為惡劣的環(huán)境設(shè)計相機？一定要考慮到鏡頭安裝的細節(jié)

10片透鏡的布局與基于座架的安裝結(jié)構(gòu)的橫截面（橙色，頂部）。座椅在前6個元件的右表面，在最后4個元件的左表面。還顯示了隔板模型示意圖的橫截面（紫色，底部）。資料來源：Eric M. Schiesser

在惡劣環(huán)境中使用的相機的設(shè)計方式必須能夠防止溫度波動影響其光學性能。新的研究表明，考慮到所使用的確切的鏡頭安裝結(jié)構(gòu)是確保鏡頭系統(tǒng)對溫度變化保持穩(wěn)定的關(guān)鍵步驟。

來自Synopsys公司的Eric M. Schiesser將在2023年6月4-8日在加拿大魁北克市舉行的Optica設(shè)計與制造會議上介紹這項新研究。

"大多數(shù)光學系統(tǒng)--從你的智能手機中的攝像頭到火星探測器的眼睛--都是在一定的溫度范圍內(nèi)使用。為了在不斷變化的溫度下保持圖像的清晰度，光學工程師可以對光學和機械設(shè)計的細節(jié)進行微調(diào)，使熱效應(yīng)相互平衡。研究小組說："每個參與制造這些被動熱化光學系統(tǒng)的人都應(yīng)該了解安裝結(jié)構(gòu)與光學處方是如何交織在一起的，這也是我們設(shè)計研究的主旨所在。

用于制造鏡片的玻璃和用于制造固定鏡片的支架的材料都對溫度的變化很敏感，當溫度上升或下降時，會使光學系統(tǒng)失去焦點。然而，可以使用一種叫做 "熱化 "的工藝來減少光學性能在一定溫度范圍內(nèi)的變化，這種工藝通過結(jié)合幾種具有不同熱特性的材料來實現(xiàn)光熱穩(wěn)定。

在新的工作中，研究人員專注于使用被動熱化來減輕熱效應(yīng)。這涉及到設(shè)計透鏡系統(tǒng)和安裝結(jié)構(gòu)，使最佳焦平面的熱移位與相機中用作檢測器的焦平面陣列的機械移位相匹配。

為了說明考慮鏡頭安裝細節(jié)的重要性，他們使用兩種不同的鏡頭安裝結(jié)構(gòu)對同一個相機鏡頭進行了熱敏化。他們首先分析了座椅模型的熱行為，其中鏡頭被固定在集成到安裝結(jié)構(gòu)或外殼的座椅上。在這種情況下，安裝結(jié)構(gòu)本身提供了座位之間的連接，這意味著一個元件的熱膨脹不會影響任何其他元件的位置。

研究人員通過改變表面形狀、元件厚度、透鏡分離和透鏡材料，在給定的溫度范圍內(nèi)對座椅模型透鏡進行熱處理。然后，他們使用基于間隔件的安裝方法對其進行了重新分析。在基于間隔器的外殼概念中，透鏡系統(tǒng)是透鏡和間隔器的堆疊。對于一個給定的溫度升高，玻璃的膨脹會比用作間隔片的大多數(shù)材料小，這意味著間隔片的膨脹會比鏡片本身的膨脹產(chǎn)生更大的影響。

不同鏡頭安裝配置的性能比較表明，當安裝方法改變時，焦平面陣列與最佳圖像平面變得不同步，因為鏡頭元件對溫度變化的反應(yīng)不一樣。研究人員指出，這種性能下降在并不是基于隔板的安裝結(jié)構(gòu)所固有的。如果最初的熱化是在假設(shè)隔板的情況下進行的，改用座架也會使性能下降。

總的來說，這項研究表明，在進行被動熱化時，必須考慮到所使用的特定安裝結(jié)構(gòu)，而且在熱化后改變安裝特性很可能會導(dǎo)致熱穩(wěn)定性差。