Kameras, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden, müssen so konstruiert sein, dass Temperaturschwankungen ihre optische Leistung nicht beeinflussen. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass die Berücksichtigung der genauen verwendeten Linsenbefestigungsstruktur ein entscheidender Schritt ist, um sicherzustellen, dass Linsensysteme gegenüber Temperaturänderungen robust bleiben.
Eric M. Schiesser von Synopsys, Inc. wird die neue Forschung auf der präsentieren Optica Design- und Fertigungskonferenzdie vom 4. bis 8. Juni 2023 in Quebec City, Kanada, stattfinden wird.
„Die meisten optischen Systeme – von der Kamera in Ihrem Smartphone bis zu den Augen des Mars-Rover – werden über einen Temperaturbereich hinweg verwendet. Um das Bild bei wechselnden Temperaturen scharf zu halten, können Optikingenieure die Details der Optik und Mechanik feinabstimmen Designs so, dass sich die thermischen Effekte gegenseitig ausgleichen. Jeder, der an der Herstellung dieser passiv athermalisierten optischen Systeme beteiligt ist, sollte wissen, wie eng die Befestigungsstruktur mit der optischen Vorgabe verwoben ist, was die Hauptaussage unserer Designstudie ist“, sagte das Forschungsteam.
Sowohl das Glas, das zur Herstellung von Linsen verwendet wird, als auch die Materialien, die zur Herstellung der Fassungen verwendet werden, die die Linsen halten, reagieren empfindlich auf Temperaturänderungen, was dazu führen kann, dass optische Systeme bei steigenden oder fallenden Temperaturen den Fokus verlieren. Es ist jedoch möglich, Schwankungen in der optischen Leistung über einen Bereich von Temperaturen zu reduzieren, indem ein Prozess namens Athermalisierung verwendet wird, der optothermische Stabilität erreicht, indem mehrere Materialien mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften integriert werden.
In der neuen Arbeit konzentrierten sich die Forscher auf die Verwendung von passiver Athermalisierung, um thermische Effekte abzuschwächen. Dazu gehörte die Gestaltung des Linsensystems und der Befestigungsstruktur, so dass die thermische Verschiebung der optimalen Brennebene mit der mechanischen Verschiebung des als Detektor in der Kamera verwendeten Brennebenenarrays übereinstimmte.
Um zu veranschaulichen, wie wichtig es ist, Details zur Objektivbefestigung zu berücksichtigen, führten sie eine Athermalisierung für dasselbe Kameraobjektiv unter Verwendung von zwei verschiedenen Objektivbefestigungsstrukturen durch. Sie analysierten zunächst das thermische Verhalten für ein Sitzmodell, bei dem die Linsen gegen Sitze gehalten werden, die in die Befestigungsstruktur oder das Gehäuse integriert sind. In diesem Fall stellt die Befestigungsstruktur selbst die Verbindung zwischen den Sitzen her, was bedeutet, dass die Wärmeausdehnung eines Elements die Position eines anderen Elements nicht beeinflusst.
Die Forscher athermalisierten die Linse des Sitzmodells über einen bestimmten Temperaturbereich, indem sie die Oberflächenformen, Elementdicken, Linsenabstände und Linsenmaterialien veränderten. Dann analysierten sie es erneut mit einem abstandshalterbasierten Montageansatz. Bei einem abstandshalterbasierten Gehäusekonzept ist das Linsensystem ein Stapel aus Linsen und Abstandshaltern. Bei einem gegebenen Temperaturanstieg dehnt sich Glas weniger aus als die meisten Materialien, die als Abstandshalter verwendet werden, was bedeutet, dass die Ausdehnung der Abstandshalter einen größeren Effekt erzeugt als die Ausdehnung der Linsen selbst.
Ein Leistungsvergleich für die verschiedenen Konfigurationen der Objektivhalterung zeigte, dass bei einer Änderung der Befestigungsmethode das Fokalebenenarray nicht mehr mit der optimalen Bildebene synchron war, da die Linsenelemente nicht in gleicher Weise auf Temperaturänderungen reagieren. Die Forscher stellen fest, dass diese Leistungsminderung nicht einer auf Abstandshaltern basierenden Montagestruktur eigen ist. Wenn die ursprüngliche Athermalisierung unter der Annahme von Abstandshaltern durchgeführt wurde, würde der Wechsel zu Sitzen auch die Leistung verschlechtern.
Insgesamt zeigt die Studie, wie wichtig es ist, die spezifische Montagestruktur zu berücksichtigen, die bei der Durchführung der passiven Athermalisierung verwendet wird, und dass eine Änderung der Montageeigenschaften nach der Athermalisierung wahrscheinlich zu einer schlechten thermischen Stabilität führen wird.