Пассивные методы

Автоматическая фокусировка

Цифровые видеокамеры

Состоят из следующих узлов:

1. Объектив.

2. Светочувствительная матрица.

3. Носитель информации.

4. Корпус.

5. Источник питания.

6. Устройство визирования.

7. Источник освещения.

8. Стабилизатор изображения (может быть механический или электрический).

Кроме того, так как функции автоматизированы, существуют приводы (двигатели, редукторы), системы управления. Работа всей камеры осуществляется посредством процессорной системы.

Объективы в современных цифровых камерах – совокупность групп подвижных и неподвижных линз (рисунок 29).

Рисунок 29. Объектив

Подвижная группа линз выполняет две функции:

1. Измерение фокусного расстояния (трансфокация, зум) и фокусировка, чтобы компенсировать расфокусировку, вызванную перемещением группы трасфокаторных линз.

2. Перемещение линз в поперечном направлении и наклон для осуществления оптической стабилизации, а также иногда для осуществления tilt и shift функции.

Кривая зависимости фокусирующей группы линз в объективе от положения трансфокаторной группы линз (рисунок 30).

Рисунок 30. Кривая правильной фокусировки на объект, удаленный на 1,2 м от камеры

Данная зависимость меняется, если меняется расстояние до объектива, на которое осуществляется фокусировка. Поэтому в процессорной памяти камеры заложено большое количество, но не бесконечное, таких зависимостей для разных расстояний до объектива.

На незапрограммированном значении расстояния до объекта положение фокусирующей группы определяется интерполяцией.

При ручной фокусировке (рисунок 31) поворот управляющего кольца приводит не к линейному перемещению фокусирующей группы непосредственно, а к изменению активной части реостата и соответствующему изменению режима работы двигателя, управляющего этим реостатом. Реостаты двигателя запараллелены, но имеются разные мертвые зоны, чтобы обеспечить широкий диапазон фокусировки.

Рисунок 31. Схема устройства ручной фокусировки

Группы методов: активные и пассивные.

Активные – предусматривают генерацию сигнала из камеры, возвращение этого сигнала назад и регистрацию изменения этого сигнала после отражения от объекта фокусировки. Используются типы сигналов: инфракрасный и ультразвуковой.

Инфракрасный способ (рисунок 32).

Рисунок 32. Инфракрасный дальномер

От инфракрасного излучателя через линзу лучи поступают на объектив, отражаются и возвращаются через другую линзу на движущийся фотоприемник. При движении этого приемника определяется интенсивность снимаемого с него сигнала. Когда сигнал максимален, принимается, что на приемник попало отражение от объектива. Процесс определяется как сдвигание приемника относительно базового положения. Процессор пересчитывает сдвиг приемника в расстояние до объектива, а затем необходимое перемещение фокусирующей группы. Недостатки данной системы:

1. Громоздкая механическая и оптическая система.

2. Метод параллаксный, то есть наблюдение за объектом происходит из другой точки по отношению к объективу для съемки. Из-за параллакса метод работает неточно на близких расстояниях.

3. Метод плохо работает на темных объектах. Метод не работает вблизи постоянных источников инфракрасного излучения. Ограниченность 10-15 метров.

Ультразвуковой способ (рисунок 33).

Рисунок 33. Ультразвуковой дальномер

Измеряется время излучения от первого импульса до его возвращения. Измерения производятся высокочастотным генератором прямоугольных импульсов. Рассчитывается количество этих импульсов за время ухода – прихода сигнала и умножается на период этих импульсов. После определения времени ухода – прихода импульса процессор умножает время на скорость ультразвука в данной среде и определяется расстояние до объектива делением на 2. Часть объектива смещается на рассчитываемое процессором расстояние.

Недостатки данной системы:

1. Отражение от стен и невозможность фокусирование через прозрачные преграды.

2. Расходящийся ультразвуковой пучок может зацепить не только точку фокусировки, но и объекты находящиеся на других расстояниях, то есть камера сфокусируется на другом объекте.

Пассивные методы автофокусировки:

1. SST (рисунок 34).

Рисунок 34. Пассивный дальномер с использованием строки ПЗС- датчика

Лучи от фокусирующего объекта попадают на два зеркала, отражаются на две грани отражающей призмы и на дополнительной матрице возникает раздвоенное изображение объекта. Расстояние между этими изображениями по законам геометрии пропорционально расстоянию до объекта. Процессор производит пересчет расстояния меду раздвоенными элементами расстояния до объекта, в необходимое перемещение фокусирующей группы линз и система управления передает в двигатель соответствующую команду.

Недостатки:

a. Так как фокусировка не через основной объектив, отсюда следует большая погрешность на малых расстояниях до объекта из-за параллакса (расстояние между осями измеряют с основной оптической системой).

b. Система плохо работает с малоконтрасными объектами фокусировки (не хватает чувствительности матрицы для обнаружения раздвоенного объекта).

2. TCL (рисунок 35).

Рисунок 35. Схема получения выходных сигналов датчика ТСL

Изображение строится одновременно в плоскости основной матрицы и плоскости вспомогательной матрицы, имеющие необычную структуру. Вспомогательная матрица состоит из 24 микролинз, за каждым элементом. Левые выходы ПЗС сенсоров собраны в электрический канал, правый во второй. Если изображение на вспомогательной матрице (и на основной) резкое, то освещенности на левых и правых сенсоров микролинзы одинаковы. Сигналы с первой группы сенсоров равны сигналы со второй группы сенсоров и не происходит перемещение фокусирующей линзы. Если изображение на матрицах не резкое, то сигналы с левой и правой группы разные в двух каналах, наличие этой разности интегрирует сигнал систему управления для перемещения двигателя (рисунок 36).

**

Рисунок 36. Автофокусировка с использованием ТСL- принципа

70% света приходится на основную матрицу, 30% - на вспомогательную, линза автофокуса нужна, чтобы сравнивать оптические пути до основной и вспомогательной матрицы.

Недостатки:

a. Отсутствуют недостатки, связанные с параллаксом, но слабо работает на малоконтрастных объектах.

b. Метод не работает для вертикальной регулировки структуры («расческа»). Недостаток устраняется изменением ориентации элементов за микролинзой.

3. TTL – не требует дополнительных оптических и электрических элементов. Используется только программное обеспечение.

Сканируется сигнал с матрицы и процессор рассчитывает его АЧХ. При перемещении объектива АЧХ объекта на матрице изменяется. Если изображение резко сфокусировано, то амплитуда высокочастотной составляющей максимальна. Если изображение не резкое, амплитуда мала. Процессор сравнивает амплитуды для разных положений фокусирующей линзы и определяет такое положение линзы, при котором амплитуда максимально. В результате определяется максимальное положение фокусирующей группы.

Недостаток:

Система плохо работает при отсутствии высокочастотных составляющих в сигнале, то есть отсутствие мелких элементов или отсутствие сильного контраста на крупных составляющих.