如何用zemax进行中红外波段折反式系统无热化设计？

千秋月

在学习红外无热化设计的过程中，我遇到了一些问题，想请教一下各位大佬。下面先描述我的设计思路和步骤（以一个简单的折反系统为例，这个系统没有考虑实际情况，只是单纯的用来验证能否实现消热差）：
系统参数：口径：80mm；
                波段：3.5um-4.5um；
                视场：0.02°；
                系统F数：2；
                反射部分F数：2.5（反射部分我是分开设计的）；
                系统焦距：160mm；
设计思路及步骤：（1）先设计出反射部分结构，然后计算出二次成像系统的总光焦度；
                          （2）反射部分采用同一种材料的话理论上无热差，因此只需要考虑二次成像系统的消热差即可。通过T-W图选择出理论上可以消热差的材料，这里因为系统口径小，所以选择了cooke三片式的结构（尽量减少透镜数量），玻璃材料依次为Si、Ge、ZnSe，然后利用消热差常用的的那三个公式计算出三片透镜的光焦度；
                          （3）利用计算出的光焦度先设计出20℃时的系统；
                          （4）建立多重结构，温度分别为-40℃、20℃、60℃，此时会发现-40℃和60℃的在截止频率16.7lm/mm处MTF曲线会变差，需要进行无热化设计优化；
                          （5）在优化函数中加入conf操作数，分别代表三种多重结构，在-40℃和60℃的结构中加入MTFA操作数，直接优化MTF（这里我只将二次成像系统的参数设置成了变量，反射部分不进行优化，同时玻璃材料也不变）。

问题：1.我的问题主要是在第（5）步，经过验证我发现，直接优化MTF的话效果不是很明显，结果大概会与衍射极限差0.05左右，并且点列图会变差，所以我感觉我的优化思路有问题，想请教下各位大佬，用zemax来消热差时，是直接优化MTF还是采用其他的优化思路或者方法？（见图1、2、3、4、5）
         2.除此之外，三种温度下，MTF曲线的变化还是比较明显的，20℃时曲线接近衍射极限，而-40℃和60℃情况下，MTF曲线会下降0.05左右，而我在看其他论文时，发现他们的系统在不同温度下的MTF曲线变化不大（在专利中倒是有很多系统的MTF在不同温度下变化比较明显），所以一个成功的消热差系统中MTF曲线在不同温度下应该保持近似不变吗？（见图6）
        因为我现在所能查到的红外消热差系统的相关论文和专利等大多都只是写了理论上的知识然后就直接摆出结果了，实际的设计操作几乎很难查得到，所以恳请各位大佬不吝赐教，帮我看下我的设计哪里有问题吧（也有可能我的二次成像部分初始结构算的有问题）。
图1.系统的光路结构

图2.20℃的MTF曲线

图3.-40℃的MTF曲线

图4.60℃的MTF曲线

图5.20℃点列图（点列图变得很散，有切光是因为我忘了删sdia操作数，另外两个温度下点列图也比较散，但弥散斑基本小于艾里斑）

图6.其他论文中消热差差系统的MTF曲线（最低值基本上都为0.55）

jayxing

说下我的建议：
1、你的描述和图看上去很乱，建议图和文字相结合；
2、消热差你用的三种材料应该是没有问题的，建议加上一些非球面优化；
3、只要各个温度点成像质量（弥散斑、MTF、畸变、相对照度等）满足设计要求，消热差设计就完成了
4、从弥散斑上看，你的光线有地方被挡掉了，请检查下模型

千秋月

jayxing 发表于 2020-4-10 14:04
说下我的建议：
1、你的描述和图看上去很乱，建议图和文字相结合；
2、消热差你用的三种材料应该是没有问 ...

一下子说的太多是有点乱。。就从这个MTF和点列图来看的话（系统没有什么特殊要求，只是来验证能不能消热差的），这个系统算是优化好了吗？（弥散斑虽然在艾里斑半径里面，但是有点散；有遮光是我忘了删多重结构里面的sdiv操作数）

jayxing

千秋月 发表于 2020-4-10 16:03
一下子说的太多是有点乱。。就从这个MTF和点列图来看的话（系统没有什么特殊要求，只是来验证能不能消热 ...

这三种材料我之前跑过仿真，消热差效果还是很不错的，建议你再看下畸变和MTF随离焦图

lyloptics

这个是中红外系统，冷反射还需要进行评估

opt_lw

添加衍射面优化试试，会有不错的优化效果

cc1234

jayxing 发表于 2020-4-10 20:29
这三种材料我之前跑过仿真，消热差效果还是很不错的，建议你再看下畸变和MTF随离焦图

你好，请教一下，在无热化设计时，需要控制每个温度组态下系统的总长一定吗？因为考虑到材料在不同温度下热胀冷缩，总长会发生一些变化。

wsm19920728

楼主，我想请教一下，设计完二次成像部分，跟反射部分匹配时有什么要注意的地方吗