Объектив фотоаппарата. Свойства простых линз

Главнейшей частью фотографического аппарата яв­ляется объектив, предназначенный для построения све­тового изображения, которое может быть запечатлено на светочувствительном слое пластинки, пленки или матрицы.

Безусловно, хороший и качественный объектив, а еще лучше, комплект объективов к фотоаппарату — это лучшие для фотолюбителя и профессионала. Ведь далеко не секрет, что главнейшей частью фотографического аппарата яв­ляется именно объектив, предназначенный для построения све­тового изображения, которое может быть запечатлено на светочувствительном слое фотопластинки, пленки или цифровой матрицы.

Изображение снятого предмета должно обладать, как правило, неотъемлемым качеством - максимальной резкостью на всей поверхности снимка. Необходимая резкость изображения зависит, главным образом, от качества применяемого для съемки объектива. Этому требованию удовлетворяет современный фото­графический объектив, прошедший долгий и сложный путь развития от простого увеличительного стекла до со­вершенного объектива, называемого анастигматом. Объектив-анастигмат представляет собой сложную комбинацию нескольких (от трех до шести, а в современных объективах до восьми и даже более того) математически рассчитанных и специально изготовленных и обработан­ных стекол (линз), образующих собирательную оптическую систему, заключенную в общую оправу. Существует множество разных конструкций более совершенных и весьма простых объективов. Изображение любого предмета можно получить и с помощью обыкно­венного увеличительного стекла. Однако такое изображение, помимо недостаточной резкости, имеет ряд других существенных недостатков, препятствующих применению простой линзы (кроме специального назначения) в качестве фотографического объектива.

(Постовой — профессиональная )

СВОЙСТВА ПРОСТЫХ ЛИНЗ

Линзой называется прозрачное стекло, ограниченное одной или двумя сферическими (шаровыми) выпуклыми или вогнутыми поверхностями. В зависимости от действия на световые лучи линзы бывают положительные, или собирательные , и отрица­тельные, или рассеивающие . Собирательные линзы по своей фор­ме имеют утолщения к середине. Линзы этой группы отличаются свойством собирать в одну точку падающие на них параллельные (солнечные) или расходящиеся из светящейся точки (лампы) лучи. Рассеивающие линзы, наоборот, к середине тоньше, чем у краев. Эти линзы не собирают лучи, а рассеивают их в разные стороны. Более ясное представление о действии собирательных и рассеивающих линз можно получить из такого опыта. Поместим перед листом бумаги на определенном рассто­янии увеличительное стекло, т. е. собирательную линзу, на которую направим прямые солнечные, лучи. На бума­ге мы увидим яркое пятнышко, которое и является изо­бражением солнца. Следовательно, собирательная линза обладает спо­собностью преломлять прошедшие через нее лучи света и собирать их по другую сторону стекла в одну точку, называемую фокусом линзы. Линия, проходящая через центр линзы перпендикулярно к ней, называется главной оптической осью . Если луч от какой-нибудь светящейся точки пройдет через линзу объектива в фотографическом аппарате, то на матовом стекле, помещенном в фокусе, т. е. в точке пересечения лучей, получится изображение этой светя­щейся точки.

Как же получается в фотоаппарате изображение все­го предмета? Любой предмет освещенный каким-нибудь источником света, всеми точками своей поверхности отражает по всем направлениям бесчисленное ко­личество лучей, часть которых про­ходит через объектив фотографи­ческого аппарата и дает на плоско­сти матового стекла изображение этого предмета. Если такой же опыт проделать с рассеивающей линзой, то никакого изображения на бумаге не получим, так как в этом случае выходящие из линзы лучи не пересекаются между собой, а рассеиваются во все сторо­ны. Таким образом, рассеивающие линзы не способны самостоятельно давать изображение. В объективах они применяются исключительно в комбинации с собирательными линзами.

На рисунке: Прошедшие через собирательную линзу солнечные лучи собираются позади линзы в одной точке, называемой фокусом линзы.

Уважаемые посетители, рекомендуем посмотреть нашу новую статью по выбору объективов для камер наблюдения . В этой статье рассмотрен выбор объективов для камер высокого разрешения и преведены примеры качества распознавания в зависмости от расстояния и угла обзора.

Основная дилемма при выборе камеры для системы видеонаблюдения, это фокусное расстояние линзы, именно от него зависит то, что Вы в итоге увидите. С одной стороны человеку надо видеть все вокруг, т.е. иметь максимальный угол обзора, с другой стороны нужна детализация изображения, которой можно добиться, только уменьшая угол обзора.

Для примера, устанавливаем две одинаковые камеры с фокусом 8мм и 3.6мм, на широкоугольной камере взгляд «цепляется» за какой то элемент на изображении, например автомобильный номер - он не виден. Но зато он виден на узкоугольной камере с фокусом 8мм и создается впечатление, что камера с объективом 3.6 хуже, хотя на самом деле камеры одинаковые, за исключением объективов.

Как же подобрать необходимый фокус объектива камеры видеонаблюдения? Самый простой способ, это купить камеру с варифокальным объективом.

Варифокальный объектив.

Это объектив, который позволяет произвести изменение фокусного расстояния и подстроить на месте тот угол обзора, который необходим. Но у варифокального объектива есть ряд существенных минусов:

1.Высокая цена объектива
2.Больший размер, по сравнению с объективом, имеющим фиксированный фокус и как следствие, больший размер самой камеры.
3.Сложность в точной фокусировки изображения. На небольшом тестовом мониторе, который можно подключить к камере, изображение мелкое и невозможно точно настроить, а просмотр на большом мониторе не всегда возможен.
4.Изображение с варифокального объектива несколько хуже, чем с фиксированного.

Как выбрать нужный фокус?
Необходимо нарисовать план помещения или объекта, отметить место планируемой установки камеры, оценить, под каким минимальным углом обзора будет видно все, что Вам необходимо. Сверить по таблице какой фокус соответствует Вашему углу.

Если на бумаге Вам работать сложно, то советую программу IP Video System Design Tool 7, имеющую бесплатный триальный период, на которой можно быстро нарисовать план, разместить камеры и подобрать нужный фокус.


Всегда ли нужно идти на компромисс?
Как уже ранее было отмечено, нам необходимо выбрать одно из двух - либо детализацию, либо угол обзора. Какие еще есть варианты? Если брать аналоговые камеры, то одним из вариантов решения является выбор видеорегистраторов и камер в стандарте 960Н, это широкоформатный стандарт, который позволяет видеть в 1.33 раза более широкую картинку с камеры при том же фокусе объектива. Либо переход на IP видеонаблюдение, поскольку детализация HD камеры с разрешением 1280х720 по пикселям в 2.5 раза выше, чем у аналоговой камеры и примерно в 4 раза выше по субъективному взгляду на изображение. Дело в том, что при размерности матрицы аналоговой камеры в 0.4 мегапикселей, после преобразования изображения в аналоговый сигнал происходят определенные потери. При передачи изображения по кабелю также происходят потери и при кодировании кодеком H.264 еще раз происходят потери качества. В результате мы имеем реальное соотношение, близкое к 1:4.
Таким образом, изображение с одной камеры 720р и объективом 3.6мм будет более информативно, чем изображение с двух аналоговых камер с фокусом 8мм. Если же надо еще большую детализацию, то можно выбрать FullHD камеру с разрешением 1920х1080.
При этом стоимость одной IP HD камеры примерно равна стоимости двух аналоговых камер, но затраты на монтаж делают установку одной IP камеры вместо двух аналоговых более выгодным.

Особенности широкоугольных объективов.

В рамках статьи хочу отметить, что чем выше угол обзора, тем выше нелинейные искажения по краям изображения. И даже хорошие объективы дают такой эффект.

Крайним случаем широкоугольного объектива является так называемый объектив «рыбий глаз» имеющий максимальный угол обзора. Такие объективы устанавливаются, например, в центре под потолком помещения и способны обозревать всю комнату одной камерой.

Готовы ли вы испытать на себе суперзрение? Совсем скоро мы сможем пользоваться умными контактными линзами из будущего. Сейчас вы узнаете, какие возможности откроют для нас такие технологии.

Это уже не первый раз, когда технологический гигант предпринимает попытку сделать нечто для наших глаз – в 2014 году представила проект по созданию умных контактных линз , а в 2015-м получила патент на создание линз на солнечных батареях . Следующая волна появления подобных устройств может случиться через многие годы, но уже сейчас никто не сомневается в их огромном потенциале.

Только взгляните:

Контролировать здоровье станет проще

Доктор в ваших глазах лучше, чем доктор в кармане. Популярность фитнес-трекеров не даст соврать – нам нравится собирать данные о собственном здоровье. Однако существующие сейчас технологии довольно ограничены.

Томас Квинн, глава отдела контактных линз в Американской ассоциации оптометрии, видит подобные линзы и в качестве инструмента для доставки лекарств. Линзы могли бы подавать медикаменты прямо в глаза, сделав неудобные глазные капли пережитком прошлого.

Очки для чтения больше не понадобятся

В докладе Technology Review говорится, что умные линзы, возможно, смогут автоматически настраивать фокусировку. Это значит, что форма линз будет меняться в зависимости от того, куда мы смотрим.

Исчезнет необходимость в носимых устройствах

Умные линзы могут сделать умные часы бесполезными. Создатели носимых устройств обещали нам возможность оторваться от смартфонов и все равно оставаться в курсе всех уведомлений. В реальности мы получили просто дополнительные гаджеты, с которым все так же возимся. Умные контактные линзы, оснащенные встроенными камерами, датчиками и антеннами, делают эти громоздкие некрасивые устройства лишними.

Не нужно будет вглядываться в мелкие символы на экране браслета. Умными контактными линзами можно будет управлять с помощью движений глаз, а вся нужная информация будет прямо перед глазами благодаря встроенному проекционному дисплею.

Больше не понадобится носить с собой удостоверение личности

Зачем копаться в сумке в поисках паспорта, когда охранник в баре может понять, что вы совершеннолетний, просто взглянув вам в глаза?

(улица / помещение). Для уличных видеокамер используются (изменение диаметра входного отверстия объектива/регулировка входящего потока света). Для видеокамер, устанавливаемых в помещении, используются объективы с ручной диафрагмой или без диафрагмы.

Углы обзора 1/3" видеокамер. Все приведенные в таблице данные приблизительные и даны в качестве начальной справки.

Размеры сенсоров и изображений

Объектив создаёт изображение в форме круга (image circle), а в камерах типа CCTV чувствительный элемент имеет прямоугольную форму (image size), поэтому получается прямоугольное изображение внутри круга (image circle). Отношение горизонтального размера сенсора к вертикальному называется форматным соотношением (aspect ratio) и для стандартной CCTV камеры это соотношение равно 4:3.

Соответствие между углом зрения и размером сенсора

Камеры с различными размерами сенсоров (такими как 1/4", 1/3", 1/2", 2/3" и 1") и с одинаковым фокусным расстоянием, обладают различными углами зрения. Если объектив предназначен для работы с большим размером сенсора, то он вполне подойдёт и для работы с сенсором меньшего размера. Однако, если объектив предназначен для работы с сенсором формата 1/3", а будет использоваться с сенсором формата 2/3", то у изображения на мониторе будут тёмные углы.

Соотношение между размерами сенсоров таково: 1:0,69:0,5:0,38:0,25. Это означает, что сенсор формата 1/2" - это 50% от сенсора формата 1", сенсор формата 1/2" - это 75% от сенсора формата 2/3", а сенсор формата 1/3" - это 75% от сенсора формата 1/2".

Размер сенсора в мм (Image Sensor Size in mm)

Увеличение системы видеокамера-монитор (Camera to Monitor Magnification)

Фокусное расстояние (Focal Length)

Параллельный пучок света, падающий на поверхность выпуклой линзы, сходится в точке на оптической оси. Эта точка называется фокальной точкой линзы. Расстояние между главной точкой оптической системы и фокальной точкой называется фокусным расстоянием (focal length). Для одиночной тонкой линзы фокусное расстояние - это расстояние от центра линзы до фокальной точки. При увеличении фокусного расстояния возрастает различимость мелких деталей, но уменьшается угол обзора.

Фокусное расстояние объектива указывается в миллиметрах и при прочих равных условиях определяет угол зрения. Более широкий угол обеспечивается меньшим фокусным расстоянием. И наоборот - чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол зрения объектива. Нормальный угол зрения ТВ-камеры эквивалентен углу зрения человека, при этом объектив имеет фокусное расстояние, пропорциональное размеру диагонали видео сенсора.

Примерное фокусное расстояние, необходимое для обеспечения угла зрения 30° по горизонтали

Объективы принято делить на нормальные, короткофокусные (широкоугольные) и длиннофокусные (телеобъективы).

Объективы, фокусное расстояние которых может изменяться более чем в 6 раз, называются ZOOM-объективами (объективами с трансфокатором). Данный класс объективов применяется при необходимости детального просмотра объекта, удалённого от камеры. Например, при использовании ZOOM-объектива с десятикратным увеличением, объект, находящийся на расстоянии 100 м, будет наблюдаться как объект, удаленный на расстояние 10 м. Наиболее часто используются ZOOM-объективы, оборудованные электроприводами для управления диафрагмой, фокусировкой и увеличением (motorized zoom). Управление камерой, оборудованной таким объективом, оператор может осуществлять удалённо.

Минимальное расстояние до объекта (Minimum Object Distance = MOD)

Минимальное расстояние до объекта показывает, насколько близко при съёмке объектив можно приблизить к объекту. Это расстояние измеряется от вертекса передней линзы объектива.

Рабочий отрезок и задний фокус (Flange Distance and Back Focal Length)

Рабочий отрезок (flange distance) - расстояние от плоскости, на которую крепится объектив до фокальной плоскости (в воздухе). Для переходника C-mount это расстояние равно 17,526 мм (0,69"), а для переходника типа CS-mount это расстояние равно 12,526 мм (0,493"). Резьба CS-mount и C-mount имеет диаметр 25,4 мм (1") и шаг 0,794 мм (1/32").
Рабочий отрезок для крепления М42х1 равен 45,5 мм.

Задний фокус (back focal length) - расстояние межу вертексом крайней линзы и сенсором.

Совместимость с адаптерами C-mount и CS-mount

Современные видеокамеры и объективы могут иметь разные типы крепления. К камере с посадочным местом "CS - типа" крепятся объективы "CS - типа". С помощью дополнительного переходного кольца на камеру с посадочным местом "CS - типа" можно установить объектив "С - типа". Кольцо устанавливается между камерой и объективом. Камера с посадочным местом "C - типа" несовместима с объективом "CS - типа", так как невозможно получить сфокусированное изображение.

Угол зрения и поле зрения (Angle of View and Field of View)

The angle of view is the shooting range that can be viewed by the lens given a specified image size. It is usually expressed in degrees. Normally the angle of view is measured assuming a lens is focused at infinity. The angle of view can be calculated if the focal length and image size are known. If the distance of the object is finite, the angle is not used. Instead, the dimension of the range that can actually be shot, or the field of view, is used.

Относительное отверстие

Обычно объектив имеет два значения относительного отверстия - (1:F) или апертуры. Максимальное значение F - минимальное значение F; полностью открытая диафрагма - F минимально, максимальное F - диафрагма закрыта. Значение F влияет на выходное изображение. Малое F означает, что объектив пропускает больше света, соответственно, камера лучше работает в тёмное время суток. Объектив с большим F необходим при высоком уровне освещённости или отражения. Такой объектив будет препятствовать "ослеплению" камеры, обеспечивая постоянный уровень сигнала. Все объективы с автодиафрагмой используют фильтр нейтральной плотности для увеличения максимального F. Апертура (F) влияет так же и на глубину резкости.

Глубина резкости

Глубина резкости показывает, какая часть поля зрения находится в фокусе. Большая глубина резкости означает, что большая часть поля зрения находится в фокусе (при закрытой диафрагме возможно достижение бесконечной глубины резкости). Малая же глубина резкости позволяет наблюдать в фокусе лишь небольшой фрагмент поля зрения. На глубину резкости влияют определённые факторы. Так, объективы с широким углом зрения обеспечивают, как правило, большую глубину резкости. Высокое значение F свидетельствует также о большей глубине резкости. Наименьшая глубина резкости возможна ночью, когда диафрагма полностью открыта (поэтому объектив, сфокусированный в дневное время, ночью может оказаться расфокусированным).

Диафрагма (автоматическая или ручная)

В условиях переменной освещённости рекомендуется использовать объективы с автодиафрагмой. Объективы с ручной диафрагмой в основном используются для помещений, где уровень освещённости постоянный. С появлением камер с электронным ирисом появилась возможность использования объективов с ручной диафрагмой в условиях переменной освещённости. Однако необходимо учитывать, что при полностью открытой диафрагме в условиях плохой освещённости, значение F становится критичным, а глубина резкости совсем незначительной, что затрудняет достижение необходимой фокусировки в дневное время. Камера может поддерживать постоянный уровень видеосигнала, но не может влиять на глубину резкости. При полностью закрытой диафрагме глубина резкости увеличивается, однако это приводит к снижению чувствительности камеры.

Объектив с автодиафрагмой служит для достижения требуемого качества изображения. У такого объектива есть кабель, по которому осуществляется управление. Используя контроллер с ЦАП, можно программным образом изменять фокусное расстояние и диафрагму такого объектива (при отсутствии электропитания диафрагма полностью закрыта). У некоторых объективов таким образом можно менять либо фокус, либо диафрагму.

Как определить необходимое фокусное расстояние объектива

Для выбора объектива для конкретного приложения нужно принять во внимание следующие моменты:

• Поле зрения (Field of View - размер области съёмки)
• Рабочее расстояние (Working Distance, WD) - расстояние от объектива камеры до объекта или до области наблюдения
• Размер матрицы видео сенсора (CCD Sensor)

Фокусное расстояние объектива = размер сенсора x рабочее расстояние / размер области съёмки

Пример: если есть видеокамера формата 1/3" (т.е. горизонтальный размер сенсора 4,8 мм), то для рабочего расстояния 305 мм и размера области съёмки 64 мм получаем фокусное расстояние объектива 23 мм.

Это очень приблизительный подход, но, тем не менее, он в общих чертах описывает процедуру расчёта фокусного расстояния объектива.