[OCAD]光学系统热环境分析

光学系统是由各种不同光学材料制作的光学元件组成的，同时还必须由各种不同金属材料制作的结构零件支撑起来的一个完整的光学部件才是一个完整的光学系统。正因为如此，由于各种材料在不同环境温度和大气压力下的热效应会使光学系统结构参数发生变化，这就是光学系统的热效应。光学系统受环境热效应的影响必然会影响系统的成像质量。为了保持光学系统成像质量的稳定，利用构成光学系统的各光学材料和金属材料的不同热效应影响平衡光学系统结构参数的关系维持系统成像质量的最佳效果，这就需要对光学系统的热环境进行分析以求获得一个满意的结果，这就是光学系统热分析，分析光学系统热环境影响求得系统成像质量稳定，这就是光学系统热环境分析的目的。

求得光学系统热平衡，一般有以下途径，一是适当选择光学系统光学材料的热效应影响，也就是利用光学材料的热效应包括材料的热环境对材料折射率的影响和零件中心厚度的影响，相互匹配求得系统成像质量的稳定；二是综合考虑光学材料和金属材料的热环境影响平衡系统成像质量的稳定；三是精心设计光学系统的机械结构，采取复合套筒结构控制光学系统表面间隔变化求得系统成像质量稳定。所谓复合套筒结构就是利用不同膨胀系数的金属材料构成双筒式结构代替简单的隔圈结构，可以任意获得光学间隔的热变化量。

图1.系统热平衡综合计算

为了适应以上热平衡效果，在OCAD程序主界面的“编辑”菜单内选取“光学系统热环境分析”后会弹出如图1光学系统热环境分析窗体界面。在界面的表格上方给出了“环境温度”和“大气环境特性”的选择。其中大气环境特性的选择还有“大气压力”和“海拔高度”两种方式，其实不同海拔高度也就体现了对应大气压力，由于不同光学产品面对的要求不同，此两种选择方式只是为了适应不同的要求模式而定，程序还可以把海拔高度换算成对应大气压力。

图2.系统热热环境分析
 

有了环境设置，就是光学系统光机结构参数，在界面的表格内不仅列出了系统光学参数，还有保证光学零件间隔的隔圈材料牌号及长度尺寸。如果使用复合套筒结构的还可以分别给出隔圈和副隔圈的材料牌号及长度尺寸。副隔圈的长度尺寸可以是正值也可以是负值。为方便给定系统隔圈金属材料牌号，本程序有一个常用金属材料库供选择，而且本常用金属材料库还是个开放式数据库可由用户自由增删。

图3.光学系统热环境分析数据表
 

建立好以上数据即可进行各种光学计算及分析，及时了解系统热环境变化后系统成像质量的变化以便及时采取措施，更换材料以求系统热平衡。

为了同时了解各不同环境的复杂变化，程序可以同设置多重结构进行各种不同环境温度和大气压力的组合。利用如图1窗体填写热平衡数据就可类似计算变焦系统一样以动画形式同时计算系统在不同热环境下的像差曲线如图4及数据值供分析参考。

    

图4.系统不同环境条件下像差曲线图
 

图5.系统热平衡多重环境单选化综合计算
 

在建立完多重使用环境条件后，必须选择如图5中“系统热分析”可选项后，在每次做任何光学计算时都会同时计算或显示各种不同环境下的数据或图形，在显示各种曲线或图像时会像变焦系统一样以动画的形式动态显示，便于全面了解各种不同环境下系统成像质量的变化。

每次计算都要全面计算或显示各种不同环境条件下的数据和图形固然好，但会使整个计算量过大，影响计算与分析速度。为此还可以采用选择在指定环境下进行计算和分析。此时只要放弃选择“系统热分析”，此时在该选择条后会出现一个选择文本框，如图5。此时程序只计算指定环境条件下的各种数据。