設計在惡劣環(huán)境中使用的相機，必須防止溫度波動影響其光學性能。新的研究表明，精確的鏡頭安裝結構是確保鏡頭系統(tǒng)對溫度變化保持穩(wěn)定的關鍵一步。

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設計與制造會議上展示這項新研究。

研究人員說：“大多數光學系統(tǒng)，從智能手機上的相機攝像頭到火星探測器的眼睛，都是在一定溫度范圍內使用的。為了在溫度變化的情況下保持圖像清晰，光學工程師可以對光學和機械設計的細節(jié)進行微調，使熱效應相互平衡。每個參與制造這些被動無熱光學系統(tǒng)的人都應該意識到安裝結構與光學元件是如何裝配在一起的，這是我們設計研究的重點”。

用于制造透鏡的玻璃和用于制造固定透鏡的材料都對溫度變化很敏感，當溫度升高或下降時，這可能會使光學系統(tǒng)失焦。然而，有可能使用一種稱為熱化的工藝來減少光學性能在一定溫度范圍內的變化，該工藝通過結合幾種具有不同熱性能的材料來實現光熱穩(wěn)定性。

鏡頭結構剖面圖

在新的研究工作中，研究人員專注于使用被動熱化來減輕熱效應。這包括設計鏡頭系統(tǒng)和安裝結構，使最佳焦平面的熱位移與相機中用作探測器的焦平面陣列的機械位移相匹配。

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構對同一個相機鏡頭進行了熱化處理。首先，他們對一個支撐座模型進行了熱分析，在這個模型中，透鏡被固定在與安裝結構或外殼集成的支撐座上。在這種情況下，安裝結構本身提供了支撐座之間的連接，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、透鏡間距和透鏡材料，在給定的溫度范圍內加熱底座模型透鏡。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。當溫度升高時，玻璃的膨脹比大多數用作間隔片的材料要小，這意味著間隔片的膨脹會比鏡片本身的膨脹產生更大的效果。

對不同安裝方式的性能比較表明，當安裝方式改變時，由于透鏡元件對溫度變化的響應方式不同，導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構所固有的。如果原來的熱化是在假設墊片的情況下進行的，那么切換到支撐座也會降低性能。

總之，該研究表明，在進行被動熱化時，考慮使用的特定安裝結構的重要性，并且在無熱化后改變安裝特性可能會導致熱穩(wěn)定性差。

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