技術(shù)進(jìn)展

20世紀(jì)90年代隨著二元光學(xué)的發(fā)展，衍射元件越來(lái)越多的應(yīng)用到紅外光學(xué)系統(tǒng)中。通過(guò)折衍混合設(shè)計(jì)，使衍射光學(xué)元件的折射率系數(shù)對(duì)溫度變化不敏感，達(dá)到減小色差和熱差的目的。實(shí)現(xiàn)無(wú)熱化。