מדוע עדשות מצלמה צריכות לשרוד שינויי טמפרטורה
שימו מצלמה בחוץ בחורף.
אז תשאיר אותו שם עד הקיץ.
ייתכן שהמצלמה עדיין נדלקת. החיישן עדיין עובד. האלקטרוניקה עדיין פועלת.
אבל האם התמונה נראית בדיוק אותו הדבר?
לא בהכרח.
זה אחד מהדברים שקל להתעלם מהם בעת בחירת עדשת מצלמה. עדשה יכולה להיראות חדה לחלוטין במעבדה בטמפרטורת החדר, ובכל זאת להתנהג אחרת לאחר בילוי שעות בחניון חם או בסביבה חיצונית מקפיאה.
הסיבה פשוטה:
עדשת מצלמה אינה יציבה מבחינה מימדית או אופטית כאשר הטמפרטורה משתנה.
וכאשר אתה מתמודד עם מערכת אופטית הנמדדת בשברירי מילימטר, שינויים "קטנים" יכולים להפוך לבעיות תמונה אמיתיות מאוד.
עדשה היא מערכת מכנית לא פחות ממערכת אופטית
כשאנשים מסתכלים על עדשת מצלמה, הם בדרך כלל חושבים על זכוכית.
זה הגיוני. הזכוכית היא המקום שבו האור הולך.
אבל בתוך עדשה אמיתית, קורה הרבה יותר.
ישנם אלמנטים אופטיים, חביות עדשות, מרווחים, מחזיקים, חוטים, חומרים דבקים, ולעיתים אלמנטים אופטיים מפלסטיק. חלקים שונים עשויים מחומרים שונים, וחומרים שונים מגיבים בצורה שונה לטמפרטורה.
כאשר הטמפרטורה עולה, החומרים מתרחבים.
כשהטמפרטורה יורדת, הם מתכווצים.
הבעיה היא שלא כולם מתרחבים או מתכווצים בדיוק באותה כמות.
דמיינו כמה אלמנטים אופטיים הממוקמים במרחקים מחושבים בקפידה זה מזה.
כעת מחממים את העדשה כולה.
קנה העדשה מתרחב. האלמנטים האופטיים משתנים מעט. המרווח בין האלמנטים משתנה. תכונות השבירה של החומרים האופטיים יכולים גם להשתנות עם הטמפרטורה.
העדשה לא נשברה.
שום דבר לא נראה לא בסדר מבחוץ.
אבל מבחינה אופטית, המערכת כבר לא בדיוק איפה שהמעצב תכנן אותה במקור.
זה המקום שבו הדברים מתחילים להיות מעניינים.
הפוקוס יכול לזוז מבלי שהמצלמה תזוז
אחת ההשלכות הנפוצות ביותר היא שינוי המיקוד.
עדשה עם פוקוס קבוע מתוכננת כך שהתמונה שנוצרת על ידי המערכת האופטית נופלת במקום הנכון ביחס לחיישן.
שנה את הגיאומטריה האופטית, ומיקום המיקוד הטוב ביותר יכול לזוז.
זה חשוב במיוחד עבור מצלמות המותקנות באופן קבוע.
דמיינו מצלמת אבטחה ממוקדת במהלך ההרכבה בסביבות 23°C.
בלילה הטמפרטורה יורדת ל-20 מעלות צלזיוס.
במהלך אחר הצהריים שלאחר מכן, בית המצלמה יושב תחת אור שמש ישיר ונעשה חם הרבה יותר.
המצלמה עצמה לא זזה.
החיישן לא זז.
אבל ייתכן שהעדשה השתנתה מספיק כדי שנקודת המיקוד הטובה ביותר תעבור.
במפעל התמונה נראתה חדה.
בחוץ, מספר שעות לאחר מכן, הוא עשוי להיראות רך יותר באופן ניכר.
זו הסיבה ש"העדשה עובדת ב-20 מעלות צלזיוס עד 60 מעלות צלזיוס" ו"העדשה שומרת על ביצועים אופטיים טובים מ-20 מעלות צלזיוס עד 60 מעלות צלזיוס" אינם בהכרח אותה אמירה.
השאלה השנייה היא השאלה שבה מהנדסים באמת אכפת ממנה.
למה חומרים אופטיים חשובים
הטמפרטורה לא משנה רק את הממדים הפיזיים של עדשה.
לחומרים אופטיים יש גם תכונות שבירה תלויות טמפרטורה.
המשמעות היא שההתנהגות האופטית של עדשה יכולה להשתנות בשתי דרכים בו-זמנית:
הגיאומטריה משתנה, והחומר האופטי עצמו משתנה.
עבור מערכת אופטית פשוטה, ההשפעה עשויה להיות קטנה יחסית.
עבור עדשה תובענית יותר, במיוחד כזו עם מספר אלמנטים ודרישות ביצועים הדוקות, שינויים אלה יכולים להצטבר.
התוצאה עשויה להופיע כשינוי מיקוד, שינויים ב-MTF, שינוי בהתנהגות סטייה או שינויים אחרים באיכות התמונה.
זו גם הסיבה שעיצוב העדשות אינו עוסק רק בחישוב הנתיב האופטי בטמפרטורה אחת.
עיצוב טוב צריך להתחשב בסביבה שבה העדשה תפעל בפועל.
זו הסיבה Athermalization קיימת
זה מביא אותנו למונח שהמהנדסים אופטיים משתמשים בהם לעתים קרובות:
אטרמליזציה.
זה נשמע מסובך, אבל הרעיון הבסיסי הוא די פרקטי.
אם הטמפרטורה תשנה את העדשה בכל מקרה, למה לא לתכנן את המערכת האופטית כך שהשינויים הללו יפצו זה על זה?
מהנדסים יכולים לבחור חומרים אופטיים בעלי מאפיינים תרמיים שונים, להתאים את מרווח האלמנטים, לבחור חומרים מכניים מתאימים, או לתכנן את המבנה המכאני כדי לפצות על התפשטות תרמית.
המטרה היא לא בהכרח להפוך כל רכיב בודד לחסין מפני טמפרטורה.
זה יהיה לא ריאלי.
המטרה היא להפוך את המערכת האופטית בכללותה לפחות רגישה לשינויי טמפרטורה.
זה הופך להיות חשוב יותר ויותר במצלמות רכב, מעקבים חיצוניים, ראייה תעשייתית, מזל"טים ויישומים אחרים שבהם המצלמה לא יכולה לחיות בחדר פנימי נוח.
למצלמות חוץ יש חיים הרבה יותר קשים
שקול מצלמת אבטחה בחניון.
בלילה, המצלמה עשויה לפעול בסביבה קרה.
במהלך היום, אותה מצלמה עלולה לשבת בתוך בית חשוך החשוף לאור שמש ישיר. הטמפרטורה בתוך הדיור יכולה להיות שונה משמעותית מהאוויר שמסביב.
עכשיו דמיינו לעשות את זה כל יום.
השאלה היא לא רק אם העדשה יכולה לשרוד יום חם אחד או לילה קר אחד.
זה האם המערכת האופטית יכולה לשמור על הביצועים שלה באמצעות שינויי טמפרטורה חוזרים ונשנים.
לכן מחזור טמפרטורה שימושי במהלך הערכת המוצר.
מהנדסים יכולים לחשוף את העדשה או מערכת המצלמה לתנאי טמפרטורה שונים ולאחר מכן לבדוק אם הביצועים האופטיים נשארים בטווח הנדרש.
עבור יצרן עדשות, בדיקה מסוג זה היא הרבה יותר אינפורמטיבית מאשר רק לבדוק אם העדשה עדיין נדלקת לאחר מכן.
מצלמה שמפעילה היא לא בהכרח מצלמה שעדיין מפיקה תמונה טובה.
מצלמות רכב דוחפים את הבעיה הלאה
יישומי רכב הופכים את היציבות התרמית לחשובה עוד יותר.
רכב יכול לעבור מסביבה חיצונית קרה לאור שמש ישיר. המצלמה עשויה להיות מותקנת מאחורי שמשה קדמית, ליד גוף הרכב, או במקום אחר שבו הטמפרטורות המקומיות הופכות גבוהות למדי.
המצלמה גם צריכה לעבוד שוב ושוב במחזורי הטמפרטורה הללו לאורך חיי השירות שלה.
מסיבה זו, פיתוח עדשות רכב מקדיש לעתים קרובות תשומת לב רבה להתנהגות תרמית, יציבות מכנית, יישור אופטי ועקביות ארוכת טווח.
אותו עיקרון חל על יישומי הדמיה תובעניים אחרים.
מזל"ט שטס בגובה אינו חווה את אותה סביבה תרמית כמו מצלמה היושבת על שולחן.
מצלמה תעשייתית ליד מכונות עלולה לחוות חום מתמשך.
מצלמת מעקב חיצונית עלולה להתמודד עם הבדלי טמפרטורות גדולים ביום בלילה.
העיצוב האופטי צריך להתאים לסביבה בפועל - לא לתנאים הנוחים של המעבדה.
בדיקת טמפרטורה היא המקום שבו מופיע ההבדל
כאן גם מתברר ההבדל בין דגימת עדשה לעדשה מוכנה לייצור.
במהלך הפיתוח, עיצוב אופטי עשוי לתפקד טוב מאוד בטמפרטורת החדר.
אבל ברגע שהעדשה נכנסת לייצור המוני, מופיעה שאלה נוספת:
האם ניתן לשמור על אותם ביצועים אופטיים על פני אצוות ייצור ועל פני תנאי טמפרטורה?
זה דורש יותר מאשר חישוב אופטי.
זה כרוך בבחירת חומרים, סובלנות מכנית, דיוק הרכבה, בדיקה ובדיקות סביבתיות.
בושי אופטיקהגישה לייצור עדשות כתהליך משולב, המכסה עיבוד אופטי, יציקה מדויקת, הרכבת עדשות ובדיקה. עבור יישומים עם דרישות סביבתיות תובעניות, עקביות ייצור זו הופכת חשובה לא פחות מהעיצוב האופטי המקורי.
מכיוון שאין ערך רב בעיצוב עדשה שמתפקדת יפה ב-23°C אם היישום האמיתי מבלה את רוב חייו במקום אחר.
אז האם כל עדשה צריכה עמידות בטמפרטורה קיצונית?
לֹא.
וזו נקודה חשובה.
עדשה למצלמה פנימית אינה זקוקה בהכרח לאותן דרישות תרמיות כמו מצלמת רכב או מערכת אבטחה חיצונית.
אין טווח טמפרטורת הפעלה אוניברסלי "הטוב ביותר".
המפרט הנכון תלוי באפליקציה.
מה שחשוב הוא להבין את הסביבה בפועל לפני בחירת העדשה.
היכן תותקן המצלמה?
מהו טווח הטמפרטורות הצפוי?
האם הטמפרטורה תשתנה לאט או במהירות?
האם העדשה תחווה מחזורי טמפרטורה חוזרים ונשנים?
האם האפליקציה דורשת מיקוד יציב על פני כל הטווח?
שאלות אלה שימושיות לעתים קרובות יותר מאשר פשוט לבקש את דירוג הטמפרטורה הגבוה ביותר בגליון נתונים.
עדשה צריכה לעבוד היכן שהמצלמה פועלת
זה החלק שלפעמים מפספסים.
עדשת מצלמה אינה נבדקת כך שיצרן יכול לשים מספר טמפרטורה מרשים על גיליון מפרט.
ביצועי הטמפרטורה חשובים כי התמונה חשובה.
עדשה שנשארת שלמה מבחינה מכנית אך מאבדת מיקוד, ניגודיות או עקביות אופטית בתנאי הפעלה אמיתיים לא באמת פתרה את הבעיה.
עבור מהנדסים אופטיים, צוותי רכש ויצרני מצלמות, השאלה הטובה יותר היא אפוא לא:
"האם העדשה הזו יכולה לשרוד את הטמפרטורה?"
זה:
"האם העדשה הזו יכולה לשמור על הביצועים האופטיים שהמצלמה שלנו צריכה בכל טווח הטמפרטורות?"
זו שאלה הרבה יותר שימושית.
כי מצלמות לא חיות במעבדות.
הם חיים על מכוניות, בניינים, מל"טים, מכונות, רחובות, מפעלים - ויותר ויותר, במקומות שבהם הטמפרטורה היא הכל מלבד נוחה.
עדשת מצלמה טובה לא מיועדת לטמפרטורה אחת. הוא מיועד לסביבה שבה המצלמה צריכה לעבוד בפועל.
