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宽谱段红外消热差光学系统设计（ZEMAX版）

2021-12-15 09:45| 发布者：Davis| 查看：756| 评论：0|原作者: 静水流深光学

摘要：本文介绍了采用ZEMAX软件进行宽谱段红外消热差光学系统设计的过程，该系统采用非制冷探测器实现100%冷光阑效应，利用钛合金机械结构消除热差。文章详细描述了初始结构、优化设计和热分析等步骤，并附上了相关参数与优化结果。

宽谱段红外消热差光学系统设计

静水流深光学这边多次邀请我这边给他们公众号写篇帖子，做学生的时候在这里学习了不少，工作后也帮助了不少，所以不好推辞。另，毕业后从事的设计不方便写帖子，只好在网路上找了一篇论文，搞了搞ZEMAX复现，没有了解透彻论文精华之一二。当然论文作者对于该帖不满，可以直接联系静水流深光学他们进行删除。纯粹学术交流，光学设计能力有限，文中误点，还请多多交流，谢谢。

复现的论文是长春理工大学的付跃刚，黄蕴涵，刘智颖在中文核心期刊应用光学上的一篇论文《宽谱段红外消热差光学系统设计》。帖子复现的只是其中的一部分，论文中的精髓也没有去研究透彻，毕竟这些长春理工大学和这些老师也都是我们光学的大牛。另，大家有想法研究的，也可以去下载论文，或者联系我微信Latitude，或者直接找静水流深光学，我也给他们发一份论文和我设计文件。

1、光学系统参数

论文的几个创新点基本上就是题目中说的，谱段宽，由4.4um到8.8um中长波红外都有涉及，也是由于谱段宽，在传统三片式上加入一片，采用了四片透镜来设计，避免了采用非球面透镜，易于加工。另外就是本身光学系统和钛合金机械结构组合进行了消热差，光学镜头不需要进行制冷控温，探测器采用非制冷探测器，实现了100%冷光阑效应，当然也是因为这，其F数偏大，像差校正也并不是很难。通过论文对该系统参数进行了相应的统计，如下表所示：

文中采用的是探测器是法国Sofradir的面阵探测器，今年上半年法国Sofradir公司与Ulis公司合并成了Lynred，大家查询的时候注意这点就可以，我这上面探测器参数有的是论文中的，有的是反推的。至于被动消热差原理，冷光阑效应这些，属于基本知识，这里就不详述了，可以对应查看论文，这里只是讲解下这个论文的光学设计。

2、初始结构

对于工程设计中，初始结构的选择争议很大，有的是必须通过计算得到，有的是光焦度分配，有的还要PW法计算，当然各有各的用处，各有各的适应环境，对于红外而言，现在软件自动设计是完全能解决的，对于我这样的光学小白，没什么问题。按照论文中的公式可以计算得到各片镜子的光焦度，我们这里给出初始结构：

如果大家在按照我这个初始结构进行设计，可能设计中可能遇到的几个问题，与可见光设计的区别，这里给大家说明下：

第一，冷光阑效应。制冷探测器中有冷阑，这个是一个实光阑，我们在设计中通常是将STOP与其重合，以实现100%冷光阑，抑制杂光。可以从上面的截图可以看出。另外，系统的F数要与非制冷探测器冷阑匹配，这点需要注意。

第二，设计的STOP要与冷阑重合，要求光阑像差较小或者说为0，这时候在ZEMAX中设计需要打开光线瞄准，自动实现该目的。

第三，软件设计控制上，选择光瞳类型为入瞳直径，然后根据上面的F数与焦距进行直接计算，183/2.68=68.28358mm，然后利用操作数控制STOP的口径与冷阑大小一致即可。其余视场与波段设置没有什么特殊而言。

3、初步优化设计

接下来就是优化了，这个就没啥可说的，基本上就是看看光扇图，赛德尔像差分布图，红外的设计还是相对简单，主要控制了几点，焦距EFFL，冷阑尺寸REAY，系统筒长TOTR，OPLT，另外控制透镜厚度MNCG，MXCG，MNEG，还有空气间隔MNCA，MXCA，MNEA，需要注意的是：（1）不要直接采用default中的空气间隔控制，分别对不同区域的间隔进行控制；（2）探测器中的一些参数厚度与间隔不能作为变量优化。

这里采用的是高版本中对比度优化，直接设置在20lp/mm处的MTF评价，此时没有必要把像质优化最佳，毕竟后面还需要消热差。优化结果如下所示：

4、消热差

接下来则是采用ZEMAX软件多重结构中的热分析功能，进行镜头-40℃到60℃的消热差分析。具体步骤设置应该比较简单，这里就不过多进行讲解的，需要注意的是三点：（1）需要考虑镜片隔圈的热膨胀系数，这里采用的钛合金作为隔圈，这里用8.6，对应的就是ZEMAX中的TEC值；（2）在系统环境设置中，勾选折射率数据与环境匹配，不同温度下，折射率会跟着相应变化。（3）不同温度下，需要把口径的操作数移除，因为有可能会有切光，高版本对应的机械口径也要移除。另外有个小技巧，在设置热分析多重结构的时候，不要按照表面排序，不然比较麻烦。

在进行了这些步骤之后，可以直接优化就可以了。由于在常温常压已经将初始结构优化的差不多了，所以在进行消热差优化时，基本上很好优化的。在优化过程中，传递函数分散也可以采用MTFA，MTFT，MTFS进行传递函数相应的调整，这些操作数可以将采样率调低些，不用太精准，这样会提高优化速率。论文中，可能是对于不同波段，采用了不同探测器，或者针对不同波段进行分析，具体原因不详，分析了不同波段下的传递函数分布。因为截止频率与波段也有一定关系，波长短，截止频率高，所以论文中有的传函高，有的低。这里我就没有去细分了，直接将所有波段一起优化，所有视场传递函数均在0.5@20lp/mm。论文中还分析了畸变，也截图了一个结构的畸变，也没去管，后期有兴趣的朋友可以继续优化优化。