一种基于定量化组合玻璃替换的光学系统无热化方法技术方案

一种基于定量化组合玻璃替换的光学系统无热化方法，涉及光学系统设计与优化技术领域，解决现有技术中多轮替换单个元件的玻璃材料，导致难以实现定量化玻璃替换与无热化效率较低等问题；本发明专利技术将多元透镜系统重构为双透镜系统，推导出等效组合玻璃方法下的消色差与消热差约束条件。构建基于光学玻璃库的无热图，对光学玻璃库的热特性与色特性进行分析。并基于无热图与距离权重，评价各个镜筒材料的无热化潜力；对全部组合玻璃进行热特性与色特性分析，通过距离权重定量化选取最佳替换后的玻璃材料，实现光学透射光学系统的无热化。本发明专利技术提高选取玻璃材料的优化空间，无需人工经验干预，降低了替换玻璃材料的盲目性。降低了替换玻璃材料的盲目性。降低了替换玻璃材料的盲目性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于定量化组合玻璃替换的光学系统无热化方法


[0001]本专利技术涉及光学系统设计与优化
，具体涉及一种基于定量化组合玻璃替换的光学系统无热化方法。

技术介绍

[0002]由于航空航天、野外勘探、激光加工、深空、深地、深海、探测等领域的光学遥感与成像系统的工作环境较为恶劣，环境温度变化较为剧烈。由于热胀冷缩效应，光学元件和机械结构都会发生一定程度的形变，造成光学系统中光学元件的曲率、中心边缘厚度等参数发生相应改变。此外，温度变化会致使光学玻璃的折射率发生改变，光线经过光学系统的传递轨迹也会相应变化，致使系统的像面产生漂移并降低光学系统的成像质量。对于等恶劣工作环境的光学系统，降低大温度范围对成像质量的影响至关重要。
[0003]用以消除一定温度效应对光学系统的影响的设计方法或补偿技术被称为无热化设计。目前主流的光学系统无热化设计分为机械被动式、电子主动式、光学被动式。光学被动式方法是一种不需额外补偿装置，只通过组合具有不同热光学特性的光学材料与装配结构材料来对光学系统进行消热差和消色差的无热化设计方法。然而，光学被动式方法关键在于光学材料的选择，目前使用该方法选择材料时基本依靠人工经验干预，缺乏定向的理论指导，光学优化软件也因选取材料的随机性易陷入局部优化。
[0004]在以往的利用不同光机材料热特性进行无热化优化设计过程中，通常是只考虑更换单个元件的玻璃材料，计算其是否满足上述的消热差和消色差条件，然后不断通过对单片透镜进行多轮替换，逐步向满足消热差消色差条件的方向靠近。但由于玻璃材料在玻璃图上的离散性，通常只能获得近似解，往往难以直接实现无热图上的线性匹配。多轮迭代替换方法较为复杂，且缺少对玻璃替换的定量化约束条件，有时候仍需要基于人工经验对玻璃替换的种类进行干预。
[0005]为此，本专利技术提出组合玻璃的思想，将原有的单片玻璃改为两片玻璃的组合后的等效玻璃。组合玻璃的光学特性参数可以通过两个实际的玻璃材料的相应参数综合计算得到，可以通过组合玻璃获得更多具有不同光学特性的玻璃材料，获得一些光学玻璃库中本不实际存在的热光焦和色光焦系数，大幅提高玻璃材料选择的多样性与消热差消色差条件近完美匹配的概率，同时降低了替换玻璃材料的盲目性，实现了光学系统的无热化。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决现有技术只考虑替换单个元件的玻璃材料，导致难以直接实现无热图上的线性匹配；同时，多轮迭代替换方法较为复杂，且缺少对玻璃替换的定量化约束条件，以及存在需要基于人工经验对玻璃替换的种类进行干预等问题，提供一种基于定量化组合玻璃替换的光学系统无热化方法。
[0007]基于定量化组合玻璃替换的光学系统无热化方法，该方法由以下步骤实现：
[0008]步骤一、对初始光学系统添加玻璃与镜筒材料热特性，并判断在大温差下像质是
否满足要求，如果是，完成系统无热化；如果否，则执行步骤二；
[0009]步骤二、利用光学玻璃库中的光学玻璃的热特性与色散特性，构建符合光学系统成像需求的不同波段下的光学玻璃库无热分布图；
[0010]并采用聚类算法计算光学玻璃库的聚类中心，所述聚类中心用于表征玻璃材料在无热分布图上的分布特性；
[0011]步骤三、基于多重组合玻璃与镜筒材料线胀系数，镜筒材料H、单透镜L
ij
与剩余单透镜L
e
，确定无热玻璃图；
[0012]具体过程为：
[0013]设定所述初始化光学系统包含k个单透镜，需要进行材料替换的两片组合玻璃分别为L
i
与L
j
，色光焦分别为ω
i
和ω
j
，热光焦分别为γ
i
和γ
j
；
[0014]将所述两片组合玻璃等效为一个单透镜L
ij
，所述单透镜L
ij
的等效光焦度为φ
ij
'，等效色光焦为ω
ij
和等效热光焦为γ
ij
；
[0015]其余k
‑
2个透镜等效为剩余单透镜L
e
，所述剩余单透镜L
e
的等效光焦度φ
e
'，等效色光焦ω
e
和等效热光焦γ
e
；
[0016]则双透镜等效光学系统的等效热光焦γ
e
，即双透镜系统的消色差与消热差条件用下式表示为：
[0017][0018]式中，α
h
为所述镜筒材料线胀系数；
[0019]根据所述双透镜等效光学系统的等效热光焦γ
e
绘制双透镜系统的无热玻璃图，所述无热玻璃图包括单透镜L
ij
(ω
ij
,γ
ij
)，剩余单透镜L
e
(ω
e
,γ
e
)以及多种镜筒材料H(0,
‑
α
h
)的坐标；
[0020]步骤四，对所述镜筒材料H的无热特性进行评价，获得最佳镜筒材料；具体过程为：
[0021]步骤四一、根据初始光学系统中的透镜数量，确定等效单透镜的组合数量为
[0022]步骤四二、分别计算组剩余单透镜L
e
(ω
e
,γ
e
)分别与多种镜筒材料H(0,
‑
α
h
)相连时，单透镜L
ij
(ω
ij
,γ
ij
)到镜筒材料线胀系数与剩余单透镜的连线H
‑
L
e
的垂线距离值d1
s
，光学玻璃库的聚类中心到H
‑
L
e
的垂线距离值d2
s
；s＝1，2,3
…
k
×
(k
‑
1)/2；
[0023]步骤四三、根据步骤四二获得的距离值，分别计算两组距离值的归一化值Rate1
s
和Rate2
s
，即：Rate1
s
＝1
‑
d1
s
/max(d1
s
)和Rate2
s
＝1
‑
d2
s
/max(d2
s
)；
[0024]步骤四四、将步骤三计算的归一化值按镜筒材料分组进行加合运算，获得镜筒材料的综合权重；
[0025]Weight
s
＝SUM(Rate1
s
+Rate2
s
)
[0026]步骤五、采用与步骤四相同的方法，对单透镜L
ij
的消热差与消色差特性进行评价，获得最佳的一对组合玻璃；
[0027]步骤六、将步骤五获得最佳的组合玻璃L...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于定量化组合玻璃替换的光系统无热化方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：步骤一、对初始光学系统添加玻璃与镜筒材料热特性，并判断在大温差下像质是否满足要求，如果是，完成系统无热化；如果否，则执行步骤二；步骤二、利用光学玻璃库中的光学玻璃的热特性与色散特性，构建符合光学系统成像需求的不同波段下的光学玻璃库无热分布图；并采用聚类算法计算光学玻璃库的聚类中心，所述聚类中心用于表征玻璃材料在无热分布图上的分布特性；步骤三、基于多重组合玻璃与镜筒材料线胀系数，镜筒材料H、单透镜L
ij
与剩余单透镜L
e
，确定无热玻璃图；具体过程为：设定所述初始化光学系统包含k个单透镜，需要进行材料替换的两片组合玻璃分别为L
i
与L
j
，色光焦分别为ω
i
和ω
j
，热光焦分别为γ
i
和γ
j
；将所述两片组合玻璃等效为一个单透镜L
ij
，所述单透镜L
ij
的等效光焦度为φ
ij
′
，等效色光焦为ω
ij
和等效热光焦为γ
ij
；其余k
‑
2个透镜等效为剩余单透镜L
e
，所述剩余单透镜L
e
的等效光焦度φ
e
′
，等效色光焦ω
e
和等效热光焦γ
e
；则双透镜等效光学系统的等效热光焦γ
e
，即双透镜系统的消色差与消热差条件用下式表示为：式中，α
h
为所述镜筒材料线胀系数；根据所述双透镜等效光学系统的等效热光焦γ
e
绘制双透镜系统的无热玻璃图，所述无热玻璃图包括单透镜L
ij
(ω
ij
，γ
ij
)，剩余单透镜L
e
(ω
e
，γ
e
)以及多种镜筒材料H(0，
‑
α
h
)的坐标；步骤四，对所述镜筒材料H的无热特性进行评价，获得最佳镜筒材料；具体过程为：步骤四一、根据初始光学系统中的透镜数量，确定等效单透镜的组合数量为步骤四二、分别计算组剩余单透镜L
e
(ω
e
，γ
e
)分别与多种镜筒材料H(0，
‑
α
h
)相连时，单透镜L
ij
(ω
ij
，γ
ij
)到镜筒材料线胀系数与剩余单透镜的连线H
‑
L
e
的垂线距离值d1
s
，光学玻璃库的聚类中心到H
‑
L
e
的垂线距离值d2
s
；s＝1，2，3...k
×
(k
‑
1)/2；步骤四三、根据步骤四二获得的距离值，分别计算两组距离值的归一化值Rate1
s
和Rate2
s
，即：Rate1
s
＝1
‑
d1
s
/max(d1
s
)和Rate2
s
＝1
‑
d2
s
/max(d2
s
)；步骤四四、将步骤三计算的归一化值按镜筒材料分组进行加合运算，获得镜筒材料的综合权重；Weight
s
＝SUM(Rate1
s
+Rate2
s
)步骤五、采用与步骤四相同的方法，对单透镜L
ij
的消热差与消色差特性进行评价，获得最佳的一对组合玻璃；步骤六、将步骤五获得最佳的组合玻璃L
pq
替换原玻璃材料；采用光学设计软件重分配
光学系统的光焦度及光学系统的优化，获得无热化设计结果；具体过程为：步骤六一、根据所述最佳的组合玻璃L
pq
的无热图，计算组合玻璃L
pq
的热光焦和色光焦等效点L
pq
(ω
pq
，γ
pq
)与H
‑
L
e
线的垂直距离，并求出L
pq
(ω
pq
，γ
pq
)在H
‑
L
e
线上的投影点，以该投影点为圆心，L
pq
与H
‑
L
e
线的垂直距离为半径的圆周作为限定范围，对光学玻璃库中的材料进行筛选，在初次筛选的圆环范围内，再次形成随机组合玻璃，并计算各组的近似等效点；步骤六二、根据图形...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱杨，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：