eng
Выпуск #1/2020
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
Телевизионные объективы для систем наблюдения
Телевизионные объективы для систем наблюдения
Просмотры: 2630
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.1.96.104
Рассмотрены особенности построения телевизионных объективов для систем наблюдения. При проектировании телевизионных объективов необходимо учитывать совокупность факторов, которые влияют на величину дальности обнаружения: размер пикселя выбранной матрицы и ее разрешение, фокусное расстояние, относительное отверстие и поле зрения объектива. Оптимальное сочетание этих факторов, наряду с конструкцией объектива, позволяет добиться высокого разрешения и получить максимальную дальность обнаружения.
Рассмотрены особенности построения телевизионных объективов для систем наблюдения. При проектировании телевизионных объективов необходимо учитывать совокупность факторов, которые влияют на величину дальности обнаружения: размер пикселя выбранной матрицы и ее разрешение, фокусное расстояние, относительное отверстие и поле зрения объектива. Оптимальное сочетание этих факторов, наряду с конструкцией объектива, позволяет добиться высокого разрешения и получить максимальную дальность обнаружения.
Телевизионные объективы
для систем наблюдения
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Статья получена: 21.11.2019
Принята к публикации: 14.01.2020
Фокусное расстояние
Величина дальности наблюдения (обнаружения) напрямую зависит от фокусного расстояния объектива. В настоящее время на рынке предлагается широкий выбор телевизионных объективов с диапазоном фокусных расстояний (10 ~ 700 мм), относительных отверстий (F / 2.5 ~ F / 8) и угловых полей (1 ~ 30°). Но, как показывает практика, объективы с переменным фокусным расстоянием не могут обеспечить требуемое разрешение, особенно при больших фокусных расстояниях, а значит, не позволяют получить четкое изображение объекта, удаленного на большие расстояния. В этом случае целесообразней использовать длиннофокусные объективы с фиксированным фокусным расстоянием.
Размер пиксела
С развитием цифровых технологий размер пикселя в камерах постоянно уменьшается, однако для получения теоретического разрешения объектива необходимо использовать сенсор с большим пикселем. Поясним это утверждение с помощью известных формул.
Разрешение объектива для заданного размера пикселя вычисляется по формуле:
,
где N – пространственная частота в штр / мм, х – размер пикселя в мкм.
Например, для пиксела 6,25 мкм нужно расчитать объектив с разрешением 80 лин / мм, а для пиксела 4,16 мкм уже потребуется разрешение не менее 120 лин / мм.
Относительное отверстие
Величина относительного отверстия объектива при большом фокусном расстоянии в немалой степени определяется возможностью изготовления линз максимального диаметра с требуемой точностью. В табл. 1 показана зависимость диаметра линз, их количества, длины, веса объектива от типа, фокусного расстояния и относительного отверстия.
Для определения минимального относительного отверстия объектива воспользуемся критерием Релея:
,
где х – размер пиксела в мкм, f ' / D – относительное отверстие, λ – рабочая длина волны в мкм.
Для λ = 0,55 мкм и пиксела 3,75 мкм получим F / 5,6, а для пиксела 5,36 мкм – F / 8.
Угловое поле объектива и диагональ сенсора
Диагональ сенсора определяется фокусным расстоянием и угловым полем объектива. В свою очередь, чем больше угловое поле, тем меньше достижимый предел разрешения объектива при расчете.
Разрешение камеры
Для расчета разрешения камеры используем выражение:
,
где R – разрешение камеры в пикселах, S – площадь сенсора в мм2, x – размер пикселя в мкм.
Камера, созданная на базе матрицы 1" (диагональ 16 мм, площадь сенсора S = 123 мм2, пиксел х = 5,5 мкм), будет иметь разрешение R = 4 Мп, а с матрицей 4 / 3" (диагональ 21,6 мм, S = 225 мм2, х = 5,5 мкм) – 7,4 Мп.
Конструкция
Для объективов с большим фокусным расстоянием обычно выбирают схему телеобъектива, которая является наиболее компактной из всех известных схем.
При разработке длиннофокусных объективов особое внимание уделяется габаритам, количеству линз, весу, стоимости, а также предельным допускам на форму и центрировку линз большого диаметра при изготовлении. Например, объектив с фокусом 300 мм и относительным отверстием F / 4 будет иметь диаметр фронтальной линзы порядка 75 мм. Изготовление и контроль линз большого диаметра значительно усложняет производство объективов. Требования, предъявляемые к механике, также достаточно жесткие, учитывая длину и диаметры оправ в корпусе объектива.
Фокусировка
Большие размеры и вес линз в длиннофокусных объективах (1–3 кг) вынуждают искать решение с внутренней фокусировкой с помощью перемещения внутренней группы линз.
Разрешение
На рис. 1 показаны 7-линзовый и 3-линзовый телеобъективы с фокусным расстоянием 300 мм и относительным отверстием F / 5,6. Объективы рассчитаны для сенсора 4 / 3» и имеют расчетное разрешение 80 лин / мм. Световой диаметр фронтальной линзы 52 мм.
7-линзовый телеобъектив – апохромат более компактный (длина 240 мм) и в целом имеет лучшие характеристики. Внутренняя фокусировка в нем осуществляется подвижкой последней линзы. 3-линзовая конструкция несколько длинее (285 мм), но имеет ряд преимуществ: в объективе минимальное количество линз, есть функция фокусировки (с помощью перемещения фронтальной группы линз) и сравнительно невысокие требования к изготовлению.
Анализ допусков
В табл. 2 представлен результат влияния допусков на контраст изображения 7-линзового (слева) и 3-линзового (справа) объективов. Изменение контраста показано для 5-ти точек углового поля на пространственной частоте 80 лин / мм.
В табл. 3 приведены допуски на децентрировку и наклон, в табл. 4 – на форму и толщину линз, воздушные промежутки и стекло.
Сравнение показывает, что 7-линзовый объектив имеет большее число линз с предельными допусками и с этой точки зрения 3х-линзовая конструкция более предпочтительна.
Увеличение светосилы
Увеличение относительного отверстия в длиннофокусном объективе (табл. 1) неизбежно приведет к увеличению числа линз и их размеров [1, 2], что соответственно повыcит и трудоемкость изготовления. Кроме этого, для сохранения высокого качества изображения во всем диапазоне дистанции наблюдения конструкция механизма фокусировки становится более сложной.
На рис. 2 приводится пример 12-линзового объектива [1] с фокусным расстоянием 300 мм и относительным отверстием F / 4. Объектив рассчитан для сенсора 4 / 3" и имеет разрешение 80 лин / мм в пределах всего углового поля. Световой диаметр фронтальной линзы 72 мм. Фокусировка в объективе осуществляется группой линз (9–11). Высокое качество изображения объектива подтверждается графиком оптической передаточной функции (рис. 2б). Результаты расчета допусков 12-линзового объектива методом Монте-Карло представлены в табл. 5–7.
Расчет показывает, что допуски на линзы объектива с учетом больших диаметров довольно строгие: форма поверхности 2 / 0,5; толщина 0,02–0,04 мм; стекло 0,0002 / 0,2; децентрировка 0,005–0,01 мм; наклон 0,5'–1'.
Для сравнения на рис. 3 показана конструкция более сложного 17-линзового объектива «Olympus» с фокусным расстоянием 300 мм и относительным отверстием F / 4. Габаритные размеры ø92 × 227 мм, вес 1,3 кг, разрешение 80 лин / мм.
Заключение
В конечном итоге конструкция телевизионного объектива будет зависеть не только от оптимального сочетания всех факторов, определяющих качество изображения, но и от уровня технологии, которая может быть использована при реальном изготовлении объективов.
REFERENCES
Pat App US2019137739 .Image forming lens system and image pickup apparatus using the same. Kazuteru Kawamura, Takashi Fujikura – Pub. Date May 9, 2019.
Pat App US2019041605. Optical system and image pickup apparatus. Shinihiro Salto, Makoto Nakahara – Pub. Date Feb 7, 2019.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н,
shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
для систем наблюдения
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Статья получена: 21.11.2019
Принята к публикации: 14.01.2020
Фокусное расстояние
Величина дальности наблюдения (обнаружения) напрямую зависит от фокусного расстояния объектива. В настоящее время на рынке предлагается широкий выбор телевизионных объективов с диапазоном фокусных расстояний (10 ~ 700 мм), относительных отверстий (F / 2.5 ~ F / 8) и угловых полей (1 ~ 30°). Но, как показывает практика, объективы с переменным фокусным расстоянием не могут обеспечить требуемое разрешение, особенно при больших фокусных расстояниях, а значит, не позволяют получить четкое изображение объекта, удаленного на большие расстояния. В этом случае целесообразней использовать длиннофокусные объективы с фиксированным фокусным расстоянием.
Размер пиксела
С развитием цифровых технологий размер пикселя в камерах постоянно уменьшается, однако для получения теоретического разрешения объектива необходимо использовать сенсор с большим пикселем. Поясним это утверждение с помощью известных формул.
Разрешение объектива для заданного размера пикселя вычисляется по формуле:
,
где N – пространственная частота в штр / мм, х – размер пикселя в мкм.
Например, для пиксела 6,25 мкм нужно расчитать объектив с разрешением 80 лин / мм, а для пиксела 4,16 мкм уже потребуется разрешение не менее 120 лин / мм.
Относительное отверстие
Величина относительного отверстия объектива при большом фокусном расстоянии в немалой степени определяется возможностью изготовления линз максимального диаметра с требуемой точностью. В табл. 1 показана зависимость диаметра линз, их количества, длины, веса объектива от типа, фокусного расстояния и относительного отверстия.
Для определения минимального относительного отверстия объектива воспользуемся критерием Релея:
,
где х – размер пиксела в мкм, f ' / D – относительное отверстие, λ – рабочая длина волны в мкм.
Для λ = 0,55 мкм и пиксела 3,75 мкм получим F / 5,6, а для пиксела 5,36 мкм – F / 8.
Угловое поле объектива и диагональ сенсора
Диагональ сенсора определяется фокусным расстоянием и угловым полем объектива. В свою очередь, чем больше угловое поле, тем меньше достижимый предел разрешения объектива при расчете.
Разрешение камеры
Для расчета разрешения камеры используем выражение:
,
где R – разрешение камеры в пикселах, S – площадь сенсора в мм2, x – размер пикселя в мкм.
Камера, созданная на базе матрицы 1" (диагональ 16 мм, площадь сенсора S = 123 мм2, пиксел х = 5,5 мкм), будет иметь разрешение R = 4 Мп, а с матрицей 4 / 3" (диагональ 21,6 мм, S = 225 мм2, х = 5,5 мкм) – 7,4 Мп.
Конструкция
Для объективов с большим фокусным расстоянием обычно выбирают схему телеобъектива, которая является наиболее компактной из всех известных схем.
При разработке длиннофокусных объективов особое внимание уделяется габаритам, количеству линз, весу, стоимости, а также предельным допускам на форму и центрировку линз большого диаметра при изготовлении. Например, объектив с фокусом 300 мм и относительным отверстием F / 4 будет иметь диаметр фронтальной линзы порядка 75 мм. Изготовление и контроль линз большого диаметра значительно усложняет производство объективов. Требования, предъявляемые к механике, также достаточно жесткие, учитывая длину и диаметры оправ в корпусе объектива.
Фокусировка
Большие размеры и вес линз в длиннофокусных объективах (1–3 кг) вынуждают искать решение с внутренней фокусировкой с помощью перемещения внутренней группы линз.
Разрешение
На рис. 1 показаны 7-линзовый и 3-линзовый телеобъективы с фокусным расстоянием 300 мм и относительным отверстием F / 5,6. Объективы рассчитаны для сенсора 4 / 3» и имеют расчетное разрешение 80 лин / мм. Световой диаметр фронтальной линзы 52 мм.
7-линзовый телеобъектив – апохромат более компактный (длина 240 мм) и в целом имеет лучшие характеристики. Внутренняя фокусировка в нем осуществляется подвижкой последней линзы. 3-линзовая конструкция несколько длинее (285 мм), но имеет ряд преимуществ: в объективе минимальное количество линз, есть функция фокусировки (с помощью перемещения фронтальной группы линз) и сравнительно невысокие требования к изготовлению.
Анализ допусков
В табл. 2 представлен результат влияния допусков на контраст изображения 7-линзового (слева) и 3-линзового (справа) объективов. Изменение контраста показано для 5-ти точек углового поля на пространственной частоте 80 лин / мм.
В табл. 3 приведены допуски на децентрировку и наклон, в табл. 4 – на форму и толщину линз, воздушные промежутки и стекло.
Сравнение показывает, что 7-линзовый объектив имеет большее число линз с предельными допусками и с этой точки зрения 3х-линзовая конструкция более предпочтительна.
Увеличение светосилы
Увеличение относительного отверстия в длиннофокусном объективе (табл. 1) неизбежно приведет к увеличению числа линз и их размеров [1, 2], что соответственно повыcит и трудоемкость изготовления. Кроме этого, для сохранения высокого качества изображения во всем диапазоне дистанции наблюдения конструкция механизма фокусировки становится более сложной.
На рис. 2 приводится пример 12-линзового объектива [1] с фокусным расстоянием 300 мм и относительным отверстием F / 4. Объектив рассчитан для сенсора 4 / 3" и имеет разрешение 80 лин / мм в пределах всего углового поля. Световой диаметр фронтальной линзы 72 мм. Фокусировка в объективе осуществляется группой линз (9–11). Высокое качество изображения объектива подтверждается графиком оптической передаточной функции (рис. 2б). Результаты расчета допусков 12-линзового объектива методом Монте-Карло представлены в табл. 5–7.
Расчет показывает, что допуски на линзы объектива с учетом больших диаметров довольно строгие: форма поверхности 2 / 0,5; толщина 0,02–0,04 мм; стекло 0,0002 / 0,2; децентрировка 0,005–0,01 мм; наклон 0,5'–1'.
Для сравнения на рис. 3 показана конструкция более сложного 17-линзового объектива «Olympus» с фокусным расстоянием 300 мм и относительным отверстием F / 4. Габаритные размеры ø92 × 227 мм, вес 1,3 кг, разрешение 80 лин / мм.
Заключение
В конечном итоге конструкция телевизионного объектива будет зависеть не только от оптимального сочетания всех факторов, определяющих качество изображения, но и от уровня технологии, которая может быть использована при реальном изготовлении объективов.
REFERENCES
Pat App US2019137739 .Image forming lens system and image pickup apparatus using the same. Kazuteru Kawamura, Takashi Fujikura – Pub. Date May 9, 2019.
Pat App US2019041605. Optical system and image pickup apparatus. Shinihiro Salto, Makoto Nakahara – Pub. Date Feb 7, 2019.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н,
shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Отзывы читателей
