Зум-объективы LWIR для тепловизионной камеры

ИК зум-объективы — это продвинутые линзовые сборки, предназначенные для обеспечения широкого диапазона переменных фокусных расстояний, в отличие от фикс-объективов (prime lenses), ограниченных одним фиксированным фокусным расстоянием. ИК объективы непрерывного зума (CZ) позволяют бесшовно регулировать фокусные расстояния, обеспечивая резкие, сфокусированные изображения на широком диапазоне дистанций. Инфракрасные зум-объективы обеспечивают плавное и гибкое изменение диапазонов обнаружения без необходимости менять пространственное положение тепловизионной камеры, что позволяет наблюдать как близкие цели, так и удалённые объекты. Это свойство делает инфракрасные объективы непрерывного зума полезными в контексте тепловизионной съёмки — для таких применений, как видеонаблюдение и промышленный мониторинг — в качестве ключевых компонентов передовых тепловизионных камер. Инфракрасные зум-объективы дают пользователям возможность поддерживать точную визуализацию — как при мониторинге близко расположенного оборудования, так и при обнаружении объектов на больших пространствах. 

Hangzhou Shalom EO предлагает серию готовых к поставке зум-объективов для LWIR (длина волны 8–12 мкм) для тепловизионной съёмки с максимальным зум-коэффициентом (т. е. отношением наибольшего фокусного расстояния к наименьшему) 13×. Эти сборки объективов обеспечивают пользователям плавный опыт непрерывного зумирования и гибкое переключение ракурсов; дополнительные покрытия DLC на передней линзе и плотная герметизация повышают надёжную долговечность в самых разных условиях эксплуатации. Доступные фокусные расстояния охватывают диапазон от широкоугольных до максимального телеобъектива 400 мм, при этом зум-объективы для микроскопической ИК-визуализации также имеются на складе.  Механизмы зумирования этих объективов включают ручной и моторизованный зум. Помимо стандартных зум-объективов, инженерная команда Shalom EO способна проектировать и производить индивидуальные LWIR зум-объективы, адаптированные под ваше применение.

Если вас интересует, то 305-010 зум-объектив 25–225 мм f/1.5 для LWIR тепловизионной камеры и 305-016 непрерывный зум-объектив 25 мм f/0.85 – 225 мм f/1.3 для LWIR тепловизионной камеры  совместимы с инфракрасным детектором HD (1280x1024) с шагом пикселя 12 мкм, который обеспечивает выдающуюся детализацию изображения, поддерживает более широкое поле зрения, большую дальность и предлагает отличное пространственное разрешение при размере пикселя 12 мкм.

Руководство:

Это базовое и краткое руководство, помогающее понять некоторые важные термины об оптических и камерных объективов, включая  размер сенсора и разрешение, глубину резкости (DOF), фокусное расстояние, поле зрения (FOV), f-число, пропускание материалов, искажение изображения, функцию передачи модуляции (MTF), сферическую аберрацию и кому — для выбора подходящих решений.

Примечание: Эта статья посвящена тому, как выбирать линзовые сборки. Если вы хотите узнать больше о выборе одиночных (singlet) оптических линз, нажмите здесь, чтобы открыть Руководство по выбору линз и познакомиться с различными типами линз и их применимостью, а также нажмите здесь, чтобы открыть Руководство по выбору материалов оптических подложек и узнать о свойствах материалов.

Размер сенсора и разрешение： Размер сенсора — это ширина (горизонтальный размер) и высота (вертикальный размер) сенсора/детектора, обычно измеряемые в мм, дюймах или пикселях. Разрешение — это количество пикселей, расположенных по вертикали и по горизонтали. Детектор 1280x1024 имеет 1280 пикселей в каждой горизонтальной строке и 1024 пикселя в каждой вертикальной строке. Каждый модуль объектива имеет совместимые сенсоры с конкретными размерами и разрешениями. Большее число пикселей означает более высокое разрешение, что подразумевает лучшее качество изображения. Для объективов тепловизионных камер Shalom EO указывает ширину и высоту совместимых детекторов в пикселях, а также шаг пикселя. Шаг пикселя — это расстояние между центрами двух соседних пиксельных элементов — тоже важное понятие. Меньший шаг пикселя даёт более высокое разрешение, но ценой снижения световой или (в случае тепловизоров) тепловой чувствительности детекторов. Детекторы высокого разрешения часто называют High Definition (HD) детекторами; термины равнозначны и оба означают плотное расположение пикселей в кадре сенсора и высокую тонкость изображения.

Глубина резкости (DOF):  DOF — это расстояние между ближайшими и самыми дальними объектами, которые находятся в резком фокусе на изображении. Глубину резкости можно рассчитать при известных фокусном расстоянии, дистанции до объекта и допустимом кружке рассеяния (CoC; размытое пятно, возникающее из-за неполного фокуса точечных источников; численное значение допустимого CoC — это диаметр приемлемого размывания), а также при известном f-числе. Пусть фокусное расстояние — f, дистанция до объекта — u, CoC равен c, а f-число — n, тогда: DOF = 2u^2nc/f^2

Фокусное расстояние:  Фокусное расстояние — это расстояние от оптического центра до точки, в которой лучи, параллельные оптической оси объектива, сходятся (т. е. фокальной точки). Также используют эффективное фокусное расстояние (EFL) — расстояние от главной точки до фокальной точки, и заднее фокусное расстояние (BFL) — расстояние от вершины задней линзы до задней фокальной точки. Объективы с большим фокусным расстоянием позволяют снимать крупные планы на больших дистанциях с более узким углом обзора, тогда как объективы с коротким фокусным расстоянием лучше подходят для получения расширенного угла обзора. В целом, более длинное фокусное расстояние даёт расширенный обзор на дальних дистанциях, но ценой уменьшения FOV, что образует компромисс. Длиннофокусные объективы часто применяются, например, в задачах наблюдения, чтобы повысить оперативность обнаружения угроз (например, для дальнобойных MWIR тепловизионных камер). По фокусному расстоянию камерные объективы подразделяются на три типа: фикс-объективы (prime), то есть с одним фокусным расстоянием; объективы с двойным FOV, имеющие два переключаемых фокусных расстояния; и объективы непрерывного зума (zoom/CZ), у которых пользователь может непрерывно изменять фокусные расстояния в заданном диапазоне.

Поле зрения (FOV):  Поле зрения — это максимальный угол, в пределах которого оптический прибор чувствителен к электромагнитному излучению. Оно описывает видимую область камеры и определяется фокусным расстоянием и размером сенсора детектора. В спецификациях FOV приводится в угловых значениях. Формулы расчёта поля зрения (FOV):

AFOV = 2 x tan-1 (H/2f)

Где H — размер сенсора (горизонтальный или вертикальный), f — фокусное расстояние объектива.

Формулы преобразования между вертикальным FOV и горизонтальным FOV следующие: 

vertical FOV (угл.) = 2tan^-1 (высота детектора/2f) 

и поскольку ширина детектора = высота × соотношение сторон, horizontal FOV (угл.) = 2tan^-1 (высота × соотношение сторон/2f)

Нажмите здесь, чтобы посмотреть схему FOV и узнать больше.

f-число:  f-число (иногда называемое f-stop или относительной светосилой) — это отношение фокусного расстояния к диаметру входного зрачка (апертуры). f-число показывает долю излучения, попадающего в объектив: чем больше f-число, тем меньше апертура и тем меньше передаваемое излучение. Также объективы с меньшим f-числом кажутся более «резкими», поскольку пятно размытия становится менее заметным на плоскости изображения по мере сужения апертуры. Термин «скорость объектива» (lens speed) также относится к f-числу.

Пропускание материалов: Важно, чтобы линзовые сборки изготавливались из материалов с высоким пропусканием на интересующей вас длине волны. Например, для MWIR-объективов германий — распространённый материал благодаря широкому диапазону оптического пропускания от 2 до 12 мкм. Тепловые свойства — ещё один фактор: показатель преломления оптических материалов меняется с температурой, что приводит к расфокусировке. Поэтому для условий с колебаниями температуры более уместны атермализованные сборки. Также следует оценивать массу материала для чувствительных к весу применений.

Искажение изображения: Искажение изображения определяется как отклонение от прямолинейной перспективы; результатом является изгибание прямых линий в кадре. Чем больше FOV, тем труднее исправить сферические изображения до прямолинейной перспективы. Искажение не влияет на качество изображения, а лишь на сходство изображения с объектом. Искажение не связано с относительной апертурой, а связано с полем зрения объектива. Поэтому при использовании широкоугольных объективов следует уделять особое внимание влиянию искажений. Например, объективы «рыбий глаз» обычно дают заметные искажения. Существуют и алгоритмы для их исправления, такие как findChessboardCorners, calibrateCamera, initUndistortRectifyMap, remap и др. 

Функция передачи модуляции (MTF): MTF — это комплексная мера способности оптического объектива сохранять контраст между парами линий реального объекта на разных пространственных частотах, где распределение света от объекта рассматривается как синусоидальные функции с заданными частотами. Чем больше значение MTF, тем лучше камера сохраняет детали сцены на изображении.

Сферическая аберрация и кома: Сферические аберрации: Эти аберрации возникают из-за различий оптических ходов лучей при прохождении через сферическую поверхность линзы. Монохроматические лучи, падающие на линзу под углом к оптической оси, имеют тенденцию фокусироваться перед математической фокальной точкой системы, тогда как параксиальные лучи, близкие к оси, — за ней. Сферические аберрации могут возникать у линз с одной или несколькими сферическими поверхностями, включая плоско-выпуклые и шаровые линзы. Когда конус света от точечного источника формирует на фокальной плоскости расфокусированное, «кометоподобное», эллиптическое пятно, говорят о коме (или коматической аберрации). Это происходит, когда вершина светового конуса — точечный источник — не лежит на оптической оси. Нажмите, чтобы узнать больше о сферической аберрации и коме.

Хроматическая аберрация: Хроматическая аберрация — это неспособность объектива сфокусировать все цвета в одной точке. Она вызвана дисперсией: показатель преломления элементов линзы зависит от длины волны света. Осевую хроматическую аберрацию связывают с фокусным расстоянием при съёмке; она вызывает разделение цветов или блики. А увеличительная хроматическая аберрация связана с масштабом на плоскости изображения, вызывая цветовые смещения по краям кадра и образуя размытые цветные каймы (фринжинг). Хроматическая аберрация ухудшает цветопередачу на цветной плёнке и снижает разрешение изображений на чёрно-белой плёнке. Обычный подход к коррекции осевых хроматических аберраций — применение ахроматических дублетов, а коррекцию увеличительной хроматической аберрации проводят с помощью стекол с аномальной/сверхнизкой дисперсией.

Кривизна поля: Кривизна поля, также известная как «кривизна поля изображения» или «кривизна Петцваля», — распространённая оптическая проблема. Плоскость объекта, перпендикулярная главной оптической оси, не формирует плоское поле изображения; вместо этого предполагаемая плоская поверхность изображения прогибается внутрь, образуя изогнутую, чашеобразную форму. Следствие кривизны поля — плоский объект выглядит резким лишь локально, в отдельных участках кадра, а не по всей площади. У любого объектива есть базовая кривизна поля, зависящая от показателей преломления элементов и их кривизны. Наиболее резкое изображение формируется на изогнутой фокальной поверхности, а не на плоской фокальной плоскости. 

Астигматизм: Астигматизм имеет место, когда точка объекта не лежит на оптической оси системы, а испускаемый ею пучок наклонён к оси. Астигматизм отличается от комы. Это внеосевая аберрация, описывающая дефект изображения бесконечно узких пучков и связанная только с полем зрения. Величина проекции на оптическую ось расстояния между точкой схождения меридионального узкого пучка и точкой схождения сагиттального узкого пучка — это значение астигматизма. Из-за астигматизма качество изображения вне оси заметно ухудшается: даже при очень малой апертуре невозможно одновременно получить очень чёткие изображения в меридиональном и сагиттальном направлениях. Величина астигматизма зависит только от углового поля зрения, а не от размера апертуры. Поэтому астигматизм более заметен в широкоугольных объективах, и при съёмке по возможности следует размещать объект ближе к центру кадра.

Как выбрать объективы для тепловизионных камер? Тепловизионные объективы работают с тепловым излучением, а не с RGB-светом; это принципиальное различие приводит к ряду отличий в их работе, поэтому при покупке тепловизионных объективов нужно учитывать иные факторы. Вы можете перейти на вкладку Resources, чтобы подробнее узнать, как читать спецификации тепловизионных объективов.