光學系統(tǒng)是由各種不同光學材料制作的光學元件組成的，同時還必須由各種不同金屬材料制作的結(jié)構(gòu)零件支撐起來的一個完整的光學部件才是一個完整的光學系統(tǒng)。正因為如此，由于各種材料在不同環(huán)境溫度和大氣壓力下的熱效應(yīng)會使光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，這就是光學系統(tǒng)的熱效應(yīng)。光學系統(tǒng)受環(huán)境熱效應(yīng)的影響必然會影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量。為了保持光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的穩(wěn)定，利用構(gòu)成光學系統(tǒng)的各光學材料和金屬材料的不同熱效應(yīng)影響平衡光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系維持系統(tǒng)成像質(zhì)量的最佳效果，這就需要對光學系統(tǒng)的熱環(huán)境進行分析以求獲得一個滿意的結(jié)果，這就是光學系統(tǒng)熱分析，分析光學系統(tǒng)熱環(huán)境影響求得系統(tǒng)成像質(zhì)量穩(wěn)定，這就是光學系統(tǒng)熱環(huán)境分析的目的。
求得光學系統(tǒng)熱平衡，一般有以下途徑，一是適當選擇光學系統(tǒng)光學材料的熱效應(yīng)影響，也就是利用光學材料的熱效應(yīng)包括材料的熱環(huán)境對材料折射率的影響和零件中心厚度的影響，相互匹配求得系統(tǒng)成像質(zhì)量的穩(wěn)定；二是綜合考慮光學材料和金屬材料的熱環(huán)境影響平衡系統(tǒng)成像質(zhì)量的穩(wěn)定；三是精心設(shè)計光學系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，采取復合套筒結(jié)構(gòu)控制光學系統(tǒng)表面間隔變化求得系統(tǒng)成像質(zhì)量穩(wěn)定。所謂復合套筒結(jié)構(gòu)就是利用不同膨脹系數(shù)的金屬材料構(gòu)成雙筒式結(jié)構(gòu)代替簡單的隔圈結(jié)構(gòu)，可以任意獲得光學間隔的熱變化量。
圖1.系統(tǒng)熱平衡綜合計算
為了適應(yīng)以上熱平衡效果，在OCAD程序主界面的“編輯”菜單內(nèi)選取“光學系統(tǒng)熱環(huán)境分析”后會彈出如圖1光學系統(tǒng)熱環(huán)境分析窗體界面。在界面的表格上方給出了“環(huán)境溫度”和“大氣環(huán)境特性”的選擇。其中大氣環(huán)境特性的選擇還有“大氣壓力”和“海拔高度”兩種方式，其實不同海拔高度也就體現(xiàn)了對應(yīng)大氣壓力，由于不同光學產(chǎn)品面對的要求不同，此兩種選擇方式只是為了適應(yīng)不同的要求模式而定，程序還可以把海拔高度換算成對應(yīng)大氣壓力。
圖2.系統(tǒng)熱熱環(huán)境分析
有了環(huán)境設(shè)置，就是光學系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)參數(shù)，在界面的表格內(nèi)不僅列出了系統(tǒng)光學參數(shù)，還有保證光學零件間隔的隔圈材料牌號及長度尺寸。如果使用復合套筒結(jié)構(gòu)的還可以分別給出隔圈和副隔圈的材料牌號及長度尺寸。副隔圈的長度尺寸可以是正值也可以是負值。為方便給定系統(tǒng)隔圈金屬材料牌號，本程序有一個常用金屬材料庫供選擇，而且本常用金屬材料庫還是個開放式數(shù)據(jù)庫可由用戶自由增刪。
圖3.光學系統(tǒng)熱環(huán)境分析數(shù)據(jù)表
建立好以上數(shù)據(jù)即可進行各種光學計算及分析，及時了解系統(tǒng)熱環(huán)境變化后系統(tǒng)成像質(zhì)量的變化以便及時采取措施，更換材料以求系統(tǒng)熱平衡。
為了同時了解各不同環(huán)境的復雜變化，程序可以同設(shè)置多重結(jié)構(gòu)進行各種不同環(huán)境溫度和大氣壓力的組合。利用如圖1窗體填寫熱平衡數(shù)據(jù)就可類似計算變焦系統(tǒng)一樣以動畫形式同時計算系統(tǒng)在不同熱環(huán)境下的像差曲線如圖4及數(shù)據(jù)值供分析參考。
圖4.系統(tǒng)不同環(huán)境條件下像差曲線圖
圖5.系統(tǒng)熱平衡多重環(huán)境單選化綜合計算
在建立完多重使用環(huán)境條件后，必須選擇如圖5中“系統(tǒng)熱分析”可選項后，在每次做任何光學計算時都會同時計算或顯示各種不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)或圖形，在顯示各種曲線或圖像時會像變焦系統(tǒng)一樣以動畫的形式動態(tài)顯示，便于全面了解各種不同環(huán)境下系統(tǒng)成像質(zhì)量的變化。
每次計算都要全面計算或顯示各種不同環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)和圖形固然好，但會使整個計算量過大，影響計算與分析速度。為此還可以采用選擇在指定環(huán)境下進行計算和分析。此時只要放棄選擇“系統(tǒng)熱分析”，此時在該選擇條后會出現(xiàn)一個選擇文本框，如圖5。此時程序只計算指定環(huán)境條件下的各種數(shù)據(jù)。
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