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1、利用 ZEMAX 进行长波红外消热差系统设计2012/11/26 12:11:09 标签：ZEMAX 红外消热差系统 南京光研软件系统有限公司张泽佳通常，红外光学系统所处的使用环境都在常温常压下，未考虑温度变化等因素 对光学系统成像质 量的影响。然而对于特殊用途的红外光学系统而言，所处的 环境温度会有很大的变化。当温度改变时，由于光学材料与结构材料的热不稳 定性，当环境温度变化时， 光学元件的曲率、厚度和间隔将发生变化，同时元 件材料的折射率也发生改变，从而引起系统焦距变化，像面发生位移，导致系 统性能急剧下降，图像质量恶化。因 此，需要对该类系统进行消热差设计。本文利用 ZEMAX 光学设计
2、软件，设计了一个 4 片式长波红外折射消热差系统， 全部使用球面。该系统在-4060范围内，弥散斑均方根半径均小于像元大 小，成像质量接近衍射极限，达到系统要求。1 1 光学系统设计和结果光学系统设计和结果光学系统的消热差设计一般有以下几种方法： (1) 被动式机械补偿；(2) 被 动式光学补偿；(3) 主动式机械补偿。通过对 3 种方法的比较可知：光学被动 式补偿方法使得光学系统结构更为简单，重量更轻。随着衍射光学元件(DOE)的 出现，采用其与传统的折射系统混合进行消热差设 计，衍射元件的光热膨胀系 数始终为正，折射元件的光热膨胀系数有正有负，但是衍射元件的光热膨胀系 数的绝对值比折射元件
3、小很多，因此，可以通过正、负光焦 度的热差效应来实 现消热差设计。ZEMAX 作为业界领先的光学设计软件，内置了功能强大的光学系统初始结构寻 找功能，本文中的设计依靠 ZEMAX 所提供的各项功能完成了系统的设计要求。光学系统的设计参数如下：工作波段为 84 m，有效焦距 60 mm，F 为 1.4，系 统总长 91 mm，后工作距 9.56 mm，工作温度范围-4060。采用 4 片球面透 镜，材料分别为 Ge、KBR、KRS5、AGCl，镜筒采用铝铸铝，热膨胀系数为 H=23.610-6-1。该系统适用于像元尺寸为 25 m，像元数为 384288 的 现代非制冷型焦平面阵列探测器。1.1
4、 初始结构的寻找本设计中依靠 ZEMAX 所提供的全局搜索功能来进行系统的初始结构选择。从而 跳过了传统的系统初始结构计算和挑选过程，提供了光学系统初始结构选择的 新思路和方法。在长波红外波段常用的光学材料一般为 Ge、ZnS、ZnSe 等，初始选择 4 片式结 构，光阑位于中间，选用 Ge 和 ZnSe 作为初始结构，全部使用球面。利用 ZEMAX 的全局搜索功能，评价函数使用默认评价函数，在经过一段时间后 得到图 2 所示初始结构。1.2 消热差设计通过对完成的初始结构进行分析发现，虽然初始结构在标准状态下达到衍射极 限，但是随着温度的变化，均方根弥散斑半径变化非常大，需要进一步进行设 计
5、优化。在多重结构编辑器中建立多个多重结构。除温度和压强外，其它参数都使用热 跟随解来进行控制。重新调整评价函数，添加焦距，系统总长操作数，将镜片曲率、厚度设置为变 量。使用 ZEMAX 提供的局部优化工具，经过一段时间的优化，系统性能有所改 善， 但仍需进一步优化。在将玻璃材料设置为变量，并使用 ZEMAX 提供的锤形 优化工具后，经过一段时间的优化，最终达到设计要求。1.3 设计结果通过使用 ZEMAX 软件所提供的各项功能进行优化分析，最终得到设计结果。最 终结果满足设计要求。像质评价：图 5 和图 6 分别为系统均方根弥散斑尺寸大小和系统 20 lp/mm 处 MTF 随温度变 化曲线。均接近衍射极限。2 2 结论结论本文利用 ZEMAX 光学设计软件，设计了一个工作在 814 m 波段的简单实用的 4 片折射式消热差系统，整个系统的结构设计使该系统具有结构简单、体积小、 重量轻、成本低等优点，且大大提高了系统的成像质量，并实 现了在-40 60温度范围内的消热差设计，也较好的校正了色差。在此温度范围内，系统 在空间频率 15 lp/mm 和 20 lp/mm 处 MTF 值分别大于 0.66 和 0.56，接近衍射 极限。说明该系统适用于像元尺寸 25 m，像元数 384288 的现代非制冷型焦 平面阵列探测器，同时还适用于更高分辨率的探测器。
