В рубрику "В центре внимания. Тесты " | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
М.Ю. Арсентьев
Генеральный директор НТЦ "Подсвет"
Наряду с телекамерой, объектив является важнейшей частью системы видеонаблюдения. От выбора объектива зависит угол зрения телекамеры, чувствительность и разрешение всей системы
Часто бывает, что в погоне за копеечной экономией потребитель устанавливает на высококлассную телекамеру объектив со скверными оптическими характеристиками, а в результате изображение теряет критически важные детали, которые, увы, невозможно впоследствии восстановить никакой цифровой обработкой сигнала.
Характеристики объективов
Классифицировать объективы можно по диаметру посадочного отверстия, по наличию и способу регулировки диафрагмы и (или) фокусного расстояния, по светосиле, разрешению, наличию асферических линз и по некоторым другим признакам.
Светосила
Светосилу объектива определяет его F-число, характеризующее яркость получаемого изображения. Оно равно отношению фокусного расстояния к максимальному диаметру апертуры (диафрагмы). Чем меньше значение F-числа, тем более светосильным является объектив. Обратная величина называется относительным отверстием. Понятно, что при сравнимом размере апертуры светосила и относительное отверстие длиннофокусных объективов всегда меньше (а F-число соответственно больше), чем у короткофокусных.
Разрешение
Разрешающая способность объектива характеризует его способность создавать раздельные изображения двух близко расположенных точек или линий измерительной миры, проецируемой или рассматриваемой через этот объектив. Поскольку предельное разрешение объектива ограничено дифракцией на нем, то с целью исключения субъективизма введен эмпирический критерий Рэлея для дифракционного разрешения. В нем достаточным для различимости двух максимумов считается минимум между ними с уровнем 0,8, то есть минимальный контраст изображения, при котором точки (или линии) считаются разрешаемыми, составляет 20%.
Разрешение объектива измеряется в линиях на миллиметр и определяется отношением максимально возможного количества белых полос, чередующихся с черными, которое данный объектив может спроецировать на рабочую зону ПЗС-матрицы с контрастом 20% к ширине этой зоны. Разрешение большинства объективов для охранного телевидения составляет от 50 до 1 50 линий/мм. Для мегапиксельных IP-камер выпускаются объективы с большим разрешением. Однако разрешение дешевых мини-объективов может быть и значительно меньше 50 линий/мм. При использовании оптики такого рода общее разрешение системы, скорее всего, будет ограничиваться именно объективом, что в большинстве случаев неприемлемо. Разрешение объектива неравномерно по полю. Максимальное и заявленное значение обеспечивается по центру апертуры. По краям для объективов хорошего качества разрешение снижается на 15-20%.
Типы крепления
По диаметру посадочного отверстия (установочной резьбы) объективы можно разделить на три большие группы: C/CS-mount, с установочной резьбой М12 и с другими размерами резьбы.
C-mount
Тип крепления C-mount был первым стандартом, который появился еще до эпохи ПЗС-ка-мер. Характеризуется диаметром резьбы в 1 дюйм (25,4 мм), шагом - 1/32 дюйма (0,79375 мм) и расстоянием от опорной плоскости оправы объектива до плоскости изображения на ПЗС-матрице (рабочий отрезок или задний фокус) - в 0,69 дюйма (17,526 мм).
С началом широкого использования в видеонаблюдении малоформатных ПЗС-матриц стало возможным существенно уменьшить апертуры объективов и габариты телекамер, в связи с чем был принят новый стандарт крепления CS (С Small, "малый" С). Он отличается от старого стандарта только уменьшенным расстоянием от объектива до ПЗС-матрицы. Теперь оно составляет ровно 12,5 мм. Таким образом, камера с объективом стала короче более чем на 5 мм. Учитывая, что резьба осталась точно такой же, можно устанавливать старые С-объективы на новые CS-камеры, используя переходное кольцо толщиной 5 мм (фото 1) и отодвигая, таким образом, объектив для правильной настройки заднего фокуса.
Использовать новый CS-объектив со старой С-камерой невозможно. Правда, сейчас совместимость стандартов не слишком важна - подавляющее большинство оптики и практически все полноразмерные телекамеры на рынке CCTV сделаны по CS-стандарту. Для обычной сферической CS-оптики типовыми значениями числа F являются 1.2, 1.4, 1.6. Высококачественные асферические объективы обычно имеют F, равное 0.8-1.0, а самые светосильные - вплоть до 0.5.
Резьба М12
Вторыми по распространенности являются объективы с крепежной резьбой М12 и с шагом 0,5 мм (реже 1 мм). Этот стандарт приобрел популярность одновременно с массовым появлением во второй половине 1990-х гг. миниатюрных бескорпусных камер, для которых размеры (в первую очередь диаметр) и цена CS-объективов уже казались слишком большими. Потом появились малогабаритные корпусные квадратные, цилиндрические и купольные камеры, и количество объективов М12, поставляемых обычно в комплекте с телекамерами, едва ли не превысило количество CS-объективов.
Объективы М12 -это в основном очень простые (а значит, дешевые) объективы без каких-либо регулировок. Типовое значение F-числа стандартного ряда фокусных расстояний (2,45-16 мм) этих объективов - 2.0.
Со временем ассортимент оптики с посадочным размером М12 расширился - выпускаются не только обычные board и pin-hole, но и более сложные объективы с автоматической диафрагмой и изменяемым фокусным расстоянием. Разумеется, светосила и разрешение таких объективов обычно хуже, чем у "полноразмерных" аналогов, поэтому там, где габариты не имеют большого значения, их лучше не использовать. Для объективов pin-hole характерны F-числа от 2.0 (у многолинзовых объективов) до 3.5-5.0 (уоднолинзовых).
Резьба М7
С началом нового века тенденция миниатюризации продолжилась, некоторые ПЗС-камеры уменьшились до размеров 20x20 мм, кроме того, появились однокристальные CMOS-телекамеры с размерами вплоть до 8x8 мм. Разумеется, производители оптики сразу сделали для них подходящие объективы. Одним из новых стандартов стала резьба М7, и, весьма вероятно, через 3-5 лет очередной технологический прорыв потребует еще меньших размеров.
Типы регулировки диафрагмы
По способу регулировки диафрагмы объективы можно разделить на три группы: с фиксированной, с ручной и с автоматической диафрагмой.
Диафрагма - это отверстие (окно), регулирующее диаметр светового пучка, проходящего через объектив. Очевидно, чем больше диаметр такого отверстия, тем больше света попадет на ПЗС-матрицу телекамеры и тем при меньшей освещенности эта телекамера сможет нормально "показывать".
Фиксированная диафрагма
Самым простым объективом является объектив с фиксированной диафрагмой (см. фото 2) Иногда про него говорят - "без диафрагмы", что, конечно, неверно, поскольку диафрагма (апертура) есть у любого оптического прибора, но бывает такая конструкция, что отсутствует возможность ее изменения. У такого объектива обычно нет никаких регулировок, он не имеет движущихся составных частей, а значит, весьма дешев (от десятков центов у производителя до единиц долларов - в Москве за обычный объектив М12), надежен (при условии соблюдения производителем технологии) и предельно прост в установке и обслуживании. Если речь идет об оптике с установочной резьбой М12 и менее, то она в подавляющем большинстве случаев поставляется вместе с телекамерой и в настройке вообще не нуждается. В случае замены такого объектива надо просто добиться четкого изображения на мониторе, вворачивая и выворачивая его в держателе (holder) камеры.
Ручная регулировка
Рассмотрим объективы с ручной регулировкой диафрагмы (см. фото 3). Механизм обычно состоит из нескольких лепестков, способных двигаться при вращении кольца диафрагмы на тубусе объектива.
При открытой диафрагме типовые значения F-числа 1.2,1.4,1.6. При противоположном крайнем положении регулировочного кольца у многих объективов апертура закрывается полностью, и изображение не формируется. Линзы объектива остаются при этом неподвижными. Это позволяет установить нужное значение диафрагмы при установке телекамеры непосредственно на объекте, а при необходимости изменять его в процессе эксплуатации без замены объектива и обычно даже без демонтажа камеры.
Такие объективы, конечно, значительно удобнее тех, у которых диафрагма фиксированная, так как позволяют точно настроить объектив, добиваясь приемлемого компромисса между глубиной резкости (минимальная апертура) и чувствительностью телекамеры (максимальная апертура) непосредственно на месте установки камеры, при конкретных условиях. Разумеется, при изменении уровня освещенности такой объектив не может автоматически "сдвинуть или раздвинуть шторки", поэтому основное место применения оптики с ручной диафрагмой -помещения, причем с небольшой площадью окон и расположенные желательно не с южной стороны. С относительно небольшими перепадами освещенности в таких помещениях вполне может "справиться" электронный затвор, изменяя время экспозиции ПЗС-матрицы.
Автоматическая диафрагма
Для наружного, уличного применения лучше всего подходят объективы с автоматической диафрагмой (фото 4). Лепестки диафрагмы перемещаются в таких объективах с помощью микропривода, управляемого электронной схемой, расположенной внутри объектива или камеры. По сути, механизм автодиафрагмы представляет собой отрицательную электронно-механическую обратную связь. При этом главная задача - "удержать" уровень видеосигнала телекамеры на номинальном уровне. Типовой заявленный диапазон изменения относительного отверстия, как правило, составляет от 1/1,2 или 1/1,4 (полностью открытая диафрагма) до 1/360 (полностью закрытая диафрагма). Это дает изменение освещенности на матрице более чем в 30 000 раз. Такой диапазон изменения диафрагмы не может быть обеспечен только за счет ее уменьшения в результате дифракционных и технологических ограничений. Для обеспечения требуемого диапазона на центральную часть объектива наносится поглощающее покрытие с переменной плотностью, увеличивающейся к центру апертуры (так называемый ND-фильтр).
Управление диафрагмой. VD- и DD-объективы
Если электронная "начинка" размещается в корпусе объектива, то с телекамеры на объектив подается напряжение питания и видеосигнал без синхросмеси. Когда уровень видеосигнала падает ниже номинального, формируется управляющее напряжение для открытия лепестков диафрагмы. Если видеосигнал увеличивается, диафрагма "закрывается".
Регулятор LEVEL позволяет менять открытие диафрагмы при номинальном уровне, то есть фактически устанавливает яркость изображения. Регулятор ALC на объективе позволяет изменить или установить среднее значение освещенности, при которой обеспечивается номинальный уровень видеосигнала.
Такая схема работы автодиафрагмы является наиболее гибкой и эффективной, она получила название Video Drive (VD). Если электронная схема управления диафрагмы располагается внутри телекамеры, на объектив подается непосредственно ток, управляющий приводом. Этот тип объективов называется Direct Drive (DD), или DC (управляемый постоянным током). Очевидно, что принцип действия автодиафрагмы в обоих случаях одинаков.
Большинство современных телекамер имеют переключатель, дающий возможность управления как VD-, так и DD-объективами. Учитывая то, что стоимость объективов DD несколько ниже, для бюджетных решений часто используют именно их. Однако электронная схема управления диафрагмой в телекамере обычно несколько упрощена по сравнению со схемой в VD-объективе: например, часто отсутствует регулятор ALC. Такая регулировка позволяет установить полезный в некоторых случаях режим, когда диафрагма не будет "закрываться" при попадании в поле зрения ярких точечных объектов (фонарей, автомобильных фар, бликов), допуская потерю части информации вблизи них из-за блюминга ("заливания белым"), сохраняя достаточно различимыми темные зоны "картинки". У многих универсальных VD/DD-телекамер такого регулятора нет, поэтому в ответственных и сложных случаях для максимально точной настройки системы "камера-объектив" можно порекомендовать "умные" объективы с управлением диафрагмой видеосигналом (тип VD).
Многие объективы с автодиафрагмой имеют возможность дистанционного управления диафрагмой. Оператор управляет диафрагмой вручную с пульта и может оптимально настроить камеру для работы при разной освещенности. В настоящее время этот режим используется редко.
Автоматическая диафрагма, безусловно очень полезная на улице, не всегда обязательна, а иногда и вредна в помещении. Дело в том, что при регулировке диафрагмы у камеры изменяется глубина резкости, что в некоторых случаях может быть чревато потерей критически важной информации. Поэтому при стабильном и достаточно хорошем освещении лучше использовать оптику с ручной диафрагмой и режим электронного затвора на камере.
Фокусное расстояние
Важнейшей характеристикой объектива является фокусное расстояние. Наряду с форматом ПЗС-матрицы оно однозначно определяет угол зрения телекамеры, а также дает возможность его изменения.
Диапазон фокусных расстояний, применяемых в CCTV, очень велик - от 1,4 мм (объективы типа "рыбий глаз") до метров (у самых дорогих длиннофокусных трансфокаторов). Угол зрения может составлять от нескольких угловых минут до почти 180 градусов по горизонтали. Если "суперширокоугольная" оптика, пусть не самого высокого качества, распространена весьма широко (вспомним простейшие видеоглазки), то объективы с метровыми фокусными расстояниями настолько дороги и требуют такого могучего крепежа, что их использование крайне ограничено.
В простейшем случае фокусное расстояние объектива является постоянной величиной. В нем отсутствует механизм перемещения линз, что позволяет сделать объектив более дешевым при высоких оптических характеристиках. Долгое время именно такая оптика устанавливалась как на миниатюрные телекамеры, так и на камеры классической компоновки.
Варифокальные объективы
Сейчас ситуация изменилась - потребителю удобнее работать с варифокальными объективами, дающими возможность изменения фокусного расстояния и соответственно угла зрения. Это значительно упрощает жизнь инсталлятора, однако изготовление высококачественного "варифокала" - весьма сложная задача, и не каждый производитель справляется с нею. Ведь у такого объектива имеются подвижные линзы, что требует гораздо большей точности изготовления оптической системы, чем, например, при изготовлении механизма автодиафрагмы. Поэтому именно при покупке варифокальных объективов стоит перестраховаться и приобрести несколько более дорогую, но заведомо высококачественную "брендовую" оптику, не соблазняясь на супердешевые noname-объективы.
Кратность изменения фокусных расстояний у варифокальных объективов обычно составляет от 2 до 10.
Если на варифокальный объектив поставить привод для дистанционного управления, он автоматически превратится в трансфокатор -один из самых мощных инструментов CCTV (фото 5). Сейчас не редкость скоростные трансфокаторы, позволяющие быстро "увеличить" требуемый объект в 20-30 раз. В таких объективах обычно дистанционно изменяется фокусное расстояние (функция ZOOM), фокусировка (FOCUS) и диафрагма (IRIS). Использование камеры с трансфокатором без поворотного устройства в большинстве случаев неразумно -"наезд" всегда будет осуществляться в одну точку, поэтому большую популярность приобрели интегрированные комплекты Speeddome, включающие в себя телекамеру, объектив-трансфокатор, скоростную поворотную платформу и купольный корпус. Большая часть производимых сейчас трансфокаторов входит в состав таких изделий.
Типы линз
По типу используемых линз объективы делятся на сферические и асферические.
В первом случае объектив состоит из недорогих линз сферического типа, а во втором - используются линзы более сложной формы.
К основным преимуществам асферической оптики относится большая светосила (число F обычно не превышает единицы), а также отсутствие так называемых "сферических аберраций" (искажений), что позволяет отказаться от линз, исправляющих эти искажения, и, как следствие, увеличить пропускание, уменьшить массу и габариты объектива.
Ночью при использовании инфракрасной подсветки происходит некоторая расфокусировка изображения вследствие изменения длины волны. Существуют объективы, свободные от этого недостатка. Они позволяют получать сфокусированное изображение без перенастройки системы при освещении сцены излучением с длиной волны вплоть до 950 нм. Вслед за телекамерами некоторые объективы обзавелись механически удаляемым светофильтром, который "отрезает" ИК-излучение при ярком свете и пропускает его в темноте.
Рынок CCTV
В особую группу следует отнести миниатюрные объективы pin-hole с выносом зрачка, предназначенные в основном для скрытой установки (фото 6). Такой объектив может "смотреть" через отверстие, меньшее, чем диаметр входной линзы (порядка 1 мм в диаметре). Дешевые однолинзовые объективы с малым входным зрачком, которыми комплектуется большинство миниатюрных телекамер, не имеют выноса зрачка вовсе и, строго говоря, не могут называться pin-hole.
Оптическое производство относится к числу наиболее сложных как с точки зрения разработки, так и технологии изготовления. Признанными лидерами в этой области издавна считаются три страны - Германия, Япония и Россия. Что касается объективов для CCTV, то пока отечественная промышленность ограничилась выпуском относительно небольших партий pin-hole и сборкой объективов на основе импортных комплектующих, в результате существенно более широкий рынок CS-объективов был занят главным образом японской продукцией.
В последнее десятилетие позиции японцев серьезно потеснили корейцы, а вслед за ними -китайцы. Качество работы последних, особенно относительно варифокальных объективов, часто оставляет желать лучшего. Небрежность при изготовлении печатных плат телекамер и при монтаже элементов обычно не влечет таких последствий, как неаккуратность при сборке оптики. Поэтому надо быть осмотрительным при покупке очень дешевых объективов, пусть и очень "похожих на настоящие". А уж если при легком встряхивании изнутри слышен грохот болтающихся линз, то от поставщика, предлагающего такую продукцию, надо бежать.
В заключение хочется выразить надежду, что на рынок CCTV обратят внимание ведущие российские оптико-механические предприятия и традиционно качественная российская оптика займет и в этой области достойное место, такое, например, какое она занимает на рынках фототехники, биноклей и т.п.
Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #1, 2008
Посещений: 16592
Автор
| |||
В рубрику "В центре внимания. Тесты " | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
