เหตุใดเลนส์กล้องจึงต้องทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

วางกล้องไว้ข้างนอกในฤดูหนาว

จากนั้นปล่อยทิ้งไว้จนถึงฤดูร้อน

กล้องอาจจะยังเปิดอยู่ เซ็นเซอร์ยังคงทำงาน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงทำงานอยู่

แต่ภาพจะดูเหมือนกันทุกประการหรือไม่?

ไม่จำเป็น.

นี่เป็นหนึ่งในสิ่งที่มองข้ามได้ง่ายเมื่อเลือกเลนส์กล้อง เลนส์สามารถดูคมชัดอย่างสมบูรณ์แบบในห้องปฏิบัติการที่อุณหภูมิห้อง แต่มีพฤติกรรมแตกต่างออกไปหลังจากใช้เวลาหลายชั่วโมงในลานจอดรถที่ร้อนจัดหรือสภาพแวดล้อมกลางแจ้งที่เย็นจัด

เหตุผลง่ายๆ:

เลนส์กล้องไม่เสถียรในเชิงมิติหรือเชิงแสงเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

และเมื่อคุณกำลังเผชิญกับระบบออพติคัลที่มีหน่วยเป็นเศษส่วนของมิลลิเมตร การเปลี่ยนแปลง “เล็กๆ น้อยๆ” อาจกลายเป็นปัญหาของภาพได้อย่างแท้จริง

เลนส์เป็นระบบกลไกพอๆ กับเลนส์

เมื่อมองเลนส์กล้องมักจะนึกถึงกระจก

นั่นสมเหตุสมผลแล้ว แก้วคือที่ที่แสงไป

แต่ภายในเลนส์จริง ยังมีอะไรอีกมากมายเกิดขึ้น

มีส่วนประกอบของเลนส์ กระบอกเลนส์ สเปเซอร์ ตัวยึด เกลียว วัสดุยึดติด และบางครั้งก็เป็นส่วนประกอบของเลนส์ที่เป็นพลาสติก ชิ้นส่วนต่างๆ ทำจากวัสดุที่แตกต่างกัน และวัสดุที่แตกต่างกันตอบสนองต่ออุณหภูมิที่แตกต่างกัน

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น วัสดุจะขยายตัว

เมื่ออุณหภูมิลดลงก็จะหดตัว

ปัญหาคือพวกเขาไม่ได้ขยายหรือหดตัวด้วยจำนวนที่เท่ากันทุกประการ

ลองจินตนาการถึงองค์ประกอบทางแสงหลายๆ ชิ้นที่อยู่ในระยะห่างที่คำนวณอย่างรอบคอบจากกัน

ตอนนี้ให้ความร้อนทั่วทั้งเลนส์

กระบอกเลนส์ขยายออก องค์ประกอบทางแสงเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ระยะห่างระหว่างองค์ประกอบเปลี่ยนแปลง คุณสมบัติการหักเหของแสงของวัสดุเชิงแสงสามารถเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิได้เช่นกัน

เลนส์ไม่แตก.

ไม่มีอะไรดูผิดปกติอย่างเห็นได้ชัดจากภายนอก

แต่ในแง่การมองเห็นแล้ว ระบบไม่ได้ตรงกับที่นักออกแบบตั้งใจไว้ในตอนแรกอีกต่อไป

นั่นคือสิ่งที่สิ่งต่าง ๆ เริ่มน่าสนใจ

โฟกัสสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องขยับกล้อง

ผลที่ตามมาที่พบบ่อยที่สุดประการหนึ่งคือการเปลี่ยนโฟกัส

เลนส์โฟกัสคงที่ได้รับการออกแบบเพื่อให้ภาพที่เกิดจากระบบออพติคอลอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องสัมพันธ์กับเซนเซอร์

เปลี่ยนรูปทรงของออปติคอล และตำแหน่งโฟกัสที่ดีที่สุดสามารถเคลื่อนที่ได้

นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับกล้องที่ติดตั้งถาวร

ลองนึกภาพกล้องวงจรปิดที่โฟกัสระหว่างการประกอบที่อุณหภูมิประมาณ 23°C

กลางคืนอุณหภูมิจะลดลงถึง -20°C

ในช่วงบ่ายวันรุ่งขึ้น กรอบของกล้องจะถูกแสงแดดส่องโดยตรงและจะร้อนขึ้นมาก

ตัวกล้องเองไม่ได้ขยับ

เซ็นเซอร์ไม่ขยับ

แต่เลนส์อาจมีการเปลี่ยนแปลงเพียงพอสำหรับการเปลี่ยนจุดโฟกัสที่ดีที่สุด

ที่โรงงานภาพดูคมชัด

ภายนอกหลายชั่วโมงต่อมาอาจดูนุ่มนวลขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

นี่คือสาเหตุที่ “เลนส์ทำงานที่อุณหภูมิ -20°C ถึง 60°C” และ “เลนส์รักษาประสิทธิภาพด้านการมองเห็นที่ดีตั้งแต่ -20°C ถึง 60°C” จึงไม่จำเป็นต้องเป็นข้อความเดียวกันเสมอไป

คำถามที่สองคือคำถามที่วิศวกรสนใจจริงๆ

เหตุใดวัสดุเชิงแสงจึงมีความสำคัญ

อุณหภูมิไม่เพียงแต่เปลี่ยนขนาดทางกายภาพของเลนส์เท่านั้น

วัสดุเชิงแสงยังมีคุณสมบัติการหักเหของแสงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอีกด้วย

ซึ่งหมายความว่าลักษณะทางแสงของเลนส์สามารถเปลี่ยนแปลงได้สองวิธีในเวลาเดียวกัน:

รูปทรงเรขาคณิตเปลี่ยนแปลงไป และวัสดุเชิงแสงเองก็เปลี่ยนแปลงไป

สำหรับระบบออพติคัลแบบธรรมดา เอฟเฟกต์อาจมีค่อนข้างน้อย

สำหรับเลนส์ที่มีความต้องการมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเลนส์ที่มีองค์ประกอบหลายชิ้นและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่จำกัด การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สามารถสะสมได้

ผลลัพธ์อาจแสดงเป็นการเปลี่ยนโฟกัส การเปลี่ยนแปลง MTF ลักษณะความคลาดเคลื่อนที่เปลี่ยนแปลง หรือการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของภาพอื่นๆ

นี่คือเหตุผลว่าทำไมการออกแบบเลนส์จึงไม่ใช่แค่การคำนวณเส้นทางแสงที่อุณหภูมิเดียวเท่านั้น

การออกแบบที่ดีต้องคำนึงถึงสภาพแวดล้อมที่เลนส์ใช้งานได้จริง

นี่คือสาเหตุว่าทำไมจึงมีกระบวนการลดความร้อน

สิ่งนี้นำเราไปสู่คำศัพท์ที่วิศวกรด้านการมองเห็นใช้บ่อยๆ:

การทำให้เป็นความร้อน

ฟังดูซับซ้อน แต่แนวคิดพื้นฐานนั้นค่อนข้างใช้งานได้จริง

หากอุณหภูมิจะทำให้เลนส์เปลี่ยนไป ทำไมไม่ออกแบบระบบออพติคอลเพื่อให้การเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นชดเชยซึ่งกันและกัน

วิศวกรสามารถเลือกวัสดุออปติกที่มีคุณสมบัติทางความร้อนที่แตกต่างกัน ปรับระยะห่างขององค์ประกอบ เลือกวัสดุทางกลที่เหมาะสม หรือออกแบบโครงสร้างทางกลเพื่อชดเชยการขยายตัวจากความร้อน

เป้าหมายไม่จำเป็นต้องทำให้ทุกส่วนประกอบมีภูมิต้านทานต่ออุณหภูมิ

นั่นจะไม่สมจริง

เป้าหมายคือการทำให้ระบบออพติคัลโดยรวมมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิน้อยลง

สิ่งนี้มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในกล้องติดรถยนต์ การเฝ้าระวังกลางแจ้ง การมองเห็นทางอุตสาหกรรม โดรน และการใช้งานอื่นๆ ที่กล้องไม่สามารถอยู่ในห้องในร่มที่สะดวกสบายได้

กล้องถ่ายภาพกลางแจ้งมีชีวิตที่ลำบากกว่ามาก

พิจารณากล้องวงจรปิดบริเวณลานจอดรถ

ในเวลากลางคืน กล้องอาจทำงานในสภาพแวดล้อมที่เย็น

ในระหว่างวัน กล้องตัวเดียวกันอาจนั่งอยู่ในที่มืดซึ่งได้รับแสงแดดโดยตรง อุณหภูมิภายในตัวเครื่องอาจแตกต่างอย่างมากจากอากาศโดยรอบ

ลองจินตนาการว่าทำสิ่งนี้ทุกวัน

ปัญหาไม่ได้อยู่ที่ว่าเลนส์สามารถอยู่รอดได้ในวันที่อากาศร้อนจัดหรือคืนที่หนาวเย็นเพียงคืนเดียวเท่านั้น

ระบบออพติคอลสามารถรักษาประสิทธิภาพการทำงานผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ ได้หรือไม่

นั่นคือเหตุผลว่าทำไมการหมุนเวียนตามอุณหภูมิจึงมีประโยชน์ในระหว่างการประเมินผลิตภัณฑ์

วิศวกรสามารถให้เลนส์หรือระบบกล้องสัมผัสกับสภาวะอุณหภูมิที่แตกต่างกัน จากนั้นตรวจสอบว่าประสิทธิภาพด้านการมองเห็นยังคงอยู่ในช่วงที่ต้องการหรือไม่

สำหรับผู้ผลิตเลนส์ การทดสอบประเภทนี้มีข้อมูลมากกว่าการตรวจสอบว่าเลนส์ยังคงเปิดทำงานอยู่หรือไม่ในภายหลัง

กล้องที่เพิ่มพลังไม่จำเป็นต้องเป็นกล้องที่ยังคงให้ภาพที่ดีเสมอไป

กล้องติดรถยนต์ผลักดันปัญหาต่อไป

การใช้งานด้านยานยนต์ทำให้เสถียรภาพทางความร้อนมีความสำคัญมากยิ่งขึ้น

ยานพาหนะสามารถเคลื่อนที่จากสภาพแวดล้อมกลางแจ้งที่หนาวเย็นไปสู่แสงแดดโดยตรงได้ กล้องอาจติดตั้งไว้ด้านหลังกระจกหน้ารถ ใกล้ตัวรถ หรือในตำแหน่งอื่นที่มีอุณหภูมิค่อนข้างสูงในท้องถิ่น

กล้องยังต้องทำงานซ้ำๆ ผ่านวงจรอุณหภูมิเหล่านี้ตลอดอายุการใช้งาน

ด้วยเหตุนี้ การพัฒนาเลนส์ยานยนต์จึงมักให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดกับพฤติกรรมทางความร้อน ความเสถียรทางกล การจัดตำแหน่งแสง และความสม่ำเสมอในระยะยาว

หลักการเดียวกันนี้ใช้กับแอพพลิเคชั่นด้านการถ่ายภาพอื่นๆ ที่มีความต้องการสูง

โดรนที่บินในระดับความสูงไม่ได้สัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนเหมือนกับกล้องที่วางอยู่บนโต๊ะ

กล้องอุตสาหกรรมที่อยู่ใกล้เครื่องจักรอาจได้รับความร้อนอย่างต่อเนื่อง

กล้องวงจรปิดกลางแจ้งอาจเผชิญกับความแตกต่างของอุณหภูมิทั้งกลางวันและกลางคืนอย่างมาก

การออกแบบด้านการมองเห็นต้องสอดคล้องกับสภาพแวดล้อมจริง ไม่ใช่สภาพที่สะดวกสบายของห้องปฏิบัติการ

การทดสอบอุณหภูมิคือจุดที่แสดงความแตกต่าง

นี่ยังเป็นจุดที่ความแตกต่างระหว่างตัวอย่างเลนส์และเลนส์พร้อมสำหรับการผลิตปรากฏชัดเจนอีกด้วย

ในระหว่างการพัฒนา การออกแบบด้านการมองเห็นอาจทำงานได้ดีมากที่อุณหภูมิห้อง

แต่เมื่อเลนส์เข้าสู่การผลิตจำนวนมาก คำถามอื่นก็ปรากฏขึ้น:

สามารถรักษาประสิทธิภาพด้านการมองเห็นให้คงเดิมตลอดชุดการผลิตและในสภาวะอุณหภูมิได้หรือไม่

นั่นต้องใช้มากกว่าการคำนวณเชิงแสง

โดยเกี่ยวข้องกับการเลือกใช้วัสดุ พิกัดความเผื่อทางกล ความแม่นยำในการประกอบ การตรวจสอบ และการทดสอบด้านสิ่งแวดล้อม

โบชิ ออพติกส์แนวทางการผลิตเลนส์เป็นกระบวนการแบบครบวงจร ครอบคลุมการประมวลผลด้วยแสง การขึ้นรูปด้วยความแม่นยำ การประกอบเลนส์ และการตรวจสอบ สำหรับการใช้งานที่มีข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวด ความสม่ำเสมอในการผลิตนี้มีความสำคัญพอๆ กับการออกแบบเลนส์แบบดั้งเดิม

เนื่องจากการออกแบบเลนส์ที่ทำงานอย่างสวยงามที่อุณหภูมิ 23°C นั้นมีคุณค่าเพียงเล็กน้อย หากการใช้งานจริงใช้เวลาส่วนใหญ่ไปอยู่ที่อื่น

เลนส์ทุกตัวจำเป็นต้องทนต่ออุณหภูมิที่สูงมากหรือไม่?

เลขที่

และนี่คือจุดสำคัญ

เลนส์สำหรับกล้องภายในอาคารไม่จำเป็นต้องมีข้อกำหนดด้านความร้อนเช่นเดียวกับกล้องติดรถยนต์หรือระบบรักษาความปลอดภัยกลางแจ้ง

ไม่มีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ "ดีที่สุด" ที่เป็นสากล

ข้อกำหนดที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับการใช้งาน

สิ่งสำคัญคือการทำความเข้าใจสภาพแวดล้อมจริงก่อนเลือกเลนส์

จะติดตั้งกล้องที่ไหน?

ช่วงอุณหภูมิที่คาดหวังคือเท่าใด?

อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงช้าหรือเร็ว?

เลนส์จะประสบกับการหมุนเวียนของอุณหภูมิซ้ำๆ หรือไม่

แอปพลิเคชันต้องการโฟกัสที่เสถียรตลอดทั้งช่วงหรือไม่

คำถามเหล่านี้มักมีประโยชน์มากกว่าการขอพิกัดอุณหภูมิสูงสุดบนแผ่นข้อมูล

เลนส์ต้องทำงานในบริเวณที่กล้องทำงาน

นี่คือส่วนที่บางครั้งพลาดไป

เลนส์กล้องไม่ได้รับการทดสอบเพื่อให้ผู้ผลิตสามารถใส่หมายเลขอุณหภูมิที่น่าประทับใจลงในแผ่นข้อมูลจำเพาะได้

ประสิทธิภาพของอุณหภูมิมีความสำคัญเนื่องจากภาพมีความสำคัญ

เลนส์ที่ยังคงสภาพกลไกเดิมแต่สูญเสียโฟกัส คอนทราสต์ หรือความสม่ำเสมอของแสงภายใต้สภาวะการใช้งานจริงไม่สามารถแก้ไขปัญหาได้จริงๆ

สำหรับวิศวกรด้านการมองเห็น ทีมจัดซื้อ และผู้ผลิตกล้อง คำถามที่ดีกว่าจึงไม่ใช่:

“เลนส์นี้สามารถทนต่ออุณหภูมิได้หรือไม่”

มันคือ:

“เลนส์นี้สามารถรักษาประสิทธิภาพด้านการมองเห็นที่กล้องของเราต้องการตลอดช่วงอุณหภูมิได้หรือไม่”

นั่นเป็นคำถามที่มีประโยชน์มากกว่ามาก

เพราะกล้องไม่ได้อาศัยอยู่ในห้องปฏิบัติการ

พวกเขาอาศัยอยู่บนรถยนต์ อาคาร โดรน เครื่องจักร ถนน โรงงาน และเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ในสถานที่ที่มีอุณหภูมิไม่สบาย

เลนส์กล้องที่ดีไม่ได้ถูกออกแบบมาสำหรับอุณหภูมิเดียว ได้รับการออกแบบมาสำหรับสภาพแวดล้อมที่กล้องต้องทำงานจริง