Obiektywy CCTV
Obiektyw jest urządzeniem optycznym służącym do projekcji obrazu z obserwowanej sceny na powierzchnię światłoczułą przetwornika obrazu. Jest to jeden z najważniejszych elementów kamery. Od jego parametrów zależy jakość otrzymywanego obrazu.
Obiektyw CCTV
1. Parametry obiektywów
Ogniskowa obiektywu jest odległością od środka optycznego obiektywu, w jakiej powstaje obraz obiektu znajdującego się w nieskończoności. Ogniskowa obiektywu jest podawana zwykle w milimetrach. Wartość ogniskowej określa (dla danego przetwornika CCD) kąt widzenia obiektywu. Zależność między ogniskową i kątem widzenia jest odwrotnie proporcjonalne.
Przysłona to mechanizm regulacji otworu względnego (apertury) zmieniający ilość światła przechodzącego przez obiektyw. Wartość przysłony obiektywu określa wprowadzane przez obiektyw zmniejszenie natężenia światła na powierzchni przetwornika obrazowego. Natężenie światła padającego na przetwornik jest proporcjonalne do stosunku powierzchni otworu przysłony do powierzchni rzutowanego obrazu.
Z techniki fotograficznej przyjęto sposób określania przysłony w skali F (liczba aperturowa). Skala ta jest tworzona przez szereg liczb określających stosunek efektywnej średnicy otworu przysłony do ogniskowej, gdy natężenie światła padającego na przetwornik dla sąsiednich liczb szeregu pozostaje w stałym stosunku 1:2 lub 2:1 w zależności od kierunku zmiany na skali F. Na szereg F składają się liczby 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32; 45; 64; 90; 128; 256 itd. Im wyższa liczba w skali F, tym mniej światła przepuszcza obiektyw. Dla każdego obiektywu są podawane dwie liczby określające największy otwór (najczęściej F 1,2 do 1,8) i najmniejszy otwór przysłony (nawet do F 360). Czasami zamiast drugiej wartości jest stosowane określenie "closed" oznaczające, że otwór przysłony można zmniejszyć do zera. Obiektyw w takim stanie w ogóle nie przepuszcza światła (jest zamknięty), zaś liczba według skali F rośnie w takim przypadku do nieskończoności.
| F | Przepuszczane światło |
| 1,0 | 100% |
| 1,4 | 50% |
| 2,0 | 25% |
| 2,8 | 12,5% |
| 4,0 | 6,25% |
| 5,6 | 3,13% |
| 8,0 | 1,6% |
| 16 | 0,8% |
| 32 | 0,4% |
Niektórzy producenci posługują się czasami skalą T (liczba transmisyjne obiektywu) w celu określenia rzeczywistej zdolności przepuszczania światła przez obiektyw. O ile dwa obiektywy różnych producentów mogą przy tej samej przysłonie według skali F dawać różne jasności obrazu, to obiektywy o jednakowym T zawsze dają taką samą jasność. Skala ta bowiem uwzględnia wpływ wielu czynników na jasność otrzymywanego obrazu, w tym np. wpływ gatunku szkła na przepuszczanie światła. Chociaż skala T zapewnia bezwzględną ocenę jakości obiektywu, to jednak nie jest zbyt popularna.
Głębia ostrości jest zakresem odległości od obiektywu, w którym obraz obserwowanych obiektów jest ostry. Głębię ostrości określa wiele czynników. Jednakże można stwierdzić, iż rośnie ona wraz ze wzrostem wartości F (a zatem zmniejszaniem się otworu przysłony obiektywu). Na ogół również głębia ostrości obiektywów o małej ogniskowej jest większa niż obiektywów o dużej ogniskowej.
W praktyce dąży się do uzyskania głębi ostrości "do nieskończoności". Oznacza to, że wszystkie obiekty znajdujące się dalej niż określona odległość minimalna są widziane ostro. Przy dużej głębi ostrości obraz obserwowanego przedmiotu jest ostry w szerokim zakresie zmian położenia pokrętła ostrości w obiektywie. W obiektywach z automatyczną przysłoną głębia ostrości zmienia się wraz ze zmianą przysłony. Może to doprowadzić do utraty ostrości przy mniejszym oświetleniu, bowiem wówczas następuje zwiększanie otworu przysłony i wynikające stąd zmniejszenie głębi ostrości. Chcąc uzyskać dużą głębię ostrości dobrze należy dobrze oświetlać obserwowane obiekty.
Rozmiar obiektywu decyduje o wielkości obrazu wytwarzanego przez obiektyw. Określa się go, podobnie jak format przetwornika obrazowego, w calach. W praktyce zamiast rzeczywistej średnicy określa się format największego przetwornika, z którym dany obiektyw może współpracować. Oczywiście obiektywy o większym formacie mogą współpracować z mniejszymi przetwornikami. Takie rozwiązanie jest nawet korzystne ze względu na mniejsze zniekształcenia optyczne obrazu powodowane niedoskonałością optyki. Z reguły bowiem zniekształcenia takie rosną wraz z oddalaniem się od środka obrazu.
Obecnie stosuje się mocowania obiektywu typu CS i C. Należy jednak podkreślić, iż w obu typach mocowania gwint obiektywu jest jednakowy. W nowoczesnych kamerach stosuje się najczęściej mocowanie typu CS, przy którym odległość podstawy obiektywu od przetwornika wynosi 12,5mm. W przypadku obiektywów z mocowaniem typu C odległość między podstawą obiektywu a przetwornikiem wynosi 17,526mm. Należy zatem pamiętać, że obiektywy z mocowaniem typu C mogą być stosowane do kamer z mocowaniem typu CS pod warunkiem zastosowania pierścienia dystansowego grubości 5mm. Odwrotnie stosować obiektywów jednak nie można, bowiem nie jest możliwe głębsze wkręcenie obiektywu CS do kamery z mocowaniem C.
2. Rodzaje obiektywów
Obiektywy można generalnie podzielić według następujących kryteriów:
- kąt widzenia (szerokokątne, standardowe i wąskokątne),
- rodzaj przysłony (bez przysłony, z przysłoną ręczną i z przysłoną automatyczną),
- rodzaj ogniskowej (stała, zmieniana ręcznie i zmieniana zdalnie).
Przy zastosowaniu w kamerze określonego typu przetwornika kąt widzenia kamery będzie zależał oczywiście od ogniskowej obiektywu. Zasadą jest, że kąt widzenia kamery maleje wraz ze wzrostem ogniskowej.
Kąt widzenia
Ponieważ kąt widzenia 30 stopni w płaszczyźnie poziomej odpowiada w przybliżeniu kątowi widzenia oka ludzkiego, stąd też jest on nazywany kątem naturalnym (standardowym). Taki kąt widzenia osiąga się przy ogniskowej obiektywu równej formatowi przetwornika kamery. I tak dla przetwornika 1/3" obiektyw zapewniający naturalny kąt widzenia powinien mieć ogniskową 8mm. Obiektywy o ogniskowych znacznie mniejszych od formatu zastosowanego w kamerze przetwornika są uważane za szerokokątne. Obiektywy o ogniskowych znacznie większych od formatu przetwornika są uważane za wąskokątne. Obiektywy o bardzo małym kątach widzenia są nazywane teleobiektywami.
Rodzaj przysłony
Najtańsze obiektywy przeznaczone do pracy z kamerami wyposażonymi w układ elektronicznej migawki czasami nie mają wbudowanej przysłony (no iris). Oznacza to oczywiście, że w takim obiektywie nie ma możliwości regulacji otworu przysłony.
Przysłona obiektywu może być regulowana ręcznie (manual iris) lub też automatycznie (auto iris) dostosowywać się do zmiennych warunków oświetlenia. Obiektywy z ręcznie regulowaną przysłoną należy stosować w pomieszczeniach zamkniętych, gdzie warunki oświetlenia są względnie stałe. Regulacja polega na jednorazowym ustawieniu pierścienia lub dźwigni przysłony. Obiektywy z automatyczną przysłoną należy stosować wszędzie tam, gdzie zakres zmian oświetlenia jest bardzo duży. Takie warunki występują na zewnątrz, gdzie kamera musi pracować zarówno w letni słoneczny dzień, jak też i w nocy przy słabym sztucznym oświetleniu.
Obecnie produkuje się dwie wersje obiektywów z przysłoną automatyczną. Pierwszą stanowią obiektywy sterowane sygnałem wizyjnym VIDEO. Obiektywy takie mają wbudowane układy detekcji poziomu sygnału wizyjnego, które wypracowują sygnał sterujący mechanizmem regulacji przysłony. Obiektywy sterowane prądem stałym DC zawierają jedynie układ sterujący przysłoną. Sygnał potrzebny do sterowania przysłona jest wypracowywany w kamerze. Obiektywy DC są tańsze, lecz można je stosować tylko do odpowiednich kamer, coraz popularniejszych na rynku.
Obiektywy sterowane sygnałem wizyjnym mają z reguły dwa elementy regulacyjne. Potencjometr opisywany jako LEVEL służy do regulacji poziomu jasności , który powinien być automatycznie utrzymywany przez obiektyw. Przy stałym poziomie oświetlenia zmiana położenia potencjometru LEVEL w kierunku HIGH powoduje zwiększenie otworu przysłony i rozjaśnienie obrazu. Zmiana w kierunku LOW powoduje zmniejszenie otworu przysłony. Potencjometr ALC służy do zmiany szybkości reakcji układów automatyki jasności na zmiany oświetlenia. Regulacja w kierunku PEAK powoduje zwiększenie szybkości reakcji układów automatyki na zmiany oświetlenia. Regulacja w kierunku AVERAGE powoduje zmniejszenie szybkości reakcji. Niektóre obiektywy są wyposażone w jeszcze potencjometr GAIN służący do regulacji wzmocnienia sygnału sprzężenia zwrotnego w układzie kamera - obiektyw. Za pomocą tego potencjometru można zmniejszać wzmocnienie w przypadku występowania oscylacji przysłony przy wysokim poziomie oświetlenia. Oscylacje takie mogą się pojawiać w przypadku rownoczesnej pracy elektronicznej migawki i automatycznej przysłony.
Kamery przystosowane do współpracy z obiektywami sterowanymi prądem stałym DC są wyposażane w potencjometry LEVEL i ALC spełniającymi analogiczne funkcje, jak w przypadku obiektywów sterowanych sygnałem wizyjnym. Tańsze kamery przystosowane do współpracy z obiektywami DC mogą zawierać tylko jedną z tych regulacji.
Nowoczesne kamery mają często wbudowany układ elektronicznej migawki (automatic electronic shutter ) zapewniający stałą jasność obrazu w szerokim zakresie zmian oświetlenia. Dzięki temu mogą one współpracować z obiektywami z ręcznie regulowaną przysłoną. Jednak takie rozwiązanie może spowodować pewne problemy z głębią ostrości. Należy pamiętać bowiem, że ustawienie dużego otworu przysłony w słabych warunkach oświetlenia obserwowanych obiektów zmniejsza głębię ostrości. Jeżeli jednak poziom natężenia światła znacznie wzrośnie, to głębia ostrości nadal będzie mała.
Rodzaj ogniskowej
W ściśle określonych i niezmiennych w czasie warunkach pracy stosuje się - ze względów ekonomicznych - obiektywy ze stałą ogniskową. Znając format przetwornika, odległość od obserwowanego przedmiotu oraz jego rozmiary można określić ogniskową obiektywu z następującej zależności:
h/H=f/L
gdzie:
f - ogniskowa obiektywu,
L - odległość do obiektu,
H - wysokość obiektu,
h - wysokość przetwornika CCD.
Przy czym wysokości przetwornika CCD kształtują się następująco:
przetwornik 1” - wysokość 9,525mm, 2/3” - 6,6mm, 1/2” - 4,8mm, 1/3“ - 3,6mm.
Analogiczne obliczenia można przeprowadzić dla szerokości obiektu i szerokości przetwornika CCD.
2. Dobór obiektywu
W praktyce doboru obiektywu dokonuje się za pomocą specjalnych kalkulatorów, gotowych wykresów lub specjalnej lunetki pomiarowej zwanej "view finder". Kalkulatory są budowane z dwóch współosiowych kół, gdzie po wybraniu odległości do obiektu i wielkości obiektu oraz formatu przetwornika można odczytać wartość wymaganej ogniskowej. Podobnie dobór ogniskowej na podstawie wykresów sprowadza się do odczytania wartości ogniskowej w zależności od szerokości lub wysokości obserwowanego obiektu, odległości od obiektu oraz od formatu przetwornika.
Gdy wielkość obserwowanej sceny zmienia się lub też nie możemy na początku pracy systemu dokładnie określić na obserwacji czego nam najbardziej zależy, wskazane jest zastosowanie obiektywu ze zmienną ogniskową (zoom). I chociaż obiektywy takie są droższe od obiektywów ze stałą ogniskową, to umożliwiają optymalny dobór pola widzenia kamery dzięki płynnie zmienianej ogniskowej. Ponadto takie rozwiązanie umożliwia - po pewnym czasie działania systemu - zmianę (zawężenie lub poszerzenie) pola obserwacji.
W obiektywach z ogniskową zmienianą zdalnie (motor zoom) proces jest realizowany za pomocą pulpitu sterowniczego i specjalnego mechanizmu wbudowanego w obiektyw. Obiektywy tego typu są wyposażone w mechanizmy regulacji ogniskowej i ostrości. Takie rozwiązania są stosowane w zasadzie tylko w przypadku kamer umieszczanych na głowicach obrotowo-uchylnych służących do obserwacji różnych, często ruchomych, obiektów.
Autor: Aleksy Kordiukiewicz
