Чувствительность заявленная и реальная. Часть 2.
А теперь приступим к самому главному.
Иначе, как через объектив, световой поток на матрицу попасть не может. И измерение минимальной освещенности на матрице можно произвести только при наличии некоего конкретного объектива, обладающего и конкретной светосилой (1/F). И при указании чувствительности в обязательном порядке должна быть указана светосила того объектива, с которым производились измерения.
Например: 0,005 лк F1,2. Или : 0,005 лк 1/1,2 , что одно и то же. Но если светосила никак не указана, такую видеокамеру приобретать не следует.
Мы будем использовать эту камеру с тем объективом, который нужен нам для конкретной задачи. И наш объектив имеет совершенно конкретную светосилу (или число F), которая может существенно отличаться от той, что указана в параметрах чувствительности. Например, нам понадобился относительно длиннофокусный объектив (f=25 мм) с F-числом =4.
Обязательный в этом случае для решения вопрос – как изменится чувствительность нашей камеры с этим конкретным объективом?
Не будем вдаваться в геометрические тонкости, а отметим только, что световой поток распространяется источником света и принимается объективом не на плоскости, а в телесном угле. Поэтому зависимости носят квадратичный характер.
А именно:
В2 -чувствительность камеры с новым объективом, В1 – чувствительность при измерении , F1 – относительное отверстие (F-число) объектива при измерении, F2 – относительное отверстие установленного к применению объектива.
Или:
Вот та ключевая формула, по которой определяется реальная чувствительность видеокамеры при ее практическом применении с конкретным объективом.
И тогда для нашего примера:
Е2 = 0,005 х 42 /1,22 = 0,05555
Итак, стоило поставить другой относительно длиннофокусный объектив (f=25 мм), и чувствительность камеры упала на порядок.
Для иллюстрации того, как влияет на яркость изображения F-число, мы сделали фотографию одной и той же сцены при одной и той же выдержке, но при разном диафрагменном числе. Взяли объектив с F-числом =0,9 и сделали снимок при открытой диафрагме. А потом просто установили на шкале диафрагмы значение F=1,5. Светосила 1:1,5 – это очень хороший показатель для объектива. И, казалось бы, F-число изменилось всего на 0,6 единиц. Но, как следует из расчетов, световой поток на матрицу уменьшился примерно в 2 раза. Что наглядно и отражает фото.
Кстати, не многие задумываются, почему шкала диафрагмы объектива отмаркирована такими «непонятными» цифрами – 2 ; 2,8; 3,5; 4; 5,6; 8, 11; 16; 22. Шкала диафрагмы непрерывная, может быть выставлено любое промежуточное значение. А указанные на шкале значения носят название «степов» (шагов). При переходе от одного значения степа к соседнему освещенность матрицы изменяется в два раза. Если в сторону увеличения диафрагменного числа, то освещенность в 2 раза падает. И наоборот.
Особенности моторизованных объективов
Ну, а теперь переходим непосредственно к моторизованным объективам.
Сам смысл применения моторизованного объектива состоит в управлении его фокусным расстоянием для изменения поля зрения (масштаба изображения). Диаметр входного зрачка объектива при этом никак не меняется. А значит, с изменением фокусного расстояния неизбежно будет изменяться и геометрическая светосила объектива. С увеличением фокусного расстояния кратно будет увеличиваться F-число, а светосила, соответственно, кратно уменьшаться.
Справедливости ради стоит отметить, что в принципе существуют вариофокальные объективы (в т.ч. моторизованные), у которых светосила остается неизменной во всем диапазоне регулировки фокусных расстояний. Но подобная техника очень сложная и дорогая, предназначенная исключительно для профессионального телевизионного рынка. Применение подобных объективов для решения задач видеонаблюдения оправданным назвать не получится, поскольку в любой стационарной системе существует множество более простых и несравненно более дешевых способов обеспечения требуемого уровня освещения.
Часто в рекламных материалах указывается кратность моторизованного объектива – во сколько раз он позволяет увеличить фокусное расстояние, а, значит, и масштаб изображения. Но всегда при этом умалчивается, что в соответствии с вышеприведенной формулой чувствительность камеры уменьшится в квадрате этой кратности.
Достаточно массово применяются на рынке 30-кратные моторизованные объективы. И потребитель зачастую просто не задумывается, что при максимальном фокусном расстоянии чувствительность такой камеры уменьшается почти на 3 порядка (в 900 раз). Если при минимальном фокусном расстоянии чувствительность такой камеры составляет, например, 0,001 лк, то при максимальном — всего 1 лк.
Нас, как потребителей, интересует не показатель кратности объектива, а фактические значения диапазона фокусных расстояний. И в технической документации он непременно указывается. Не указать F-число для объектива вовсе – добросовестный производитель никогда себе такого не позволит. Кроме того, наряду с диапазоном фокусных расстояний указывают и соответствующий ему диапазон F-числа. Но может быть указано его значение только для минимального фокусного расстояния – так выглядит привлекательней (не обманули, просто не все сказали). Но теперь, когда у нас есть формула, и мы разобрались в сути вопроса, можем самостоятельно пересчитать и F-число, и чувствительность камеры с данным объективом для любого значения фокусного расстояния, если есть величина чувствительности, приведенная к определенному значению F. Это всегда следует сделать заранее, чтобы не было сюрпризов уже в процессе работы.
Сюрпризы могут проявляться исключительно в условиях низкой освещенности, когда камера работает на нижнем пороге своей чувствительности.
Что есть, и что может быть
При нормальном дневном освещении будет происходить автоматическая регулировка экспозиции либо за счет работы электронного затвора, либо автоматической регулировки диафрагмы. При увеличении фокусного расстояния F-число в любом случае увеличится, светосила объектива упадет. Однако, при дневном освещении всегда останется запас в сторону уменьшения экспозиции для практически любой современной матрицы в плане ее чувствительности и реальных востребованных максимальных фокусных расстояний моторизованных объективов. В результате общая яркость сцены никак не изменится во всем диапазоне фокусных расстояний.
Но если в сумерках, а тем более в ночное время камера, которая нормально показывала в цвете при малых значениях фокусного расстояния, вдруг перешла в монохромный режим (при наличии функции «день-ночь») при попытке детализации изображения за счет увеличения фокусного расстояния моторизованного объектива, а то и просто плавно ушла в затемнение, а при возвращении к широкоугольному просмотру сцены изображение вновь полностью восстановилось, не стоит искать причины в неисправности оборудования. Все совершенно законно с точки зрения классической оптики.
Чтобы исключить подобные сюрпризы их надо заранее спрогнозировать и к ним подготовиться. А именно, просчитать реальную чувствительность видеокамеры во всем диапазоне фокусных расстояний моторизованного объектива и сопоставить ее с возможной яркостью объекта. Возможно, что необходимость применения моторизованного объектива потребует применения гораздо более чувствительной камеры, нежели для варианта с объективом фиксированного фокусного расстояния. Или потребуются дополнительные меры по увеличению освещенности сцены наблюдения.
Моторизованный объектив позволяет управлять полем зрения одной камеры от общего наблюдения сцены до детализации изображения в зависимости от диапазона фокусных расстояний. Однако, за все приходится платить. В том числе неизбежным падением светосилы при увеличении фокусного расстояния со всеми вытекающими последствиями. И не только. Есть и другие объективные ограничения, о которых тоже полезно знать заранее.