カメラのレンズが温度変化に耐える必要があるのはなぜですか

冬はカメラを外に出しましょう。

あとは夏まで放置します。

カメラはまだオンになっている可能性があります。センサーはまだ機能しています。電子機器はまだ動作しています。

しかし、イメージはまったく同じに見えますか？

必ずしもそうとは限りません。

これはカメラレンズを選ぶ際に見落としがちな点の一つです。レンズは、室温の実験室では完璧に鮮明に見えますが、暑い駐車場や凍てつく屋外環境で何時間も過ごした後では、動作が異なります。

理由は簡単です。

カメラのレンズは、温度が変化すると寸法的または光学的に安定しません。

そして、ミリメートル単位で測定される光学システムを扱っている場合、「小さな」変化が非常に現実的な画像の問題になる可能性があります。

レンズは光学システムであるのと同じように機械システムです

カメラのレンズを見るとき、人々は通常、ガラスを思い浮かべます。

それは理にかなっています。ガラスは光が通る場所です。

しかし、実際のレンズの内部では、さらに多くのことが起こっています。

光学素子、レンズバレル、スペーサー、ホルダー、ネジ、接着剤、そして場合によってはプラスチックの光学素子もあります。異なる部品は異なる材料で作られており、材料が異なれば温度に対する反応も異なります。

温度が上昇すると、材料は膨張します。

温度が下がると収縮します。

問題は、すべてがまったく同じ量だけ拡大または縮小しないことです。

いくつかの光学素子が相互に慎重に計算された距離に配置されていると想像してください。

次にレンズ全体を加熱します。

鏡筒が伸びます。光学要素はわずかに変更されます。要素間の間隔が変わります。光学材料の屈折特性は温度によっても変化します。

レンズは割れていません。

外側から見て明らかに問題があるようには見えません。

しかし、光学的には、システムはもはや設計者が当初意図していた場所に正確には存在しません。

ここからが面白くなり始めます。

カメラを動かさずにフォーカスを移動できる

最も一般的な結果の 1 つは、フォーカスの移動です。

固定焦点レンズは、光学系によって形成された画像がセンサーに対して適切な位置に収まるように設計されています。

光学形状を変更すると、最適な焦点位置が移動します。

これは、恒久的に設置されるカメラにとって特に重要です。

約 23°C で組み立て中に監視カメラの焦点が合っていると想像してください。

夜になると気温は-20℃まで下がります。

翌日の午後、カメラのハウジングは直射日光にさらされ、さらに高温になります。

カメラ自体は動いていません。

センサーは動いていません。

ただし、最適な焦点が移動するほどレンズが変化した可能性があります。

工場では、画像は鮮明に見えました。

数時間後に外に出すと、明らかに柔らかくなっているように見えるかもしれません。

このため、「レンズは -20°C ～ 60°C で動作する」と「レンズは -20°C ～ 60°C で良好な光学性能を維持する」が必ずしも同じではありません。

2 番目の質問は、エンジニアが実際に気にしている質問です。

光学材料が重要な理由

温度はレンズの物理的な寸法を変えるだけではありません。

光学材料には温度に依存する屈折特性もあります。

これは、レンズの光学的動作が同時に 2 つの方法で変化する可能性があることを意味します。

形状が変化し、光学材料自体も変化します。

単純な光学システムの場合、影響は比較的小さい可能性があります。

より要求の厳しいレンズ、特に複数の要素と厳しい性能要件を備えたレンズの場合、これらの変更は累積する可能性があります。

その結果は、焦点のずれ、MTF の変化、収差挙動の変化、またはその他の画質の変化として現れる場合があります。

これは、レンズ設計が決して 1 つの温度での光路を計算するだけではない理由でもあります。

優れた設計には、レンズが実際に動作する環境を考慮する必要があります。

これが断熱化が存在する理由です

ここから、光学エンジニアが頻繁に使用する用語がわかります。

断熱化。

複雑に聞こえますが、基本的な考え方は非常に実用的です。

いずれにせよ温度によってレンズが変化するのであれば、それらの変化が互いに補償し合うように光学系を設計してはどうでしょうか?

エンジニアは、異なる熱特性を持つ光学材料を選択したり、要素の間隔を調整したり、適切な機械材料を選択したり、熱膨張を補償する機械構造を設計したりできます。

目標は、必ずしもすべての個々のコンポーネントを温度の影響を受けないようにすることではありません。

それは非現実的でしょう。

目標は、光学システム全体を温度変化の影響を受けにくくすることです。

これは、車載カメラ、屋外監視、産業用ビジョン、ドローン、およびカメラが快適な屋内室内に設置できないその他の用途において、ますます重要になっています。

屋外カメラの寿命ははるかに厳しい

駐車場の防犯カメラを考えてみましょう。

夜間、カメラは寒い環境で動作する場合があります。

日中、同じカメラが直射日光にさらされた暗い筐体内に設置される場合があります。ハウジング内の温度は周囲の空気と大きく異なる場合があります。

これを毎日行うことを想像してください。

問題は、単にレンズが暑い日や寒い夜に耐えられるかどうかというだけではありません。

度重なる温度変化に対して光学系が性能を維持できるかどうかです。

このため、温度サイクルは製品評価時に役立ちます。

エンジニアは、レンズまたはカメラ システムをさまざまな温度条件にさらし、光学性能が必要な範囲内にあるかどうかを確認できます。

レンズ メーカーにとって、この種のテストは、レンズがその後もオンになるかどうかを単に確認するよりもはるかに有益です。

カメラの電源が入っても、依然として良好な画像が得られるとは限りません。

車載カメラが問題をさらに深刻化させる

自動車用途では、熱安定性がさらに重要になります。

車両は、寒い屋外環境から直射日光の当たる場所に移動することができます。カメラは、フロントガラスの後ろ、車体の近く、または局所的な温度が非常に高くなる別の場所に取り付けられる場合があります。

また、カメラは耐用年数にわたってこれらの温度サイクルを繰り返して動作する必要があります。

このため、自動車用レンズの開発では、熱挙動、機械的安定性、光学的位置合わせ、および長期的な一貫性に細心の注意を払うことがよくあります。

同じ原則が、要求の厳しい他のイメージング アプリケーションにも当てはまります。

高度を飛行するドローンは、机の上に置かれたカメラと同じ熱環境を経験しません。

機械の近くにある産業用カメラは、継続的に熱にさらされる可能性があります。

屋外監視カメラは昼夜の温度差が大きい場合があります。

光学設計は、実験室の快適な条件ではなく、実際の環境に適合する必要があります。

温度テストで違いが明らかになる

ここは、レンズサンプルと量産準備完了レンズとの違いが明らかになる場所でもあります。

開発中、光学設計は室温で非常に良好に機能する場合があります。

しかし、レンズが量産に入ると、別の疑問が生じます。

同じ光学性能を生産バッチ間や温度条件間で維持できますか?

それには光学的な計算以上のものが必要です。

これには、材料の選択、機械的公差、組み立て精度、検査、環境テストが含まれます。

ボシ光学光学加工、精密成形、レンズ組立、検査までを一貫したプロセスとしてレンズ製造に取り組んでいます。環境要件が厳しいアプリケーションでは、この製造の一貫性が元の光学設計と同じくらい重要になります。

なぜなら、実際のアプリケーションがその寿命のほとんどを別の場所で費やすのであれば、23℃で美しく動作するレンズを設計する価値はほとんどないからです。

では、すべてのレンズに極端な温度耐性が必要なのでしょうか?

いいえ。

そして、これは重要なポイントです。

屋内カメラ用のレンズは、必ずしも車載カメラや屋外セキュリティ システムと同じ熱要件を必要とするわけではありません。

普遍的な「最適な」動作温度範囲はありません。

適切な仕様はアプリケーションによって異なります。

大切なのは実際の環境を理解した上でレンズを選ぶことです。

カメラはどこに設置されますか?

予想される温度範囲はどれくらいですか?

温度はゆっくりと変化しますか、それとも急速に変化しますか?

レンズは温度サイクルを繰り返すことになりますか?

アプリケーションは全範囲にわたって安定したフォーカスを必要としますか?

これらの質問は、単にデータシート上の最高温度定格を尋ねるよりも役立つことがよくあります。

レンズはカメラが機能する場所で機能する必要があります

これは時々見落とされる部分です。

カメラのレンズは、メーカーが仕様書に素晴らしい温度数値を記載できるようにテストされていません。

画像が重要であるため、温度パフォーマンスも重要です。

実際の動作条件下で、機械的には無傷であるにもかかわらず、焦点、コントラスト、または光学的一貫性が失われるレンズは、実際には問題を解決したことにはなりません。

したがって、光学エンジニア、調達チーム、カメラ メーカーにとって、より良い質問は次のようなものではありません。

「このレンズは温度に耐えられますか?」

それは次のとおりです。

「このレンズは、温度範囲全体にわたってカメラに必要な光学性能を維持できますか?」

それははるかに有益な質問です。

カメラは研究室には存在しないからです。

彼らは車、建物、ドローン、機械、道路、工場など、快適とは言えない温度の場所に生息することが増えています。

優れたカメラのレンズは、特定の温度に合わせて設計されているわけではありません。カメラが実際に動作しなければならない環境向けに設計されています。