为恶劣的环境设计相机？一定要考虑到镜头安装的细节

10片透镜的布局与基于座架的安装结构的横截面（橙色，顶部）。座椅在前6个元件的右表面，在最后4个元件的左表面。还显示了隔板模型示意图的横截面（紫色，底部）。资料来源：Eric M. Schiesser

在恶劣环境中使用的相机的设计方式必须能够防止温度波动影响其光学性能。新的研究表明，考虑到所使用的确切的镜头安装结构是确保镜头系统对温度变化保持稳定的关键步骤。

来自Synopsys公司的Eric M. Schiesser将在2023年6月4-8日在加拿大魁北克市举行的Optica设计与制造会议上介绍这项新研究。

"大多数光学系统--从你的智能手机中的摄像头到火星探测器的眼睛--都是在一定的温度范围内使用。为了在不断变化的温度下保持图像的清晰度，光学工程师可以对光学和机械设计的细节进行微调，使热效应相互平衡。研究小组说："每个参与制造这些被动热化光学系统的人都应该了解安装结构与光学处方是如何交织在一起的，这也是我们设计研究的主旨所在。

用于制造镜片的玻璃和用于制造固定镜片的支架的材料都对温度的变化很敏感，当温度上升或下降时，会使光学系统失去焦点。然而，可以使用一种叫做 "热化 "的工艺来减少光学性能在一定温度范围内的变化，这种工艺通过结合几种具有不同热特性的材料来实现光热稳定。

在新的工作中，研究人员专注于使用被动热化来减轻热效应。这涉及到设计透镜系统和安装结构，使最佳焦平面的热移位与相机中用作检测器的焦平面阵列的机械移位相匹配。

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个相机镜头进行了热敏化。他们首先分析了座椅模型的热行为，其中镜头被固定在集成到安装结构或外壳的座椅上。在这种情况下，安装结构本身提供了座位之间的连接，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、透镜分离和透镜材料，在给定的温度范围内对座椅模型透镜进行热处理。然后，他们使用基于间隔件的安装方法对其进行了重新分析。在基于间隔器的外壳概念中，透镜系统是透镜和间隔器的堆叠。对于一个给定的温度升高，玻璃的膨胀会比用作间隔片的大多数材料小，这意味着间隔片的膨胀会比镜片本身的膨胀产生更大的影响。

不同镜头安装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变得不同步，因为镜头元件对温度变化的反应不一样。研究人员指出，这种性能下降在并不是基于隔板的安装结构所固有的。如果最初的热化是在假设隔板的情况下进行的，改用座架也会使性能下降。

总的来说，这项研究表明，在进行被动热化时，必须考虑到所使用的特定安装结构，而且在热化后改变安装特性很可能会导致热稳定性差。