Время на чтение материала: ~ 8 минут
Содержание статьи:
1. Температурные характеристики камеры и объектива
2. Что происходит при отрицательных и положительных температурах
3. Тепловое расширение материалов и его последствия
4. Изменения конструкции объектива при нагревании
6. Возможные способы компенсации
8. Моторизованные объективы как практическое решение
Как показывает практика, абсолютное большинство участников рынка видеонаблюдения – потребители, а бывает, что и поставщики — даже не подозревают о существовании такой проблемы – «уход» резкости при перепаде температур – до тех пор, пока с ней лично не столкнутся. Но даже столкнувшись, не всегда способны найти истинную причину, уповая на неисправность оборудования. Поэтому, имеет смысл разобраться, чтобы заранее предвидеть подобные «сюрпризы» и правильно на них реагировать.
Температурные характеристики камеры и объектива
В технической документации и на камеру, и на объективы как правило указываются две температурные характеристики – диапазон температур хранения и диапазон рабочих температур (или эксплуатационный диапазон).
При этом подразумевается, что при соблюдении этих требований не наступит выхода аппаратуры из строя.
Если говорить об объективах, то температура ниже отрицательного предела диапазона хранения может привести к повреждению оптических элементов из-за чрезмерного механического сжатия оправами. Или необратимому загустению смазки в. например, механизме автодиафрагмы. Если превышен верхний температурный предел, может произойти необратимая деформация пластиковых деталей, нарушение креплений линз клеевыми соединениями в оправах или между собой.
Что же касается диапазона рабочих температур, то он обычно существенно шире для объектива, нежели для камеры, на которую установлен. И поэтому, на него зачастую вообще не обращают внимания. Рабочий диапазон камеры определяется работоспособностью всей элементной базы, и, если параметры какого-либо элемента схемы выйдут за допустимые значения, камера просто прекратит показывать, даже, если такие изменения носят обратимый характер и не приводят к выходу оборудования из строя. По нижней границе диапазона камеры имеют значение, как правило, не ниже минус 10 градусов (особенно чувствительны к минусовым температурам IP-камеры), а по верхней границе температура составляет +50-+60 градусов. Любой объектив при таком диапазоне температур из строя не выйдет.
Но, если буквально каждый элемент схемы камеры с его номиналом имеет свой рабочий диапазон температур, в котором этот номинал сохраняется, то все параметры объектива определяются и заявляются при конкретной температуре +200С и атмосферном давлении в 1 атм. И в первую очередь – фокусное расстояние. И что будет с параметрами при изменении внешних условий в пределах рабочего диапазона, никто заранее точно предсказать не сможет.
А изменения непременно будут.
Что происходит при отрицательных и положительных температурах
Ситуация с отрицательными температурами на самом деле достаточно простая. В условиях минусовых температур камера с объективом обязательно размещается в термокожухе, имеющем систему обогрева. В противном случае камера выйдет из строя или, как минимум, запотеет, даже если величина наружной минусовой температуры укладывается в рабочий диапазон, потому что при температуре точки росы оставшаяся влага непременно выпадет на объективе или защитном стекле кожуха. Обычно обогрев автоматически включается при температуре внутри термокожуха около +50С и отключается в районе +150С. Разница с испытательной для объектива температурой в +200С при этом составит максимум 15 градусов. Хотя, при определенных обстоятельствах и это может оказаться заметным.
Основные проблемы возникают в условиях плюсовых температур. И, чем снаружи теплее, тем проблемы существеннее.
Внутри герметичного объема металлического термокожуха температура может очень существенно превышать наружную, особенно, если камера установлена под прямыми солнечными лучами. К тому же в замкнутом объеме активные элементы камеры неизбежно выделяют дополнительное тепло. А воздухообмен с внешней средой категорически невозможен. Иначе атмосферная влага попадет внутрь и очень быстро приведет к самым негативным последствиям. Если снаружи температура воздуха составляет +300-+350С, то внутри могут быть все градусов, а то и больше. Камера при этом может оставаться в своем рабочем диапазоне, но параметры объектива, и в первую очередь фокусное расстояние, могут претерпевать при этом весьма существенные изменения.
Тепловое расширение материалов и его последствия
В первую очередь в результате нагрева будет происходить изменение физических размеров всех элементов объектива.
Физическая величина, характеризующая относительное изменение размеров тела при нагревании на 10 ( С, К), называется коэффициентом теплового расширения (КТР).
В свою очередь КТР подразделяется на коэффициент линейного теплового расширения – обозначается «α» — и коэффициент объемного теплового расширения –« β».
Увеличение размеров элементов при нагревании будет происходить в соответствии с КТР материалов, из которых они изготовлены.
Поскольку КТР характеризует относительное увеличение размеров, в абсолютном выражении величина этого увеличения будет тем больше, чем больше сам элемент.
Второй важный для понимания момент – различные материалы могут иметь КТР, отличающийся на порядки. Так пластик имеет КТР в 5-20 раз больше, чем металлы. А КТР оптического стекла меньше, чем у пластиков и металлов в 10-100 раз.
Изменения конструкции объектива при нагревании
При перепадах температуры в объективах происходят следующие изменения, зависящие от их конструкции, применяемых материалов и размеров.
Изменение линейных размеров корпуса, как по длине, так и по диаметру (Рис.1)
В результате удлинения корпуса на некую величину ∆Lнеизбежно изменится расстояние между линзами. На рисунке для упрощения представлен объектив с двумя линзами. На самом деле их бывает больше. Изменение расстояний между линзами обязательно скажется на изменении фокусного расстояния всей оптической системы. Точка фокуса сместится (f1). Кроме того, изменится и величина т.н. рабочего расстояния. Поскольку матрица установлена на фиксированном рабочем расстояния, определенном при испытательных температурных параметрах, произойдет некоторая расфокусировка изображения объекта, даже, находящегося в бесконечности. Другое дело, что величина ее может быть и незначительной. А, может, и существенной.
Из-за существенного различия в КТР стекла линз и материала корпуса (для металла эта разница меньше, для пластика – больше), возникнут зазоры между корпусом и/или оправами и линзами. В результате смещения линзы объектива могут получить т.н. крен (наклон) (Рис.2)
Изменение направления преломления также неизбежно скажется на позиции точки фокуса – она сместится.
Помимо крена может произойти смещение оптического центра каких-то линз с оптической оси объектива в любую сторону (Рис.3)
В результате изменится вся схема построения проекции изображения, что негативно скажется на его резкости.
Хотя КТР стекла объектива самый низкий из всех элементов конструкции, тем не менее он есть, и в результате нагрева или охлаждения происходит изменение радиуса кривизны самих линз, а, значит, и изменение фокусного расстояния. Неизбежно изменится и фокусное расстояние всей оптической системы объектива, а, значит, изменится и положение плоскости проекции изображения – оно не будет совпадать с положением матрицы.
Ну, и с перепадами температур меняется такой важный параметр и линзы, и объективом в целом, как коэффициент преломления – отношение скорости света в среде прохождения к скорости света в вакууме. Коэффициент преломления зависит от материала линзы. А с изменением коэффициента неизбежно меняется и фокусное расстояние.
В качестве примера.
При изменении температуры на 100С кварцевая линза с f=100 мм смещает свой фокус на 23 мкм (микрон). Линза из оптического стекла ВК7 при тех же условиях изменяет фокусное расстояние на 300 мкм. То есть, при изменении температуры на 300С фокусное расстояние может измениться на величину около 1 мм, что может оказаться ощутимым с точки зрения резкости в зависимости от конечной задачи.
Что делать потребителю?
Итак, в общем случае изменение рабочей температуры объективно влияет на его физические свойства, и в первую очередь, на фокусное расстояние, что неизбежно связано с резкостью изображения при отсутствии возможности ее оперативной корректировки.
Для потребителя важно, в какой мере этот факт влияет на конечную потребительскую задачу.
А также, от чего зависит вероятность подобных негативных последствий.
Теоретически резкость «уходит» всегда при изменении температуры. Но, если этот «уход» находится в пределах глубины резкости объектива, им можно просто пренебречь – никто никаких изменений не заметит.
А глубина резкости тем меньше, чем больше фокусное расстояние и больше светосила объектива (меньше диафрагменное число). Таким образом, потеря резкости свойственна в первую очередь длиннофокусным и светосильным оптическим системам.
КТР носит относительный характер, а, значит, изменение линейных размеров элементов объектива в абсолютно значении тем больше, чем габаритнее сам объектив. Так термическая деформация линз из оптического стекла начинает сказываться при их диаметре от 25 мм и более. Для кварцевого стекла это значение существенно больше.
Вот почему, очень многие инсталляторы и даже поставщики оптики рынка охранного видеонаблюдения вообще зачастую не знают об этом явлении – для короткофокусных объективов М12, да еще работающих в режиме «бесконечности» визуально потеря резкости при нагревании не наблюдается. А длиннофокусные объективы, как правило, представляют собой моторизованные трансфокаторы, имеющие режим дистанционной наводки на резкость, и при всякой потери резкости оператор имеет возможность сам исправить ситуацию. Кроме того, задачи охранного видеонаблюдения часто ограничиваются требованиями вовремя заметить и, максимум, идентифицировать объект, что вполне осуществимо в пределах температурных отклонений.
А вот для задач машинного зрения, в которых необходимо обеспечить максимальную резкость в заданной точке, чтобы в полной мере реализовывалось высокое разрешение в требуемых границах, потеря резкости от перепадов рабочих температур бывает очень актуальной проблемой.
Возможно, что задачи не привязаны точно к временному фактору, тогда надо просто осознавать, что при изменении внешних температур к нормальному состоянию все вернется к первоначальным настройкам.
Возможные способы компенсации
Если необходима постоянная точная резкость при любых внешних условиях, можно, наряду с системой автоматического обогрева, применить систему автоматического охлаждения. Термокожухи с охлаждением внутреннего объема на рынке существуют. Сама система может быть реализована различными способами – и неким кондиционером, и даже есть кожухи с водяным охлаждением. Все решения весьма сложные в реализации, поскольку необходимо сохранить герметичность внутреннего объема, а от того очень дорогие. И всегда имеет смысл сопоставить стоимость конечной потребительской задачи с ценой ее технического решения. Возможно, что есть и иные способы.
Атермализация объективов
Теоретически существует т.н. атермализация объективов – заведомое изготовление оптической системы, учитывающее возможные температурные отклонения и компенсирующие их.
При этом различают активную и пассивную атермализацию.
Активная – включение в состав системы некоего вспомогательного оборудования, автоматически компенсирующего или корректирующего фокусное расстояние при его изменении.
Пассивная атермализация подразумевает учет КТР всех компонентов оптической системы при ее проектировании, внесение компенсирующих элементов в конструкцию из специальных материалов, что совсем не гарантирует стопроцентный эффект.
Из-за очень высокой стоимости подобных решений применяются они в основном в военной технике. Например, в танковых прицелах, когда речь идет о сохранении человеческих жизней. В иных задачах их рентабельность очень сомнительна.
Моторизованные объективы, как практическое решение
В реальных условиях эксплуатации наиболее приемлемым представляется применение моторизованных объективов с внешним управлением фокусным расстоянием, настройкой резкости и регулировкой диафрагмы. Если исключить негативные последствия от перепадов температур или невозможно, или такое решение оказывается экономически нецелесообразным, применение моторизованного объектива позволит компенсировать их внешним дистанционным управлением. Тем более, что изменения такие носят переменный характер в зависимости от внешних температурных условий, с изменением которых вновь потребуется компенсация последствий для параметров объектива. Здесь речь идет не о задаче изменения масштаба изображения, для которой применение моторизованного объектива не эффективно без наличия поворотного устройства, а именно коррекции фокусного расстояния и подстройки резкости в очень небольшом диапазоне для задач, в первую очередь, машинного зрения, которые без точной настройки оптической системы теряют свою эффективность. Нет необходимости в большой кратности подобных объективов, отчего цена их существенно ниже привычных 10-ти-30-и кратных трансфокаторов. И, если применение таких моторизованных объективов для охранного видеонаблюдения, к тому же установленных на поворотные устройства, как правило, малоэффективно и экономически неоправданно, то для задач машинного зрения подобное решение может оказаться единственно приемлемым.
Именно поэтому компания «БИК» самостоятельно разрабатывает и имеет в наличии широкую линейку моторизованных объективов высокого разрешения с полным функционалом настроек, предназначенных в первую очередь для машинного зрения.
Заключение
Но, как всегда, любое решение должно приниматься осознанно и в соответствии с конечной потребительской задачей. Если задача решается, любые отклонения считаются допустимыми, поскольку отклонения будут всегда. Главное, не поддаваться панике, если случаются объективные физические явления с применяемой техникой. Но для этого о них надо знать!