Объективы с фиксированным фокусным расстоянием

В системах видеонаблюдения используются два основных типа объективов (в отношении их фокусного расстояния): объективы с фиксированным и с переменным фокусным расстоянием (вариообъективы).

Объективы с фиксированным фокусным расстоянием, о чем говорит их название, имеют постоянное фокусное расстояние, т. е. дают только один угол обзора. Такие объективы обычно изготавливаются с минимальными аберрациями и максимальной разрешающей способностью и содержат минимальное количество подвижных оптических элементов – перемещается только фокусировочная группа.

Качество объективов зависит от многих факторов, самыми важными из которых являются используемые материалы (тип стекла, механические элементы, шестерни и пр.), технология изготовления и сама конструкция.

Когда производитель создает конкретный тип объектива, он всегда думает о том, как и где этот объектив будет использоваться. Качество проектируемого объектива определяется требованиями рынка и практики. Как уже упоминалось выше, когда мы обсуждали ФПМ и ЧКХ, нет никакой необходимости усиливать технические требования к точности и качеству (и соответственно увеличивать стоимость), если это не будет восприниматься фотоприемником (в нашем случае ПЗС‑матрицей). Однако это не означает, что все модели и версии объективов с одним и тем же фокусным расстоянием одинаковы. Обычно цена идет рука об руку с качеством.

Более двух десятков лет назад, когда широко использовались 1" телекамеры, 25‑мм объективы давали нормальный угол обзора (примерно 30° по горизонтали).

По мере эволюции форматов, то есть с их уменьшением, фокусное расстояние нормального угла обзора тоже уменьшалось. А резьба крепления оставалась такой же – в целях совместимости.

Для С‑крепления резьба обозначалась V‑32UN‑2A, что означает: диаметр резьбы 1 дюйм, шаг резьбы 32 нитки на дюйм. Когда же появился новый формат – CS – то старый тип резьбы был оставлен для совместимости, хотя расстояние от фланца объектива до фокальной плоскости изменилось. Но этот вопрос мы поясним позже в этой главе.

По типу диафрагмы выделяются две основные группы объективов с фиксированным фокусным расстоянием: диафрагмы с ручной установкой (Ml) и автоматические диафрагмы (Al), мы их рассматривали в предыдущем разделе.

И, наконец, давайте упомянем здесь группу объективов с переменным фокусным расстоянием – вариообъективы. Эти объективы следует относить к группе объективов с фиксированным фокусным расстоянием, так как, если они вручную настроены на конкретный угол обзора (фокусное расстояние), то приходится их заново фокусировать, в отличие, например, от вариообъективов с сервоуправлением, которые будучи единожды сфокусированы, остаются в фокусе даже при изменении угла обзора. (Едва ли можно согласиться с этим утверждением автора. Вариообьективы с ручным управлением позволяют изменять фокусное расстояние, и потому их нельзя отнести к объективам с фиксированным фокусным расстоянием. Это отдельная небольшая, но самостоятельная группа объективов. Прим. ред. )

Рис. З.40. Объектив с ручной диафрагмой и объектив с автодиафрагмой

Рис 3.41. Резьбовое отверстие С‑крепления

Вариообъективы

На заре телевидения, если кинооператору требовался объектив с другим фокусным расстоянием, он использовал специально спроектированный барабан, снабженный комплектом объективов с фиксированным расстоянием, который мог поворачиваться перед телекамерой. Выбирая соответствующий объектив из этой группы, можно было установить различное фокусное расстояние.

Эта концепция, на практике сравнимая с ручной переустановкой объектива, не обеспечивала непрерывность в выборе фокусного расстояния, и, что еще более важно, невозможно было избежать оптического затемнения, сопровождавшего процесс выбора нового объектива.

Вот почему инженеры вынуждены были задуматься о создании устройства, обеспечивающего непрерывное изменение фокусного расстояния, и такие устройства стали называться трансфокаторами (по‑английски ZOOM, что означает «взмывать», «набирать высоту», иначе – изменять масштаб изображения, увеличивать изображение. Прим. ред. ). Идея такого объектива заключается в одновременном перемещении нескольких групп линз. Траектория перемещения, конечно же, направлена вдоль оптической оси, но перемещение происходит с оптической точностью и нелинейной корреляцией. Из‑за этого не только оптическая, но и механическая конструкция такого объектива очень сложна и чувствительна. Однако такая конструкция была создана и, как мы знаем, трансфокаторы очень популярны и широко используются как в видеонаблюдении, так и в телевизионном вещании.

Две группы линз (вариатор и компенсатор) перемещаются относительно друг друга при помощи специального барабанного кулачка таким образом, что достигается эффект изменения масштаба изображения при сохранении сфокусированного изображения объекта. Можно себе представить, насколько важна механическая точность и долговечность движущихся частей для получения успешного результата при трансфокации.

Рис 3.42. Трансфокаторы

Многие фотографы‑профессионалы трансфокаторам предпочитают объективы с фиксированным фокусным расстоянием. В широком смысле они правы, так как подвижные части трансфокатора всегда должны иметь определенный разброс при их производстве, в результате чего вариообъектив дает больше аберраций, чем объектив с фиксированным фокусным расстоянием. Поэтому качество оптики при определенной настройке вариообъектива никогда не может быть столь же высоким, как у объектива с соответствующим фиксированным фокусным расстоянием.

Однако для видеонаблюдения, когда разрешающая способность ПЗС‑матрицы далека от разрешающей способности фотоаппарата, возможны компромиссы, и с неплохим результатом. Возможность непрерывного изменения углов обзора без физической смены объективов чрезвычайно полезна и практична.

Например, в случае, когда телекамеры смонтированы в определенных местах (например, на мачте или крыше здания), а требования к разрешающей способности не столь высоки, как для фотокамер.

Рис 3.43. Перемещение групп оптических элементов объектива с трансфокатором очень сложное и очень точное

Однако не стоит думать, что эволюция объективов с трансфокатором никогда не сможет приблизиться к качеству оптики объективов с фиксированным фокусным расстоянием.

Объективы с трансфокатором характеризуются кратностью (zoom ratio) или коэффициентом увеличения. Кратность равна отношению фокусного расстояния в режиме «теле» к фокусному расстоянию при настройке на самый широкий угол обзора. Обычно угол обзора в режиме «теле» уже, чем стандартный угол обзора, а в режиме широкоугольной съемки – он шире. Поскольку в режиме «теле» фокусное расстояние всегда больше, чем в широкоугольном режиме, то и кратность всегда больше единицы.

В видеонаблюдении наиболее популярны следующие типы трансфокаторов:

6х – шестикратное увеличение, наиболее часто используются фокусные расстояния: 6‑36 мм, 8‑48 мм, 8.5‑51 мм и 12.5‑75 мм.

10х – десятикратное увеличение, обычно 6‑60 мм, 8‑80 мм, 10‑100 мм, 11‑110 мм,16‑160 мм.

15х – пятнадцатикратное увеличение, 6‑90 мм, 8‑120 мм.

За последние 5‑10 лет миниатюрные поворотные купольные камеры стали очень популярными.

Большинство из них имеют встроенные вариообъективы с коэффициентом увеличения 12х, 16х или даже 18х. Обычно также присутствует и не менее чем шестикратное цифровое увеличение, что превращает эти миниатюрные купольные камеры в очень функциональные устройства. Конечно, цифровое увеличение не имеет ничего общего с оптическим, но в некоторых случаях оно поможет рассмотреть мелкие удаленные объекты. Такие купольные камеры имеют очень мощное оптическое увеличение и при этом остаются небольшими по размеру за счет использования ПЗС‑матриц 1/4" Например, диаметр обычного модуля поворотной купольной камеры составляет около 12 см. Чем меньше матрица, тем меньше размеры оптики. Это, помимо снижения затрат на производство, было основной причиной уменьшения размеров матриц. Впрочем, читателю нужно понимать, что при производстве вариообъективов для ПЗС‑матриц 1/4" требуется более высокая точность из‑за миниатюризации компонентов.

Встречаются и другие коэффициенты увеличения, такие как 20х или даже 44х и 55х, но такие объективы очень дороги и поэтому их используют реже (Следует ПОМНИТЬ, ЧТО трансфокаторы с большим увеличением достаточно трудно юстировать на объекте, особенно работнику охраны в случае нештатной ситуации. К этому надо добавить и особо жесткие требования к креплению телекамеры с подобным объективом, с тем, чтобы вибрации, производимые транспортом, или порывы ветра не сказывались на настройке. Прим. ред. ).

Вариообъективы также характеризуются относительным отверстием, F‑числом или Т‑числом. F‑число в вариообъективах (о чем мы уже напоминали, когда обсуждали F‑числа) относится к минимальному фокусному расстоянию. Например, для объектива 8‑80 мм/1.8 F/1.8 относится к фокусному расстоянию 8 мм. F‑число не постоянно в пределах изменения фокусного расстояния. Обычно при увеличении фокусного расстояния сначала оно остается постоянным, но после достижения некоторого значения фокусного расстояния, происходит ухудшение относительного отверстия (так называемый F‑drop). Фокусное расстояние, при котором происходит F‑drop, зависит от конструкции объектива. Но общее правило таково: чем меньше входная группа линз, тем сильнее проявляется F‑drop; это одна из главных причин того, почему объективы с большим увеличением должны иметь большие элементы передних групп – с целью свести на минимум F‑drop.

Вариообъективы, как и объективы с фиксированным фокусным расстоянием, могут иметь автоматическую диафрагму, диафрагму с ручной установкой или с сервоприводом. Хотя мы рассматривали автодиафрагмы в разделе, посвященном объективам с фиксированным фокусным расстоянием, но поскольку у диафрагм с сервоприводом имеются некоторые общие и некоторые индивидуальные особенности, то мы рассмотрим их здесь еще раз.

Вариообъективы с ручной установкой диафрагмы снабжены кольцом диафрагмы, настраиваемым вручную установщиком или пользователем. Такой тип объективов редко используется в видеонаблюдении, только в особых случаях – во время демонстрации или тестирования телекамер.

Вариообъективы с автоматической ирисовой диафрагмой , или автодиафрагмой (AI), используются наиболее часто. Такие объективы снабжены встроенной электронной схемой, работающей по принципу электронно‑оптической обратной связи. Она обычно подключается к разъему на задней стенке телекамеры, с которого поступает напряжение питания (9 В постоянного тока) и видеосигнал. Электроника объектива анализирует уровень видеосигнала и управляет диафрагмой: если видеосигнал превышает 0.7 В, диафрагма будет прикрываться до тех пор, пока уровень видеосигнала на разъеме автодиафрагмы не достигнет 0.7 вольт. Если же уровень сигнала слишком низок, то диафрагма раскрывается, пропуская больше света и увеличивая уровень видеосигнала.

Pиc. 3.44. Подсоединение автодиафрагмы вариообъектива к телекамере

Рис. 3.45. Вариообъектив с автодиафрагмой и регулировками Level и ALC

Этот тип объективов допускает две возможности регулировки (как и в случае объективов с фиксированным фокусным расстоянием): Level и ALC.

Level регулирует опорный уровень видеосигнала, используемый электронной схемой объектива для увеличения или уменьшения отверстия, создаваемого лепестками ирисовой диафрагмы. Это влияет на яркость изображения. Если уровень не настроен соответствующим образом, то есть неадекватно чувствителен к условиям дневной и слабой освещенности, то возникнет слишком большое расхождение между дневным и ночным видеосигналом. Понятно, что при настройке уровня диафрагмы для условий низкой освещенности нужно учитывать чувствительность телекамеры.

Настройка ALC связана с автоматической регулировкой освещенности. Фактически это очень похоже на компенсацию встречной засветки (BLC) в камкордерах. Компенсация освещенности обычно применяется для сцен с очень высоким контрастом. Идея, лежащая в основе BLC, заключается в том, чтобы больше раскрыть отверстие диафрагмы (даже если освещенность фона очень велика), чтобы стали видны детали объектов, находящихся на переднем плане.

Вот типичный пример: телекамера направлена в коридор (на заднем плане сильная подсветка), а мы пытаемся разглядеть лицо человека, идущего по направлению к телекамере. При нормальной настройке объектива лицо человека будет очень темным, так как свет заднего фона приведет к сужению отверстия диафрагмы. Но соответствующая ALC‑настройка поможет компенсировать эту ситуацию сложной освещенности. Яркий задний план в этом примере станет белым, но на переднем плане станут различимы детали. Установка ALC обычно настраивает опорный уровень относительно средних и пиковых значений видеосигнала. Поэтому на ALC‑регулировке объектива стоят отметки Peak и Average.

Стоит хорошо запомнить одну вещь: при настройке ALC нужно направлять телекамеру на зону с высокой контрастностью. Если сделать противоположное, то есть направить телекамеру на сцену с низкой контрастностью, с видеосигналом никаких заметных изменений не произойдет. Подстройка ALC в зоне с нормальной контрастностью может вызвать рассогласование, которое будет заметно только при изменении освещенности.

Все вышесказанное относится к большинству объективов с автодиафрагмой, которые управляются видеосигналом, поступающим на разъем автодиафрагмы, находящийся, как правило, на задней стенке телекамеры. Поэтому, а также потому, что существует и другая группа вариообъективов с автодиафрагмой – без управления видеосигналом от телекамеры, мы называем такой тип автодиафрагмы автодиафрагмой, управляемой видеосигналом (Video).

Рис. 3.46. Некоторые телекамеры могут управлять автодиафрагмой объективов обоего типа

Есть и другая подгруппа объективов – это вариообъективы с автодиафрагмой, управляемой сигналом постоянного тока (DC).

Такие объективы не имеют электронной схемы обработки видеосигнала, только микродвигатель, который раскрывает и закрывает отверстие диафрагмы. Вся обработка видеосигнала для таких объективов осуществляется в электронной схеме телекамеры. На выход этой схемы формируется постоянное напряжение, которое и раскрывает или закрывает лепестки диафрагмы в соответствии с уровнем видеосигнала в телекамере. Телекамеры с выходом DC, тоже снабжены регулировками Level и ALC, но они находятся на корпусе самой телекамеры, а не на объективе.

Следует подчеркнуть, что управляемые видеосигналом вариообъективы не могут использоваться с телекамерами, имеющими выход DC, а объективы DC не могут использоваться в телекамерах с видеовыходом на диафрагму. Некоторые телекамеры могут работать с обоими типами автодиафрагменных объективов, в этом случае имеется переключатель или отдельные клеммы для двух различных выходов. Следует обратить внимание на этот факт, иначе могут возникнуть трудноразрешимые проблемы. Другими словами, убедитесь в том, что типы функционирования автодиафрагмы у телекамеры и объектива совпадают.

Преимущество вариообъективов, управляемых видеосигналом, заключается в том, что они работают с большинством телекамер. Преимущество вариообъективов, управляемых сигналом постоянного током, в том, что они дешевле и не подвержены эффекту «рысканья» при изменении усиления.

Недостаток – не все телекамеры имеют выход DC. На сегодняшний день чаще используются объективы, управляемые видеосигналом (В настоящее время картина изменилась – изготовители телекамер в борьбе за место на рынке стараются вводить как можно больше опций, так что телекамер с возможностью управления объективами обоих типов сейчас большинство. Прим. ред. ).

Вариообъективы с сервоуправлением диафрагмой принадлежат к третьей подгруппе объективов, если рассматривать их с точки зрения функционирования диафрагмы. Механизм диафрагмы может контролироваться дистанционно и устанавливаться оператором в зависимости от условий освещенности. Такой тип объективов стал весьма популярным за последние несколько лет, особенно с развитием телекамер с электронным затвором.

Вместо электронной схемы, управляющей лепестками диафрагмы, для их управления используется постоянное напряжение, подаваемое блоком управления поворотным устройством и диафрагмой (PTZ), который контролирует степень раскрытия диафрагменного отверстия. Про PTZ мы расскажем позже, но в нескольких словах – это электронные блоки (Приемники телеуправления. Прим. ред. ), которые способны получать кодированные цифровые данные для управления поворотным устройством и функциями вариообъектива, а затем преобразовывать эти данные в напряжение, которое и управляет поворотным устройством. В случае объектива с сервоуправлением PTZ‑блок должен иметь также выход для управления диафрагмой.

Если телекамера имеет электронный затвор, то лучше использовать именно его, а не автоматическое управление диафрагмой. То есть, электронный затвор – это наиболее быстрая и надежно управляющая в зависимости от освещенности часть телекамеры, но она не управляет глубиной резкости, достигаемой при высоких значениях F‑числа диафрагмы. Оптическая диафрагма и электронный затвор (который по аналогии называют электронной диафрагмой – electronic iris. Прим. ред. ) не могут работать нормально одновременно. Телекамера обычно срабатывает к низким значениям F‑числа (сильное раскрытие отверстия диафрагмы), что дает очень малую глубину резкости и высокую скорость электронного затвора, а это приводит к менее эффективному накоплению заряда, то есть дает большую размытость. Особенно это заметно, если такая система телекамера/объектив направлена на высококонтрастную сцену. Чтобы избежать низкого качества изображения и все же воспользоваться преимуществами быстрой и надежной работы электронного затвора, и более того, получить хорошую глубину резкости, используют объективы с диафрагмой с сервоуправлением. Конечно, она требует вмешательства оператора, но только тогда, когда этого требует изображение, так как электронный затвор работает непрерывно, компенсируя резкие изменения освещенности.

Заказывая вариообъективы, вы должны указать, нужен ли вам объектив с сервоуправлением диафрагмой, потому что производитель может поставить вам стандартный вариообъектив с управлением автодиафрагмы видеосигналом, так как они чаще используются.

И, наконец, еще раздавайте поговорим о вариообъективах с ручным управлением. Вариообъективы с ручным управлением и вариообъективы с сервоуправлением – это не одно и то же, функционируют они по‑разному. Вариообъективы следует отнести к группе объективов с фиксированным фокусным расстоянием (см. замечание по этому поводу. Прим. ред. ). Они удобны в тех случаях, когда потребитель не знает, какой угол обзора ему понадобится, но всегда может вручную настроить объектив на другой угол обзора (изменением фокусного расстояния).

Предупреждение: критично относитесь к оптическому качеству вариообъективов с ручным управлением. По сравнению с объективами с фиксированным фокусным расстоянием у вариообъективов труднее обеспечить такое же оптическое разрешение из‑за наличия подвижных частей. Конечно, бывают ситуации, когда качества вариообъектива с ручным управлением достаточно, но лучше всего судить по результатам испытаний.