Pourquoi les objectifs des appareils photo doivent-ils survivre aux changements de température
Mettez une caméra dehors en hiver.
Ensuite, laissez-le là jusqu'à l'été.
L'appareil photo peut encore s'allumer. Le capteur fonctionne toujours. L'électronique fonctionne toujours.
Mais l’image est-elle exactement la même ?
Pas nécessairement.
C’est l’une de ces choses qu’il est facile de négliger lors du choix d’un objectif d’appareil photo. Un objectif peut paraître parfaitement net dans un laboratoire à température ambiante, mais se comporter différemment après avoir passé des heures dans un parking chaud ou dans un environnement extérieur glacial.
La raison est simple :
Un objectif d’appareil photo n’est pas stable dimensionnellement ou optiquement lorsque la température change.
Et lorsqu’il s’agit d’un système optique mesuré en fractions de millimètre, les « petits » changements peuvent devenir de véritables problèmes d’image.
Une lentille est un système mécanique autant qu’optique
Lorsque les gens regardent l’objectif d’un appareil photo, ils pensent généralement au verre.
Cela a du sens. Le verre est l'endroit où va la lumière.
Mais à l’intérieur d’une véritable lentille, il se passe bien plus encore.
Il existe des éléments optiques, des barillets d'objectif, des entretoises, des supports, des fils, des matériaux adhésifs et parfois des éléments optiques en plastique. Différentes pièces sont fabriquées à partir de différents matériaux et différents matériaux réagissent différemment à la température.
Lorsque la température augmente, les matériaux se dilatent.
Lorsque la température baisse, ils se contractent.
Le problème est qu’ils ne se dilatent pas ou ne se contractent pas exactement de la même manière.
Imaginez plusieurs éléments optiques positionnés à des distances soigneusement calculées les uns des autres.
Chauffez maintenant toute la lentille.
Le barillet de l'objectif s'agrandit. Les éléments optiques changent légèrement. L'espacement entre les éléments change. Les propriétés réfractives des matériaux optiques peuvent également changer avec la température.
L'objectif n'est pas cassé.
Rien ne semble manifestement faux vu de l’extérieur.
Mais optiquement, le système n’est plus exactement là où le concepteur l’avait initialement prévu.
C’est là que les choses commencent à devenir intéressantes.
La mise au point peut bouger sans que la caméra ne bouge
L’une des conséquences les plus courantes est le changement d’orientation.
Un objectif à focale fixe est conçu pour que l'image formée par le système optique tombe au bon endroit par rapport au capteur.
Modifiez la géométrie optique et la meilleure position de mise au point peut bouger.
Ceci est particulièrement important pour les caméras installées de manière permanente.
Imaginez une caméra de sécurité focalisée lors du montage à environ 23°C.
La nuit, la température descend jusqu'à -20°C.
L'après-midi suivant, le boîtier de la caméra est exposé à la lumière directe du soleil et devient beaucoup plus chaud.
La caméra elle-même n'a pas bougé.
Le capteur n'a pas bougé.
Mais l’objectif a peut-être suffisamment changé pour que le point de mise au point optimal se déplace.
À l’usine, l’image semblait nette.
À l’extérieur, plusieurs heures plus tard, la température peut paraître nettement plus douce.
C'est pourquoi « l'objectif fonctionne de -20°C à 60°C » et « l'objectif conserve de bonnes performances optiques de -20°C à 60°C » ne sont pas forcément la même affirmation.
La deuxième question est celle qui intéresse réellement les ingénieurs.
Pourquoi les matériaux optiques sont importants
La température ne modifie pas seulement les dimensions physiques d’un verre.
Les matériaux optiques ont également des propriétés réfractives dépendant de la température.
Cela signifie que le comportement optique d’un objectif peut changer de deux manières en même temps :
la géométrie change et le matériau optique lui-même change.
Pour un système optique simple, l’effet peut être relativement faible.
Pour un objectif plus exigeant, en particulier un objectif comportant plusieurs éléments et des exigences de performances strictes, ces changements peuvent s'accumuler.
Le résultat peut se manifester par un changement de mise au point, des modifications du MTF, une modification du comportement d'aberration ou d'autres changements dans la qualité de l'image.
C’est également pourquoi la conception de lentilles ne consiste jamais uniquement à calculer le chemin optique à une température donnée.
Une bonne conception doit prendre en compte l’environnement dans lequel l’objectif fonctionnera réellement.
C'est pourquoi l'athermalisation existe
Cela nous amène à un terme que les ingénieurs optiques utilisent fréquemment :
athermalisation.
Cela semble compliqué, mais l’idée de base est plutôt pratique.
Si la température doit de toute façon modifier la lentille, pourquoi ne pas concevoir le système optique de manière à ce que ces changements se compensent ?
Les ingénieurs peuvent sélectionner des matériaux optiques présentant différentes caractéristiques thermiques, ajuster l'espacement des éléments, choisir des matériaux mécaniques appropriés ou concevoir la structure mécanique pour compenser la dilatation thermique.
L’objectif n’est pas nécessairement d’immuniser chaque composant contre la température.
Ce serait irréaliste.
L’objectif est de rendre le système optique dans son ensemble moins sensible aux changements de température.
Cela devient de plus en plus important dans les caméras automobiles, la surveillance extérieure, la vision industrielle, les drones et d'autres applications où la caméra ne peut pas vivre dans une pièce intérieure confortable.
Les caméras extérieures ont une vie beaucoup plus difficile
Pensez à une caméra de sécurité pour un parking.
La nuit, la caméra peut fonctionner dans un environnement froid.
Pendant la journée, la même caméra peut se trouver dans un boîtier sombre exposé à la lumière directe du soleil. La température à l’intérieur du boîtier peut être très différente de celle de l’air ambiant.
Imaginez maintenant faire cela tous les jours.
La question n’est pas simplement de savoir si la lentille peut survivre à une journée chaude ou à une nuit froide.
Il s’agit de savoir si le système optique peut maintenir ses performances malgré des changements de température répétés.
C'est pourquoi les cycles de température sont utiles lors de l'évaluation des produits.
Les ingénieurs peuvent exposer l'objectif ou le système de caméra à différentes conditions de température, puis vérifier si les performances optiques restent dans la plage requise.
Pour un fabricant d’objectifs, ce type de test est bien plus informatif que la simple vérification si l’objectif s’allume toujours par la suite.
Un appareil photo qui s’allume n’est pas nécessairement un appareil photo qui produit quand même une bonne image.
Les caméras automobiles poussent le problème plus loin
Les applications automobiles rendent la stabilité thermique encore plus importante.
Un véhicule peut passer d’un environnement extérieur froid à la lumière directe du soleil. La caméra peut être montée derrière un pare-brise, près de la carrosserie du véhicule ou dans un autre endroit où les températures locales deviennent assez élevées.
La caméra doit également fonctionner de manière répétée lors de ces cycles de température au cours de sa durée de vie.
Pour cette raison, le développement de lentilles automobiles accorde souvent une attention particulière au comportement thermique, à la stabilité mécanique, à l'alignement optique et à la cohérence à long terme.
Le même principe s’applique à d’autres applications d’imagerie exigeantes.
Un drone volant en altitude ne subit pas le même environnement thermique qu’une caméra posée sur un bureau.
Une caméra industrielle située à proximité de machines peut subir une chaleur continue.
Une caméra de surveillance extérieure peut être confrontée à d’importantes différences de température entre le jour et la nuit.
La conception optique doit correspondre à l’environnement réel et non aux conditions confortables du laboratoire.
Les tests de température sont là où la différence apparaît
C’est également là que la différence entre un échantillon de lentille et un objectif prêt à la production devient apparente.
Pendant le développement, une conception optique peut très bien fonctionner à température ambiante.
Mais une fois que l’objectif entre en production de masse, une autre question apparaît :
Les mêmes performances optiques peuvent-elles être maintenues dans tous les lots de production et dans toutes les conditions de température ?
Cela nécessite plus qu’un simple calcul optique.
Cela implique la sélection des matériaux, les tolérances mécaniques, la précision de l’assemblage, l’inspection et les tests environnementaux.
Optique Boshiaborde la fabrication de lentilles comme un processus intégré, couvrant le traitement optique, le moulage de précision, l'assemblage de lentilles et l'inspection. Pour les applications soumises à des exigences environnementales exigeantes, cette cohérence de fabrication devient tout aussi importante que la conception optique originale.
Parce qu'il n'y a que peu d'intérêt à concevoir un objectif qui fonctionne parfaitement à 23°C si l'application réelle passe la majeure partie de sa vie ailleurs.
Alors, chaque objectif a-t-il besoin d’une résistance à des températures extrêmes ?
Non.
Et c'est un point important.
Un objectif pour une caméra intérieure ne nécessite pas nécessairement les mêmes exigences thermiques qu'une caméra automobile ou un système de sécurité extérieur.
Il n’existe pas de « meilleure » plage de température de fonctionnement universelle.
La bonne spécification dépend de l’application.
Ce qui compte, c'est de comprendre l'environnement réel avant de choisir l'objectif.
Où la caméra sera-t-elle installée ?
Quelle est la plage de température attendue ?
La température changera-t-elle lentement ou rapidement ?
La lentille subira-t-elle des cycles de température répétés ?
L'application nécessite-t-elle une mise au point stable sur toute la plage ?
Ces questions sont souvent plus utiles que de simplement demander la température la plus élevée sur une fiche technique.
Un objectif doit fonctionner là où fonctionne la caméra
C’est la partie qui manque parfois.
Un objectif d'appareil photo n'est pas testé afin qu'un fabricant puisse inscrire un nombre de température impressionnant sur une fiche technique.
Les performances en matière de température sont importantes parce que l’image compte.
Un objectif qui reste mécaniquement intact mais perd la mise au point, le contraste ou la cohérence optique dans des conditions de fonctionnement réelles n'a pas vraiment résolu le problème.
Pour les ingénieurs optiques, les équipes d’approvisionnement et les fabricants d’appareils photo, la meilleure question n’est donc pas :
« Cet objectif peut-il survivre à la température ? »
C'est:
« Cet objectif peut-il maintenir les performances optiques dont notre appareil photo a besoin sur toute la plage de températures ? »
C'est une question beaucoup plus utile.
Parce que les caméras ne vivent pas dans les laboratoires.
Ils vivent dans des voitures, des bâtiments, des drones, des machines, des rues, des usines et, de plus en plus, dans des endroits où la température est tout sauf confortable.
Un bon objectif d’appareil photo n’est pas conçu pour une seule température. Il est conçu pour l’environnement dans lequel la caméra doit réellement fonctionner.
