Почему объективы фотоаппаратов должны выдерживать изменения температуры

Зимой выставляйте камеру на улицу.

Затем оставьте его там до лета.

Камера все равно может включиться. Датчик до сих пор работает. Электроника продолжает работать.

Но выглядит ли изображение точно так же?

Не обязательно.

Это одна из тех вещей, которую легко упустить из виду при выборе объектива для фотоаппарата. Объектив может выглядеть идеально резким в лаборатории при комнатной температуре, но вести себя по-другому после нескольких часов пребывания на жаркой парковке или в условиях холода на открытом воздухе.

Причина проста:

Объектив камеры не является размерно или оптически стабильным при изменении температуры.

А когда вы имеете дело с оптической системой, размер которой составляет доли миллиметра, «небольшие» изменения могут стать вполне реальными проблемами изображения.

Объектив — это такая же механическая система, как и оптическая.

Когда люди смотрят на объектив камеры, они обычно думают о стекле.

Это имеет смысл. Стекло – это то место, куда распространяется свет.

Но внутри настоящей линзы происходит гораздо больше.

Это оптические элементы, оправы объективов, проставки, держатели, резьбы, клейкие материалы, а иногда и пластиковые оптические элементы. Разные детали изготовлены из разных материалов, и разные материалы по-разному реагируют на температуру.

При повышении температуры материалы расширяются.

При понижении температуры они сжимаются.

Проблема в том, что не все они расширяются или сжимаются на одинаковую величину.

Представьте себе несколько оптических элементов, расположенных на тщательно рассчитанных расстояниях друг от друга.

Теперь нагрейте всю линзу.

Корпус объектива расширяется. Оптические элементы немного меняются. Расстояние между элементами меняется. Преломляющие свойства оптических материалов также могут меняться в зависимости от температуры.

Линза не сломалась.

Со стороны ничто не выглядит явно неправильным.

Но визуально система уже не совсем такая, какой ее изначально задумал проектировщик.

Вот тут-то и начинается самое интересное.

Фокус может перемещаться без движения камеры

Одним из наиболее распространенных последствий является смещение фокуса.

Объектив с фиксированным фокусом устроен так, что изображение, формируемое оптической системой, попадает в нужное место относительно сенсора.

Измените оптическую геометрию, и положение наилучшей фокусировки может измениться.

Это особенно важно для камер, которые установлены стационарно.

Представьте себе камеру наблюдения, сфокусированную во время сборки при температуре около 23°C.

Ночью температура опускается до -20°C.

На следующий день корпус камеры находится под прямыми солнечными лучами и становится намного жарче.

Сама камера не двигалась.

Датчик не сдвинулся.

Но объектив, возможно, изменился настолько, что сместилась точка наилучшей фокусировки.

На заводе изображение выглядело резким.

На улице через несколько часов она может выглядеть заметно мягче.

Вот почему «линза работает при температуре от -20°C до 60°C» и «линза сохраняет хорошие оптические характеристики при температуре от -20°C до 60°C» — это не обязательно одно и то же утверждение.

Второй вопрос — это тот, который действительно волнует инженеров.

Почему оптические материалы так важны

Температура меняет не только физические размеры линзы.

Оптические материалы также обладают зависящими от температуры преломляющими свойствами.

Это означает, что оптическое поведение линзы может меняться двумя способами одновременно:

меняется геометрия, меняется и сам оптический материал.

Для простой оптической системы эффект может быть относительно небольшим.

Для более требовательных объективов, особенно с несколькими элементами и жесткими требованиями к производительности, эти изменения могут накапливаться.

Результат может проявляться в виде смещения фокуса, изменений MTF, изменения поведения аберраций или других изменений качества изображения.

Именно поэтому конструкция линзы никогда не сводится только к расчету оптического пути при одной температуре.

Хороший дизайн должен учитывать среду, в которой объектив будет фактически работать.

Вот почему существует атермализация

Это подводит нас к термину, который часто используют инженеры-оптики:

атермализация.

Звучит сложно, но основная идея вполне практична.

Если температура в любом случае будет изменять линзу, почему бы не спроектировать оптическую систему так, чтобы эти изменения компенсировали друг друга?

Инженеры могут выбирать оптические материалы с различными тепловыми характеристиками, регулировать расстояние между элементами, выбирать подходящие механические материалы или проектировать механическую конструкцию для компенсации теплового расширения.

Цель не обязательно состоит в том, чтобы сделать каждый отдельный компонент невосприимчивым к температуре.

Это было бы нереально.

Цель — сделать оптическую систему в целом менее чувствительной к изменениям температуры.

Это становится все более важным в автомобильных камерах, наружном наблюдении, промышленном зрении, дронах и других приложениях, где камера не может находиться в комфортабельном помещении.

У уличных камер жизнь намного тяжелее

Рассмотрим камеру видеонаблюдения на парковке.

Ночью камера может работать в холодной среде.

В течение дня та же самая камера может находиться внутри темного корпуса и подвергаться воздействию прямых солнечных лучей. Температура внутри корпуса может существенно отличаться от температуры окружающего воздуха.

А теперь представьте, что вы делаете это каждый день.

Вопрос не просто в том, выдержит ли линза один жаркий день или одну холодную ночь.

Вопрос в том, сможет ли оптическая система сохранить свою производительность при повторяющихся изменениях температуры.

Вот почему циклическое изменение температуры полезно при оценке продукта.

Инженеры могут подвергать объектив или систему камеры воздействию различных температурных условий, а затем проверять, остаются ли оптические характеристики в требуемом диапазоне.

Для производителя объективов такого рода тестирование гораздо информативнее, чем простая проверка, включается ли объектив после этого.

Камера, которая включается, не обязательно обеспечивает хорошее изображение.

Автомобильные камеры расширяют проблему

Применения в автомобильной промышленности делают термическую стабильность еще более важной.

Транспортное средство может перемещаться из холодного наружного воздуха под прямые солнечные лучи. Камеру можно установить за лобовым стеклом, рядом с кузовом автомобиля или в другом месте, где локальная температура становится достаточно высокой.

Камере также необходимо неоднократно проходить через эти температурные циклы в течение всего срока службы.

По этой причине при разработке автомобильных линз часто уделяется пристальное внимание термическому поведению, механической стабильности, оптическому выравниванию и долговременной стабильности.

Тот же принцип применим и к другим требовательным приложениям для обработки изображений.

Дрон, летящий на высоте, не испытывает такой же тепловой среды, как камера, стоящая на столе.

Промышленная камера рядом с оборудованием может постоянно нагреваться.

Камера наружного наблюдения может столкнуться с большой разницей температур днем ​​и ночью.

Оптическая конструкция должна соответствовать реальной среде, а не комфортным условиям лаборатории.

Температурное тестирование — вот где проявляется разница

Здесь также становится очевидной разница между образцом объектива и готовым к производству объективом.

Во время разработки оптическая схема может очень хорошо работать при комнатной температуре.

Но как только объектив поступит в серийное производство, возникает другой вопрос:

Можно ли поддерживать одинаковые оптические характеристики для разных производственных партий и температурных условий?

Это требует большего, чем просто оптические расчеты.

Он включает в себя выбор материала, механические допуски, точность сборки, проверку и экологические испытания.

Боши Оптикаподходит к производству линз как к интегрированному процессу, охватывающему оптическую обработку, прецизионное формование, сборку линз и проверку. Для применений с жесткими экологическими требованиями постоянство производства становится столь же важным, как и оригинальная оптическая конструкция.

Потому что нет особого смысла разрабатывать объектив, который будет прекрасно работать при температуре 23°C, если реальное применение проводит большую часть своего срока службы где-то еще.

Итак, каждому ли объективу нужна устойчивость к экстремальным температурам?

Нет.

И это важный момент.

Объектив для внутренней камеры не обязательно должен соответствовать тем же температурным требованиям, что и автомобильная камера или уличная система безопасности.

Не существует универсального «лучшего» диапазона рабочих температур.

Правильная спецификация зависит от применения.

Прежде чем выбирать объектив, важно понять реальную окружающую среду.

Где будет установлена ​​камера?

Каков ожидаемый температурный диапазон?

Будет ли температура меняться медленно или быстро?

Будет ли объектив подвергаться повторяющимся температурным циклам?

Требует ли приложение стабильной фокусировки во всем диапазоне?

Эти вопросы часто более полезны, чем простой запрос о самой высокой температуре в таблице данных.

Объектив должен работать там, где работает камера

Это та часть, которую иногда упускают.

Объектив камеры не подвергается испытаниям, поэтому производитель может указать впечатляющее значение температуры в спецификации.

Температурные характеристики имеют значение, потому что имеет значение изображение.

Объектив, который остается механически неповрежденным, но теряет фокус, контрастность или оптическую стабильность в реальных условиях эксплуатации, на самом деле не решает проблему.

Поэтому для инженеров-оптиков, групп закупок и производителей камер лучшим вопросом будет не такой:

«Может ли эта линза выдержать такую ​​температуру?»

Это:

«Может ли этот объектив поддерживать оптические характеристики, необходимые нашей камере во всем диапазоне температур?»

Это гораздо более полезный вопрос.

Потому что камеры не живут в лабораториях.

Они живут в автомобилях, зданиях, дронах, машинах, улицах, фабриках — и все чаще в местах, где температура далеко не комфортная.

Хороший объектив фотоаппарата не рассчитан на одну температуру. Он предназначен для условий, в которых фактически приходится работать камере.