لماذا تحتاج عدسات الكاميرا إلى البقاء على قيد الحياة مع التغيرات في درجات الحرارة؟
ضع كاميرا بالخارج في الشتاء.
ثم اتركه هناك حتى الصيف.
ربما لا تزال الكاميرا قيد التشغيل. لا يزال المستشعر يعمل. الإلكترونيات لا تزال قيد التشغيل.
ولكن هل تبدو الصورة هي نفسها تمامًا؟
ليس بالضرورة.
وهذا أحد الأشياء التي يسهل التغاضي عنها عند اختيار عدسة الكاميرا. يمكن أن تبدو العدسة حادة تمامًا في المختبر في درجة حرارة الغرفة، ولكنها تتصرف بشكل مختلف بعد قضاء ساعات في موقف سيارات ساخن أو بيئة خارجية متجمدة.
السبب بسيط:
عدسة الكاميرا ليست مستقرة بعديًا أو بصريًا عند تغير درجة الحرارة.
وعندما تتعامل مع نظام بصري يتم قياسه بأجزاء من المليمتر، فإن التغييرات "الصغيرة" يمكن أن تصبح مشاكل حقيقية في الصورة.
العدسة هي نظام ميكانيكي بقدر ما هي نظام بصري
عندما ينظر الناس إلى عدسة الكاميرا، فإنهم عادة ما يفكرون في الزجاج.
هذا منطقي. الزجاج هو المكان الذي يذهب إليه الضوء.
ولكن داخل العدسة الحقيقية، هناك الكثير مما يحدث.
هناك عناصر بصرية، وأسطوانات العدسات، والفواصل، والحوامل، والخيوط، والمواد اللاصقة، وأحيانًا عناصر بصرية بلاستيكية. تُصنع الأجزاء المختلفة من مواد مختلفة، وتستجيب المواد المختلفة لدرجة الحرارة بشكل مختلف.
عندما ترتفع درجة الحرارة، تتوسع المواد.
عندما تنخفض درجة الحرارة، فإنها تنكمش.
المشكلة هي أنها لا تتوسع أو تتقلص بنفس المقدار بالضبط.
تخيل عدة عناصر بصرية موضوعة على مسافات محسوبة بعناية من بعضها البعض.
الآن قم بتسخين العدسة بأكملها.
يتوسع برميل العدسة. تتغير العناصر البصرية قليلاً. يتغير التباعد بين العناصر. يمكن أيضًا أن تتغير خصائص الانكسار للمواد البصرية مع درجة الحرارة.
العدسة لم تنكسر.
لا شيء يبدو خاطئًا بشكل واضح من الخارج.
لكن من الناحية البصرية، لم يعد النظام في المكان الذي أراد المصمم أن يكون فيه بالضبط.
هذا هو المكان الذي تبدأ فيه الأمور مثيرة للاهتمام.
يمكن أن يتحرك التركيز دون أن تتحرك الكاميرا
واحدة من العواقب الأكثر شيوعا هو تحول التركيز.
تم تصميم عدسة ذات تركيز ثابت بحيث تقع الصورة التي يشكلها النظام البصري في المكان المناسب بالنسبة للمستشعر.
قم بتغيير الهندسة البصرية، ويمكن أن يتحرك موضع التركيز البؤري الأفضل.
وهذا مهم بشكل خاص للكاميرات المثبتة بشكل دائم.
تخيل أن كاميرا أمنية تم التركيز عليها أثناء التجميع عند درجة حرارة حوالي 23 درجة مئوية.
وفي الليل تنخفض درجة الحرارة إلى -20 درجة مئوية.
خلال فترة ما بعد الظهر التالية، يوضع مبيت الكاميرا تحت ضوء الشمس المباشر ويصبح أكثر سخونة.
الكاميرا نفسها لم تتحرك.
المستشعر لم يتحرك.
لكن ربما تكون العدسة قد تغيرت بما يكفي لتغيير نقطة التركيز الأفضل.
في المصنع، بدت الصورة حادة.
في الخارج، بعد عدة ساعات، قد يبدو أكثر ليونة بشكل ملحوظ.
ولهذا السبب فإن عبارة "تعمل العدسة عند درجة حرارة -20 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية" و"تحافظ العدسة على أداء بصري جيد من -20 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية" ليست بالضرورة نفس العبارة.
السؤال الثاني هو الذي يهتم به المهندسون بالفعل.
لماذا تعتبر المواد البصرية مهمة؟
لا تغير درجة الحرارة الأبعاد المادية للعدسة فحسب.
تتمتع المواد البصرية أيضًا بخصائص انكسارية تعتمد على درجة الحرارة.
وهذا يعني أن السلوك البصري للعدسة يمكن أن يتغير بطريقتين في نفس الوقت:
تتغير الهندسة، وتتغير المادة البصرية نفسها.
بالنسبة لنظام بصري بسيط، قد يكون التأثير صغيرًا نسبيًا.
بالنسبة للعدسة الأكثر تطلبًا، خاصة تلك التي تحتوي على عناصر متعددة ومتطلبات أداء صارمة، يمكن أن تتراكم هذه التغييرات.
قد تظهر النتيجة كإزاحة التركيز، أو تغييرات في MTF، أو تغيير سلوك الانحراف، أو تغييرات أخرى في جودة الصورة.
وهذا أيضًا هو السبب في أن تصميم العدسة لا يقتصر أبدًا على حساب المسار البصري عند درجة حرارة واحدة.
يحتاج التصميم الجيد إلى مراعاة البيئة التي ستعمل فيها العدسة فعليًا.
هذا هو سبب وجود الحرارية
يقودنا هذا إلى مصطلح يستخدمه المهندسون البصريون بشكل متكرر:
الحرارية.
قد يبدو الأمر معقدًا، لكن الفكرة الأساسية عملية للغاية.
إذا كانت درجة الحرارة ستغير العدسة على أي حال، فلماذا لا يتم تصميم النظام البصري بحيث تعوض تلك التغييرات بعضها البعض؟
يمكن للمهندسين اختيار المواد البصرية ذات الخصائص الحرارية المختلفة، أو ضبط تباعد العناصر، أو اختيار المواد الميكانيكية المناسبة، أو تصميم الهيكل الميكانيكي للتعويض عن التمدد الحراري.
الهدف ليس بالضرورة جعل كل مكون فرديًا محصنًا ضد درجة الحرارة.
سيكون ذلك غير واقعي.
الهدف هو جعل النظام البصري ككل أقل حساسية للتغيرات في درجات الحرارة.
ويصبح هذا الأمر ذا أهمية متزايدة في كاميرات السيارات، والمراقبة الخارجية، والرؤية الصناعية، والطائرات بدون طيار، وغيرها من التطبيقات حيث لا يمكن للكاميرا أن تعيش في غرفة داخلية مريحة.
تتمتع الكاميرات الخارجية بحياة أصعب بكثير
فكر في استخدام كاميرا أمنية في ساحة انتظار السيارات.
في الليل، قد تعمل الكاميرا في بيئة باردة.
أثناء النهار، قد توضع نفس الكاميرا داخل مبيت مظلم معرض لأشعة الشمس المباشرة. يمكن أن تختلف درجة الحرارة داخل السكن بشكل كبير عن الهواء المحيط.
الآن تخيل أنك تفعل هذا كل يوم.
لا تقتصر المشكلة على ما إذا كانت العدسة قادرة على البقاء في يوم حار أو في ليلة باردة.
يتعلق الأمر بما إذا كان النظام البصري يمكنه الحفاظ على أدائه من خلال التغيرات المتكررة في درجات الحرارة.
ولهذا السبب فإن تدوير درجة الحرارة مفيد أثناء تقييم المنتج.
يمكن للمهندسين تعريض العدسة أو نظام الكاميرا لظروف درجات حرارة مختلفة ومن ثم التحقق مما إذا كان الأداء البصري يظل ضمن النطاق المطلوب.
بالنسبة إلى الشركة المصنعة للعدسة، يعد هذا النوع من الاختبار أكثر إفادة من مجرد التحقق من استمرار تشغيل العدسة بعد ذلك.
الكاميرا التي تعمل بالطاقة ليست بالضرورة كاميرا لا تزال تنتج صورة جيدة.
كاميرات السيارات تدفع المشكلة إلى أبعد من ذلك
تطبيقات السيارات تجعل الاستقرار الحراري أكثر أهمية.
يمكن للمركبة أن تنتقل من بيئة خارجية باردة إلى ضوء الشمس المباشر. قد يتم تركيب الكاميرا خلف الزجاج الأمامي، بالقرب من جسم السيارة، أو في مكان آخر حيث تصبح درجات الحرارة المحلية مرتفعة جدًا.
تحتاج الكاميرا أيضًا إلى العمل بشكل متكرر خلال دورات درجة الحرارة هذه طوال فترة خدمتها.
لهذا السبب، غالبًا ما يولي تطوير عدسات السيارات اهتمامًا وثيقًا بالسلوك الحراري، والاستقرار الميكانيكي، والمحاذاة البصرية، والاتساق على المدى الطويل.
وينطبق المبدأ نفسه على تطبيقات التصوير الأخرى الصعبة.
لا تواجه الطائرة بدون طيار التي تحلق على ارتفاعات عالية نفس البيئة الحرارية التي تتعرض لها الكاميرا الموجودة على المكتب.
قد تتعرض الكاميرا الصناعية القريبة من الآلات للحرارة المستمرة.
قد تواجه كاميرا المراقبة الخارجية اختلافات كبيرة في درجات الحرارة ليلاً ونهارًا.
يجب أن يتوافق التصميم البصري مع البيئة الفعلية، وليس الظروف المريحة للمختبر.
اختبار درجة الحرارة هو المكان الذي يظهر فيه الفرق
وهنا أيضًا يصبح الفرق بين عينة العدسة والعدسة الجاهزة للإنتاج واضحًا.
أثناء التطوير، قد يكون أداء التصميم البصري جيدًا جدًا في درجة حرارة الغرفة.
ولكن بمجرد دخول العدسة إلى الإنتاج الضخم، يظهر سؤال آخر:
هل يمكن الحفاظ على نفس الأداء البصري عبر دفعات الإنتاج وعبر ظروف درجات الحرارة؟
وهذا يتطلب أكثر من مجرد الحساب البصري.
ويشمل اختيار المواد، والتفاوتات الميكانيكية، ودقة التجميع، والفحص، والاختبار البيئي.
بصريات بوشينهج تصنيع العدسات كعملية متكاملة، تغطي المعالجة البصرية، والقولبة الدقيقة، وتجميع العدسات، والفحص. بالنسبة للتطبيقات ذات المتطلبات البيئية الصعبة، يصبح اتساق التصنيع هذا بنفس أهمية التصميم البصري الأصلي.
لأنه لا توجد قيمة كبيرة في تصميم عدسة تعمل بشكل جميل عند درجة حرارة 23 درجة مئوية إذا كان التطبيق الحقيقي يقضي معظم حياته في مكان آخر.
إذًا، هل تحتاج كل عدسة إلى مقاومة شديدة لدرجة الحرارة؟
لا.
وهذه نقطة مهمة.
لا تحتاج عدسة الكاميرا الداخلية بالضرورة إلى نفس المتطلبات الحرارية التي تحتاجها كاميرا السيارات أو نظام الأمان الخارجي.
لا يوجد نطاق عالمي لدرجة حرارة التشغيل "الأفضل".
المواصفات الصحيحة تعتمد على التطبيق.
ما يهم هو فهم البيئة الفعلية قبل اختيار العدسة.
أين سيتم تركيب الكاميرا؟
ما هو نطاق درجة الحرارة المتوقعة؟
هل ستتغير درجة الحرارة ببطء أم بسرعة؟
هل ستتعرض العدسة لدورة متكررة في درجات الحرارة؟
هل يتطلب التطبيق تركيزًا ثابتًا عبر النطاق بأكمله؟
غالبًا ما تكون هذه الأسئلة أكثر فائدة من مجرد السؤال عن أعلى تصنيف لدرجة الحرارة في ورقة البيانات.
يجب أن تعمل العدسة حيث تعمل الكاميرا
هذا هو الجزء الذي يتم تفويته في بعض الأحيان.
لم يتم اختبار عدسة الكاميرا حتى تتمكن الشركة المصنعة من وضع رقم درجة حرارة مثير للإعجاب على ورقة المواصفات.
أداء درجة الحرارة مهم لأن الصورة مهمة.
إن العدسة التي تظل سليمة ميكانيكيًا ولكنها تفقد التركيز أو التباين أو الاتساق البصري في ظل ظروف التشغيل الحقيقية لم تحل المشكلة حقًا.
بالنسبة لمهندسي البصريات، وفرق المشتريات، وشركات تصنيع الكاميرات، فإن السؤال الأفضل ليس:
"هل تستطيع هذه العدسة تحمل درجة الحرارة؟"
إنها:
"هل تستطيع هذه العدسة الحفاظ على الأداء البصري الذي تحتاجه الكاميرا في نطاق درجات الحرارة؟"
هذا سؤال أكثر فائدة.
لأن الكاميرات لا تعيش في المختبرات.
إنهم يعيشون على السيارات والمباني والطائرات بدون طيار والآلات والشوارع والمصانع - وعلى نحو متزايد، في الأماكن التي تكون فيها درجة الحرارة غير مريحة.
عدسة الكاميرا الجيدة ليست مصممة لدرجة حرارة واحدة. إنه مصمم للبيئة التي يجب أن تعمل فيها الكاميرا بالفعل.
