Obiettivi per telecamere

Prima di cominciare a parlare degli obiettivi per telecamere e delle loro caratteristiche, credo sia meglio spiegare cos'è un immagine e quali sono le analogie tra un obiettivo e l'occhio umano. Cominciamo col dire che la condizione necessaria per vedere è che nell'ambiente circostante ci sia della luce. Il termine luce (dal latino lux), si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano ed è approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri di lunghezza d'onda, ovvero tra 790 e 435 THz di frequenza. Questo intervallo coincide con il centro della regione spettrale della luce emessa dal sole, che riesce ad arrivare al suolo attraverso l'atmosfera. La presenza contemporanea di tutte le lunghezze d'onda visibili, in quantità proporzionali a quelle della luce solare, forma la luce bianca. La luce, come tutte le onde elettromagnetiche, interagisce con la materia. I fenomeni che più comunemente influenzano o impediscono la trasmissione della luce attraverso la materia sono: l'assorbimento, la diffusione (scattering), la riflessione speculare o diffusa, la rifrazione e la diffrazione. La riflessione diffusa da parte delle superfici, da sola o combinata con l'assorbimento, è il principale meccanismo attraverso il quale gli oggetti si rivelano ai nostri occhi, mentre la diffusione, causata dall'atmosfera, è responsabile della luminosità del cielo. L'occhio è l'organo di senso principale dell'apparato visivo ed ha il compito di ricavare informazioni sull'ambiente circostante attraverso la luce. L'occhio raccoglie la luce che gli proviene dall'ambiente, ne regola l'intensità attraverso un diaframma (l'iride), la focalizza attraverso un sistema regolabile di lenti (cristallino/cornea), e la trasforma in una serie di segnali elettrici, che attraverso il nervo ottico vengono inviati al cervello per l'elaborazione e l'interpretazione. Anche l'obiettivo, come l'occhio umano, è dotato di un iride e di un sistema di focalizzazione ed è proprio in base a come vengono gestiti questi due parametri ed alla qualità delle lenti, che un obbiettivo può risultare più o meno valido per certe applicazioni e più o meno costoso.

Le lenti

Generalmente vengono usate delle lenti convesse, che grazie alla loro forma geometrica hanno la caratteristica ideale di far convergere tutta la luce sul punto focale, dico ideale perché questa affermazione risulta vera solo quando i raggi luminosi che investono la lente sono paralleli tra di loro, raggi di questo tipo sono quelli emessi dal sole o dalle montagne in lontananza. Nella realtà i raggi investono l'obiettivo con molteplici angolazioni causando svariati tipi di aberrazioni ottiche. Col termine aberrazione si intende una differenza tra il comportamento reale di una lente e quello ideale, tali differenze sono provocate da leggi fisiche che governano la propagazione della luce e neanche la migliore delle lenti riesce ad eliminarle del tutto. Un'aberrazione tipica delle  lenti convesse è quella della differenza di fuoco tra il centro e i bordi dell'immagine, tale differenza è causata dalla geometria della lente e viene detta aberrazione sferica. In pratica  i raggi che colpiscono il centro della lente non subiscono alcuna variazione, invece quelli che colpiscono i bordi vengono deviati, con un angolo che dipende dall'angolo di incidenza, e fatti convergere in punti leggermente spostati rispetto al piano focale, il risultato sarà un immagine a fuoco al centro e meno a fuoco via via che ci si avvicina   ai  bordi. Per attenuare il problema dell'aberrazione sferica si può ricorrere ad un restringimento del diaframma o all'utilizzo di lenti con geometria asferica. Le lenti asferiche sono disegnate in modo che i raggi periferici, qualsiasi sia l'angolo di incidenza, vengano comunque convogliati verso il punto focale. Un altro parametro che individua la qualità di una lente è il materiale di cui è costituita, che può essere il vetro (normale, Crown, Flint ecc), un cristallo minerale come il quarzo o il berillo, o  un materiale plastico. La scelta è funzione della destinazione d'uso, dello spettro elettromagnetico trattato, della robustezza e deformabilità meccanica, della riduzione delle aberrazioni e soprattutto del costo finale. Il costo di una lente sale notevolmente con l'aumentare della qualità ottica, dovuta alla purezza dei materiali e alle particolari lavorazioni della superficie.

Dimensione

La dimensione dell'obiettivo viene stabilita in base al sensore CCD su cui deve proiettare l'immagine e visto che esistono sensori da 1/2", 1/3", 1/4" etc., esisteranno ottiche da 1/2", 1/3", 1/4" etc.. Abbinando ad esempio un obiettivo da 1/2" ad un CCD da 1/2" si avrà la certezza che l'immagine ricreata sul piano focale sarà interamente catturata dal sensore, se invece abbinassimo un obiettivo da 1/2" ad un sensore da un 1/3" parte dell'immagine ricreata sul piano focale cadrebbe fuori dal sensore e andrebbe persa, al contrario un obiettivo da 1/3" abbinato ad un sensore da 1/2" proietterebbe sul piano focale un'immagine troppo piccola ed il risultato a video sarebbe un'immagine con gli angoli arrotondati. 

La Focale

La focale di un obiettivo è rappresentata dalla distanza in millimetri tra la lente ed il punto in cui essa è in grado di ricreare un'immagine a fuoco della zona ripresa. Questo parametro viene indicato con la lettera " F " ed insieme alle dimensioni del sensore CCD concorre a  determinare l'angolo di vista orizzontale, tale parametro influenza direttamente  la larghezza della  ripresa. L'angolo di vista è direttamente proporzionale alla dimensione del CCD (sensore più grande angolo di vista maggiore), ed inversamente proporzionale alla lunghezza focale. A parità di sensore CCD una focale lunga ci darà un angolo di vista ristretto mentre una focale corta ci darà un angolo di vista più ampio. Per capire meglio provate a praticare un foro su un pezzo di cartone e a guardarci attraverso, avvicinando l'occhio al buco vedrete un'area maggiore se invece lo allontanate vedrete un area minore. In base al valore della focale si possono individuare tre tipologie di obiettivo: normale, grandangolare, teleobiettivo.

Obiettivo normale

Un obiettivo con una focale di 8 mm abbinato ad un CCD da 1/3" fornisce un angolo di vista di ≈ 30°, che è lo stesso fornito dall'occhio umano, tale obiettivo viene definito "normale".

Obiettivo grandangolare

Obiettivi con una focale minore di 8 mm offrono un angolo di vista maggiore e vengono chiamati grandangolari. A parità di dimensioni del sensore CCD l'obiettivo grandangolare fa il modo di concentrare sul sensore una quantità di spazio maggiore rispetto al "normale" per far questo rimpicciolisce le immagini col risultato che gli oggetti osservati risultano essere più piccoli del normale, più lontani e meno dettagliati. Con focali minori di 2.5 mm le immagini potrebbero apparire un pò distorte questo effetto si chiama "fisheye"  e viene oggi usato per realizzare delle telecamere con un angolo di vista compreso tra i 180° e i 360°. Il termine fisheye deriva dal fatto che l'inquadratura sembra essere fatta dall'occhio di un pesce, queste telecamere sono altamente tecnologiche e possono fornire una visione a 180° se montate a parete o a 360° se montate a soffitto, l'area ripresa può essere vista su di un monitor nella sua interezza o suddivisa in quattro aree più piccole, simulando la presenza di quattro telecamere.

Teleobiettivo

Gli obiettivi  con una focale maggiore di 8 mm offrono un angolo di vista minore e vengono chiamati teleobiettivi. A parità di dimensioni del sensore CCD, un teleobiettivo concentra sul sensore una quantità di spazio minore rispetto al "normale"(aumentando il rapporto pixel/metro), questo fa si che le immagini appaiano più vicine e più dettagliate.

Gli obiettivi possono essere ulteriormente suddivisi in: focale fissa, focale variabile, zoom,

Focale fissa,

Gli obiettivi a focale fissa offrono un unico angolo di ripresa che non può essere modificato. Nei sistemi di videosorveglianza questo è uno svantaggio perché vincola la telecamera a riprendere solo scene con determinate caratteristiche.

Focale variabile

Gli obiettivi a focale variabile costano un pò di più ma danno il vantaggio di poter scegliere tra un range di focali maggiore ad esempio 4-12 mm. La scelta viene effettuata ruotando una ghiera posta sul barilotto dell'obiettivo, una volta individuato il corretto angolo di vista necessitano di essere messi a fuoco tramite la rotazione di una seconda ghiera. 

Zoom

Sono degli obiettivi a focale variabile ad esempio 6-48 mm che riescono a riprendere anche a distanze notevoli ed hanno la messa a fuoco automatica. Lo zoom può essere eseguito sia manualmente che automaticamente, attraverso una serie di motorini elettrici comandati  da un operatore remoto. Spesso questi obiettivi vengono rappresentati da un valore che nasce dal rapporto tra la massima e la minima lunghezza focale selezionabile, prendendo l'esempio precedente 6-48 mm avremo  48/6=8 quindi il nostro obiettivo sarà un 8X. 

Il diaframma

Il compito del diaframma è quello di regolare la quantità di luce che raggiunge il sensore d'immagine attraverso l'obiettivo. Un'immagine si dice sovraesposta (bruciata nel gergo fotografico) quando, a causa della troppa luce che passa attraverso l'obiettivo, appare molto chiara e i dettagli in corrispondenza delle zone più luminose risultano essere poco visibili. Al contrario si dice che un immagine è sottoesposta quando, a causa della poca luce che passa attraverso l'obiettivo, appare molto scura e i dettagli in corrispondenza delle zone più scure risultano essere poco visibili. Anche l'occhio umano è sensibile alle variazioni luminose e per correggerle si affida ad una membrana chiamata iride. L'iride, attraverso la variazione del suo diametro, regola  la quantità di luce passante e ci consente una visione ottimale in tutte le condizioni. Nelle telecamere, per evitare che le immagini siano sovra o sottoesposte, si ricorre a due metodi principali quali: la regolazione del tempo di campionamento (shutter elettronico, simile per funzione all'otturatore delle macchine fotografiche) e la regolazione dell'apertura del diaframma. In condizioni di scarsa illuminazione è preferibile usare un diaframma aperto in modo da poter convogliare sul sensore una quantità maggiore di luce ed evitare la sottoesposizione, invece, in condizioni di eccessiva illuminazione è preferibile usare un diaframma chiuso che limita la quantità di luce  ed evita la sovraesposizione. In base a come viene gestito il diaframma possiamo dividere gli obiettivi in tre categorie: Iris fisso, iris meccanico, autoiris.

Obiettivi ad iris fisso

Questi obiettivi hanno un'apertura fissa che non può essere in alcun modo variata, il diametro del diaframma è regolato per le riprese di interni con condizioni di luce stabili. Oggi sono molto diffusi, un po' per il loro costo ridotto e un po' perché gli otturatori di tipo elettronico (shutter), li hanno resi apprezzabili anche per le inquadrature con condizioni di luce variabile.

Obiettivi ad iris meccanico

Negli obiettivi ad iris meccanico l'apertura del diaframma viene regolata meccanicamente per mezzo di una ghiera posta sull'obiettivo. Anche in questo caso, a meno che non si abbiano esigenze particolari,  la regolazione migliore dovrebbe essere un'apertura intermedia.

Obiettivi autoiris

Questi obiettivi sono equipaggiati con un motorino che regola l'apertura del diaframma in base alla quantità di luce presente nell'ambiente circostante. L'apertura del diaframma viene stabilita in base a delle informazioni di luminosità contenute nell'immagine catturata dal sensore CCD, tali informazioni devono essere elaborate e trasformate in impulsi elettrici, utili per il motorino che dovrà governare il diaframma. L'elettronica per elaborare le informazioni luminose può essere parte integrante dell'obiettivo, che in questo caso sarà un Video Drive, oppure trovarsi a bordo della telecamera , che in questo caso monterà un obiettivo DC Drive. 

f-stop

A questo punto si potrebbe  pensare che tra due obiettivi il più luminoso sia quello con l'apertura del diaframma maggiore. In realtà la quantità  di luce che investe il sensore ccd, oltre che dall'apertura del diaframma, dipende anche dalla lunghezza focale. Tornando all'esempio del foglio di cartone bucato, potrete constatare facilmente che a parità di diaframma (buco nel cartone), il vostro occhio riceverà più luce quando vi avvicinerete (focale corta), e ne riceverà di meno quando vi allontanerete (focale lunga). il parametro che indica la luminosità di un obiettivo è l' f/stop, tale valore, chiamato rapporto focale, nasce dal rapporto tra la lunghezza focale e il diametro dell'apertura del diaframma. 

Messa a fuoco

La funzione ideale di un obiettivo è quella di raccogliere la luce proveniente dall'ambiente circostante e di convogliarla su un punto preciso detto punto focale. La distanza tra il punto focale e la lente è una caratteristica dell'obiettivo e prende il nome di distanza focale, un sensore CCD installato perfettamente a ridosso del punto focale renderà un immagine nitida e perfettamente a fuoco. Quanto detto prima è vero solo se i raggi che investono l'obiettivo  sono tra di loro paralleli, in natura gli unici raggi paralleli sono quelli del sole o quelli riflessi dalle montagne in lontananza. In tutti gli altri casi la luce proveniente dall'ambiente circostante colpirà l'obiettivo con diverse angolazioni che, anche se di poco, contribuiranno a variare la distanza focale compromettendo la nitidezza del'immagine ottenuta, che risulterà sfocata. Per risolvere questo problema ed ottenere delle immagini nitide, bisognerà mettere a fuoco l'obiettivo, l'operazione di messa a fuoco consiste nel ruotare una ghiera, posta sul barilotto dell'obiettivo, che sposta la lente in avanti o in dietro, in modo da riportare il punto focale sul sensore CCD.

L'autofocus

Gli autofocus sono degli obiettivi capaci di mettersi a fuoco in modo autonomo, vengono preferiti in tutte quelle situazioni dove il target non è statico, ma soggetto a variazioni, come  nelle telecamere brandeggiabili o in quelle ad inseguimento. La messa a fuoco viene effettuata  da un motore elettrico che attua la rotazione dei gruppi ottici facendoli allontanare o avvicinare al piano focale. Uno dei metodi utilizzati per capire quando un immagine è a fuoco è quello a rilevamento di contrasto, tale metodo è simile al criterio applicato da noi quando mettiamo a fuoco in modo manuale. In pratica il sensore ccd acquisisce l'immagine e la invia ad un processore che ne analizza i contrasti (in un immagine sfocata i contrasti non sono netti ma sfumati). Fatto ciò il processore invia un input al motore, che attua la rotazione dei gruppi ottici spostando la focale, se il contrasto aumenta allora quella è la giusta direzione altrimenti bisognerà muoversi nella direzione opposta. Una volta individuata la giusta direzione, il processore continua ad inviare degli input al motore, analizzando di volta in volta il contraso ottenuto, fino a quando il contrasto non diminuisce nuovamente. A quel punto significa che il miglior contrasto era nella posizione precedente e riporta indietro il motore.

Profondità di campo

Quando mettiamo a fuoco un immagine solo un determinato punto, detto punto di fuoco, sarà realmente a fuoco, le zone poste davanti e dietro il punto di fuoco subiranno una sfocatura graduale che aumentera all'aumentare della distanza dal punto di fuoco. La profondità di campo indica i metri, prima e dopo il punto di fuoco, che mantengono una nitidezza accettabile.

La profondità di campo viene influenzata da tre fattori:

  • Apertura del diaframma: un diaframma aperto ha una profondità di campo  minore rispetto ad un diaframma chiuso;
  • Lunghezza focale: obiettivi grandangolari (lunghezza focale ridotta), hanno una profondità di campo maggiore rispetto ai teleobiettivi (lunghezza focale elevata);
  • Distanza tra telecamera e soggetto: maggiore sarà la distanza tra il soggetto e la telecamera maggiore sarà la profondità di campo.

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