基于利用ZEMAX進行長波紅外消熱差系統(tǒng)設(shè)計

1、利用zemax進行長波紅外消熱差系統(tǒng)設(shè)計2012/11/26 12:11:09 標(biāo)簽：zemax 紅外消熱差系統(tǒng) 南京光研軟件系統(tǒng)有限公司張澤佳通常，紅外光學(xué)系統(tǒng)所處的使用環(huán)境都在常溫常壓下，未考慮溫度變化等因素對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì) 量的影響。然而對于特殊用途的紅外光學(xué)系統(tǒng)而言，所處的環(huán)境溫度會有很大的變化。當(dāng)溫度改變時，由于光學(xué)材料與結(jié)構(gòu)材料的熱不穩(wěn)定性，當(dāng)環(huán)境溫度變化時， 光學(xué)元件的曲率、厚度和間隔將發(fā)生變化，同時元件材料的折射率也發(fā)生改變，從而引起系統(tǒng)焦距變化，像面發(fā)生位移，導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降，圖像質(zhì)量惡化。因 此，需要對該類系統(tǒng)進行消熱差設(shè)計。本文利用zemax光學(xué)設(shè)計軟件，設(shè)

2、計了一個4片式長波紅外折射消熱差系統(tǒng)，全部使用球面。該系統(tǒng)在-4060范圍內(nèi)，彌散斑均方根半徑均小于像元大小，成像質(zhì)量接近衍射極限，達到系統(tǒng)要求。1  光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和結(jié)果光學(xué)系統(tǒng)的消熱差設(shè)計一般有以下幾種方法：   (1) 被動式機械補償；(2) 被動式光學(xué)補償；(3) 主動式機械補償。通過對3 種方法的比較可知：光學(xué)被動式補償方法使得光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單，重量更輕。隨著衍射光學(xué)元件(doe)的出現(xiàn)，采用其與傳統(tǒng)的折射系統(tǒng)混合進行消熱差設(shè) 計，衍射元件的光熱膨脹系數(shù)始終為正，折射元件的光熱膨脹系數(shù)有正有負(fù)，但是衍射元件的光熱膨脹系數(shù)的絕對值比折射元件小很多，因此，

3、可以通過正、負(fù)光焦 度的熱差效應(yīng)來實現(xiàn)消熱差設(shè)計。zemax作為業(yè)界領(lǐng)先的光學(xué)設(shè)計軟件，內(nèi)置了功能強大的光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)尋找功能，本文中的設(shè)計依靠zemax所提供的各項功能完成了系統(tǒng)的設(shè)計要求。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如下：工作波段為84 µm，有效焦距60 mm，f為1.4，系統(tǒng)總長91 mm，后工作距9.56 mm，工作溫度范圍-4060。采用4片球面透鏡，材料分別為ge、kbr、krs5、agcl，鏡筒采用鋁鑄鋁，熱膨脹系數(shù)為 h=23.6×10-6-1。該系統(tǒng)適用于像元尺寸為25 µm，像元數(shù)為384×288的現(xiàn)代非制冷型焦平面陣列探測器。1.1 初始

4、結(jié)構(gòu)的尋找本設(shè)計中依靠zemax所提供的全局搜索功能來進行系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)選擇。從而跳過了傳統(tǒng)的系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)計算和挑選過程，提供了光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)選擇的新思路和方法。在長波紅外波段常用的光學(xué)材料一般為ge、zns、znse等，初始選擇4片式結(jié)構(gòu)，光闌位于中間，選用ge和znse作為初始結(jié)構(gòu)，全部使用球面。利用zemax的全局搜索功能，評價函數(shù)使用默認(rèn)評價函數(shù)，在經(jīng)過一段時間后得到圖2所示初始結(jié)構(gòu)。1.2  消熱差設(shè)計通過對完成的初始結(jié)構(gòu)進行分析發(fā)現(xiàn)，雖然初始結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下達到衍射極限，但是隨著溫度的變化，均方根彌散斑半徑變化非常大，需要進一步進行設(shè)計優(yōu)化。在多重結(jié)構(gòu)編輯器中建立多個多

5、重結(jié)構(gòu)。除溫度和壓強外，其它參數(shù)都使用熱跟隨解來進行控制。重新調(diào)整評價函數(shù)，添加焦距，系統(tǒng)總長操作數(shù)，將鏡片曲率、厚度設(shè)置為變量。使用zemax提供的局部優(yōu)化工具，經(jīng)過一段時間的優(yōu)化，系統(tǒng)性能有所改善， 但仍需進一步優(yōu)化。在將玻璃材料設(shè)置為變量，并使用zemax提供的錘形優(yōu)化工具后，經(jīng)過一段時間的優(yōu)化，最終達到設(shè)計要求。1.3 設(shè)計結(jié)果通過使用zemax軟件所提供的各項功能進行優(yōu)化分析，最終得到設(shè)計結(jié)果。最終結(jié)果滿足設(shè)計要求。像質(zhì)評價：圖5和圖6分別為系統(tǒng)均方根彌散斑尺寸大小和系統(tǒng)20 lp/mm處mtf隨溫度變化曲線。均接近衍射極限。2  結(jié)論本文利用zemax光學(xué)設(shè)計軟件，設(shè)計了一個工作在814 µm波段的簡單實用的4片折射式消熱差系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計使該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，且大大提高了系統(tǒng)的成像質(zhì)量，并實 現(xiàn)了在-4060溫度范圍內(nèi)的消熱差設(shè)計，也較好的校正了色差。在此溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)在空間頻率15 lp/mm和20 lp/mm 處mtf值分別大于