¿Por qué las lentes de las cámaras necesitan sobrevivir a los cambios de temperatura?
Pon una cámara afuera en invierno.
Luego déjalo ahí hasta el verano.
Es posible que la cámara aún se encienda. El sensor todavía funciona. La electrónica todavía está funcionando.
¿Pero la imagen se ve exactamente igual?
No necesariamente.
Esta es una de esas cosas que es fácil pasar por alto al elegir el objetivo de una cámara. Una lente puede verse perfectamente nítida en un laboratorio a temperatura ambiente, pero comportarse de manera diferente después de pasar horas en un estacionamiento caluroso o en un ambiente exterior helado.
La razón es simple:
La lente de una cámara no es dimensional ni ópticamente estable cuando cambia la temperatura.
Y cuando se trata de un sistema óptico medido en fracciones de milímetro, los “pequeños” cambios pueden convertirse en problemas de imagen muy reales.
Una lente es tanto un sistema mecánico como óptico
Cuando la gente mira el objetivo de una cámara, normalmente piensa en el cristal.
Eso tiene sentido. El cristal es hacia donde va la luz.
Pero dentro de una lente real, suceden muchas más cosas.
Hay elementos ópticos, cilindros de lentes, espaciadores, soportes, roscas, materiales adhesivos y, a veces, elementos ópticos de plástico. Diferentes piezas están hechas de diferentes materiales y diferentes materiales responden de manera diferente a la temperatura.
Cuando la temperatura aumenta, los materiales se expanden.
Cuando la temperatura baja, se contraen.
El problema es que no todos se expanden o contraen exactamente en la misma cantidad.
Imagine varios elementos ópticos colocados a distancias cuidadosamente calculadas entre sí.
Ahora calienta toda la lente.
El cilindro del objetivo se expande. Los elementos ópticos cambian ligeramente. El espacio entre elementos cambia. Las propiedades refractivas de los materiales ópticos también pueden cambiar con la temperatura.
La lente no se ha roto.
Obviamente nada parece malo desde fuera.
Pero ópticamente, el sistema ya no está exactamente donde el diseñador lo pretendía originalmente.
Ahí es donde las cosas empiezan a ponerse interesantes.
El enfoque puede moverse sin que la cámara se mueva
Una de las consecuencias más comunes es el cambio de enfoque.
Una lente de enfoque fijo está diseñada para que la imagen formada por el sistema óptico caiga en el lugar correcto con respecto al sensor.
Cambie la geometría óptica y podrá moverse la posición de mejor enfoque.
Esto es particularmente importante para las cámaras que están instaladas permanentemente.
Imagine una cámara de seguridad enfocada durante el montaje a unos 23°C.
Por la noche, la temperatura baja a -20°C.
Durante la tarde siguiente, la carcasa de la cámara queda expuesta a la luz solar directa y se calienta mucho más.
La cámara en sí no se ha movido.
El sensor no se ha movido.
Pero es posible que la lente haya cambiado lo suficiente como para que cambie el punto de mejor enfoque.
En la fábrica, la imagen parecía nítida.
Afuera, varias horas después, puede parecer notablemente más suave.
Esta es la razón por la que “la lente funciona entre -20°C y 60°C” y “la lente mantiene un buen rendimiento óptico entre -20°C y 60°C” no son necesariamente la misma afirmación.
La segunda pregunta es la que realmente preocupa a los ingenieros.
Por qué son importantes los materiales ópticos
La temperatura no sólo cambia las dimensiones físicas de una lente.
Los materiales ópticos también tienen propiedades refractivas que dependen de la temperatura.
Esto significa que el comportamiento óptico de una lente puede cambiar de dos maneras al mismo tiempo:
la geometría cambia y el propio material óptico cambia.
Para un sistema óptico simple, el efecto puede ser relativamente pequeño.
Para lentes más exigentes, especialmente uno con múltiples elementos y requisitos de rendimiento estrictos, estos cambios pueden acumularse.
El resultado puede aparecer como un cambio de enfoque, cambios en MTF, comportamiento de aberración alterado u otros cambios en la calidad de la imagen.
Esta es también la razón por la que el diseño de lentes nunca se limita a calcular la trayectoria óptica a una temperatura determinada.
Un buen diseño debe considerar el entorno en el que realmente funcionará la lente.
Por eso existe la atermalización
Esto nos lleva a un término que los ingenieros ópticos utilizan con frecuencia:
atermalización.
Suena complicado, pero la idea básica es bastante práctica.
Si la temperatura va a cambiar la lente de todos modos, ¿por qué no diseñar el sistema óptico de manera que esos cambios se compensen entre sí?
Los ingenieros pueden seleccionar materiales ópticos con diferentes características térmicas, ajustar el espaciado de los elementos, elegir materiales mecánicos adecuados o diseñar la estructura mecánica para compensar la expansión térmica.
El objetivo no es necesariamente hacer que cada componente individual sea inmune a la temperatura.
Eso sería poco realista.
El objetivo es hacer que el sistema óptico en su conjunto sea menos sensible a los cambios de temperatura.
Esto se vuelve cada vez más importante en cámaras para automóviles, vigilancia exterior, visión industrial, drones y otras aplicaciones en las que la cámara no puede vivir en una habitación interior cómoda.
Las cámaras exteriores tienen una vida mucho más difícil
Considere una cámara de seguridad en un estacionamiento.
Por la noche, la cámara puede funcionar en un ambiente frío.
Durante el día, la misma cámara puede permanecer dentro de una carcasa oscura expuesta a la luz solar directa. La temperatura dentro de la carcasa puede diferir significativamente de la del aire circundante.
Ahora imagina hacer esto todos los días.
La cuestión no es simplemente si la lente puede sobrevivir un día caluroso o una noche fría.
Se trata de si el sistema óptico puede mantener su rendimiento a través de cambios repetidos de temperatura.
Es por eso que los ciclos de temperatura son útiles durante la evaluación del producto.
Los ingenieros pueden exponer la lente o el sistema de cámara a diferentes condiciones de temperatura y luego verificar si el rendimiento óptico se mantiene dentro del rango requerido.
Para un fabricante de lentes, este tipo de prueba es mucho más informativo que simplemente verificar si la lente aún se enciende después.
Una cámara que se enciende no es necesariamente una cámara que aún produce una buena imagen.
Las cámaras automotrices agravan el problema
Las aplicaciones automotrices hacen que la estabilidad térmica sea aún más importante.
Un vehículo puede pasar de un ambiente exterior frío a la luz solar directa. La cámara puede montarse detrás de un parabrisas, cerca de la carrocería del vehículo o en otro lugar donde las temperaturas locales sean bastante altas.
La cámara también necesita funcionar repetidamente a través de estos ciclos de temperatura durante su vida útil.
Por esta razón, el desarrollo de lentes para automóviles suele prestar mucha atención al comportamiento térmico, la estabilidad mecánica, la alineación óptica y la consistencia a largo plazo.
El mismo principio se aplica a otras aplicaciones de imágenes exigentes.
Un dron que vuela a gran altura no experimenta el mismo ambiente térmico que una cámara colocada sobre un escritorio.
Una cámara industrial cerca de maquinaria puede experimentar calor continuo.
Una cámara de vigilancia exterior puede enfrentar grandes diferencias de temperatura entre el día y la noche.
El diseño óptico debe adaptarse al entorno real, no a las cómodas condiciones del laboratorio.
Las pruebas de temperatura es donde aparece la diferencia
Aquí también es donde se hace evidente la diferencia entre una lente de muestra y una lente lista para producción.
Durante el desarrollo, un diseño óptico puede funcionar muy bien a temperatura ambiente.
Pero una vez que la lente entra en producción en masa, surge otra pregunta:
¿Se puede mantener el mismo rendimiento óptico en todos los lotes de producción y en todas las condiciones de temperatura?
Esto requiere más que un cálculo óptico.
Implica selección de materiales, tolerancias mecánicas, precisión del ensamblaje, inspección y pruebas ambientales.
Óptica Boshiaborda la fabricación de lentes como un proceso integrado, que abarca el procesamiento óptico, el moldeado de precisión, el ensamblaje de lentes y la inspección. Para aplicaciones con requisitos ambientales exigentes, esta consistencia de fabricación se vuelve tan importante como el diseño óptico original.
Porque tiene poco valor diseñar una lente que funcione maravillosamente a 23°C si la aplicación real pasa la mayor parte de su vida en otro lugar.
Entonces, ¿todas las lentes necesitan resistencia a temperaturas extremas?
No.
Y este es un punto importante.
Una lente para una cámara de interior no necesita necesariamente los mismos requisitos térmicos que una cámara de automóvil o un sistema de seguridad exterior.
No existe un "mejor" rango de temperatura de funcionamiento universal.
La especificación correcta depende de la aplicación.
Lo que importa es comprender el entorno real antes de elegir la lente.
¿Dónde se instalará la cámara?
¿Cuál es el rango de temperatura esperado?
¿La temperatura cambiará lenta o rápidamente?
¿La lente experimentará ciclos de temperatura repetidos?
¿La aplicación requiere un enfoque estable en todo el rango?
Estas preguntas suelen ser más útiles que simplemente preguntar por la clasificación de temperatura más alta en una hoja de datos.
Una lente tiene que funcionar donde funciona la cámara
Ésta es la parte que a veces se pasa por alto.
La lente de una cámara no se prueba para que un fabricante pueda incluir un número de temperatura impresionante en una hoja de especificaciones.
El rendimiento de la temperatura es importante porque la imagen importa.
Una lente que permanece mecánicamente intacta pero pierde enfoque, contraste o consistencia óptica en condiciones de funcionamiento reales no ha resuelto realmente el problema.
Por lo tanto, para los ingenieros ópticos, los equipos de adquisiciones y los fabricantes de cámaras, la mejor pregunta no es:
“¿Puede esta lente sobrevivir a la temperatura?”
Es:
“¿Puede este objetivo mantener el rendimiento óptico que nuestra cámara necesita en todo el rango de temperaturas?”
Esa es una pregunta mucho más útil.
Porque las cámaras no viven en laboratorios.
Viven en automóviles, edificios, drones, máquinas, calles, fábricas y, cada vez más, en lugares donde la temperatura es todo menos agradable.
Una buena lente de cámara no está diseñada para una temperatura determinada. Está diseñado para el entorno en el que realmente tiene que funcionar la cámara.
