光学系统的无热化设计旨在消除或减少温度变化对光学性能的影响，这对于红外光学系统尤为重要。温度变化会导致光学元件和机械结构的热膨胀或收缩，从而引起焦面漂移和成像质量下降。无热化技术通过合理选择材料和优化设计，使系统在不同温度下保持稳定的成像性能。
无热化方法主要分为主动无热化和被动无热化两大类。主动无热化通过外部机制实时补偿温度变化带来的影响，例如使用压电陶瓷或电机驱动的动态调整装置。而被动无热化则依赖于材料的热膨胀特性，通过精心选择光学和机械材料，使它们的热膨胀效应相互抵消，从而实现系统的无热化。
在实际设计中，被动无热化因其结构简单、成本较低而被广泛应用。本文将重点介绍被动无热化在红外光学系统中的应用，并通过具体案例展示如何在ZEMAX中实现这一目标。
光学系统的无热化主要分为主动无热化和被动无热化两大类，关于这两种不同的无热化具体区别和实现方式，之前的文章中已经给出，这里就不多赘述，今天主要分享的在使用ZEMAX进行红外光学系统无热化设计过程中的小技巧和注意点。我们使用一个简单的红外远摄物镜作为例子，完成-40℃-60℃的无热化优化。
光学系统所处的环境温度变化会影响系统的多个结构参数，这些参数大致分为两类，一类是光学系统结构参数，如空气间隔，光学材料折射率，镜片曲率半径，另一类是固定光学系统的机械结构会发生长度，体积变化。光学系统结构参数很显然会引起焦面的漂移，机械结构长度的膨胀与收缩也影响着像面位置，这一点在后文以光学系统为例给出更具体的展现。
光学被动式无热化依靠光学材料和机械材料热膨胀系数的组合来抵消对像面偏差的影响，因此首先要对热膨胀系数进行设置。光学材料的热膨胀系数由系统自带，不需要我们自行输入，在镜头编辑器中空气间隔的部分在实际中对应的是隔圈、垫片、镜筒等机械结构，显然这些部分是根据所使用的材料进行热膨胀系数的自定义。金属的热膨胀系数描述的是金属材料在温度变化时长度或体积变化的程度，常用的是线膨胀系数表示单位长度的金属在温度升高1K时的长度变化量，不同金属的热膨胀系数不同，热膨胀系数的大小由金属内部的键的强度和原子距离、晶格结构等决定，在这里也给出常用红外光学材料的热膨胀系数表。
假设我们使用铝合金作为机械材料，对应的热膨胀系数为23.6E-6，因此在对应的空气间隔部分热膨胀系数输入23.6，注意ZEMAX自带E-6的单位（不同软件这里的单位是不同的，比如CODEV），因此我们只需要输入数字部分即可。
在ZEMAX中使用多重结构编辑器来进行多个温度组态的优化分析，可以通过设置——热分析，直接创建。输入想要的结构数目和温度范围，建议从2-3个结构开始，结构数过多会影响计算效率，建议取消按表面分类的勾选，这样多重结构编辑器中将按照操作数分类排布，方便进行后续的修改和调整。
与20℃相比，-40℃和60℃时的MTF发生了明显的下降。这是使用铝合金作为机械结构的MTF结果，如果替换为钛合金，输入TCE值为9.5，下方两个图给出了相应的MTF结果，显然在本文演示的案例中，使用钛合金的MTF下降程度要轻于铝合金。
接下来要对系统进行进一步的优化，此时多重结构编辑器已经成为我们新的镜头数据编辑器，此时若还在镜头数据编辑器中修改空气间隔等参数，ZEMAX会给出相应报错。如果想要修改曲率半径或者将其设置为变量，对应于多重结构编辑器中的CRVT操作数，根据每个面的编号即可找到对应的曲率半径，同理厚度和间隔对应THIC操作数，如果使用了非球面等特殊面型，可以在多重结构编辑器找到PRAM操作数，可以使用它调整非球面的高次项系数。
在完成变量设置之后，对评价函数也需要进行进一步的修改，在优化向导中有一个结构选项，可以选择想要添加约束的结构，由于在多重结构编辑器中要求曲率半径和厚度参数均热拾取结构1，因此我也可以将空气玻璃约束仅添加于结构1上，其他结构只进行像差约束。
在完成设置之后，进行局部优化，优化之后MTF有了一定的提升，但依旧无法到达衍射限要求，很多人都能想到这时候可能需要通过替换玻璃材料来进一步提高成像质量，在材料替换过程中有时材料的范围是被限定的，只能从有限的材料中选择，但是已有的玻璃库一般包含生产商提供的所有材料。此时，可以采取新建材料库的方式，通过创建一个新的玻璃库，在其中只放置可以选择的材料，通过使用这样的库来进行材料替换，便可以保证所有材料均是可以选用的。当然在材料替换时，依旧有一些材料是不被希望参与透镜的组成，比如蓝宝石，此时可以勾选排除替代，就可以保证优化时，该材料不会被透镜使用。
在进行材料替换后，可以看到系统的MTF在-40℃—60℃基本接近衍射极限。
通过本文的介绍，我们深入了解了红外光学系统无热化设计的核心概念和实用技巧。在ZEMAX中，利用多重结构编辑器和热分析工具，我们可以精确地模拟和优化光学系统在不同温度下的性能。被动无热化设计通过合理选择光学和机械材料，使它们的热膨胀效应相互抵消，从而实现系统的无热化。实际案例表明，使用钛合金等低热膨胀系数材料可以显著提高系统的热稳定性，优化后的MTF曲线接近衍射极限，证明了设计的有效性。
在光学设计中，无热化设计是一个复杂但至关重要的环节。它不仅需要对光学和机械材料的热特性有深入的了解，还需要熟练掌握光学设计软件的使用。希望本文的分享能够帮助读者在红外光学系统的设计中更好地应对温度变化带来的挑战，提升系统的整体性能和可靠性。