Пролайн – видеонаблюдение, безопасность, системы охраны, системы оповещения, уличные камеры, монтаж видеодомофонов.

Объективы телевизионных камер

На этапе проектирования чрезвычайно важен правильный выбор объективов для ТВ-камер, поскольку неправильная установка оптики может свести к нулю эффективность всей системы видеонаблюдения. При решении задач общего наблюдения вполне допускается применение дешевых оптических элементов с заметным уровнем аберраций. В то же время увеличение затрат на высококачественную оптику при создании СФЗ особо ответственного объекта может привести к увеличению вероятности его защиты, незначительно удорожая ТВ-систему в целом. Поэтому для того, чтобы сделать правильный выбор, в каждом конкретном случае необходимо учесть следующие основные характеристики объектива.

Оптический формат. Определение типа используемого объектива начинается с согласования его оптического формата с форматом ПЗС-матрицы, используемой в ТВ-камере. Оптический формат – это диаметр изображения в фокальной плоскости объектива с заданными размером кружка рассеяния и уровнем аберраций. Допустимые значения кружка рассеяния для объективов различных форматов

Формат объектива, дюйм 1 2/3 1/2 1/3 1/4
Диаметр кружка рассеяния, мкм 30 21 16 11 8

Формат объектива не влияет на угол обзора; от объектива требуется лишь, чтобы он создавал изображение с заданным качеством, покрывающее всю поверхность фотоприёмника. Указанные значения диаметра кружка рассеяния соответствуют максимальной деградации качества на периферии поля зрения. При использовании объектива с форматом, превышающим формат матрицы, качество изображения практически не меняется, так как в этом случае фотоприёмник работает в центральной части поля зрения объектива. В то же время формат матрицы ПЗС, используемой в ТВ-камере, влияет на угол обзора: чем меньше размер матрицы при одном и том же объективе, тем уже поле зрения ТВ-камеры. Таким образом, формат объектива должен быть большим формата матрицы ПЗС или равным ему. Это означает, что с камерами формата 1/3” можно использовать объективы оптических форматов от 1/3” до 1”, при этом объектив формата 1/3” с фокусным расстоянием 8 мм будет давать тот же угол обзора, что и объектив 2/3” с фокусным расстоянием 8 мм (рис. 1).

Вместе с тем, применение объективов больших оптических форматов совместно с матрицами малых форматов может привести к снижению разрешающей способности системы вследствие увеличения радиуса кружка рассеяния объектива.

Фокусное расстояние объектива. Измеряется в миллиметрах и непосредственно связано с углом обзора, даваемым этим объективом. Короткофокусные объективы обеспечивают большие углы обзора, а объективы с большим фокусным расстоянием являются телеобъективами с малыми полями зрения (см. рис. 2). «Нормальный» угол обзора соответствует тому, что мы видим невооруженным глазом; фокусное расстояние для такого угла обзора равно формату матрицы ПЗС.

Данная связь характерна для всех оптических систем, в том числе для стандартных фотоаппаратов, у которых «нормальный» угол обзора обеспечивается при фокусном расстоянии объектива примерно 50 мм.

Связь между углом поля зрения и фокусным расстоянием объектива f определяется выражением

 

где b – размер матрицы ПЗС по соответствующей координате.

В зависимости от решаемой задачи в системе могут использоваться объективы с постоянным фокусным расстоянием (fixed focal length), а также с ручной (varyfocal) или автоматической (zoom) перестройками его значения. Объективы с постоянным фокусным расстоянием наиболее распространены и применяются для решения задач общего наблюдения. Объективы с ручным изменением фокусного расстояния используются в случаях, когда требуется максимально точное согласование размеров наблюдаемого объекта с полем зрения телевизионной системы. Если телевизионная камера используется как при обнаружении, так и при распознавании объектов, необходимо применение объективов с автоматическим изменением фокусного расстояния (вариообъективов)

Апертура. Для объектива обычно имеется два параметра, определяющие его апертурные свойства, – максимальная апертура (минимальное значение диафрагмы), когда объектив полностью открыт, и минимальная апертура (максимальное значение диафрагмы), когда объектив почти полностью закрыт. Диафрагма влияет на качество конечного изображения двояко. Минимальное значение этого параметра означает, что объектив пропускает больше света, что улучшает отношение сигнал/шум на выходе камеры в условиях слабой освещенности. Большая величина диафрагмы необходима при очень больших уровнях освещения для предотвращения «ослепления» и поддержания постоянного уровня видеосигнала.

В большинстве случаев производители указывают чувствительность ТВ-камер при использовании оптики с апертурой F1.4. При этом освещенности на объекте Ео и в плоскости фотоприемника Еф.п отличаются в 10 раз.

В технических характеристиках объективов часто указываются максимальное и минимальное значения апертуры, например F1.4 – F360. Большинство объективов с автоматической регулировкой диафрагмы имеют минимальное значение апертуры F64 или F125. В этом случае, например для объектива с фокусным расстоянием 12 мм, диаметр действующего отверстия объектива будет равен 0.2 или 0.1 мм соответственно. Такое малое значение апертуры затрудняет проектирование механизма диафрагмы и приводит к увеличению интенсивности света в центре объектива. Решением данной проблемы является дополнительное уменьшение пропускания света в центре оптической системы. Это достигается напылением очень мелких концентрических линий в самом центре одной из линз объектива, толщина которых увеличивается к центру линзы. В результате возникает эффект уменьшения количества света, проходящего через объектив, причем все его спектральные составляющие ослабляются одинаково. Поэтому такой фильтр называется нейтральным спот-фильтром (spot (англ.) – пятно)). Подобное ослабление светового потока позволяет достигать очень малых значений апертуры: до F360 в объективах широкого применения и до F1000 в объективах, предназначенных для работы с камерами повышенной чувствительности.

При полностью открытой диафрагме нейтральный спот-фильтр никак не влияет на проходящий световой поток, так как диаметр действующего отверстия объектива намного больше диаметра фильтра (рис. 3).

 Коэффициент пропускания света всем объективом зависит также от количества элементов в его оптической схеме, от марки оптического стекла и от качества обработки поверхностей. Данные о коэффициентах пропускания конкретных моделей объективов обычно не публикуются; для практических расчетов значение коэффициента пропускания можно принять равным 0.85 для высококачественных объективов, 0.785 – для стандартных и 0.6 – для дешевых объективов с оптическими элементами из пластмассы. Значение коэффициента пропускания включают в понятие светосилы объектива, равной произведению его относительного отверстия на коэффициент пропускания. В ряде руководств для характеристики способности объектива к светопередаче используют такой параметр, как коэффициент передачи (transmission ratio)
Например, для стандартного объектива с апертурой F1.4 и коэффициентом пропускания 0.785 коэффициент передачи (эффективная апертура) будет равен 1.58. Для дешёвого объектива с коэффициентом пропускания 0.6 эффективная апертура уменьшится до F1.8.

Величина диафрагмы непосредственно влияет также на глубину резкости изображения .
В объективах с автоматически перестраиваемой диафрагмой глубина резкости постоянно изменяется. Это становится особенно заметным в ночное время, когда объектив полностью открыт и глубина резкости становится минимальной. В связи с этим любая настройка телекамеры на объекте (в том числе наводка на резкость в соответствии с формулой (1)) производится при полностью открытой диафрагме (вечером или с применением ослабляющих светофильтров перед объективом).
Для объективов с переменным фокусным расстоянием характерно уменьшение максимальной апертуры при переходе от малых значений фокусного расстояния к большим. Так, объективы с 8-кратным изменением фокусного расстояния при широких углах поля зрения характеризуются значением F1.2, при малых – F1.5; для объективов с 10-кратной перестройкой поля зрения апертура изменяется от F1.4 до F2.0 и т. д. Фокусировка ТВ-камеры с таким объективом достаточно сложна и выполняется в несколько этапов. Сначала при максимально широком угле зрения фокусируют объектив на бесконечность и регулировкой положения матрицы ПЗС достигают четкого изображения удаленных предметов. Затем переходят к минимально возможным углам зрения и повторяют регулировку еще раз.

Автоматическое или ручное управление диафрагмой. Объективы с автоматической диафрагмой используются при наружном наблюдении в условиях значительных изменений уровня освещенности; объективы с ручной установкой диафрагмы целесообразно применять внутри помещений, когда уровень освещенности постоянен. Появление ПЗС-камер с электронным затвором сделало возможным применение объективов с ручной установкой диафрагмы в условиях, когда приращения освещенности могут быть скомпенсированы схемами автоматической регулировки чувствительности камеры. При этом следует учитывать, что установка значения диафрагмы в данном случае критически важна, поскольку при полном открытии диафрагмы (работа ночью) глубина резкости становится очень малой и получение четкого изображения во всем поле зрения оказывается проблематичным. Если диафрагма закрыта для увеличения глубины резкости, отношение сигнал/шум в выходном изображении при слабой освещенности будет низким.

Видеопривод или непосредственный привод. Для поддержания качества изображения необходимо управлять автоматической диафрагмой объектива. Объективы, управляемые видеосигналом (video drive), содержат специальный усилитель, через который видеосигнал приводит в действие сервомотор диафрагмы. В случае объектива с непосредственным приводом (direct drive) в объективе имеется только гальванометрический мотор диафрагмы, а усилитель должен содержаться в камере. Выбор объектива должен основываться на типе выхода сигнала управления диафрагмой в ТВ-камере. В настоящее время большинство камер имеют выходы обоих типов, поэтому предпочтение следует отдавать объективам с непосредственным приводом в силу их меньшей стоимости.

Вне зависимости от типа сервопривода объектива для обеспечения нормальной работы камеры при различных уровнях освещенности необходима его точная настройка. Для этого в объективах с автодиафрагмой имеются две регулировки – «Уровень» (Level) и «Автомат» (Auto Light Control, ALC). С помощью первой из них вручную задается среднее значение диафрагмы; вторая управляет чувствительностью схемы автоматического управления диафрагмой к изменениям освещенности. Обычно, эта регулировка выставляется в среднее положение, так как чрезмерно высокая чувствительность схемы автоматического управления может привести к ее самовозбуждению при малейших изменениях освещенности и в результате диафрагма объектива будет периодически самопроизвольно открываться и закрываться.

Тип крепления (C или CS). В настоящее время выпускаются объективы с задним отрезком 12.5 мм (тип СS) и 17.5 мм (тип С). Современные камеры обычно имеют CS-тип крепления, и с ними можно использовать оба типа объективов, однако при использовании объективов C-типа для получения резкого изображения между камерой и объективом необходима установка кольца толщиной 5 мм (рис. 4).

 Использовать объективы CS-типа с камерами C-типа нельзя, поскольку в этом случае невозможно совместить фокальную плоскость объектива с плоскостью установки матрицы ПЗС.

Асферическая оптика. Традиционные объективы телевизионных камер изготавливаются из сферических линз. Оптические компоненты, описываемые постоянным радиусом кривизны в пределах каждой поверхности, технологичны в изготовлении и поэтому дёшевы. Однако им присущи так называемые сферические аберрации, которые ухудшают качество изображения и ограничивают максимально возможную апертуру.

Использование асферических оптических компонентов, поверхности которых описываются более сложными функциями, позволяет скомпенсировать аберрации на краях поля зрения и увеличить светосилу объективов (рис. 5). Так, объективы со сферическими линзами обычно имеют апертуру F1.2 – F1.4; в асферических объективах этот показатель улучшен до F0.75 – F0.8. Это позволяет увеличить чувствительность телекамер в среднем в 3 раза. Повышение качества изображения всегда связно с увеличением затрат, поэтому по сравнению с традиционными объективами асферические вдвое дороже. Они находят своё применение в составе высококачественных телевизионных камер, в первую очередь – цветных, размещаемых На объектах категории А.

Применение асферической оптики оправдано также в случаях, когда дефицит освещённости контролируемой зоны не может быть восполнен другим способом.

Вверх
Москва и Московская обл.
Корзина 0 Пока пусто
Заказать звонок