Бондарев Физическая засчита ядерных обектов 2008

Если заранее известны габариты и удаление объекта наблюдения, то фокусное расстояние можно рассчитать по формулам:

f = v × VD ; f = h × HD ,

где f – фокусное расстояние, D – расстояние до объекта, V и Н – вертикальный и горизонтальный размеры объекта соответственно, v и h – размеры изображения объекта на ПЗС-матрице.

Чтобы изображение занимало максимальную площадь матрицы, для расчета в качестве v и h берут габариты матрицы (например, для телекамеры с ПЗС-матрицей 1/2" – v=4,8 мм, h=6,4 мм).

Таблица 4.3. Зависимость угла обзора телекамеры от фокусного расстояния объектива и размера ПЗС-матрицы

Фокусное расстояние	Формат ПЗС-матрици телекамеры,
			дюйм
объектива, мм
	1/3	1/2		2/3	1
2,8	98°
4	64°	86°
6	42°	58°
8	33°	42°		55°
12	22°	30°
16	17°	23°		30°	43°
25	11°	14°		19°	28°
50	5,5°	7°		10°	15°
75	3,6°	5°		6,6°	10°
100				5°
150					4,9°
235					3,1°

181

Объективы с переменным фокусным расстоянием называются трансфокаторами. В процессе работы, возможно, понадобится изменить угол обзора телекамеры, например, при необходимости идентифицировать мелкие объекты (номера автомобилей). В этом случае применяются трансфокаторыиповоротные устройствадляТК.

Формат. При выборе объектива для телекамеры необходимо обратить внимание на формат объектива и соответствие его формату ПЗС-матрицы, используемой в телекамере. Формат объектива должен быть равен либо больше формата матрицы. При использовании объектива форматом, меньшим, чем формат телекамеры, на мониторе получится «эффект туннеля» – часть поля останется черным. Применение объективов форматом, большим формата матрицы, уменьшает угол зрения.

Диафрагма. Диафрагма необходима для изменения входного отверстия объектива, что позволяет регулировать количество света, проходящего через объектив. Объективы делятся по типу диафрагмы на:

•объективы без диафрагмы;

•объективы с ручной регулировкой диафрагмы;

•объективы с автоматической регулировкой диафрагмы. Объективы без диафрагмы применяются только вместе с теле-

камерами, в которых есть схемы поддержки видеосигнала на постоянном уровне (компенсация заднего света, электронный затвор и др.). При работе телекамеры в условиях изменяющейся освещенности рекомендуется применять объективы с автоматической диафрагмой, что позволяет более широко регулировать уровень проходящего света через объектив и поддерживать освещенность ПЗСматрицы на постоянном уровне. Диапазон изменения освещенности ограничен, например F1,4–64, значит, диаметр относительного отверстия объектива изменяется в 45,7 раз. Освещенность ПЗСматрицы пропорциональна квадрату относительного отверстия,

182

таким образом, диапазон освещенности ПЗС-матрицы меняется в 2089 раз. Существуют объективы, светосила которых равна F0,75. В таких объективах применяются асферические линзы. Диапазон изменения освещенности, в котором может использоваться телекамера, оснащенная объективом с автоматической диафрагмой, достигает отношения 700000/1 (табл. 4.4).

Таблица 4.4. Автодиафрагма

Автодиафрагма	Диапазон изменения освещенности
объектива
F1,2-64	2845/1
F1,4-300	45918/1
F1,8-360	40000/1
F1,2-720	360000/1
F1,4-1200	734694/1

Применение объективов с автодиафрагмой предпочтительнее в следующих случаях:

•когда ТК работает в условиях изменяющейся освещенно-

сти;

•когда требуется максимальная глубина резкости, которая достигается максимально закрытой диафрагмой;

•когда необходимо более четко передать границы ярких объ-

ектов.

Управление диафрагмой. Объективы с автодиафрагмой бывают следующих типов:

•с управлением удаленным внешним устройством;

•с прямым управлением;

•с управлением видеосигналом.

Диафрагма объектива может изменяться оператором дистанционно. Объективы с управлением автодиафрагмой видеосигналом

183

имеют встроенную схему, которая преобразует выходной видеосигнал в сигнал управления двигателем диафрагмы, т.е. на объектив подается только видеосигнал. Если автодиафрагма объектива имеет прямое управление, то ТК должна содержать электронную схему преобразования видеосигнала в постоянное напряжение, управляющее двигателями автодиафрагмы.

Светосила объектива характеризует долю световой энергии, пропускаемой объективом. Отношение площади входного зрачка к квадрату фокусного расстояния передней (по отношению к объекту) линзы (объектива оптического прибора) называется светосилой (геометрической светосилой) объектива. Освещенность изображения объекта (E) пропорционально светосиле объектива (I).

На рис. 4.4 представлен пример построения изображения.

Рис. 4.4. Пример построения изображения

Отношение диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию объектива называется относительным отверстием объектива Ω (см. рис. 4.4). Освещенность изображения объекта (Е) пропорциональна квадрату относительного отверстия объектива (EΩ2). В иностранной литературе в качестве аналогичной характеристики

184

объектива используют так называемое «фокальное число» F. Под фокальным числом понимают отношение фокусного расстояния объектива к диаметру входного зрачка. Светосила объектива обратно пропорциональна квадрату фокального числа

I = 4Fπ2 .

Обычно в характеристиках объективов указываются два значения фокального числа. Например, F1,2-360. Первое значение F1,2 соответствует состоянию объектива, когда диафрагма полностью открыта, второе значение F360 – состоянию, когда диафрагма полностью закрыта. Более низкое первое значение (например, F1,2 против F1,4) свидетельствует о том, что объектив пропускает больше света в условиях плохой освещенности, а это означает, что телекамера ночью передаст изображение лучшего качества. Более высокое второе значение (F360 против F64) предпочтительно при ярком свете.

Глубина обзора. Глубиной обзора (ГО) называется зона области обзора, которая находится в фокусе. Большее значение ГО означает, что большая часть поля зрения находится в фокусе – от объектов, находящихся вблизи объектива, до объектов, удаленных на бесконечность. Глубина обзора определяется углом обзора и светосилой объектива. Объективы с большим углом обзора имеют большую ГО. При изменении диафрагмы – чем меньше светосила объектива, тем больше ГО. При использовании объектива с автоматическим управлением диафрагмой стоит обратить внимание на то, что объекты, которые были днем в фокусе, будут не сфокусированы вечером, а тем более ночью. На рис. 4.5 приведена зависимость ГО от светосилы объектива.

185

0 1,5 м 3 м 4,5 м 6 м 7,5 м 9 м 10,5 м

F 2

F 5,6

F 16

Рис. 4.5. Глубина обзора объектива

Крепление объективов. Существуют два стандарта на резьбовое соединение объектива с камерой – «C» и «CS». Эти резьбовые соединения имеют одинаковую соединительную резьбу 25,4х0,8, но различные задние отрезки: 17,526 и 12,5 мм соответственно. На рис. 4.6 наглядно представлены отличия объективов «C» и «CS» стандартов. Телекамеры с «С»-резьбой могут работать только с объективами, имеющими «С»-резьбу. А телекамеры с «CS»- резьбой допускают подсоединение объектива любого стандарта. Для совместимости стандартов выпускаются переходные кольца.

Рис. 4.6. Объективы «C» и «CS» стандартов

186

Асферические объективы. В таких объективах используется линза со сложной несферической формой поверхности, что позволяет значительно улучшить качество изображения, повысить оптические характеристики, устранить искажения, а также уменьшить размеры и массу оптических приборов. Такие объективы имеют большее значение светосилы, чем обычные многолинзовые объективы, так как уменьшается число отражающих плоскостей. Асферические объективы используются в системах с высокой чувствительностью.

Объективы «Pin-hole» (объектив с вынесенным входным зрачком) – специальный объектив с маленьким входным зрачком (диаметр от 0,8 до 4 мм). В основном применяются для скрытой установки.

Термин «вынесенный входной зрачок» применяют в тех случаях, когда плоскость диафрагмы совпадает с входным зрачком. В обычных объективах диафрагма находится внутри объектива. Если объектив имеет вынесенный входной зрачок, то уменьшение отверстия входного зрачка не приводит к уменьшению угла поля зрения объектива, а лишь снижает светосилу объектива, как это происходит при закрытии диафрагмы у обычных объективов. В реальных «Pinhole» объективах вынос зрачка осуществляется на 0,5 – 5 мм, в зависимости от длины фокусного расстояния конкретного объектива.

Хорошее качество получаемого изображения и достаточная светосила достигаются в оптических системах (объективах), имеющих 4 – 5 или более линз в своем составе.

Технические характеристики телевизионных камер

Технические характеристики ТК можно разбить на две группы: электрические и конструктивные.

187

Электрические характеристики

Размер ПЗС-матрицы описывается параметром, называемым «формат». Формат – диагональный размер матрицы. Он измеряется в дюймах. Отношение высоты к ширине ПЗС-матрицы составляет 3/4. На самом деле, размеры эффективной рабочей поверхности ПЗС-матрицы – 75 % от размеров матрицы, что составляет для:

•ПЗС 1 дюйм – 12,8 х 9,6 мм;

•ПЗС 2/3 дюйма – 8,6 х 6,6 мм;

•ПЗС 1/2 дюйма – 6,4 х 4,8 мм;

•ПЗС 1/3 дюйма – 4,8 х 3,6 мм;

•ПЗС 1/4 дюйма – 3,2 х 2,4 мм.

Матрицы большого формата 1" и 2/3" практически перестали выпускать, так как телекамеры на их основе получаются громоздкими. Датчики изображения (ПЗС-матрицы) размером 1/4" применяются для сверхминиатюрных телекамер (например, для телекамер скрытого наблюдения). Совершенствование технологий позволяет производить уменьшение формата без ухудшения качества передаваемого изображения.

Размер матрицы важен при определении необходимого угла обзора телекамеры. С одинаковыми объективами телекамера на основе матрицы 1/2" имеет больший угол зрения, чем телекамера с матрицей 1/3". На рис. 4.7 представлена зависимость получаемого угла обзора изображения от применения объектива формата 1" с телекамерами разных размеров ПЗС-матрицы.

Разрешение. Важной характеристикой ТК является разрешение, которое измеряется в телевизионных линиях и зависит не только от числа пикселей на матрице, но и от параметров электронной схемы ТК. Разрешение (разрешающая способность) определяется как количество переходов от черного к белому или обрат-

188

но, которые могут быть переданы телекамерой. Поэтому единица измерения разрешения называется телевизионной линией (ТВЛ). Разрешение по вертикали у всех телекамер (кроме камер плохого качества) одинаково, ибо ограничено стандартом телевизионной развертки (например, 625 строк для стандарта СЕКАМ). Основное различие телекамер состоит в разрешении по горизонтали, именно оно должно указываться в техническом описании.

1" объектив

телекамера

1" ПЗС	1/3" ПЗС
2/3" ПЗС	1/2" ПЗС

телекамера	елекамер
1" объектив и 1"	1" объектив и2/3"
ПЗС	ПЗС
лекаме	екам

1" объектив и1/2"	1" объектив и1/3"
ПЗС	ПЗС

Рис. 4.7. Зависимость угла обзора изображения от размера ПЗС-матрицы

В большинстве случаев разрешение 380-400 ТВЛ вполне достаточно для ведения наблюдения. Существуют телекамеры, имеющие более высокое разрешение (например, 570 ТВЛ). Такие телекамеры позволяют четко видеть мелкие детали изображения (номера машин, лица людей и т.д.).

Разрешение цветных телевизионных камер несколько хуже, чем разрешение черно-белых: 300-350 ТВЛ. В настоящее время

189

появились цифровые цветные телекамеры, разрешение которых составляет 480 ТВЛ.

На разрешение телекамеры влияют два фактора:

1.Количество чувствительных элементов ПЗС-матрицы (пик-

селей).

Дискретная точечная структура матрицы приводит к эффекту «биения» при наблюдении полосатой картинки. Например, если у матрицы 400 пикселей по горизонтали, то, направив ее на тестовую таблицу, содержащую 200 черных и 200 белых линий, мы увидим четкую картинку из 400 линий. Однако, если сместить изображение на половину ячейки матрицы, то на каждую ячейку попадет половинка черной и половинка белой линии. Таким образом, эта телекамера может, в принципе, передать 400 линий, однако очень неустойчиво. Существует мнение, что надежно в таком случае передается количество линий, не превышающее 3/4 от числа ячеек. Например, если количество пикселей по горизонтали составляет 400, то в этом случае разрешение по горизонтали 300 ТВЛ. В настоящее время такой подход еще не закреплен в стандартах, так что нередко производители указывают завышенное значение разрешения своих телекамер.

2.Полоса частот видеосигнала, выдаваемого телекамерой. Для передачи сигнала 300 ТВЛ необходима полоса частот

2,75 МГц (150 периодов на 55 мкс строки телевизионной развертки). В настоящее время использование высококачественных полупроводниковых усилителей не составляет проблемы, поэтому полоса пропускания усилителей ТК обычно значительно (в 1,5-2 раза) превосходит необходимую. Таким образом, разрешение ограничивается именно дискретностью ПЗС-матрицы.

Однако есть случай, когда современная электроника не позволяет поднять полосу пропускания видеосигнала выше 3,8 МГц. Это полный цветной видеосигнал. Поскольку сигнал цветности пере-

дается на поднесущей частоте (в стандарте PAL на частоте около

190