ZEMAX光学设计实例一个红外光学系统的设计参考

典型的红外光学系统通常要求在-40℃~+60℃之间具有稳定可靠的光学性能。而红外光学系统的成像质量受温度变化影响较大。

具体来讲，温度变化对红外光学系统成像质量的影响主要表现在：

1)温度变化引起红外光学材料与介质折射率的变；

2)温度变化引起光学元件曲率半径和中心厚度的变化；

3)温度变化引起光学系统中机械材料伸缩带来的光学元件间隔的变化。

上述变化会导致最佳像面偏离，造成成像质量显著下降，图像模糊不清，对比度下降。

由于红外光学材料的折射率温度系数dn/dT通常远大于可见光光学材料，因此，环境温度对红外光学系统的像质影响更加明显。如何在各种环境条件下保持红外光学系统的成像质量与稳定性成为亟待解决的重要问题。

另外，制冷型探测器的像元尺寸通常较小，这就使得相比于与非制冷型探测器匹配的红外光学系统而言，与制冷型探测器匹配的红外光学系统的衍射限更难达到，温度变化带来的像质下降更加明显且更难补偿。

而且，红外光学材料种类受限，材料的尺寸也严重受限。对于采用制冷型探测器的红外光学系统来说，为了实现100%冷光阑匹配，需要将光学系统的出瞳与探测器杜瓦结构内的冷光阑进行精确匹配。如果是一次成像光学系统，则其入瞳位置无法控制，通常会造成第一片镜片口径过大，无法找到合适材料进行加工的情况。

为此，光学系统可采用的是二次成像的结构型式，在控制出瞳位于制冷型探测器的冷光阑处的同时，控制入瞳位置在第一片镜片之前，使得镜片尺寸可控。

本实例参考专利CN104749773A。

设计要求：

本实例中用一个七片折射式的-60℃一+80℃红外超宽温消热差光学系统，用于制冷型红外探测器。该系统冷光阑效率100%，可以较好地抑制杂散光。

该系统基于光学系统被动式无热化理论计算初始结构，克服了红外光学材料种类有限的不利因素，通过巧妙搭配红外光学材料，实现了宽温度范围消热差的设计目标。

采用光学被动式无热化理论设计光学系统时，需要同时考虑机械结构的材料热胀冷缩对系统像质的影响。在所述红外长波超宽温度消热差光机系统中，其各透镜之间的机械间隔隔圈材料为钛合金材料。它的线膨胀系数为8.8*10-6/mm，相对于铝材料而言，钛合金的线膨胀系数相对较小，同时相对于殷钢等材料而言，钛合金的密度小，质量相对较轻。

设计流程：

1）前组透镜的设计与优化

由三片式透镜组成的前组透镜将无限远处的平行光会聚在中间像面处，光阑位于前组透镜的第1个透镜之前。

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Paraxial Working F/#”，并根据设计要求输入“2”；

在视场设定对话框中选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，设置8um、10um和12um三个波长，如下图：

按照专利给出的数据，在LDE中输入前组的初始结构，如下图：

在MFE中，设置默认的评价函数，并添加EFFL操作数控制焦距为100mm，将第4面和第6面的厚度设置为变量，先优化，再进行Hammer优化。

优化后的LDE如下图：

查看此时的2D Layout，如下图：

2）后组透镜的设计与优化

由四片式透镜组成的后组透镜组成中继成像系统，将中间像面处的有限共轭物点再次成像到探测器的焦平面上。

在前组的设计文档中，使用RANG操作数查看光线与像面的夹角（弧度值）；并使用REAY操作数查看3个视场在像面的像高。

在孔径类型中选择“Object Space NA”，并根据设计要求输入“0.25”（=nsinθ）；

在视场设定对话框中选择“Object Height”，如下图：

在波长设定对话框中，设置8um、10um和12um三个波长，如下图：

 按照专利给出的数据，在LDE中输入前组的初始结构，如下图：  

在MFE中，设置默认的评价函数，并添加EFFL操作数控制焦距为10mm，分别多次将不同面的曲率半径和厚度设置为变量，多次尝试优化和Hammer优化。  

优化后的LDE，如下图：  

查看此时的2DLayout，如下图：  

 

3）前组与后组的拼接  

在系统通用对话框中设置孔径。  

在孔径类型中选择“ParaxialWorkingF/#”，并根据设计要求输入“2”；  

 

在视场设定对话框中选择“Angle”，如下图：  

  

在波长设定对话框中，设置8um、10um和12um三个波长，如下图：  

前后组拼接后的LDE如下图：  

前后组拼接后的2DLayout，如下图：  

可以将前后组的厚度设置为变量，再进行下Hammer优化，此时的LDE如下图：  

再次查看2DLayout：  

 

查看点列图：  

查看MTF：  

以上只是一个二次成像的红外光学系统设计的简单参考。  

需要注意的是，在实际的红外光学系统需要根据性能和成本来选择红外材料，需要考虑材料的温度匹配来消热差，需要考虑光学系统的出瞳与冷光阑的精确匹配，需要考虑冷反射的情况，需要考虑装配公差等等。

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