Сравнение характеристик объективов

Прежде чем сравнивать разрешение объективов для системы видеонаблюдения, при­ведем таблицу с такими характеристиками, как ко­эффициенты светорассеяния, светопропускания, не­перпендикулярность оптической оси к посадочному торцу и относительное отверстие диафрагмы.

Коэффициенты светопропускания у всех трех объективов оказались относительно высокими - не ниже 90%. Свето­рассеяние объективов практически одинаковое и, скорее всего, обусловлено несовершенством технологических про­цессов изготовления.

Неперпендикулярность оптической оси у всех трех объ­ективов оказалась относительно невысокой. Однако если сопоставить отклонение оптической оси с глубиной резкости объектива и учесть размер матрицы фотоприемника, то ока­жется, что мы получим величины одного порядка. На этом мы остановимся немного подробнее.

Для случая, когда объектив с фокусным расстоянием 25 мм имеет отклонение оптической оси 0.2° (на примере объектива Pentax C2514-M) и используется с матрицей фо­топриемника 8.8x6.6 мм, наблюдается следующая картина. Допустим, что матрица установлена точно по центру, парал­лельно плоскости крепления объектива. При угле отклоне­ния 0.2° смещение центра изображения от центра матрицы не превысит 90 мкм, т.е. можно считать, что его практически нет. Далее предположим для начала, что поле изображения плоское (не обладает кривизной). Так как имеется отклоне­ние оптической оси, то поле изображения не «ляжет» полно­стью на плоскость матрицы фотоприемника (рассматрива­ем сечение). Один край останется перед матрицей, а второй уйдет за нее. Соответственно, с увеличением углового поля будетувеличиваться зазор между матрицей и полем изобра­жения. На расстоянии 4.4 мм от центра (край изображения) этотзазор составите мкм. Снова обратимся красфокусиро-вочным характеристикам объектива. Обращаем внимание на то, что смещение на 15 мкм приводит к заметному изме­нению КПК. В этом и заключается один из недостатков ма­лой глубины резко изображаемого пространства. А теперь вспомним, что поле изображения обладает кривизной. По этой причине в той части изображения, где поле «ушло за матрицу», его кривизна отчасти скомпенсирует отклонение оптической оси, а с противоположной стороны - усугубит, т. е. зазор увеличится. Здесь также стоит добавить, что мат­рица фотоприемника телекамеры может стоять с неболь­шим перекосом, который предугадать весьма не просто.

У объективов Fujinon HF25HA-1B и Computar M2514-MP отклонение оптической оси в два раза меньше, поэтому и зазор будет в два раза меньше, соответственно и влияние будет меньше.

Хотим также отметить, что, по мнению специалистов в области оп­тических измерений, такие откло­нения оси являются неизбежным технологическим разбросом.

По результатам измерений отно­сительного отверстия безусловно следует отметить объектив Fujinon HF25HA-1B, у которого получилось наиболее точное совпадение изме­ренного и заявленного значений. В пределах ошибки округления ос­тается объектив Pentax C2514-M, а вот на объективе Computar М2514-МР значение этого параметра явно округлили не в ту сторону. Объектив Computar M2514-MP отличается еще и тем, что у него самый маленький шаг из­менения относительного отверстия. Поэтому, если потре­буется выставить точное значение диафрагмы, то сделать это будет затруднительно.

Теперь сопоставим те характеристики объективов, которые мы ранее рассматривали по отдельности. На ри­сунке выше отображены частотно-контрастные характе­ристики протестированных объективов. Также мы решили к ним добавить аналогичную характеристику старого оте­чественного киносъемочного объектива Вега-7 с фокус­ным расстоянием 20 мм и относительным отверстием F2.0 (любезно предоставленного компанией «Спецтелетехни-ка»), который мы уже давно используем при тестировании телекамер.

Для полноты представления о качестве объективов при­ведем изображения пятен рассеяния на оси.

Как видно из топограмм пятна рассеяния объектив Fujinon HF25HA-1B обладает осевой комой и более замет­ными сферическими аберрациями, что выражается в рас­пределении энергии в кружке рассеяния. Также бросает­ся в глаза несимметричность распределения. Объектив Computar M2514-MP отличается меньшим радиусом цент­рального кружка, a Pentax C2514-M его симметричностью.

Среди трех объективов, которым посвящено данное тестирование, наилучшим разрешением на оси обладает

Обратите внимание на ЧКХ объектива Вега-7

Computar M2514-MP. Тот факт, что график характеристики объектива Fujinon HF25HA-1B проходит ниже остальных, объясняется его более низким заявленным разрешени­ем - 1.5 мегапиксела. А вот объектив Вега-7 разрабатывал­ся для использования с кинопленкой с размером кадра до 7.4x10.5 мм. С учетом того, что он рассчитывался на боль­ший формат кадра (формат 2/3" - 8.8x6.6 мм), этот объ­ектив обладает большей разрешающей способностью в центре поля. Также обратим внимание, что его заявленная фотографическая разрешающая способность в центре поля не менее 55 линий на миллиметр. Как показывает ЧКХ, на данной пространственной частоте объектив Вега-7 имеет КПК 0.8. В то же время заявленным значениям пространс­твенных частот тестируемых объективов соответствует КПК около 0.4. Более того, этот объектив рассчитан на больший угол поля зрения. Частотно-контрастные характеристики объектива Вега-7 на поле 9° мы приводить не стали, так как максимальное угловое поле для него - 16° (полный го­ризонтальный угол 32°), но, тем не менее, укажем, что по паспорту разрешение по полю изображения составляет не менее 35 линий на миллиметр. Дополнительные коммента­рии здесь будут излишни.

Частотно-контрастные характеристики на угловом поле 9°, -9° показывают превосходство объектива Pentax C2514-M, у которого, как было отмечено ранее, получается наилучшим сочетание разрешающей способности в центре и по краям.

Топограммы пятна рассеивания

Для наглядности приведем таблицу соотношений КПК на за­данной пространственной частоте (130 л/мм) для оси и угло­вого поля, а также таблицу соотношений пространственных частот при заданном КПК (40%).

Чем меньше соотношение коэффициентов передачи конт­раста на оси и на поле для заданной пространственной часто­ты, тем лучше будет восприниматься изображение. То же са­мое можно сказать и о разности пространственных частот при фиксированном значении КПК. На­оборот, если разность велика, то бу­дет бросаться в глаза размытость на краях изображения. Таким образом, наихудшее соотношение получилось у объектива Computar M2514-MP.

Сравнивая расфокусировочные характеристики, обращаем внима­ние, что, хотя объектив Pentax С2514-М обладает меньшей глубиной резко изображаемого пространс­тва, у него менее всего заметен астигматизм на оси. Аналогичная характеристика объектива Fujinon HF25HA-1B отличается от других нехарактерным провалом при сме­щении плоскости изображения в положительном направлении.

 При закрытой диафрагме F5.6 объективы Pentax C2514-M и Computar M2514-MP обладают прак­тически одинаковым разрешением и глубиной резкости в центре, a Fujinon HF25HA-1B заметно превзошел кон­курентов по обоим параметрам.

Теперь осталось сравнить, на­сколько эти объективы отличают­ся равномерностью распределения КПК по полю изображения. В самом конце статьи отдельно приведены графики для меридионального и сагиттального сечений. В первую очередь обратим внимание на распределение КПК у объектива Pentax C2514-M. На угловом поле 3° наблюда­ется провал, который вероятно обусловлен локальной не­однородностью. Напоминаем, что измерения проводились только в одном произвольно выбранном сечении. Обычно в подобных ситуациях такую точку «выбрасывают» и прово­дят интерполяцию по соседним точкам. Результатом такой интерполяции является желтая штриховая линия, описыва­ющая распределение КПК по полю изображения. Примеча­тельно, что в таком случае у объектива Pentax C2514-M со­храняется высокое разрешение в пределах углового поля от -6° до 6°. Объектив Computar M2514-MP, с одной стороны, положительно характеризуется хорошей симметричностью распределения, а с другой - большим перепадом КПК в цен­тре и по краям, о чем было сказано ранее.

Из конструктивных особенностей объективов следует от­метить следующее. Фокусировка изображения у всех объ­ективов осуществляется перемещением всей группы линз вдоль оптической оси. В случае короткофокусных объекти­вов для исправления аберраций при фокусировке переме­щается отдельная группа линз, но для объективов с фокус­ным расстоянием 25 мм это уже не актуально.

  

Результаты данного тестирования в первую очередь про­демонстрировали нам, в общем, невысокие показатели качества мегапиксельных объективов. Однозначно говорить о том, какой объектив лучше, нельзя. Нужно исходить из того, что ожидается получить от объектива, при каких относи­тельных отверстиях планируется его использовать.

Объектив Fujinon HF25HA-1B обладает чуть меньшим по сравнению с остальными объективами разрешением в центре изображения и средним соотношением разрешаю­щей способности в центре и по полю. Вместе с этим Fujinon HF25HA-1B имеет относительно большую глубину резко изображаемого пространства и наибольшее значение КПК на расчетной частоте при частично закрытой диафрагме F5.6. Однако при таком относительном отверстии диафрагмы объектив имеет сильный спад распре­деления КПК в меридиональном сечении по полю изображения. Как достоинство можно выделить на­иболее точное соответствие заявленного и реально­го отверстия - F1.39 при заявленном значении F1.4. Недостатком объектива является его децентриров-ка, что является причиной наличия комы на оси, в то время как кома считается внеосевой аберрацией.

Объектив Computar M2514-MP показал самую высокую разрешающую способность на оси и в то же время самый большой разброс разрешающей способности в центре и по краям изображения. Это означает, что наиболее четко будет отображаться только центральная часть изображения в пределах от -3° до 3°. Наряду с достаточно большой глубиной резко изображаемого пространства этот объектив оказался наиболее симметричным по полю изобра­жения, но оговоримся, что это характерно для слу­чайно выбранной плоскости. При частично закрытой диафрагме F5.6 примечательно практически равно­мерное распределение КПК по полю изображения, но вместе с тем наблюдается сильное снижение максималь­ного значения КПК в центре.

      

Почему мы обратили внимание на равномерность рас­пределения КПК по полю? Дело в том, что полевая кома больше всего проявляется именно в меридиональном сече­нии, а, в отличие от других объективов, Computar М2514-MP имеет равномерное распределение КПК по полю, в том чис­ле и в меридиональном сечении. Объектив Computar М2514-МРобладаеттакже наибольшим расхождением между заяв­ленным и реальным значениями относительного отверстия диафрагмы - F1.47 при заявленном значении F1.4.

      

Объектив Pentax C2514-M продемонстрировал наилучшее соотношение разрешающей способности в центре и по краям при относительно высокой раз­решающей способности в центре. Однако объектив обладает малой глубиной резко изображаемого про­странства, что в совокупности с ощутимой неперпен­дикулярностью оптической оси к посадочному торцу, может привести к неблагоприятным последствиям. Уменьшение относительного отверстия диафрагмы у Pentax C2514-M до F5.6 приводит к заметной потере КПК на расчетной частоте и одновременно негативно сказывается на его распределении по полю изобра­жения в меридиональном сечении.