Tại sao ống kính máy ảnh cần tồn tại trước sự thay đổi nhiệt độ

Đặt máy ảnh bên ngoài vào mùa đông.

Sau đó để nó ở đó cho đến mùa hè.

Máy ảnh có thể vẫn bật. Cảm biến vẫn hoạt động. Các thiết bị điện tử vẫn đang chạy.

Nhưng liệu hình ảnh có giống hệt nhau không?

Không nhất thiết phải như vậy.

Đây là một trong những điều dễ bị bỏ qua khi chọn ống kính máy ảnh. Một thấu kính có thể trông hoàn toàn sắc nét trong phòng thí nghiệm ở nhiệt độ phòng, nhưng hoạt động khác đi sau nhiều giờ ở bãi đậu xe nóng nực hoặc môi trường ngoài trời lạnh giá.

Lý do rất đơn giản:

Ống kính máy ảnh không ổn định về kích thước hoặc quang học khi nhiệt độ thay đổi.

Và khi bạn đang xử lý một hệ thống quang học được đo bằng phân số của milimet, những thay đổi “nhỏ” có thể trở thành vấn đề về hình ảnh rất thực tế.

Ống kính là một hệ thống cơ học giống như một hệ thống quang học

Khi mọi người nhìn vào ống kính máy ảnh, họ thường nghĩ đến kính.

Điều đó có ý nghĩa. Kính là nơi ánh sáng đi tới.

Nhưng bên trong một ống kính thực sự, còn nhiều điều hơn thế nữa đang diễn ra.

Có các bộ phận quang học, thùng thấu kính, miếng đệm, giá đỡ, sợi chỉ, vật liệu kết dính và đôi khi là các bộ phận quang học bằng nhựa. Các bộ phận khác nhau được làm từ các vật liệu khác nhau và các vật liệu khác nhau phản ứng khác nhau với nhiệt độ.

Khi nhiệt độ tăng, vật liệu nở ra.

Khi nhiệt độ giảm, chúng co lại.

Vấn đề là chúng không giãn nở hay co lại với cùng một lượng như nhau.

Hãy tưởng tượng một số thành phần quang học được đặt ở khoảng cách được tính toán cẩn thận với nhau.

Bây giờ làm nóng toàn bộ ống kính.

Thân ống kính mở rộng. Các yếu tố quang học thay đổi một chút. Khoảng cách giữa các phần tử thay đổi. Tính chất khúc xạ của vật liệu quang học cũng có thể thay đổi theo nhiệt độ.

Lens chưa bị vỡ.

Không có gì rõ ràng là sai từ bên ngoài.

Nhưng về mặt quang học, hệ thống không còn ở đúng vị trí mà nhà thiết kế dự định ban đầu nữa.

Đó là nơi mọi thứ bắt đầu trở nên thú vị.

Tiêu điểm có thể di chuyển mà không cần máy ảnh di chuyển

Một trong những hậu quả phổ biến nhất là sự thay đổi trọng tâm.

Ống kính có tiêu cự cố định được thiết kế sao cho hình ảnh do hệ thống quang học tạo ra rơi vào đúng vị trí so với cảm biến.

Thay đổi hình dạng quang học và vị trí lấy nét tốt nhất có thể di chuyển.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với những camera được lắp đặt cố định.

Hãy tưởng tượng một camera an ninh được lấy nét trong quá trình lắp ráp ở nhiệt độ khoảng 23°C.

Vào ban đêm, nhiệt độ giảm xuống -20°C.

Vào buổi chiều hôm sau, vỏ máy ảnh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời và trở nên nóng hơn nhiều.

Bản thân máy ảnh đã không di chuyển.

Cảm biến vẫn chưa di chuyển.

Nhưng ống kính có thể đã thay đổi đủ để điểm lấy nét tốt nhất dịch chuyển.

Tại nhà máy, hình ảnh trông sắc nét.

Ở bên ngoài, vài giờ sau, nó có thể trông mềm hơn rõ rệt.

Đây là lý do tại sao “ống kính hoạt động ở nhiệt độ -20°C đến 60°C” và “ống kính duy trì hiệu suất quang học tốt từ -20°C đến 60°C” không nhất thiết phải là một tuyên bố giống nhau.

Câu hỏi thứ hai là câu hỏi mà các kỹ sư thực sự quan tâm.

Tại sao vật liệu quang học lại quan trọng

Nhiệt độ không chỉ làm thay đổi kích thước vật lý của ống kính.

Vật liệu quang học cũng có tính chất khúc xạ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Điều này có nghĩa là đặc tính quang học của ống kính có thể thay đổi theo hai cách cùng một lúc:

hình học thay đổi và bản thân vật liệu quang học cũng thay đổi.

Đối với một hệ thống quang học đơn giản, hiệu ứng có thể tương đối nhỏ.

Đối với một ống kính đòi hỏi khắt khe hơn, đặc biệt là ống kính có nhiều thành phần và yêu cầu hiệu suất chặt chẽ, những thay đổi này có thể tích lũy.

Kết quả có thể hiển thị dưới dạng dịch chuyển tiêu điểm, thay đổi MTF, hành vi quang sai bị thay đổi hoặc các thay đổi khác về chất lượng hình ảnh.

Đây cũng là lý do tại sao thiết kế thấu kính không bao giờ chỉ là tính toán đường quang ở một nhiệt độ.

Một thiết kế tốt cần phải xem xét đến môi trường mà ống kính sẽ thực sự hoạt động.

Đây là lý do tại sao quá trình nhiệt hóa tồn tại

Điều này đưa chúng ta đến một thuật ngữ mà các kỹ sư quang học thường xuyên sử dụng:

sự nhiệt hóa.

Nghe có vẻ phức tạp nhưng ý tưởng cơ bản lại khá thực tế.

Nếu dù sao thì nhiệt độ cũng sẽ làm thay đổi thấu kính, tại sao không thiết kế hệ thống quang học sao cho những thay đổi đó bù đắp cho nhau?

Các kỹ sư có thể lựa chọn vật liệu quang học có đặc tính nhiệt khác nhau, điều chỉnh khoảng cách phần tử, chọn vật liệu cơ khí phù hợp hoặc thiết kế kết cấu cơ khí để bù lại sự giãn nở nhiệt.

Mục tiêu không nhất thiết là làm cho mọi thành phần riêng lẻ không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

Điều đó sẽ không thực tế.

Mục tiêu là làm cho toàn bộ hệ thống quang học ít nhạy cảm hơn với sự thay đổi nhiệt độ.

Điều này ngày càng trở nên quan trọng trong camera ô tô, giám sát ngoài trời, tầm nhìn công nghiệp, máy bay không người lái và các ứng dụng khác mà camera không thể đặt trong một căn phòng thoải mái trong nhà.

Máy ảnh ngoài trời có cuộc sống khó khăn hơn nhiều

Hãy xem xét một camera an ninh bãi đậu xe.

Vào ban đêm, máy ảnh có thể hoạt động ở môi trường lạnh.

Vào ban ngày, chiếc máy ảnh đó có thể đặt bên trong một hộp tối, tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời. Nhiệt độ bên trong vỏ có thể khác biệt đáng kể so với không khí xung quanh.

Bây giờ hãy tưởng tượng làm điều này mỗi ngày.

Vấn đề không chỉ đơn giản là ống kính có thể tồn tại được sau một ngày nóng hay một đêm lạnh giá hay không.

Vấn đề là liệu hệ thống quang học có thể duy trì hiệu suất của nó thông qua những thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại hay không.

Đó là lý do tại sao chu kỳ nhiệt độ lại hữu ích trong quá trình đánh giá sản phẩm.

Các kỹ sư có thể để ống kính hoặc hệ thống máy ảnh tiếp xúc với các điều kiện nhiệt độ khác nhau, sau đó kiểm tra xem hiệu suất quang học có còn nằm trong phạm vi yêu cầu hay không.

Đối với nhà sản xuất ống kính, loại thử nghiệm này mang lại nhiều thông tin hơn là chỉ kiểm tra xem sau đó ống kính có còn bật hay không.

Máy ảnh lên nguồn không nhất thiết là máy ảnh vẫn cho ra hình ảnh đẹp.

Máy ảnh ô tô đẩy vấn đề đi xa hơn

Các ứng dụng ô tô làm cho độ ổn định nhiệt càng trở nên quan trọng hơn.

Xe có thể di chuyển từ môi trường ngoài trời lạnh giá ra nơi có ánh nắng trực tiếp. Camera có thể được gắn phía sau kính chắn gió, gần thân xe hoặc ở một vị trí khác nơi nhiệt độ địa phương trở nên khá cao.

Máy ảnh cũng cần phải hoạt động liên tục qua các chu kỳ nhiệt độ này trong suốt thời gian sử dụng của nó.

Vì lý do này, việc phát triển thấu kính ô tô thường chú ý đến đặc tính nhiệt, độ ổn định cơ học, căn chỉnh quang học và tính nhất quán lâu dài.

Nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho các ứng dụng hình ảnh đòi hỏi khắt khe khác.

Máy bay không người lái bay ở độ cao không trải qua môi trường nhiệt giống như máy ảnh đặt trên bàn.

Một camera công nghiệp gần máy móc có thể bị nóng liên tục.

Camera giám sát ngoài trời có thể phải đối mặt với sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm lớn.

Thiết kế quang học phải phù hợp với môi trường thực tế chứ không phải điều kiện thoải mái của phòng thí nghiệm.

Kiểm tra nhiệt độ là nơi thể hiện sự khác biệt

Đây cũng là lúc sự khác biệt giữa mẫu ống kính và ống kính sẵn sàng sản xuất trở nên rõ ràng.

Trong quá trình phát triển, thiết kế quang học có thể hoạt động rất tốt ở nhiệt độ phòng.

Nhưng khi ống kính được đưa vào sản xuất hàng loạt, một câu hỏi khác lại xuất hiện:

Hiệu suất quang học tương tự có thể được duy trì qua các lô sản xuất và trong các điều kiện nhiệt độ không?

Điều đó đòi hỏi nhiều hơn tính toán quang học.

Nó liên quan đến việc lựa chọn vật liệu, dung sai cơ học, độ chính xác của lắp ráp, kiểm tra và thử nghiệm môi trường.

Quang học Boshitiếp cận việc sản xuất ống kính như một quy trình tích hợp, bao gồm xử lý quang học, đúc chính xác, lắp ráp ống kính và kiểm tra. Đối với các ứng dụng có yêu cầu khắt khe về môi trường, tính nhất quán trong sản xuất này cũng quan trọng như thiết kế quang học ban đầu.

Bởi vì có rất ít giá trị trong việc thiết kế một ống kính hoạt động tốt ở nhiệt độ 23°C nếu ứng dụng thực sự dành phần lớn thời gian tồn tại của nó ở một nơi khác.

Vì vậy, có phải mọi ống kính đều cần khả năng chịu nhiệt độ cực cao không?

KHÔNG.

Và đây là một điểm quan trọng.

Ống kính dành cho camera trong nhà không nhất thiết phải có các yêu cầu về nhiệt giống như camera ô tô hoặc hệ thống an ninh ngoài trời.

Không có phạm vi nhiệt độ hoạt động “tốt nhất” phổ quát.

Thông số kỹ thuật phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng.

Điều quan trọng là tìm hiểu môi trường thực tế trước khi chọn ống kính.

Camera sẽ được lắp đặt ở đâu?

Phạm vi nhiệt độ dự kiến ​​là gì?

Nhiệt độ sẽ thay đổi chậm hay nhanh?

Ống kính có trải qua chu kỳ nhiệt độ lặp đi lặp lại không?

Ứng dụng có yêu cầu lấy nét ổn định trên toàn bộ phạm vi không?

Những câu hỏi này thường hữu ích hơn là chỉ yêu cầu xếp hạng nhiệt độ cao nhất trên biểu dữ liệu.

Ống kính phải hoạt động ở nơi máy ảnh hoạt động

Đây là phần đôi khi bị bỏ sót.

Ống kính máy ảnh không được kiểm tra để nhà sản xuất có thể đưa ra con số nhiệt độ ấn tượng trên bảng thông số kỹ thuật.

Hiệu suất nhiệt độ quan trọng vì hình ảnh quan trọng.

Một ống kính vẫn nguyên vẹn về mặt cơ học nhưng mất tiêu điểm, độ tương phản hoặc tính nhất quán quang học trong điều kiện vận hành thực tế chưa thực sự giải quyết được vấn đề.

Do đó, đối với các kỹ sư quang học, nhóm mua sắm và nhà sản xuất máy ảnh, câu hỏi hay hơn không phải là:

“Ống kính này có thể chịu được nhiệt độ không?”

Đó là:

“Ống kính này có thể duy trì hiệu suất quang học mà máy ảnh của chúng tôi cần trong phạm vi nhiệt độ không?”

Đó là một câu hỏi hữu ích hơn nhiều.

Bởi vì máy ảnh không tồn tại trong phòng thí nghiệm.

Họ sống trên ô tô, tòa nhà, máy bay không người lái, máy móc, đường phố, nhà máy—và ngày càng ở những nơi có nhiệt độ không hề dễ chịu.

Một ống kính máy ảnh tốt không được thiết kế cho một nhiệt độ. Nó được thiết kế cho môi trường mà máy ảnh thực sự phải hoạt động.