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熱失焦的被動補償

無需重新聚焦

減少沖擊和振動的有害影響

高達(dá)1.1英寸的傳感器覆蓋范圍

減輕熱膨脹對成像性能的有害影響

物質(zhì)隨著溫度的升高而膨脹，隨著溫度的降低而收縮。材料的尺寸變化程度與它的熱膨脹系數(shù)（CTE）以及材料是各向同性還是各向異性有關(guān)。透明材料的折射率也隨溫度變化而變化。這些熱現(xiàn)象給制造商和成像系統(tǒng)集成商帶來了挑戰(zhàn)，他們需要溫度動態(tài)的、堅固的機(jī)器視覺系統(tǒng)以適應(yīng)環(huán)境溫度急劇變化的應(yīng)用。由于材料的膨脹和收縮速度不同，一個既有金屬又有玻璃的系統(tǒng)會帶來更多挑戰(zhàn)。金屬和塑料等材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）值是光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)封裝的光學(xué)玻璃材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）值的10到100倍。

如果元件尺寸較小或操作溫度變化幅度較小，CTE的差異可能沒有多大關(guān)系。然而，如果系統(tǒng)中的光學(xué)元件直徑達(dá)到25mm或更大時，且被固定在總間隙為10-15微米的緊密配合的鏡筒中，那么在低溫下會使光學(xué)元件明顯收縮。鏡筒的直徑縮小可能會對內(nèi)部鏡片元件施加足夠的應(yīng)力，導(dǎo)致其斷裂或產(chǎn)生邊緣碎片。相反，溫度的上升會導(dǎo)致孔隙增大，進(jìn)而加劇單個透鏡或耦合透鏡元件發(fā)生滾動和偏心的可能（圖2）。

折射率

材料的折射率是指光在材料介質(zhì)中傳播時的速度與真空中的光速之比。折射率的溫度系數(shù)與這個比率隨溫度變化的程度有關(guān)。

綜合熱效應(yīng)

在透鏡系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)，熱失焦與折射率的變化和材料尺寸的變化都直接相關(guān)。作為一個例子，加熱的鏡筒會膨脹并分離元件的頂點到頂點的間距，允許一些偏心或滾動，如所述。這將導(dǎo)致玻璃材料的折射率發(fā)生變化，所有這些都會隨著使用情況下的溫度變化而影響到鏡頭系統(tǒng)的結(jié)果聚焦位置（圖3）。

無熱化的類型

使焦距隨溫度變化最小化的無熱化可以通過主動或被動來實現(xiàn)。這些術(shù)語指的是終端用戶和在環(huán)境中使用該組件所需的工作量。

主動無熱化可能涉及使用額外的支持硬件，這些硬件可以 "主動 "補償或糾正鏡頭系統(tǒng)的焦點，或提供加熱或冷卻能力以保持鏡頭系統(tǒng)的設(shè)計焦距。這兩個例子都需要對有源系統(tǒng)進(jìn)行某種反饋控制，以使光學(xué)器件分別穩(wěn)定在所需的系統(tǒng)聚焦位置或溫度設(shè)定點。

雖然主動無熱化利用了較少的外來光學(xué)材料，并且在工作溫度范圍更大的應(yīng)用環(huán)境中使用更加穩(wěn)固，但這種類型的無熱化在實施時可能更龐大、成本更高。

被動無熱化是通過利用材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異來實現(xiàn)的，并將其構(gòu)建到光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中，以補償折射率和尺寸變化。通過組合不同的材料，焦距可以隨著溫度的變化而固定，無需額外的用戶干預(yù)或機(jī)電支持層。由于技術(shù)部件較少，被動無熱化生產(chǎn)的產(chǎn)品通常更適合于空間有限的應(yīng)用?？上У氖?，并不是所有的光學(xué)設(shè)計都能被動地?zé)o熱化；有時所需的補償根本無法在設(shè)計體積內(nèi)被動地實現(xiàn)。

成像鏡頭及其性能

無熱化成像鏡頭可以采用上述兩種類型中的任何一種來制造。然而，由Edmund Optics®和Ruda Cardinal聯(lián)合設(shè)計并由 Edmund Optics 制造的 TECHSPEC®無熱化成像鏡頭，除了在工業(yè)上經(jīng)過加固以防止沖擊和振動對透鏡的損害外，還進(jìn)行了被動無熱化處理（圖4）。

下圖5顯示了一個示例，該鏡頭設(shè)計為在 60?C 的工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的MTF，使其適用于廣泛的應(yīng)用。