新研究表明镜头卡口细节对镜头系统的隔热很重要

在恶劣环境中使用的相机必须以防止温度波动影响其光学性能的方式进行设计。新的研究表明，考虑到所使用的确切镜头安装结构是确保镜头系统对温度变化保持稳健性的关键步骤。

Synopsys, Inc.的 Eric M. Schiesser将在 2023 年 6 月 4 日至 8 日在加拿大魁北克市举行的Optica 设计和制造会议上介绍这项新研究。

“大多数光学系统——从智能手机中的摄像头到火星探测器的眼睛——都在一定温度范围内使用。为了在不断变化的温度下保持图像清晰，光学工程师可以微调光学和机械设计的细节，使热效应相互平衡。参与这些被动消热光学系统制造的每个人都应该了解安装结构与光学处方的交织程度，这是我们设计研究的重点，”研究团队说。

用于制造镜头的玻璃和用于制造固定镜头的支架的材料都对温度变化很敏感，这会使光学系统在温度升高或降低时失去焦点。但是，可以使用称为非热化的过程来减少一定温度范围内光学性能的变化，该过程通过结合具有不同热特性的几种材料来实现光热稳定性。

在这项新工作中，研究人员专注于使用被动绝热来减轻热效应。这涉及设计镜头系统和安装结构，使最佳焦平面的热位移与用作相机中检测器的焦平面阵列的机械位移相匹配。

为了说明考虑镜头安装细节的重要性，他们使用两种不同的镜头安装结构对同一相机镜头进行了绝热处理。他们首先分析了座椅模型的热行为，在该模型中，镜头靠在集成到安装结构或外壳中的座椅上。在这种情况下，安装结构本身提供了座椅之间的连接，这意味着一个元件的热膨胀不会影响任何其他元件的位置。

研究人员通过改变表面形状、元件厚度、透镜间距和透镜材料，使座椅模型透镜在给定温度范围内绝热。然后，他们使用基于垫片的安装方法重新分析了它。在基于垫片的外壳概念中，透镜系统是一堆透镜和垫片。对于给定的温度升高，玻璃的膨胀将小于用作垫片的大多数材料，这意味着垫片的膨胀将产生比透镜本身的膨胀更大的效果。

不同镜头卡口配置的性能比较表明，当安装方法改变时，焦平面阵列与最佳图像平面不同步，因为镜头元件不会以相同的方式响应温度变化。研究人员指出，这种性能下降并不是基于垫片的安装结构所固有的。如果最初的绝热化是在假设有垫片的情况下进行的，那么改用座椅也会降低性能。

总的来说，该研究表明在执行被动绝热时考虑使用的特定安装结构的重要性，并且在绝热后改变安装特性可能会导致热稳定性差。