GODAS软件实现中波红外镜头无热化设计与冷反射分析

在无人机巡检、边境监控、工业检测等复杂环境应用中，红外热成像系统常常面临剧烈温度变化的挑战。温度波动会导致光学系统产生像面离焦，严重影响成像质量。

中国科学院长春光机所研发团队利用GODAS通用光学系列软件，成功完成了一款二次成像中波红外镜头的无热化设计与冷反射分析，实现了在-40°C至60°C宽温度范围内的稳定成像性能。（本文为简单介绍，需要查看完整文档或领取案例文件请联系我们，电话：18327316800。）

中波红外系统工作于3~5μm大气窗口，具有目标热辐射强、抗烟雾干扰能力好等特点，广泛应用于军事、安防、工业检测等领域。

与传统可见光系统不同，红外镜头设计除基础像质优化外，还需攻克四大核心难题：红外材料选择、冷屏匹配、杂散热辐射抑制以及环境温度变化带来的焦面漂移。

温度变化引起的像面离焦主要来自两方面：透镜材料折射率变化（热光系数）和镜筒材料的热胀冷缩。无热化设计的基本原理是通过合理分配不同透镜的光焦度与材料特性，使各透镜及镜筒产生的像面离焦相互补偿，从而在温度变化时保持像面位置稳定。

该红外系统采用640×512制冷型焦平面阵列探测器，像元尺寸15μm×15μm。系统采用二次成像结构，由物镜组和中继镜组组成，这种结构能有效压缩系统总长、优化出瞳位置，并便于实现与制冷探测器冷光阑的匹配。

根据设计指标，系统焦距f=-352mm，总长L=420mm，探测器冷阑到靶面距离D_CS=19.1mm。通过计算得到物镜组焦距f_O=341.7mm，中继镜组焦距f_R=19.6mm，中继镜组放大倍率m=-1.03。

红外材料的热膨胀系数（TCE）、热光系数（DN/DT）无统一标准值，在 ZEMAX、CODEV 等软件中参数存在差异。

GODAS 软件支持自定义录入材料 TCE、DN/DT 参数，可适配不同加工商材料数据，大幅提升红外系统仿真设计精准度。本案例镜筒选用铝材，热膨胀系数 TCE 为 236×10⁻⁷/℃。

团队首先分别优化物镜组（5片镜片）和中继镜组（3片镜片），然后将两部分拼接得到初始结构。在常温下优化达到衍射极限后，进行环境变化分析时发现，系统在-40°C和60°C的极端温度下像质表现明显下降。

通过建立多重结构分析，团队发现需要调整材料组合以改善温度适应性。在多轮优化中，将物镜组的第五片从硅替换为ZNSE，中继镜组的第三片从ZNS替换为硅，最终得到了性能稳定的结构。

冷反射机制与量化抑制

冷反射是制冷型红外成像系统典型成像缺陷：制冷探测器接收光学表面微弱反射光，采集自身及低温腔环境辐射，在画面中心形成对应冷阑的黑斑，严重影响探测精度。

工程采用YNI与I/IBAR两大指标量化冷反射程度：

• Y 为边缘光线表面投射高度，N 为材料折射率，I 为边缘光线入射角；IBAR 为主光线入射角；

• 行业通用判定标准：表面 YNI 值大于 1（部分场景 0.23），或 I/IBAR 比值大于 1，即可忽略冷反射影响。

本次仿真结果显示，系统大部分镜片 YNI、I/IBAR 绝对值均超 1，少数不达标镜片 YNI 也大于 0.23，冷像干扰微弱，可通过非均匀校正完全消除。也可在设计阶段增设 YNI 约束条件，进一步从源头抑制冷反射效应。

行业应用前景

该案例完整验证了 GODAS 光学软件在中波红外系统设计、多重结构热分析、冷反射定量仿真中的实用性，为制导探测、航空遥感、光电侦察等领域的制冷型红外镜头研发提供了可复用的设计流程与技术范式。

随着红外技术的不断发展，无热化设计将在更多领域发挥重要作用，推动红外成像技术向更高性能、更宽应用范围发展。

如果您需要完整技术文档或试用GODAS软件欢迎联系我们，电话：18327316800。

聚焦数字工业，共创智造新生态

本文旨在分享行业动态与技术观点，为数字工业领域的发展贡献一份力量。若内容涉及版权或表述疏漏，请及时通过下方联系方式与我们联系，我们将在核实后妥善处理。“数字工业圈”珍视每一位圈内伙伴的声音。我们诚挚欢迎业界同仁监督指正，也期待您的投稿与合作。感谢一路同行！

数字工业圈

联系我们：18327316800

投稿邮箱： zixun0709@163.com

点赞关注了解更多精彩内容