Термическая компенсация в модулях камер: испытания в экстремальных условиях

Температура является одним из самых критических факторов окружающей среды, влияющих на модули камер. В условиях высокой температуры, таких как в пустынях или внутри автомобилей, припаркованных под солнцем, компоненты камеры могут расширяться. Это термическое расширение может привести к смещению элементов объектива, что приводит к изменениям фокуса и размытым изображениям. Например, фокусное расстояние объектива камеры может изменяться с колебаниями температуры. Исследования показали, что при увеличении температуры на 30 °C фокусное расстояние может измениться до 0,03 мм в некоторых моделях камер. Это, казалось бы, небольшое изменение может оказать значительное влияние на резкость и четкость захваченных изображений, особенно в приложениях, требующих высокоточной съемки, таких как промышленная инспекция или научные исследования.

С другой стороны, в условиях низкой температуры, таких как в полярных регионах или на высокогорных вершинах, производительность сенсоров камер может ухудшаться. Мобильность носителей заряда в материалах сенсора может снижаться, что приводит к увеличению шума в изображениях. Кроме того, смазочные материалы, используемые в подвижных частях модуля камеры, если таковые имеются, могут загустевать или даже замерзать, что вызывает механические сбои в таких функциях, как автофокусировка и зум.

Высокий уровень влажности может быть столь же проблематичным для камерных модулей. Влага в воздухе может конденсироваться на внутренних компонентах камеры, особенно когда камера перемещается из холодной среды в теплую и влажную. Этот конденсат может вызвать коррозию металлических частей, таких как контакты на печатной плате и крепление объектива. Со временем коррозия может привести к сбоям в электрических соединениях и механической нестабильности. Кроме того, влага также может повлиять на оптические свойства покрытий объектива. Некоторые покрытия могут поглощать влагу, что может изменить показатель преломления и снизить общую эффективность передачи света объектива, что приводит к более темным и менее ярким изображениям.

Низкая влажность также не лишена своих проблем. В условиях крайней сухости статическое электричество может накапливаться легче. Разряд статического электричества может повредить чувствительные электронные компоненты в модуле камеры, такие как сенсор изображения или микроконтроллер, который управляет функциями камеры.

В приложениях, где камера установлена на движущихся транспортных средствах, таких как автомобили, поезда или вертолеты, или в промышленном оборудовании, которое испытывает постоянные вибрации, модули камер подвергаются механическому стрессу. Вибрация может со временем вызывать незначительное смещение элементов объектива, что приводит к явлению, известному как "дрожание изображения". Это дрожание может сделать захваченные изображения размытыми или нестабильными, особенно при длительной экспозиции. Удар, например, от внезапного удара, когда устройство с камерой падает, может вызвать более серьезные повреждения. Это может сломать деликатные элементы объектива, сместить сенсор с его крепления или повредить соединения на печатной плате, что делает модуль камеры неработоспособным.

Термическое циклирование: Этот тест включает в себя подвергание модуля камеры повторяющимся температурным циклам в пределах его рабочего температурного диапазона и экстремального значения. Например, модуль камеры может циклически изменяться между - 40 °C и 85 °C. Цель состоит в том, чтобы смоделировать реальные условия использования, такие как оставление камеры в горячем автомобиле в течение дня, а затем перемещение в холодную внутреннюю среду ночью. Делая это, производители могут выявить проблемы термического расширения, деградацию соединений пайки и надежность компонентов под нагрузкой. Оборудование, необходимое для термического циклирования, включает в себя климатическую камеру, которая может точно контролировать температуру, систему контроля температуры для установки и мониторинга температурных профилей, а также оборудование для сбора данных, чтобы зафиксировать любые изменения в производительности модуля камеры, такие как деградация качества изображения или изменения в скорости автофокуса.

Высокотемпературное тестирование: В этом тесте модуль камеры подвергается воздействию крайне высокой температуры, часто около 200 °C в течение продолжительного времени. Цель состоит в том, чтобы оценить производительность устройства при максимальной рабочей температуре. Это помогает выявить термические ограничения компонентов, такие как способность пластикового корпуса модуля камеры выдерживать высокую температуру без деформации или могут ли электронные компоненты сохранять свою функциональность. Высокотемпературное тестирование также может выявить проблемы, такие как деградация паяных соединений, так как высокие температуры могут привести к плавлению или ослаблению припоя со временем.

Низкотемпературное тестирование: Здесь модуль камеры подвергается крайне низким температурам, обычно около - 40 °C в течение продолжительного времени. Цель состоит в том, чтобы оценить производительность устройства при его минимальной рабочей температуре. Низкотемпературное тестирование может выявить ограничения компонентов при низких температурах, такие как то, сокращается ли время работы батареи устройства с камерой при низких температурах или становится ли сенсор камеры неотзывчивым.

Высокое - Тестирование на влажность: Модуль камеры подвергается воздействию крайне высокого уровня влажности, часто около 95% относительной влажности в течение длительного времени. Этот тест помогает выявить проблемы, связанные с влагой, такие как коррозия металлических частей, окисление электрических контактов и деламинация печатных плат. Например, если модуль камеры используется в тропическом дождевом лесу, тестирование на высокую влажность может смоделировать условия, с которыми он столкнется. Необходимое оборудование включает в себя климатическую камеру с возможностями контроля влажности, систему контроля влажности для поддержания желаемого уровня влажности и оборудование для сбора данных для мониторинга любых признаков повреждения или ухудшения производительности.

Низкая - Тестирование на влажность: Хотя это менее распространено, некоторые модули камер могут использоваться в крайне сухих условиях, таких как пустыни. Тестирование на низкую влажность, при котором модуль камеры подвергается очень низкому уровню влажности, около 0,1% относительной влажности, может выявить проблемы, связанные с накоплением статического электричества и его потенциальным воздействием на компоненты камеры.​

Случайное вибрационное тестирование: Модуль камеры подвергается случайным вибрационным паттернам, обычно в диапазоне частот от 10 до 50 Гц в течение продолжительного времени. Эта проверка направлена на оценку производительности устройства в условиях реального использования, где вибрации нерегулярны, например, в движущемся автомобиле на ухабистой дороге. Случайное вибрационное тестирование может помочь выявить структурные слабости в модуле камеры, такие как ослабленные детали или плохо спроектированные крепления. Оно также может обнаружить деградацию припойных соединений из-за постоянного механического напряжения. Используемое оборудование включает в себя оборудование для вибрационного тестирования, которое может генерировать случайные вибрационные паттерны, и систему сбора данных для записи любых изменений в производительности камеры.​

Тестирование на удар: В тестировании на удар модуль камеры подвергается внезапному воздействию, например, удару в 100 g на короткий промежуток времени. Этот тест предназначен для оценки производительности устройства в условиях экстремального удара, например, когда устройство с камерой случайно падает. Тестирование на удар может выявить структурные слабости, которые могут привести к сбоям в работе модуля камеры, такие как сломанные корпуса линз или поврежденные печатные платы.

Системы теплового управления: Один из распространенных аппаратных подходов - это использование систем теплового управления. К ним могут относиться радиаторы, которые предназначены для отвода тепла от компонентов модуля камеры. Радиаторы обычно изготавливаются из материалов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий или медь. У них большая поверхность, чтобы увеличить скорость передачи тепла в окружающую среду. Например, в высокопроизводительной камере наблюдения, которая генерирует значительное количество тепла во время работы, радиатор, прикрепленный к процессору камеры, может помочь поддерживать низкую температуру, предотвращая ухудшение производительности.

Термоеlectric охладители (TECs): TECs являются еще одним аппаратным решением для термокомпенсации. Они работают на эффекте Пельтье, который гласит, что когда электрический ток проходит через соединение двух различных материалов, тепло либо поглощается, либо выделяется на соединении. В контексте модулей камер TECs могут использоваться для охлаждения компонентов, которые перегреваются. Например, в тепловизионной камере TEC может использоваться для охлаждения инфракрасного датчика, улучшая его чувствительность и уменьшая шум. Однако у TECs также есть некоторые недостатки, такие как высокое потребление энергии и необходимость в точной управляющей схемотехнике.

Температура - зависимая калибровка: Программное обеспечение - основанная термокомпенсация часто включает в себя температуру - зависимую калибровку. Производители камер могут разрабатывать алгоритмы, которые настраивают внутренние параметры камеры на основе измеренной температуры. Например, по мере изменения температуры алгоритм может регулировать настройку фокусного расстояния, чтобы компенсировать тепловое расширение элементов объектива. Эта калибровка может выполняться в реальном времени или во время предварительного этапа обработки. В камере 3D - структурированного светового сканера температура - зависимая калибровка может гарантировать, что сканер сохраняет свою точность даже в условиях изменяющейся температуры.

Алгоритмы обработки изображений: Другой подход на основе программного обеспечения заключается в использовании алгоритмов обработки изображений для коррекции термических дефектов изображений. Например, если высокие температуры вызывают увеличение шума на изображениях, алгоритмы могут быть использованы для уменьшения этого шума. Эти алгоритмы могут анализировать статистические свойства изображения и применять фильтры или другие методы обработки для улучшения качества изображения. В условиях низкой освещенности и высокой температуры, где шум более выражен, такие алгоритмы обработки изображений могут значительно повысить удобство использования модуля камеры.

Автомобильные камеры используются в различных приложениях, таких как системы помощи водителю (например, предупреждение о выходе из полосы, предупреждение о лобовом столкновении) и помощь при парковке. Эти камеры подвергаются воздействию широкого спектра экологических условий. В исследовании автомобильных камер было установлено, что в летние месяцы, когда температура внутри автомобиля может достигать 60 °C и выше, системы автофокуса камер часто выходили из строя из-за теплового расширения компонентов объектива. Чтобы решить эту проблему, производители камер внедрили комбинацию методов термокомпенсации на аппаратном и программном уровнях. Они добавили радиаторы к модулям камер для рассеивания тепла и разработали программные алгоритмы, которые регулировали параметры автофокуса в зависимости от измеренной температуры. После этих улучшений уровень отказов систем автофокуса в условиях высокой температуры был значительно снижен.

Беспилотные летательные аппараты используются для различных целей, включая фотографию, видеосъемку и обследование. Дроны работают в различных условиях, от жарких и влажных тропических регионов до холодных и сухих горных районов. В одном конкретном случае модуль камеры, установленный на дроне, испытывал искажение изображения и снижение разрешения в холодных условиях. В ходе испытаний в экстремальных условиях было установлено, что основной причиной является сенсор камеры. Производительность сенсора ухудшалась при низких температурах, что приводило к снижению подвижности носителей заряда и увеличению шума. Чтобы решить эту проблему, производитель дронов использовал комбинацию тепловой изоляции для поддержания температуры модуля камеры и программных алгоритмов снижения шума. Тепловая изоляция уменьшила скорость потери тепла от модуля камеры, в то время как программные алгоритмы улучшили качество изображения, устраняя шум. В результате производительность камеры дрона в холодных условиях была значительно улучшена.

Термическая компенсация в модулях камер является ключевым аспектом обеспечения их надежной работы в экстремальных условиях. Тестирование в экстремальных условиях, включая тестирование температуры, влажности, вибрации и ударов, помогает производителям выявлять потенциальные слабые места в дизайне модулей камер. Путем внедрения как аппаратных, так и программных методов термической компенсации модули камер могут стать более надежными и способными эффективно работать в широком диапазоне экологических условий. По мере того как технологии продолжают развиваться и модули камер используются в еще более требовательных приложениях, важность термической компенсации и тестирования в экстремальных условиях будет только расти.