कैमरा लेंस को तापमान परिवर्तन से बचने की आवश्यकता क्यों है?
सर्दियों में एक कैमरा बाहर रखें।
फिर इसे गर्मियों तक वहीं छोड़ दें।
कैमरा अभी भी चालू हो सकता है. सेंसर अभी भी काम करता है. इलेक्ट्रॉनिक्स अभी भी चल रहे हैं.
लेकिन क्या छवि बिल्कुल वैसी ही दिखती है?
आवश्यक रूप से नहीं।
यह उन चीज़ों में से एक है जिसे कैमरा लेंस चुनते समय नज़रअंदाज करना आसान होता है। एक लेंस कमरे के तापमान पर प्रयोगशाला में बिल्कुल तेज दिख सकता है, फिर भी गर्म पार्किंग स्थल या ठंडे बाहरी वातावरण में घंटों बिताने के बाद अलग तरह से व्यवहार करता है।
वजह साफ है:
तापमान में परिवर्तन होने पर कैमरा लेंस आयामी या ऑप्टिकली स्थिर नहीं होता है।
और जब आप एक मिलीमीटर के अंशों में मापी गई ऑप्टिकल प्रणाली के साथ काम कर रहे हों, तो "छोटे" परिवर्तन बहुत वास्तविक छवि समस्याएं बन सकते हैं।
लेंस एक यांत्रिक प्रणाली के समान ही एक ऑप्टिकल प्रणाली भी है
जब लोग कैमरे के लेंस को देखते हैं, तो वे आमतौर पर कांच के बारे में सोचते हैं।
यह समझ आता है। कांच वह जगह है जहां रोशनी जाती है।
लेकिन वास्तविक लेंस के अंदर, और भी बहुत कुछ चल रहा है।
इसमें ऑप्टिकल तत्व, लेंस बैरल, स्पेसर, होल्डर, धागे, चिपकने वाली सामग्री और कभी-कभी प्लास्टिक ऑप्टिकल तत्व होते हैं। अलग-अलग हिस्से अलग-अलग सामग्रियों से बने होते हैं, और अलग-अलग सामग्रियां तापमान पर अलग-अलग प्रतिक्रिया करती हैं।
जब तापमान बढ़ता है, तो सामग्री का विस्तार होता है।
जब तापमान गिरता है तो ये सिकुड़ जाते हैं।
समस्या यह है कि वे सभी बिल्कुल एक ही मात्रा में विस्तारित या सिकुड़ते नहीं हैं।
एक दूसरे से सावधानीपूर्वक गणना की गई दूरी पर स्थित कई ऑप्टिकल तत्वों की कल्पना करें।
अब पूरे लेंस को गर्म कर लें।
लेंस बैरल फैलता है. ऑप्टिकल तत्व थोड़े बदलते हैं। तत्वों के बीच का अंतर बदल जाता है। ऑप्टिकल सामग्रियों के अपवर्तक गुण तापमान के साथ भी बदल सकते हैं।
लेंस टूटा नहीं है.
बाहर से कुछ भी स्पष्ट रूप से गलत नहीं दिखता।
लेकिन वैकल्पिक रूप से, सिस्टम अब बिल्कुल वैसा नहीं है जैसा कि डिज़ाइनर ने मूल रूप से इसे बनाने का इरादा किया था।
यहीं से चीजें दिलचस्प होने लगती हैं।
कैमरा हिले बिना फोकस घूम सकता है
सबसे आम परिणामों में से एक है फोकस शिफ्ट।
एक फिक्स्ड-फोकस लेंस को डिज़ाइन किया गया है ताकि ऑप्टिकल सिस्टम द्वारा बनाई गई छवि सेंसर के सापेक्ष सही जगह पर पड़े।
ऑप्टिकल ज्यामिति बदलें, और सर्वोत्तम-फ़ोकस स्थिति स्थानांतरित हो सकती है।
यह उन कैमरों के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जो स्थायी रूप से स्थापित हैं।
एक सुरक्षा कैमरे की कल्पना करें जो असेंबली के दौरान लगभग 23°C पर केंद्रित हो।
रात में तापमान -20°C तक गिर जाता है।
अगली दोपहर के दौरान, कैमरा आवास सीधी धूप में रहता है और अधिक गर्म हो जाता है।
कैमरा स्वयं नहीं हिला है.
सेंसर स्थानांतरित नहीं हुआ है.
लेकिन सर्वोत्तम फोकस के बिंदु को स्थानांतरित करने के लिए लेंस पर्याप्त रूप से बदल गया होगा।
फ़ैक्टरी में, छवि तेज़ दिख रही थी।
बाहर, कई घंटों के बाद, यह काफ़ी नरम दिख सकता है।
यही कारण है कि "लेंस -20°C से 60°C पर काम करता है" और "लेंस -20°C से 60°C तक अच्छा ऑप्टिकल प्रदर्शन बनाए रखता है" आवश्यक रूप से एक ही कथन नहीं हैं।
दूसरा प्रश्न वह है जिसकी इंजीनियरों को वास्तव में परवाह है।
ऑप्टिकल सामग्री क्यों मायने रखती है
तापमान न केवल लेंस के भौतिक आयामों को बदलता है।
ऑप्टिकल सामग्रियों में तापमान पर निर्भर अपवर्तक गुण भी होते हैं।
इसका मतलब है कि लेंस का ऑप्टिकल व्यवहार एक ही समय में दो तरह से बदल सकता है:
ज्यामिति बदल जाती है, और ऑप्टिकल सामग्री स्वयं बदल जाती है।
एक साधारण ऑप्टिकल सिस्टम के लिए, प्रभाव अपेक्षाकृत छोटा हो सकता है।
अधिक मांग वाले लेंस के लिए, विशेष रूप से कई तत्वों और सख्त प्रदर्शन आवश्यकताओं वाले लेंस के लिए, ये परिवर्तन जमा हो सकते हैं।
परिणाम फोकस शिफ्ट, एमटीएफ में परिवर्तन, परिवर्तित विपथन व्यवहार या छवि गुणवत्ता में अन्य परिवर्तनों के रूप में दिखाई दे सकता है।
यही कारण है कि लेंस डिज़ाइन कभी भी केवल एक तापमान पर ऑप्टिकल पथ की गणना करने के बारे में नहीं होता है।
एक अच्छे डिज़ाइन के लिए उस वातावरण पर विचार करना आवश्यक है जिसमें लेंस वास्तव में संचालित होगा।
यही कारण है कि एथर्मलाइज़ेशन मौजूद है
यह हमें ऑप्टिकल इंजीनियरों द्वारा अक्सर उपयोग किए जाने वाले शब्द की ओर ले जाता है:
athermalization.
यह जटिल लगता है, लेकिन मूल विचार काफी व्यावहारिक है।
यदि तापमान वैसे भी लेंस को बदल देगा, तो ऑप्टिकल सिस्टम को डिज़ाइन क्यों नहीं किया जाए ताकि वे परिवर्तन एक-दूसरे की भरपाई कर सकें?
इंजीनियर विभिन्न थर्मल विशेषताओं के साथ ऑप्टिकल सामग्री का चयन कर सकते हैं, तत्व रिक्ति को समायोजित कर सकते हैं, उपयुक्त यांत्रिक सामग्री का चयन कर सकते हैं, या थर्मल विस्तार की भरपाई के लिए यांत्रिक संरचना को डिजाइन कर सकते हैं।
लक्ष्य आवश्यक रूप से प्रत्येक व्यक्तिगत घटक को तापमान के प्रति प्रतिरक्षित बनाना नहीं है।
यह अवास्तविक होगा.
लक्ष्य ऑप्टिकल सिस्टम को तापमान परिवर्तन के प्रति कम संवेदनशील बनाना है।
यह ऑटोमोटिव कैमरे, आउटडोर निगरानी, औद्योगिक दृष्टि, ड्रोन और अन्य अनुप्रयोगों में तेजी से महत्वपूर्ण हो जाता है जहां कैमरा आरामदायक इनडोर कमरे में नहीं रह सकता है।
आउटडोर कैमरों का जीवन बहुत कठिन होता है
पार्किंग-स्थल सुरक्षा कैमरे पर विचार करें।
रात में, कैमरा ठंडे वातावरण में काम कर सकता है।
दिन के दौरान, वही कैमरा सीधे सूर्य की रोशनी के संपर्क में एक अंधेरे आवास के अंदर रखा जा सकता है। आवास के अंदर का तापमान आसपास की हवा से काफी भिन्न हो सकता है।
अब हर दिन ऐसा करने की कल्पना करें।
मुद्दा केवल यह नहीं है कि लेंस एक गर्म दिन या एक ठंडी रात में जीवित रह सकता है या नहीं।
यह है कि क्या ऑप्टिकल सिस्टम बार-बार तापमान परिवर्तन के माध्यम से अपना प्रदर्शन बनाए रख सकता है।
इसीलिए उत्पाद मूल्यांकन के दौरान तापमान चक्रण उपयोगी होता है।
इंजीनियर लेंस या कैमरा सिस्टम को विभिन्न तापमान स्थितियों में उजागर कर सकते हैं और फिर जांच कर सकते हैं कि ऑप्टिकल प्रदर्शन आवश्यक सीमा के भीतर रहता है या नहीं।
एक लेंस निर्माता के लिए, इस प्रकार का परीक्षण केवल यह जाँचने से कहीं अधिक जानकारीपूर्ण है कि लेंस बाद में भी चालू होता है या नहीं।
एक कैमरा जो पावर देता है, जरूरी नहीं कि वह ऐसा कैमरा हो जो फिर भी अच्छी छवि बनाता हो।
ऑटोमोटिव कैमरे समस्या को और आगे बढ़ाते हैं
ऑटोमोटिव अनुप्रयोग थर्मल स्थिरता को और भी महत्वपूर्ण बनाते हैं।
एक वाहन ठंडे बाहरी वातावरण से सीधी धूप में जा सकता है। कैमरा विंडशील्ड के पीछे, वाहन बॉडी के पास, या किसी अन्य स्थान पर लगाया जा सकता है जहां स्थानीय तापमान काफी अधिक हो जाता है।
कैमरे को अपने सेवा जीवन के दौरान इन तापमान चक्रों के माध्यम से बार-बार काम करने की आवश्यकता होती है।
इस कारण से, ऑटोमोटिव लेंस विकास अक्सर थर्मल व्यवहार, यांत्रिक स्थिरता, ऑप्टिकल संरेखण और दीर्घकालिक स्थिरता पर बारीकी से ध्यान देता है।
यही सिद्धांत अन्य मांग वाले इमेजिंग अनुप्रयोगों पर भी लागू होता है।
ऊंचाई पर उड़ने वाला ड्रोन डेस्क पर बैठे कैमरे के समान थर्मल वातावरण का अनुभव नहीं करता है।
मशीनरी के पास एक औद्योगिक कैमरा लगातार गर्मी का अनुभव कर सकता है।
एक बाहरी निगरानी कैमरे को दिन-रात के तापमान में बड़े अंतर का सामना करना पड़ सकता है।
ऑप्टिकल डिज़ाइन को वास्तविक वातावरण से मेल खाना चाहिए-प्रयोगशाला की आरामदायक स्थितियों से नहीं।
तापमान परीक्षण वह जगह है जहां अंतर दिखाई देता है
यहीं पर लेंस के नमूने और उत्पादन के लिए तैयार लेंस के बीच का अंतर भी स्पष्ट हो जाता है।
विकास के दौरान, एक ऑप्टिकल डिज़ाइन कमरे के तापमान पर बहुत अच्छा प्रदर्शन कर सकता है।
लेकिन एक बार जब लेंस बड़े पैमाने पर उत्पादन में प्रवेश करता है, तो एक और प्रश्न सामने आता है:
क्या उत्पादन बैचों और तापमान स्थितियों में समान ऑप्टिकल प्रदर्शन बनाए रखा जा सकता है?
इसके लिए ऑप्टिकल गणना से अधिक की आवश्यकता होती है।
इसमें सामग्री चयन, यांत्रिक सहनशीलता, असेंबली सटीकता, निरीक्षण और पर्यावरण परीक्षण शामिल है।
बोशी ऑप्टिक्सलेंस निर्माण को एक एकीकृत प्रक्रिया के रूप में देखता है, जिसमें ऑप्टिकल प्रोसेसिंग, सटीक मोल्डिंग, लेंस असेंबली और निरीक्षण शामिल है। पर्यावरणीय आवश्यकताओं की मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए, यह विनिर्माण स्थिरता मूल ऑप्टिकल डिज़ाइन जितनी ही महत्वपूर्ण हो जाती है।
क्योंकि ऐसे लेंस को डिज़ाइन करने का कोई महत्व नहीं है जो 23°C पर खूबसूरती से काम करता है यदि वास्तविक एप्लिकेशन अपना अधिकांश जीवन कहीं और बिताता है।
तो, क्या प्रत्येक लेंस को अत्यधिक तापमान प्रतिरोध की आवश्यकता होती है?
नहीं।
और यह एक महत्वपूर्ण बिंदु है.
किसी इनडोर कैमरे के लेंस को ऑटोमोटिव कैमरे या बाहरी सुरक्षा प्रणाली के समान थर्मल आवश्यकताओं की आवश्यकता नहीं होती है।
कोई सार्वभौमिक "सर्वोत्तम" ऑपरेटिंग तापमान रेंज नहीं है।
सही विशिष्टता अनुप्रयोग पर निर्भर करती है.
लेंस चुनने से पहले वास्तविक वातावरण को समझना महत्वपूर्ण है।
कहां लगेगा कैमरा?
अपेक्षित तापमान सीमा क्या है?
क्या तापमान धीरे-धीरे या तेजी से बदलेगा?
क्या लेंस को बार-बार तापमान चक्र का अनुभव होगा?
क्या एप्लिकेशन को संपूर्ण रेंज पर स्थिर फोकस की आवश्यकता है?
ये प्रश्न अक्सर किसी डेटाशीट पर उच्चतम तापमान रेटिंग पूछने की तुलना में अधिक उपयोगी होते हैं।
जहां कैमरा काम करता है वहां लेंस को काम करना पड़ता है
यह वह हिस्सा है जो कभी-कभी छूट जाता है।
एक कैमरा लेंस का परीक्षण नहीं किया जाता है ताकि कोई निर्माता विनिर्देश शीट पर एक प्रभावशाली तापमान संख्या डाल सके।
तापमान प्रदर्शन मायने रखता है क्योंकि छवि मायने रखती है।
एक लेंस जो यांत्रिक रूप से बरकरार रहता है लेकिन वास्तविक परिचालन स्थितियों के तहत फोकस, कंट्रास्ट, या ऑप्टिकल स्थिरता खो देता है, वास्तव में समस्या का समाधान नहीं करता है।
ऑप्टिकल इंजीनियरों, खरीद टीमों और कैमरा निर्माताओं के लिए, बेहतर सवाल यह नहीं है:
"क्या यह लेंस तापमान से बच सकता है?"
यह है:
"क्या यह लेंस पूरे तापमान रेंज में हमारे कैमरे के लिए आवश्यक ऑप्टिकल प्रदर्शन को बनाए रख सकता है?"
यह बहुत अधिक उपयोगी प्रश्न है.
क्योंकि प्रयोगशालाओं में कैमरे नहीं रहते.
वे कारों, इमारतों, ड्रोनों, मशीनों, सड़कों, कारखानों पर और तेजी से उन जगहों पर रहते हैं जहां तापमान आरामदायक के अलावा कुछ भी नहीं है।
एक अच्छा कैमरा लेंस एक तापमान के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है। यह उस वातावरण के लिए डिज़ाइन किया गया है जिसमें कैमरे को वास्तव में काम करना है।
