Proč musí objektivy fotoaparátů přežít změny teploty

V zimě dejte fotoaparát ven.

Pak to tam nechte do léta.

Kamera se může stále zapínat. Senzor stále funguje. Elektronika stále běží.

Ale vypadá obrázek úplně stejně?

Ne nutně.

To je jedna z věcí, kterou lze při výběru objektivu fotoaparátu snadno přehlédnout. Čočka může v laboratoři při pokojové teplotě vypadat dokonale ostře, ale po hodinách strávených na horkém parkovišti nebo v mrazivém venkovním prostředí se chovat jinak.

Důvod je jednoduchý:

Čočka fotoaparátu není rozměrově ani opticky stabilní při změnách teploty.

A když máte co do činění s optickým systémem měřeným ve zlomcích milimetru, „malé“ změny se mohou stát skutečnými problémy s obrazem.

Čočka je mechanický systém stejně jako optický

Když se lidé dívají do objektivu fotoaparátu, obvykle myslí na sklo.

To dává smysl. Sklo je místo, kam jde světlo.

Ale uvnitř skutečné čočky se toho děje mnohem víc.

Existují optické prvky, tubusy objektivu, distanční vložky, držáky, závity, lepicí materiály a někdy plastové optické prvky. Různé části jsou vyrobeny z různých materiálů a různé materiály různě reagují na teplotu.

Když teplota stoupá, materiály expandují.

Když teplota klesne, stahují se.

Problém je v tom, že se všechny neroztahují nebo smršťují přesně o stejnou hodnotu.

Představte si několik optických prvků umístěných v pečlivě vypočítaných vzdálenostech od sebe.

Nyní zahřejte celou čočku.

Tubus objektivu se roztáhne. Optické prvky se mírně mění. Mezery mezi prvky se mění. Refrakční vlastnosti optických materiálů se také mohou měnit s teplotou.

Objektiv se nerozbil.

Zvenčí zjevně nic nevypadá špatně.

Opticky už ale systém není přesně tam, kde jej designér původně zamýšlel.

To je místo, kde věci začínají být zajímavé.

Zaostření se může pohybovat bez pohybu kamery

Jedním z nejčastějších důsledků je posun zaměření.

Objektiv s pevným ohniskem je navržen tak, aby obraz tvořený optickým systémem dopadal na správné místo vzhledem ke snímači.

Změňte optickou geometrii a nejlepší pozice zaostření se může posunout.

To je důležité zejména u kamer, které jsou trvale nainstalovány.

Představte si bezpečnostní kameru zaostřenou při montáži při teplotě kolem 23°C.

V noci teplota klesá až k -20°C.

Během následujícího odpoledne bude kryt kamery vystaven přímému slunečnímu záření a bude mnohem teplejší.

Samotná kamera se nepohnula.

Senzor se nepohnul.

Objektiv se ale možná změnil natolik, že se bod nejlepšího zaostření posunul.

V továrně vypadal obraz ostře.

Venku o několik hodin později může vypadat znatelně měkčí.

To je důvod, proč „čočka funguje při -20 °C až 60 °C“ a „čočka si zachovává dobrý optický výkon od -20 °C do 60 °C“ nemusí být nutně totéž.

Druhá otázka je ta, která inženýry skutečně zajímá.

Proč na optických materiálech záleží

Teplota nemění pouze fyzické rozměry čočky.

Optické materiály mají také teplotně závislé refrakční vlastnosti.

To znamená, že optické chování čočky se může měnit dvěma způsoby současně:

mění se geometrie a mění se i samotný optický materiál.

U jednoduchého optického systému může být účinek relativně malý.

U náročnějších objektivů, zejména u objektivů s více členy a přísnými požadavky na výkon, se tyto změny mohou kumulovat.

Výsledek se může projevit jako posun zaostření, změny MTF, změněné chování při aberaci nebo jiné změny v kvalitě obrazu.

To je také důvod, proč design objektivu nikdy není jen o výpočtu optické dráhy při jedné teplotě.

Dobrý design musí vzít v úvahu prostředí, ve kterém bude objektiv skutečně fungovat.

To je důvod, proč existuje atermalizace

To nás přivádí k termínu, který optičtí inženýři často používají:

atermalizace.

Zní to složitě, ale základní myšlenka je docela praktická.

Pokud teplota stejně změní čočku, proč nenavrhnout optický systém tak, aby se tyto změny vzájemně kompenzovaly?

Inženýři mohou vybrat optické materiály s různými tepelnými charakteristikami, upravit rozmístění prvků, vybrat vhodné mechanické materiály nebo navrhnout mechanickou strukturu pro kompenzaci tepelné roztažnosti.

Cílem není nutně učinit každou jednotlivou součást imunní vůči teplotě.

To by bylo nereálné.

Cílem je učinit optický systém jako celek méně citlivý na změny teploty.

To se stává stále důležitějším u automobilových kamer, venkovního dohledu, průmyslového vidění, dronů a dalších aplikací, kde kamera nemůže žít v pohodlné vnitřní místnosti.

Venkovní kamery mají mnohem těžší život

Zvažte bezpečnostní kameru na parkovišti.

V noci může kamera pracovat v chladném prostředí.

Během dne může stejná kamera sedět v tmavém krytu vystaveném přímému slunečnímu záření. Teplota uvnitř krytu se může výrazně lišit od okolního vzduchu.

A teď si představte, že to děláte každý den.

Nejde jen o to, zda objektiv přežije jeden horký den nebo jednu chladnou noc.

Jde o to, zda si optický systém dokáže udržet svůj výkon opakovanými změnami teploty.

Proto je při hodnocení produktu užitečné cyklování teplot.

Inženýři mohou vystavit objektiv nebo kamerový systém různým teplotním podmínkám a poté zkontrolovat, zda optický výkon zůstává v požadovaném rozsahu.

Pro výrobce objektivů je tento druh testování mnohem informativnější než pouhé zjišťování, zda se objektiv poté stále zapne.

Kamera, která se zapne, nemusí být nutně kamera, která stále vytváří dobrý obraz.

Automobilové kamery posouvají problém dále

U automobilových aplikací je tepelná stabilita ještě důležitější.

Vozidlo se může přesunout z chladného venkovního prostředí na přímé sluneční světlo. Kamera může být namontována za čelním sklem, blízko karoserie vozidla nebo na jiném místě, kde jsou místní teploty poměrně vysoké.

Kamera také musí během své životnosti opakovaně procházet těmito teplotními cykly.

Z tohoto důvodu vývoj automobilových čoček často věnuje velkou pozornost tepelnému chování, mechanické stabilitě, optickému vyrovnání a dlouhodobé konzistenci.

Stejný princip platí i pro další náročné zobrazovací aplikace.

Dron letící ve výšce nezažívá stejné tepelné prostředí jako kamera sedící na stole.

Průmyslová kamera v blízkosti strojů může být trvale zahřívána.

Venkovní sledovací kamera může čelit velkým teplotním rozdílům mezi dnem a nocí.

Optický design musí odpovídat skutečnému prostředí – ne pohodlným podmínkám laboratoře.

Testování teploty je místo, kde se ukazuje rozdíl

Zde je také patrný rozdíl mezi vzorkem čočky a čočkou připravenou k výrobě.

Během vývoje může optický design fungovat velmi dobře při pokojové teplotě.

Jakmile se však čočka dostane do sériové výroby, objeví se další otázka:

Lze zachovat stejný optický výkon napříč výrobními šaržemi a teplotními podmínkami?

To vyžaduje více než jen optický výpočet.

Zahrnuje výběr materiálu, mechanické tolerance, přesnost montáže, kontrolu a environmentální testování.

Optika Boshipřistupuje k výrobě čoček jako k integrovanému procesu, který zahrnuje optické zpracování, přesné lisování, montáž čoček a kontrolu. Pro aplikace s náročnými environmentálními požadavky se tato výrobní konzistence stává stejně důležitou jako originální optický design.

Protože nemá cenu navrhovat čočku, která se krásně chová při 23 °C, pokud skutečná aplikace stráví většinu svého života někde jinde.

Potřebuje tedy každý objektiv extrémní teplotní odolnost?

Žádný.

A to je důležitý bod.

Objektiv pro vnitřní kameru nemusí nutně vyžadovat stejné tepelné požadavky jako automobilová kamera nebo venkovní bezpečnostní systém.

Neexistuje žádný univerzální „nejlepší“ rozsah provozních teplot.

Správná specifikace závisí na aplikaci.

Důležité je porozumět skutečnému prostředí před výběrem objektivu.

Kde bude kamera instalována?

Jaký je očekávaný teplotní rozsah?

Bude se teplota měnit pomalu nebo rychle?

Zažije objektiv opakované cyklování teploty?

Vyžaduje aplikace stabilní zaostření v celém rozsahu?

Tyto otázky jsou často užitečnější než prosté žádat o nejvyšší teplotní hodnocení v datovém listu.

Objektiv musí fungovat tam, kde funguje fotoaparát

To je část, která se někdy vynechává.

Objektiv fotoaparátu není testován, takže výrobce může na technický list uvést působivé číslo teploty.

Teplotní výkon je důležitý, protože na obrazu záleží.

Objektiv, který zůstává mechanicky nedotčený, ale v reálných provozních podmínkách ztrácí zaostření, kontrast nebo optickou konzistenci, tento problém ve skutečnosti nevyřešil.

Pro optické inženýry, nákupní týmy a výrobce fotoaparátů proto není lepší otázka:

"Vydrží tato čočka teplotu?"

To je:

"Dokáže tento objektiv udržet optický výkon, který naše kamera potřebuje, v celém teplotním rozsahu?"

To je mnohem užitečnější otázka.

Protože kamery nežijí v laboratořích.

Žijí v autech, budovách, dronech, strojích, ulicích, továrnách – a stále častěji v místech, kde není příjemná teplota.

Dobrý objektiv fotoaparátu není určen pro jednu teplotu. Je určen pro prostředí, ve kterém má fotoaparát skutečně pracovat.