Жизнь через объектив-2. Длиннофокусные объективы и их особенности

Продолжая начатый в предыдущем номере журнала обзор, предлагаем более подробно рассмотреть основные характеристики длиннофокусных объективов, а также коснуться некоторых вопросов, связанных с особенностями их применения в системах видеонаблюдения (CCTV).
Длиннофокусные объективы предназначены для ведения наблюдения за далеко расположенными (удаленными) объектами в случаях, когда наблюдение с близкой дистанции не представляется возможным или с целью раннего обнаружения несанкционированных действий или нарушений в пределах контролируемой зоны. Такие объективы еще называют «телеобъективами».
В первую очередь следует напомнить о классификации объективов.
Угол зрения ТВ-камеры зависит от физических размеров ее фотоприемника и величины фокусного расстояния объектива. По величине угла зрения объективы бывают короткофокусными (широкоугольными), нормальными и длиннофокусными (узкоугольными).
К длиннофокусным относятся объективы, величина фокусного расстояния которых превышает величину диагонали фотоприемника (матрицы). Для наиболее распространенного формата матриц 1/3”, применяемого в ТВ-камерах охранного видеонаблюдения, величина диагонали равна 6 мм. Поэтому для таких камер все объективы с фокусным расстоянием больше 6 мм формально относятся к длиннофокусным.
Из длиннофокусных объективов следует выделить сверхдлиннофокусные, имеющие углы поля зрения менее 9 градусов. Например, для формата фотоприемника 1/3” к таким относятся объективы с фокусным расстоянием более 30 мм, а для формата 1/2” – более 40 мм.
Рассмотрение телеобъективов начнем с объективов с фиксированным фокусным расстоянием, которые чаще всего применяются в стационарных ТВ-камерах. В этом классе объективов своими уникальными характеристиками выделяются зеркально-линзовые. Главное достоинство этих объективов в отличие от линзовых – это отсутствие хроматических аберраций в силу принципиально отличающейся оптической схемы. С помощью таких объективов можно получать изображение фотографического качества, так как оптическое разрешение у них очень высокое. Главный недостаток - низкая светосила.
В случае использования телеобъектива с фиксированным фокусным расстоянием большой величины может понадобиться дополнительная обзорная камера с большим углом зрения для ее ориентации и увеличения площади наблюдения.
Чаще же всего в системах видеонаблюдения используют объективы с переменным фокусным расстоянием – трансфокаторы. Их можно разделить на несколько групп. Каждая группа выделяется прежде всего своим назначением, а также функциональными возможностями, диапазоном фокусных расстояний, весом и габаритными размерами.
1. Варифокалы 1/3”
10х – f(5–50)mm
20х – f(5–100)mm
Варифокальные объективы с диапазоном изменения фокусных расстояний от 5 до 50 (100) мм с автоматической диафрагмой. Группа объективов, которая чаще всего применяется в стационарных ТВ-камерах для решения большинства задач, стоящих перед системой видеонаблюдения. Позволяют выбрать оптимальный угол обзора ТВ-камеры при ее установке непосредственно на месте. Универсальность, относительно низкая стоимость, соизмеримая со стоимостью монофокальных объективов, компактность и простота настройки определяют высокую применяемость этой группы. Как правило, это объективы с форматом 1/3”.

2. Motor ZOOM
1/4”
f от 3 до 130 мм
10х – 36х
Малогабаритные трансфокаторы (как модульные, так и в корпусе) кратностью от 10 до 36 и диапазоном изменения фокусных расстояний от 3 до 130 мм. Чаще всего применяются в скоростных купольных поворотных камерах. Как правило, представляют собой интегрированное с ТВ-камерой законченное изделие, в котором имеется модуль для телеметрического управления режимами. Отличаются компактностью, малым форматом (1/4") и высокой скоростью масштабирования и фокусировки. Существуют модели со встроенной системой автофокусировки и режимом «день-ночь».

3. Motor ZOOM
1/3” и 1/2”
f от 5 до 300 мм
10х – 20х
Моторизованные трансфокаторы от 10 до 20 крат и диапазоном изменения фокусных расстояний примерно от 5 до 300 мм. Отличаются средними габаритами, относительно небольшим весом, диапазоном фокусных расстояний и, соответственно, стоимостью. Используются в ТВ-камерах с защитным кожухом и устанавливаются на отдельно приобретаемое поворотное устройство. При больших удалениях ТВ-камеры от поста наблюдения управляются посредством специального модуля телеметрического управления, при удалениях до 20 м – непосредственно с пульта. Оказывают относительно небольшую нагрузку на опорно-поворотный механизм.

4. Motor ZOOM
1/3” и 1/2”
f от 10 до 100 0мм
(с экстендером 2х)
f от 20 до 2000 мм
20х - 50х
Моторизованные трансфокаторы высокой кратности (от 20 до 50 крат и выше) с максимальным фокусным расстоянием (в положении TELE) от 300 до 1000 мм и более. Отличаются большим габаритом, весом и стоимостью. Для камер с такими объективами необходим защитный кожух большого объема и опорно-поворотный механизм с высокой нагрузочной способностью.
Для увеличения фокусного расстояние объективов (масштаба) до двух раз применяют экстендеры (оптические насадки) кратностью 1,5 или 2.
Кратность современных моделей трансфокаторов может достигать 30 и даже 50 крат. Однако увеличение кратности ведет к увеличению стоимости объектива и существенной потере светосилы при увеличении масштаба.
Трансфокаторы в большинстве случаев используются совместно с ТВ-камерами и поворотными устройствами – это позволяет вести наблюдение на территориях с большой площадью. При этом для автономной работы таких камер в автоматических режимах (патрулировании, слежении, работе по заранее установленным позициям и т. д.) возникает необходимость в наличии датчиков положения моторизованных электроприводов масштабирования и фокусировки. Практика показала, что эффективность управления такими камерами только оператором равна нулю. Поворотная ТВ-камера с трасфокатором в штатном режиме должна работать автономно по заданному оператором алгоритму в автоматическом режиме, реагировать на срабатывание датчиков тревог, оповещать охрану в случае несанкционированных действий. В случае тревожного события при необходимости оператор должен иметь возможность оперативно принять управление этой камерой.
Удаленное управление такими объективами и поворотными механизмами в большинстве случаев осуществляется посредством специальной телеметрической аппаратуры путем подачи команд выбранного протокола по двухпроводной линии. Такая аппаратура может быть интегрирована в само поворотное устройство. Наиболее распространенным интерфейсом, применяемым для телеметрического управления, является стандарт RS-485 с протоколом PELCO.
По способу управления диафрагмой существуют следующие объективы:
– без регулирования диафрагмы;
– с ручным механическим управлением диафрагмой;
– с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД);
– с моторизованным приводом диафрагмы.
В ряде случаев может возникнуть необходимость в установке заданного (или предварительно заданного) положения диафрагмы при удаленном управлении по команде оператора или во время автономного режима работы ТВ-камеры по программе. Режим работы диафрагмы, позволяющий осуществлять такое управление, называется OVER-RIDE. В этом случае работа привода узла диафрагмы осуществляется по датчику положения.
Особенности длиннофокусной оптики и ее отличия от нормальных (среднефокусных) объективов Как известно, светосила определяется отношением эффективного диаметра передней линзы объектива к величине фокусного расстояния. В нашем случае увеличение фокусного расстояния и светосилы приводит к значительному увеличению габаритных размеров и веса объектива со всеми вытекающими последствиями. К ним относятся увеличение габарита защитного кожуха, парусности, нагрузки на опорный и поворотный механизм. При увеличении фокусного расстояния объектива требования к жесткости и стабильности опоры, а также люфтам поворотного устройства существенно возрастают, что необходимо учитывать при проектировании или выборе опорных конструкций для установки ТВ-камеры с такой оптикой.
Следует учитывать тот факт, что производителем указывается максимальная величина относительного отверстия объектива, которая характеризует его светосилу при полностью открытой диафрагме на минимальном фокусном расстоянии. При увеличении фокусного расстояния светосила уменьшается. Величина изменения светосилы зависит от конструктивных особенностей конкретной модели трансфокатора, поэтому при его выборе предпочтение следует отдать объективу, у которого изменение светосилы при изменении фокусного расстояния меньше. Однако производителями оптики эта величина умалчивается, что приводит к необходимости ее определения самостоятельно.
Качество формируемого объективом изображения определяется его четкостью, которая, в свою очередь, описывается величиной контраста между самыми яркими и самыми темными участками в зависимости от величины таких участков (пространственной частоты). Характеристика, описывающая эту зависимость, называется частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ).
Для получения изображения максимального качества разрешение оптической системы должно соответствовать физическим размерам элементов разложения фотоприемника ТВ-камеры. Оптическое разрешение измеряется в линиях на миллиметр с помощью штриховых тестовых мир. Применительно к дискретной структуре фотоприемников, построенных на основе ПЗС-матриц, для получения максимально возможного разрешения изображения оптическое разрешение объектива, т. е. количество линий на мм, должно быть не менее величины, полученной при условии, что одной линии (штриху) и пробелу между штрихами соответствует 2 элемента разложения такого фотоприемника. Так, при оптическом разрешении объектива 100 линий на мм минимальный размер элемента разложения (пиксела) ПЗС-матрицы должен быть не более: 1мм : 100линий на мм : 2 = 0,005 мм = 5 мкм.
Например, размеры элемента разложения матриц высокого разрешения производства SONY при количестве таких элементов 752 х 582 и формате 1/3” составляют 6,5 х 6,25 мкм.
Способность оптической линзы собирать световое излучение не только в пределах угла зрения, но и от боковых источников приводит к снижению контраста формируемого изображения за счет паразитной «подсветки» его темных участков. При уменьшении углов зрения (увеличении фокусного расстояния) влияние паразитной боковой «подсветки» все более увеличивается.
Контраст изображения определяется разницей освещенности самого яркого и самого темного участков изображения, а подъем уровня черного и снижение уровня белого приводят к уменьшению этой разницы. Снижение контраста на больших фокусных расстояниях происходит за счет снижения общей яркости изображения, являющегося следствием уменьшения светосилы.
Для борьбы с паразитной боковой «подсветкой» и бликами следует применять бленды – раструбы со светопоглощающей внутренней поверхностью, которые крепятся к передней части объектива и заслоняют входной зрачок объектива от источников освещения, находящихся за пределами поля зрения ТВ-камеры.
Для каждой модели объектива приходится подбирать бленду индивидуальной формы из-за разницы в углах зрения и конструкции. Следует помнить, что бленда не является обязательным аксессуаром, в комплект объектива, как правило, не входит и заказывается при необходимости у поставщика оборудования отдельно.
Спектральная зависимость коэффициента преломления материала линз наиболее заметно проявляется в длиннофокусной оптике с малыми углами обзора и приводит к хроматическим аберрациям (искажениям), которые на изображении выглядят в виде цветных окантовок на границах контрастных участков. Четкость изображения при этом заметно снижается. Для борьбы с этим явлением применяются оптические элементы, изготовленные из низкодисперсионного стекла (с постоянным коэффициентом преломления в диапазоне видимого излучения), которые обозначаются индексом ED (Extra Low dispersion).
Применение асферических элементов в оптической схеме объектива (с индексом AS) позволяет повысить четкость на краю изображения и светосилу, уменьшить геометрические искажения и габаритные размеры.
Объектив с инфракрасной (IR) коррекцией способен работать не только в видимой, но и в ближней инфракрасной области спектра без дополнительной фокусировки. Такие объективы предназначены для монохромных ТВ-камеры и камер типа «день-ночь», способных работать в полной темноте с инфракрасной подсветкой.
Таким образом, качество изображения, формируемого в процессе оптоэлектронного преобразования с помощью ТВ-камеры и объектива, зависит от их совместной работы (совместимости).
Любой объектив представляет собой проекционную оптическую систему, основное назначение которой – проецирование изображения наблюдаемой зоны с минимальными искажениями на светочувствительную поверхность фотоприемника.
Важнейшими характеристиками оптической системы «Объектив – ТВ-камера» являются:
– оптический формат – это размер формируемого изображения или матрицы;
– фокусное расстояние определяет угол зрения ТВ-камеры;
– светосила определяет чувствительность ТВ-камеры;
– частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) описывает зависимость контраста формируемого изображения от пространственной частоты;
– спектральная характеристика оказывает влияние на цветопередачу и интегральную чувствительность ТВ-камеры;
– разрешающая способность определяет минимальный размер различимых по контрасту элементов изображения;
– вносимые геометрические искажения нарушают геометрическое подобие изображения наблюдаемого объекта.
Назначение ТВ-камеры и условия ее работы определяют приоритетные требования к той или иной характеристике объектива.
При телевизионном наблюдении с больших дистанций с применением объективов с фокусным расстоянием более 500 мм (1000 и 2000 мм) могут возникнуть проблемы, связанные с особенностями воздушной среды, ее движением (тепловые потоки, ветер), а также пылью, испарениями, туманом, осадками в виде дождя, града и снега. Поэтому при проектировании телевизионной системы видеонаблюдения следует учитывать эти природные факторы, которые способны многократно снизить ее обнаружительную способность.
В заключение отметим, что длиннофокусные объективы, и в частности трансфокаторы, относятся к дорогостоящему оборудованию высокой сложности, которое требует грамотного применения, а также проведения дополнительных технических мероприятий, направленных на максимальное использование возможностей такой оптики.
В следующих частях обзора будут рассмотрены особенности, связанные с управлением моторизованными трасфокаторами, а также современные системы позиционирования, которые позволяют значительно расширить функциональные возможности систем видеонаблюдения с применением таких оптических систем.

1/3-дюймовый длиннофокусный вариообъектив с АРД Smartec STL-5055DC
Варифокальный объектив STL-5055DC торговой марки Smartec имеет автоматическую регулировку диафрагмы и выделяется большим диапазоном фокусных расстояний. Он производится в Японии и предназначен для работы с 1/3-дюймовыми камерами видеонаблюдения, имеющими резьбу крепления типа CS. Фокусное расстояние STL-5055DC регулируется вручную в пределах от 5 до 55 мм, а относительное отверстие настраивается автоматически от F1,4 до F360 под управлением сигнала постоянного тока. Его горизонтальный угол обзора можно настроить в пределах от 4,8° до 51,3°.
В отличие от ряда аналогов этот вариообъектив обеспечивает образцовое качество изображения без геометрических и хроматических аберраций, поскольку в его конструкции применяются асферические линзы и оптические элементы из низкодисперсионного стекла. STL-5055DC весит не более 140 г и имеет небольшие для длиннофокусных моделей размеры 42 х 50 х 64 мм.

Computar TG10Z0513FCS (CBC, Япония)
Является одним из наиболее популярных объективов на рынке систем безопасности. Он имеет фокусное расстояние, изменяющееся в 10 раз (5–50 мм) и обеспечивает изменение угла обзора 57,6°~5,6° для камер с размером матрицы 1/3".

На сегодняшний день это самый компактный варифокальный объектив 10:1 из присутствующих на рынке CCTV. Максимальная апертура при F1.3 в сочетании с асферической оптикой обеспечивает объективу отличные характеристики при работе в условиях низкой освещенности. Блокировочные винты позволяют закрепить кольца настройки резкости и фокусного расстояния, что исключает их случайный сдвиг.
Объектив TG10Z0513FCS поставляется с кабелем длиной 9 или 31 см и смонтированным 4-штырьковым разъемом автодиафрагмы.

TVR1618DC (f=16–160 mm F/1.8-360 DC IRIS Vari-focal lens) (Tokina, Япония)
Длиннофокусный варифокальный объектив TVR1618DC с фокусным расстоянием 16–160 мм. Объектив совместим с матрицами формата 1/2, что позволяет устанавливать его на многие типы видеокамер.

TVR1618DC оптимально подходит для контроля движения транспорта на автотрассах, железнодорожных полотнах, территории заводов, портов и аэропортов. Так, при максимальном зумировании с видеокамерой формата 1/3 можно поместить в полный экран малолитражный автомобиль с расстояния до объекта в 56,7 м. Для устранения паразитных световых эффектов и увеличения коэффициента светопропускания в оптической системе применены технологии мультипросветления.
В свете тенденции популярности IP-видеокамер данный объектив имеет преимущества перед трансфокаторами, так как у некоторых IP-камер отсутствует механизм регулировки заднего фокуса, а к таким камерам подходят только варифокальные объективы. Объектив оснащен крепежной опорой для снижения нагрузки с посадочного кольца камеры.

YV3.3х15SA-SA2 (Fujinon, Япония)
Варифокальный мегапиксельный объектив с АРД, 1/3" – 1/4", f = 15–50 мм, F = 1,5, угол обзора (1/3", град:18,08 х 13,34; 5,35 х 4,12)( 1/4", град.: 13,34 x 10,10, CS, коэффициент увеличения – 3,3). Длиннофокусная мегапиксельная модель YV3.3х15SA-SA2 с фокусным расстоянием 15–50 мм обладает горизонтальным углом обзора от 5° до 18° (при 1/3") и обеспечивает наибольшее приближение к объекту наблюдения.

Мегапиксельные объективы рекомендуются для установки на IP-камеры, осуществляющие видеонаблюдение в больших по площади помещениях, в уличных условиях, а также на объектах с избыточной, недостаточной, неравномерной и переменной освещенностью.
В объективе используется линзы из низкодисперсионного стекла с высоким коэффициентом преломления, что снижает светопотери при прохождении лучей через объектив, и на матрицу мегапиксельной камеры в итоге попадает больше света. Такие оптические элементы имеют заметно меньшую толщину, поэтому мегапиксельный объектив имеет компактные размеры и небольшой вес, что позволяет устанавливать их даже в наиболее распространенные на рынке модели купольных кожухов.

Серия моторизованных 25-кратных трансфокаторов LMZ250, LMZ375 и LMZ750 (Kowa Company Ltd., Япония)
Применение низкодисперсионного стекла (ED) снижает хроматические аберрации и увеличивает четкость изображения. Технология 3-CAM DESIGN обеспечивает стабильность фокусировки и высокую надежность механических узлов при перепадах температуры.

Объективы этой серии выгодно отличаются высокой светосилой, низким светорассеянием, минимальными внутренними отражениями, отличным качеством изображения, японской надежностью и качеством, конкурентной стоимостью.
Оптический формат – ½ дюйма. Диапазон фокусных расстояний: LMZ250 – 10–250 мм; LMZ375 – 15–375 мм; LMZ750 – 30–750 мм.
Относительное отверстие (F-number): LMZ250 – 1,5; LMZ375 – 2,3; LMZ750 – 4,6.
Варианты исполнения и маркировка объективов: АРД типа Direct Drive AM-DC, AMP-DC (c датчиками положения); АРД типа Video Drive AM, AMP (c датчиками положения); моторизованная диафрагма; режим«Over-ride AM-OR, AMP-OR (c датчиками положения).

1/3” длиннофокусные вариообъективы Spacecom DRACO TV555M IR с РД
Длиннофокусные вариообъективы «день-ночь» с ручной диафрагмой выпускаются под японской торговой маркой Spacecom и совместимы с 1/3-дюймовыми телекамерами любых производителей. Они позволяют настраивать фокусное расстояние в диапазоне от 5 до 55 мм, имеют 11-кратное оптическое увеличение, максимально возможный угол горизонтального обзора 53 градуса, светосилу F1.4 и позволяют телекамере осуществлять качественное круглосуточное видеонаблюдение. TV555M IR оснащены фотохромными линзами, изготовленными из низкодисперсионного оптического стекла ED Glass (Extra-low Dispersion). Эти линзы уравнивают углы преломления волн разной длины и изменяют свое светопропускание в зависимости от освещенности в зоне видеонаблюдения без эффекта расфокусировки изображения.

Вариофокальные объективы 13VM20100AS/13VG20100AS (Tamron, Япония)
Вариофокальные объективы с фокусным расстоянием до 100 мм обеспечивают преимущество при захвате прецезионной цели, такой как номер автомобиля, на большом расстоянии. При применении в системах видеонаблюдения, к примеру, в городах объективы обеспечивают получение высокого качества изображения при слежении на больших дистанциях в самых различных вариантах применения. Благодаря уменьшению аберраций и использованию в объективах сферических элементов объективы стали более компактными.
Размер совместимой матрицы - 1/3, крепление - GS-type. Фокусное расстояние: 20-100 мм. Диапазон апертуры: - F/1.6-Close F/1.6-360. В объективах используются ручная (13VM20100AS) и DC (13VG20100AS) диафрагмы.