什么是无热化设计

不管是单反相机还是工业相机，都要通过光学系统，才能对外界的物体成像。

但是随着环境温度的变化，镜片会因折射率变化等因素改变其折光能力、结构件热胀冷缩改变光学系统整体长度，最终导致在高温&低温环境下，光学系统的成像性能降低。

因此在进行光学设计时，为了保证光学系统不同温度下具有较高成像性能的适应性设计，就被称为无热化设计。

有哪些无热化设计方法

光学材料匹配

对光学系统中光学材料的精确选取、匹配，达到无热化的目的。

镜组补偿

在光学系统中设计对无热化专门或兼职的补偿镜组，通过移动补偿镜组的方式达成无热化。

结构件匹配

采用特殊的结构、适当的结构件材料等无热化方法。

本文主要讲哪些内容

本文主要讲解可见光材料匹配实现无热化设计的方法。

同时也仅是一个概述，没有例子，也不使用具体的软件仿真。

下面开始正题。

光学材料匹配的无热化设计概论

假设我们已经得到一个光学镜头的设计结果，其在20℃时具有较好的成像质量。

甲方要求工作温度为-40℃至+50℃。在高低温时本镜头的性能比较差。

因此我们选择用光学材料匹配在优化高低温性能。

原理

光学玻璃、光学塑料等材料有一个特性叫折射率。

折射率越高的材料，光线穿过它时，弯折越厉害。

材料的折射率不是固定不变的，而是随着温度的改变，折射率也会相应的改变。这个特性有一个专门的术语来形容，叫做dn/dt。

利用光学材料的这个性质，可以选择在常温下折射率相近、而dn/dt不同的光学材料对现有光学系统中的材料进行替换，以提升高低温环境下的性能。

原则

1. 尽量选择dn/dt接近于零的材料
2. 尽量选择dn/dt在全范围内变化平稳的材料
3. 尽量选择常用材料

实施

举个例子，现在镜头中含有一片LAF系的镜片。我们的实施步骤大致如下。

1. 在LAF系的材料中找一个折射率相近、dn/dt不同的材料，换入系统中，重新仿真优化。

2. 优化完成后查看高低温情况，如果性能反而下降，则选取与初始材料另一个方向的dn/dt的LAF系材料，重新代入仿真优化。

3. 如果LAF系所有材料都不能满足要求，选取非LAF系的材料，但是尽量保证常温折射率相近。
4. 如果替换一片镜片还不能完全达到无热化，就按照相同的方式，继续替换剩下的镜片。
5. 通常来讲凸透镜与凸透镜的高低温特性相同，凹透镜与凹透镜的特性相同。因此在实施时，可以按相同的dn/dt规律替换所有的凸透镜/凹透镜。

反复迭代你的设计结果，最终达到理想的指标。

总结

以上便是我在实际光学设计中总结出来的经验。

关键点在于要找到常温折射率相同、dn/dt值不同的替代材料。

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