Функции объективов

Функции линз ТВ камеры – собирать испускаемый источником энергии (или отраженный от сцены свет) и фокусировать его на сенсоре камеры. Выбор соответствующих линз очень важен, так как объектив определяет количество энергии (света), которое получает сенсор каме­ры, угол поля зрения (УПЗ) и из этого качество изображения. Знание характеристик доступных объективов и правильный их выбор обеспечи­вают приемлемый результат [2].

Функции линз ТВ такие же, как и у человеческого глаза. Они со­бирают отражённый от сцены свет или свет от излучающего источника света и фокусируют объекты сцены на некоторый рецептор – сетчатка глаза или сенсор камеры. Человеческий глаз имеет постоянное фокус­ное расстояние (ПФР) линз и изменяемую радужную оболочку, с которой схожа автоматическая радужная оболочка ТВ объектива. Радужная оболочка, независимо в глазе или в камере, оптимизирует уровень света, достигающий рецептора, этим и обеспечивая наилучшее изображение.

В ТВ применяют объективы с широким, средним и узким УПЗ. Для просмотра большой сцены и по­лучения различных видов с одной камерой применяют объектив с пере­менным фокусным расстоянием и устанавливают камеру на платформе удержания/вращения. Для скрытых приложений используются иголь­чатые линзы, которые имеют маленький передний диаметр и легко мо­гут быть спрятаны. Существует ряд других специальных объективов, в том числе с разделением изображения, оптоволоконные, с прямым углом и с автофокусом [9].

Изображение, которое ТВ камера получает на твердотельный или трубочный сенсор (рисунок. 11), находится в фокусе объектива. Человече­ские линзы и линзы камеры имеют одно важное различие: линза глаза имеет одно постоянное фокусное расстояние и сетчатку одного разме­ра, линзы же камеры могут иметь различные фокусные расстояния, а сенсор – различные размеры. То есть человеческий глаз без помо­щи ограничен видением фиксированного и постоянного УПЗ, тогда как ТВ система может модифицироваться, чтобы получить ряд различных УПЗ. Чтобы приспосабливаться к изменениям уровня света, человече­ский глаз имеет автоматическую радужную оболочку, которая открыва­ется и закрывается для оптимизации уровня света, достигающего сет­чатки, этим самым, обеспечивая лучшее изображение. Объективы ка­мер имеют ирисовую диафрагму (ИД) – некоторые с ручным управле­нием, некоторые автоматическую – для регулирования уровня света, достигающего сенсора.

Рисунок 11 - Стандартный вариант работы ТВ камеры (В – высота по вертикали, Г – ширина по горизонтали; Д – диагональ, определяет УПЗ).

Фокусное расстояние и угол поля зрения. Увеличение ТВ линз и УПЗ основываются на фокусном расстоянии (ФР) и размере сетчатки человеческого глаза. Линза, которая имеет ФР и УПЗ, как у человече­ского глаза, в практике ТВ называется нормальной линзой с усилени­ем, равным 1. Фокусное расстояние человеческого глаза – расстояние от центра линзы на внешней стороне глаза до сетчатки на обратной стороне глаза – около 17 мм.

Широкоугольные объективы имеют короткое фокусное расстояние, длинное фокусное расстояние имеют телеобъективы, которые действуют подобно телескопу. Они увеличивают рассматриваемый объект, имеют узкий УПЗ и эффективно переносят интересующий объект ближе к глазу.

Рисунок 11а - Геометрия и форматы камер / объективов.

Таблица 6 - Размеры сенсора, мм.

Телевизионная камера видит сцену подобно глазу. УПЗ камеры име­ет простую геометрию, показанную на рисунке 11а. Если сцена определена, то три показателя определяют правильность выбора фокусного рассто­яния объектива: 1) размер сцены (Ш, В); 2) расстояние между сценой и линзами камеры (Р); 3) размер телевизионного сенсора изображения (1/4, 1/3, 1/2, 2/3 или 1-дюймовый формат) таблица 6.

Таблица 7 - Горизонтальный (Г) и вертикальный (В) углы зрения камеры в зависимости от формата сенсора и фокусного расстояния линз.

В таблице 7 представлены доступные УПЗ некоторых стандартных линз с фокусным расстоянием от 3, 5 до 75 мм.

Светосила объектива определяет его способность со­бирать свет. Чем больше света может собрать и передать линза сен­сору изображения камеры, тем лучше качество картинки, т.е. большие линзы могут работать при меньших уровнях освещённости и расширить глубину поля зрения.

Большая часть людей имеют одинаковый размер глаз и, следова­тельно, имеют одинаковый размер линз (диаметр приблизительно 7 мм). В телевизионных системах размер линз (диаметр передней линзы) ме­няется в широких пределах; следовательно, светосила телевизионных объективов меняется значительно. Фактически светосила меняется про­порционально квадрату значения диаметра линзы. В реальных условиях линза, имеющая диаметр в два раза больше, чем у другой, будет пере­давать в четыре раза большее количество света.

Чем больше света проходит через линзу и достигает ТВ сенсора, тем лучше контраст и качество изображения. Большинство линз, имеющих ирисовую диаграмму (ИД), обычно мар­кируются числами: 1.4, 2.0, 2.8, 4.0, 5.6, 8.0, 11, 16, 22, С (С означает, что когда ИД закрыта, свет не проникает).

Глубина поля зрения. Глубина поля зрения в оптической систе­ме – это расстояние, на которое объект на сцене может приближаться или удаляться от объектива и при этом находиться в хорошем фоку­се. Другими словами, это диапазон расстояний от линз камеры, при котором объекты на сцене остаются в фокусе. В идеале этот диапазон должен быть очень большой: скажем, от нескольких метров от лин­зы до сотен (или тысяч) метров, чтобы все интересующие объекты на экране монитора были в чётком фокусе. На практике это не достигает­ся, потому что глубина поля: 1) обратно пропорциональна фокусному расстоянию и 2) обратно пропорциональна f -числу, где f -число есть отношению фокусного расстояния к диаметру линзы.

Ручная и автоматическая ирисовая диафрагма. ТВ линзы на­страиваются вручную или автоматически до оптимального уровня осве­щения, достигающего сенсора. Камеры на полупроводниковых сенсорах (ПЗС, КМОП) и трубках кремникон и ньювикон могут работать с ручной ИД в допустимом диапазоне изменений уровня освещения, но требуют установки автоматической ИД, когда используются свыше их полного диапазона уровня освещения, т.е. от яркого солнечного света до ночного освещения. Некоторые полупроводниковые камеры используют элек­тронный затвор и не требуют установки автоматической ИД. Камеры на видиконах достаточно компенсируют свет свыше их диапазона без изменения положения ИД объектива.

Объективы с автоматической ИД более дороги, чем их ручные ана­логи. Автоматическая ИД объектива имеет электрооптический меха­низм, которым количество света, проходящего через линзы, может кор­ректироваться в зависимости от доступного количества света от сцены и чувствительности камеры. Информацию получают из видеосигнала ка­меры использованием света, проходящего через линзы. Система работа­ет так: если сцена очень яркая для сенсора, видеосигнал будет большим по амплитуде. Этот большой сигнал активизирует мотор, что застав­ляет ИД становиться меньше в диаметре, этим самым уменьшая коли­чество света, достигающего сенсор. Когда количество света достаточно для заданного уровня сигнала, мотор останавливается. Подобным об­разом, если очень мало света достигает сенсора, уровень видеосигнала маленький, мотор автоматической ИД открывает диафрагму, пропуская большее количество света к сенсору.