CN111290120B - 一种调焦光学系统热温稳定性设计方法及调焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为了解决现有技术中的无热化设计未进行调焦情况下的热温稳定性设计，致使当温度变化后会出现调焦误差的缺陷，而提出一种调焦光学系统热温稳定性设计方法调焦光学系统。本发明的方法包括：建立调焦光学系统在选定调焦位置和选定工作温度下的光学结构模型；根据光学系统结构模型建立与其接触的机械结构模型；计算机械结构模型和光学系统结构模型在调焦过程中各元件的等效热膨胀系数；将等效热膨胀系数带入光学系统结构模型中，判断得到的调焦误差是否小于预设值，若否，则进行机械补偿或光学补偿；改变选定调焦位置和所述选定工作温度，重复以上步骤。本发明还包括一种调焦光学系统。本发明适用于调焦光学系统的无热化设计。

Description

一种调焦光学系统热温稳定性设计方法及调焦光学系统
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种调焦光学系统热温稳定性设计方法调焦光学系统。
背景技术
光学系统热温稳定性设计可解决光学系统在不同温度下清晰程度不一致的问题，是实现系统实用化的基础。因此光学系统热温稳定性设计在很多方面都可应用，大量的光学镜头均需采用热温稳定性设计。特别是近年来各种光学系统越来越广泛的应用，对系统的成像质量提出了更高的要求，通常要保证在较宽的温热环境条件下能够正常工作。目前有多种热温稳定性设计方法，主要包括光学被动式无热技术、机械被动式无热技术和机械(电子)主动式无热技术，其原理和特点都各不相同，这些方法多使用在系统某一固定工作距离下的热温稳定性补偿设计，但大多都未进行调焦情况下的热温稳定性设计，其缺点在于温度变化后，调焦曲线与实现标定装载的数据不一致，出现调焦误差。
发明内容
本发明的一个目的是解决现有技术中的无热化设计未进行调焦情况下的热温稳定性设计，当温度变化后会出现调焦曲线与实现标定装载的数据不一致，导致调焦误差的缺陷。
根据本发明的第一方面，提供一种调焦光学系统热温稳定性设计方法，包括S1：建立调焦光学系统在选定调焦位置和选定工作温度下的光学系统结构模型；S2：根据所述光学系统结构模型建立与其接触的机械结构模型；S3：计算所述机械结构模型在调焦过程中各元件的等效热膨胀系数；S4：将所述等效热膨胀系数带入所述光学系统结构模型中，判断得到的调焦误差是否小于预设值，若否，则进行机械补偿或光学补偿；S5：改变所述选定调焦位置和所述选定工作温度，重复S1至S4，直至在所有选定调焦位置和所有选定工作温度的调焦误差均小于预设值。
优选地，所述调焦误差通过波像差或调焦曲线与标定值的差值进行表征。
优选地，所述机械补偿通过铟钢或铝合金进行补偿。
优选地，所述光学补偿通过熔石英、Bk7或微晶玻璃进行补偿。
根据本发明的第二方面，提供一种调焦光学系统，所述系统是根据本发明第一方面的调焦光学系统热温稳定性设计方法而得到的。
本发明的一个技术效果是：
1.采用机械、光学补偿方式实现系统热温补偿，具有补偿可靠的优点；
2.采用多重组态配合机械、光学迭代优化方式，实现不同温度下、不同调焦位置的温度稳定性设计。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为调焦光学系统中的结构示意图；1-机械结构部分，2-光学结构部分；
图2为本发明实施方式一的流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明的目的是提供一种具有较好热稳定性的调焦光学系统，调焦光学系统具有光学元件部分和机械结构部分，如图1所示，光学元件部分包括正负透镜等元件，机械结构是为光学元件提供支撑、固定功能的结构性部件。当调焦光学系统工作在不同温度时，由于机械结构和光学结构具有相应的热膨胀系数，因此可能出现在不同温度下的调焦效果不同。普通的无热化设计考虑到了不同温度下的情形，但是未考虑到不同调焦位置也可能导致调焦效果发生变化。对此，本发明在设计阶段就同时考虑条件位置和工作温度的双重影响，使得最终得到的调焦光学系统在任意调焦位置都能具有热稳定的效果。下面具体介绍本发明的实施方式。
实施方式一：
本实施方式提供一种调焦光学系统热温稳定性设计方法，如图2所示，包括：
步骤S1：建立调焦光学系统在选定调焦位置和选定工作温度下的光学结构模型。光学结构模型用于表示出光学元件间的关系，不同调焦位置可能具有不同的光学结构模型。本步骤中的光学结构模型是在光学分析软件中建立的模型。
步骤S2：根据所述光学系统结构模型建立与其接触的机械结构模型。即本步骤为光学结构设计其外部机械机构，机械结构用于固定或支撑光学结构。例如机械机构可以是镜筒等封装结构。
步骤S3：计算所述机械结构模型和光学系统结构模型在调焦过程中各元件的等效热膨胀系数。各元件包括光学元件或机械部件，不同材料可能具有不同的等效热膨胀系数。
步骤S4：将所述等效热膨胀系数带入所述光学系统结构模型中，判断得到的调焦误差是否小于预设值，若否，则进行机械补偿或光学补偿。由于本实施方式中的步骤是在光学设计软件以及有限元设计软件中完成的，因此本步骤中可以将等效热膨胀系数在软件中带入光学系统结构模型中，由软件计算出在选定温度下，发生热膨胀的部件是否会对调焦效果造成影响。本步骤选用的光学设计软件可以是zemax或Code V等光学设计分析软件，有限元分析软件可以选用Ansys。
进一步地，步骤S4中所指的调焦误差可以通过波像差进行表征，也可以通过本步骤中得到的调焦曲线和预设标定值的差值进行表征。本步骤中提到的机械补偿可以通过铟钢或铝合金进行补偿，即在机械结构中通过使用合金的方式能够改变等效热膨胀系数，可调整合金中各组分的比例使调焦误差保持在预设范围内。本步骤中的光学补偿可以通过熔石英、Bk7或微晶玻璃进行补偿，即在光学镜头中使用不同的材料互相搭配，以改变等效热膨胀系数。
步骤S5：改变所述选定调焦位置和所述选定工作温度，重复S1至S4，直至在所有选定调焦位置和所有选定工作温度的调焦误差均小于预设值。即在完成步骤S1至步骤S4之后，可以重新选定调焦位置和/或工作温度，再次重复上述步骤，使得设计出的调焦光学系统在任意选定的调焦位置和温度能够满足需要。
实施方式二：
本实施方式提供一种调焦光学系统，是根据实施方式一的调焦光学系统热温稳定性设计方法得到的。即通过实施方式一的设计方法，可以得到在任意选定温度和调焦位置都具有稳定调焦效果的系统。
<实施例>
本实施例中，光学材料使用熔石英、Bk7和微晶玻璃，机械结构使用(铟钢、铝合金)，通过光机结构补偿，迭代优化实现了不同工作温度、不同调焦位置的温度稳定性设计。通过光机结构补偿，迭代优化实现了不同工作温度、不同调焦位置的温度稳定性设计。温度20℃，调焦位置无限远时，波像差为0.0296λ(RMS)；温度20℃，调焦位置2km，波像差为0.0703λ(RMS)；温度60℃，调焦位置2km，波像差为0.072λ(RMS)；温度-20℃，调焦位置0.7km，波像差为0.1093λ(RMS)。由此可见，本实施例能够在任意选定温度下将波像差控制在合理范围内，符合热稳定的设计要求。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (2)

1.一种调焦光学系统热温稳定性设计方法，其特征在于，包括：
S1：建立调焦光学系统在选定调焦位置和选定工作温度下的光学结构模型；
S2：根据所述光学结构模型建立与其接触的机械结构模型；
S3：计算所述机械结构模型和光学结构模型在调焦过程中各元件的等效热膨胀系数；
S4：将所述等效热膨胀系数带入所述光学结构模型中，判断得到的调焦误差是否小于预设值，若否，则进行机械补偿或光学补偿；
S5：改变所述选定调焦位置和所述选定工作温度，重复S1至S4，直至在所有选定调焦位置和所有选定工作温度的调焦误差均小于预设值；
所述调焦误差通过波像差或调焦曲线与标定值的差值进行表征；所述机械补偿通过铟钢或铝合金进行补偿；所述光学补偿通过熔石英、Bk7或微晶玻璃进行补偿。
2.一种调焦光学系统，其特征在于，所述系统是根据如权利要求1所述的调焦光学系统热温稳定性设计方法得到的。
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