Атермализация объективов

Уменьшение вредного воздействия теплового расширения на качество изображения

Материал расширяется при повышении его температуры и сжимается при понижении. Степень изменения размеров материала зависит от его коэффициента теплового расширения (КТР) и от того, является ли материал изотропным или анизотропным. Показатель преломления прозрачных материалов также изменяется с температурой. Эти тепловые явления представляют собой проблему для производителей и интеграторов систем обработки изображений, которым требуются надежные системы машинного зрения с динамикой температуры для приложений в средах с резкими перепадами температуры. Поскольку материалы расширяются и сжимаются с разной скоростью, система из металла и стекла создает еще больше проблем. Такие материалы, как металлы и пластмассы, имеют значения КТР, в 10-100 раз превышающие значения КТР материалов из оптического стекла, упакованных в оптические системы.

Длина материала изменяется от температуры в зависимости от конкретного коэффициента теплового расширения материала

Разница КТР может не иметь большого значения, если компоненты имеют небольшие размеры или если колебания рабочей температуры невелики. Системы с оптическими элементами диаметром 25 мм и более, установленными в оправах линз с плотной посадкой с общим зазором 10-15 мкм, могут значительно сужать оптику при низких температурах. Уменьшенный диаметр оправы объектива может создавать достаточную нагрузку на внутренние элементы объектива, чтобы сломать их или создать сколы на краях. И наоборот, повышение температуры может увеличить размер посадочного зазора и увеличить возможность крена и децентрировки одиночной линзы или парных линзовых элементов.

A. Крен линзы. B. Сопряженный крен линз. C. Децентрирование элемента линзы. D. Парное децентрирующее движение. Все эти ошибки могут быть вызваны тепловым расширением стеклянных линз и металлической оптомеханикой

Показатель преломления

Показатель преломления материала — это отношение скорости света при его прохождении через материальную среду и скорости света в вакууме. Температурный коэффициент показателя преломления связан с тем, насколько это отношение изменяется с температурой.

Комбинированные тепловые эффекты

Термическая дефокусировка напрямую связана как с изменением показателя преломления, так и с изменением размеров материала в диапазоне рабочих температур линзовой системы. Например, нагретая оправа объектива будет расширяться и разделять расстояние между вершинами элементов, обеспечивая некоторое децентрирование или вращение. Это приведет к изменению показателя преломления стеклянных материалов, что в совокупности повлияет на результирующее положение фокуса системы линз при изменении температуры в случае использования.

Фокусное расстояние линзы смещается, когда изменение температуры вызывает изменение показателя преломления и положения линзы

Виды атермализации

Атермализация для минимизации изменения фокусного расстояния в зависимости от температуры может быть достигнута активно или пассивно. Эти термины относятся к конечному пользователю и объему работы, необходимому для использования компонента в среде.

Активная атермализация может включать использование дополнительного вспомогательного оборудования, которое может либо «активно» компенсировать или корректировать фокус системы линз, либо обеспечивать возможность нагрева или охлаждения для поддержания системы линз на расчетном фокусном расстоянии. В обоих этих примерах требуется какое-то управление с обратной связью для активной системы, чтобы стабилизировать оптику в желаемом положении фокуса системы или заданной температуре соответственно.

В то время как активная атермализация использует менее экзотические оптические материалы и является более надежной для использования в прикладных средах с более широким диапазоном рабочих температур, этот тип атермализации может быть более громоздким и дорогостоящим в реализации.

Пассивная атермализация достигается за счет использования разницы КТР материалов и их включения в конструкцию оптической системы для компенсации как показателя преломления, так и изменений размеров. Комбинируя различные материалы, можно зафиксировать фокусное расстояние при изменении температуры без необходимости дополнительного вмешательства пользователя или слоев электромеханической поддержки. Поскольку технических компонентов меньше, пассивная атермализация позволяет производить продукты, которые обычно лучше подходят для приложений в ограниченном пространстве. К сожалению, не все оптические конструкции могут быть пассивно атермализованы; иногда требуемая компенсация просто не может быть пассивно достигнута в расчетном объеме.

Объективы для визуализации и их производительность

Объективы могут быть изготовлены в любом из двух вариантов, упомянутых выше. Тем не менее, атермальные объективы TECHSPEC®, разработанные Edmund Optics® и Ruda Cardinal, и изготовленные Edmund Optics, пассивно атермализованы в дополнение к промышленной прочности для защиты линз от повреждений в результате ударов и вибрации.

ФПМ атермального объектива TECHSPEC с фокусным расстоянием 150 мм и диафрагмой f/4 остается практически неизменной в диапазоне температур от -10°C до +50°C

Ниже показан пример объектива, который был разработан для поддержания ФПМ в диапазоне рабочих температур 60 °C, что делает его пригодным для широкого спектра применений.

Зависимость ФПМ от высоты изображения (положение поля) для атермального объектива TECHSPEC с фокусным расстоянием 150 мм и диафрагмой f/4 при температуре от -10°C до +50°C