668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

объектива; D – диаметр входного зрачка объектива.

При = 555 нм получаем Nос 1470k . Если k = 2, то Nос 735 линий/мм. В реальных объективах на разрешающую способность существенное влия-

ние оказывают остаточные аберрации, которые деформируют и расширяют фигуру рассеяния изображения точки.

При изменении относительного отверстия объектива регулировкой апертурной диафрагмы разрешающая способность изменяется по закону, отличному от выражения (2.1). При максимальном относительном отверстии разрешающая способность уменьшается из-за действия аберраций. Разрешающая способность поэтому максимальна при некотором промежуточном значении относительного отверстия. Разрешающая способность непостоянна по полю изображения – она максимальна в центре и заметно падает к краям из-за возрастания, как дифракционных явлений, так и остаточных аберраций.

Разрешающая способность оптической системы определяется с помощью испытательных таблиц – штриховых или радиальных мир. Штриховая мира состоит из групп параллельных темных и светлых полос различной частоты и ориентации, радиальная мира – из серии радиальных полос (светлых и темных) переменной ширины. Изображение миры проецируется коллиматором и оптической системой в фокальную плоскость последней. Разрешающая способность при штриховой мире определяется по группе самых узких полос, а при радиальной мире – минимальным радиусом, при котором штрихи видны раздельно. Если изображение миры рассматривается в микроскоп, то предел разрешения оптической системой ограничивается контрастной чувствительностью глаза. Полученная таким образом разрешающая способность N осв называется визу-

альной. Для телевизионных объективов визуальная разрешающая способность составляет 200…400 линий/мм.

Разрешающая способность телевизионной системы, так же как и в оптике, определяется предельным числом еще различимых черных и белых полосок равной ширины, укладывающихся на отрезке определенной длины, при съемке специальных испытательных таблиц. Однако в отличие от оптики в телевидении разрешающую способность оценивают общим числом черных и белых линий, укладывающихся по высоте телевизионного кадра. Для определения разрешающей способности передающей камеры разрешающие способности объектива и камерной головки должны быть выражены в одинаковых величинах. Предельная разрешающая способность камерной головки N кг в оптических линиях на мм можно выразить как

Nкг z 1 qк 2h ,

где z – число строк разложения; qк – относительное время обратного хода кадровой развертки; h – высота рабочей части светочувствительной поверхности матрицы ПЗС.

чин, естественно, это перманентный дефицит времени, которого часто может не хватать на смену объективов. На практике – один вариообъектив всегда лучше большого набора объективов с постоянным фокусным расстоянием.

Современные вариообъективы с разными техническими характеристиками для различного применения изготавливаются фактически тремя фирмами: Angenieux («Энжене») во Франции, Canon и Fujinon в Японии. К настоящему времени мировые производители телевизионной оптики предлагают более 120 наименований данных оптических устройств.

Вариообъектив – достаточно сложный оптический прибор. На рис. 2.1 приведены упрощенные оптические схемы масштабирования современных объективов [7, 8]. В составе вариообъектива довольно много линз, которые, с некоторым упрощением, можно разделить на четыре функциональные группы. Входная или первая (фронтальная) группа – это фокусирующая часть. Функционально она является тем, что принято называть объектной линзой объектива. Основная функция фронтальной группы заключается в фокусировке объектива. Ее передняя и задняя линза неподвижны. Перемещаются только внутренние линзы. Это обстоятельство подчеркивается термином «внутренняя фокусировка» (Inner Focus). Вторая группа линз – это вариатор. Вариатор представляет собой подвижную группу линз, управляющую передним фокусным расстоянием. Когда вариатор находится в крайнем левом положении (см. рис. 2.1, а), переднее фокусное расстояние минимально, а угловое поле зрения объектива мак-

Рис. 2.1. Конструкции вариообъективов различных типов:

а) широкоугольный вариообъектив; б) вариообъектив, рассчитанный на средние дистанции рассматривания;

в) вариообъектив телескопического типа

симально. В крайнем правом положении вариатора (см. рис. 2.1, в) фокусное расстояние максимально. В этом положении вариатора объектив обеспечивает режим рассматривания удаленных объектов (телескопический режим). Промежуточные положения вариатора (см. рис. 2.1, б) соответствуют средним дистанциям рассматривания.

Третья группа линз (компенсатор) составлена из двух частей – подвижной и неподвижной. Подвижная часть компенсирует смещение изображения при перемещении вариатора и, тем самым, обеспечивает неподвижность плоскости изображения объектива. Неподвижная часть компенсатора снижает аберрационные искажения до приемлемого уровня. Ирисовая диафрагма вариообъектива размещается между подвижной и неподвижной частями компенсатора. Ирисовая диафрагма (от лат. «радужная оболочка») обычно состоит из нескольких (от 3 до 20) поворотных серповидных лепестков, приводимых в движение кольцом на оправе объектива или (в большинстве современных объективов) электроприводом, управляемым видеокамерой. При полностью открытой диафрагме лепестки формируют круглое отверстие, при частично закрытой – многогранник, близкий к кругу.

Четвертая группа линз (переноса изображения) формирует изображение на светочувствительной поверхности матриц ПЗС. По сути, группа переноса изображения – это окуляр объектива. Именно она обеспечивает неподвижность плоскостей изображений, которые формирует вариообъектив. Важны именно неподвижность и точное положение в пространстве, поскольку надо обеспечить их совмещение с поверхностью ПЗС. В объективах со встроенным мультиплексором его элементы (линза) также входят в оптическую группу переноса изображения. На группу переноса изображения также возложена функция коррекции аберрационных искажений, чем и объясняется ее сложный состав. Затененный прямоугольник на рис. 2.1 – условное обозначение светоделительной системы телевизионной камеры.

Впринципе, изменить фокусное расстояние можно и дискретно, и плавно. Наибольшее распространение получили объективы с плавно изменяемым фокусным расстоянием (панкратические объективы). По методам коррекции аберраций объективы с переменным фокусным расстоянием делятся на трансфокаторы и вариообъективы. Трансфокатор, фактически, – система, состоящая из обычного объектива и встроенной перестраиваемой афокальной (телескопической) группы линз. Аберрации афокальной группы трансфокатора исправляются отдельно. В вариообъективе коррекция всех аберраций выполняется для всей системы, как единого целого.

Вобъективах с ручным управлением масштабированием применяется традиционный для фотообъективов баррельный (цилиндрический) механизм. В современных объективах с автоматическим управлением перемещения линз вариатора и подвижной части компенсатора обеспечивает специальный электрически управляемый двигатель. Следует отметить, что современные вариообъективы автоматизированы полностью, то есть насыщены электронными элементами автоматического управления с различными параметрами и режимами работы.

Их обязательный элемент ныне – микропроцессор, который управляет всеми рабочими функциями в оптимальном режиме. Электронные системы облегчают работу оператора и снимают с него многие рутинные функции. Автоматизация вариообъектива не исключает, естественно, и ручное управление им.

Такой сложный оптический прибор, как телевизионный вариообъектив, характеризуется множеством технических параметров, совокупность которых дает полное представление о его работе. Большинство параметров вариообъективов аналогичны соответствующим техническим характеристикам телевизионных объективов с фиксированными фокусными расстояниями. Группа специфических параметров вариообъективов – это параметры фокусирования (Zooming). В первую очередь, к ним относятся рабочий интервал фокусных

ными расстояниями, и кратность М изменения фокусного расстояния. Коэффициент М определяется как отношение максимального и минимального фокус-

ментами маркировки любого вариообъектива.

Угловой размер поля зрения вариообъектива существенно зависит от текущего значения фокусного расстояния. В зависимости от возможных значений угла поля зрения вариообъективы, используемые в телевидении, классифицируются на три группы: широкоугольные (угол поля зрения 85...100 ), стандартные (65...75 ) и длиннофокусные (50...60 ). Для вариообъективов увеличение фокусного расстояния приводит к уменьшению угла поля зрения, так как размер матрицы ПЗС – величина постоянная.

Расстояние от объектива до ближайшего объекта, который можно снимать без потери резкости, называется минимальным рабочим расстоянием (MOD – Minimum Object Distance). У вариобъективов в среднем MOD лежит в диапазоне от 0,65 до 0,8 м. У объективов с большим коэффициентом трансфокации (33:1) MOD может быть более 2 м. Многие вариообъективы оснащены специальным механизмом, который позволяет удерживать в фокусе объекты, находящиеся ближе минимального рабочего расстояния (режим макросъемки). Этот механизм сдвигает группу линз вглубь объектива для поддержания резкости на более близком расстоянии, но это не позволяет использовать объектив в качестве оптического устройства с постоянным фокусным расстоянием.

Современные телевизионные вариообъективы классифицируются по размерам ФПМ, используемым в передающих или видеокамерах, а также по форматам кадра изображений 4:3 или 16:9. Сейчас в телевизионных камерах используются ФПМ нескольких размеров, а именно: 2/3 , 1/2 и 1/3 . Приведенные цифры – это диагональный размер светочувствительной части матриц в дюймах. Формат кадра изображения в вариообъективах последних моделей чаще всего бывает переключаемым, то есть они являются двухформатными по изображению.

Телевизионные вариообъективы как для вещательного стандарта, так и для телевидения высокой четкости, можно разделить на следующие основные группы по типу применения:

для внестудийных съемок;

для студийных передач;

для видеожурналистики и внестудийного видеопроизводства (ВЖ/ВВП);

для профессиональных съемок;

для электронного кинематографа;

для телеконференций, макросъемок и др.

Основным направлением в создании новых и модернизации ранних разработок стало применение в современных студийно-внестудийных объективах системы автоматического цифрового управления. Эта система значительно увеличивает надежность и точность работы оптики и удовлетворяет всем требованиям вещательных систем последнего поколения. Цифровое автоматическое управление реализовано во всех объективах серий Digital (Angenieux), Digi Super (Canon), Digi Power (Fujinon).

Общими чертами каждой из них являются:

компенсация эффекта масштабирования (эффект Breathing) при фокусировке на дистанцию, который проявляется в уменьшении угла поля зрения при наведении на резкость (сохранение угла поля зрения – Anti-Breathing Device (Angenieux), CAFS (Canon), Zooming Effect (Fujinon));

наличие микрокомпьютера в каждом автоматическом блоке управления, который с 13-разрядной точностью управляет диафрагмой;

возможность дистанционного управления масштабированием, фокусировкой и диафрагмой;

предустановка одного кадра с запоминанием позиции zoom/focus;

выбор различных вариантов скоростей и видов масштабирования;

контроль постоянства освещенности при снижении относительного отверстия на больших фокусных расстояниях;

внутренняя фокусировка;

возможность переключения формата кадра 16:9/4:3 (Ratio Convertor – Fujinon, Crossover – Canon), с увеличением 0,8х для сохранения угла поля зрения;

возможность быстрой установки фокуса и масштабирования;

механизм плавной подстройки заднего фокуса (Zoom Track – Canon, AB Focus – Fujinon);

полная совместимость с аналоговыми аксессуарами.

Вместе с тем, есть и некоторые отличия. Для оперативного контроля параметров объектива Fujinon используется система диагностики Find System, которая контролирует фактические значения параметров диафрагмы, масштабирования и фокусировки и сравнивает их с номинальными значениями. Результаты диагностики отображаются цифровыми кодами на панели корпуса объектива. У фирмы Angenieux применяется цифровое дисплейное управление ADS (Advanced Display System). Эта система обеспечивает быстрое и точное управление функциональными блоками, позволяет настраивать, корректировать через переносной дисплей все установленные для работы параметры: диафрагму, глубину поля, фокусное расстояние, дистанцию съемки, положение мультиплексо-

ра, варианты масштабирования, а также вводить новые значения, в зависимости от изменений условий съемок. Имеется цифровой блок запоминания шести положений позиций zoom и focus.

Ввариообъективах фирмы Fujinon, выполненных по цифровой технологии Digi Power, для каждого значения фокусного расстояния и дистанции съемки встроенный микропроцессор по специальной программе управляет перемещением компенсирующего линзового элемента, расположенного в постоянной линзовой группе объектива. Это помогает достичь эффективной коррекции помех и кривизны поля. Фокусирующий компонент «плавает» между линзами, а фронтальная линзовая группа остается неподвижной. Благодаря этому отсутствует вращение светофильтров и сохраняется герметичность объектива. Возникающие при фокусировке хроматические аберрации не увеличиваются. Кроме того, внутренняя система фокусировки обеспечивает более широкий угол обзора на минимальных расстояниях до объекта съемки, а также позволяет уменьшить количество линз и, следовательно, размеры корпуса объектива. Все механизмы защищены специальным протеиновым покрытием, которое оберегает их от пыли и влаги.

Вконвертере формата кадра предусмотрена компенсация сужения угла съемки при переключении камеры.

Вцелом, следует отметить основные тенденции развития оптики для современных цифровых телекамер:

улучшение качества оптических систем;

введение цифрового управления функциональными узлами объектива, что значительно повысило точность и надежность работы;

введение стабилизации изображения как для внестудийных объективов, так

идля объективов видеожурналистики;

наличие переключателя форматов для всех типов камер;

оперативный и эффективный контроль всех параметров объектива;

увеличение кратности диапазона фокусных расстояний при уменьшении массы и габаритов как для объективов внестудийного применения, так и для камер ВЖ/ВВП;

улучшение эргономики привода для комфортной эксплуатации.

Для примера основные технические характеристики современных вариообъективов различного назначения представлены в сводной табл. 2.1.

К новейшим разработкам фирмы Canon следует отнести два компактных студийных вариообъектива ТВЧ-типа с кратностью 22x и 23x серии DigiSuper: XJ23x7BIE-D и XJ22x7,3BIE-D. Данные объективы, в первую очередь, предназначены для портативных камер ТВЧ, которые все чаще стали применяться в студийном производстве. Диапазон фокусных расстояний данных объективов примерно равен 7,3…161 мм, относительное отверстие 1:1,8, максимальное время, затрачиваемое на масштабирование и фокусировку, соответственно равно 0,5 и 1,5 с. К другим новейшим объективам фирмы Canon относится ТВЧ

вариообъектив XJ100x9,3BIE-D, предназначенный для съемки спортивных соревнований и значительно удаленных объектов. Объектив XJ100x9,3BIE имеет диапазон изменения фокусных расстояний 9,3…930 мм (18,6…1860 мм с двукратным мультиплексором), максимальное относительное отверстие 1:1,7, угол поля зрения по горизонтали 54,6° для формата кадра 16:9, минимальную дистанцию съемки 3 м. Данная оптическая конструкция относится к объективам серии DigiSuper с системой цифрового автоматического управления. В объективе используется встроенная система стабилизации изображения Shift-IS, обеспечивается постоянство угла поля зрения при фокусировке.

Фирма Fujinon в последнее время также разработала ряд новых объективов ТВЧ-типа, например, вариообъектив XA101x8,9BESM, предназначенный для съемки спортивных соревнований и значительно удаленных объектов. Основные параметры данного объектива имеют следующие значения: диапазон изменения фокусных расстояний 8,9…900 мм, максимальное относительное отверстие 1:1,7, минимальная дистанция съемки 2,9 м. В рассматриваемом объективе достигнута наивысшая кратность М = 101х при широком угле поля зрения (56,5° по горизонтали). В нем применена многолинзовая подвижная группа, минимизирующая полевые аберрации, что улучшило качество изображения по полю кадра. В данный объектив встроена оптическая стабилизационная система, обеспечивающая четкое, стабильное изображение в условиях вибраций и тряски. Следует также отметить камерный вариообъектив ТВЧ-типа HA22x7,3BERM, имеющий широкий угол поля зрения (66,5° по горизонтали) при кратности М = 22х. Данный объектив имеет следующие значения основных параметров: диапазон изменения фокусных расстояний 7,3…161 мм (14,6…322 мм с двукратным мультиплексором), максимальное относительное отверстие 1:1,9, минимальную дистанцию съемки 0,85 м.

Т а б л и ц а 2.2

Технические характеристики современных вариообъективов ТВЧ-типа фирмы Angenieux

Студийно-внестудийная линейка объективов Thales Angenieux включает изделия серии Digital HD-20x, 60x, 70x для телекамер ТВЧ-типа. Причем объектив Digital 70HD имеет диапазон изменения фокусных расстояний 9,5…665 мм (22…1330 мм с двукратным мультиплексором), максимальное относительное отверстие 1:2,2, минимальную дистанцию съемки 2,5 м.

Основные технические характеристики современных вариообъективов ТВЧтипа фирмы Angenieux представлены в сводной табл. 2.2.

2.3. Системы управления объективами

Телевизионные объективы представляют собой оптико-механические устройства, содержащие большое число линз и других оптических и механических деталей. Отдельные линзы и склеенные пары укрепляются в самостоятельных внутренних оправах. В объективах с фиксированным фокусным расстоянием компоненты объединяются в единое целое корпусом объектива. В средней (или иной, предусмотренной оптической схемой) части объектива устанавливается регулируемая апертурная диафрагма, позволяющая изменять относительное отверстие в широких пределах. В вариообъективах отдельные линзы объединяются в промежуточных оправах, образуя основные компоненты объектива. Предусматривается возможность их взаимного перемещения с целью изменения фокусного расстояния. На объективах предусматривается возможность установки исполнительных механизмов устройств управления, а также элементов для крепления объектива к корпусу телевизионной или видеокамеры.

В телевизионных объективах предусмотрены три основные оперативные регулировки: фокусировка, изменение фокусного расстояния, то есть трансфокация и установка диафрагмы.

Фокусировка (focus). Формат высокой четкости, стремительно ворвавшийся в современную видеотехнику и завоевавший всеобщее признание, не только открыл перед специалистами телевидения новые горизонты качества, но

ипородил ряд довольно острых проблем и ограничений.

Суверенностью можно утверждать, что одной из наиболее важных является проблема обеспечения качественной и точной фокусировки, ибо увеличение разрешения изображения повлекло за собой значительное сокращение глубины резкости и уменьшение чувствительности съемочного оборудования. Последнее, следует особо отметить, только усиливает проблемы с глубиной резкости: уменьшение чувствительности приводит к необходимости работы при больших апертурах, что, в свою очередь, дополнительно уменьшает и без того сокращенную (в сравнении со стандартной четкостью) глубину резкости.

Данные факторы наиболее актуальны в случае съемок новостей и спортивных событий. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, даже самые дорогие современные накамерные мониторы (жидкокристаллические видоискатели) не могут обеспечить разрешение, эквивалентное стандарту Full HD. Вследствие этого в значительной степени повышаются риски некорректной