设计恶劣环境下使用的相机，一定要考虑镜头安装细节！

设计在恶劣环境中使用的相机，必须防止温度波动影响其光学性能。新的研究表明，精确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一步。

Synopsys公司的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光学设计与制造会议上展示这项新研究。

研究人员说：“大多数光学系统，从智能手机上的相机摄像头到火星探测器的眼睛，都是在一定温度范围内使用的。为了在温度变化的情况下保持图像清晰，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。每个参与制造这些被动无热光学系统的人都应该意识到安装结构与光学元件是如何装配在一起的，这是我们设计研究的重点”。

用于制造透镜的玻璃和用于制造固定透镜的材料都对温度变化很敏感，当温度升高或下降时，这可能会使光学系统失焦。然而，有可能使用一种称为热化的工艺来减少光学性能在一定温度范围内的变化，该工艺通过结合几种具有不同热性能的材料来实现光热稳定性。

镜头结构剖面图

在新的研究工作中，研究人员专注于使用被动热化来减轻热效应。这包括设计镜头系统和安装结构，使最佳焦平面的热位移与相机中用作探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个相机镜头进行了热化处理。首先，他们对一个支撑座模型进行了热分析，在这个模型中，透镜被固定在与安装结构或外壳集成的支撑座上。在这种情况下，安装结构本身提供了支撑座之间的连接，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，在给定的温度范围内加热底座模型透镜。然后，他们使用基于垫片的安装方法重新分析了它。在基于垫片的壳体概念中，镜头系统是一堆镜头和垫片。当温度升高时，玻璃的膨胀比大多数用作间隔片的材料要小，这意味着间隔片的膨胀会比镜片本身的膨胀产生更大的效果。

对不同安装方式的性能比较表明，当安装方式改变时，由于透镜元件对温度变化的响应方式不同，导致焦平面阵列与最佳像平面不同步。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。如果原来的热化是在假设垫片的情况下进行的，那么切换到支撑座也会降低性能。

总之，该研究表明，在进行被动热化时，考虑使用的特定安装结构的重要性，并且在无热化后改变安装特性可能会导致热稳定性差。

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