Устройство для автоматической регулировки апертуры объектива

Полезная модель относится к устройствам автоматической регулировки апертуры объективов и может быть использована при изготовлении объективов для систем наружного телевизионного наблюдения, работающих в условиях значительного изменения освещенностей наблюдаемых объектов. Устройство включает сегментную лепестковую диафрагму, содержащую по крайней мере один компонент, выполненный с возможностью перемещения в направлении перпендикулярном оптической оси объектива, электро-механический привод перемещения указанного компонента, ограничитель перемещения этого компонента, а также неподвижно установленный в плоскости диафрагмы нейтральный фильтр, имеющий плавную зависимость пропускания от поперечной координаты от минимального значения пропускания в центре к максимальному значению пропускания на краю. 1 н.п.ф., 2 з.п.ф., 3 фиг.

Полезная модель относится к устройствам автоматической регулировки апертуры объективов и может быть использована при изготовлении объективов для систем наружного телевизионного наблюдения, работающих в условиях значительного изменения освещенностей наблюдаемых объектов.

В последние годы существенный прогресс в области создания фотоэлектронных приемников изображения с высокой чувствительностью привел к появлению на рынке систем наружного наблюдения универсальных приборов, способных осуществлять регистрацию изображений объектов в условиях не только нормального освещения, но и при низких уровнях освещенности (в сумерках, ночью при лунном свете и пр.). Появление таких приемников вызывает необходимость создания объективов для телевизионных камер, обладающих одновременно большой светосилой и высоким качеством изображения.

Вполне очевидным требованием потребителей систем наружного наблюдения является обеспечение их нормального функционирования не только в условиях низкой освещенности, но и в дневное время при высокой освещенности объектов солнечным излучением. Высокочувствительные фотоэлектронные приемники в этих условиях требуют специального аппаратного обеспечения их нормального функционирования.

Фотоэлектронные приемники изображения, применяемые в телевизионных камерах, разрабатываются и производятся в основном на базе матричных приемников излучения с зарядовой связью (ПЗС). Эти системы обладают ограниченным диапазоном работы по величине регистрируемого светового потока, причем снизу этот диапазон ограничен чувствительностью фотоэлектронного преобразования материала, из которого изготовлены элементарные фотоэлементы матрицы (пиксели) и собственными шумами фотоэлектронного преобразования, а сверху - эффектом насыщения фотоэлектронного преобразования и технологией считывания информации (соотношением скоростей растекания накопленного под действием облучения электрического заряда и его регистрации специализированными контроллерами указанных матричных фотоприемников).

Как известно, человеческий глаз также является системой наружного наблюдения и, безусловно очень упрощенно, включает объектив (роговицу), автоматическую систему фокусировки (хрусталик) и матричный фотоэлектронный приемник (сетчатку). Для обеспечения нормальной работы этой совершенной биосистемы природа предусмотрела в ее составе устройство автоматической регулировки апертуры в виде зрачка. При избыточной освещенности сетчатки мозг человека формирует команду для органа зрения уменьшить диаметр зрачка, а в сумерках, наоборот, диаметр зрачка увеличивается до максимального. Динамический диапазон органа зрения человека чрезвычайно широк. Глаз способен различать предметы ночью при освещенностях порядка 0.0001 люкс и днем при ярком солнечном свете с

освещенностью предметов порядка 100000 люкс. Однако, даже человеческий глаз не способен различать детали слабо и сильно освещенных объектов, находящихся в его поле зрения одновременно. Предельные возможности человеческого зрения не превышают по этому параметру трех порядков.

По аналогии с природой разработчиками объективов для систем наружного наблюдения были созданы устройства для автоматической регулировки апертуры объектива в зависимости от падающего на него (и на приемник изображения) светового потока. В этих устройствах использованы лепестковые диафрагмы с подвижными компонентами, перемещение которых друг относительно друга приводит к уменьшению размера диафрагмы и, соответственно, к уменьшению проходящего через нее светового потока. Управление движением компонент лепестковой диафрагмы в этих устройствах осуществляется с помощью привода, причем управляющий сигнал на указанный привод поступает либо из схемы обработки видеосигнала телевизионной камеры, либо с внешнего фотоприемника, расположенного, например, внутри объектива.

Известно устройство для автоматической регулировки апертуры объектива, используемое в серийно выпускаемых изделиях компании СВС под торговой маркой Computar (TG 0412 FCS). Данное устройство включает сегментную лепестковую диафрагму, содержащую два компонента, один из которых неподвижен, а другой выполнен с возможностью перемещения относительно неподвижного компонента в направлении перпендикулярном оптической оси объектива, электромеханический привод перемещения

указанного компонента и два нейтральных фильтра, закрепленных на указанных компонентах лепестковой диафрагмы таким образом, что их апертуры могут перекрываться при перемещении компонента лепестковой диафрагмы. При этом известное устройство не содержит каких-либо ограничителей перемещения подвижного компонента, а размер диафрагмы в процессе автоматической регулировки может быть уменьшен вплоть до нуля.

Основным недостатком данного устройства является уменьшение разрешающей способности объектива при работе в условиях высокой освещенности с чувствительными матричными фотоэлектронными приемниками изображения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и принятым за прототип является устройство для автоматической регулировки апертуры объектива, используемое в объективе YF8A-SA2B, выпускаемом компанией Fujinon. Данное устройство включает сегментную лепестковую диафрагму, содержащую два компонента, один из которых выполнен с возможностью линейного перемещения относительно другого, электромеханический привод перемещения указанного компонента и нейтральный фильтр в виде тонкой пленки с круговым светоослабляющим покрытием. При этом прототип также не содержит каких-либо ограничителей перемещения подвижного компонента, а размер диафрагмы в процессе автоматической регулировки может быть уменьшен вплоть до нуля.

Основным недостатком прототипа является уменьшение разрешающей способности объектива при работе в условиях высокой освещенности с чувствительными матричными фотоэлектронными приемниками изображения.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в улучшении качества изображения, получаемого в системах наружного наблюдения.

Поставленная задача решается благодаря достижению технического результата, который заключается в сохранении разрешающей способности объектива при работе в условиях высокой освещенности с чувствительными матричными фотоэлектронными приемниками изображения.

При реализации предлагаемой полезной модели указанный технический результат достигается за счет одновременного использования ограничителя предельно допустимого (минимального) размера диафрагмы при автоматической регулировке апертуры объектива и градиентного нейтрального фильтра. Заявляемое устройство для автоматической регулировки апертуры объектива, включающее сегментную лепестковую диафрагму, содержащую по крайней мере один компонент, выполненный с возможностью перемещения в направлении перпендикулярном оптической оси объектива, электромеханический привод перемещения указанного компонента и нейтральный фильтр, неподвижно установленный в плоскости диафрагмы, содержит ограничитель перемещения компонента, а нейтральный фильтр имеет плавную зависимость пропускания от поперечной координаты от минимального значения пропускания в центре к максимальному значению пропускания на краю.

Кроме того, ограничитель перемещения компонента может быть установлен таким образом, чтобы размер минимальной апертуры D объектива удовлетворял условию:

где F - фокусное расстояние объектива.

Кроме того, зависимость пропускания нейтрального фильтра Т от поперечной координаты r может иметь вид:

где T_min - минимальное значение пропускания фильтра в центре, - коэффициент, меньше 1, m - четное число от 2 до 10.0

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На Фиг.1(а-в) представлены схемы прототипа в трех различных взаимоположениях лепестков диафрагмы. На схемах показаны корпус 1, в котором установлены два лепестка диафрагмы 2, один из которых кинематически соединен с электро-механическим приводом линейного перемещения 3, а также круговой нейтральный фильтр 4 с постоянной по сечению плотностью, установленный в центре апертуры. На Фиг.1а показано устройство с полностью открытой апертурой, на Фиг.1б устройство показано в промежуточном положении с не полностью закрытой апертурой, и на Фиг.1в устройство изображено в положении, когда апертура близка к минимальному значению, а лепестки диафрагмы 2 расположены друг относительно друга таким образом, что апертура полностью перекрывается круговым нейтральным фильтром 4. На Фиг.2(а, б) приведены схемы

предлагаемого устройства для автоматической регулировки апертуры объектива в наилучшем исполнении в двух различных взаимоположениях лепестков диафрагмы. На схемах показаны корпус 1, в котором установлены два лепестка диафрагмы 2, один из которых кинематически соединен с электро-механическим приводом линейного перемещения 3, нейтральный фильтр 5 с переменной по сечению плотностью, установленный в центре апертуры, а также механический ограничитель 6 перемещения лепестков диафрагмы 2. На Фиг.3 изображена зависимость пропускания нейтрального фильтра заявляемого устройства от поперечной координаты.

Проблема расширения динамического диапазона работы фотоэлектронных систем наружного наблюдения неразрывно связана с проблемой обеспечения предельной разрешающей способности. Как известно, этот параметр связан с оптическими (в частности, аберрационными) характеристиками объектива и размерами пикселей используемых матричных фотоприемников. Причем, чем больше апертура объектива, тем хуже его разрешающая способность. Это обусловлено тем, что на краях линз объектива аберрации увеличиваются. Поэтому качество изображения в условиях слабой освещенности объектов (т.е. при полностью открытой апертуре объектива) несколько хуже, чем при малых апертурах. Следуя логике, можно предположить, что уменьшение апертуры объектива должно приводить к повышению его разрешающей способности. Авторами, однако, экспериментально установлено обратное: при чрезмерном уменьшении размера апертуры объектива в условиях наблюдения сильно освещенных объектов

разрешающая способность вновь уменьшается, что вызвано эффектами краевой дифракции на жестких краях апертуры и дифракционному расплыванию изображения на фоточувствительной площадке приемника изображения. В ходе экспериментов установлена связь между предельно допустимым (минимальным) с точки зрения сохранения высокой разрешающей способности объектива размером его апертурной диафрагмы и размером пикселей приемной площадки фотоэлектронного приемника изображения. Показано, что уменьшение размера диафрагмы до значения, составляющего примерно одну десятую фокусного расстояния объектива, не приводит к ухудшению резкости изображения, наблюдаемого с помощью стандартных матричных фотоприемников. Дальнейшее уменьшение размеры диафрагмы с точки зрения сохранения разрешающей способности объектива и получаемого контраста изображения оказывается недопустимым.

Объяснением этому могут служить следующие рассуждения. Действительно, хорошо известной причиной ограничения качества изображения является связь между апертурой объектива и длиной волны излучения, формирующего изображение, вытекающая из волновой природы света и обусловленная эффектами краевой дифракции. Минимальный размер изображения d, формируемого объективом, ограничен известным соотношением:

где - длина волны света, F и D - фокусное расстояние и апертура объектива, соответственно.

Для получения качественного изображения в пределе следует стремиться к тому, чтобы минимальный размер изображения d не превышал размера пиксела матричного фотоэлектронного приемника. Как известно, существующие технологии создания таких приемников допускают получение пикселов с размерами порядка нескольких микрон (обычно не менее 2 мкм и не более 6 мкм). Полагая, что за длину волны в формуле (1) можно взять значение из середины видимого диапазона =0.6 мкм, легко найти величину минимально допустимого размера диафрагмы D:

Использование в объективах, работающих с матричными фотоэлектронными приемниками, апертурных диафрагм с меньшими размерами приводит к ухудшению качества изображения. Таким образом, ограничение допустимой апертуры объектива на уровне F/10 с точки зрения сохранения качества изображения можно считать обоснованным.

В устройствах для автоматической регулировки апертуры объектива следует применять ограничители размера диафрагмы. Эти ограничители могут быть механическими. В частности, как это показано на Фиг.2(а, б), ограничитель 6 может быть выполнен в виде механического штифта, установленного таким образом, чтобы предотвращать уменьшение апертуры ниже допустимого минимального значения. Ограничитель апертуры также может быть выполнен в

виде электронного модуля, установленного в схеме управления электромеханическим приводом перемещения лепестка диафрагмы, например, в виде датчика Холла.

Использование в устройствах для автоматической регулировки апертуры объектива нейтрального фильтра, существенным образом расширяет динамический диапазон работы систем наружного наблюдения. Однако, эффекты краевой дифракции, возникающие на границах этого компонента, также ведут к ухудшению качества изображения. Для устранения этого недостатка в заявляемой полезной модели предлагается использовать аподизированный нейтральный фильтр 5 с плавно уменьшающимся от периферии к центру пропусканием. Авторами в результате исследований установлены оптимальные границы изменения параметров функции пропускания указанных фильтров, а именно, наиболее приемлемыми следует считать зависимости, описываемые функциями Гаусса с множителями от 2 до 10. В проведенных экспериментах для функций с множителем 12 и выше положительный эффект от использования аподизированного нейтрального фильтра 5 практически не наблюдался, а результат не отличался от случая использования стандартного фильтра с резкой границей.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Электромеханический привод 3 линейного перемещения лепестка диафрагмы 2 электрически подключают к схеме питания и управления камеры наружного наблюдения. При минимальной освещенности объекта, на который нацелен объектив, величина светового потока, падающего на фотоэлектронный приемник

изображения камеры наружного наблюдения и, соответственно, сигнал управления размером апертуры объектива, пропорциональный величине этого потока, малы. Апертура объектива при этом максимальна, т.е. лепестки 2 диафрагмы находятся в крайнем (максимально разведенном друг от друга) положении. Расположенный в центре аппретуры диафрагмы градиентный нейтральный фильтр 5 не оказывает существенного значения на величину проходящего через диафрагму света, т.к. его размеры малы по сравнению с размером максимальной апертуры. При увеличении освещенности объекта падающий на фотоэлектронный приемник световой поток возрастает. Схема питания и управления камеры наружного наблюдения формирует сигнал управления электро-механическим приводом 3 устройства, величина которого пропорциональна световому потоку. Электро-механический привод 3 под действием сигнала управления автоматически осуществляет линейное перемещение лепестка(ов) 2 диафрагмы в направлении уменьшения размера апертуры до положения минимального размера, определяемого расположением ограничителя апертуры 6. При приближении размера апертуры к минимальному значению все более существенный вклад в ослабление проходящего через апертуру объектива светового потока начинает вносить градиентный нейтральный фильтр 5. При этом качество изображения, формируемое объективом на фотоэлектронном приемнике изображения камеры наружного наблюдения, не ухудшается, так как проявление краевых дифракционных эффектов в значительной степени подавлено ввиду отсутствия резких границ и плавного изменения пропускания внутри апертуры. Большой динамический

диапазон работы устройства обеспечен за счет корректного выбора значения минимальной апертуры диафрагмы объектива и совпадения размера аподизированного (градиентного) нейтрального фильтра с этим значением.

Таким образом, в заявляемой полезной модели решена задача улучшения качества изображения, получаемого в системах наружного наблюдения, за счет сохранения высокой разрешающей способности объектива при работе в условиях высокой освещенности с чувствительными матричными фотоэлектронными приемниками изображения.

1. Устройство для автоматической регулировки апертуры объектива, включающее сегментную лепестковую диафрагму, содержащую по крайней мере один компонент, выполненный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оптической оси объектива, электромеханический привод перемещения указанного компонента и нейтральный фильтр, неподвижно установленный в плоскости диафрагмы, отличающееся тем, что устройство содержит ограничитель перемещения компонента, а нейтральный фильтр имеет плавную зависимость пропускания от поперечной координаты от минимального значения пропускания в центре к максимальному значению пропускания на краю.

2. Устройство для автоматической регулировки апертуры объектива по п.1, отличающееся тем, что ограничитель перемещения компонента выполнен таким образом, чтобы размер минимальной апертуры D объектива удовлетворял условию:

,

где F - фокусное расстояние объектива.

3. Устройство для автоматической регулировки апертуры объектива по п.1, отличающееся тем, что зависимость пропускания нейтрального фильтра Т от поперечной координаты r имеет вид:

,

где T_min - минимальное значение пропускания нейтрального фильтра в центре, - коэффициент меньше 1, m - четное число от 2 до 10.