카메라 렌즈가 온도 변화를 견뎌야 하는 이유

겨울에는 카메라를 밖에 두세요.

그런 다음 여름까지 그대로 두십시오.

카메라가 계속 켜져 있을 수 있습니다. 센서는 여전히 작동합니다. 전자제품은 여전히 ​​작동 중입니다.

하지만 이미지가 정확히 똑같아 보입니까?

반드시 그런 것은 아닙니다.

카메라 렌즈를 선택할 때 간과하기 쉬운 부분 중 하나입니다. 렌즈는 실온의 실험실에서 완벽하게 선명해 보일 수 있지만 더운 주차장이나 추운 실외 환경에서 몇 시간을 보낸 후에는 다르게 행동할 수 있습니다.

이유는 간단합니다.

카메라 렌즈는 온도 변화에 따라 치수나 광학적으로 안정적이지 않습니다.

그리고 밀리미터 단위로 측정된 광학 시스템을 다룰 때 "작은" 변화는 매우 실제적인 이미지 문제가 될 수 있습니다.

렌즈는 광학 시스템인 동시에 기계 시스템입니다.

사람들은 카메라 렌즈를 보면 대개 유리를 떠올립니다.

말이 되네요. 유리는 빛이 들어오는 곳이다.

하지만 실제 렌즈 내부에는 훨씬 더 많은 일이 벌어지고 있습니다.

광학 요소, 렌즈 배럴, 스페이서, 홀더, 스레드, 접착 재료, 때로는 플라스틱 광학 요소가 있습니다. 다양한 부품은 다양한 재료로 만들어지며, 다양한 재료는 온도에 다르게 반응합니다.

온도가 올라가면 물질이 팽창합니다.

온도가 떨어지면 수축합니다.

문제는 그것들이 모두 정확히 같은 양만큼 확장되거나 축소되지 않는다는 것입니다.

세심하게 계산된 서로의 거리에 여러 광학 요소가 배치되어 있다고 상상해 보십시오.

이제 렌즈 전체를 가열하십시오.

렌즈 배럴이 확장됩니다. 광학 요소가 약간 변경됩니다. 요소 사이의 간격이 변경됩니다. 광학 재료의 굴절 특성은 온도에 따라 변할 수도 있습니다.

렌즈가 깨지지 않았습니다.

겉으로 보기에는 아무 문제도 없어 보입니다.

그러나 광학적으로 시스템은 더 이상 설계자가 원래 의도했던 위치와 정확히 일치하지 않습니다.

그것이 일이 흥미로워지기 시작하는 곳입니다.

카메라를 움직이지 않고도 초점을 움직일 수 있음

가장 일반적인 결과 중 하나는 초점 이동입니다.

고정 초점 렌즈는 광학 시스템에 의해 형성된 이미지가 센서를 기준으로 올바른 위치에 떨어지도록 설계되었습니다.

광학 기하학을 변경하면 최적의 초점 위치가 이동할 수 있습니다.

이는 영구적으로 설치된 카메라의 경우 특히 중요합니다.

약 23°C에서 조립하는 동안 초점을 맞추는 보안 카메라를 상상해 보십시오.

밤에는 기온이 -20°C까지 떨어집니다.

다음 오후에는 카메라 하우징이 직사광선 아래에 위치하여 훨씬 더 뜨거워집니다.

카메라 자체는 움직이지 않았습니다.

센서가 움직이지 않았습니다.

그러나 최적의 초점이 이동될 만큼 렌즈가 충분히 변경되었을 수 있습니다.

공장에서는 이미지가 선명해 보였습니다.

밖에서 몇 시간이 지나면 눈에 띄게 부드러워 보일 수 있습니다.

이것이 바로 "렌즈가 -20°C ~ 60°C에서 작동합니다"와 "렌즈가 -20°C ~ 60°C에서 우수한 광학 성능을 유지합니다"가 반드시 동일한 설명이 아닌 이유입니다.

두 번째 질문은 엔지니어가 실제로 관심을 갖는 질문입니다.

광학 소재가 중요한 이유

온도는 렌즈의 물리적 크기만 변경하는 것이 아닙니다.

광학 소재는 온도에 따른 굴절 특성도 가지고 있습니다.

이는 렌즈의 광학적 특성이 동시에 두 가지 방식으로 변경될 수 있음을 의미합니다.

기하학적 구조가 변하고 광학 재료 자체도 변합니다.

단순한 광학 시스템의 경우 효과가 상대적으로 작을 수 있습니다.

더욱 까다로운 렌즈, 특히 여러 요소와 엄격한 성능 요구 사항이 있는 렌즈의 경우 이러한 변경 사항이 누적될 수 있습니다.

결과는 초점 이동, MTF 변경, 수차 동작 변경 또는 기타 이미지 품질 변경으로 나타날 수 있습니다.

이는 또한 렌즈 설계가 단지 한 온도에서 광학 경로를 계산하는 것에 국한되지 않는 이유이기도 합니다.

좋은 디자인은 렌즈가 실제로 작동할 환경을 고려해야 합니다.

이것이 무열화가 존재하는 이유입니다

이는 광학 엔지니어가 자주 사용하는 용어를 제공합니다.

무열화.

복잡해 보이지만 기본 아이디어는 매우 실용적입니다.

어쨌든 온도가 렌즈를 변화시킨다면, 그러한 변화가 서로 보상되도록 광학 시스템을 설계하는 것은 어떨까요?

엔지니어는 다양한 열 특성을 가진 광학 재료를 선택하고, 요소 간격을 조정하고, 적합한 기계 재료를 선택하거나, 열팽창을 보상하도록 기계 구조를 설계할 수 있습니다.

목표는 반드시 모든 개별 구성 요소를 온도에 면역으로 만드는 것이 아닙니다.

그것은 비현실적입니다.

목표는 광학 시스템 전체를 온도 변화에 덜 민감하게 만드는 것입니다.

이는 자동차 카메라, 실외 감시, 산업 비전, 드론 및 카메라가 편안한 실내 공간에서 작동할 수 없는 기타 애플리케이션에서 점점 더 중요해지고 있습니다.

실외 카메라의 수명은 훨씬 더 어렵습니다.

주차장 보안 카메라를 고려해보세요.

밤에는 카메라가 추운 환경에서 작동할 수 있습니다.

낮에는 동일한 카메라가 직사광선에 노출된 어두운 하우징 안에 있을 수 있습니다. 하우징 내부 온도는 주변 공기와 크게 다를 수 있습니다.

이제 매일 이것을 한다고 상상해 보세요.

문제는 단순히 렌즈가 더운 낮이나 추운 밤에도 견딜 수 있는지 여부가 아닙니다.

반복되는 온도 변화에도 광학계가 성능을 유지할 수 있는지 여부입니다.

이것이 바로 제품 평가 중에 온도 사이클링이 유용한 이유입니다.

엔지니어는 렌즈나 카메라 시스템을 다양한 온도 조건에 노출시킨 후 광학 성능이 필요한 범위 내에 유지되는지 확인할 수 있습니다.

렌즈 제조업체의 경우 이러한 종류의 테스트는 단순히 렌즈가 나중에 계속 켜져 있는지 확인하는 것보다 훨씬 더 유익합니다.

전원이 켜진 카메라가 반드시 좋은 이미지를 생성하는 카메라는 아닙니다.

자동차 카메라는 문제를 더욱 심화시킵니다

자동차 애플리케이션은 열 안정성을 더욱 중요하게 만듭니다.

차량은 추운 실외 환경에서 직사광선이 있는 곳으로 이동할 수 있습니다. 카메라는 앞 유리 뒤, 차체 근처 또는 지역 온도가 상당히 높아지는 다른 위치에 장착될 수 있습니다.

또한 카메라는 사용 수명 동안 이러한 온도 주기를 통해 반복적으로 작동해야 합니다.

이러한 이유로 자동차 렌즈 개발에서는 열 거동, 기계적 안정성, 광학 정렬 및 장기적인 일관성에 세심한 주의를 기울이는 경우가 많습니다.

다른 까다로운 이미징 응용 분야에도 동일한 원칙이 적용됩니다.

높은 고도에서 비행하는 드론은 책상 위에 앉아 있는 카메라와 동일한 열 환경을 경험하지 않습니다.

기계 근처의 산업용 카메라는 지속적인 열을 경험할 수 있습니다.

실외 감시 카메라는 낮과 밤의 온도 차이가 클 수 있습니다.

광학 설계는 실험실의 편안한 조건이 아닌 실제 환경과 일치해야 합니다.

온도 테스트에서 차이가 드러납니다.

이는 또한 렌즈 샘플과 생산 준비가 완료된 렌즈 간의 차이가 명백해지는 지점이기도 합니다.

개발 중에 광학 설계는 실온에서 매우 잘 작동할 수 있습니다.

그러나 렌즈가 대량 생산에 들어가면 또 다른 질문이 나타납니다.

생산 배치 전체와 온도 조건 전반에 걸쳐 동일한 광학 성능이 유지될 수 있습니까?

이를 위해서는 광학적 계산 이상의 것이 필요합니다.

여기에는 재료 선택, 기계적 공차, 조립 정확도, 검사 및 환경 테스트가 포함됩니다.

보시광학광학가공, 정밀성형, 렌즈조립, 검사까지 아우르는 통합공정으로 렌즈제조에 접근하고 있습니다. 환경 요구 사항이 까다로운 응용 분야의 경우 이러한 제조 일관성은 원래 광학 설계만큼 중요합니다.

실제 애플리케이션이 대부분의 수명을 다른 곳에서 보낸다면 23°C에서 아름답게 작동하는 렌즈를 설계하는 것은 가치가 거의 없기 때문입니다.

그렇다면 모든 렌즈에는 극한의 온도 저항이 필요합니까?

아니요.

그리고 이것은 중요한 포인트입니다.

실내 카메라용 렌즈에는 자동차 카메라나 실외 보안 시스템과 동일한 열 요구 사항이 반드시 필요하지는 않습니다.

보편적인 "최고" 작동 온도 범위는 없습니다.

올바른 사양은 애플리케이션에 따라 다릅니다.

중요한 것은 렌즈를 선택하기 전 실제 환경을 이해하는 것입니다.

카메라는 어디에 설치되나요?

예상 온도 범위는 무엇입니까?

온도가 천천히 변할까요, 아니면 빠르게 변할까요?

렌즈에 반복적인 온도 순환이 발생합니까?

응용 프로그램이 전체 범위에 걸쳐 안정적인 초점을 요구합니까?

이러한 질문은 단순히 데이터시트에서 최고 온도 등급을 묻는 것보다 더 유용한 경우가 많습니다.

렌즈는 카메라가 작동하는 곳에서 작동해야 합니다

가끔 놓치는 부분이 바로 이 부분이다.

제조업체가 사양 시트에 인상적인 온도 수치를 표시할 수 있도록 카메라 렌즈는 테스트되지 않습니다.

이미지가 중요하기 때문에 온도 성능도 중요합니다.

기계적으로는 손상되지 않았지만 실제 작동 조건에서 초점, 대비 또는 광학적 일관성을 잃는 렌즈는 실제로 문제를 해결하지 못했습니다.

따라서 광학 엔지니어, 조달 팀 및 카메라 제조업체의 경우 더 나은 질문은 다음과 같습니다.

“이 렌즈가 온도를 견딜 수 있나요?”

그것은:

“이 렌즈가 온도 범위 전반에 걸쳐 카메라에 필요한 광학 성능을 유지할 수 있습니까?”

그것은 훨씬 더 유용한 질문입니다.

카메라는 실험실에 살지 않기 때문입니다.

그들은 자동차, 건물, 드론, 기계, 거리, 공장 등 온도가 전혀 쾌적하지 않은 곳에서 살고 있습니다.

좋은 카메라 렌즈는 특정 온도에 맞게 설계되지 않았습니다. 카메라가 실제로 작동해야 하는 환경에 맞게 설계되었습니다.