Тестирование мегапиксельных объективов

С появлением сетевых мегапиксельных телекамер вопрос о качестве используемой оптики в CCTV стоит более остро, чем прежде. В первую очередь это обусловлено тем, что для эффективного ис­пользования разрешающей способности фотоприемника необходимо обеспечить более высокую разрешающую способность объектива. Более того, объектив является первым звеном в сложной цепи элементов, формирующих систему видеонаблюдения, которые влияют на точность воспроиз­ведения мелких деталей. А когда заходит речь о системах автоматического распознавания (в качес­тве популярного примера можно привести системы автоматического распознавания автомобильных номеров), то здесь требования к качеству объективов еще более возрастают. В этот тест мы включи­ли мегапиксельные объективы Fujinon HF25HA-1B, Computar M2514-MP и Pentax C2514-M.

Практически все крупные производители оптики для CCTV/FA сегодня предлагают так называемые мега­пиксельные объективы. В этой статье мы публикуем тестирование трех мегапиксельных объективов таких извест­ных марок, как Fujinon, Computar и Pentax.

Наиболее удобно сравнивать разрешающую способность объективов можно по виду частотно-контрастной характе­ристики (ЧКХ). Кроме реальной разрешающей способности выбранных объективов, нас интересовали и такие параметры, как коэффициенты пропускания и светорассеяния, неперпен­дикулярность оптической оси посадочному торцу, а также реальные значения относительного отверстия диафрагмы. Если, например, относительное отверстие диафрагмы - весь­ма спекулятивный параметр объектива, то коэффициенты пропускания и светорассеяния, неперпендикулярность оп­тической оси посадочному торцу интересовали нас в первую очередь по следующей причине. Эту информацию никогда не приводят сами производители и поставщики в технических характеристиках, хотя для оценки качества оптики она крайне важна. Таким образом, на первых порах необходимо хотя бы просто ознакомиться с порядком этих величин, чтобы знать, чего можно ожидать от большинства объективов высшего це­нового диапазона.

Прежде чем, мы опишем методику измерений вышепере­численных характеристик, освежим в памяти некоторые поня­тия из раздела оптики.

Основными параметрами объективов являются фокусное расстояние, относительное отверстие, разрешающая способ­ность, коэффициент светопропускания и светорассеяния, па­дение освещенности от центра к краям.

Фокусное расстояние объектива в первую очередь оп­ределяет масштаб изображения, а в сочетании с размером матрицы фотоприемника определяет размер изображае­мого пространства, т.е. угол поля зрения. Чем больше фо­кусное расстояние объектива, тем крупнее изображение и тем меньше угол поля зрения. Соответственно, чем больше размер матрицы фотоприемника, тем больше угол поля зре­ния. И наоборот, чем меньше размер матрицы, тем меньше угол поля зрения. Формулы, описывающие эти зависимости, весьма часто встречаются на последних страницах каталогов по объективам, поэтому мы их приводить не будем. Одна­ко при использовании длиннофокусных объективов следует помнить о том, что глубина резко изображаемого пространс­тва уменьшается прямо пропорционально квадрату фокус­ного расстояния.

Классификация объективов на короткофокусные, нор­мальные и длиннофокусные условна. Обычно нормальными объективами называются те, у которых фокусное расстояние примерно равно диагонали матрицы фотоприемника, что обеспечивает угол поля зрения 35-50°.

Относительное отверстие представляет собой отношение диаметра входного зрачка объектива к его фокусному рас­стоянию. Диаметр входного зрачка объектива определяет ко­личество света, проходящего через объектив, которое можно ограничить с помощью апертурной диафрагмы. Апертурная диафрагма не ограничивает угол поля зрения. Величина поля зрения определяется границами изображения, удовлетвори­тельного по качеству. Это ограничение осуществляется поле­вой диафрагмой. Значение относительного отверстия влияет на глубину резко изображаемого пространства. При уменьше­нии относительного отверстия глубина резкости возрастает.

Разрешающая способность объектива зависит от его конс­трукции, фокусного расстояния, относительного отверстия, совершенства устранения аберраций при расчете и погреш­ностей изготовления. Для оценки разрешающей способности объектива используются такие величины, как угловое разре­шение, а также либо число линий на миллиметр, либо число пар линий на миллиметр. Для нашего теста наиболее удобным является использование числа линий на миллиметр, так как в этом случае эту величину проще всего связать с размером ячейки матрицы фотоприемника. Таким образом, если мы говорим, что размеры ячейки фоточувствительной матрицы составляют 8x8 мкм, то необходимым разрешением объекти­ва для такой матрицы будет 125 линий на миллиметр. Между разрешающей способностью в центре поля и по полю должно быть определенное соответствие. Считается, что качественный объектив должен иметь снижение разрешающей способности по полю не более чем в два раза по отношению к центру. В противном случае размытость изображения по краям будет бросаться в глаза и создавать плохое впечатление.

Здесь следует сделать одно важное отступление. С прихо­дом в CCTV термина «мегапиксельный» появилась некоторая неразбериха с определением разрешения объектива. Когда говорят о количестве линий на миллиметр, то здесь никаких разночтений не возникает, но когда говорят о разрешении в мегапикселах, то не всегда указывают, на какой оптический формат рассчитан объектив. Точнее сказать, отдельно указыва­ется разрешение, а отдельно - формат, зато углы поля зрения приводят с точностью до угловых минут. Это нельзя не назвать коммерческим трюком. Например, указывается, что объектив формата 2/3" может использоваться с 2-мегапиксельной мат­рицей, но формат самой матрицы не указывается.

Наиболее часто встречающиеся мегапиксельные матри­цы имеют размер 1/2" (6.4x4.8 мм). Приведем теперь простой расчет. Допустим, для объектива формата 2/3" производитель указывает разрешение 2 мегапиксела (при соотношении сторон 4:3 это соответствует 1633x1225 пикселов, т.е. ближайший рас­пространенный формат кадра 1600x1200 пикселов). Для раз­меров матрицы 2/3" (8.8x6.6 мм) это следует понимать как 186 линий на миллиметр. Если исходить из данного разрешения и перенести его на матрицу формата 1/2" (6.4x4.8 мм), то сум­марное количество пикселов с размером 5.4 мкм (1 мм / 186 = 0.0054 мм) окажется равным 1.062.000 (1190x892), т.е. вмес­то двух мегапикселов получается только один. Это справедли­во для соотношения сторон 4:3, соответственно если соотно­шение сторон 16:9, то требования к разрешающей способности объектива повышаются. Допустим, мы имеем дело с двухме-гапиксельной матрицей формата 1/2", т. е. диагональ фото­приемника составляет 8 мм. В таком случае для соотношения сторон 4:3 формат кадра будет 1600x1200, а требуемое число

линии на миллиметр составит 255. Для соотношения сторон 16:9 формат кадра будет примерно равен 1900x1100, тогда не­обходимое число линий на миллиметр возрастет до 270. Раз­ница, хотя и небольшая, но все равно будет заметна.

Остановимся теперь на некоторых причинах снижения разрешающей способности. В первую очередь всегда гово­рят об аберрациях. Аберрациями называются погрешности изображения в оптической системе, связанные с отклонени­ем хода лучей в сравнении с идеальной системой или в срав­нении с ходом лучей в параксиальной области. Аберрации могут быть как осевые, так и внеосевые (полевые). К первым относят продольную и поперечную сферическую и хромати­ческую аберрации; они появляются уже для точки предмета на оптической оси. Ко вторым - кому, отклонение от условия синусов, астигматизм, кривизну изображения, дисторсию, хроматическую аберрацию увеличения и широкого наклонно­го пучка лучей; они проявляются только для точек предмета вне оси. Хотя стоит заметить, что при наличии децентрировки объектива, аберрация типа кома может наблюдаться и на оси. Сферические аберрации, кома, астигматизм, кривизна поля изображения и дисторсия называются монохроматически­ми, так как в реальных системах возникают для лучей любо­го цвета. Аберрации продольная хроматическая, хроматизм увеличения, хроматическая широкого наклонного пучка лучей и хроматические разности монохроматических аберраций называются хроматическими. Задачами расчета оптических систем является наилучшее устранение аберраций и обеспе­чение минимального отклонения прошедшего систему пучка лучей от гомоцентрического, при котором обеспечивается на­иболее резкое и высокого качества изображение. Допустимая величина аберраций определяется исходя из размеров ячейки матрицы фотоприемника.

Влияние аберраций можно минимизировать ограничени­ем светового потока с помощью диафрагмы. Однако умень­шение относительного отверстия снижает дифракционный предел разрешающей способности объектива. Это означает, что максимальная разрешающая способность уменьшается пропорционально уменьшению относительного отверстия.

Возвращаясь к разрешающей способности, следует доба­вить, что она определяется в двух сечениях: меридиональном и сагиттальном. Меридиональное сечение - это то сечение, в котором задаются полевые углы, а сагиттальное сечение I перпендикулярно меридиональному. Для визуального представления приведем следующее изображение. На поле испы­тательной таблицы (см. выше) расположены концентрические кольца переменной толщины.

Справа приведено увеличенное изображение левой верхней группы концентрических колец. Линия Тm проходит через центр таблицы (центр изображения) и представляет собой меридиональное сечение, а перпендикулярная ей линия Ts является сагиттальным сечением. Из-за астигматизма наилучшей фокусировке вдоль линий Ts и Тm соответствуют разные положения плоскости изображения вдоль оси. Расстояние между ними является астигматической разностью. Астигматизм является причиной возникновения кривизны поля изображения, которая больше всего проявляется у короткофокусных объективов.

Анализ разрешающей способности может осуществляться как по штриховым мирам, так и по функции распределения освещенности в изображении светящейся точки,  которая является первичной характеристикой качества оптического изображения. Функция рассеяния точки (ФРТ) и частотно-контрастная  характеристика   (ЧКХ)  тесно  связаны  между собой. А именно, ЧКХ является преобразованием функции Фурье рассеяния точки. ФРТ позволяет учитывать такие осо­бенности, как характер микрорельефа оптических поверх­ностей, дефекты оптических материалов, блики, отклонения пропускания на зрачке.

Коэффициенты светопропускания и светорассеяния харастеризуют две такие важные характеристики изображения, как яркость и контраст. Чем меньше коэффициент светопро­пускания, тем большая часть светового потока не доходит до матрицы фотоприемника. С учетом того, что вопрос о чувстви­тельности телекамер видеонаблюдения стоит остро, то этот параметр весьма важен. Рассеянная часть светового потока в объективе создает дополнительный фон и снижает контраст изображения. Для увеличения светопропускания на повер­хности линз наносятся слои просветления. От качества этих слоев, отделки внутренних поверхностей оправ, диафрагм, бленд зависит коэффициент светового рассеяния. Порядок этих величин примерно следующий. Фотообъективы, выпус­кавшиеся отечественной промышленностью 40 лет назад, имели коэффициент светопропускания более 75%, а коэффи­циент светорассеяния доводили до 0.5 - 1.5 %.

Падение освещенности от центра к краям поля изображения вызвано несколькими причинами. Во-первых, падение освещен­ности согласно закону геометрической оптики пропорционально четвертой степени косинуса половины угла поля зрения. Во-вто­рых, в светосильных и, как правило, неширокоугольных фото­объективах, а также телеобъективах основной причиной падения освещенности от центра к краю является виньетирование - среза­ние пучка лучей оправами первой и последней линз. Другой при­чиной падения освещенности является разница в пропускании объектива для осевого и наклонного пучков лучей, для полного и задиафрагмированного. Это связано с тем, что толщины линз неодинаковы для осевого и наклонного пучков лучей, к тому же наклонные пучки встречают поверхности линз не под одинаковы­ми углами и коэффициенты отражения как от просветленных, так и непросветленных поверхностей также различны.

ИЗМЕРЕНИЕ ЧКХ

Измерительная установка включает в себя оптическую ска­мью и специальную телекамеру с микрообъективом. Пучок лучей освещает точечную диафрагму. Между исследуемым объективом и точечной диафрагмой расположен длиннофо­кусный коллиматор. Таким образом формируется изображе­ние светящейся точки в виде пятна рассеяния. Пятно рассеяния увеличивается в 20 раз с помощью специального микрообъек­тива высокого качества, и это увеличенное изображение про­ецируется на матрицу фотоприемника с высоким разрешени­ем. Сформированное изображение передается на ПК, где оно подвергается математической обработке. Сначала происходит построение функции рассеяния точки, а затем с помощью пре­образования Фурье определяется ЧКХ с учетом поправок на размер пиксела фотоприемной матрицы и размер диафраг­мы, формирующей светящуюся точку. При измерениях объек­тив фокусируется на бесконечность, и смещением объектива вдоль оптической скамьи добиваются наиболее четкого изоб­ражения светящейся точки. Обычно фокусировка изображе­ния устанавливается по центру, т.е. чтобы на оптической оси был максимальный коэффициент передачи контраста. Приве­денные ниже ЧКХ соответствуют именно такой фокусировке. Однако из-за наличия кривизны поля изображения для на­илучшей фокусировки по краям плоскость изображения сле­дует сместить немного в сторону объектива. В редких случаях удается подобной расфокусировкой поднять четкость изобра­жения по краям за счет незначительного спада ЧКХ на оси.

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ

В этой процедуре нет ничего сложного. Расчет коэффици­ента пропускания осуществляется с помощью узкого светового пучка по соотношению токов фотодетектора. При наличии и отсутствии объектива на траектории светового пучка, пада­ющего на фоточувствительную поверхность, измеряется ток фотодетектора. Их отношением и является коэффициент про­пускания объектива. Конечно же, диафрагма объектива при этом остается полностью открытой.

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА СВЕТОВОГО РАССЕЯНИЯ

Коэффициент светового рассеяния измеряется в специаль­ном световом шаре большого диаметра. Конструкция свето­вого шара такова, что в объектив со всех сторон попадает свет одинаковой яркости, а в середине расположено абсолютно черное тело, которое представляет собой большую полость, выкрашенную специальной черной оптической краской. В слу­чае идеального объектива изображение черного тела должно быть абсолютно черным. В реальности, так как в объектив по­падают лучи извне поля зрения, а также из-за шероховатости поверхности, неточной шлифовки, локальных неоднороднос-тей и неравномерностей профиля, возникают дополнитель­ные рассеяния внутри объектива. В результате мы уже имеем не черное изображение, а серое. При определении этой вели­чины измеряется яркость изображения черного тела и яркость изображения светового шара с закрытой полостью. Их соот­ношение является коэффициентом светового рассеяния.

ИЗМЕРЕНИЕ НЕПЕРПЕНДИКУЛЯРНОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ

Неперпендикулярность оптической оси по отношению к по­садочному торцу оценивалась следующим образом. Объектив позиционируется так, что светящаяся точка лежит на его оси. Если неперпендикулярность оптической оси к посадочному торцу присутствует, то при вращении объектива изображение | точки будет описывать окружность. Зная фокусное расстояние объектива и размер ячейки фотоприемника, несложно рас­считать угол отклонения.

ИЗМЕРЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ОТВЕРСТИЯ

Один из наиболее спекулятивных параметров объекти­ва - относительное отверстие диафрагмы, точнее говоря его знаменатель. Когда мы указываем число F, то мы имеем в виду именно знаменатель относительного отверстия диа­фрагмы D/f, где D - это его числовая апертура, a f - фокус­ное расстояние, т.е. F1.4 означает, что D/f = 1/1.4. Для того чтобы измерить относительное отверстие диафрагмы следует определить его апертуру и фокусное расстояние. С помощью специального микроскопа с высокой точностью определяется диаметр входного зрачка объектива. Фокусное расстояние с высокой точностью определяется с помощью устройства, называемого фокометром. Соотношение этих двух величин дает относительное отверстие диафрагмы.

После того как мы вкратце описали процесс измерения интересующих нас параметров, нужно сделать еще несколь­ко уточнений. В частности, нужно сказать, хотя это и оче­видно, что все вышеописанные измерения проводятся при полностью открытой диафрагме. Забегая вперед, отметим, что в характеристиках объективов производители обычно (указывают разрешение телекамеры, с которой его предпо­лагается использовать.

Объектив Fujinon HF25HA-1B рассчитан на применение с телекамерой с разрешением 1.5 мегапиксела, а объективы jComputar M2514-MP и Pentax C2514-M предназначены для телекамер с разрешением 2 мегапиксела. В связи с этим нас интересует, насколько реальные характеристики объекти­вов соответствуют заявленному разрешению. Все выбран­ные объективы обладают одинаковым фокусным расстоя­нием 25 мм, относительным отверстием диафрагмы F1.4 и рассчитаны на использование с фотоприемниками формата 2/3". Объективы исследовались в видимом диапазоне длин волн (400-700 нм).

Таким образом, с учетом формата 2/3", объектив Fujinon HF25HA-1B рассчитан на пространственную частоту 161 линий на миллиметр, а объективы Computar M2514P-MP и Pentax С2514-М - на 186 линий на миллиметр. При формате матрицы фотоприемника 2/3" горизонтальный угол поля зрения объектива с фокусным расстоянием 25 мм будет составлять 18°.

Для каждого объектива при полностью открытой диа­фрагме F1.4 и  при частично закрытой диафрагме F5.6 в произвольно  выбранном  меридиональном  сечении  были проведены измерения КПК на расчетной частоте по полю изображения с шагом 3°, т.е. были проведены измерения  КПК на угловых полях -9° (левый край), -6°, -3°, 0°, 3°, 6°, 9° (правый край). Это сделано для получения информации о распределении КПК по полю изображения. Конечно же, наиболее полную информацию о качестве объектива будут нести распределения КПК по полю изображения в несколь­ких (хотя бы в четырех) сечениях, однако этот процесс весьма трудоемкий, поэтому измерения были проведены только в одном (произвольно выбранном) сечении.

Более того, для каждого объектива мы приводим расфокусировочные характеристики, которые показывают зависи­мость КПК от смещения плоскости изображения на расчетной пространственной частоте на определенном угловом поле. Эти кривые, как будет видно далее, показывают можно ли получить компромисс между фокусировкой изображения по центру и по краям, т.е. выбрать такую плоскость, в которой одинаково чет­ко будут отображаться предметы в центре и на краю.

Теперь перейдем непосредственно к результатам измере­ний. Чтобы не запутать наших читателей в достаточно боль­шом объеме информации, мы решили разделить результаты тестирования каждого объектива, а уже в конце сопоставить выбранные объективы по каждому параметру.

Источник: ProSystem CCTV

Подобрать объектив для видеокамеры