СОТ

101

Рис. 3.15. Образцы современных телекамер, используемых в системах видеонаблюдения

3.2. Объективы телекамер

С повышением разрешающей способности телекамер и с миниатю-

ризацией ПЗС-матриц всѐ чаще встает вопрос о пределе разрешающей способности, определяемом оптической системой ТВК. Поэтому эффек-

тивность работы всей системы в целом во многом зависит от правильного выбора объективов.

Объектив — это устройство, проецирующее изображение охраняе-

мой зоны на ПЗС-матрицу. Объектив определяет параметры зоны наблю-

дения ТВК и качество изображения охраняемой зоны. Поэтому к выбору объектива необходимо относиться не менее ответственно, чем к выбору телевизионной камеры.

Качество объектива зависит от многих факторов, основными из ко-

торых являются:

1. Конструкция объектива (рис. 3.16):

число элементов;

взаимное расположение элементов.

Рис. 3.16. Разрез объектива

102

2. Производство оптических элементов:

тип стекла;

технология и тип стеклопроизводства (нагревание, охлаждение,

беспримесность);

точность шлифовки и полировки;

просветляющее покрытие стекла.

3. Механическая конструкция объектива:

фиксация положения объектива и стабильность (возможность про-

тиводействия ударным, температурным перегрузкам и т. д.);

механические движущиеся части объектива;

внутреннее отражение света (черное поглощающее покрытие);

шестерни для объективов с сервоприводом (пластмасса, металл,

точность изготовления).

4. Электронная часть:

качество электроники автоматической диафрагмы;

энергопотребление;

схема трансфокатора и фокусировки.

Можно выделить следующие критерии классификации объективов:

1.По виду оптической системы:

со сферической оптикой;

с асферической оптикой;

pin-hole (объективы с вынесенным зрачком);

«панорамные» объективы.

2.По виду управления фокусным расстоянием:

с фиксированным фокусным расстоянием;

с ручной настройкой;

с дистанционным управлением.

3.По механизму управления диафрагмой:

с фиксированной диафрагмой;

103

с ручной настройкой диафрагмы;

с автоматической регулировкой диафрагмы.

Основными характеристиками объективов телекамер являются:

Оптический формат — определяется той телевизионной камерой,

для которой предназначен объектив. При определении оптического форма-

та для телевизионной камеры необходимо следить за тем, чтобы оптиче-

ский формат объектива был больше оптического формата ТВК или равен ему. Если оптический формат объектива окажется меньше, то на экране видеомонитора вокруг изображения будет черная рамка.

Фокусное расстояние объектива — вместе с оптическим форматом определяет угол зрения объектива телевизионной камеры. Чем меньше фо-

кусное расстояние объектива, тем больше его угол зрения, но детали изо-

бражения мельче, и наоборот: чем больше фокусное расстояние объектива,

тем меньше угол зрения, но детали изображения крупнее, т. е. с увеличе-

нием фокусного расстояния объектива изображение «приближается».

В основном объективы с большим фокусным расстоянием применя-

ют для периметровых систем наблюдения или в тех случаях, когда необхо-

димо рассмотреть небольшие объекты или их детали (например, для фик-

сации номеров автомобилей или лиц людей на проходной). Объективы с широким углом обзора применяются для контроля помещений, подходов и подъездов с близкого расстояния.

Светосила представляет собой отношение диаметра объектива к фо-

кусному расстоянию и характеризует долю световой энергии, пропускае-

мой объективом. Объектив с большей светосилой даст лучшие результаты при низкой освещѐнности.

Диафрагма — способность объектива подобно человеческому зрачку регулировать световой поток, поступающий на ПЗС-матрицу камеры, в за-

висимости от уровня освещѐнности.

Объективы бывают встроенными и сменными. При подборе объек-

тива необходимо учитывать, что он рассчитан на определенный размер

104

ПЗС-матрицы. Изображение, полученное на матрице, будет в дальнейшем увеличено монитором в масштабе, равном отношению эффективных ли-

нейных размеров экрана к соответствующим размерам матрицы.

Максимальный угол обзора камеры, как отмечалось, будет опреде-

ляться фокусным расстоянием объектива f и линейными размерами мат-

рицы:

где c — линейный размер матрицы. Если определяется угол обзора в гори-

зонтальной плоскости, то c — размер матрицы по горизонтали, если в вер-

тикальной плоскости, то с — размер матрицы по вертикали.

В таблице 3.3 приведены углы обзора типовых объективов для фор-

мата матрицы 1/ 3" .

Таблица 3.3 Углы обзора типовых объективов для формата матрицы 1/ 3"

Как видно из таблицы 3.3, телекамера, оснащенная объективом с фиксированным фокусным расстоянием, «видит» в строго ограниченных углах по горизонтали и вертикали (рис. 3.17) [19].

Угол по вертикали актуален для определения размера просматривае-

мой зоны вглубь контролируемой территории при установке телекамеры на высоте.

F-число (светосила) характеризует яркость сформированного систе-

мой линз изображения. Оно обычно наноситься на объектив в виде F1.4

или 1:1.4 . Светосила объектива характеризуется значением его относи-

тельного отверстия. Относительное отверстие объектива пишется в виде дроби и показывает отношение диаметра действующего отверстия объек-

тива к его фокусному расстоянию. Например, у объектива с относитель-

105

ным отверстием 1:4 (встречается вариант маркировки f/4) диаметр дейст-

вующего отверстия в четыре раза меньше значения фокусного расстояния.

Рис. 3.17. Изображения, полученные с одной и той же позиции с применением объективов с различными фокусными расстояниями

F-число зависит от фокусного расстояния объектива и эффективного диаметра области, которая пропускает лучи света. Размер области может изменяться перемещением механических лепестков ирисовой диафрагмы.

Эффективный диаметр объектива — это не действительный его диа-

метр, а диаметр изображения диафрагмы, если смотреть на него с передней стороны объектива (рис. 3.18) [12].

Рис. 3.18. Вид диафрагмы с передней стороны объектива

Чем меньше F-число, тем больше отверстие диафрагмы и тем боль-

ше света проходит через объектив. Минимальное F -число для данного

106

объектива нанесено на объектив и характеризует его способность собирать свет. Чем больше F-число, тем больше глубина резкости (рис. 3.19).

Последовательность F-чисел формируется следующим образом.

Объектив диаметром 16 мм с F 1,4 имеет площадь полностью открытого отверстия:

Теперь F-число с диаметром отверстия 8 мм будет равно 168 2 .

Так как осуществлялось уменьшение площади отверстия в 2 раза, то и световой поток, проходящий через объектив, так же уменьшался в 2 раза.

Таким образом, каждое большее F-число пропускает половину све-

тового потока по сравнению с предыдущим F-числом.

Если продолжить вычисления, то в результате будет получен стан-

дартный ряд F-чисел: 2.8; 4; 5.6; 8;11;16;22;32 (рис. 3.19) и т. д.

Рис. 3.19. Изменение глубины резкости в зависимости от F-числа объектива

107

Типы объективов определяются используемым вариантом управле-

ния диафрагмой. Различают объективы с ручным управлением диафрагмой и автодиафрагмой. Объективы с автодиафрагмой позволяют получать ка-

чественное изображение как при ярком солнце, так и при низкой освещен-

ности и применяются в тех случаях, когда освещенность объекта в течение периода наблюдения может меняться в широких пределах, либо есть веро-

ятность прямых засветок камеры. Кроме того, значительная часть телека-

мер оснащаются объективами с переменным фокусным расстоянием — трансфокаторами. Внутри трансфокатора в строго выверенных местах на-

ходится большое количество тщательно отполированных стеклянных оп-

тических элементов (рис. 3.20). При изменении масштаба изображения

(фокусного расстояния) определенные группы этих оптических элементов перемещаются, причем часто с разной скоростью.

Рис.3.20. Принцип действия трансфокатора

Объективы с фиксированной диафрагмой (рис. 3.21,а) используются только внутри помещений с постоянной освещѐнностью; имеют ручную регулировку резкости, выпускаются с различными углами обзора.

Объективы с ручной установкой диафрагмы (рис. 3.21,б) использу-

ются в условиях относительно постоянного уровня освещѐнности.

Объективы с автоматической установкой диафрагмы (рис. 3.21,в) —

самый распространѐнный тип объектива; применяются как внутри поме-

щений, так и для наружного наблюдения.

Объективы с ручной настройкой фокусного расстояния (рис. 3.21,д)

применяются в тех случаях, когда настройку поля наблюдения необходимо

108

проводить непосредственно при монтаже; выпускаются как с ручной, так и с автоматической диафрагмой.

Объективы с трансфокатором — вариообъективы (рис. 3.21,е) — по-

зволяют дистанционно изменять поле наблюдения посредством регули-

ровки фокусного расстояния оптики объектива либо вручную, либо путем сервоуправления. В последнем случае применяются совместно с устройст-

вами телеметрии.

Выносные объективы (рис. 3.21,ж) применяются для скрытой уста-

новки, бывают различного исполнения, с автоматической и ручной диа-

фрагмой.

Миниатюрные объективы (рис. 3.21,з) используются для бескорпус-

ных модульных телекамер.

Рис.3.21. Образцы современных объективов, используемых в системах видеонаблюдения

109

Традиционные объективы телевизионных камер изготавливаются из сферических линз и называются сферическими. Оптические компоненты,

описываемые постоянным радиусом кривизны в пределах каждой поверх-

ности, технологичны в изготовлении и поэтому дѐшевы. Однако им при-

сущи так называемые сферические аберрации, которые ухудшают качество изображения и ограничивают максимально возможную апертуру.

Кратко рассмотрим природу аберраций, которые присущи сфериче-

ским объективам. Если точечный объект расположен на оси линзы, то лу-

чи, падающие на край линзы, соберутся в другой точке, нежели лучи, про-

ходящие через центр линзы. Следовательно, изображение от точечного объекта, пройдя через сферическую линзу, будет не точечным, а неболь-

шим круглым пятном света (рис. 3.22). Такая аберрация называется сфери-

ческой и возникает при использовании сферических поверхностей. Еѐ можно уменьшить до минимума, используя комбинацию из нескольких линз, а также можно исправить, применяя линзы с несферическими по-

верхностями, однако шлифовка таких линз обходиться очень дорого.

Смаз, вызванный сферической аберрацией

а) б)

Рис. 3.22. Проявление сферической аберрации: а – сферический объектив; б – асферический объектив

Другая аберрация — дисторсия — обусловлена различным увеличе-

нием на разных расстояниях от оси линзы. Изображение прямоугольного объекта, расположенного не на оси линзы, может оказаться искривленным.

Например, квадратная сетка может подвергаться подушкообразной или

110

бочкообразной дисторсии. Этот дефект особенно заметен у широкоуголь-

ных линз.

Если свет, падающий на линзу не хроматический, то возникает хро-

матическая аберрация. Эта аберрация обусловлена дисперсией — зависи-

мостью показателя преломления от длины волны. Например, синий свет преломляется стеклом сильнее, чем красный; поэтому если на линзу падает белый свет, то различные цвета будут фокусироваться в разных точках и на изображении появятся окрашенные полосы. Хроматическую аберрацию можно исключить для любых двух цветов и сильно ослабить для осталь-

ных, используя две линзы, изготовленные из материалов с различными по-

казателями преломления и различной дисперсией. Такая комбинация линз называется ахроматическим дуплетом.

Полностью скомпенсировать все аберрации невозможно. Комбини-

руя две и большее число линз, их можно уменьшить. Типичные высокока-

чественные объективы содержат от шести до восьми линз.

На основе оптических законов преломления можно показать, что ко-

локолоподобная линза (не сферическая) является идеальной для получения единой фокусной точки без сферических искажений. Поперечное сечение такой линзы представляет собой кривую, несколько отклоняющуюся от формы окружности и имеющую форму колокола. Такие линзы называются

асферическими. Колоколоподобную форму трудно воспроизвести при по-

мощи стандартных полировочных технологий, но если всѐ-таки обеспе-

чить качественное изготовление, она даст ряд преимуществ в сравнении с традиционными сферическими линзами, включая больший раскрыв диа-

фрагмы, больший угол зрения, более короткое минимальное расстояние до объекта и меньшие потери света. Для создания высококачественных асфе-

рических объективов требуется меньшее количество оптических элемен-

тов, чем для обычных сферических. Многие оптические компании выпус-

кают литые асферические линзы, избегая критического процесса шлифо-

вания. Процесс литья не обеспечивает стекла такого качества, как при