5.2 Об'єктиви
Об'єктиви характеризуються такими параметрами.
Формат об'єктива (format of the lens, image size) – це, по суті, позначення того розміру ПЗЗ-матриці відеокамери, з якою даний об'єктив має працювати. Інакше кажучи, формат – це приблизна довжина в дюймах діаметра, сфокусованого на площині зображення (він же є діагоналлю вписаного в цю окружність прямокутника зі співвідношенням сторін 3:4). Цей прямокутник – поверхня ПЗЗ-матриці.
Однією з вимог конструктивного з'єднання об'єктива й відеокамери є відповідність їх форматів. Відзначимо, що можливе використання об'єктива більшого формату, установленого на відеокамеру меншого формату (але не навпаки, інакше на екрані відеомонітора можуть з'явитися затемнення на краях екрана). Переваги такої установки в тому, що в цьому випадку використовується центральна частина об'єктива, де якість обробки поверхні краща, ніж на периферії, завдяки чому роздільна здатність виявляється вищою. Недолік – зменшується світлосила об'єктива, тому що звужується його діаметр, що ефективно використовується.
Розглянемо ситуацію, коли на відеокамеру формату 1/3 був установлений об'єктив формату 1/3, наприклад, L8 1.3/CS. У каталозі вказується, що кут огляду системи " відеокамера–об'єктив" по горизонталі в цьому випадку буде 33,40°. Якщо викрутити даний об'єктив і замість нього вкрутити об'єктив формату 2/3 S8 1.3C, то кут огляду системи " відеокамера–об'єктив" виявиться тим же самим, тобто 33,40°. І це зрозуміло – фіксованою є фокусна відстань (8 мм) і фіксовані розміри матриці. Зменшилася тільки робоча область об'єктива, оскільки він був розрахований на хід променів, що формують більше зображення (формату 2/3).
Можлива ситуація, коли є відеокамера з об'єктивом, що відповідає ПЗС-матриці (наприклад, формат 1/3, фокусна відстань 8 мм) і потрібно цю відеокамеру замінити відеокамерою іншого формату (наприклад, 2/3) з об'єктивом формату 2/3, але таким чином, щоб кут огляду при цьому не змінився. Орієнтовно розрахувати необхідну фокусну відстань в цьому випадку можна з використанням відносин форматів:
8 мм х (2/3 : 1/3) = 16 мм.
Для точного розрахунку варто обрати відносини не форматів, а однойменних сторін матриць.
Фокусна відстань у мм (focal lenght) визначає кут огляду відеокамери в цілому (чим більша фокусна відстань, тим менший кут огляду й тим крупніше відображається об'єкт спостереження). Відзначимо, що кут огляду відеокамери по горизонталі істотно ширше кута огляду по вертикалі, що варто враховувати при аналізі "мертвої зони" під відеокамерою.
Вибір об'єктива за фокусною відстанню здійснюється на підставі вимог необхідного кута огляду (angle of view) або, що практично те ж саме, відстані до об'єкта спостереження (object distance) і горизонтального (horizontal) або вертикального (vertical) поля зору (field of view). Очевидно, що перед цим необхідно визначити необхідну кількість і тип відеокамер, що забезпечують мінімум так званих "мертвих зон" при найменшому взаємному перекритті робочих зон.
Зауваження:
– для однакових форматів більшій фокусній відстані відповідає менший кут огляду;
– для відеокамер з об'єктивами відповідного формату й однакових фокусних відстаней більшому формату відповідає більший кут огляду;
– при установці об'єктива більшого формату на відеокамеру з матрицею меншого формату кут огляду визначається фокусною відстанню об'єктива й розміром матриці, тобто дорівнює куту огляду штатного об'єктива для даної матриці.
Фокусну відстань, яку треба знайти, можна отримати теоретично або практично.
Теоретичними методами є:
– аналітичний (наприклад, з пропорції: відношення фокусної відстані f щодо відстані до об'єкта l дорівнює відношенню довжини ПЗЗ-матриці h до горизонтального поля зору H): f/l = h/H;
– графічний – графіки або номограми (рис 5.7), побудовані на підставі цього співвідношення:
Рисунок 5.7 – Табличний (для визначення фокусної відстані об'єктива 1/3)
Таблиця 5.1 – Таблиця для визначення фокусної відстані
|
У деяких випадках ураховується 10%-е зменшення зображення на екрані за рахунок зворотного ходу розгорнення відеомонітора.
Практичними методами є:
– використання спеціального оптичного видошукача (фокусна відстань, що шукається, зчитується з конусної шкали);
– використання переносного відеомонітора, відеокамери й набору об'єктивів.
Об'єктиви випускаються як з постійною фокусною відстанню (fixed focal length), так і зі змінною, причому їх регулювання може бути як ручним ( vary–focal lenses), так і дистанційно керованим (zoom lenses).
Варіооб'єктиви з ручним керуванням звичайно дозволяють змінювати фокусну відстань приблизно в 2 рази, що забезпечує настроювання кута огляду відеокамери на оптимальне зображення. Варіооб'єктиви з сервокеруванням, інакше трансфокатори (motorized zoom), дозволяють змінювати фокусну відстань у межах від 6 до 34 разів. Вони можуть застосовуватися на об'єктах, де при відеоспостереженні потрібно час від часу дистанційно змінювати масштаб контрольованого зображення. Деякі з таких об'єктивів мають функцію попередньої установки (presets) – за сигналом тривоги автоматично відбувається швидка установка заздалегідь заданої фокусної відстані.
Відносний отвір визначає світловий потік, що досягає ПЗЗ-матриці. Зазначимо, що позначення F1.2 називають aperture (відношення фокусної відстані до ефективного діаметра об'єктива), а відносним отвором називають зворотну величину (1:1.2), однак нерідко пишуть спрощено: відносний отвір F1.2. Чим менше це значення, тим краще (тим суттєвішою є система відеокамера–об'єктив), тобто, наприклад, об'єктив з F1.4 краще в порівнянні з об'єктивом з F2.0, тому що дозволить одержати краще зображення в умовах малої освітленості. Використання так званих асферичних об'єктивів (aspheric lens) c F0.8 дозволяє підвищити результуючу чутливість приблизно в 3 рази в порівнянні з використанням об'єктивів F1.4.
За типом діафрагми (iris), тобто механізму регулювання минаючого світлового потоку, об'єктиви поділяються на:
– об'єктиви без регулювання діафрагми (without iris) – для приміщень з постійним рівнем освітленості;
– з ручним регулюванням діафрагми (manual iris) – у приміщеннях з постійним рівнем освітленості (забезпечують можливість оптимального підстроювання);
– з автоматичним регулюванням діафрагми ( auto–iris) – для установки поза приміщеннями й у приміщеннях зі змінюваною освітленістю, причому регулювання може здійснюватися або відеосигналом (video) – задіяні три контакти рознімання з чотирьох, або сигналом постійного струму (DC або DD) – використовуються всі чотири контакти.
Розширення динамічного діапазону регулювань діафрагми можна досягти забезпеченням максимально щільного закриття об'єктива. З цією метою використовують вбудований нейтрально сірий фільтр–пляму (ND spot filter), розміщений у центральній частині об'єктива (при відкритому об'єктиві він практично не впливає на проходження світлового потоку, але помітно зменшує його при малому розкритті зіниці об'єктива). Об'єктиви з діафрагмою, що керуються сигналом постійного струму, економічніші, а за технічними характеристиками ідентичні аналогічним об'єктивам, що керуються відеосигналом.
Якщо необхідно перевірити працездатність механізму автодіафрагми, то це можна виконати в такий спосіб. Необхідно кабелем підключити об'єктив до робочої відеокамери, але не накручувати об'єктив на відеокамеру, а дивитися крізь нього на просвіт – об'єктив буде закритий. Потім варто закрити отвір відеокамери – якщо об'єктив робочий, то на просвіт буде видно, як відкриється зіниця (відеокамера "подумала", що навколо стало темно). Відзначимо, що у варіооб'єктивів з сервокеруванням може бути або автодіафрагма (операторові не потрібно протягом доби налагоджувати яскравість зображення), або дистанційно керована діафрагма (при цьому в ряді випадків можна одержати якість зображення кращою, ніж з автодіафрагмою).
Глибина різкості (depth of field) – зона перед областю і за нею, що фокусується, у межах якої всі предмети залишаються сфокусованими. Глибина різкості тим більше, чим більше значення відносного отвору. Короткофокусні об'єктиви мають більшу глибину різкості. Зі збільшенням відстані до об'єкта збільшується глибина різкості. Довжина зони різкості за сфокусованим об'єктом більша, ніж перед ним.
Діафрагма досить істотно впливає на глибину різкості (ми прищулюємося, коли хочемо щось розглянути) – чим більше значення відносного отвору, тим більша глибина різкості. Це, зокрема, є причиною типової помилки установника – налагоджувати об'єктив з автодіафрагмою у сонячну погоду – діафрагма автоматично прикриває об'єктив, глибина різкості більша. Увечері, після заходу сонця, зіниця об'єктива відкриється, стане зрозуміло, добре настроєний об'єктив чи ні. Реально допоможе в цій операції спеціальний нейтрально-сірий фільтр (neutral density filter) – ним при настроюванні прикривають об'єктив з автодіафрагмою, імітуючи сутінки.
Слід зазначити, що фокус при звичайному освітленні й при інфрачервоному підсвічуванні відрізняється, тому при використанні ІЧ-прожекторів варто встановлювати компромісне фокусування або використовувати спеціальні об'єктиви. Останнім часом з'явилися об'єктиви з вбудованими за периметром діодами ІЧ-підсвічування, що в ряді випадків може виявитися досить зручним при експлуатації.
MOD (Minimum object distance) – мінімальна відстань до об'єкта, при якій відтворене об'єктивом зображення виявляється сфокусованим. Широковуглові об'єктиви, як правило, мають менше значення цього параметра, ніж довгофокусні об'єктиви. Даний параметр навряд чи можна вважати актуальним для систем охоронного телебачення.
Вид кріплення об'єктива може бути C–mount або CS–mount. Припустимо такі варіанти:
– відеокамера С-кріплення – об'єктив С-кріплення;
– відеокамера СS-кріплення – об'єктив СS-кріплення;
– відеокамера СS-кріплення – об'єктив С-кріплення з використанням спеціального перехідного кільця C/CS.
Крім стандартних об'єктивів найпопулярнішими стають мікрооб'єктиви для безкорпусних і мініатюрних відеокамер. При їх виборі варто пам'ятати, що вони можуть бути виконані зі скла, або з пластмаси (з відповідною якістю). Відзначимо, що існують мікрооб'єктиви й з автодіафрагмою.
Об'єктиви типу "вушко голки" ( pin–hole), що використовуються для відеокамер з прихованою установкою, як правило, мають істотно гірше значення відносного отвору в порівнянні зі звичайними мікрооб'єктивами. Однак при використанні спеціальних об'єктивів (з 5 лінз) виробники обіцяють досить високу світлосилу й для об'єктивів pin–hole.
Зовні аналогічно об'єктивам pin–hole виглядають об'єктиви з винесеною зіницею. Їх перевага в тому, що при юстуванні таких об'єктивів, наприклад, у стіні, не потрібно точне "влучення" в отвір. Більше того, саме отвір є частиною оптичної системи такого об'єктива, відіграючи роль діафрагми. Таким чином виключаються затемнення на краях екрана відеомонітора, які супроводжують неточне юстування об'єктивів pin–hole.