减轻热膨胀对成像性能的有害影响

物质随着温度的升高而膨胀，随着温度的降低而收缩。材料的尺寸变化程度与它的热膨胀系数（CTE）以及材料是各向同性还是各向异性有关。透明材料的折射率也随温度变化而变化。这些热现象给制造商和成像系统集成商带来了挑战，他们需要温度动态的、坚固的机器视觉系统以适应环境温度急剧变化的应用。由于材料的膨胀和收缩速度不同，一个既有金属又有玻璃的系统会带来更多挑战。金属和塑料等材料的热膨胀系数（CTE）值是光学系统内封装的光学玻璃材料的热膨胀系数（CTE）值的10到100倍。

图 1: 根据材料的特定CTE，材料的长度随温度变化。

如果元件尺寸较小或操作温度变化幅度较小，CTE的差异可能没有多大关系。然而，如果系统中的光学元件直径达到25mm或更大时，且被固定在总间隙为10-15微米的紧密配合的镜筒中，那么在低温下会使光学元件明显收缩。镜筒的直径缩小可能会对内部镜片元件施加足够的应力，导致其断裂或产生边缘碎片。相反，温度的上升会导致孔隙增大，进而加剧单个透镜或耦合透镜元件发生滚动和偏心的可能（图2）。

图 2: A.镜头元件的滚动运动。B.耦合的滚动运动。C.镜头元件的偏心运动。D.耦合的偏心运动。所有这些误差都可能是由玻璃镜片的热膨胀和成像镜头中的金属光学机械造成的。

折射率

材料的折射率是指光在材料介质中传播时的速度与真空中的光速之比。折射率的温度系数与这个比率随温度变化的程度有关。关于这个系数的更多信息，请参阅《 光学基底的热性能》一文。

综合热效应

在透镜系统的工作温度范围内，热失焦与折射率的变化和材料尺寸的变化都直接相关。作为一个例子，加热的镜筒会膨胀并分离元件的顶点到顶点的间距，允许一些偏心或滚动，如所述。这将导致玻璃材料的折射率发生变化，所有这些都会随着使用情况下的温度变化而影响到镜头系统的结果聚焦位置（图3）。

图 3: 当温度变化导致折射率和透镜位置的变化时，透镜的焦距会发生变化。

无热化的类型

使焦距随温度变化最小化的无热化可以通过主动或被动来实现。这些术语指的是终端用户和在环境中使用该组件所需的工作量。

主动无热化可能涉及使用额外的支持硬件，这些硬件可以 "主动 "补偿或纠正镜头系统的焦点，或提供加热或冷却能力以保持镜头系统的设计焦距。这两个例子都需要对有源系统进行某种反馈控制，以使光学器件分别稳定在所需的系统聚焦位置或温度设定点。

虽然主动无热化利用了较少的外来光学材料，并且在工作温度范围更大的应用环境中使用更加稳固，但这种类型的无热化在实施时可能更庞大、成本更高。

被动无热化是通过利用材料的热膨胀系数（CTE）差异来实现的，并将其构建到光学系统的设计中，以补偿折射率和尺寸变化。通过组合不同的材料，焦距可以随着温度的变化而固定，无需额外的用户干预或机电支持层。由于技术部件较少，被动无热化生产的产品通常更适合于空间有限的应用。可惜的是，并不是所有的光学设计都能被动地无热化；有时所需的补偿根本无法在设计体积内被动地实现。

成像镜头及其性能

无热化成像镜头可以采用上述两种类型中的任何一种来制造。然而，由Edmund Optics®和Ruda Cardinal联合设计并由 Edmund Optics 制造的 TECHSPEC®无热化成像镜头，除了在工业上经过加固以防止冲击和振动对透镜的损害外，还进行了被动无热化处理（图4）。

图 4: 在温度范围从 -10◦C 到 +50◦C 之间，150mm焦距、f/4的TECHSPEC 无热化成像镜头的MTF性能几乎保持不变。

下图5显示了一个示例，该镜头设计为在 60◦C 的工作温度范围内保持稳定的MTF，使其适用于广泛的应用。

150毫米焦距，f/4 TECHSPEC 无热化成像镜头 在-10◦C至+50◦C温度下的MTF与图像高度（场位）的表现。