Торокин А.А. Инженерно-техническая защита информации, 2005

го расстояния объективов унифицированы и принимают дискрет­ ные значения: 2,6, 3,5, 4,8, 6, 8, 12, 16, 25, 50, 75 мм и т. д.

Объектив с переменным фокусным расстоянием (панкратический) представляет собой сложную оптическую систему, в которой предусмотрена возможность смещения оптических компонентов вдоль оптической оси объектива, за счет чего изменяется величина фокусного расстояния. Величину фокусного расстояния изменяют дискретно или плавно. Дискретное изменение фокусного рассто­ яния достигается применением афокальных насадок, уменьшаю­ щих или увеличивающих фокусное расстояние. Плавное измене­ ние величины фокусного расстояния осуществляется перемещени­ ем отдельных линз объектива вдоль оптической оси по линейно­ му или нелинейному закону. В зависимости от способа изменения эти объективы подразделяют на вариообъективы и трансфока­ торы. Вариообъективы представляют собой единую оптическую схему, в которой изменение фокусного расстояния осуществляет­ ся непрерывным перемещением одной или нескольких линз вдоль оптической оси. Трансфокаторы состоят из насадки с переменным нлинным увеличением и объектива с постоянным фокусным рас­ стоянием.

Сложность оптической конструкции объективов с переменным фокусным расстоянием вызвана, прежде всего, тем, что при изме­ нении фокусного расстояния должно автоматически сохраняться положение плоскости резкого изображения наблюдаемого объекта. Добиваются этого путем оптической или механической компенса­ ции. В первом случае кратность изменения фокусного расстояния не более 3, во втором — 6-7.

По углу поля зрения (изображения) различают узкоугольные

• и >ьективы, у которых величина этого угла не превышает 30°, сред- т уюльные (угол в пределах 30°-60°), широкоугольные с углом

• юнее 60° и, наконец, — с переменным углом поля изображения у нньсктивов с переменным фокусным расстоянием.

Чем больше фокусное расстояние f объектива, тем больше мас- 1111иб изображения и больше деталей объекта можно рассмотреть на изображении, но тем меньше угол поля зрения. Поэтому для об­ наружения объекта используют короткофокусные объективы, а 'I нн распознавания — длиннофокусные.

461

Светосила характеризует долю световой энергии, пропускае­ мой объективом к светочувствительному элементу. Очевидно, что чем выше светосила объектива, тем ярче изображение на свето­ чувствительном элементе. На светосилу объектива влияют следу­ ющие факторы:

•относительное отверстие объектива;

•прозрачность (коэффициенты пропускания, поглощения, отра­ жения) линз;

•масштаб изображения;

•коэффициент снижения яркости изображения к краю его поля. Светосила без учета реальных потерь света в линзах вычисля­

ется как квадрат относительного отверстия, равного d / f , где d — диаметр входного отверстия (апертуры). Эффективное относитель­ ное отверстие объектива меньше геометрического на величину по­ терь света в его линзах. По величине относительного отверстия объективы делятся на сверхсветосильные с d /f > 1/2, светосиль­ ные с d / f = 1/2,8-1/4) и малосветосильные с d / f < 1/5 [5]. В зару­ бежной литературе в качестве характеристики светосилы объек­ тива используют такой показатель, как «фокальное число» F = f/d. У человека с f = 17 мм и d = 6 мм F = 2,8, т. е. хрусталик глаза от­ носится к светосильным объективам. Чем больше светосила объ­ ектива, тем выше чувствительность средства наблюдения. Однако при этом растут искажения изображения и для их уменьшения ус­ ложняют конструкцию светосильных объективов, что естествен­ но приводит к их удорожанию. Для изменения относительного от­ верстия при чрезмерно большом диапазоне освещенности объекта наблюдения и повышения глубины резкости в объективе устанав­ ливается механизм регулировки диаметра относительного отверс­ тия — диафрагма. Величина диафрагмы изменяется вручную или автоматически.

Свет, падающий на линзу и проходящий через нее, отражает­ ся и поглощается. Количество поглощенного света зависит от тол­ щины стекла (в среднем 1-2% на 1 см толщины). Линзы отражают 4-6% падающего на них света. Чем больше отражающих поверх­ ностей имеет объектив, тем больше потери света. В объективах из 5-7 линз потери света на отражение могут составлять 40-50% [5]. Кроме того, свет, отраженный от внутренних поверхностей линз в

462

сторону плоскости изображения, накладывается на изображение и создает помеху в виде засветки изображения. Засветка уменьша­ ет контраст изображения. Эти неблагоприятные факторы, возни­ кающие в многолинзовых объективах, уменьшают просветлением линз.

Просветлением называется способ уменьшения переотражения света от внутренних поверхностей линз путем нанесения на них тонкой пленки. Толщина просветляющей пленки должна со­ ставлять 1/4 длины волны падающего на линзу света. Пленка сдви­ гает фазу отраженной от внутренней поверхности линзы волны на 180°, вследствие чего она компенсируется падающей волной. Первоначально объективы просветляли для узких участков спект­ ра. Просветленный объектив в отраженном свете приобретал сине­ фиолетовый оттенок и назывался «голубой» оптикой. Современные технологии просветления оптики позволяют наносить на повер­ хность линзы 12-14 слоев просветляющих пленок и перекрывать тем самым весь спектр видимого диапазона света. Такую оптику маркируют индексами МС — многослойное покрытие. Объективы МС в отраженном свете не меняют цвет.

Возможность объектива передавать мелкие детали изображе­ ния оценивается разрешающей способностью. Она выражается максимальным числом N штрихов и промежутков между ними на I мм поля изображения в его центре и по краям. Наиболее высокую разрешающую способность имеют объективы для микрофотогра­ фирования в микроэлектронике и линзы астрономических телеско­ пов. Она достигает 1000 и более линий на мм. Изготовление та­ ких объективов является чрезвычайно трудоемким процессом про­ должительностью для линз телескопов большого диаметра в тече­ ние многих месяцев. Объективы с линзами из кварца, применяе­ мые в фотографии, имеют существенно меньшее разрешение по­ рядка 50 лин./мм, с штампованными из синтетических материалов шипами — еще ниже.

Так как одним из основных факторов, определяющих вероят­ ность обнаружения и распознавания объектов, является контраст i t о изображения по отношению к фону, то важной характеристи­ кой оГп.сктива как элемента средства наблюдения является его час- и> мю-контрастная характеристика. Она служит мерой способ­

463

ности объектива передавать контраст деталей объекта и измеряет­ ся отношением контрастности деталей определенных размеров на изображении и на объекте. Уменьшение контраста мелких деталей на изображении вызвано тем, что в результате различных аберра­ ций объектива на изображении размываются границы деталей на­ блюдаемых объектов.

Для количественной оценки частотно-контрастной характе­ ристики в качестве исходного объекта используется эталонный объект наблюдения — мира в виде черно-белых линий с уменьша­ ющейся шириной, нанесенных, например, тушью на белой бумаге. По результатам измерений контрастности п линий на проецируе­ мом объективом изображении строится зависимость контраста К от количества линий п в одном мм. Зависимость К = f(n) определя­ ет частотно-контрастную характеристику объектива.

В связи с большими техническими проблемами создания уни­ версальных объективов с высокими значениями показателей, оп­ тическая промышленность выпускает широкий набор специализи­ рованных объективов: для фото- и киносъемки, портретные, про­ екционные, для микрофотографирования и т. д.

Для добывания информации применяются объективы трех ви­ дов: для аэрофотосъемки, широкого применения (фото-, кино- и видеосъемки с использованием бытовых и профессиональных ка­ мер) и для скрытой съемки.

Объективы широкого применения разделяются в соответствии с размерами фотоаппаратов: для малоформатных и миниатюрных, среднеформатных и крупноформатных камер.

Для скрытого наблюдения используются:

•телеобъективы с большим фокусным расстоянием (300-4800 мм) для фотографирования на большом удалении от объекта наблю­ дения, например из окна противоположного дома и далее;

•так называемые точечные объективы для фотографирования из портфеля, часов, зажигалки, через щели и отверстия. Они име­ ют очень малые габариты и фокусное расстояние, но большой угол поля зрения.

Например, объектив фотоаппарата РК 420, вмонтированного в корпус наручных часов, имеет размеры 7,5 мм с апертурой 2,8 мм. В миникамерах фирм Hitachi, Sony, Philips, Ockar используются объективы диаметром 1-4 мм и длиной до 15 мм.

464

16.1.2. Визуально-оптические приборы

Для визуально-оптического наблюдения применяются опти­ ческие приборы, увеличивающие размеры изображения на сет- читке глаза. В результате этого повышается дальность наблюде­ ния, вероятность обнаружения и распознавания мелких объектов. К визуально-оптическим приборам относятся бинокли, монокуля­ ры, подзорные трубы, специальные телескопы. Для наблюдения m объектами наиболее распространены бинокли. Бинокль (от лат. bini —пара и oculus — глаз) — оптический прибор из двух парал­ лельно соединенных между собой зрительных труб. В зависимости от оптической схемы зрительной трубы бинокли разделяются на

обыкновенные (галилеевские) и призменные.

Зрительная труба призменного бинокля состоит из объектива, обращенного в сторону объекта наблюдения, системы призм, изме­ няющих направление распространения оптических лучей внутри бинокля и оборачивающих изображение, а также окуляра — объ­ ектива, обращенного к зрачку глаза. В обыкновенном бинокле при­ змы отсутствуют, оптические оси объектива и окуляра трубы сов­ падают, а расстояние между центрами объективов и центрами оку­ ляров зрительных труб одинаковое и равно 65 мм — среднему рас­ стоянию между зрачками глаз наблюдателя. Бинокли этого типа просты по устройству, обладают высокой светосилой, однако име­ ют малое поле зрения и не позволяют устанавливать углоизмери­ тельную сетку в плоскости изображения. Наиболее распростране­ ны призменные бинокли. Они обладают сравнительно большим полем зрения и повышенной стереоскопичностью за счет увеличе­ ния расстояния между центрами объективов труб. В призменных биноклях устанавливают углоизмерительную сетку в фокаль­ ной плоскости окуляра. Зрительные трубы у призменных бинок­ лей шарнирно закреплены на общей оси, что позволяет подбирать расстояние между окулярами по базе глаз наблюдателя (от 54 до ?4 мм). Объективы и призмы оборачивающей системы закрепле­ ны в зрительных трубах неподвижно, а окуляры могут выдвигать­ ся для обеспечения резкости изображения. Для этого на окулярных трубах наносятся диоптрийные шкалы.

Современные бинокли имеют большие коэффициенты (крат­ ности) увеличения. Например, увеличение бинокля Б-15 равно 15,

а угол поля зрения — 4 град. Бинокль «Марк-1610» (США) имеет кратность увеличения 10 и 20 при угле зрения 5 и 2,5 град, соот­ ветственно.

При достаточно большом увеличении визуально-оптическо­ го прибора его угол зрения становится столь малым, что трудно из-за естественного дрожания рук (тремора) удерживать изобра­ жение наблюдаемого объекта в поле зрения прибора. Для стаби­ лизации изображения визуально-оптические приборы устанавли­ вают на штативе или треноге. В более дорогих приборах обеспе­ чивают стабилизацию изображения при наблюдении с рук или с движущегося транспорта. Например, бинокль со стабилизацией изображения БС 16 х 40 имеет кратность увеличения 16, размеры 240 х 195 х ЮО мм и вес не более 2,2 кг.

Чтобы улучшить наблюдение в тумане, при ярком солнечном освещении или зимой на фоне снега, на окуляры бинокля надева­ ются желто-зеленые светофильтры. В некоторых биноклях для об­ наружения активных инфракрасных приборов ночью применяют специальный экран, чувствительный к инфракрасным лучам.

В последнее время применяются так называемые панкратические бинокли, плавно изменяющие увеличение в значительных пределах (с 4 до 20 и более). При этом в обратно пропорциональной зависимости изменяется величина угла поля зрения. Такие бинокли наиболее удобны для наблюдения, так как позволяют производить поиск объектов при большом угле поля зрения, но малом увеличе­ нии, а изучение объекта — при большом увеличении. Например, панкратический бинокль фирмы Tasko (США) имеет увеличение 8-15, угол зрения 6,0-3,6 градусов и диаметр входного зрачка 5 - 2,3 мм. У панкратических зрительных труб увеличение может из­ меняться в еще больших пределах. Например, кратность увеличе­ ния зрительной трубы фирмы Swiff (Великобритания) составляет 6-30 при угле зрения 7,5-1,3 градусов.

Для скрытного наблюдения удаленных объектов применя­ ют подзорные трубы и специальные телескопы, имеющие объ­ ективы с большим фокусным расстоянием. Например, телескоп РК 6500 при фокусном расстоянии 3900 мм и диаметре входной апертуры 350 мм позволяет опознать автомобиль на удалении до 10 км. Однако телескоп имеет сравнительно большие размеры

466

460 х 560 х 1120 мм, вес 54 кг и устанавливается на специальном штативе с электроприводом.

На базе волоконно-оптических световодов созданы разнообраз­ ные типы технических эндоскопов дЛя наблюдения через малые отверстия диаметром 4-10 мм. Технический эндоскоп представля­ ет собой устройство для осмотра закрытых полостей и состоит из окулярной, основной и дистальной частей. Дистальная и основная части погружаются через отверстие или щель в закрытую от пря­ мого наблюдения полость. Диаметр и длина погружаемой части эн­ доскопа составляют 7-10 мм и 1-2 м соответственно. Конструкция технического эндоскопа позволяет управлять поворотом дисталь­ ной части кабеля в горизонтальной и вертикальной плоскостях до ±90°. Угол поля зрения объектива дистальной части составля­ ет 40-60°. Основная часть представляет собой жесткий, полужесткий или гибкий волоконно-оптический кабель. Наблюдение про­ изводится через окулярную часть. Система фокусирования объек­ тивов обеспечивает наблюдение резкого изображения объектов на удалении от 1 мм до более 5 м. Разрешающая способность техни­ ческого эндоскопа — 5-17 лин/мм. Для освещения наблюдаемого пространства эндоскоп содержит осветительный жгут с галоген­ ной лампой мощностью 20-150 Вт на конце, погружаемый с основ­ ной частью в закрытую полость и создающий в ней освещенность до 2000 лк.

16.1.3. Фото-и киноаппараты

Визуально-оптическое наблюдение, использующее такой со­ вершенный оптический прибор, как глаз, является одним из на­ иболее эффективных способов добывания, прежде всего, информа­ ции о видовых признаках. Однако оно не позволяет регистрировать изображение для последующего изучения или документирования результатов наблюдения. Для этих целей применяют фотографиро­ вание и киносъемку с помощью фото- и киноаппаратов.

Традиционный фотографический аппарат представляет со­ бой оптико-механический прибор для получения оптического изображения фотографируемого объекта на светочувствительном слое фотоматериала.

Все фотоаппараты состоят из светонепроницаемого корпуса с закрепленным на его передней стенке объективом, устройства для размещения или фиксации (транспортировки) светочувствительно­ го материала, расположенного у задней стенки корпуса, и затвора.

Так как светочувствительный материал обеспечивает получе­ ние качественной фотографии при строго дозированной световой энергии, проецируемой на светочувствительный материал, то за­ твор пропускает в течение определенного времени (времени экспо­ зиции, или выдержки) световой поток от фотографируемого объ­ екта.

Указанные части фотоаппарата являются основными. По мере конструктивного развития фотоаппарат «обрастал» различными узлами и механизмами, которые облегчали и автоматизировали процесс съемки, позволяли расширить возможности применения фотоаппарата, улучшить его технические параметры. Эти узлы и механизмы называют вспомогательными. К ним относятся:

•видоискатель для определения границ поля изображения;

•фокусировочный механизм для совмещения фокальной плос­ кости объектива с плоскостью расположения светочувствитель­ ного материала;

•механизм, транспортирующий фотопленку на один кадр и уста­ навливающий ее точно против кадрового окна фотоаппарата;

•экспонометрический узел, предназначенный для определения экспозиционных параметров (выдержки и диафрагмы) в соот­ ветствии со светочувствительностью используемого фотомате­ риала и яркостью объекта;

•устройство искусственного освещения объекта съемки (фото­ вспышка).

Профессиональные фотоаппараты известных фирм (Nicon, Canon, Зенит, KodaK, Olympus, Contax, Pentax и др.) представляют собой сложнейшие оптико-электромеханические устройства, авто­ матически наводящиеся на «резкость» и учитывающие все измене­ ния в освещенности объекта во время фотосъемки.

Размер используемого в них светочувствительных материа­ лов положен в основу условного деления всех фотоаппаратов на не­ сколько групп. По этому признаку (по размерам получаемых не­ гативов) выделяют пять групп: микроформатные, полуформат-

468

Ные (мелкоформатные), мало-, средне- и крупноформатные.

Фотоаппараты применяют различные типы светочувствительных

м*сериалов: фотопластинки, плоские и рулонные фотопленки.

Другим важным признаком классификации является назначе­ ние фотоаппарата. По этому признаку они делятся на общие и спе­

циальные.

От способов обеспечения резкого изображения на светочувстиитсльном материале (наводки на резкость) зависит конструктив­ ное решение почти всего фотоаппарата. По этому признаку фогоипмараты можно разделить на следующие группы:

•с неподвижным жестко встроенным объективом, сфокусиро­ ванным на гипqpфoкaльнoe расстояние (до передней границы резко изображаемого пространства);

•с наводкой по монокулярному дальномерному устройству, меха­ нически связанному с объективом фотоаппарата;

•с наводкой на резкость по изображению на экране фотоаппарата (у так называемых зеркальных, или SLR-фотоаппаратов);

•автофокусирующие (с устройством автоматической фокусиров­

ки).

Устройства автоматической фокусировки изображения делят ни активные (ультразвуковые, инфракрасные) и пассивные (скани­ рующие изображение, дальномерные, измеряющие контраст изоб­ ражения). Исполнительным элементом устройства автофокуса яв­ ляется электродвигатель, который, перемещая объектив вдоль его оси, производит наводку на резкость.

Г1о технической оснащенности фотоаппараты можно разде­ лить на простые, средние и высокие.

По показателям оснащенности фотоаппарата встроенными эк­ спонометрами, а также по степени автоматизации установки экспо­ зиционных параметров фотоаппараты делят на три группы: с руч­ ной установкой, с полуавтоматической и с автоматической уста­ новкой экспозиции.

Повышение технической оснащенности расширяет возмож­ ности фотоаппаратов, но усложняет возможность их миниатюришции.

Микроформатные фотоаппараты имеют более простую конст­ рукцию и заряжаются узкой пленкой шириной 8-16 мм. Одна из

469

особенностей ряда ранних микроформатных фотоаппаратов — горизонтальная компоновка аппарата с объективом, утопленным в корпусе. Корпус таких моделей состоит из двух частей, одна из которых подвижная. Перед съемкой фотоаппарат телескопически раздвигается, открывая объектив и видоискатель. Одновременно производится транспортирование пленки и взвод затвора. Таким образом, выдвижная часть корпуса является одновременно защит­ ным кожухом, рычагом взвода и протяжки пленки для следующего кадра («Минокс», «Агфаматик-4008», «Киев-30»),

Более новые модели имеют традиционную форму. Например, фотоаппарат «МФ-1» (Красногорский завод) представляет по­ луавтомат с пружинным приводом, имеет светосильный объек­ тив с F2.8, размер кадра 18 * 24 мм. Конструкция фотоаппара­ та предполагает дистанционное управление, а пружинный при­ вод дает возможность работать в любых климатических услови­ ях. Недостаток— относительно большой шум при перемотке. Фотоаппарат «Robot-SC Electronic» менее шумный и при неболь­ ших габаритах работает с использованием стандартной пленки 35 мм. Для копирования документов наряду с мини- и микроформатными фотоаппаратами применяют специальные фотоаппара­ ты. Например, копировальный фотоаппарат РК 320 состоит из зер­ кального аппарата, откидной стойки, источника освещения из двух ламп по 10 Вт, блока питания от батареи (8 х 1,5 В) и сети 220 В, а также из держателя документа. Устройство позволяет фотографи­ ровать документы размером А4-А6, размещается в портфеле-дип- ломате и весит 3,5 кг.

Возможности добывания информации путем фотографирова­ ния определяются как параметрами фотоаппаратов, так характерис­ тиками (спектральным диапазоном, чувствительностью, разрешаю­ щей способностью) светочувствительных материалов, на которые проецируется объективом изображение наблюдаемого объекта.

Светочувствительные материалы (фото- и кинопленка, фо­ топластины, фотобумага) представляют собой подложку (прозрач­ ную целлулоидную пленку, стеклянную пластину и плотную бу­ магу), на которую наносится тонкий слой из смеси желатина и све­ точувствительных веществ. Этот тонкий, сравнительно твердый и гибкий слой называется эмульсией. В качестве светочувствитель­

470