Lencsék
Maga a lencse egy olyan átlátszó anyagból készült, a környezeténél sűrűbb fénytörő közeg, amit két gömb, vagy egy gömb és egy síkfelület határol, és a ráérkező fénysugarakat a lencse jellegétől és kialakításától függő irányba töri meg. Az optikai lencséket főképp üvegből készítik, de gyakran használnak más átlátszó anyagot is az előállításukhoz. Az olcsó objektívek esetében különösen jellemző, hogy a lencséiket nem üvegből, hanem műanyagból gyártják. Ezekkel soha nem érhető el olyan minőségű kép, mint az üveglencsékkel. Jellemző még a tömeggyártásban készülő, alacsony árkategóriájú objektívek esetében, hogy a lencse ugyan üvegből készül, de az üvegolvadékból préseléssel állítják azokat elő. Ezektől szintén nem lehet jó minőségű, torzításmentes képalkotást elvárni.
A jó minőségű lencsék gyártása egy sok lépcsőből álló, időigényes és költséges technológiai folyamat eredménye, amire világviszonylatban is csak kevés gyártó képes.
A lencsegyártás
Az első lépés minden esetben a számítógépes tervezés, mely során a lencse összes paraméterét előre megtervezik. Ezután a megfelelő alapanyagok kiválasztása, illetve ezek helyes arányban történő összekeverése történik. A gyártók számos alapanyagot használnak a lencsék gyártása során, többek közt különféle kvarchomok fajtákat, hamuzsírt, ólomoxidot, szódát stb. Miután a kívánt keverék elkészült, az egészet 1500 ºC-ra hevítik. Tisztító és színtelenítő anyagokkal, valamint folyamatos keveréssel egy homogén olvadékot kapnak, melyet néhány nap alatt lehűtenek, és az így keletkezett üvegtömböt a repedések mentén darabokra törik. Az egyes darabok minőségi osztályozása után azokat újra hevítik, majd táblába öntik, és lehűtik. Ez a hűtés már több hónapot is igénybe vesz, így elkerülhető az üvegben a belső feszültségek, illetve a hibák kialakulása. Ezt követi a méretre vágás és a csiszolás, aminek több fázisa van. A durva csiszolás során először síkpárhuzamosra munkálják a szemben levő oldalakat, hogy össze tudják ragasztani, majd a megfelelő körátmérőre, végül a nagyjából megfelelő görbületre csiszolják az üveget. A finom csiszolás során nyeri el a lencse a végleges gömbfelületet, valamint a megfelelő áttetszőséget. A lencséket először szemrevételezéssel (felületi hibák), majd videómonitoron (görbületi pontosság) vizsgálják meg. Ha megfelelő minőségűek, akkor centrírozás során a mechanikai és optikai középpont közti esetleges eltéréseket kiegyenlítik. A mechanikai munkafolyamatok itt érnek véget. A gyártás utolsó mozzanataiként tisztítják, és tükröződésmentesítő bevonattal látják el a lencséket, ami a felületükre felvitt különböző vékony fémrétegekből áll. Erre azért van szükség, mert az üveglencsék felülete visszaveri a rajta áthaladó (ki- és belépő) fénysugarak 4-6%-át. Egy sok lencsetagból álló komolyabb objektív esetén a reflexiók miatti fényenergia veszteség már tetemes lehet. És akkor még nem is említettük a tükröződésből eredő fényszóródás által okozott rossz képalkotást, ami különösen a kiugróan világos képrészletek esetén érezteti hatását. A tükröződésmentesítő bevonatnak köszönhetően azonban az említett lencsénkénti 4-6%-os energiaveszteség akár 0,3%-ra is minimalizálható.
Az ismertető Szita Péter a www.stargate.tibike.hu oldalon megjelent írásának felhasználásával készült.
Lencsetípusok
A lencséknek fénytechnikai szempontból két fő típusuk van:
Gyűjtőlencse vagy domború lencse:
Az optikai tengellyel párhuzamosan érkező sugarak a lencsén áthaladva egy pontban (fókuszpont) gyűlnek össze. A lencse középen vastagabb, mint a szélén.
A gyűjtőlencséket további három típusra osztjuk:
- Bikonvex vagy kétszer domború
- Plánkonvex vagy síkdomború
- Homorúan domború vagy konkáv-konvex vagy pozitív meniszkusz
Szórólencse vagy homorú lencse:
Az optikai tengellyel párhuzamosan érkező sugarak a lencsén áthaladva széttartóan haladnak át, úgy hogy ha visszafelé meghosszabbítanánk ezeket a sugarakat, akkor egy pontban (fókuszpont) metszenék egymást az optika előtt. A lencse a szélén vastagabb, mint a közepén.
A szórólencséket is további három típusba soroljuk:
- Domborúan homorú vagy konvex-konkáv vagy negatív meniszkusz
- Plánkonkáv vagy síkhomorú
- Bikonkáv vagy kétszer homorú
Optikai tengelynek nevezzük a lencsét határoló felületek középpontját, illetve az optikai gömbtükör optikai középpontját összekötő egyenest. Az optikai tengelynek a lencse fősíkjával vett metszéspontja a lencse középpontja.
Lencsehibák
Az objektívekben felhasznált lencsék mindig tartalmaznak hibákat. Az általános lencsehibák alatt nem a gyártás vagy a megmunkálás során létrejövő pontatlanságokat, gyártási hibákat értjük, hanem a valós lencsék felépítéséből adódó természetszerű képalkotási problémákat. Az alábbiakban a legjellemzőbb hibákat soroljuk fel. Feltüntetjük az azonos típusú lencsehibáknak a szakirodalomban fellelhető eltérő megnevezéseit is.
| Lencsehiba illusztrációja | Megnevezései | Leírás |
 |
Szférikus aberráció Nyíláshiba Gömbi eltérés |
A lencse optikai tengelyében és a lencse szélén egymástól eltérő a fókusztávolság. A fénysugarak nem az elméleti fókuszpontban metszik a tengelyt, hanem szóródási kört hoznak létre. |
 |
Üstököshiba Kómahiba |
Hasonló, mint a nyíláshiba, de ebben az esetben a fénysugarak egyáltalán nem metszik egymást. |
 |
Asztigmatizmus Pontnélküliség |
A fénysugarak a lencsén áthaladva nem pontban egyesülnek, hanem két egymásra merőleges vonallá állnak össze, emiatt nem alakul ki éles kép. |
 |
Képmező elhajlás Képdomborúság |
A tárgyról készült kép egy görbült felületre képződik le élesen, nem pedig síkra. Ilyenkor vagy a kép széle vagy a közepe éles. |
 |
Képtorzítás Disztorzió Elrajzolás |
A lencse nem szabályosan adja vissza a látott képet, hanem vagy a képmező közepe felé, vagy a széle felé nagyít. Fajtái a párna- és a hordótorzítás. |
 |
Kromatikus aberráció Színi eltérés Színhiba |
Különböző színű (hullámhosszúságú) fénysugaraknál a lencsék törésmutatója is különböző, így a színösszetevőkből álló fény a lencse túloldalán nem ponttá áll össze, hanem elmosódott folttá. |
A fent felsorolt hibák közül az első ötöt monokromatikus hibának nevezzük, mivel ebben az esetben nem számítanak a fény színképpel kapcsolatos tulajdonságai, hanem homogénként tekintünk rá. A kromatikus hibák közül csak a színi eltérésre tértünk ki, mert ez az egyik legfontosabb ilyen jellegű hiba.
A lencsehibák mértéke – többek között – különböző lencsék egymáshoz illesztésével, lencserendszerek kialakításával jelentősen csökkenthető. A lencserendszerekből létrehozott objektív lencsetagjai képesek egymás hibáit bizonyos határok között kiegyenlíteni. A szférikus aberráció korrigálásának egyik módja például egy domború és egy homorú lencse összeillesztése, mert a két típus gömbi eltérései egymással ellentétes hatásúak. A kromatikus aberráció csökkentésére is hasonló módszert alkalmaznak, de itt már eltérő törésmutatójú üvegfajtákból (ún. koronaüvegből és flintüvegből) készült gyűjtőlencsét és szórólencsét ragasztanak össze. Így jön létre az akromát lencse. A nyíláshiba kiküszöbölésének egyik leghatásosabb módja az ún. aszférikus lencse alkalmazása.
Aszférikus lencse
A fényképezőgépek és a biztonsági kamerák objektívjeiben alkalmazott lencsék közül az egyik legfontosabb típusváltozat az aszférikus lencse, ami a japán Canon cég történetének egyik legjelentősebb innovációjaként 1971-ben jelent meg. A szférikus aberráció kiküszöbölésére ötletes megoldást találtak: a lencse szélei felé haladva folyamatosan növelték a lencse határoló gömbfelületének a görbületi sugarát, ezzel ezeken a helyeken le tudták csökkenteni a lencse fénytörő képességét, és korrigálni tudták a lencseszéleken jelentkező fókuszpont eltolódást. Az aszférikus lencsének mindig csak az egyik határoló felülete aszférikus, a másik oldal szférikus. A sok lencsetagot tartalmazó objektívek is általában csak egy-két aszférikus lencseelemet tartalmaznak. Az aszférikus lencsékből felépített objektívek fényáteresztő képessége és képalkotási minősége jelentősen meghaladja a szférikus lencsékből álló objektívekét. Az aszférikus objektív előállítása sajnos költségesebb, mint a szférikusé. Ennek is tulajdonítható, hogy Magyarországon az indokoltnál sokkal kisebb mértékben alkalmazzák a biztonsági kamerarendszerek kiépítésénél.
Az objektívek fajtái
Az objektívek különféle technikával (ragasztás, légrés kialakítás) összeillesztett speciális, más-más optikai tulajdonságokkal rendelkező lencsetagokból kialakított lencserendszerek. Mivel a lencsék önállóan nem képesek jó minőségű kép alkotására, és számos optikai és kromatikus hibát hordoznak, ezért az objektívek úgy vannak összeállítva, hogy az egyes lencsetagok kiegyensúlyozzák fajtáikból eredő hibáikat.
A piacon jelen lévő sok olcsó, műanyag lencsés objektív miatt a komolyabb gyártók általában kiemelik és feltüntetik az adatlapokon, hogy az adott objektív üvegből készült. Ahogy említettük, a jó minőségű lencsék gyártásához komoly műszaki háttér szükséges, így kevés olyan cég van, aki nagy fényerejű, kevés hibával rendelkező lencséket tud a piacra dobni. Ugyanez érvényes az objektívgyártásra is. Jellemző, hogy a nagyobb objektívgyártók maguk állítják elő objektívjeikhez a lencséket is. Cégünk is fontosnak tartja a minőségi objektívek alkalmazását, így az OKTEL Kft. elsősorban a világpiac vezető objektívgyártóinak termékeit használja a telepített kamerarendszereihez. Sajnos nem egy esetben találkozunk azzal, hogy egy jó minőségű kamerát gyenge optikával párosítanak. Ilyenkor hiába a magasabb kvalitású kamera, a végeredményt minden esetben a gyengébb objektív határozza meg.
Az objektívek a különböző lencséken kívül általában beépítve tartalmaznak egy fényáteresztést szabályzó szerkezetet, az íriszt, vagy más néven fényrekeszt, aminek a szerepét és a működését a későbbiekben részletesebben elemezzük.
A lencsék típusa, alakja, illetve a rekeszhez viszonyított elhelyezkedésük szerint az alábbi objektív típusokat különböztetjük meg:
- Egyszerű objektívek: A fényrekesznek csak az egyik oldalán vannak lencsék. Ezeket kis fényerő jellemzi, illetve a képrajzolásuk is gyengébb.
- Összetett objektívek: A fényrekesz mindkét oldalán vannak lencsék.
Az összetett objektíveket további alcsoportokra bonthatjuk:
- Szimmetrikus: A fényrekesz oldalain elhelyezkedő lencsék egyformák és a gyújtótávolságuk is azonos.
- Félszimmetrikus: A lencsék formája azonos, a gyújtótávolságuk viszont különböző.
- Aszimmetrikus: A lencsék formája, száma és gyújtótávolsága eltér egymástól. A CCTV kamerákban alkalmazott objektívek javarészt ilyenek.
IR korrigált objektívek
A fajták után nézzük meg, hogy hogyan épül fel egy összetett objektív!
Jobbról balra haladva:
- „Fókusz” lencse csoport
- Fókuszállító gyűrű
- Írisz lamellák
- Master lencsék
- Fókusz skála
- Írisz állítás
- F-stop skála
- Csatlakozó
Fókusztávolság
Az a pont, ahova az objektív a (végtelenből jövő) párhuzamosan beeső fénysugarakat összegyűjti, a fókuszpont. Az objektív lencserendszerének fénytani középpontja és a fókuszpont közötti távolság a fókusztávolság. Jelölése: f. Ezt az adatot milliméterben adják meg a gyártók, és általában megtalálható az objektív frontlencséjét körbevevő gyűrűn. Felhasználói szemszögből a fókusztávolság értéke azért jelentős, mert meghatározza, hogy az adott objektív normál, széles látószögű vagy teleobjektív.
Látószög
Látószögnek nevezzük azt a nyílásszöget, amely alatt a kamera az objektíven keresztül a környezetét látja.
A látószöget két tényező befolyásolja:
- Az objektív fókusztávolsága
- A képérzékelő chip mérete.
A fókusztávolságtól függ, hogy a környezetről vagy épp az adott tárgyról, melyre a kamera néz, mekkora lekicsinyített képet kapunk. Mivel az objektív lencséi kör alakúak, ezért az objektív által alkotott kép is az. Ez a kép azonban csak a körfelület középső részén kontúros és éles, a széleinél már nem. A kontúros és éles rajzolatú terület a hasznos képtér. Belátható, hogy a képérzékelő lapkának a hasznos képtéren belül kell elhelyezkednie. A képérzékelő chip mérete meghatározza a képkivágás méretét. A gyakorlatban ez a következőképpen néz ki:
Vegyünk egy adott méretű CCD vagy CMOS érzékelőt! Minél rövidebb gyújtótávolság tartozik ehhez, annál nagyobb lesz a látószög. Ugyanennél a chip méretnél a gyújtótávolság növelésekor, a kapott látószög egyre kisebb lesz. Röviden: állandó képérzékelő lapka méretnél a gyújtótávolság és a látószög fordítottan arányos egymással.
A képérzékelő és a látószög kapcsolata pedig úgy alakul, hogy minél kisebb a képérzékelő, a látószög is annál kisebb lesz.
Fontos tényező, hogy amennyiben a CCD vagy CMOS érzékelő átlómérete megegyezik az objektív fókusztávolságával, akkor normál látószögű, vagy alap objektívről beszélünk. Az ilyen normál objektív ugyanolyan képet ad, mint amilyen az emberi szem perspektívája. A jelenleg leggyakrabban alkalmazott 1/3”-os formátumú kamera alap objektívjének fókusztávolsága például f=8 mm.
Az elérni kívánt látószög alapján az alábbi objektív típusokból választhatunk:
- Nagy látószögű objektív: Ha széles teret átfogó, áttekinthető képet akarunk kapni, akkor ez az objektív típus a megfelelő.
- Normál látószögű (alap) objektív: Normál objektíveket abban az esetben szerelünk fel, ha olyan képre van szükség, mint amilyet az ember szabad szemmel lát.
- Teleobjektív: A teleobjektívek a nagyobb távolságból történő apró részletek megfigyelésére alkalmasak.
- Zoomobjektív: Az előbbi három objektív típus tulajdonságait egyesíti magában oly módon, hogy látószöge manuálisan, vagy motoros működtetéssel változtatható.
Az alábbi táblázatban a legelterjedtebb, 1/3”-os és 1/2”-os formátumú kamerák esetén adjuk meg néhány fókusztávolság értékhez tartozó jellemző látószöget, valamint ezek szakmai körökben ismert elnevezését.
1/3”-os formátumú kamera
| Fókusztávolság | Látószög | Megnevezés |
| 2,8 mm | 90º | Szuper széles látószög |
| 4 mm | 64º | Széles látószög |
| 8 mm | 35º | Normál látószög |
| 3,3-8 mm | 85-34º | Változtatható (zoom) látószög |
| 5-50 mm | 45-7º | Változtatható (zoom) látószög |
1/2”-os formátumú kamera
| Fókusztávolság | Látószög | Megnevezés |
| 3,5 mm | 85º | Szuper széles látószög |
| 6 mm | 56º | Széles látószög |
| 12 mm | 30º | Normál látószög |
| 8-48 mm | 44-8º | Változtatható (zoom) látószög |
Írisz
F-stop szám, más néven relatív apertúra
Miután tisztáztuk a rekesz fogalmát, illetve az egyes felvehető értékeit (F-szám), meg kell említenünk az F-stop számot. Ez az érték nem más, mint a legkisebb és legnagyobb F érték, ami az adott lencsénél megengedett. Tulajdonképpen adott objektív esetében a megfelelő működéshez megengedhető fényáteresztésről beszélünk.
Az F-stop számot a fókusztávolságnak és a rekesz átmérőjének hányadosából kapjuk meg:
F-stop = fókusztávolság (f) / blende átmérője (A)
Kamerák esetében a legsűrűbben használt F-stop érték az Fstop=1,2. A gyártók leggyakrabban ilyen fényerejű objektívvel ellenőrzik a kamerák fényérzékenységét. A felhasználás során a telepítők ugyan illeszthetnek más Fstop értékű objektívet is az adott kamerához, de ekkor a kamera fényérzékenysége sem lesz azonos a specifikációban megadottal.
Ahhoz, hogy egy objektívet megfelelően tudjunk majd használni, vagyis minden igényünknek megfeleljen a kapott kép, tisztában kell lennünk az F-stop értékekkel is. Szerencsére a minőségi kamerákat gyártó cégek a minimális F-értéket minden esetben (maximális F-értéket csak ritkábban) feltüntetik az adott kamera adatlapján.
A minimális F érték mindig azt az esetet jelöli, amikor az írisz teljesen nyitott állapotban van, azaz amikor a legtöbb fényt engedi át az objektív. Ez a szám minden esetben megegyezik a lencse fényerejével. A maximális F szám a rekesznek azt a helyzetét jelöli, amikor a legkisebb a fényáteresztése, tehát a legzártabb helyzetben van az írisz.
Említettük, hogy ezek a szélső értékek nagy jelentőséggel bírnak a megfelelő használathoz. De miért is? Nos, ennek kültéri használat esetén, és nagy fényérzékenységű kamerák alkalmazása során van igazán jelentősége, mivel a rosszabb megvilágítási körülmények más F értéket kívánnak, mintha beltéren, állandó, kiszámítható fényviszonyok mellett alkalmazzuk a kamerát. Ha rosszak a fényviszonyok, sötétebb van, ahhoz hogy a kamera megfelelő képet adjon a megfigyelt területről, elengedhetetlen, hogy a képérzékelő elemre minél több fény kerüljön, emiatt minél tágabb rekesznyílásra van szükség. A magas F-értékre pedig túlságosan erős megvilágításnál van szükség, mert ilyenkor a sok fénytől a fényérzékelő szenzor túlvezérlődik, a kapott kép pedig kifehéredik. Ha gyenge megvilágítási körülmények között is jó minőségű képet akarunk kapni, akkor arra kell törekedni, hogy minél jobb fényérzékenységű objektívet illesszünk a kamerához. Ennek a megvalósítását sajnos egy tényező akadályozza, mégpedig az ár. Ezek az objektívek jóval drágábbak.
Mélységélesség
A mélységélesség az a távolságtartomány, amelyen belül az objektívhez legközelebb és attól legtávolabb levő tárgyak képpontjai még élesen jelennek meg a képérzékelő szenzor felületén. Leegyszerűsítve: a mélységélesség az objektívtől mérve az a távolság, ahol éles képet kapunk a környezetről, vagyis az élességnek van egy bizonyos térbeli mélysége.
De miből adódik ez? Az optikai képleképezés alapelvei szerint egy digitális fényképezőgép vagy egy kamera objektívje csak azokat a tárgyakat, a környezetnek azt a részét jeleníti meg élesen a képérzékelő lapka felületén, amik tőle egy meghatározott távolságra vannak. Az ettől a ponttól közelebbi vagy távolabbi részeket már homályosan, illetve életlenül mutatja. Az objektívek már említett képalkotási hibái miatt egy, a tárgytávolságban lévő pont képe a CCD vagy CMOS érzékelő felületén nem pontszerűen, hanem szóródási körként jelenik meg. Az emberi szem korlátozott felbontóképessége miatt viszont egy adott méret alatti szóródási kör már pontszerűnek látszik. Ha tehát egy megfigyelt tárgy képe nem teljes mértékben éles, de a szóródási köre kicsi, akkor szemünk élesnek látja. Abban az esetben válik a kép életlenné, ha a szóródási kör nagyobb, mint a szem felbontóképessége.
A mélységélesség mértéke nem egyforma a beállított sík előtt és mögött: nagyjából 1/3-2/3 arányról beszélhetünk. Amikor beállítjuk a kamerát, ezt figyelembe kell vennünk, mert nem a mélységélességi tartomány közepén kapjuk a legélesebb képet.
A mélységélességet több tényező befolyásolja:
- Az objektív rekesznyílása
- Tárgytávolság
- Az objektív fókusztávolsága
Nagy a mélységélesség, ha:
- Kicsi a fókusztávolság;
- És/vagy nagy a tárgytávolság;
- És/vagy kicsi a rekesznyílás.
Kicsi a mélységélesség, ha:
- Nagy a fókusztávolság;
- És/vagy kicsi a tárgytávolság;
- És/vagy nagy a rekesznyílás.
Az írisz kapcsán már volt szó arról, hogy segítségével szabályozni lehet a lencsére, ezáltal a képérzékelő chipre jutó fény mennyiségét. Van azonban egy másik jelentős feladata is, ez pedig a mélységélesség meghatározása. A biztonsági kamerák esetén a mélységélességnek a kamerák, illetve az objektívek adott telepítési helyszínen történő nappali és éjszakai üzemmódjának és képélességének beállításakor van jelentősége.
Minden jog fenntartva. Copyright © Oktel Kft. 1998-2018