利用ZEMAX进行长波红外消热差系统设计

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-40℃~60℃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 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8~4 µm，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-40℃~60℃。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

αH=23.6×10-6℃-1。该系统适用于像元尺寸为25 µm，像元数为384×288的现代非制冷型焦平面阵列探测器。

1.1 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 结论

本文利用ZEMAX光学设计软件，设计了一个工作在8~14 µm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 µm，像元数384×288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。