Основные характеристики объективов используемых в системах видеонаблюдения

Объективы представляют собой оптические конструкции, предназначенные для создания действительного оптического изображения на светочувствительном сенсоре - когда после всех отражений и преломлений лучи, вышедшие из одной точки предмета, собираются в одну точку на элементе светочувствительной матрицы. Чтобы скорректировать различные искажения (аберрации), вызванные рядом физических факторов, связанных непосредственно с природой распространения света, и принципом преломления света, приходится объединять различные типы линз в объективе. 

Каждая составляющая объектив линза имеет следующие характеристики:

• Оптическая плоскость - плоскость, проходящая через центр линзы;
• Оптическая ось - ось, перпендикулярная оптической плоскости и проходящая через ее центр;
• Фокус - точка пересечения лучей, падающих параллельно оптической оси;
• Фокусное расстояние - расстояние между оптической плоскостью и фокусом (приближенно);
• Диоптрии - величина, обратная фокусному расстоянию.

Рисунок – Проекции изображений объектов, находящихся на различных расстояниях

Для понимания принципа фокусировки объектива стоит обратить внимание на изображения объектов, находящихся на различном расстоянии. Фокусировка линзы достигается за счет изменения расстояния между линзой и плоскостью изображения, где расположена светочувствительная матрица. 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. 

Основные характеристики объективов:

• Фокусное расстояние (и возможность его изменения – фиксированное/изменяемое/автоматически подстраиваемое)
• Угол поля зрения объектива;
• Светосила — величина, характеризующая степень ослабления объективом светового потока, иногда светосилой неправильно называют величину знаменателя относительного отверстия (диафрагменное число), так как светосила — характеристика всей конструкции объектива в целом, и зависит не только от величины диафрагмы;
• Максимальное относительное отверстие - отношение диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию;
• Уровень и характер оптических искажений (аберраций);
• Разрешающая способность;
• Тип и диаметр резьбы для крепления к камере (M12/C-CS).

С повышением разрешающей способности телекамер и с миниатюризацией светочувствительных матриц мы все ближе подходим к пределу разрешающей способности, определяемому оптикой. Оптическая разрешающая способность объектива связана со способностью воспроизводить мелкие детали, и во многом зависит от точности шлифовки и полировки поверхностей асферических линз, которые позволяют получать более точную фокусировку изображения и исключать сферические искажения. Оптическая разрешающая способность также зависит от диафрагменного числа объектива, то есть чем больше диафрагменное число или диаметр входного зрачка объектива при тех же условиях, тем большей оптической разрешающей способностью обладает объектив. 

Рисунок – Демонстрация хода лучей в сферической и асферической линзах

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. 

Рисунок – Демонстрация глубины резкости

Рисунок – Демонстрация хода лучей

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

Объективы с автодиафрагмой 
Автоматическое регулирование открытия диафрагмы для управления количеством светового потока, попадающего на матрицу. Широко используется в системах видеонаблюдения, особенно в уличных видеокамерах и видеокамерах стандартного исполнения. Диафрагма управляет количеством света попадающего на матрицу камеры. В случае если диафрагменное число мало, то на матрицу попадает большое количество света, что особенно важно для получения качественного изображения при слабом освещении. Если же величина диафрагменного числа большая, то количество света, попадающее на матрицу, уменьшается, что помогает предотвратить засвеченный кадр. Автоматическое управление диафрагмой позволяет светочувствительной матрице работать в штатном динамическом диапазоне, обеспечивая безупречную передачу полутонов и отличное качество картинки. 

Углы обзора объективов 
Объективы с различным фокусным расстоянием обеспечивают различные углы обзора. Угол обзора камеры также зависит от размера светочувствительного сенсора. Ниже представлена таблица с примерными углами обзора для различных размеров матриц и различных фокусных расстояний объективов. 

Варифокальные объективы 
Объективы с изменяемым фокусным расстоянием являются удобным решением и широко используются в тех случаях, когда нет возможности рассчитать требуемый угол обзора камеры заранее, при необходимости непосредственной подстройки угла обзора на месте. Варифокальные объективы зачастую также являются чуть более светосильными по сравнению со своими фиксированными аналогами. 

Рисунок – Варифокальный объектив с АРД