在ZEMAX中进行光学设计时，通常默认光学系统是在一个标准大气压和20℃下进行工作的，但是对于某些特殊的光学系统来说，工作温度变化较大，此时因为温度的变化引起光学透镜或机械结构的膨胀或收缩会导致系统成像质量下降，因此在设计的过程中需要考虑到系统工作环境变化对整个系统成像质量的影响，并在设计过程中克服这种影响。

 

衍射光学元件是一类特殊的光学元件，它能够有效的消除热差和色差等。图1为衍射光栅示意图。在ZEMAX中，不考虑光栅是否为闪耀光栅，因此光线的衍射效率为100%。对于衍射光栅，Snell定律如式（1）：

 

 

其中，M为衍射级次，λ为波长，d为条纹间距，T为光栅周期。

 

在ZEMAX中，常用的衍射面有菲涅尔面，二元面等。本文主要介绍使用二元面Binary2进行消热差分析。在ZEMAX中，Binary2的表达公式为偶次非球面公式加上一个相位项，偶次非球面公式为式（2），相位公式为式（3），Binary2公式为式（4）：

 

对于一个已设计好的红外光学系统，如图2，各个视场的光斑均已达到衍射极限。

 

 

现在要求系统的工作环境为-40~60℃。首先我们在Setup菜单下选择MakeThermal，将工作环境设置为-40~60℃，共分为两个结构，如图3。

 

 

点击OK后，多重结构中共出现了3个结构，分别是20℃，-40℃和60℃，如图4。多重结构中23-46行为控制系统口径的操作数，在热分析的过程中需要进行优化，系统口径可能会发生变化，因此需要删除23-46行的操作数，并且在镜头数据编辑器中解除对口径的控制。

 

 

在镜头数据编辑器中的空气间隔中输入镜筒材料的热膨胀系数，因为温度变化引起的热胀冷缩会导致系统空气间隔的变化，在本文中认为镜筒材料为铝，如图5。

 

 

设置完成之后查看各温度下的点列图，如图6。

 

 

在多重结构中设置变量并进行优化，如图7。

 

 

优化一段时间后发现系统成像质量没有明显提升，此时，在系统中将表面5设置为Binary2面型，并把MaximumTerm#设置为2，把NormRadius设置与该表面半口径相同，并在多重结构中设置变量，并进行优化，如图8。

 

 

设置完成之后对系统进行优化，优化之后发现光斑和MTF有了明显的提升，成像质量有了显著改善，优化之后各温度下的光斑和MTF如图9。

 

 

 

当系统优化满足使用需求后，可以通过ZEMAX自带的宏phases.ZPL对衍射环的环数和半径进行计算，从而实现加工生产。