Dlaczego obiektywy aparatu muszą przetrwać zmiany temperatury

Zimą wynoś aparat na zewnątrz.

Następnie zostaw go tam do lata.

Aparat może się nadal włączyć. Czujnik nadal działa. Elektronika nadal działa.

Ale czy obraz wygląda dokładnie tak samo?

Nie koniecznie.

To jedna z tych rzeczy, którą łatwo przeoczyć przy wyborze obiektywu do aparatu. Obiektyw może wyglądać idealnie ostro w laboratorium w temperaturze pokojowej, ale zachowywać się inaczej po spędzeniu wielu godzin na gorącym parkingu lub w mroźnym otoczeniu na zewnątrz.

Powód jest prosty:

Obiektyw aparatu nie jest stabilny wymiarowo ani optycznie przy zmianach temperatury.

A gdy masz do czynienia z układem optycznym mierzonym w ułamkach milimetra, „małe” zmiany mogą stać się bardzo realnymi problemami z obrazem.

Obiektyw jest systemem mechanicznym w takim samym stopniu jak optyczny

Kiedy ludzie patrzą na obiektyw aparatu, zwykle myślą o szkle.

To ma sens. Szkło jest miejscem, przez które przechodzi światło.

Ale w prawdziwym obiektywie dzieje się znacznie więcej.

Znajdują się tu elementy optyczne, tubusy obiektywów, przekładki, uchwyty, gwinty, materiały klejące, a czasem także plastikowe elementy optyczne. Różne części są wykonane z różnych materiałów, a różne materiały różnie reagują na temperaturę.

Wraz ze wzrostem temperatury materiały rozszerzają się.

Kiedy temperatura spada, kurczą się.

Problem w tym, że nie wszystkie rozszerzają się lub kurczą dokładnie w tym samym stopniu.

Wyobraź sobie kilka elementów optycznych umieszczonych w dokładnie obliczonych odległościach od siebie.

Teraz podgrzej całą soczewkę.

Tubus obiektywu rozszerza się. Elementy optyczne ulegają niewielkim zmianom. Zmieniają się odstępy pomiędzy elementami. Właściwości refrakcyjne materiałów optycznych mogą również zmieniać się wraz z temperaturą.

Obiektyw nie jest pęknięty.

Z zewnątrz nic nie wygląda wyraźnie źle.

Jednak pod względem optycznym system nie jest już dokładnie taki, jak pierwotnie zamierzył projektant.

To tutaj zaczyna robić się ciekawie.

Ostrość może się poruszać bez poruszania się aparatu

Jedną z najczęstszych konsekwencji jest zmiana ostrości.

Obiektyw stałoogniskowy projektuje się tak, aby obraz tworzony przez układ optyczny padał we właściwym miejscu względem matrycy.

Zmień geometrię optyczną, a pozycja z najlepszą ostrością może się przesunąć.

Jest to szczególnie ważne w przypadku kamer zainstalowanych na stałe.

Wyobraź sobie kamerę bezpieczeństwa skupioną podczas montażu w temperaturze około 23°C.

W nocy temperatura spada do -20°C.

Następnego popołudnia obudowa aparatu jest wystawiona na bezpośrednie działanie promieni słonecznych i nagrzewa się znacznie.

Sama kamera nie poruszyła się.

Czujnik się nie poruszył.

Ale obiektyw mógł zmienić się na tyle, że punkt najlepszej ostrości mógł się przesunąć.

W fabryce obraz był ostry.

Na zewnątrz, kilka godzin później, może wyglądać zauważalnie bardziej miękko.

Dlatego też stwierdzenia „obiektyw działa w temperaturach od -20°C do 60°C” i „obiektyw zachowuje dobre parametry optyczne w temperaturach od -20°C do 60°C” niekoniecznie są tym samym stwierdzeniem.

Drugie pytanie to to, na którym tak naprawdę interesują się inżynierowie.

Dlaczego materiały optyczne mają znaczenie

Temperatura zmienia nie tylko fizyczne wymiary obiektywu.

Materiały optyczne mają również właściwości refrakcyjne zależne od temperatury.

Oznacza to, że zachowanie optyczne obiektywu może zmieniać się jednocześnie na dwa sposoby:

zmienia się geometria i zmienia się sam materiał optyczny.

W przypadku prostego układu optycznego efekt może być stosunkowo niewielki.

W przypadku bardziej wymagającego obiektywu, zwłaszcza takiego, który ma wiele soczewek i ma wysokie wymagania dotyczące wydajności, zmiany te mogą się kumulować.

Rezultatem może być przesunięcie ostrości, zmiany MTF, zmienione zachowanie aberracji lub inne zmiany w jakości obrazu.

Z tego też powodu projektowanie soczewek nigdy nie polega wyłącznie na obliczeniu ścieżki optycznej w jednej temperaturze.

Dobry projekt musi uwzględniać środowisko, w którym obiektyw będzie faktycznie działać.

Dlatego właśnie istnieje atermalizacja

To prowadzi nas do terminu, którego często używają inżynierowie optycy:

atermalizacja.

Brzmi skomplikowanie, ale podstawowa idea jest całkiem praktyczna.

Jeśli temperatura i tak będzie miała wpływ na obiektyw, to dlaczego nie zaprojektować układu optycznego tak, aby te zmiany się kompensowały?

Inżynierowie mogą wybierać materiały optyczne o różnych właściwościach termicznych, dostosowywać odstępy między elementami, wybierać odpowiednie materiały mechaniczne lub projektować strukturę mechaniczną tak, aby kompensować rozszerzalność cieplną.

Celem nie jest koniecznie zapewnienie odporności każdego pojedynczego elementu na temperaturę.

To byłoby nierealne.

Celem jest zmniejszenie wrażliwości układu optycznego jako całości na zmiany temperatury.

Staje się to coraz ważniejsze w przypadku kamer samochodowych, monitoringu zewnętrznego, wizji przemysłowej, dronów i innych zastosowań, w których kamera nie może mieszkać w wygodnym pomieszczeniu wewnętrznym.

Kamery zewnętrzne mają znacznie trudniejsze życie

Rozważ kamerę monitorującą parking.

W nocy kamera może działać w zimnym otoczeniu.

W ciągu dnia ten sam aparat może stać w ciemnej obudowie wystawionej na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Temperatura wewnątrz obudowy może znacznie różnić się od otaczającego powietrza.

A teraz wyobraź sobie, że robisz to codziennie.

Problemem nie jest tylko to, czy obiektyw przetrwa jeden gorący dzień, czy jedną zimną noc.

Chodzi o to, czy układ optyczny może utrzymać swoje działanie pomimo powtarzających się zmian temperatury.

Dlatego też cykliczne zmiany temperatury są przydatne podczas oceny produktu.

Inżynierowie mogą wystawić obiektyw lub system aparatu na działanie różnych temperatur, a następnie sprawdzić, czy parametry optyczne mieszczą się w wymaganym zakresie.

Dla producenta obiektywu tego rodzaju testy dostarczają znacznie więcej informacji niż zwykłe sprawdzenie, czy obiektyw nadal się włącza.

Aparat, który się włącza, niekoniecznie jest aparatem, który nadal generuje dobry obraz.

Kamery samochodowe popychają problem dalej

Zastosowania motoryzacyjne sprawiają, że stabilność termiczna jest jeszcze ważniejsza.

Pojazd może przenieść się z zimnego otoczenia na zewnątrz w miejsce bezpośrednio nasłonecznione. Kamerę można zamontować za przednią szybą, w pobliżu nadwozia pojazdu lub w innym miejscu, gdzie lokalnie występują dość wysokie temperatury.

Kamera musi także wielokrotnie przechodzić te cykle temperatur w całym okresie użytkowania.

Z tego powodu przy opracowywaniu soczewek samochodowych często zwraca się szczególną uwagę na zachowanie termiczne, stabilność mechaniczną, wyrównanie optyczne i długoterminową konsystencję.

Ta sama zasada dotyczy innych wymagających aplikacji do przetwarzania obrazu.

Dron lecący na dużej wysokości nie doświadcza takiego samego środowiska termicznego, jak kamera stojąca na biurku.

Kamera przemysłowa znajdująca się w pobliżu maszyn może podlegać ciągłemu działaniu ciepła.

Zewnętrzna kamera monitorująca może napotykać duże różnice temperatur w dzień i w nocy.

Konstrukcja optyczna musi odpowiadać rzeczywistemu środowisku, a nie komfortowym warunkom panującym w laboratorium.

Testowanie temperatury to miejsce, w którym pojawia się różnica

Tutaj również staje się widoczna różnica pomiędzy próbką soczewki a soczewką gotową do produkcji.

Podczas opracowywania konstrukcja optyczna może działać bardzo dobrze w temperaturze pokojowej.

Kiedy jednak obiektyw wejdzie do masowej produkcji, pojawia się kolejne pytanie:

Czy tę samą wydajność optyczną można utrzymać w różnych seriach produkcyjnych i w różnych warunkach temperaturowych?

Wymaga to czegoś więcej niż tylko obliczeń optycznych.

Obejmuje wybór materiału, tolerancje mechaniczne, dokładność montażu, kontrolę i testy środowiskowe.

Optyka Boshiegopodchodzi do produkcji soczewek jako do zintegrowanego procesu, obejmującego obróbkę optyczną, precyzyjne formowanie, montaż soczewek i kontrolę. W przypadku zastosowań o wysokich wymaganiach środowiskowych ta spójność produkcji staje się tak samo ważna jak oryginalna konstrukcja optyczna.

Projektowanie obiektywu, który będzie doskonale działał w temperaturze 23°C, nie ma większego sensu, jeśli większość czasu rzeczywistego zastosowania spędzi gdzie indziej.

Czy zatem każdy obiektyw wymaga odporności na ekstremalne temperatury?

NIE.

I to jest ważny punkt.

Obiektyw do kamery wewnętrznej niekoniecznie wymaga takich samych wymagań termicznych jak kamera samochodowa czy zewnętrzny system bezpieczeństwa.

Nie ma uniwersalnego „najlepszego” zakresu temperatur pracy.

Właściwa specyfikacja zależy od zastosowania.

Przed wyborem obiektywu liczy się zrozumienie rzeczywistego środowiska.

Gdzie kamera zostanie zainstalowana?

Jaki jest oczekiwany zakres temperatur?

Czy temperatura będzie zmieniać się powoli czy szybko?

Czy obiektyw będzie poddawany powtarzającym się zmianom temperatury?

Czy aplikacja wymaga stabilnej ostrości w całym zakresie?

Pytania te są często bardziej przydatne niż samo pytanie o najwyższą temperaturę w arkuszu danych.

Obiektyw musi działać tam, gdzie działa aparat

To jest ta część, która czasami jest pomijana.

Obiektyw aparatu nie jest testowany, aby producent mógł umieścić imponującą liczbę temperatur w karcie specyfikacji.

Wydajność temperaturowa ma znaczenie, ponieważ liczy się obraz.

Obiektyw, który pozostaje nienaruszony mechanicznie, ale traci ostrość, kontrast lub spójność optyczną w rzeczywistych warunkach pracy, tak naprawdę nie rozwiązał problemu.

Dlatego dla inżynierów optycznych, zespołów zakupowych i producentów aparatów lepszym pytaniem nie jest:

„Czy ten obiektyw wytrzyma taką temperaturę?”

To jest:

„Czy ten obiektyw może utrzymać parametry optyczne wymagane przez nasz aparat w całym zakresie temperatur?”

To o wiele bardziej przydatne pytanie.

Bo kamery nie żyją w laboratoriach.

Żyją w samochodach, budynkach, dronach, maszynach, ulicach, fabrykach – i coraz częściej w miejscach, gdzie temperatura nie jest komfortowa.

Dobry obiektyw aparatu nie jest zaprojektowany na jedną temperaturę. Został zaprojektowany z myślą o środowisku, w którym kamera faktycznie musi pracować.