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Zemax光学设计实例（152）---用ZEMAX模拟热效应

2022-2-14 17:17| 发布者：Davis| 查看：2919| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article introduces three optical design simulations using Zemax software to analyze and optimize thermal effects on different optical components, including a flat window, a Cooke triplet, and a close-bonded doublet lens. By adjusting parameters based

引言：

ZEMAX的温度建模能力可以模拟出温度变化而引起的折射率变化，以及元件的热膨胀（或收缩）。

设计仿真1：模拟平板光学窗口的热效应

模拟一个简单的平板光学窗口，平板不影响成像质量。在初始的温度下，光学窗口的厚度和半口径均为100mm，间距为200mm，玻璃材料选BK7。

假设温度从20℃升到500℃，模拟窗口大小的变化。

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并输入“100”；

在视场设定对话框中设置1个视场，要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，输入0.550um一个波长，如下图：

初始的LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

两个平板玻璃之间空气的热膨胀系数（TCE）为23ppm。ZEMAX假设空气间隔是无穷薄圆柱形外壳。空气间沿Z轴和XY面方向同时膨胀。

在这个例子中，两个玻璃都为平板，故空气间隔的径向膨胀对结果没有影响。

玻璃的TCE数值可以在玻璃库中找到。

为了模拟热效应，需要在MCE中指定受温度变化的参数，然后，使用Pick up Solve缩放这些参数。

MCE设置如下：

所有受温度影响的参数都列在了MCE中了。Config 1是20℃的，Config2是500℃的。

对Config 2中所有参数使用Thermal Pickup Solve，跟随Config 1。

这样设置意味着Config 2中所有参数的值都是通过ZEMAX内置的温度比例计算的。

在Environment中勾选“Adjust Index Data To Environment”。

操作后，查看MCE：

此时，Config 2中的值就自动更改了。

对比查看2个Config的3D Layout：

Z轴变化比较明显，TTL从550mm变为了552.89mm。

设计仿真2：模拟柯克三片式的热效应

打开ZEMAX自带的“Cooke 40 degree field.zmx”。

先移除第6面的M解。

在Environment中勾选“Adjust Index Data To Environment”。

打开MCE，点击“Make Thermal”按钮：

在“Make Thermal”对话框中设置如下：

设置后，除了初始的20℃，又增加了-20℃和60℃，总共有三个Config，如下图：

通过切换不同的Config，就可以分析在不同温度时，各个结构参数的变化了。

设计仿真3：以密接双胶合透镜为例设计消热差系统

利用温度模型来设计密接双胶合透镜的消热差系统，以此使20℃和100℃之间的波面误差RMS最小。

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并输入“25”；

在视场设定对话框中设置1个视场，要选择“Angle”，如下图：

在Environment中勾选“Adjust Index Data To Environment”。

LDE参数，如下图：

使用“Make Thermal”的方法插入操作数：

查看20℃和100℃时的OPD，如下图：

两者的差异还是很明显的。

可以通过材料的锤形优化来实现消热差。

打开MFE，设置优化所需的操作数。我们希望优化后两种材料的TCE差值小于1ppm，同时EFL不变。

设置如下：

可以多选几个玻璃库，如下图：

在LDE中，将两个材料标为“S”。

（注意：锤形优化前要删掉多重结构。优化完成后再添加回来。）

开始锤形优化。

优化后的LDE，如下图：

查看优化后的OPD：

优化后，两个Config的OPD几乎一样了。

作者有话说：《简单的衍射光学元件的设计参考》中，8阶相位光栅的设计的MATLAB程序有误，只需要把其中g改为=8即可。

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