La vida a través de la lente-2. Lentes de larga distancia focal y sus características.
Continuando con la revisión iniciada en el número anterior de la revista, proponemos considerar con más detalle las principales características de las lentes de enfoque largo, así como Tocamos algunas cuestiones relacionadas con las características de su uso en sistemas de videovigilancia (CCTV).
Las lentes de enfoque largo están diseñadas para monitorear objetos distantes en los casos en que la observación de cerca no es posible o con el fin de detectar tempranamente acciones o violaciones no autorizadas dentro del área controlada. Estos objetivos también se denominan “teleobjetivos”.
En primer lugar, conviene recordarte la clasificación de las lentes.
El ángulo de visión de una cámara de televisión depende de las dimensiones físicas de su fotodetector y de la distancia focal de la lente. Según el ángulo de visión, las lentes se clasifican en de enfoque corto (gran angular), normales y de enfoque largo (angular estrecho).
Las lentes de larga distancia incluyen lentes cuya distancia focal excede la diagonal del fotodetector (matriz). Para el formato de matriz de 1/3” más común utilizado en cámaras CCTV, el tamaño diagonal es de 6 mm. Por lo tanto, para este tipo de cámaras, todos los objetivos con una distancia focal superior a 6 mm se clasifican formalmente como de gran distancia focal.
De las lentes de focal larga, cabe destacar las lentes de enfoque ultralargo, que tienen ángulos de campo de visión inferiores a 9 grados. Por ejemplo, para un fotodetector de formato 1/3″, estos incluyen lentes con una distancia focal de más de 30 mm, y para un formato de 1/2″, más de 40 mm.
Comencemos mirando los teleobjetivos con lentes de distancia focal fija, que se utilizan con mayor frecuencia en cámaras de televisión fijas. En esta clase de lentes, las lentes de espejo destacan por sus características únicas. La principal ventaja de estas lentes, a diferencia de las lentes, es la ausencia de aberraciones cromáticas debido a un diseño óptico fundamentalmente diferente. Con la ayuda de este tipo de lentes se pueden obtener imágenes de calidad fotográfica, ya que su resolución óptica es muy alta. La principal desventaja — baja apertura.
Si está utilizando un teleobjetivo con una distancia focal fija grande, es posible que necesite una cámara de visión general adicional con un ángulo de visión mayor para orientarla y aumentar el área de visión.
Muy a menudo, en los sistemas de videovigilancia se utilizan lentes con distancias focales variables: zooms. Se pueden dividir en varios grupos. Cada grupo se distingue principalmente por su finalidad, así como por su funcionalidad, rango de distancias focales, peso y dimensiones generales.
1. Varifocales 1/3”
10x – f(5–50)mm
20x – f(5–100)mm
Lentes varifocales con un rango de distancia focal de 5 a 50 (100) mm con iris automático. Un grupo de lentes que se utiliza con mayor frecuencia en cámaras de televisión fijas para resolver la mayoría de los problemas que enfrenta un sistema de videovigilancia. Le permite seleccionar el ángulo de visión óptimo de la cámara de TV cuando la instala directamente en el sitio. La versatilidad, el costo relativamente bajo, comparable al costo de las lentes monofocales, la compacidad y la facilidad de instalación determinan la alta aplicabilidad de este grupo. Por regla general, se trata de lentes con formato de 1/3”.
2. Motor ZOOM
1/4”
f de 3 a 130 mm
10x – 36x
Zooms de pequeño tamaño (tanto modulares como en carcasa) con un factor de aumento de 10 a 36 y una distancia focal de 3 a 130 mm. Se utiliza con mayor frecuencia en cámaras domo de alta velocidad. Como regla general, son un producto completo integrado con una cámara de TV, que contiene un módulo para el control telemétrico de modos. Se distinguen por su tamaño compacto, pequeño formato (1/4″) y alta velocidad de zoom y enfoque. Hay modelos con sistema de enfoque automático incorporado y modo día-noche.
3. Motor ZOOM
1/3” y 1/2”
f de 5 a 300 mm
10x – 20x
Zooms motorizados de 10 a 20 aumentos y un rango de distancias focales de aproximadamente 5 a 300 mm. Se diferencian en dimensiones medias, peso relativamente ligero, rango de distancias focales y, en consecuencia, coste. Se utiliza en cámaras de TV con carcasa protectora y se instala en un dispositivo PTZ que se compra por separado. A grandes distancias, las cámaras de televisión desde el puesto de observación se controlan mediante un módulo de control telemétrico especial, a distancias de hasta 20 m, directamente desde el mando a distancia. Colocan una carga relativamente pequeña sobre el mecanismo de soporte giratorio.
4. Motor ZOOM
1/3” y 1/2”
f de 10 a 100 0mm
(con 2x extensor)
f de 20 a 2000 mm
20x — 50x
Zooms motorizados de alta potencia (de 20 a 50 aumentos y más) con una distancia focal máxima (en la posición TELE) de 300 a 1000 mm o más. Se distinguen por su gran tamaño, peso y coste. Las cámaras con este tipo de lentes requieren una carcasa protectora de gran volumen y un mecanismo de soporte giratorio con una gran capacidad de carga.
Para aumentar la distancia focal de las lentes (zoom) hasta dos veces, se utilizan extensores (accesorios ópticos) con una multiplicidad de 1,5 o 2.
La multiplicidad de los modelos de zoom modernos puede llegar a 30 e incluso 50 veces. Sin embargo, un aumento en el aumento conduce a un aumento en el costo de la lente y una pérdida significativa de apertura al hacer zoom.
En la mayoría de los casos, los objetivos con zoom se utilizan junto con cámaras de televisión y dispositivos giratorios, lo que permite la vigilancia en grandes áreas. Al mismo tiempo, para el funcionamiento autónomo de dichas cámaras en modos automáticos (patrullaje, seguimiento, trabajo en posiciones predeterminadas, etc.), se necesitan sensores de posición para accionamientos eléctricos motorizados para hacer zoom y enfocar. La práctica ha demostrado que la eficacia del control de este tipo de cámaras únicamente por parte del operador es nula. Una cámara de TV PTZ con lente de zoom en modo normal debe funcionar de forma autónoma según un algoritmo especificado por el operador en modo automático, responder a sensores de alarma y notificar a seguridad en caso de acciones no autorizadas. En caso de que se produzca una alarma, si es necesario, el operador debe poder tomar rápidamente el control de esta cámara.
El control remoto de dichas lentes y mecanismos giratorios en la mayoría de los casos se realiza mediante equipos de telemetría especiales enviando comandos del protocolo seleccionado a través de una línea de dos hilos. Dichos equipos pueden integrarse en el propio dispositivo giratorio. La interfaz más común utilizada para el control de telemetría es el estándar RS-485 con protocolo PELCO.
Según el método de control de apertura, existen los siguientes objetivos:
sin control de apertura;
con control manual mecánico de diafragma;
con control automático del iris (ARD);
con accionamiento motorizado por membrana.
En algunos casos, puede ser necesario establecer una posición de apertura específica (o preestablecida) durante el control remoto por orden del operador o durante el modo de funcionamiento fuera de línea de la cámara de TV según el programa. El modo de funcionamiento del diafragma que permite dicho control se denomina OVER-RIDE. En este caso, el accionamiento del conjunto de membrana funciona mediante un sensor de posición.
Características de la óptica de enfoque largo y sus diferencias con las lentes normales (de enfoque medio). Como se sabe, la relación de apertura está determinada por la relación entre el diámetro efectivo de la lente frontal de la lente y la distancia focal. En nuestro caso, un aumento de la distancia focal y la apertura conduce a un aumento significativo de las dimensiones generales y el peso del objetivo con todas las consecuencias consiguientes. Estos incluyen un aumento en el tamaño de la carcasa protectora, resistencia al viento y carga sobre el mecanismo de soporte y giro. A medida que aumenta la distancia focal de la lente, aumentan significativamente los requisitos de rigidez y estabilidad del soporte, así como el juego del dispositivo giratorio, lo que debe tenerse en cuenta al diseñar o seleccionar estructuras de soporte para instalar una cámara de TV con tal óptica.
Es necesario tener en cuenta el hecho de que el fabricante indica la apertura relativa máxima de la lente, que caracteriza su apertura cuando la apertura está completamente abierta a la distancia focal mínima. A medida que aumenta la distancia focal, la relación de apertura disminuye. La magnitud del cambio en la apertura depende de las características de diseño de un modelo de zoom en particular, por lo que al elegirlo, se debe dar preferencia a una lente cuya apertura cambie menos al cambiar la distancia focal. Sin embargo, los fabricantes de ópticas guardan silencio sobre este valor, lo que lleva a la necesidad de determinarlo usted mismo.
La calidad de la imagen formada por la lente está determinada por su claridad, que, a su vez, se describe por la cantidad de contraste entre las áreas más brillantes y más oscuras, dependiendo del tamaño de dichas áreas (frecuencia espacial). La característica que describe esta dependencia se llama característica de contraste de frecuencia (MCC).
Para obtener una imagen de máxima calidad, la resolución del sistema óptico debe corresponder a las dimensiones físicas de los elementos de descomposición del fotodetector de la cámara de TV. La resolución óptica se mide en líneas por milímetro utilizando probadores de línea. En relación con la estructura discreta de los fotodetectores construidos a base de matrices CCD, para obtener la mayor resolución de imagen posible, la resolución óptica de la lente, es decir, el número de líneas por mm, no debe ser menor que el valor obtenido. con la condición de que una línea (principal) y un espacio entre líneas correspondan a 2 elementos de la descomposición de dicho fotodetector. Así, con una resolución óptica de la lente de 100 líneas por mm, el tamaño mínimo del elemento de descomposición (píxel) de la matriz CCD no debe ser superior a: 1 mm: 100 líneas por mm: 2 = 0,005 mm = 5 micrones .
Por ejemplo, las dimensiones del elemento de descomposición de matrices de alta resolución producidas por SONY con un número de elementos de 752 x 582 y un formato de 1/3” son 6,5 x 6,25 micrones.
La capacidad de una lente óptica para captar la radiación luminosa no sólo dentro del ángulo de visión, sino también de fuentes laterales conduce a una disminución del contraste de la imagen formada debido a la «iluminación» parásita de sus áreas oscuras. A medida que los ángulos de visión disminuyen (la distancia focal aumenta), la influencia de la «iluminación» del lado parásito aumenta cada vez más.
El contraste de una imagen está determinado por la diferencia de iluminación entre las partes más brillantes y más oscuras de la imagen, y aumentar el nivel de negro y disminuir el nivel de blanco reduce esta diferencia. Se produce una disminución del contraste en distancias focales largas debido a una disminución del brillo general de la imagen, que es consecuencia de una disminución de la relación de apertura.
Para combatir la “iluminación” lateral parásita y el deslumbramiento, se deben utilizar parasoles: campanas con una superficie interior que absorbe la luz, que se colocan en la parte frontal de la lente y protegen la pupila de entrada de la lente de las fuentes de luz ubicadas en el exterior. el campo de visión de la cámara de televisión.
Para cada modelo de lente, debe seleccionar un parasol de forma individual debido a la diferencia en los ángulos de visión y el diseño. Cabe recordar que el parasol no es un accesorio obligatorio; por regla general, no está incluido en el kit de lentes y, si es necesario, se puede pedir por separado al proveedor del equipo.
La dependencia espectral del índice de refracción del material de la lente es más notable en ópticas de enfoque largo con ángulos de visión pequeños y conduce a aberraciones cromáticas (distorsiones), que aparecen en la imagen como franjas de colores en los límites de áreas contrastantes. La claridad de la imagen se reduce notablemente. Para combatir este fenómeno se utilizan elementos ópticos de vidrio de baja dispersión (con un índice de refracción constante en el rango visible), que se denominan índice ED (Extra Low Dispersion).
El uso de elementos asféricos en el diseño óptico de la lente (con índice AS) permite aumentar la claridad en el borde de la imagen y la relación de apertura, reducir las distorsiones geométricas y las dimensiones generales.
Una lente con corrección infrarroja (IR) es capaz de trabajar no solo en la región visible, sino también en la región infrarroja cercana del espectro sin enfoque adicional. Estos lentes están diseñados para cámaras de televisión monocromáticas y cámaras diurnas y nocturnas capaces de funcionar en completa oscuridad con iluminación infrarroja.
Por tanto, la calidad de la imagen formada durante el proceso de conversión optoelectrónica utilizando una cámara de televisión y una lente depende de su colaboración (compatibilidad).
Cualquier lente es un sistema óptico de proyección, cuyo objetivo principal es proyectar una imagen del área observada con una distorsión mínima sobre la superficie fotosensible del fotodetector.
Las características más importantes del sistema óptico “Lente – Cámara de TV” son:
formato óptico – es el tamaño de la imagen o matriz que se está formando;
la distancia focal determina el ángulo de visión de la cámara de televisión;
La apertura determina la sensibilidad de la cámara de televisión;
la característica de contraste de frecuencia (MCC) describe la dependencia del contraste de la imagen generada con la frecuencia espacial;
las características espectrales influyen en la reproducción del color y la sensibilidad integral de la cámara de televisión;
la resolución determina el tamaño mínimo de los elementos de la imagen distinguibles por el contraste;
Las distorsiones geométricas introducidas violan la similitud geométrica de la imagen del objeto observado.
La finalidad de la cámara de televisión y sus condiciones de funcionamiento determinan los requisitos prioritarios para una u otra característica del objetivo.
Cuando se realiza vigilancia televisiva a larga distancia utilizando lentes con una distancia focal superior a 500 mm (1000 y 2000 mm), pueden surgir problemas relacionados con las características del ambiente del aire, su movimiento (flujos de calor, viento), así como el polvo, humos, niebla, precipitaciones en forma de lluvia, granizo y nieve. Por tanto, a la hora de diseñar un sistema de videovigilancia por televisión se deben tener en cuenta estos factores naturales, que pueden reducir en gran medida su capacidad de detección.
En conclusión, observamos que las lentes de larga distancia focal, y en particular las lentes con zoom, son equipos costosos y muy complejos que requieren un uso adecuado, así como medidas técnicas adicionales destinadas a maximizar las capacidades de dichas ópticas.
Las siguientes partes de la revisión examinarán las características asociadas con el control de lentes con zoom motorizados, así como los sistemas de posicionamiento modernos que pueden ampliar significativamente la funcionalidad de los sistemas de videovigilancia que utilizan dichos sistemas ópticos.
Lente zoom de longitud focal larga de 1/3 de pulgada con ADS Smartec STL-5055DC
El objetivo varifocal STL-5055DC de la marca Smartec tiene ajuste automático de apertura y se distingue por una amplia gama de distancias focales. Está fabricado en Japón y está diseñado para funcionar con cámaras CCTV de 1/3″ que tienen roscas de montaje tipo CS. La distancia focal del STL-5055DC se puede ajustar manualmente de 5 mm a 55 mm y la apertura se ajusta automáticamente de F1.4 a F360 bajo control de señal de CC. Su ángulo de visión horizontal se puede ajustar de 4,8° a 51,3°.
A diferencia de muchos análogos, este objetivo zoom proporciona una calidad de imagen ejemplar sin aberraciones geométricas ni cromáticas, ya que en su diseño se utilizan lentes asféricos y elementos ópticos fabricados con vidrio de baja dispersión. El STL-5055DC no pesa más de 140 gy tiene unas dimensiones reducidas para los modelos de enfoque largo: 42 x 50 x 64 mm.
Computadora TG10Z0513FCS (CBC, Japón)
Es una de las lentes más populares en el mercado de sistemas de seguridad. Tiene una distancia focal variable de 10x (5-50 mm) y un ángulo de visión de 57,6°~5,6° para cámaras con un tamaño de sensor de 1/3″.
Esta es la lente varifocal 10:1 más compacta del mercado CCTV actual. La apertura máxima de F1,3 combinada con la óptica asférica proporciona al objetivo un rendimiento excelente en condiciones de poca luz. Los tornillos de bloqueo le permiten asegurar los anillos de ajuste de nitidez y distancia focal, lo que evita que se muevan accidentalmente.
La lente TG10Z0513FCS viene con un cable de 9 cm o 31 cm y un conector de iris automático de 4 pines premontado.
TVR1618DC (f=16–160 mm F/1.8-360 DC IRIS Lente varifocal) (Tokina, Japón)
Lente varifocal de longitud focal larga TVR1618DC con una distancia focal de 16 a 160 mm. El objetivo es compatible con matrices de formato 1/2, lo que permite instalarlo en muchos tipos de cámaras de vídeo.
TVR1618DC es ideal para monitorear el tráfico en autopistas, ferrocarriles, fábricas, puertos y aeropuertos. Por lo tanto, con un zoom máximo con una cámara de video de formato 1/3, puede colocar un automóvil pequeño en pantalla completa desde una distancia de 56,7 m al objeto. Para eliminar los efectos de luz parásita y aumentar el coeficiente de transmisión de luz, se utilizan tecnologías de revestimiento múltiple. utilizado en el sistema óptico.
A la luz de la tendencia en la popularidad de las videocámaras IP, esta lente tiene ventajas sobre las lentes con zoom, ya que algunas cámaras IP no tienen un mecanismo de ajuste de enfoque posterior y solo las lentes varifocales son adecuadas para dichas cámaras. El objetivo está equipado con un soporte de montaje para reducir la carga sobre el anillo de montaje de la cámara.
YV3.3x15SA-SA2 (Fujinon, Japón)
Lente varifocal megapíxel con ARD, 1/3″ – 1/4″, f = 15–50 mm, F = 1,5, ángulo de visión (1/3″, grados: 18,08 x 13,34; 5,35 x 4,12)( 1/4″, grados: 13,34 x 10,10, CS, factor de aumento – 3,3). El modelo de megapíxeles de enfoque largo YV3.3x15SA-SA2 con una distancia focal de 15 a 50 mm tiene un ángulo de visión horizontal de 5° a 18° (a 1/3″) y proporciona la máxima aproximación posible al objeto de observación.
Se recomiendan lentes megapíxeles para su instalación en cámaras IP que brindan videovigilancia en locales grandes, en exteriores, así como en objetos con iluminación excesiva, insuficiente, desigual y variable.
La lente utiliza lentes de vidrio de baja dispersión con un alto índice de refracción, lo que reduce la pérdida de luz cuando los rayos pasan a través de la lente y, como resultado, llega más luz a la matriz de la cámara de megapíxeles. Estos elementos ópticos son notablemente más delgados, por lo que la lente megapíxel tiene unas dimensiones compactas y un peso reducido, lo que permite su instalación incluso en los modelos de carcasas domo más habituales del mercado.
Una serie de lentes motorizados con zoom de 25x LMZ250, LMZ375 y LMZ750 (Kowa Company Ltd., Japón)
El uso de vidrio de baja dispersión (ED) reduce la aberración cromática y aumenta la claridad de la imagen. La tecnología 3-CAM DESIGN garantiza la estabilidad del enfoque y una alta confiabilidad de los componentes mecánicos durante los cambios de temperatura.
Los lentes de esta serie se distinguen por su alta apertura, baja dispersión de luz, reflejos internos mínimos, excelente calidad de imagen, confiabilidad y calidad japonesas y costo competitivo.
Formato óptico – ½ pulgadas. Rango de distancia focal: LMZ250 – 10–250 mm; LMZ375 – 15–375 milímetros; LMZ750 – 30–750 mm.
Agujero relativo (número F): LMZ250 – 1,5; LMZ375 – 2,3; LMZ750 – 4.6.
Opciones y marcas de lentes: Direct Drive AM-DC, AMP-DC (con sensores de posición); Video Drive tipo DGS AM, AMP (con sensores de posición); diafragma motorizado; Modo “Anulación AM-OR, AMP-OR” (con sensores de posición).
Lentes varifocales de longitud focal larga de 1/3” Spacecom DRACO TV555M IR con RD
Los objetivos con zoom día-noche de larga distancia focal y apertura manual se fabrican bajo la marca japonesa Spacecom y son compatibles con cámaras de 1/3 de pulgada de cualquier fabricante. Le permiten ajustar la distancia focal en el rango de 5 a 55 mm, tienen un zoom óptico de 11x, el ángulo de visión horizontal máximo posible de 53 grados, una apertura de F1.4 y permiten que la cámara proporcione alta calidad las 24 horas. videovigilancia. TV555M IR está equipado con lentes fotocromáticas hechas de vidrio ED (dispersión ultrabaja). Estas lentes igualan los ángulos de refracción de ondas de diferentes longitudes y cambian su transmisión de luz dependiendo de la iluminación en el área de videovigilancia sin el efecto de desenfocar la imagen.
Lentes varifocales 13VM20100AS/13VG20100AS (Tamron, Japón)
Los lentes varifocales con distancias focales de hasta 100 mm proporcionan una ventaja al capturar un objetivo de precisión, como un matrícula, a gran distancia. Cuando se utilizan en sistemas de videovigilancia, por ejemplo en ciudades, las lentes proporcionan una alta calidad de imagen para el seguimiento a largas distancias en una amplia variedad de aplicaciones. Al reducir las aberraciones y utilizar elementos esféricos en las lentes, las lentes se han vuelto más compactas.
Tamaño de matriz compatible — 1/3, fijación — Tipo GS. Distancia focal: 20-100 mm. Rango de apertura: — F/1.6-Cerrar F/1.6-360. Las lentes utilizan aperturas manuales (13VM20100AS) y CC (13VG20100AS).
