Perché gli obiettivi delle fotocamere devono resistere ai cambiamenti di temperatura
Metti una macchina fotografica all'aperto in inverno.
Poi lascialo lì fino all'estate.
La fotocamera potrebbe comunque accendersi. Il sensore funziona ancora. L'elettronica funziona ancora.
Ma l'immagine è esattamente la stessa?
Non necessariamente.
Questa è una di quelle cose che è facile trascurare quando si sceglie un obiettivo per fotocamera. Una lente può apparire perfettamente nitida in laboratorio a temperatura ambiente, ma comportarsi diversamente dopo aver trascorso ore in un parcheggio caldo o in un ambiente esterno gelido.
Il motivo è semplice:
L'obiettivo di una fotocamera non è dimensionalmente o otticamente stabile quando la temperatura cambia.
E quando si ha a che fare con un sistema ottico misurato in frazioni di millimetro, i “piccoli” cambiamenti possono diventare reali problemi di immagine.
Una lente è un sistema meccanico tanto quanto ottico
Quando le persone guardano l'obiettivo di una fotocamera, di solito pensano al vetro.
Questo ha senso. Il vetro è dove va la luce.
Ma all'interno di un vero obiettivo c'è molto di più.
Sono presenti elementi ottici, cilindri per lenti, distanziatori, supporti, filettature, materiali adesivi e talvolta elementi ottici in plastica. Parti diverse sono realizzate con materiali diversi e materiali diversi rispondono in modo diverso alla temperatura.
Quando la temperatura aumenta, i materiali si espandono.
Quando la temperatura diminuisce, si contraggono.
Il problema è che non tutti si espandono o si contraggono esattamente nella stessa misura.
Immagina diversi elementi ottici posizionati a distanze attentamente calcolate l'uno dall'altro.
Ora riscalda l'intera lente.
Il barilotto dell'obiettivo si espande. Gli elementi ottici cambiano leggermente. La spaziatura tra gli elementi cambia. Le proprietà di rifrazione dei materiali ottici possono anche cambiare con la temperatura.
La lente non si è rotta.
Nulla sembra evidentemente sbagliato dall'esterno.
Ma dal punto di vista estetico il sistema non si trova più esattamente dove il progettista lo aveva originariamente previsto.
È qui che le cose iniziano a diventare interessanti.
La messa a fuoco può spostarsi senza che la fotocamera si muova
Una delle conseguenze più comuni è lo spostamento del focus.
Un obiettivo a fuoco fisso è progettato in modo tale che l'immagine formata dal sistema ottico cada nel posto giusto rispetto al sensore.
Cambia la geometria ottica e la posizione di messa a fuoco migliore può spostarsi.
Ciò è particolarmente importante per le telecamere installate in modo permanente.
Immagina una telecamera di sicurezza focalizzata durante il montaggio a circa 23°C.
Di notte la temperatura scende fino a -20°C.
Nel pomeriggio successivo, l'alloggiamento della fotocamera è esposto alla luce solare diretta e diventa molto più caldo.
La telecamera stessa non si è mossa.
Il sensore non si è mosso.
Ma l'obiettivo potrebbe essere cambiato abbastanza da spostare il punto di messa a fuoco migliore.
In fabbrica, l'immagine sembrava nitida.
All'esterno, diverse ore dopo, potrebbe sembrare notevolmente più morbido.
Questo è il motivo per cui “l'obiettivo funziona da -20°C a 60°C” e “l'obiettivo mantiene buone prestazioni ottiche da -20°C a 60°C” non sono necessariamente la stessa affermazione.
La seconda domanda è quella che interessa davvero agli ingegneri.
Perché i materiali ottici sono importanti
La temperatura non modifica solo le dimensioni fisiche di una lente.
I materiali ottici hanno anche proprietà rifrattive dipendenti dalla temperatura.
Ciò significa che il comportamento ottico di una lente può cambiare in due modi contemporaneamente:
la geometria cambia e il materiale ottico stesso cambia.
Per un sistema ottico semplice, l'effetto può essere relativamente piccolo.
Per un obiettivo più esigente, soprattutto uno con più elementi e requisiti prestazionali rigorosi, questi cambiamenti possono accumularsi.
Il risultato potrebbe manifestarsi come spostamento della messa a fuoco, cambiamenti nell'MTF, comportamento alterato dell'aberrazione o altri cambiamenti nella qualità dell'immagine.
Questo è anche il motivo per cui la progettazione delle lenti non si limita mai a calcolare il percorso ottico a una determinata temperatura.
Una buona progettazione deve considerare l'ambiente in cui l'obiettivo funzionerà effettivamente.
Questo è il motivo per cui esiste l'atermalizzazione
Questo ci porta a un termine che gli ingegneri ottici usano frequentemente:
atermalizzazione.
Sembra complicato, ma l’idea di base è abbastanza pratica.
Se la temperatura modifica comunque la lente, perché non progettare il sistema ottico in modo che tali cambiamenti si compensino a vicenda?
Gli ingegneri possono selezionare materiali ottici con caratteristiche termiche diverse, regolare la spaziatura degli elementi, scegliere materiali meccanici adeguati o progettare la struttura meccanica per compensare l'espansione termica.
L’obiettivo non è necessariamente quello di rendere ogni singolo componente immune alla temperatura.
Sarebbe irrealistico.
L'obiettivo è rendere il sistema ottico nel suo insieme meno sensibile ai cambiamenti di temperatura.
Ciò diventa sempre più importante nelle telecamere automobilistiche, nella sorveglianza esterna, nella visione industriale, nei droni e in altre applicazioni in cui la telecamera non può essere collocata in una confortevole stanza interna.
Le fotocamere per esterni hanno una vita molto più dura
Considera una telecamera di sicurezza del parcheggio.
Di notte, la fotocamera potrebbe funzionare in un ambiente freddo.
Durante il giorno, la stessa telecamera potrebbe trovarsi all'interno di una custodia scura esposta alla luce solare diretta. La temperatura all'interno dell'alloggiamento può essere notevolmente diversa da quella dell'aria circostante.
Ora immagina di farlo ogni giorno.
La questione non è semplicemente se la lente possa sopravvivere a una giornata calda o a una notte fredda.
Dipende dalla capacità del sistema ottico di mantenere le proprie prestazioni nonostante ripetuti cambiamenti di temperatura.
Ecco perché il ciclo termico è utile durante la valutazione del prodotto.
Gli ingegneri possono esporre l'obiettivo o il sistema della fotocamera a diverse condizioni di temperatura e quindi verificare se le prestazioni ottiche rimangono entro l'intervallo richiesto.
Per un produttore di lenti, questo tipo di test è molto più informativo rispetto al semplice controllo se l'obiettivo si accende ancora dopo.
Una fotocamera che si accende non è necessariamente una fotocamera che produce comunque una buona immagine.
Le telecamere automobilistiche spingono ulteriormente il problema
Le applicazioni automobilistiche rendono la stabilità termica ancora più importante.
Un veicolo può spostarsi da un ambiente esterno freddo alla luce solare diretta. La telecamera può essere montata dietro il parabrezza, vicino alla carrozzeria del veicolo o in un altro luogo in cui le temperature locali diventano piuttosto elevate.
La fotocamera deve inoltre funzionare ripetutamente attraverso questi cicli di temperatura durante la sua vita utile.
Per questo motivo, lo sviluppo delle lenti per autoveicoli spesso presta particolare attenzione al comportamento termico, alla stabilità meccanica, all'allineamento ottico e alla coerenza a lungo termine.
Lo stesso principio si applica ad altre applicazioni di imaging impegnative.
Un drone che vola in quota non sperimenta lo stesso ambiente termico di una telecamera posizionata su una scrivania.
Una telecamera industriale vicina a un macchinario potrebbe essere soggetta a calore continuo.
Una telecamera di sorveglianza esterna può affrontare grandi differenze di temperatura tra il giorno e la notte.
Il design ottico deve adattarsi all'ambiente reale, non alle condizioni confortevoli del laboratorio.
Il test della temperatura è il punto in cui si nota la differenza
È qui che diventa evidente la differenza tra un campione di lente e una lente pronta per la produzione.
Durante lo sviluppo, un progetto ottico può funzionare molto bene a temperatura ambiente.
Ma una volta che l’obiettivo entra nella produzione di massa, sorge un’altra domanda:
È possibile mantenere le stesse prestazioni ottiche tra lotti di produzione e condizioni di temperatura?
Ciò richiede qualcosa di più del semplice calcolo ottico.
Implica la selezione dei materiali, le tolleranze meccaniche, la precisione dell'assemblaggio, l'ispezione e i test ambientali.
Ottica Boshiaffronta la produzione delle lenti come un processo integrato, che copre l'elaborazione ottica, lo stampaggio di precisione, l'assemblaggio delle lenti e l'ispezione. Per le applicazioni con requisiti ambientali impegnativi, questa coerenza di produzione diventa importante tanto quanto il design ottico originale.
Perché ha poco valore progettare un obiettivo che funzioni magnificamente a 23°C se l'applicazione reale trascorre gran parte della sua vita altrove.
Quindi, ogni obiettivo necessita di resistenza a temperature estreme?
NO.
E questo è un punto importante.
Un obiettivo per una telecamera per interni non necessita necessariamente degli stessi requisiti termici di una telecamera per auto o di un sistema di sicurezza per esterni.
Non esiste un intervallo di temperatura operativa “migliore” universale.
La specifica corretta dipende dall'applicazione.
Ciò che conta è comprendere l'ambiente reale prima di scegliere l'obiettivo.
Dove verrà installata la telecamera?
Qual è l'intervallo di temperatura previsto?
La temperatura cambierà lentamente o rapidamente?
L'obiettivo sarà sottoposto a ripetuti cicli di temperatura?
L'applicazione richiede una messa a fuoco stabile su tutta la gamma?
Queste domande sono spesso più utili della semplice richiesta della temperatura massima indicata su una scheda tecnica.
Un obiettivo deve funzionare dove funziona la fotocamera
Questa è la parte che a volte viene persa.
L'obiettivo di una fotocamera non viene testato in modo che un produttore possa inserire un numero di temperatura impressionante su una scheda tecnica.
Le prestazioni della temperatura sono importanti perché l'immagine è importante.
Un obiettivo che rimane meccanicamente intatto ma perde messa a fuoco, contrasto o coerenza ottica in condizioni operative reali non ha realmente risolto il problema.
Per gli ingegneri ottici, i team di procurement e i produttori di fotocamere, la domanda migliore non è quindi:
"Questa lente può sopravvivere alla temperatura?"
È:
"Questo obiettivo è in grado di mantenere le prestazioni ottiche di cui la nostra fotocamera ha bisogno in tutto l'intervallo di temperature?"
Questa è una domanda molto più utile.
Perché le fotocamere non vivono nei laboratori.
Vivono di automobili, edifici, droni, macchine, strade, fabbriche e, sempre più, in luoghi dove la temperatura è tutt’altro che confortevole.
Un buon obiettivo fotografico non è progettato per una temperatura. È progettato per l'ambiente in cui la fotocamera deve effettivamente funzionare.
