Warum müssen Kameraobjektive Temperaturschwankungen überstehen?
Stellen Sie im Winter eine Kamera nach draußen.
Dann lassen Sie es dort bis zum Sommer.
The camera may still turn on. Der Sensor funktioniert immer noch. The electronics are still running.
Aber sieht das Bild genau gleich aus?
Nicht unbedingt.
Dies ist eines der Dinge, die bei der Auswahl eines Kameraobjektivs leicht übersehen werden. Ein Objektiv kann in einem Labor bei Raumtemperatur perfekt scharf aussehen, sich jedoch anders verhalten, nachdem es stundenlang auf einem heißen Parkplatz oder in einer eiskalten Außenumgebung verbracht wurde.
Der Grund ist einfach:
Ein Kameraobjektiv ist bei Temperaturänderungen weder form- noch optisch stabil.
Und wenn man es mit einem optischen System zu tun hat, das in Bruchteilen eines Millimeters misst, können „kleine“ Veränderungen zu ganz realen Bildproblemen werden.
Eine Linse ist ebenso ein mechanisches System wie ein optisches
Wenn Menschen ein Kameraobjektiv betrachten, denken sie normalerweise an Glas.
Das macht Sinn. Das Glas ist der Ort, an den das Licht fällt.
Aber in einem echten Objektiv passiert noch viel mehr.
Es gibt optische Elemente, Objektivtubus, Abstandshalter, Halter, Gewinde, Klebematerialien und manchmal optische Elemente aus Kunststoff. Unterschiedliche Teile bestehen aus unterschiedlichen Materialien und unterschiedliche Materialien reagieren unterschiedlich auf die Temperatur.
Wenn die Temperatur steigt, dehnen sich Materialien aus.
Wenn die Temperatur sinkt, ziehen sie sich zusammen.
Das Problem besteht darin, dass sie sich nicht alle um genau den gleichen Betrag ausdehnen oder zusammenziehen.
Stellen Sie sich mehrere optische Elemente vor, die in sorgfältig berechneten Abständen voneinander positioniert sind.
Erhitzen Sie nun die gesamte Linse.
Der Objektivtubus dehnt sich aus. Die optischen Elemente verändern sich leicht. Der Abstand zwischen den Elementen ändert sich. Auch die Brechungseigenschaften der optischen Materialien können sich mit der Temperatur ändern.
Die Linse ist nicht kaputt.
Von außen sieht nichts offensichtlich falsch aus.
Doch optisch ist das System nicht mehr genau dort, wo es der Designer ursprünglich vorgesehen hatte.
Da fängt es an, interessant zu werden.
Der Fokus kann sich bewegen, ohne dass sich die Kamera bewegt
Eine der häufigsten Folgen ist eine Fokusverschiebung.
Ein Objektiv mit festem Fokus ist so konzipiert, dass das vom optischen System erzeugte Bild relativ zum Sensor an der richtigen Stelle fällt.
Ändern Sie die optische Geometrie, und die beste Fokusposition kann verschoben werden.
Dies ist besonders wichtig bei Kameras, die fest installiert sind.
Stellen Sie sich eine Überwachungskamera vor, die während der Montage auf etwa 23 °C fokussiert ist.
Nachts sinkt die Temperatur auf -20°C.
Am darauffolgenden Nachmittag steht das Kameragehäuse unter direkter Sonneneinstrahlung und wird deutlich heißer.
Die Kamera selbst hat sich nicht bewegt.
Der Sensor hat sich nicht bewegt.
Möglicherweise hat sich das Objektiv jedoch so weit verändert, dass sich der Punkt mit der besten Fokussierung verschiebt.
Im Werk sah das Bild scharf aus.
Draußen sieht es einige Stunden später möglicherweise merklich weicher aus.
Aus diesem Grund sind „das Objektiv funktioniert bei -20 °C bis 60 °C“ und „das Objektiv behält eine gute optische Leistung von -20 °C bis 60 °C bei“ nicht unbedingt die gleiche Aussage.
Die zweite Frage ist die Frage, die den Ingenieuren wirklich am Herzen liegt.
Warum optische Materialien wichtig sind
Die Temperatur verändert nicht nur die physikalischen Abmessungen einer Linse.
Auch optische Materialien weisen temperaturabhängige Brechungseigenschaften auf.
Das bedeutet, dass sich das optische Verhalten eines Objektivs auf zwei Arten gleichzeitig ändern kann:
Die Geometrie ändert sich und das optische Material selbst ändert sich.
Bei einem einfachen optischen System kann der Effekt relativ gering sein.
Bei einem anspruchsvolleren Objektiv, insbesondere einem mit mehreren Elementen und strengen Leistungsanforderungen, können sich diese Änderungen häufen.
Das Ergebnis kann sich in einer Fokusverschiebung, Änderungen in der MTF, einem veränderten Aberrationsverhalten oder anderen Änderungen in der Bildqualität äußern.
Dies ist auch der Grund, warum es beim Linsendesign nie nur um die Berechnung des optischen Pfades bei einer Temperatur geht.
Bei einem guten Design muss die Umgebung berücksichtigt werden, in der das Objektiv tatsächlich eingesetzt wird.
Aus diesem Grund gibt es Athermalisierung
Dies bringt uns zu einem Begriff, den optische Ingenieure häufig verwenden:
Athermalisierung.
Es klingt kompliziert, aber die Grundidee ist durchaus praktisch.
Wenn sich die Temperatur ohnehin auf die Linse auswirkt, warum nicht das optische System so gestalten, dass sich diese Änderungen gegenseitig ausgleichen?
Ingenieure können optische Materialien mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften auswählen, den Elementabstand anpassen, geeignete mechanische Materialien auswählen oder die mechanische Struktur so entwerfen, dass die Wärmeausdehnung kompensiert wird.
Das Ziel besteht nicht unbedingt darin, jede einzelne Komponente temperaturunempfindlich zu machen.
Das wäre unrealistisch.
Ziel ist es, das optische System insgesamt unempfindlicher gegenüber Temperaturänderungen zu machen.
Dies wird bei Automobilkameras, Außenüberwachung, industrieller Bildverarbeitung, Drohnen und anderen Anwendungen, bei denen die Kamera nicht in einem komfortablen Innenraum untergebracht werden kann, immer wichtiger.
Außenkameras haben ein viel härteres Leben
Erwägen Sie eine Überwachungskamera für den Parkplatz.
Nachts kann die Kamera in einer kalten Umgebung betrieben werden.
Tagsüber kann es sein, dass sich dieselbe Kamera in einem dunklen Gehäuse befindet und direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Die Temperatur im Inneren des Gehäuses kann erheblich von der Umgebungsluft abweichen.
Stellen Sie sich nun vor, Sie würden dies jeden Tag tun.
Die Frage ist nicht nur, ob das Objektiv einen heißen Tag oder eine kalte Nacht übersteht.
Es geht darum, ob das optische System seine Leistung auch bei wiederholten Temperaturänderungen aufrechterhalten kann.
Aus diesem Grund sind Temperaturzyklen bei der Produktbewertung hilfreich.
Ingenieure können das Objektiv oder das Kamerasystem unterschiedlichen Temperaturbedingungen aussetzen und dann prüfen, ob die optische Leistung im erforderlichen Bereich bleibt.
Für einen Objektivhersteller ist ein solcher Test weitaus aussagekräftiger, als einfach zu prüfen, ob sich das Objektiv anschließend noch einschaltet.
Eine Kamera, die sich einschaltet, ist nicht zwangsläufig auch eine Kamera, die immer noch ein gutes Bild liefert.
Automobilkameras treiben das Problem noch weiter voran
Bei Automobilanwendungen wird die thermische Stabilität noch wichtiger.
Ein Fahrzeug kann von einer kalten Außenumgebung in direktes Sonnenlicht fahren. Die Kamera kann hinter einer Windschutzscheibe, in der Nähe der Fahrzeugkarosserie oder an einem anderen Ort montiert werden, an dem die örtlichen Temperaturen recht hoch sind.
Auch diese Temperaturzyklen muss die Kamera im Laufe ihrer Lebensdauer immer wieder durchlaufen.
Aus diesem Grund wird bei der Entwicklung von Automobillinsen häufig großes Augenmerk auf das thermische Verhalten, die mechanische Stabilität, die optische Ausrichtung und die Langzeitkonsistenz gelegt.
Das gleiche Prinzip gilt auch für andere anspruchsvolle Bildgebungsanwendungen.
Eine in der Höhe fliegende Drohne erlebt nicht die gleiche thermische Umgebung wie eine Kamera, die auf einem Schreibtisch steht.
Eine Industriekamera in der Nähe von Maschinen kann ständiger Hitze ausgesetzt sein.
Bei einer Außenüberwachungskamera kann es zu großen Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht kommen.
Das optische Design muss zur tatsächlichen Umgebung passen – nicht zu den komfortablen Bedingungen im Labor.
Beim Temperaturtest zeigt sich der Unterschied
Hier zeigt sich auch der Unterschied zwischen einem Brillenglasmuster und einem serienreifen Brillenglas.
Während der Entwicklung kann ein optisches Design bei Raumtemperatur sehr gut funktionieren.
Aber sobald das Objektiv in die Massenproduktion geht, stellt sich eine andere Frage:
Kann die gleiche optische Leistung über Produktionschargen und Temperaturbedingungen hinweg aufrechterhalten werden?
Das erfordert mehr als optische Berechnung.
Dazu gehören Materialauswahl, mechanische Toleranzen, Montagegenauigkeit, Inspektion und Umwelttests.
Boshi-Optikbetrachtet die Linsenherstellung als einen integrierten Prozess, der optische Verarbeitung, Präzisionsformung, Linsenmontage und Inspektion umfasst. Bei Anwendungen mit anspruchsvollen Umweltanforderungen ist diese Fertigungskonsistenz ebenso wichtig wie das ursprüngliche optische Design.
Denn es hat wenig Sinn, ein Objektiv zu entwickeln, das bei 23 °C eine hervorragende Leistung erbringt, wenn die eigentliche Anwendung den größten Teil ihrer Lebensdauer woanders verbringt.
Braucht also jedes Objektiv eine extreme Temperaturbeständigkeit?
NEIN.
Und das ist ein wichtiger Punkt.
Ein Objektiv für eine Innenkamera erfordert nicht unbedingt die gleichen thermischen Anforderungen wie eine Autokamera oder ein Sicherheitssystem für den Außenbereich.
Es gibt keinen allgemeingültigen „besten“ Betriebstemperaturbereich.
Die richtige Spezifikation hängt von der Anwendung ab.
Wichtig ist, die tatsächliche Umgebung zu verstehen, bevor man sich für das Objektiv entscheidet.
Wo wird die Kamera installiert?
Was ist der erwartete Temperaturbereich?
Wird sich die Temperatur langsam oder schnell ändern?
Wird die Linse wiederholten Temperaturwechseln ausgesetzt sein?
Benötigt die Anwendung einen stabilen Fokus über den gesamten Bereich?
Diese Fragen sind oft nützlicher, als einfach nach der höchsten Temperaturbewertung in einem Datenblatt zu fragen.
Ein Objektiv muss dort funktionieren, wo die Kamera funktioniert
Dies ist der Teil, der manchmal übersehen wird.
Ein Kameraobjektiv wird nicht getestet, sodass ein Hersteller eine beeindruckende Temperaturzahl auf einem Datenblatt angeben kann.
Die Temperaturleistung ist wichtig, weil das Bild wichtig ist.
Ein Objektiv, das mechanisch intakt bleibt, aber unter realen Betriebsbedingungen an Fokus, Kontrast oder optischer Konsistenz verliert, hat das Problem nicht wirklich gelöst.
Für Optikingenieure, Beschaffungsteams und Kamerahersteller lautet die bessere Frage daher nicht:
„Kann diese Linse der Temperatur standhalten?“
Es ist:
„Kann dieses Objektiv die optische Leistung, die unsere Kamera benötigt, über den gesamten Temperaturbereich hinweg aufrechterhalten?“
Das ist eine viel nützlichere Frage.
Weil Kameras nicht in Laboren leben.
Sie leben auf Autos, Gebäuden, Drohnen, Maschinen, Straßen, Fabriken – und zunehmend auch an Orten, an denen die Temperatur alles andere als angenehm ist.
Ein gutes Kameraobjektiv ist nicht für eine bestimmte Temperatur ausgelegt. Es ist auf die Umgebung ausgelegt, in der die Kamera tatsächlich arbeiten muss.
