Нікітін В. В, Ціцуліна А. К.
Формат об'єктива не впливає на кут огляду; від об'єктива потрібно лише, щоб він створював зображення із заданою якістю, що покриває всю поверхню фотоприймача. Зазначені в табл. 3.1 значення діаметра кружка розсіювання відповідають максимальної деградації якості на периферії поля зору. При використанні об'єктива з форматом, що перевищує формат матриці, якість зображення практично не змінюється, так як в цьому випадку фотоприймач працює в центральній частині поля зору об'єктива. У той же час формат матриці ПЗС, що використовується в ТВ-камері, впливає на кут огляду: чим менше розмір матриці при одному і тому ж об'єктиві, тим вже поле зору ТВ-камери. Таким чином, формат об'єктива повинен бути більшим формату матриці ПЗС або рівним йому. Це означає, що з камерами формату 1/3 "можна використовувати об'єктиви оптичних форматів від 1/3" до 1 ", при цьому об'єктив формату 1/3" з фокусною відстанню 8 мм буде давати той же кут огляду, що і об'єктив 2 / 3 "з фокусною відстанню 8 мм (рис. 3.3).
Разом з тим, застосування об'єктивів великих оптичних форматів спільно з матрицями малих форматів може привести до зниження роздільної здатності системи внаслідок збільшення радіуса гуртка розсіювання об'єктива (див. Формулу (3.2)).
Фокусна відстань об'єктива
Вимірюється в міліметрах і безпосередньо пов'язане з кутом огляду, що даються цим об'єктивом. Короткофокусні об'єктиви забезпечують великі кути огляду, а об'єктиви з великою фокусною відстанню є телеоб'єктивами з малими полями зору (див. Рис. 3.3). «Нормальний» кут огляду відповідає тому, що ми бачимо неозброєним оком; фокусна відстань для такого кута огляду одно формату матриці ПЗС.
Ця залежність характерна для всіх оптичних систем, в тому числі для стандартних фотоапаратів, у яких «нормальний» кут огляду забезпечується при фокусній відстані об'єктива приблизно 50 мм.
Зв'язок між кутом поля зору і фокусною відстанню об'єктива f визначається виразом
,
де b - розмір матриці ПЗС за відповідною координаті.
Значення горизонтального поля зору найбільш поширених об'єктивів наведені в табл. 3.2.
Залежно від розв'язуваної задачі в системі можуть використовуватися об'єктиви з постійною фокусною відстанню (fixed focal length), а також з ручною (varyfocal) або автоматичною (zoom) перебудовами його значення. Об'єктиви з постійною фокусною відстанню найбільш поширені і застосовуються для вирішення завдань загального спостереження. Об'єктиви з ручним зміною фокусної відстані використовуються у випадках, коли потрібно максимально точне узгодження розмірів об'єкта, що спостерігається з полем зору телевізійної системи. Якщо телевізійна камера використовується як при виявленні, так і при розпізнаванні об'єктів, необхідне застосування об'єктивів з автоматичною зміною фокусної відстані (варіооб'єктивів)
У більшості випадків виробники вказують чутливість ТВ-камер при використанні оптики з апертурою F1.4. При цьому освітленості на об'єкті Ео і в площині фотоприймача Еф.п відрізняються в 10 разів. При інших значеннях діафрагми це співвідношення змінюється в такий спосіб (див. Табл.3.3):
У технічних характеристиках об'єктивів часто вказуються максимальне і мінімальне значення апертури, наприклад F1.4 - F360. Більшість об'єктивів з автоматичним регулюванням діафрагми мають мінімальне значення діафрагми F64 або F125. В цьому випадку, наприклад для об'єктива з фокусною відстанню 12 мм, діаметр отвору, що діє об'єктива буде дорівнює 0.2 або 0.1 мм відповідно. Таке мале значення діафрагми ускладнює проектування механізму діафрагми і призводить до збільшення інтенсивності світла в центрі об'єктива. Рішенням даної проблеми є додаткове зменшення пропускання світла в центрі оптичної системи. Це досягається напиленням дуже дрібних концентричних ліній в самому центрі однієї з лінз об'єктива, товщина яких збільшується до центру лінзи. В результаті виникає ефект зменшення кількості світла, що проходить через об'єктив, причому всі його спектральні складові послаблюються однаково. Тому такий фільтр називається нейтральним спот-фільтром (spot (англ.) - пляма)). Подібне ослаблення світлового потоку дозволяє досягати дуже малих значень апертури: до F360 в об'єктивах широкого застосування і до F1000 в об'єктивах, призначених для роботи з камерами підвищеної чутливості.
При повністю відкритій діафрагмі нейтральний спот-фільтр ніяк не впливає на проходить світловий потік, так як діаметр отвору, що діє об'єктива набагато більше діаметра фільтра (рис. 3.5).
Коефіцієнт пропускання світла всім об'єктивом залежить також від кількості елементів в його оптичній схемі, від марки оптичного скла і від якості обробки поверхонь. Дані про коефіцієнти пропускання конкретних моделей об'єктивів зазвичай не публікуються; для практичних розрахунків значення коефіцієнта пропускання можна прийняти рівним 0.85 для високоякісних об'єктивів, 0.785 - для стандартних і 0.6 - для дешевих об'єктивів з оптичними елементами з пластмаси. Значення коефіцієнта пропускання включають в поняття світлосили об'єктива, що дорівнює добутку його відносного отвору на коефіцієнт пропускання. У ряді посібників для характеристики здатності об'єктива до передачі світла використовують такий параметр, як коефіцієнт передачі (transmission ratio) Т = F / √τ. Наприклад, для стандартного об'єктива з апертурою F1.4 і коефіцієнтом пропускання 0.785 коефіцієнт передачі (ефективна апертура) буде дорівнює 1.58. Для дешевого об'єктива з коефіцієнтом пропускання 0.6 ефективна апертура зменшиться до F1.8.
Величина діафрагми безпосередньо впливає також на глибину різкості зображення (рис.3.6).
У об'єктивах з автоматично перебудовується діафрагмою глибина різкості постійно змінюється. Це стає особливо помітним в нічний час, коли об'єктив повністю відкритий і глибина різкості стає мінімальною. У зв'язку з цим будь-яка настройка телекамери на об'єкті (в тому числі наводка на різкість відповідно до формули (3.1)) проводиться при повністю відкритій діафрагмі (ввечері або із застосуванням послаблюють світлофільтрів перед об'єктивом).
Для об'єктивів із змінною фокусною відстанню характерно зменшення максимальної апертури при переході від малих значень фокусної відстані до великих. Так, об'єктиви з 8-кратним зміною фокусної відстані при широких кутах поля зору характеризуються значенням F1.2, при малих - F1.5; для об'єктивів з 10-кратної перебудовою поля зору апертура змінюється від F1.4 до F2.0 і т. д. Фокусування ТВ-камери з таким об'єктивом досить складна і виконується в кілька етапів. Спочатку при максимально широкому куті зору фокусують об'єктив на нескінченність і регулюванням положення матриці ПЗС досягають чіткого зображення віддалених предметів. Потім переходять до мінімально можливим кутах зору і повторюють регулювання ще раз.
Автоматичне або ручне управління діафрагмою
Об'єктиви з автоматичною діафрагмою використовуються при зовнішньому спостереженні в умовах значних змін рівня освітленості; об'єктиви з ручною установкою діафрагми доцільно застосовувати всередині приміщень, коли рівень освітленості постійний. Поява ПЗС-камер з електронним затвором уможливило застосування об'єктивів з ручною установкою діафрагми в умовах, коли збільшення освітленості можуть бути компенсовані схемами автоматичного регулювання чутливості камери. При цьому слід враховувати, що установка значення діафрагми в даному випадку критично важлива, оскільки при повному відкритті діафрагми (робота вночі) глибина різкості стає дуже малою і отримання чіткого зображення у всьому полі зору виявляється проблематичним (рис.3.7). Якщо діафрагма закрита для збільшення глибини різкості, відношення сигнал / шум в вихідному зображенні при слабкому освітленні буде низьким.
Незалежно від типу сервоприводу об'єктива для забезпечення нормальної роботи камери при різних рівнях освітленості необхідна його точне налаштування. Для цього в об'єктивах з автодіафрагмою є два регулювання - «Рівень» (Level) і «Автомат» (Auto Light Control, ALC). За допомогою першої з них вручну задається середнє значення діафрагми; друга управляє чутливістю схеми автоматичного управління діафрагмою до змін освітленості. Зазвичай, це регулювання виставляється в середнє положення, так як надмірно висока чутливість схеми автоматичного управління може привести до її самозбудження при найменших змінах освітленості і в результаті діафрагма об'єктива буде періодично мимовільно відкриватися і закриватися.
Тип кріплення (C або CS)
В даний час випускаються об'єктиви з заднім відрізком 12.5 мм (тип СS) і 17.5 мм (тип С). Сучасні камери зазвичай мають CS-тип кріплення, і з ними можна використовувати обидва типи об'єктивів, однак при використанні об'єктивів C-типу для отримання різкого зображення між камерою і об'єктивом необхідна установка кільця товщиною 5 мм (рис. 3.8).
Використовувати об'єктиви CS-типу з камерами C-типу не можна, оскільки в цьому випадку неможливо поєднати фокальній площині об'єктива з площиною установки матриці ПЗС.
асферична оптика
Традиційні об'єктиви телевізійних камер виготовляються з сферичних лінз. Оптичні компоненти, описувані постійним радіусом кривизни в межах кожної поверхні, технологічні у виготовленні і тому дешеві. Однак їм притаманні так звані сферичні аберації, які погіршують якість зображення і обмежують максимально можливу апертуру.
Застосування асферичною оптики виправдано також у випадках, коли дефіцит освітленості контрольованої зони не може бути заповнений іншим способом.