Характеристики, определяющие распределение яркости в изображении и его спектральный состав

Освещенность светочувствительной матрицы в видеокамере при прочих равных условиях зависит, в первую очередь, от относительного отверстия объектива.

Геометрическое относительное отверстие - это отношение диаметра входного зрачка к заднему фокусному расстоянию [10]. Входной зрачок есть изображение 1 (рис. 2.4.1) апертурной диафрагмы 2, сформированное передней частью 3 оптической системы (то есть расположенной левее конструкции диафрагмы) в пространстве предметов при обратном ходе лучей. Апертурная диафрагма 2 - отверстие, ограничивающее поперечное сечение как осевого, так и наклонных световых пучков, проходящих через объектив.

Рис. 2.4.1. К определению входного зрачка объектива.

На рис. 2.4.2, приведенном в [2], показано, что пучок лучей, выходящих из какой-либо точки предмета (например, из точки О), ограничивается входным зрачком.

Рисунок 2.4.2. Взаимное расположение элементов оп­тической системы и входного зрачка (АВ — предмет; О — апертурная диаф­рагма; О' — входной зрачок; Li и L₂ — части оптической системы, расположенные соответственно перед апер­турной диафрагмой и за ней).

В видеокамерах максимальное значение геометрического относительного отверстия зависит от параметров оптической схемы объектива. Меньшие значения устанавливаются за счет изменения размера апертурной диафрагмы, обычно конструктивно выполненной в виде совокупности лепестков. Такая лепестковая конструкция получила название ирисовой.

При изменении фокусного расстояния объектива в нём происходит взаимное перемещение оптических элементов, и изображение апертурной диафрагмы в пространстве предметов, являющееся входным зрачком изменяется. Как правило, при увеличении фокусного расстояния входной зрачок уменьшается. Поэтому и уменьшается относительное отверстие объектива. В техническом паспорте объектива или видеокамеры в таких случаях указывают 2 значения геометрического относительного отверстия: большее соответствует минимальному фокусному расстоянию, меньшее – максимальному.

Необходимо отметить, что геометрическое относительное отверстие определяет не только освещенность кадра, но и качество формируемого изображения, влияет на глубину резко изображаемого пространства. Информация об этом приведена в разделе 2.5.

В сложных многолинзовых объективах значительны потери света в объективе за счет поглощения и отражения оптическими элементами. Для упрощения определения необходимой экспозиции (количества световой энергии, обеспечивающей оптимальный перепад освещенностей на светочувствительной матрице) эти потери «переводят» в уменьшение относительного отверстия, то есть считают, что данный объектив не имеет потерь за счет поглощения и отражения, а обладает уменьшенным относительным отверстием по сравнению с истинным, геометрическим. Такое уменьшенное относительное отверстие называют эффективным.

Эффективное относительное отверстие показывает, какое относительное отверстие имел бы идеальный (без потерь света за счет поглощения и отражения) объектив, создающий в кадре изображения такую же освещенность, как и данный реальный объектив [9].

На оправе объектива вместе с фокусным расстоянием или диапазоном расстояний указывается максимальное геометрическое относительное отверстие или диапазон значений этого отверстия. Если объектив дополнительно имеет шкалу относительных отверстий диафрагм, то на ней указаны эф­фективные значения. Градуировка этих значений обеспечивает изменение проходящего через объектив свето­вого потока в два раза при изменении эффективного относительного отверстия на одно значение шкалы. Стандартная шкала имеет следующий ряд значений относительного отверстия: 1:0,7; 1:1; 1:1,4; 1:2; 1:2,8; 1:4; 1:5,6; 1:8; 1:11; 1:16; 1:22; 1:32 [9]. Знаменатель относительного отверстия называют диафрагменным числом. В современных видеокамерах информация о текущем значении относительного отверстия выводится на дисплей в цифровом виде через меню операций.

Часто имеют место попытки пользоваться вместо понятия «относительное отверстие» понятием «светосила». В литературе существуют различные трактовки этого понятия. Освещенность светочувствительной матрицы пропорциональна площади входного зрачка, то есть квадрату относительного отверстия. Этот квадрат относительного отверстия в [2] называется светосилой объектива, геометрической или эффективной. В то же время в [13] светосилу рассматривают как синоним относительного отверстия.

Потери света в объективе оцениваются коэффициентом светопропускания. Это отношение светового потока, прошедшего через объектив, к свето­вому потоку на входе, измеряется в относительных единицах или в процентах. Коэффициент светопропускания, эффективное и геометрическое отверстия связаны между собой следующей зависимостью: знаменатель эффективного относительного отверстия равен частному от деления знаменателя геометрического относительного отверстия на корень квадратный из коэффициента светопропускания. В таблице 2.4.1, приведенной в [9], указаны различные коэффициенты τ светопропускания объектива и соответствующие им коэффициенты k, показывающие, во сколько раз геометрическое относительное отверстие больше эффективного. Из значений, приведенных в таблице, следует, что у высококачественных многолинзовых объективов, имеющих низкий коэффициент светопропускания, разница между геометрическим и эффективным отверстиями значительна.

Таблица 2.4.1. Связь между значениями коэффициента светопропускания объектива и разницей геометрического

и эффективного отверстий.

Коэффициент светопропускания объектива является функцией длины волны падающего на объектив светового излучения. Поэтому для более точной оценки свойств объектива пользуются параметром «коэффициент спектрального пропускания», характеризующим пропускание объектива для конкретной длины волны излучения.

Зависимость коэф­фициента τ_λ спектрального пропускания от длины волны λ падающего на объектив светового излучения для некоторых киносъемочных объективов представлена на приведенном в [9] рис. 2.4.2.

Рисунок 2.4.2. Зависимость коэф­фициента τ_λ спектрального пропускания от длины волны λ падающего на объектив светового излучения для объективов ОКС 1-28-1 (кривая 1) и ОКС 5-250-1 (кривая 2).

Непостоянство спектрального пропускания на разных длинах волн искажает цветопередачу на светочувствительной матрице видеокамеры и соответственно может повлиять на цветовоспроизведение во всей системе записи и воспроизведения изображения. В настоящее время этот недостаток можно компенсировать цифровой обработкой изображения.

Коррекцию спектральных характеристик объективов, повышающую коэффициент пропускания, осуществляют нанесением многослойных просветляющих покрытий. Оптическое просветление – это уменьшение коэффициента отражения света от поверхностей преломляющих свет оптических деталей путем нанесения на них прозрачных пленок толщиной, соизмеримой с длиной волны оптического излучения и с промежуточным значением коэффициента преломления между при­меняемыми сортами стекла и воздуха [14]. Просветляющее действие этих пленок основано на явлении интерференции (сложении) световых волн, отраженных от поверхности стекла и наружной поверхности нанесенной на него пленки или нескольких пленок.

Полное устранение отра­жения за счет интерференции возможно только для какой-либо одной длины волны. Для этой волны путь света в толще пленки (туда и обратно) должен составлять половину длины световой волны, т. е. толщина самой пленки должна быть равна '/₄ длины волны. Отраже­ние лучей других длин волн при этом ослабляется частично. Кроме того, нанесение просветляющих слоев дополнительно способствует повышению коэффициента пропускания света за счет уменьшения энергетического порога на границе сред [10]. Просветление зеркальных поверхностей увеличивает их коэффициент отражения.

В состав «белого» света входят лучи с разной длиной волны. Поэтому в качественных объективах предусмотрено многослойное просветление («мультипросветление»), рассчитанное на несколько длин волн. На объективах российского производства оно стандартно обозначается как «MC» перед названием [10].

На рис. 2.4.3, приведенном в [9], графически представлены зависимости коэф­фициента спектрального пропускания R от от длины волны λ светового излучения. Из графиков следует, что с увеличением количества просветляющих слоёв коэффициент светопропускания «выравнивается», становится постоянным в широком диапазоне излучения. Следовательно, искажения цвета объективом уменьшаются.

Рисунок 2.4.3. Спектральные коэффициенты отражения просветляющих покрытий: однослойного (кривая 1), двухслойно­го (кривая 2), многослойного (кривая 3).

Распределение ос­вещенности по полю изображения оценивается коэффициентом спада освещенности, представляющим собой отношение освещенности на краю кадра по отношению к освещенности центра кадра. Спад освещенности от центра кадра к его краям подчиняется закону «косинуса в четвёртой степени»:

E _ω’ = E₀ cos⁴ ω', (2.4.1)

где E₀ - освещенность центра кадра,

ω' – угол зрения объектива,

E _ω' – освещенность на краю кадра.

В таблице 2.4.2, приведенной в [14], указано относительное падение освещенности по полю кадра в зависимости от угла зрения объектива.

Таблица 2.4.2. Относительное падение освещенности E _ω'/ E₀ по полю кадра в зависимости от угла ω'зрения объектива.

Если угол ω'луча с осью пересекает границу кадра, то он равен половине ω угла поля изображения, показанного на рис. 2.3.4. Из таблицы видно, что происходит значительное падение освещенности на краях изображения, особенно сильное для широкоугольных объективов.

Дополнительный спад освещенности на краях кадра обусловлен явлением виньетирования. Виньетирование – это частичное затемнение наклонного по отношению к оптической оси пучка лучей при прохождении через оптическую систему вследствие ограничения различными диафрагмами оптической системы (оправами линз и др.) [10]. Этот эффект оценивается коэффициентом виньетирования. Для каждой точки изображения коэффициент виньетирования представляет собой отношение площади затененного для данной точки изображения участка входного зрачка оптической системы к полной площади входного зрачка [10].

Коэффициент виньетирования в объективе зависит не только от угла наклона падающего пучка, но и от диаметра диафрагмы. При уменьшении диаметра диафрагмы объектива сечение пучка лучей уменьшается и освещенность по полю кадра за счет виньетирования изменяется в меньшей степени. Максимальная степень виньетирования присуща широкоугольным объ­ективам. Чтобы в определённой мере компенсировать этот недостаток, в качестве передней линзы вводят отрицательный мениск большого диаметра (см. рис.2.4.4 [15]), обращенный выпуклостью в сторону пространства предметов [9]. Введение отрицательного мениска было использовано при проектировании объективов серии «Руссар».

Рисунок 2.4.4. Объектив с отрицательным мениском большого диаметра, обращенным выпуклостью в сторону пространства предметов, в качестве передней линзы.

По данным [13] освещенность на краю кадра составляет для различных объективов 22 % - 98 % от освещенности в центре кадра. На рис. 2.4.5, приведенном в [9], графически представлено относительное падение освещенности по полю кадра для объективов ОКС 1-28-1 (кривая 1) и ОКС 5-250-1 (кривая 2).

Рисунок 2.4.5. Распределение освещенности по полю кадра для объективов ОКС 1-28-1 (кривая 1) и ОКС 5-250-1 (кривая 2).

Графики на рисунке свидетельствуют о существенном спаде освещенности на краю кадра. Если с этим эффектом при использовании плёночных носителей записи приходилось мириться, то использование матриц для записи изображения и последующая его компьютерная обработка в принципе позволяют осуществить компенсацию спада освещённости на краю кадра.

Светорассеяние в объективе влияет главным образом на потерю контраста в изображении, то есть на его резкость. Но оно также может уменьшить равномерность освещенности в кадре. Поэтому параметр «коэффициент светорассеяния» указан в разделе 2.2 как относящийся одновременно к двум группам (характеристики, определяющие распределение яркости в изображении и его спектральный составихарактеристики, определяющие резкость изображения).

Коэффициент светорассеяния равен отноше­нию светового потока, прошедшего через объектив от абсолютно чёрного объекта (напр., чёрного бархата), рас­положенного на равномерно освещен­ном белом фоне (белом экране, диффузно отражающем свет), к световому потоку от этого фона [2]. На практике его обычно определяют как отношение осве­щённости оптического изображения чёр­ного объекта к освещённости оптического изображения белого фона.

Причиной светорассеяния является отраже­ние световых лучей от различных элементов конструкции объ­ектива (линзы, диафрагмы, оправы). Другой причиной являются дефекты материала линз (пузырьки, свили), ошибки конструирования (потертостями лепестков ирисовой диафрагмы), низкий уровень технологии изготовления (плохое чернение внутренних поверхностей оправы объектива, фасок линз, лепестков ирисовой диафрагмы, сколы стекла на фасках), несоблюдение правил эксплуатации (царапинами на поверхностях линз). Не следует забывать, что в объектив могут попасть лучи, отраженные от внутренних поверхностей корпуса видеокамеры. Поэтому при съемке одного и того же объекта одним и тем же объективом, установленным в разные видеокамеры, можно получить разный коэффициент светорассеяния.

Практически значение коэффициента светорассеяния не превы­шает 2—3% [2].

Кроме параметров объектива и видеокамеры, на светорассеяние влияют яркие детали и бликующие поверхности, даже находящиеся вне угла зрения объектива. При съемке объективами с высоким светорассеянием ярких объ­ектов на темном фоне в изображении могут появиться пятна отраженного света, что искажает картину распределения яркости в изображении снимаемого объекта.

Следует иметь в виду, что светорассеяние экранного изображения есть совокупность процессов светорассеяния при видеосъемке, проекции и печати изображения (при наличии последней).