在高精度光学系统的设计中，环境温度变化和光谱响应特性是两个必须重点考量的关键因素。热环境可能导致镜片热胀冷缩、折射率变化，引发像差偏移和焦点漂移；而光谱仪的构建则需要合理的光学结构配置、色散元件选择与探测面布局。针对这两个实际需求，很多用户会问：“Zemax如何实现热分析？”“Zemax如何构建光谱仪？”这两个问题分别对应光学系统的环境适应性与功能性能构建，是提升系统设计可靠性与实用性的核心。本文将结合Zemax OpticStudio的功能模块与操作流程，从原理到实操详解这两个关键技术点。
一、Zemax如何实现热分析
热分析（Thermal Analysis）用于评估光学系统在不同温度下的性能变化，包括镜头位置漂移、焦点移动、像差变化等。Zemax提供了完整的热建模与分析工具，适用于卫星望远镜、激光通信、精密检测系统等温度敏感性较高的场景。
1.启用热分析模块（Thermal Setup）
打开System Explorer→Temperature，设定参考温度（如20°C）与实际工况温度（如60°C）；
所有材料的折射率、热膨胀等参数将根据温差自动调整。
2.激活材料热特性
材料色散库中大多数玻璃（如Schott、Ohara）都带有dn/dT（折射率随温度变化率）；
Zemax将自动根据温度变化重新计算每个面上的折射率；
若自定义材料，请确保输入正确的热参数。
3.镜片厚度与位置自动热变形
在Lens Data Editor（LDE）中，每个表面默认启用热膨胀影响；
Zemax会根据材料的线膨胀系数α和厚度，自动调整透镜位置与厚度；
支持设置是否允许组件热漂移（可锁定机械结构不变）。
4.添加热分析场景
使用Multi-Configuration Editor设置不同温度场景；
每一组配置代表一个温度状态，便于对比系统在各温度下的成像偏差；
可使用Compare Configuration图表分析温漂量（如焦距变化、主光线偏移等）。
5.分析热漂移对系统性能影响
使用Spot Diagram、Ray Fan、Wavefront Map在各温度场景下分别查看成像变化；
使用Longitudinal Aberration Plot评估焦点随温度漂移；
可使用Merit Function加入热差优化目标（如在两个温度场景下均最小色差）。
6.热补偿设计
利用材料选择（正负α互补）、结构对称性、力学装配调整，降低温漂效应；
在优化目标中加入多温度平衡项，实现广温工作带宽控制。
二、Zemax如何构建光谱仪
光谱仪是一种用于将光信号按波长进行空间分离并输出图像的光学系统。Zemax非常适合进行成像光谱仪、色散型光谱仪、FTIR等系统的仿真建模与性能优化。
以下是基本构建流程：
1.确定光谱仪光路结构
典型色散型光谱仪结构包含：
入射狭缝（定义空间分辨率）
准直透镜（将入射光变为平行光）
色散元件（如光栅、棱镜）
成像透镜（将不同波长聚焦到探测面）
探测器（如CCD面阵）
在Zemax中，可以逐级搭建该光路结构，所有组件在Lens Data Editor中进行设置。
2.设置波长与波段参数
打开System Explorer→Wavelengths；
添加多组工作波长（如400nm、550nm、700nm）；
可指定主波长、边缘波长，模拟系统色散分布情况。
3.添加光栅或棱镜色散元件
Zemax支持在光学面上定义Diffraction Grating（衍射光栅）或Prism Surface（棱镜）；
设置参数：
对于光栅：刻线周期（Lines/mm）、入射角、衍射级次（通常为+1）；
对于棱镜：材料（如F2、SF11）、顶角角度；
可使用Surface Type→Diffraction Grating插入虚拟面。
4.准确模拟空间色散
设置“Field Type”为Angle或Image Height，代表不同视场入射角；
模拟多个波长下成像点在探测面上的空间偏移；
可绘制Spot Diagram（per wavelength），观察光谱展开效果。
5.分析色谱展开线性与离散度
使用Geometric Image Analysis查看不同波长对应成像点位置；
使用Chief Ray Angle或Ray Fan Plot分析不同λ对应角度差；
若探测面为面阵，可设置成Plane Surface接收不同波长打到的像点。
6.构建成像光谱仪
若是推扫型/面阵型光谱仪，可组合视场+波长双维度；
使用Multi-Configuration建立多个视场角+波长配置；
绘制二维空间-光谱像图（X:波长，Y:视场）分析色谱带一致性。
7.光谱仪优化策略
以色谱线对称性、光斑大小、谱带分辨率为目标；
使用Merit Function控制主波长在像面聚焦，其余波长按预期展宽；
可设约束优化光栅角度或焦距组合以实现均匀谱线分布。
三、实用技巧：热分析与光谱仪仿真的协同要点
1.对于空间光谱仪，需同时考虑热漂移影响
高空卫星载荷需同时设计光谱结构与热稳定；
可在Multi-Configuration中组合波长+温度，优化在热漂移下的谱线稳定性。
2.热参数建议使用真实材料数据
若目标工作环境温度变化大，推荐使用Schott/Ohara材料库中带有dn/dT数据的材料；
避免默认玻璃导致焦点大幅漂移。
3.关注热效应对色差的耦合影响
温度变化不仅影响几何位置，还影响不同λ下n值，间接放大色差；
尤其棱镜类色散系统需重视热漂移对色谱精度的影响。
4.模型结构建议用序列模式搭建，后期可转非序列用于更真实成像分析
光谱仪初期设计可用序列快速验证色散路径；
后期考虑非序列引入狭缝厚度、遮挡、杂散光等效应。
四、总结
综上所述，“Zemax如何实现热分析”：通过启用温度场景设置、材料dn/dT特性、镜片热膨胀、配置多温度工况，分析热漂移对成像质量的影响，并支持热补偿优化设计； “Zemax如何构建光谱仪”：通过搭建狭缝-准直-色散-成像结构，配置波长组、添加光栅或棱镜，追踪各波长像点位置，实现对谱带分布、色散精度、成像一致性的完整建模与优化；掌握热分析与光谱仪仿真方法，将使你在光学系统开发中具备更深层次的工程建模与环境适配能力，为精密、稳定的光学设计提供技术保障。
