De ce trebuie ca obiectivele camerei să supraviețuiască schimbărilor de temperatură
Pune o cameră afară iarna.
Apoi lăsați-l acolo până vară.
Este posibil ca camera să pornească în continuare. Senzorul încă funcționează. Electronica încă funcționează.
Dar imaginea arată exact la fel?
Nu neapărat.
Acesta este unul dintre acele lucruri care este ușor de trecut cu vederea atunci când alegeți un obiectiv pentru cameră. O lentilă poate arăta perfect clară într-un laborator la temperatura camerei, dar se poate comporta diferit după ce a petrecut ore întregi într-o parcare fierbinte sau într-un mediu în aer liber înghețat.
Motivul este simplu:
Obiectivul camerei nu este stabil dimensional sau optic atunci când temperatura se schimbă.
Și atunci când aveți de-a face cu un sistem optic măsurat în fracțiuni de milimetru, modificările „mici” pot deveni probleme de imagine foarte reale.
O lentilă este un sistem mecanic la fel de mult ca unul optic
Când oamenii se uită la obiectivul unei camere, de obicei se gândesc la sticlă.
Asta are sens. Sticla este locul unde trece lumina.
Dar în interiorul unui obiectiv adevărat, se întâmplă mult mai mult.
Există elemente optice, butoaie de lentile, distanțiere, suporturi, fire, materiale adezive și uneori elemente optice din plastic. Piesele diferite sunt realizate din materiale diferite, iar materialele diferite răspund diferit la temperatură.
Când temperatura crește, materialele se extind.
Când temperatura scade, se contractă.
Problema este că nu toate se extind sau se contractă cu exact aceeași cantitate.
Imaginează-ți mai multe elemente optice poziționate la distanțe atent calculate unul față de celălalt.
Acum încălziți întregul obiectiv.
Butoiul obiectivului se extinde. Elementele optice se modifică ușor. Distanța dintre elemente se modifică. Proprietățile de refracție ale materialelor optice se pot modifica și cu temperatura.
Lentila nu s-a rupt.
Nimic nu pare evident greșit din exterior.
Dar din punct de vedere optic, sistemul nu mai este exact acolo unde proiectantul a vrut inițial să fie.
Acolo încep lucrurile să devină interesante.
Focalizarea se poate mișca fără ca camera să se miște
Una dintre cele mai frecvente consecințe este schimbarea focalizării.
O lentilă cu focalizare fixă este proiectată astfel încât imaginea formată de sistemul optic să cadă în locul potrivit față de senzor.
Schimbați geometria optică și cea mai bună poziție de focalizare se poate deplasa.
Acest lucru este deosebit de important pentru camerele care sunt instalate permanent.
Imaginați-vă o cameră de securitate focalizată în timpul asamblarii la aproximativ 23°C.
Noaptea, temperatura scade la -20°C.
În după-amiaza următoare, carcasa camerei se află sub lumina directă a soarelui și devine mult mai fierbinte.
Camera în sine nu s-a mișcat.
Senzorul nu s-a mișcat.
Dar este posibil ca obiectivul să se fi schimbat suficient pentru ca punctul de cea mai bună focalizare să se schimbe.
La fabrică, imaginea părea clară.
Afară, câteva ore mai târziu, poate părea vizibil mai moale.
Acesta este motivul pentru care „lentila funcționează la -20°C până la 60°C” și „lentila menține performanțe optice bune de la -20°C la 60°C” nu sunt neapărat aceeași afirmație.
A doua întrebare este cea care îi pasă inginerilor.
De ce contează materialele optice
Temperatura nu modifică doar dimensiunile fizice ale unui obiectiv.
Materialele optice au, de asemenea, proprietăți de refracție dependente de temperatură.
Aceasta înseamnă că comportamentul optic al unui obiectiv se poate schimba în două moduri în același timp:
geometria se schimbă, iar materialul optic însuși se schimbă.
Pentru un sistem optic simplu, efectul poate fi relativ mic.
Pentru un obiectiv mai pretențios, în special unul cu elemente multiple și cerințe stricte de performanță, aceste schimbări se pot acumula.
Rezultatul poate apărea ca deplasare a focalizării, modificări ale MTF, comportament alterat la aberație sau alte modificări ale calității imaginii.
Acesta este, de asemenea, motivul pentru care proiectarea lentilelor nu este niciodată doar despre calcularea căii optice la o temperatură.
Un design bun trebuie să ia în considerare mediul în care va funcționa efectiv lentila.
Acesta este motivul pentru care există atermizarea
Acest lucru ne aduce la un termen pe care inginerii optici îl folosesc frecvent:
atermalizare.
Sună complicat, dar ideea de bază este destul de practică.
Dacă oricum temperatura va schimba lentila, de ce să nu proiectați sistemul optic astfel încât acele modificări să se compenseze reciproc?
Inginerii pot selecta materiale optice cu diferite caracteristici termice, pot ajusta distanța dintre elemente, pot alege materiale mecanice adecvate sau pot proiecta structura mecanică pentru a compensa dilatarea termică.
Scopul nu este neapărat de a face fiecare componentă individuală imună la temperatură.
Ar fi nerealist.
Scopul este de a face sistemul optic în ansamblu mai puțin sensibil la schimbările de temperatură.
Acest lucru devine din ce în ce mai important în camerele auto, supravegherea exterioară, viziunea industrială, drone și alte aplicații în care camera nu poate locui într-o cameră interioară confortabilă.
Camerele de exterior au o viață mult mai grea
Luați în considerare o cameră de securitate pentru parcare.
Noaptea, camera poate funcționa într-un mediu rece.
În timpul zilei, aceeași cameră poate sta într-o carcasă întunecată expusă la lumina directă a soarelui. Temperatura din interiorul carcasei poate fi semnificativ diferită de cea a aerului din jur.
Acum imaginați-vă că faceți asta în fiecare zi.
Problema nu este doar dacă obiectivul poate supraviețui unei zile fierbinți sau unei nopți reci.
Este dacă sistemul optic își poate menține performanța prin schimbări repetate de temperatură.
De aceea, ciclul de temperatură este util în timpul evaluării produsului.
Inginerii pot expune obiectivul sau sistemul camerei la diferite condiții de temperatură și apoi pot verifica dacă performanța optică rămâne în intervalul necesar.
Pentru un producător de lentile, acest tip de testare este mult mai informativ decât simpla verificare dacă obiectivul se mai aprinde ulterior.
O cameră care pornește nu este neapărat o cameră care produce în continuare o imagine bună.
Camerele auto împing problema mai departe
Aplicațiile auto fac stabilitatea termică și mai importantă.
Un vehicul se poate muta dintr-un mediu exterior rece în lumina directă a soarelui. Camera poate fi montată în spatele parbrizului, lângă caroseria vehiculului sau într-o altă locație unde temperaturile locale devin destul de ridicate.
De asemenea, camera trebuie să funcționeze în mod repetat prin aceste cicluri de temperatură pe parcursul duratei sale de viață.
Din acest motiv, dezvoltarea lentilelor pentru automobile acordă adesea o atenție deosebită comportamentului termic, stabilității mecanice, alinierii optice și consistenței pe termen lung.
Același principiu se aplică și altor aplicații de imagistică solicitante.
O dronă care zboară la altitudine nu experimentează același mediu termic ca o cameră așezată pe un birou.
O cameră industrială în apropierea utilajelor poate experimenta căldură continuă.
O cameră de supraveghere exterioară se poate confrunta cu diferențe mari de temperatură zi-noapte.
Designul optic trebuie să se potrivească cu mediul real, nu cu condițiile confortabile ale laboratorului.
Testarea temperaturii este locul unde apare diferența
Tot aici devine evidentă diferența dintre un eșantion de lentilă și un obiectiv gata de producție.
În timpul dezvoltării, un design optic poate funcționa foarte bine la temperatura camerei.
Dar odată ce obiectivul intră în producția de masă, apare o altă întrebare:
Se poate menține aceeași performanță optică în loturi de producție și în condiții de temperatură?
Asta necesită mai mult decât un calcul optic.
Aceasta implică selecția materialelor, toleranțe mecanice, precizia asamblarii, inspecție și testare de mediu.
Optica Boshiabordează fabricarea lentilelor ca un proces integrat, care acoperă procesarea optică, turnarea de precizie, asamblarea lentilelor și inspecția. Pentru aplicațiile cu cerințe de mediu exigente, această consistență de fabricație devine la fel de importantă ca și designul optic original.
Pentru că nu are nicio valoare proiectarea unei lentile care funcționează frumos la 23°C dacă aplicația reală își petrece cea mai mare parte a vieții în altă parte.
Deci, fiecare obiectiv are nevoie de rezistență la temperatură extremă?
Nu.
Și acesta este un punct important.
Un obiectiv pentru o cameră de interior nu are neapărat nevoie de aceleași cerințe termice ca o cameră auto sau un sistem de securitate în aer liber.
Nu există un interval universal de temperatură de funcționare „cel mai bun”.
Specificația corectă depinde de aplicație.
Ceea ce contează este înțelegerea mediului real înainte de a alege obiectivul.
Unde va fi instalată camera?
Care este intervalul de temperatură așteptat?
Temperatura se va schimba lent sau rapid?
Va experimenta obiectivul cicluri repetate de temperatură?
Aplicația necesită o focalizare stabilă pe întreaga gamă?
Aceste întrebări sunt adesea mai utile decât pur și simplu solicitarea celui mai înalt nivel de temperatură pe o foaie de date.
Un obiectiv trebuie să funcționeze acolo unde funcționează camera
Aceasta este partea care uneori este ratată.
Un obiectiv de cameră nu este testat astfel încât un producător să poată pune un număr impresionant de temperatură pe o fișă de specificații.
Performanța temperaturii contează pentru că imaginea contează.
O lentilă care rămâne intactă din punct de vedere mecanic, dar își pierde focalizarea, contrastul sau consistența optică în condiții reale de funcționare nu a rezolvat cu adevărat problema.
Pentru inginerii optici, echipele de achiziții și producătorii de camere foto, întrebarea mai bună nu este, așadar:
„Poate această lentilă să supraviețuiască temperaturii?”
Este:
„Poate acest obiectiv să mențină performanța optică de care are nevoie camera noastră pe tot intervalul de temperatură?”
Aceasta este o întrebare mult mai utilă.
Pentru că camerele nu locuiesc în laboratoare.
Ei trăiesc pe mașini, clădiri, drone, mașini, străzi, fabrici și, din ce în ce mai mult, în locuri unde temperatura nu este confortabilă.
Un obiectiv de cameră bun nu este conceput pentru o singură temperatură. Este proiectat pentru mediul în care camera trebuie să funcționeze efectiv.
