6.3.2. Объективы

Очень важно правильно подобрать объектив для камеры. Если установить объектив неграмотно, то это приведет к ухудшению характеристик всей СФЗ. При выборе объектива возникают вопросы:

• какую территорию необходимо обозревать;

• насколько мелкие детали изображения нужно различать;

• как компенсировать изменения освещенности.

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо определить требования к оборудованию (в частности, к объективам). Для правильного подбора объектива необходимо рассмотреть технические характеристики используемых объективов.

Характеристики объективов

Фокусное расстояние(ФР) измеряется в миллиметрах и связано с углом получаемого поля обзора ТК. Объективы с маленьким ФР обладают широким углом обзора, а объективы с большим ФР обладают меньшим углом обзора (рис. 6.3.).

В зависимости от задач применяют объективы с углом обзора от нескольких градусов (концентрация внимания на удаленном объекте) до 180градусов (для обзора большой территории). В системах ТН, как правило, применяют объективы с фокусным расстоянием от 2,8 мм (широкоугольные) до 12 мм. Необходимо отметить, что угол обзора камеры зависит не только от фокусного расстояния применяемого с камерой объектива, но и от размера ПЗС-матрицы в камере (табл. 6.3).

Рис. 6.3. Зависимость угла обзора объектива от его фокусного расстояния

Таблица 6.3. Зависимость угла обзора камеры от фокусного расстояния объектива и размера ПЗС-матрицы

Фокусное расстояние объектива, мм	Формат ПЗС-матрици камеры, дюйм
	1/3	1/2	2/3	1
2,8	98°
4	64°	86°
6	42°	58°
8	33°	42°	55°
12	22°	30°
16	17°	23°	30°	43°
25	11°	14°	19°	28°
50	5,5°	7°	10°	15°
75	3,6°	5°	6,6°	10°
100			5°
150				4,9°
235				3,1°
350				2,1°

Если заранее известны габариты и удаление объекта наблюдения, то фокусное расстояние можно рассчитать по формулам :

; ,

где D- расстояние до объекта,f- фокусное расстояние,VиН- вертикальный и горизонтальный размеры объекта соответственно,vиh- размеры изображения объекта на ПЗС-матрице.

Чтобы изображение занимало максимальную площадь матрицы, для расчета в качестве vиhберут габариты матрицы (например, для камеры с ПЗС-матрицей 1/2"v=4,8 мм,h=6,4 мм).

Объективы с переменным фокусным расстоянием - вариообъективы. Вариообъектив оснащен устройством (трансфокатором), позволяющим менять фокусное расстояние объектива вручную либо путем сервоуправления. В процессе работы, возможно, понадобится изменить угол обзора телекамеры, например, при необходимости идентифицировать мелкие объекты (номера автомобилей). В этом случае применяются вариообъективы и поворотные устройства для ТК.

Оптический формат. При выборе объектива для камеры необходимо обратить внимание на формат объектива и соответствие его формату ПЗС-матрицы, используемой в телекамере. Формат объектива должен быть равен либо больше формата матрицы. При использовании объектива форматом, меньшим, чем формат камеры, на мониторе получится “эффект туннеля” - часть поля останется черным. Применение объективов форматом, большим формата матрицы, уменьшается угол зрения.

Диафрагма. Диафрагма необходима для изменения входного отверстия объектива, что позволяет регулировать количество света, проходящего через объектив. Объективы делятся по типу диафрагмы на:

• объективы без диафрагмы;

• объективы с ручной регулировкой диафрагмы;

• объективы с автоматической регулировкой диафрагмы.

Объективы без диафрагмы применяются только вместе с камерами, в которых есть схемы поддержки видеосигнала на постоянном уровне (компенсация заднего света, электронный затвор и др.). При работе камеры в условиях изменяющейся освещенности рекомендуется применять объективы с автоматической диафрагмой, что позволяет более широко регулировать уровень проходящего света через объектив и поддерживать освещенность ПЗС-матрицы на постоянном уровне. Диапазон изменения освещенности ограничен, например F1,4-64, значит, диаметр относительного отверстия объектива изменяется в 45,7 раз. Освещенность ПЗС-матрицы пропорциональна квадрату относительного отверстия, таким образом, диапазон освещенности ПЗС-матрицы меняется в 2089 раз. Существуют объективы, светосила которых равна F0,75. В таких объективах применяются асферические линзы. Диапазон изменения освещенности, в котором может использоваться камера, оснащенная объективом с автоматической диафрагмой, достигает отношения 700000/1 (табл. 6.4).

Применение объективов с автодиафрагмой предпочтительнее в следующих случаях:

• когда телекамера работает в условиях изменяющейся освещенности;

• когда требуется максимальная глубина резкости, которая достигается максимально закрытой диафрагмой;

• когда необходимо более четко передать границы ярких объектов.

Таблица 6.4. Автодиафрагма

Автодиафрагма	Диапазон изменения освещенности
F1,2-64	2845/1
F1,4-300	45918/1
F1,8-360	40000/1
F1,2-720	360000/1
F1,4-12000	734694/1

Управление диафрагмой. Объективы с автодиафрагмой бывают следующих типов:

• с управлением удаленным внешним устройством;

• с прямым управлением;

• с управлением видеосигналом.

Диафрагма объектива может изменяться оператором дистанционно. Объективы с управлением автодиафрагмой видеосигналом имеют встроенную схему, которая преобразует выходной видеосигнал в сигнал управления двигателем диафрагмы, т.е. на объектив подается только видеосигнал. Если автодиафрагма объектива имеет прямое управление, то камера должна содержать электронную схему преобразования видеосигнала в постоянное напряжение, управляющее двигателями автодиафрагмы.

Светосила объектива. Характеризует долю световой энергии, пропускаемой объективом. Отношение площади входного зрачка к квадрату фокусного расстояния передней (по отношению к объекту) линзы – объектива оптического прибора – называется светосилой (геометрической светосилой) I объектива (рис. 6.4.). Освещенность изображения объекта EI.

Рис. 6.4. Объектив оптического прибора.

Отношение диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию объектива называется относительным отверстием объектива  (рис. 6.4.). Освещенность изображения объекта E² . В иностранной литературе в качестве аналогичной характеристики объектива используют так называемое “фокальное число” F. Под фокальным числом понимают отношение фокусного расстояния объектива к диаметру входного зрачка. Светосила объектива обратно пропорциональна квадрату фокального числа

Обычно в характеристиках объективов указывается два значения фокального числа. Например, F1,2-360. Первое значение F1,2 соответствует состоянию объектива, когда диафрагма полностью открыта, второе значение F360 - состоянию, когда диафрагма полностью закрыта. Более низкое первое значение (например, F1,2 против F1,4) свидетельствует о том, что объектив пропускает больше света в условиях плохой освещенности, а это означает, что камера ночью передаст изображение лучшего качества. Более высокое второе значение (F360 против F64) предпочтительно при ярком свете.

Глубина резкости. Глубиной резкости (ГР) называется зона области (глубины) обзора, которая находится в фокусе. Большее значение ГР означает, что большая часть поля зрения находится в фокусе – от объектов, находящихся вблизи объектива, до объектов, удаленных на бесконечность. Глубина резкости определяется углом обзора и светосилой объектива. Объективы с большим углом обзора имеют большую ГР. А при изменении диафрагмы – чем меньше светосила объектива, тем больше ГР. При использовании объектива с автоматическим управлением диафрагмой, стоит обратить внимание на то, что объекты, которые были днем в фокусе будут не сфокусированы вечером, а тем более ночью. На рис. 6.5. приведена зависимость ГР от светосилы объектива.

Рис. 6.5. Глубина резкости объектива

Крепление объективов. Существует два стандарта на резьбовое соединение объектива с камерой - "C" и "CS". Эти резьбовые соединения имеют одинаковую соединительную резьбу 25,4х0,8, но различные задние отрезки: 17,526 и 12,5мм соответственно (рис. 6.6.). Камеры с "С"-резьбой могут работать только с объективами, имеющими "С"-резьбу. А камеры с "CS"-резьбой допускают подсоединение объектива любого формата резьбы. Для совместимости стандартов выпускаются переходные кольца.

Асферические объективы. В таких объективах используется линза со сложной несферической формой поверхности, что позволяет значительно улучшить качество изображения, повысить оптические характеристики, устранить искажения, а также уменьшить размеры и массу оптических приборов. Такие объективы имеют большее значение светосилы, чем обычные многолинзовые объективы, так как уменьшается число отражающих плоскостей. Асферические объективы используются в системах с высокой чувствительностью.

Рис. 6.6. "C" и "CS" типы объективов

Объективы pin-hole. Pin-hole (объектив с вынесенным входным зрачком) - специальный объектив с маленьким входным зрачком (диаметр от 0,8 до 4 мм). В основном применяются для скрытой установки. Бывают плоские, в форме конуса и в форме усеченного конуса.

Термин “вынесенный входной зрачок” применяют в тех случаях, когда плоскость диафрагмы совпадает с входным зрачком. В обычных объективах диафрагма находится внутри объектива. Если объектив имеет вынесенный входной зрачок, то уменьшение отверстия входного зрачка не приводит к уменьшению угла поля зрения объектива, а лишь снижает светосилу объектива, как это происходит при закрытии диафрагмы у обычных объективов. В реальных “Pin-hole” объективах вынос зрачка осуществляется на 0.5 - 5 мм, в зависимости от длины фокусного расстояния конкретного объектива.

Хорошее качество получаемого изображения и достаточная светосила достигаются в оптических системах (объективах), имеющих 4 - 5 или более линз в своем составе.