設(shè)計(jì)在惡劣環(huán)境中使用的相機(jī)，必須防止溫度波動(dòng)影響其光學(xué)性能。新的研究表明，精確的鏡頭安裝結(jié)構(gòu)是確保鏡頭系統(tǒng)對(duì)溫度變化保持穩(wěn)定的關(guān)鍵一步。

Synopsys公司的Eric M. Schiesser將在2023年6月4日至8日在加拿大魁北克市舉行的光學(xué)設(shè)計(jì)與制造會(huì)議上展示這項(xiàng)新研究。

研究人員說(shuō)：“大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)，從智能手機(jī)上的相機(jī)攝像頭到火星探測(cè)器的眼睛，都是在一定溫度范圍內(nèi)使用的。為了在溫度變化的情況下保持圖像清晰，光學(xué)工程師可以對(duì)光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)進(jìn)行微調(diào)，使熱效應(yīng)相互平衡。每個(gè)參與制造這些被動(dòng)無(wú)熱光學(xué)系統(tǒng)的人都應(yīng)該意識(shí)到安裝結(jié)構(gòu)與光學(xué)元件是如何裝配在一起的，這是我們?cè)O(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)”。

用于制造透鏡的玻璃和用于制造固定透鏡的材料都對(duì)溫度變化很敏感，當(dāng)溫度升高或下降時(shí)，這可能會(huì)使光學(xué)系統(tǒng)失焦。然而，有可能使用一種稱為熱化的工藝來(lái)減少光學(xué)性能在一定溫度范圍內(nèi)的變化，該工藝通過(guò)結(jié)合幾種具有不同熱性能的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)光熱穩(wěn)定性。

鏡頭結(jié)構(gòu)剖面圖

在新的研究工作中，研究人員專注于使用被動(dòng)熱化來(lái)減輕熱效應(yīng)。這包括設(shè)計(jì)鏡頭系統(tǒng)和安裝結(jié)構(gòu)，使最佳焦平面的熱位移與相機(jī)中用作探測(cè)器的焦平面陣列的機(jī)械位移相匹配。

為了說(shuō)明考慮鏡頭安裝細(xì)節(jié)的重要性，他們使用兩種不同的鏡頭安裝結(jié)構(gòu)對(duì)同一個(gè)相機(jī)鏡頭進(jìn)行了熱化處理。首先，他們對(duì)一個(gè)支撐座模型進(jìn)行了熱分析，在這個(gè)模型中，透鏡被固定在與安裝結(jié)構(gòu)或外殼集成的支撐座上。在這種情況下，安裝結(jié)構(gòu)本身提供了支撐座之間的連接，這意味著一個(gè)元件的熱膨脹不會(huì)影響任何其他元件的位置。

研究人員通過(guò)改變表面形狀、元件厚度、透鏡間距和透鏡材料，在給定的溫度范圍內(nèi)加熱底座模型透鏡。然后，他們使用基于墊片的安裝方法重新分析了它。在基于墊片的殼體概念中，鏡頭系統(tǒng)是一堆鏡頭和墊片。當(dāng)溫度升高時(shí)，玻璃的膨脹比大多數(shù)用作間隔片的材料要小，這意味著間隔片的膨脹會(huì)比鏡片本身的膨脹產(chǎn)生更大的效果。

對(duì)不同安裝方式的性能比較表明，當(dāng)安裝方式改變時(shí)，由于透鏡元件對(duì)溫度變化的響應(yīng)方式不同，導(dǎo)致焦平面陣列與最佳像平面不同步。研究人員指出，這種性能下降并不是基于墊片的安裝結(jié)構(gòu)所固有的。如果原來(lái)的熱化是在假設(shè)墊片的情況下進(jìn)行的，那么切換到支撐座也會(huì)降低性能。

總之，該研究表明，在進(jìn)行被動(dòng)熱化時(shí)，考慮使用的特定安裝結(jié)構(gòu)的重要性，并且在無(wú)熱化后改變安裝特性可能會(huì)導(dǎo)致熱穩(wěn)定性差。

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2023-05-cameras-harsh-environments-account-lens.html