Текст книги "CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии"

Автор книги: Владо Дамьяновски

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 42 страниц)

Рис. 3.9. Механика вариообъектива

Рис. 3.10. Вариообъектив в разобранном виде

Геометрическое построение изображений

Изображения могут быть построены при помощи простых правил оптики и геометрии.

Как можно увидеть из рис. 3.11, для построения изображения объекта требуется, как минимум, два луча.

Рис. 3.11. Проекции изображений объектов, находящихся на различных расстояниях

При построении изображений следует придерживаться следующих трех правил:

• Объекты, находящиеся на различных расстояниях, на схеме должны одним концом касаться оптической оси.

• По определению, лучи, проходящие через центр линзы, не меняют своего направления, т. е. в центре линза ведет себя как плоскопараллельная стеклянная пластина, не вызывая преломления.

• По определению, лучи, параллельные оптической оси, проходят через фокус.

Вспомним теперь основную формулу линзы, которую мы используем при расчете количества света, падающего на ПЗС-матрицу:

1/D + 1/d = 1/f (30)

здесь D – расстояние от объекта до линзы, d – расстояние от линзы до изображения f – фокусное расстояние линзы.

Отметим, что d здесь относится к изображению не бесконечно удаленного объекта, и поэтому оно больше, чем 1; а в случае бесконечно удаленного объекта d будет равно 1.

Обратите, пожалуйста, внимание на изображения объектов, находящихся на различном расстоянии. Фокусировка линзы достигается за счет изменения расстояния между линзой и плоскостью изображения (где расположена ПЗС-матрица). Итак, проекция изображения совпадает с фокальной плоскостью только в том случае, когда линза сфокусирована на бесконечно удаленный объект. Во всех остальных случаях расстояние между линзой и изображением больше, чем фокусное расстояние линзы.

Следует также отметить, что (как упоминалось выше) на практике объектив состоит из нескольких оптических элементов. Следовательно, их можно представить эквивалентной одноэлементной линзой, расположенной в главной точке. Рис. 3.13 поясняет этот момент.

Объектив, образованный из нескольких оптических элементов (единичных тонких линз), имеет две главных точки – первую и вторую главные точки. Для тонкой линзы эти точки совпадают и расположены в центре линзы.

Плоскости, пересекающие эти главные точки и перпендикулярные оптической оси, называются главными плоскостями.

Рис. 3.12. Концепция фокусировки

Рис. 3.13. Основные точки и плоскости

Главные плоскости обладают следующими свойствами:

• Луч, падающий на первую главную плоскость (параллельно оптической оси), покинет вторую главную плоскость на той же высоте, распространяясь в направлении точки фокуса.

• Луч, падающий в направлении первой главной точки, покинет вторую главную точку под тем же углом.

• Фокусное расстояние такой линзы принимается равным расстоянию от второй главной плоскости до фокуса.

Пользуясь этими свойствами, можно построить геометрическое изображение таким же образом, как в случае линзы, состоящей из одного оптического элемента.

Следует отметить, что вторая главная точка может попасть за объективов с маленьким фокусным расстоянием. Чем меньше пределы системы линз – в случае фокусное расстояние, тем больше оптических элементов необходимо добавлять для коррекции различных искажений, что увеличивает стоимость объектива. С уменьшением формата ПЗС-матриц (от 2/3" до 1/2" и 1/3", a теперь и до 1/4". В настоящее время выпускаются телекамеры с ПЗС-матрицами 1/6". Прим. ред.) приходится производить объективы с более коротким фокусным расстоянием, чтобы сохранить тот же по ширине угол зрения.

Это, в свою очередь, вынудило промышленность уменьшить расстояние от фланца объектива до плоскости изображения, которое для «С» типа крепления равно 17.5 мм с тем, чтобы оптика стала проще, меньше, дешевле.

Новый формат расстояния равен 12.5 мм, и поскольку он меньше, он называется стандартом CS (S-small).

Рис. 3.14. Поперечное сечение объектива с ручной установкой диафрагмы

Рис. 3.15. Поперечное сечение объектива с ручной установкой диафрагмы

Асферические линзы

Как уже упоминалось выше, сферическая аберрация – это общий тип искажения, присущий большинству линз сферического типа. Линзы сферического типа наиболее распространены, поскольку изготавливаются они при помощи самых простых механических способов шлифовки и полировки, подчиняющихся сферическим законам. Полировка выполняется круговой машиной, в результате чего линза имеет сферическую форму. Можно показать, что кроме хроматической аберрации, присущей простому оптическому элементу («разложение на цвета» белого света), есть еще и сферическая аберрация, вызванная сферическим профилем линзы. Фокус не является в точности одной точкой.

На основе физических законов преломления можно показать (но мы не будем вдаваться в эти детали), что колоколоподобная линза (не сферическая) является идеальной для получения единой фокусной точки без сферических искажений. Поперечное сечение такой линзы представляет собой кривую, несколько отклоняющуюся от формы окружности и имеющую форму колокола.

Это продемонстрировано на рис. 3.16, и чтобы было понятнее – в преувеличенной форме. Такая линза называется асферической.

Рис. 3.16. Сферическая и асферическая линзы

Понятно, что такую форму трудно воспроизвести при помощи стандартных полировочных технологий, но, если все-таки обеспечить качественное изготовление, она даст ряд преимуществ в сравнении с традиционными сферическими линзами, включая больший раскрыв диафрагмы (что отражается в меньших значениях F-числа), больший угол зрения, более короткое минимальное расстояние до объекта, меньшее количество оптических элементов, так как приходится исправлять меньше аберраций (в результате объектив становится меньше и легче).

Однако такая технология дороже – из-за сложной техники полировки.

Оптические компании начали выпускать литые асферические линзы, избегая критического процесса шлифования. Этот процесс, правда, не обеспечивает стекла такого качества, как при обычном процессе, но позволяет сделать производство асферических объективов более экономичным.

Качество таких объективов еще нуждается в доказательствах, но они существуют и доступны на рынке оборудования для систем видеонаблюдения.

Рис. 3.17. Асферический объектив с автодиафрагмой

Частотно-контрастная характеристика и функция передачи модуляции

Что нам нужно от объектива – это резкое и четкое изображение, свободное от искажений.

Как уже упоминалось, объективы обладают ограниченной разрешающей способностью, и об этом особенно важно помнить, когда мы используем их в видеосистемах высокого разрешения.

Разрешающая способность связана со способностью линзы воспроизводить мелкие детали. Чтобы измерить эту способность, используется испытательная таблица, состоящая из черных и белых полосок с различной плотностью (пространственным периодом), обычно выражаемую в линиях на миллиметр (линий/мм). При подсчете разрешающей способности линзы (линий/мм) мы учитываем и белые, и черные линии.

Рис. 3.18. Частотно-контрастная характеристика – 4KX (CTF, contrast transfer function) и функция передачи модуляции – ФПМ (MTF, modulation transfer function)

Характеристика, демонстрирующая «отклик» линзы на различную величину плотности в линиях/мм, называется частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ).

С теоретической точки зрения лучше оценивать параметры линзы при непрерывном переходе от черного к бепому (в виде синусоиды), а не на полосках, которые резко переходят от черного к бепому. В особой мере это относится к объективам, используемым в телевидении, так как оптический сигнап в этом спучае преобразуется в эпектрический, который пегче описывается и оценивается при помощи синусоидапьных характеристик. Эта характеристика называется функцией передачи модуляции (ФПМ).

Однако на практике оказывается гораздо проще сделать тестовую таблицу с черно-белыми полосками, а не с синусоидапьным переходом от черного к бепому. ЧКХ и ФПМ – это не одно и то же, но при помощи ЧКХ гораздо проще измерить и с достаточно большой точностью можно описать обобщенные характеристики линзы.

Самая простая анапогия, которая поможет нам понять, что такое ФПМ, – это спектральный отклик аудиосистемы. В аудиосистеме мы рассматриваем уровень выхода (напряжение или звуковое давление) в зависимости от частоты аудиосигнала. В оптике мы депаем то же самое, только ФПМ выражается в виде зависимости контрастности (от 0 до 100 %) от пространственной ппотности (в пиниях/мм), как мы видели на рис. 3.18.

Различные объективы имеют различные ФПМ-характеристики в зависимости от качества стекла, оптической конструкции и применения. Например, фотографические объективы будут иметь лучшую ФПМ, чем объективы для видеонаблюдения. Причина проста: структура фотопленки может регистрировать более 120 линий/мм, и производителям приходится выпускать объективы более высокого качества, чтобы минимизировать ухудшение картинки при увеличении изображения на пленке до размеров постера.

ПЗС-матрицы имеют меньшую разрешающую способность, чем ту, которую обеспечивает кристаллическая структура пленки. С технической точки зрения нет никакой необходимости переходить на производство дорогих объективов намного большего разрешения, чем разрешающая способность ПЗС-матрицы. Однако с миниатюризацией ПЗС-матриц мы все ближе и ближе подходим к границам пленочного разрешения, так что в будущем потребуются объективы с улучшенными параметрами.

Например, черно-белая ПЗС-матрица формата 1/2" среднего разрешения имеет примерно 500 пиксел (элементов изображения) по горизонтали. Если мы учтем физическую ширину 6.4 мм ПЗС-матрицы формата 1/2", то придем к заключению, что максимальное возможное число вертикальных линий (черно-белых пар) равно (500:6.4):2 = 39 линий/мм. Это разрешение легко достигается большинством ТВ-объективов, так как оптическая технология может легко обеспечивать более 50 линий/мм. Но для черно-белой ПЗС-матрицы формата 1/3" с той же плотностью в 500 пикселов по горизонтали мы уже говорим о (500:4.4):2 = 57 линий/мм. Это значит что ПЗС-телекамера формата 1/3" требует объектива большего разрешения, чем телекамера формата 1/2".

Различные объективы имеют различные ФПМ-характеристики, и иногда на основе этих характеристик приходится решать, какой объектив следует использовать.

Рассмотрим пример, представленный на графике. Мы можем трактовать его следующим образом: ФПМ объектива А распространяется на область высоких пространственных частот, а это означает, что он может передать более мелкие детали, чем объектив В. Объектив В имеет лучший отклик на низких частотах. Если нам нужен объектив для получения высокой разрешающей способности, например, для пленки, то лучше выбрать объектив А, а для видеонаблюдения, где ПЗС-матрица не может различить более 50 линий/мм, лучше обойтись объективом В, с ним будет выше контраст.

Рис. 3.19. ФПМ-кривые для двух различных объективов

F и Τ числа

Кроме ФПМ и ЧКХ есть и другая важная характеристика объективов: F-число (F-number, F-stop). F-число характеризует яркость сформированного линзой изображения. Оно обычно нанесено на объективе в виде F/1.4 или иногда в другой форме 1:1.4 (Величина, обратная числу F, называется относительным отверстием, то есть, например, если F=1.4, то относительное отверстие 1:1.4. Однако на практике нередко относительным отверстием называют само число F, то есть в нашем примере, 1.4. Прим. ред.). F-число зависит от фокусного расстояния объектива и эффективного диаметра области, через которую проходят лучи света. Эта область может изменяться передвижением механических лепестков, которые мы обычно называем ирисовой диафрагмой.

Следует отметить, что эффективный диаметр объектива – это отнюдь не действительный диаметр объектива, а диаметр изображения диафрагмы, если смотреть на него с передней стороны объектива.

Первый диаметр обычно называется входным зрачком. А есть еще и выходной зрачок, как показано на рис. 3.21. Сама ирисовая диафрагма расположена между этими двумя зрачками и между двумя главными точками.

Чем меньше F-число, тем больше отверстие диафрагмы и тем больше света проходит через объектив. Минимальное F-число для данного объектива нанесено на самом объективе и характеризует способность объектива собирать свет.

Часто объективы с низким F-числом (F-stop) называются светосильными объективами или быстрыми объективами (faster lens). Это потому, что на заре фотографии пытались сократить время экспозиции пленки путем увеличения количества света (низкое F-число); это позволяло сделать снимок быстро и получить картинку без потери четкости, вызванной дрожанием камеры.

Допустим, 16 мм-объектив имеет минимальное F-число, равное 1.4, тогда это записывается так: 16 мм/1.4 или 16 мм 1:1.4. Максимальное эффективное отверстие диафрагмы эквивалентно кругу с диаметром 16/1.4 = 11.43 мм – эквивалентно потому, что лепестки диафрагмы образуют треугольное, квадратное, пятиугольное или шестиугольное отверстие.

Рис. 3.20. Положение и размер диафрагмы зависят от типа и конструкции объектива

Рис. 3.21. Определение положения диафрагмы

Чтобы понять, почему именно такова последовательность F-чисел, нам придется проделать ряд вычислений.

Начнем с предыдущего примера – рассмотрим объектив 16 мм/1.4 – и найдем площадь полностью открытого отверстия (т. е. при F/1.4):

A_1.4 = (d/2)²∙π = (11.43/2)²∙π = 32.66∙3.14 = 102.5 мм² (31)

Давайте теперь уменьшим эту площадь вдвое, т. е. пусть она будет равна 51.25 мм², и подсчитаем диаметр отверстия диафрагмы:

A_х = (х/2)²∙π => х = 2∙SQRT(A_х/π) = 8 мм (32)

Где SQRT означает корень квадратный. Теперь F-число с 8-мм отверстием будет равно 16/8 = 2, т. е. F/2.

Здесь F/2 представляет площадь, равную половине площади, соответствующей F/1.4. Если мы продолжим действовать так же, то получим следующие знакомые числа: 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32 и т. д.

Все эти числа стандартны для всех типов объективов, и смысл их таков: каждое большее F-число пропускает половину светового потока по сравнению с предыдущим F-числом.

Теперь становится намного понятнее, почему телекамера с объективом 16 мм/1.0 более чувствительна, чем та же телекамера с объективом 16 мм/1.4.

Для вариообъективов приведенные здесь F-числа относятся к отверстию диафрагмы на минимальном фокусном расстоянии вариообъектива. Очевидно, что при этом получается наилучшее «светособирающее число» для любого объектива. Для вариообъектива при установке наибольшего фокусного расстояния F-число всегда меньше, чем на минимальном фокусном расстоянии. Но было бы ошибкой предполагать линейную зависимость между F-числом и фокусным расстоянием. В частности, объектив 8-80 мм/1.4 обеспечивает эффектакого же отверстия при фокусном расстоянии 80 мм F-число, казалось бы, будет равно 80/5.7 = 14.

На самом деле это не так, поскольку многое будет зависеть от конструкции вариообъектива. Место расположения диафрагмы может перемещаться в зависимости от движения частей вариообъектива, подчиняясь нелинейному закону. В большинстве случаев на больших фокусных расстояниях F-числа будут значительно лучше (меньше), чем будет получаться, если пользоваться вышеприведенными расчетами, но они всегда будут хуже, чем на малых фокусных расстояниях.

Объективно говоря, каждый участок стекла, независимо от его качества, привносит свой вклад в потери света. Эти потери могут составлять очень маленький процент от общей световой энергии, но если мы хотим получить точные характеристики объектива, то их тоже нужно учитывать. Характеристикой уровня пропускания света объективом является коэффициент пропускания, который всегда меньше 100 %.

Поэтому многие профессионалы предпочитают использовать не F-числа, аТ-числа. В определении Т-числа учитывается и F-число, и пропускание объектива:

Т-число = 10·F-число/SQRT(Пропускание) (33)

Поскольку пропускание объектива, как уже упоминалось, всегда меньше 100 % (обычно от 95 % до 99 %), то очевидно, что Т-число будет несколько больше, чем F-число.

Рис. 3.22. Вариообъективы становятся все более популярными

Глубина резкости

Теоретически при фокусировке на объект вся плоскость, проходящая через объект и перпендикулярная оптической оси, должна быть в фокусе.

Практически, объекты, находящиеся немного впереди и позади объекта в фокусе, тоже будут резкими. Эта «дополнительная» ширина зоны резкости и называется глубиной резкости.

Большая глубина резкости может быть нежелательной характеристикой, как, например, в фотографии, когда мы хотим, чтобы фотографируемый объект был отделен от переднего или заднего плана. Это очень характерно для портретной съемки телеобъективом, у которого глубина резкости невелика.

В системах видеонаблюдения, однако, часто требуется противоположный эффект. Мы хотим, чтобы как можно больше объектов было в фокусе, независимо от того, где в действительности расположена фокальная плоскость.

Глубина резкости зависит от фокусного расстояния объектива, F-числа и формата объектива (2/3", 1/2" и т. д.). Общее правило заключается в следующем: чем меньше фокусное расстояние, тем больше глубина резкости; чем больше значение числа F, тем больше глубина резкости, и чем меньше формат объектива, тем больше глубина резкости.

Эффект глубины резкости объясняется так называемым допустимым пятном рассеяния.

Рис. 3.23.Глубина резкости при различных значениях числа F Например, если объектив 16 мм/1.4 имеет пропускание 96 %, то Т-число будет равно 1.43.

Рис. 3.24. Объяснение глубины резкости

Допустимое пятно рассеяния – это пятно проекции зоны резкости. Если наименьший элемент изображения (пиксел) ПЗС-матрицы равен или больше допустимого пятна рассеяния, то, понятно, мы не сможем увидеть детали, меньшие этого пятна. Другими словами, все объекты и их детали, в пределах пятна, будут выглядеть одинаково резкими, так как это реальный размер пиксела. Отсюда понятно, что размер допустимого пятна рассеяния для телекамеры определяется размерами пиксела ПЗС-матрицы, другими словами, разрешающей способностью ПЗС-матрицы.

Теперь мы можем понять, почему некоторые короткофокусные объективы, используемые в системах видеонаблюдения (например, 2.6 мм или 3.5 мм), вообще не имеют фокусировочного кольца, а только регулировку диафрагмы. Это потому, что даже при наименьших для данного объектива F-числах (будь то 1.4 или 1.8), глубина резкости столь велика, что объектив действительно дает резкие изображения с практически любого расстояния: от нескольких сантиметров до бесконечности. Здесь действительно нет необходимости в фокусировке.

Как будет объяснено позже в этой книге, глубина резкости – это эффект, о котором мы ни в коем случае не должны забывать, особенно при регулировке так называемого заднего фокуса (back-focus). Если задний фокус не настроен должным образом, и телекамера установлена при дневном свете (т. е. автодиафрагма объектива максимально прикрывает отверстие от избыточного света), глубина резкости обеспечит резкость даже в тех областях, которые на самом деле не в фокусе.

Практический опыт показывает, что глубина резкости в таком случае (когда задний фокус настроен некорректно) – это самый большой источник разочарования при 24-часовом функционировании системы. Причины становятся очевидны ночью, когда отверстие диафрагмы раскрывается из-за низкого уровня освещенности (при условии нормального функционирования автодиафрагмы), глубина резкости снижается, и получаются несфокусированные изображения, несмотря на то, что днем они были в фокусе. Не понимая причин этой проблемы, оператор жалуется специалистам, установившим или обслуживающим систему, но они обычно наносят визит в дневное время. Понятно, что днем благодаря большой глубине резкости никаких проблем не будет, а вот ночью опять проявятся «необъяснимые» эффекты.

Рис. 3.25. Фотографии с низким и высоким значением числа F (объектив сфокусирован на центральный объект)

Мораль отсюда такова: регулировка заднего фокуса (это мы тоже обсудим позже) должна быть проведена при полном раскрытии диафрагмы. Самый простой способ получить максимальное отверстие – настраивать при малом уровне света, что доступно вечером (или ночью), или можно искусственно снизить количество дневного света при помощи внешнего фильтра нейтральной плотности (ND) (обычно его помещают перед объективом). Все это делается ради того, чтобы уменьшить глубину резкости и таким образом сделать регулировку заднего фокуса проще и точнее.

Довольно часто при использовании черно-белых телекамер с инфракрасным светом возникает другой эффект. Из-за того, что инфракрасный свет имеет довольно большую длину волны (по сравнению с обычным светом) и меньший показатель преломления, плоскость сфокусированного изображения размещается немного позади плоскости ПЗС-матрицы. Для дальнейшего пояснения феномена сошлемся на раздел разложение света призмой. Если днем изображение резкое, то в ночное время объекты на том же расстоянии будут не в фокусе. Это довольно заметный и нежелательный эффект. Чтобы минимизировать его, необходим специальный объектив с компенсацией инфракрасного света (некоторые производители для этой цели выпускают специальные стеклянные линзы). Однако, вот более практичное и общее решение: настроить задний фокус объектива телекамеры ночью при инфракрасном свете, в этом случае глубина резкости будет минимальна, а объекты – в фокусе. Днем глубина резкости увеличит зону резкости до большего диапазона, компенсируя разницу между фокусом при инфракрасном и нормальном свете.

Фильтры нейтральной плотности

Выше, обсуждая F-числа, мы упоминали ряд F-чисел: 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32 и т. д. Этот список можно продолжить: 44, 64, 88, 128 и т. д. Чем выше F-число, тем меньше отверстие диафрагмы, мы уже говорили об этом.

Для фотографической или кинопленки F/32 – это довольно большое число. Чувствительность эмульсии пленки такова, что даже в солнечный день такое F-число в совокупности с доступной скоростью затвора достаточно для компенсации избыточного света.

Чувствительность пленки измеряется в единицах ISO, а обычно используемая в повседневных целях пленка имеет чувствительность 100 единиц ISO.

ПЗС-матрицы гораздо более чувствительны, чем пленка в 100 единиц ISO, особенно черно-белые матрицы. Зная уровень света, F-число и скорость затвора фотокамеры, типичное время экспозиции ПЗС-телекамеры (1/50 с для CCIR) и установку диафрагмы, мы можем посчитать чувствительность черно-белой ПЗС-матрицы – она близка к значению в 100 000 единиц ISO. Это довольно высокая чувствительность.

Рис. 3.26. Встроенный в объектив нейтрально-серый фильтр

В переводе на обычный язык это означает, что ПЗС-матрица настолько чувствительна, что низкий уровень света не будет проблемой (хотя Вы могли не раз слышать от потребителей: «Насколько чувствительна ваша телекамера?»), а проблемой скорее будет сильный свет.

Поскольку телекамеры имеют только одно время экспозиции, 1/50 секунды в CCIR и SECAM и 1/60 секунды в NTSC (не учитывая электронный затвор ПЗС-телекамер), то в целях уменьшения количества света мы можем манипулировать только F-числом.

Для формирования полного видеосигнала на черно-белой ПЗС-матрице средней чувствительности требуется 0.1 лк. Ясный солнечный день на пляже или снег дает больше 100 000 лк на объекте.

Чтобы снизить эту величину до 0.1 лк требуется использование очень больших значений F-числа (порядка F/1200). Опираясь на основное определение F-числа для среднего объектива 16 мм/1.4, мы получим, что F/1200 соответствует эффективному отверстию диафрагмы в 16/1200=0.013 мм.

Механическими способами такого маленького отверстия с требуемой точностью достичь невозможно, а кроме этого мы столкнемся с новыми проблемами – краевой дифракцией света (известной как эффект Френеля), что весьма ухудшит качество изображения.

Решение было найдено в использовании внутренних фильтров нейтральной плотности.

Это очень тонкая пленка с круговым покрытием нейтрального цвета, размещаемая посередине объектива, близко к плоскости диафрагмы. Фильтр делается менее прозрачными по направлению к середине концентрических колец. Нужное F-число, таким образом, достигается путем комбинации средств механической диафрагмы (положение лепестков) и оптического нейтрально-серого фильтра (оптическое ослабление). Это очень простой и эффективный способ борьбы с сильным светом.

Фильтры называются нейтральными, потому что они ослабляют все длины волн (цвета) равномерно, таким образом не меняя световой композиции изображения.

Рис. 3.27. ND-фильтр в объективе с автодиафрагмой

Следует отметить, что очень важна оптическая точность таких тонких пленок, так как при увеличении F-числа должны сохраняться ФПМ-характеристики объектива. Теоретически, разрешающая способность любого объектива максимальна в середине диапазона установок механической диафрагмы и уменьшается по мере увеличения или уменьшения F-числа (это отличается от эффекта глубины резкости), но нейтрально-серый фильтр может его еще более снизить. Будет это заметно, либо нет, зависит от общих качеств объектива.

Кроме внутренних фильтров существуют и внешние нейтрально-серые фильтры, которые выполнены более просто. Это полупрозрачные стеклянные пластинки или, по-другому, оптические фильтры, ослабляющие свет в х раз. Ослабление может быть в 10000 или 1000 раз. Можно комбинировать два или три фильтра, так, например, 10 и 1000 вместе дадут фильтр с ослаблением в 10 000 раз.

Иногда, и, пожалуй, это более корректно, ослабление внешним нейтрально-серым фильтром выражается в F-числах. Зная, что каждое следующее диафрагменное число уменьшит светособирающую силу в два раза (50 % от предыдущего значения), мы можем построить следующую логическую цепочку: 100-кратный фильтр соответствует «полпути» между 2⁶ и 2⁷ (2⁶ = 64, 2⁷ = 128). Это означает, что ослабление в 100 раз – это примерно 6.5 F-чисел. Ослабление в 1000 раз – это примерно 2¹⁰ или порядка 10 F-чисел.

Этот тип фильтров, как уже говорилось, очень удобен для минимизации глубины резкости при регулировке заднего фокуса или настройке уровня автодиафрагмы в дневное время.

Объективы с ручной диафрагмой, автодиафрагмой и диафрагмой с сервоуправлением

Некоторые объективы имеют диафрагму с ручным управлением. Такие объективы обычно используются в помещениях с постоянным уровнем освещенности: торговых центрах, подземных гаражах, библиотеках и пр. Обычно это помещения, где естественный свет не оказывает заметного влияния на основную освещенность наблюдаемой зоны, и, следовательно, мы имеем почти постоянную величину освещенности, создаваемую искусственным светом. Небольшие случайные вариации освещенности компенсируются автоматической регулировкой усиления телекамеры.

С появлением ПЗС-телекамер с электронным затвором объективы с фиксированной диафрагмой используются и в зонах с переменной освещенностью, так как электронный затвор автоматически выбирает время экспозиции, компенсируя вариации света.

Есть два основных фактора, определяющих F-число объектива с ручной установкой диафрагмы для его оптимального функционирования:

• Интенсивность света.

• Глубина резкости.

Они противоречат друг другу, и вот почему ручная установка диафрагмы всегда является компромиссом. Если делать установку в условиях очень низкого уровня освещенности или если телекамера имеет низкую чувствительность, общая тенденция сводится к максимальному раскрыву отверстия диафрагмы (низкое F-число). Очевидно, что в этом случае глубина резкости и ФПМ, как выше объяснялось, будут минимальны. Не следует забывать, что разрешающая способность объектива на самых малых F-числах обычно самая низкая, не говоря уж о глубине резкости. Компромисс – это наилучшее решение (если позволяет минимальная освещенность телекамеры), и объектив устанавливается на одно или два значения F-числа выше наименьшего возможного, т. е. F/2 или F/2.8.

Объективы с автодиафрагмой снабжены электронной схемой, которая обрабатывает выходной видеосигнал телекамеры и решает, исходя из уровня видеосигнала, нужно ли открывать или закрывать отверстие диафрагмы.

Рис. 3.28. Объективы с фиксированным фокусным расстоянием и ручной установкой диафрагмы

Рис. 3.29. Типичная схема подключения объектива с автодиафрагмой, управляемой видеосигналом

Автодиафрагма работает по принципу автоматической электронно-оптической обратной связи. Если уровень видеосигнала низкий, электроника сообщает диафрагме, что необходимо раскрыть отверстие, а если слишком высок, то – прикрыть.

Для работы в таком режиме с телекамеры на объектив с автодиафрагмой поступает питающее напряжение (обычно 9 В постоянного тока), а также видеосигнал (кроме того, между объективом и телекамерой должен быть третий провод (называемый нулевым, отрицательным или общим)). Нередко объективы имеют экранированный кабель, что нужно для защиты видеосигнала от сильных внешних электромагнитных помех. Экранирующий провод не обязательно подсоединять к самой телекамере, так как соединение уже существует – через металлическое кольцо объектива при насадке его на телекамеру. Нежелательные наводки в видеосигнале можно снизить, делая этот кабель насколько возможно более коротким. Это соответствует тенденции уменьшения размеров телекамер. Но при этом следует помнить о пластиковых C/CS-адаптерах, которые изолируют объектив от корпуса телекамеры.

Обычно приняты следующие коды цветов проводов для объективов с автодиафрагмой:

– Черный – общий.

– Красный – питание (от телекамеры).

– Белый – видео.

Рис. 3.30. Объективы с фиксированным фокусным расстоянием и автодиафрагмой «ССTV Фокус»

Некоторые производители для снижения производственных затрат начали использовать двухпроводные кабели для объективов с автодиафрагмой (красный – питание, белый – видео) с экранирующей оплеткой, которая используется в качестве общего провода.

Часто встречаются объективы с четырьмя кабелями, где четвертый провод – зеленый. В большинстве случаев этот провод не используется, но в некоторых объективах он обеспечивает дистанционное управление диафрагмой, известное как сервоуправление. В этом случае диафрагма открывается и закрывается напряжением с пульта управления (контролируемого оператором), примерно также, как управляются трансфокатор и фокусировка.

Последний тип объективов предпочтителен для систем с телекамерами с электронным затвором.

Причина состоит в том, что электронный затвор и автодиафрагма вместе работают не очень хорошо. Если включены обе функции, то электронный затвор отрабатывает быстрее и к тому времени, когда механическая автодиафрагма отреагирует на изменение света, электронный затвор уже уменьшит время накопления заряда, вынуждая автодиафрагму больше раскрыть отверстие. В конце концов мы получим слишком большое отверстие диафрагмы и очень короткую электронную выдержку. В результате мы получим выходной сигнал размахом 1 Vpp такой же, как и ожидалось, но глубина резкости будет минимальной, а вертикальный ореол более заметным – из-за слишком кратковременного экспонирования ПЗС-матрицы.