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光學新動態(tài): 無熱化加固技術(shù)

閱讀:226      發(fā)布時間:2023-11-15
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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、堅固的機器視覺系統(tǒng)以適應環(huán)境溫度急劇變化的應用。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)值是光學系統(tǒng)內(nèi)封裝的光學玻璃材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)值的10到100倍。

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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)中的光學元件直徑達到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力,導致其斷裂或產(chǎn)生邊緣碎片。相反,溫度的上升會導致孔隙增大,進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)。

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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

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)。

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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)進行某種反饋控制,以使光學器件分別穩(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材料,并且在工作溫度范圍更大的應用環(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或機電支持層。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用??上У氖?,并不是所有的光學設(shè)計都能被動地無熱化;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用。


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