Meta专利对光学元件提出温度调节，改善光学偏移和像差

　　温度波动和消色差性可能对光学元件造成不利影响。通过将光学元件设计为更能抵抗温度变化(“无热化”)，可以减轻由热或消色差性引起的光学偏移和像差。

　　在一个实施例中，可以通过物理手段提供有源无热化。例如，可以使用物理组件来调节第一光学元件(例如传感器)和/或第二光学元件(如透镜)，从而主动对抗温度升高的影响，比方说采用音圈磁电机(VCM)或压电电机(PZT)。

　　但这种有源无热化技术可能会带来自身的问题。物理组件会增加光学设备的重量或尺寸，从而增加光学设备体积，降低用户舒适度。另外，物理组件可能干扰其他组件的操作，并可能限制、阻碍或降低性能。

　　无源无热化则是通过设计光学元件来固有地和/或自动地调节温度升高的影响。例如，光学元件可以设计为具有帮助实现一定程度无热化的形状和/或材料。在另一示例中，光学元件可以设计成令温度升高对第一光学元件的影响可以调节/抵消温度升高对第二光学元件的作用。

　　通常，光学元件可以由多种材料制成，而在设计过程中的材料选择可以显著影响光学元件的性能。以塑料为例，它具有制造(即模制)期间的成本效益，但塑料可能同时具有不适合对抗温度升高影响的其他特性。例如，塑料的折射率相对于环境温度的变化可能具有较大的变化(折射率相对于温度变化的变化可表示为“dnT/dT”)。另外，塑料通常具有较大的热膨胀系数(CTE)。由于所述原因，塑料可能比其他材料对温度更敏感。

　　用于制造光学元件的另一种材料选择可以是玻璃。玻璃通常可以表现出较低的折射率变化和较低的热膨胀系数。但玻璃的缺点是可能比塑料更重。另外，使用玻璃的另一个缺点可能是难以操作。

　　所以在名为“Optical components having athermalization and aberration correction characteristics”的专利申请中，Meta提出了一种设计光学元件的方式，以令光学元件可以在整个视场提供无源无热化和像差校正特性。

　　在一个实施例中，为了选择和/或设计用于光学元件的多个光学元件，发明描述的方法可以将对象空间划分为多个子区域。另外，所述方法可以实现优化操作数的生成，选择和/或设计所述多个光学元件中的一个或多个以满足无热化和像差校正特性和/或要求。同时，可以通过基于光功率特性选择多个光学元件并优化多个子区域中的每一个来提供无热化，从而提供改进的无热化和像差校正设计。

　　塑料透镜的无热化特性

　　可以利用塑料的各种属性来实现塑料透镜的无热化。塑料透镜的无热化可能需要具有比玻璃透镜更大(通常明显更大)的镜筒。事实上，可以观察到用于透镜的塑料材料可能需要大于285×10−6/T−1的热膨胀系数。塑料singlet可能需要大镜筒热膨胀系数来实现无热化。然而，可能难以确保具有如此大的热膨胀系数的塑料。

　　在一个实施例中，补偿塑料透镜产生的大焦移的一种方法可能是增加镜筒长度。另外，为了补偿由使用塑料透镜提供的大焦移，可以使用具有不同热膨胀系数的第二镜筒。这种配置可称为“桶中桶”配置。图3A中示出了筒中筒配置305的第一示例，图3B中示出第二筒中筒结构310。这种镜筒中镜筒配置可以通过将图像传感器保持在正确焦平面的位置来补偿焦移。

　　在一个实施例中，为了实现无热化，可以提供以下设计考虑。首先，第一筒体可能需要较大的热膨胀系数，而第二筒体可能要求较小的热膨胀因数。接下来，在第二镜筒的热膨胀系数可以为零的情况下，第一镜筒的长度可能需要比通过使用具有高热膨胀系数的单镜筒所提供的焦距更长(例如大约4-5×更长)。

　　另外，在第二筒可能呈现负膨胀(即筒可能随着温度升高而收缩)的示例中，第一筒的长度可以更短。同时，如果长焦比小于1，则镜筒可能需要较大的热膨胀系数，并且可能不需要第二个镜筒。

　　玻璃透镜的无热化特性

　　玻璃透镜同时可以设计成无热化。类似于上述塑料singlet的示例，玻璃透镜可以利用筒中筒构造。另外，可以选择具有小热膨胀系数的筒中筒配置的内筒材料。在示例中，筒中筒结构的外筒同样可以选择具有小的热膨胀系数材料。

　　在其他示例中，可以选择具有大热膨胀系数的筒中筒配置的内筒材料和外筒材料。这是因为玻璃相对于温度变化可能具有较小的焦移变化。另外，由于玻璃透镜可能对温度变化不那么敏感，因此小于1的telephoto ratio(标称温度下透镜的标称焦距与镜筒长度的比值)可能更容易实现。

　　另外，玻璃singlet中的无热化可能更容易，因为玻璃通常具有小热膨胀系数和dnT/dT。事实上，玻璃的dnT/dT的比率甚至可能为正。

　　图12示出了将光学组件设计成在整个视场(FOV)提供无源无热化和像差校正的方法。

　　在1210，处理器601可以接收光学组件的设计规范。

　　在1220，处理器601可以选择和/或生成要包括在光学元件配置中的一个或多个光学元件。处理器601可以根据无热化要求选择和/或生成一个或多个光学元件中的每一个。在一个示例中，处理器601可以选择和/或生成塑料材料(例如EP5000、EP7000等)或玻璃材料(例如MP-FCD500-20、L-LAL15等)。

　　在1230，处理器601可以选择和/或生成一个或多个光学元件配置。另外，处理器601可以使得能够相对于多个温度设置测试光学元件配置的一个或多个光学元件。多个温度设置可以包括0华氏度(0°)、35华氏度(35°)和65华氏度(65°)。

　　在1240，处理器601可以实现优化功能以优化光学元件配置。处理器601可以实现满足一个或多个无热化要求的优化函数。在一个实施例中，为了实现优化功能，处理器601可以将对象平面AB划分为n个段，称为“区域”(即，区域1、区域2、…区域n)。

　　在1250，处理器601可以确定光学元件配置是否可以满足一个或多个初始规范。初始规范可以包括无热化和无色差规范。

　　在1260，处理器601启用对光学元件配置的一个或多个调整。处理器601可以实现与分辨率、失真和视场FOV相关的调整。

　　在1270，处理器601可以确定光学元件配置是否可以满足一个或多个附加规范。如果处理器601可以确定光学元件配置可能不满足附加规范，则处理器601可以返回用于继续选择和/或生成光学元件的处理。另一方面，如果处理器601可以确定光学元件配置可以满足设计规范，则处理可以结束。

　　名为“Optical components having athermalization and aberration correction characteristics”的Meta专利申请最初在2021年7月提交，并在日前由美国专利商标局公布。