ВАРИФОКАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ АПЕРТУРЫ

Полезная модель относится к оптической технике, в частности к варифокальным объективам с автоматической регулировкой апертуры, и может быть использована при изготовлении объективов для систем наружного телевизионного наблюдения, работающих в условиях значительного изменения освещенностей наблюдаемых объектов.
В последние годы существенный прогресс в области создания фотоэлектронных приемников изображения с высокой чувствительностью привел к появлению на рынке систем наружного наблюдения универсальных приборов, способных осуществлять регистрацию изображений объектов в условиях не только нормального освещения, но и при низких уровнях освещенности (в сумерках, ночью при лунном свете и пр.). Появление таких приемников вызывает необходимость создания объективов для телевизионных камер, обладающих одновременно большой светосилой и высоким качеством изображения.
Вполне очевидным требованием потребителей систем наружного наблюдения является обеспечение их нормального функционирования не только в условиях низкой освещенности, но и в дневное время при высокой освещенности объектов солнечным излучением. Высокочувствительные фотоэлектронные приемники в этих условиях требуют специального аппаратного обеспечения их нормального функционирования.
Фотоэлектронные приемники изображения, применяемые в телевизионных камерах, разрабатываются и производятся в основном на базе матричных приемников излучения с зарядовой связью (ПЗС). Эти системы обладают ограниченным диапазоном работы по величине регистрируемого светового потока, причем снизу этот диапазон ограничен чувствительностью фотоэлектронного преобразования материала, из которого изготовлены элементарные фотоэлементы матрицы (пиксели) и собственными шумами фотоэлектронного преобразования, а сверху - эффектом насыщения фотоэлектронного преобразования и технологией считывания информации (соотношением скоростей растекания накопленного под действием облучения электрического заряда и его регистрации специализированными контроллерами указанных матричных фотоприемников).
Как известно, человеческий глаз также является системой наружного наблюдения и, безусловно очень упрощенно, включает объектив (роговицу), автоматическую систему фокусировки (хрусталик) и матричный фотоэлектронный приемник (сетчатку). Для обеспечения нормальной работы этой совершенной биосистемы природа предусмотрела в ее составе устройство автоматической регулировки апертуры в виде зрачка. При избыточной освещенности сетчатки мозг человека формирует команду для органа зрения уменьшить диаметр зрачка, а в сумерках, наоборот, диаметр зрачка увеличивается до максимального. Динамический диапазон органа зрения человека чрезвычайно широк. Глаз способен различать предметы ночью при освещенностях порядка 0.0001 люкс и днем при ярком солнечном свете с освещенностью предметов порядка 100000 люкс. Однако, даже человеческий глаз не способен различать детали слабо и сильно освещенных объектов, находящихся в его поле зрения одновременно. Предельные возможности человеческого зрения не превышают по этому параметру трех порядков.
По аналогии с природой разработчиками объективов для систем наружного наблюдения были созданы устройства для автоматической регулировки апертуры объектива в зависимости от падающего на него (и на приемник изображения) светового потока. В этих устройствах использованы лепестковые диафрагмы с подвижными компонентами, перемещение которых друг относительно друга приводит к уменьшению размера диафрагмы и, соответственно, к уменьшению проходящего через нее светового потока. Управление движением компонент лепестковой диафрагмы в этих устройствах осуществляется с помощью привода, причем управляющий сигнал на указанный привод поступает либо из схемы обработки видеосигнала телевизионной камеры, либо с внешнего фотоприемника, расположенного, например, внутри объектива.
Проблема расширения динамического диапазона работы фотоэлектронных систем наружного наблюдения неразрывно связана с проблемой обеспечения предельной разрешающей способности. Как известно, этот параметр связан с оптическими (в частности, аберрационными) характеристиками объектива и размерами пикселей используемых матричных фотоприемников. Причем, чем больше апертура объектива, тем хуже его разрешающая способность. Это обусловлено тем, что на краях линз объектива аберрации увеличиваются. Поэтому качество изображения в условиях слабой освещенности объектов (т.е. при полностью открытой апертуре объектива) несколько хуже, чем при малых апертурах. Следуя логике, можно предположить, что уменьшение апертуры объектива должно приводить к повышению его разрешающей способности. Однако, на практике установлено обратное: при чрезмерном уменьшении размера апертуры объектива в условиях наблюдения сильно освещенных объектов разрешающая способность вновь уменьшается, что вызвано эффектами дифракции на резких краях апертуры и дифракционному расплыванию изображения на фоточувствительной площадке приемника изображения. Сохранение высокой разрешающей способности объектива в широком динамическом диапазоне освещенности наблюдаемых с его помощью объектов может быть обеспечено при условии принудительного ограничения размера апертурной диафрагмы объектива и нахождения соотношения между предельно допустимым (минимальным) размером его апертурной диафрагмы и размером пикселей приемной площадки фотоэлектронного приемника изображения.
Известен объектив марки LM8PB, производимый компанией KOWA, включающий набор линз, установленных вдоль оптической оси и обеспечивающих формирование оптического изображения, а также устройство для автоматической регулировки апертуры объектива, содержащее управляемую от электромагнитного привода лепестковую диафрагму с изменяемой апертурой и нейтральный фильтр, имеющий три круглых концентрических участка с различными, равномерными по апертуре, уменьшающимися от периферии к центру коэффициентами пропускания видимого света и расположенный в плоскости апертурной диафрагмы. При этом линзы в данном объективе выполнены неподвижными так, что объектив имеет фиксированное фокусное расстояние. Использование нейтрального фильтра со ступенчатой функцией пропускания в поперечном сечении обеспечивает расширение динамического диапазона регистрации изображения объектов с различной степенью освещенности.
Основным недостатком данного объектива является отсутствие возможности изменения его фокусного расстояния и, как следствие этого, ограниченные функциональные возможности наблюдения удаленных и близко расположенных объектов с помощью одной камеры.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объективу и принятым за прототип является варифокальный объектив с автоматической регулировкой апертуры марки H30Z1015AMS, производимый компанией СВС под торговой маркой Computar. Данный объектив включает набор линз, установленных вдоль оптической оси и обеспечивающих формирование оптического изображения, а также устройство для автоматической регулировки апертуры объектива, содержащее управляемую от электромагнитного привода лепестковую диафрагму с изменяемой апертурой и нейтральный фильтр, имеющий четыре круглых концентрических участка с различными, равномерными по апертуре, уменьшающимися от периферии к центру коэффициентами пропускания видимого света и расположенный в плоскости апертурной диафрагмы. При этом объектив снабжен электрическим приводом, а некоторые линзы в данном объективе кинематически связаны с указанным электрическим приводом и выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси так, что объектив имеет переменное фокусное расстояние.
Основными недостатками прототипа при работе в условиях высокой освещенности с чувствительными матричными фотоэлектронными приемниками изображения являются низкая разрешающая способность объектива, а также немонотонный характер изменения светопропускания объектива из-за ступенчатой зависимости пропускания градиентного фильтра.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в улучшении качества изображения, получаемого в системах наружного наблюдения.
Поставленная задача решается благодаря достижению технического результата, который заключается в повышении разрешающей способности объектива при работе в условиях высокой освещенности с чувствительными матричными фотоэлектронными приемниками изображения.
При реализации предлагаемой полезной модели указанный технический результат достигается за счет ограничения предельно допустимого (минимального) размера диафрагмы при автоматической регулировке апертуры объектива и использования градиентного нейтрального фильтра с плавной зависимостью пропускания от поперечной координаты, изменяющейся от минимального значения пропускания в центре к максимальному значению пропускания на краю.
Заявляемый варифокальный объектив с автоматической регулировкой апертуры включает набор линз, установленных вдоль оптической оси и обеспечивающих формирование оптического изображения, причем по меньшей мере одна из линз кинематически связана с электрическим приводом и выполнена с возможностью перемещения вдоль оптической оси, а также устройство для автоматической регулировки апертуры объектива, содержащее управляемую от электромагнитного привода лепестковую диафрагму с изменяемой апертурой и нейтральный фильтр, расположенный в плоскости апертурной диафрагмы, причем устройство для автоматической регулировки апертуры объектива дополнительно включает датчик размера апертуры лепестковой диафрагмы, а нейтральный фильтр имеет плавную зависимость пропускания от поперечной координаты от минимального значения пропускания в центре к максимальному значению пропускания на краю.
Кроме того, датчик размера апертуры лепестковой диафрагмы может быть выполнен в виде датчика Холла.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На Фиг.1а представлена схема устройства для автоматической регулировки апертуры прототипа. На схеме показаны корпус 1, в котором установлены два лепестка диафрагмы 2, один из которых кинематически соединен с электромагнитным приводом линейного перемещения 3, а также нейтральный фильтр 4, имеющий четыре круглых концентрических участка с различными, равномерными по апертуре, уменьшающимися от периферии к центру коэффициентами пропускания видимого света и установленный в центре апертуры. На Фиг.1б показан нейтральный фильтр 4, а на Фиг.1в изображен ступенчатый график зависимости пропускания нейтрального фильтра 4 от радиальной координаты. На Фиг.2(а, б) приведены изображение нейтрального фильтра 5, предлагаемого к использованию в заявляемой полезной модели и график плавной зависимости пропускания нейтрального фильтра 5 от поперечной координаты от минимального значения пропускания в центре апертуры к максимальному значению пропускания на ее краю. На Фиг.3 представлена схема заявляемого варифокального объектива с автоматической регулировкой апертуры. На схеме показаны корпус объектива 6, внутри которого расположены неподвижно установленные вдоль оптической оси объектива линзы 7 и по меньшей мере одна линза 8, выполненная с возможностью перемещения вдоль оптической оси и кинематически связанная с электрическим приводом 9. Кроме того, на схеме показан датчик Холла 10, установленный в непосредственной близости от электромагнитного привода линейного перемещения 3, обеспечивающего перемещение по меньшей мере одного лепестка диафрагмы 2. Датчик Холла 10 связан с электромагнитным приводом линейного перемещения 3 таким образом, что он способен реагировать на изменение магнитного поля указанного привода и вырабатывать электрический сигнал, несущий информацию о положении перемещаемого(ых) лепестка(ов) диафрагмы 2 и, соответственно, о размере апертуры объектива. На Фиг.4 приведена схема заявляемого варифокального объектива с автоматической регулировкой апертуры, работающего в составе системы видеонаблюдения. На данной схеме показаны видеокамера 11, включающая фотоэлектронный приемник изображения 12, блок управления варифокальным объективом с автоматической регулировкой апертуры 13 с электронным затвором, а также модуль обработки и формирования видеосигнала 14.
Для нахождения соотношения между предельно допустимым (минимальным) размером апертурной диафрагмы объектива и размером пикселей приемной площадки фотоэлектронного приемника изображения, обеспечивающим сохранение высокой разрешающей способности объектива в широком динамическом диапазоне освещенности наблюдаемых с его помощью объектов автором были выполнены многочисленные эксперименты с объективами различных моделей и производителей. В результате этих экспериментов установлено, что уменьшение размера диафрагмы до значения, составляющего примерно одну десятую фокусного расстояния объектива, не приводит к ухудшению резкости изображения, наблюдаемого с помощью стандартных матричных фотоприемников. Дальнейшее уменьшение размеры диафрагмы с точки зрения сохранения разрешающей способности объектива и получаемого контраста изображения оказывается недопустимым.
Объяснением этому могут служить следующие рассуждения. Действительно, хорошо известной причиной ограничения качества изображения является связь между апертурой объектива и длиной волны излучения, формирующего изображение, вытекающая из волновой природы света и обусловленная эффектами краевой дифракции. Минимальный размер изображения d, формируемого объективом, ограничен известным соотношением:
где λ - длина волны света, F и D - фокусное расстояние и апертура объектива, соответственно.
Для получения качественного изображения в пределе следует стремиться к тому, чтобы минимальный размер изображения d не превышал размера пиксела матричного фотоэлектронного приемника. Как известно, существующие технологии создания таких приемников допускают получение пикселов с размерами порядка нескольких микрон (обычно не менее 2 мкм и не более 6 мкм). Полагая, что за длину волны в формуле (1) можно взять значение из середины видимого диапазона λ=0.6 мкм, легко найти величину минимально допустимого размера диафрагмы D:
Использование в объективах, работающих с матричными фотоэлектронными приемниками, апертурных диафрагм с меньшими размерами приводит к ухудшению качества изображения. Таким образом, ограничение допустимой апертуры объектива на уровне F/10 с точки зрения сохранения качества изображения можно считать обоснованным.
В устройствах для автоматической регулировки апертуры объектива следует применять ограничители размера диафрагмы. Эти ограничители могут быть механическими или электронными. Механические ограничители размера диафрагмы целесообразно использовать в объективах с фиксированным фокусным расстоянием. Для варифокальных объективов такое решение неприемлемо, в связи с чем в заявляемой полезной модели предлагается использовать электронный ограничитель размера диафрагмы.
Использование в устройствах для автоматической регулировки апертуры объектива нейтрального фильтра, существенным образом расширяет динамический диапазон работы систем наружного наблюдения. Однако, эффекты краевой дифракции, возникающие на границах этого компонента, также ведут к ухудшению качества изображения. Для устранения этого недостатка в заявляемой полезной модели предлагается использовать градиентный нейтральный фильтр 5 с плавно уменьшающимся от периферии к центру пропусканием, описываемым, например, функцией Гаусса.
Заявляемый варифокальный объектив работает следующим образом. При его установке на видеокамеру 11 обеспечивают формирование оптического изображение на приемной площадке фотоэлектронного приемника изображения 12. Электрический привод 9 линейного перемещения по меньшей мере одного линзового компонента 8 вдоль оптической оси объектива, электромагнитный привод 3 линейного перемещения лепестка диафрагмы 2, а также датчик размера апертуры лепестковой диафрагмы 10 подключают к блоку управления варифокальным объективом с автоматической регулировкой апертуры 13. При минимальной освещенности объекта, на который нацелен объектив, величина светового потока, падающего на фотоэлектронный приемник изображения 12 видеокамеры наружного наблюдения 11 и, соответственно, сигнал управления размером апертуры объектива, пропорциональный величине этого потока, малы. Апертура объектива при этом максимальна, т.е. лепестки 2 диафрагмы находятся в крайнем (максимально разведенном друг от друга) положении. Расположенный в центре апертуры диафрагмы градиентный нейтральный фильтр 5 не оказывает существенного значения на величину проходящего через диафрагму света, т.к. его размеры малы по сравнению с размером максимальной апертуры. При увеличении освещенности объекта падающий на фотоэлектронный приемник изображения 12 световой поток возрастает. Блок управления варифокальным объективом с автоматической регулировкой апертуры 13 формирует сигнал управления электромагнитным приводом линейного перемещения 3, величина которого пропорциональна световому потоку. Электромагнитный привод 3 под действием сигнала управления автоматически осуществляет линейное перемещение лепестка(ов) 2 диафрагмы в направлении уменьшения размера апертуры до положения заданного минимального размера, например, D=F/10. Датчик размера апертуры лепестковой диафрагмы 10 при этом вырабатывает сигнал текущего значения апертуры и передает его обратно в блок управления 13. При изменении фокусного расстояния варифокального объектива в результате перемещения по меньшей мере одного линзового компонента объектива 8 с помощью электрического привода 9 величина заданного минимального размера D изменяется соответственно, и ограничение апертуры осуществляется при другом значении ее диаметра.
В тех случаях, когда световой поток, падающий на приемную площадку фотоэлектронного приемника изображения 12 оказывается избыточным при минимальном значении апертуры, блок управления варифокальным объективом с автоматической регулировкой апертуры 13 может использовать процедуру управления электронным затвором фотоэлектронного приемника изображения 12, уменьшая, тем самым, время экспозиции изображения.
При приближении размера апертуры к минимальному значению все более существенный вклад в ослабление проходящего через апертуру объектива светового потока начинает вносить градиентный нейтральный фильтр 5. При этом качество изображения, формируемое объективом на фотоэлектронном приемнике изображения камеры наружного наблюдения, не ухудшается, так как проявление краевых дифракционных эффектов в значительной степени подавлено ввиду отсутствия резких границ и плавного изменения пропускания внутри апертуры. Большой динамический диапазон работы устройства обеспечен за счет корректного выбора значения минимальной апертуры диафрагмы объектива и использования градиентного нейтрального фильтра с плавной зависимостью пропускания от поперечной координаты, изменяющейся от минимального значения пропускания в центре к максимальному значению пропускания на краю.
Таким образом, в заявляемой полезной модели решена задача улучшения качества изображения, получаемого в системах наружного наблюдения, за счет сохранения высокой разрешающей способности объектива при работе в условиях высокой освещенности с чувствительными матричными фотоэлектронными приемниками изображения.