Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Путь света. Асферические объективы

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Лабораторное исследование
Путь света.
Асферические объективы

Линза объектива видеокамеры – та точка, откуда изображение начинает свой путь по системе видеонаблюдения. Неудивительно, что линзу объектива многие рассматривают как фундаментальную основу любой системы CCTV. Эксперты компании Tavcom Training провели тестирование продукции нескольких фирм-производителей асферических объективов, о результатах которого и пойдет речь…

Свет обладает двумя основными характеристиками. Это:

  • сила, или интенсивность, которая в большинстве стран измеряется в люксах (хотя в США, например, до сих пор измеряют силу света в свечах);
  • цвет, или длина волны, которая измеряется в нанометрах (1 нм = 10-9 м, или одна миллиардная часть метра).

Длина волны, однако, представляет собой лишь одну из характеристик светового излучения, в число которых также входят частота и скорость. Ниже даны определения этих характеристик и отношений, в которых они находятся:

  • скорость измеряется в метрах в секунду (м/с) в заданном направлении;
  • длина волны – это расстояние от одного пика волны до другого, измеренное в метрах;
  • частота – количество колебаний за период времени, измеряется в герцах (Гц);
  • скорость равна частоте, помноженной на длину волны.

Для красного света характерными являются следующие показатели:

  • скорость: 2,98x108 м/с;
  • частота: 4,03x1014 Гц;
  • длина волны: 740x10-9 м.

Для голубого света:

  • скорость: 2,98x108 м/с;
  • частота: 7,5x1014 Гц;
  • длина волны: 400x10-9 м.

Скорость света меняется, когда он попадает из одной среды в другую, то есть из воздуха в стекло или из стекла в воздушную среду. Если частота света остается постоянной, то скорость меняется в зависимости от длины волны.

С наибольшей скоростью свет движется в вакууме, несколько медленнее в воздухе и с еще меньшей скоростью в стекле. Таким образом, когда свет попадает из воздуха в стекло, частота остается постоянной, в то время как падает скорость и уменьшается длина волны. Скорость движения красного света в стеклянной среде выше, чем голубого. Проходя через призму, голубой свет искривляется сильнее, чем красный, поэтому, когда мы смотрим на радугу, мы всегда видим голубую полосу внутри радуги, а красную снаружи.

Угол искривления света зависит от коэффициента преломления среды, который выражается следующим образом:

где n – относительный коэффициент преломления, который зависит от длины волны; i – угол падения; r – угол преломления (рис. 1). Приведем пример. Пусть коэффициент преломления n будет равен 1,62 при длине волны 700 нм (частота в этом случае будет составлять 4,3x1014 Гц) и 1,66 при длине волны 400 нм (7,5 x1014 Гц). Если угол падения равен 60°, то углы преломления могут быть вычислены следующим образом:

Отсюда:

для красного света;

для синего.

Это углы к нормали, то есть к линии, перпендикулярной поверхности.

Так как фокус синего света оказывается ближе к линзе, чем фокус красного, то появляется эффект "смазывания", который называется хроматической аберрацией (искажением). Эту проблему можно решить с помощью цветокорректирующих линз, имеющих покрытие из нескольких слоев с разными коэффициентами преломления.

Сферические линзы

Сферические линзы были первым и долгое время единственным известным типом линз. Они представляют собой сегмент шара (часть шара, отрезанную плоскостью), и до тех пор, пока используется главным образом центральная часть линзы, показывают вполне удовлетворительные характеристики. Однако когда требуется максимально увеличить светосилу, используя всю поверхность линзы, свет, попавший на края линзы, фокусируется не в той точке, где собирается свет, прошедший через центр. Этот эффект назван сферической аберрацией (рис. 2).

Асферические линзы

Современные технологии позволяют создавать линзы сложной формы, компенсирующие аберрации. Благодаря этому становится возможным использовать большую часть площади линзы. Эти линзы называются асферическими, так как имеют отличный от сферического профиль. При их использовании прирост количества света, попадающего на матрицу видеокамеры, может составлять до 50% в сравнении со сферическими линзами. Проще говоря, это означает, что производитель может, сохранив разрешающую способность камеры, применить для создания объектива линзу меньших размеров.

Цель нашего исследования

Целью проведенного тестирования было определить, насколько соответствуют действительности заявления производителей о свойствах объективов с асферическими линзами. Насколько большей светосилой они обладают, то есть насколько больше пропускают света, чем традиционные сферические линзы? Насколько слаба дисторсия (еще один вид аберраций) асферических объективов? С помощью черно-белой камеры было также проверено, не меняется ли положение фокуса при смене видимого света инфракрасным – ведь многие производители заявляют, что эта проблема ими решена.

При тестировании использовалось следующее оборудование:

  • цветная камера;
  • черно-белая ИК-камера;
  • цветной монитор;
  • черно-белый монитор;
  • осциллограф;
  • ИК-фильтр частоты;
  • 7 нейтральных фильтров, каждый из которых снижает силу света на 75%;
  • контрольный образец объектива с ирисовой диафрагмой;
  • люксметр;
  • цветная испытательная таблица.

То, какова была чувствительность использованных камер, не имело значения, поскольку все объективы тестировались с помощью одних и тех же видеокамер.

Подготовка к тесту

Все тесты проводились с использованием света тщательно контролируемого спектра, сила света постоянно отслеживалась с помощью люксметра. Отобранные для теста объективы мы устанавливали на цветную камеру, затем производилась необходимая подгонка и регулировка с целью убедиться в удовлетвори тельной работе готового к тестированию устройства. Мы измерили фоновый свет, который оказался равен 70 лк. На осциллографе был зарегистрирован полный видеосигнал 100 IRE (0,7 В), размах сигнала составлял 1 В. Был измерен сигнал, создаваемый видимой частью спектра. Он составил 31 IRE.

В реальных условиях четкость изображения высокочувствительных камер не меняется при переходе на ИК-спектр. При определении заднего фокусного расстояния камеры с высокой чувствительностью к ИК-излучению необходимо использовать И К-фильтр, чтобы блокировать эту часть спектра на время настройки.

Условия теста

Поскольку уровень освещенности и настройки камеры были одинаковы для всех тестируемых объективов, все изменения видеосигнала на экране осциллографа отображали способность объектива пропускать свет. Мы установили контрольный объектив и закрыли диафрагму от света. В результате диафрагма объектива раскрылась на максимальную величину и, заглядывая в объектив со стороны камеры, можно было видеть движение диафрагмы. Установив таким образом контрольный объектив, мы смогли измерить время раскрытия и закрытия диафрагмы. Тест показал, что большинство диафрагм дольше открываются, чем закрываются, при этом ни один из проходивших тестирование объективов не обладал диафрагмой обычного ирисового типа (рис. 3).

Диафрагмы всех этих объективов состояли из двух створок – пластин, сдвигавшихся навстречу друг другу (рис. 4).

Многие диафрагмы имели посередине края створки треугольный вырез, заполненный материалом с нейтральными оптическими характеристиками (рис. 5).

Смещение фокуса

Наш следующий тест должен был показать, не изменяется ли фокусное расстояние объектива при переходе от видимого света к свету ИК-спектра. Мы закрепили наш контрольный объектив со стандартными характеристиками в черно-белой камере и открыли диафрагму на максимальную ширину. Используя ИК-фильтр и нейтральные фильтры, чтобы гарантировать воздействие на объектив только видимого света и достичь удовлетворительного уровня выходного сигнала, мы сфокусировали объектив для получения предельно четкой картинки.

Затем мы убрали ИК-фильтр и установили семь нейтральных фильтров, чтобы свести к нулю воздействие на объектив видимого света, после чего снова проверили положение фокуса.

Процедура была применена ко всем проходившим тестирование объективам. Единственная разница между ними и контрольным объективом была в том, что все они обладали автоматической диафрагмой, так что приходилось использовать нейтральный фильтр, чтобы убедиться, что диафрагма широко открыта.

Выводы

Наше тестирование показало, что в целом объективы с асферическими линзами вполне соответствуют тому, что говорят о них производители. Используется ли асферическая технология с целью миниатюризации купольных систем или же с целью увеличить чувствительность обычных камер наблюдения, успех производителей бесспорен. В частности, способность многих объективов к фокусированию в ИК-диапазоне нас просто поразила.

Вышеприведенные результаты исследования выявили сильную зависимость между значениями относительного отверстия и выходного видеосигнала. Например, объектив Computar с фокусным расстоянием 8 мм и относительным отверстием 0,8 дал напряжение видеосигнала 46 IRE, что более чем вдвое превосходит результат, показанный объективом Rainbow с относительным отверстием 1,6, который дал всего 20 IRE при тождестве остальных условий.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #5, 2004
Посещений: 8541

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций