Keine Bildqualitätseinbußen bei thermischer Ausdehnung

Materialien dehnen sich aus, wenn ihre Temperatur steigt, und werden kleiner, wenn ihre Temperatur sinkt. Wie stark ein Material seine Abmessungen verändert, hängt von seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten (kurz CTE = coefficient of thermal expansion) ab und davon, ob das Material isotrop oder anisotrop ist. Auch der Brechungsindex von transparenten Materialien ändert sich mit der Temperatur. Diese thermischen Phänomene stellen Hersteller und Integratoren von Bildverarbeitungssystemen vor große Probleme, wenn temperaturdynamische, robuste Bildverarbeitungssysteme für den Einsatz in Umgebungen mit starken Temperaturschwankungen benötigt werden. Da sich verschiedene Materialien unterschiedlich schnell ausdehnen und zusammenziehen, stellt ein System mit einer Kombination aus Metall und Glas eine besonders große Herausforderung dar. Materialien wie Metalle und Kunststoffe haben CTE-Werte, die zehn- bis hundertmal höher sind als die CTE-Werte der Glasmaterialien, die sich innerhalb der optischen Systeme befinden.

Abbildung 1: In Abhängigkeit vom spezifischen CTE des Materials ändert sich die Länge eines Materials mit der Temperatur.

Der CTE-Unterschied zwischen den Materialien spielt möglicherweise keine große Rolle, wenn die Bauteile klein oder die Betriebstemperaturschwankungen gering sind. Optische Elemente mit einem Durchmesser von 25 mm oder mehr, die in Linsentuben mit engen Passungen mit einem Gesamtspielraum von 10-15 Mikrometern gefasst sind, können die Leistung der Optik bei niedrigen Temperaturen jedoch erheblich einschränken. Der reduzierte Durchmesser des zusammengezogenen Linsentubus kann dann die Linsenelemente so stark belasten, dass sie brechen oder Ausplatzer an den Kanten entstehen. Umgekehrt kann eine steigende Temperatur die Größe des Fassungsspielraums erhöhen und für eine Verkippung und Dezentrierung einer einzelnen Linse oder Linsenbaugruppe sorgen (Abbildung 2).

Abbildung 2: A. Verkippung eines Linsenelements. B. Kombinierte Verkippung. C. Dezentrierung eines Linsenelements. D. Kombinierte Dezentrierung. All diese Fehler können durch die thermische Ausdehnung der Glaselemente und der Metallfassung in einem Objektiv verursacht werden.

Brechungsindex

Der Brechungsindex eines Materials ist das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Lichts im Material und der Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum. Der Temperaturkoeffizient des Brechungsindexes gibt an, wie stark sich dieses Verhältnis mit der Temperatur ändert. Weitere Informationen zu diesem Koeffizienten finden Sie unter Thermische Eigenschaften von optischen Substraten.

Kombinierte thermische Effekte

Die thermische Defokussierung steht in direktem Zusammenhang sowohl mit der Änderung des Brechungsindex als auch mit der Änderung der Materialgröße über den Betriebstemperaturbereich eines Linsensystems. Ein Objektivtubus in einer warmen Umgebung beispielsweise dehnt sich aus und der Fassungsabstand zu den Kanten der Optikelemente wird vergrößert, was, wie beschrieben, eine gewisse Dezentrierung oder Verkippung verursachen kann. Des Weiteren verändert sich der Brechungsindex der Glasmaterialien, sodass sich auch die Fokusposition des Linsensystems verändert, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Brennweite einer Linse verschiebt sich, wenn Temperaturschwankungen den Brechungsindex und die Position der Linse verändern.

Verschiedene Arten der Athermalisierung

Die Athermalisierung zur Minimierung der Brennweitenänderung durch die Temperatur kann aktiv oder passiv erfolgen. Die Begriffe „aktiv“ und „passiv“ beziehen sich auf den Endanwender und den Arbeitsaufwand, der für den Einsatz der Komponente in der entsprechenden Umgebung erforderlich ist.

Aktive Athermalisierung kann die Verwendung zusätzlicher Hilfsmittel beinhalten, die entweder „aktiv" den Fokus des Linsensystems kompensieren oder korrigieren, oder die Heiz- oder Kühlmöglichkeiten bereitstellen, um das Linsensystem auf einer Designbrennweite zu halten. Beide oben genannten Beispiele erfordern eine Art von Rückkopplungssteuerung für das aktive System, um die Optik an der gewünschten Systemfokusposition bzw. dem Temperatursollwert zu stabilisieren.

Während bei der aktiven Athermalisierung weniger ausgefallene optische Materialien verwendet werden müssen und sie robuster für den Einsatz in Anwendungsumgebungen mit größeren Betriebstemperaturbereichen ist, kann diese Art der Athermalisierung aufwendiger und teurer in der Implementierung sein.

Bei der passiven Athermalisierung werden die CTE-Unterschiede von Materialien beachtet und so für das Design des optischen Systems ausgenutzt, das sowohl Brechungsindex- als auch Dimensionsänderungen kompensiert werden. Durch die Kombination verschiedener Materialien kann die Brennweite bei Temperaturschwankungen beibehalten werden, ohne dass ein zusätzlicher Benutzereingriff oder elektromechanische Unterstützung erforderlich sind. Da weniger Komponenten und Bauteile eingesetzt werden müssen, führt die passive Athermalisierung zu Produkten, die sich in der Regel besser für platzbeschränkte Anwendungen eignen. Leider können nicht alle optischen Designs passiv athermalisiert werden; manchmal kann die erforderliche Kompensation nicht passiv innerhalb des Designs realisiert werden.

Objektive und Abbildungsleistung

Athermische Objektive können in einer der beiden oben genannten Varianten hergestellt werden. Die von Edmund Optics^® und Ruda Cardinal entwickelten und von Edmund Optics gefertigten TECHSPEC^® athermischen Bildverarbeitungsobjektive sind passiv athermalisiert und darüber hinaus extrem robust gefertigt, sodass das Objektiv vor Schäden durch Stöße und Vibrationen bei Industrieeinsätzen geschützt ist (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die MTF-Kurve des TECHSPEC athermischen Bildverarbeitungsobjektivs mit 150 mm Brennweite und f/4 bleibt von -10°C bis +50°C nahezu gleich.

Das Objektiv aus dem Beispiel behält die MTF über einen Betriebstemperaturbereich von 60°C bei und ist somit für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet.

Abbildung 5: MTF im Vergleich zur Bildhöhe (Feldposition) beim TECHSPEC athermischen Bildverarbeitungsobjektiv mit 150 mm Brennweite und f/4 bei Temperaturen von -10°C bis +50°C.