Zemax光学设计二次成像

二次成像光学系统优化展开，结合长波红外系统设计案例，核心内容如下：

一、二次成像系统的特点与优化目标

• 结构特性：前组承担主要光焦度，后组放大倍率接近1，光焦度分配较少。一次像面（中间像面）可设置视场光阑，用于抑制杂散光（尤其在长波红外系统中至关重要）。

• 优化核心：平衡一次像面与二次像面的成像质量。一次像面质量影响光阑效果，但无需过度优化；二次像面需满足最终成像需求。通过光学设计软件分像面设置评价函数，实现差异化优化。

二、ZEMAX中优化中间像面的关键步骤

1. 初始结构搭建

• 设定入瞳直径（如50mm）、光阑位置及透镜间距等参数（案例中光阑位于第2面，厚度10mm）。

• 材料选择需匹配光谱范围（如红外系统常用锗、硅等材料）。

2. 评价函数设计（IMSF操作数的应用）

• 分像面定义：通过 IMSF操作数 分隔不同像面的评价函数。例如：

• 先插入 IMSF 3 定义一次像面（表面3）的评价函数起始，随后添加优化参数（如RMS光斑半径DMFS）。

• 再插入 IMSF 6 定义二次像面（表面6）的评价函数，继续添加对应优化参数。

• 差异化权重：根据需求为不同像面设置优化优先级，如一次像面权重较低（仅需满足光阑效果），二次像面权重较高（聚焦最终成像质量）。

3. 变量设置与像差校正

• 将透镜曲率半径设为变量，通过ZEMAX自动优化算法调整面形。

• 引入非球面或二次曲面系数（Conic），校正球面像差等高阶像差（案例中通过非球面设计改善球差累积问题）。

三、杂散光控制与工程实践

• 光学与机械协同：

• 一次像面加装视场光阑，阻挡轴外杂散光。

• 确保出瞳与探测器冷窗重合（红外系统中减少背景辐射的关键措施）。

• 多重结构优化：若分像面优化难度大，可采用多重结构（Multiple Configurations），针对不同像面独立设置优化目标。

• 结果验证：通过点列图对比不同像面的光斑分布，评估像差校正效果（案例中二次像面光斑因前组像差累积略大于一次像面，需平衡整体性能）。

四、总结

二次成像系统优化需聚焦光焦度分配、分像面评价函数设计及杂散光抑制。利用ZEMAX的IMSF操作数实现多像面独立优化，结合非球面设计与机械光阑，可有效提升成像质量与杂散光抑制能力，尤其适用于红外等高灵敏度场景。设计中需避免过度追求中间像面精度，以整体性能与工程成本为导向，灵活调整优化策略。