Φακοί: Το κλειδί της απόδοσης των CCTV

Ο φακός αποτελεί ένα κρίσιμο στοιχείο για την απόδοση ενός συστήματος CCTV. Κακή επιλογή φακού σημαίνει απώλεια οπτικής πληροφορίας, που δεν μπορεί να ανακτηθεί έστω και αν γίνεται χρήση των πιο εξελιγμένων συσκευών και τεχνολογιών επεξεργασίας εικόνας.

Ένα σύστημα CCTV κρίνεται από την ικανότητά του να παρέχει ευκρινή εικόνα τόσο στην επιτήρηση σε πραγματικό χρόνο, όσο και κατά την αναπαραγωγή των καταγεγραμμένων εικόνων. Για να επιτευχθεί το σωστό αποτέλεσμα, θα πρέπει να γίνει σωστός συνδυασμός διαφόρων διατάξεων και συγκερασμός τεχνολογιών, λαμβάνοντας πάντα υπόψη τις ιδιαίτερες συνθήκες της εκάστοτε εγκατάστασης. Το πιο σημαντικό στοιχείο σε όλη αυτή τη διαδικασία είναι η επιλογή του φακού. Αν και το κόστος του, συγκρινόμενο με τις άλλες συσκευές που απαρτίζουν ένα σύστημα CCTV, είναι σχετικά μικρό, εντούτοις κατέχει την πιο κρίσιμη θέση στη δομή του συστήματος.

Η κατασκευή ενός φακού που να αποκρίνεται σωστά στην ιδιαίτερη φύση του φωτός και να παράγει υψηλής ποιότητας εικόνα, είναι μια διαδικασία που απαιτεί γνώση, εμπειρία και πολλά χρόνια έρευνας. Γι’ αυτό άλλωστε και υπάρχουν ελάχιστοι κατασκευαστές.
Ο φακός λειτουργεί εκμεταλλευόμενος το φαινόμενο της διάθλασης του φωτός, σύμφωνα με το οποίο γίνεται μεταβολή της διεύθυνσης των ακτίνων του φωτός όταν αυτές περνάνε από ένα οπτικό μέσο (π.χ. αέρας) σε ένα άλλο (π.χ. γυαλί). Είναι γεγονός ότι όσο περισσότερο φως επιτρέπει ο φακός να περάσει, τόσο καλύτερη εικόνα θα έχουμε. Οι φακοί διαθέτουν ένα μηχανισμό ίριδας (είτε αυτόματο είτε χειροκίνητο) για να επιλέγουν κάθε φορά το απαιτούμενο επίπεδο φωτός που θα φθάνει στο φωτοευαίσθητο ανιχνευτή CCD. Όταν χρειαζόμαστε περισσότερο φως, αρκεί να αυξήσουμε μέσω του μηχανισμού της ίριδας, την ενεργό διάμετρο του στοιχείου του φακού. Ο τρόπος αυτός δεν μας παρέχει αυτόματα και την υψηλή ποιότητα που επιθυμούμε. Στη διαδρομή των ακτίνων του φωτός μέσα από το στοιχείο του φακού μέχρι το σημείο εστίασης, λαμβάνουν χώρα δύο φαινόμενα που υποβαθμίζουν την απόδοση του φακού: η σφαιρική παραμόρφωση (spherical aberration) και η χρωματική παραμόρφωση (chromatic aberration).
Οι φακοί παρουσιάζουν το σφάλμα της σφαιρικής παραμόρφωσης, δηλαδή οι ακτίνες που προσπίπτουν στα περιφερειακά σημεία του φακού (παράλληλα με τον οπτικό του άξονα) συγκεντρώνονται σε άλλο σημείο από το σημείο στο οποίο συγκεντρώνονται οι ακτίνες που συναντούν το φακό σε μικρή απόσταση από τον κύριο άξονα (σχήμα 1). Αυξάνοντας λοιπόν την ενεργή διάμετρο του στοιχείου, θα αυξηθεί ταυτόχρονα και η παραμόρφωση, δημιουργώντας χαμηλότερη ανάλυση. Ο καλύτερος τρόπος αντιμετώπισης είναι η εκλογή κατάλληλων ακτίνων καμπυλότητας του φακού.

Η τέλεια διόρθωση επιτυγχάνεται με απόκλιση της επιφάνειας από το σφαιρικό σχήμα (aspherical). H κατασκευή των στοιχείων ενός μη σφαιρικού φακού (σχήμα 2) γίνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε όλες οι ακτίνες να συγκεντρώνονται στο ίδιο σημείο. Με τον τρόπο αυτό δεν υπάρχει καμιά παραμόρφωση και η ποιότητα στην εικόνα που δίνουν αυτοί οι φακοί είναι υψηλή.

Όμως η εστιακή απόσταση ενός φακού εξαρτάται και από το σχετικό δείκτη διάθλασης του φακού ως προς το μέσο που τον περιβάλλει (ο δείκτης διάθλασης είναι ο λόγος της ταχύτητας του φωτός στο κενό, προς την ταχύτητα του φωτός στο υλικό). Αλλά ο δείκτης διάθλασης είναι διαφορετικός για τα διάφορα χρώματα. Έτσι, η εστιακή απόσταση είναι διαφορετική για κάθε χρώμα (σχήμα 3). Όσο μεγαλώνει η συχνότητα του φωτός, τόσο προχωράμε από το ερυθρό προς το ιώδες και τόσο ο δείκτης διάθλασης αυξάνει. Όταν όμως ο δείκτης διάθλασης αυξάνει, μεγαλώνει η εκτροπή των ακτίνων, άρα η εστιακή απόσταση μικραίνει (χρωματική παραμόρφωση). Έτσι, αν το φως που προέρχεται από το αντικείμενο δεν είναι μονοχρωματικό (και στην πραγματικότητα ποτέ δεν είναι) τότε το είδωλο που σχηματίζεται είναι θολό και η ποιότητα εικόνας είναι κακή. Οι κατασκευαστές λύνουν το πρόβλημα, με συνδυασμό συγκλινόντων και αποκλινόντων στοιχείων από διάφορα υλικά.
Το ίδιο φαινόμενο εμφανίζεται στην περίπτωση που γίνεται χρήση προβολέων υπέρυθρου φωτός. Όπως και προηγουμένως, πρέπει οι φακοί να μπορούν να ανταποκρίνονται και να διορθώνουν το σφάλμα που υπεισέρχεται λόγω των συχνοτήτων στην περιοχή του υπέρυθρου φωτός. Διαφορετικά, αν χρησιμοποιηθούν φακοί που λειτουργούν μόνο στην οπτική περιοχή, το αποτέλεσμα θα είναι χαμηλή ανάλυση εικόνας.
Στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν φακοί (IR-corrected) που προσαρμόζονται στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος και λειτουργούν εξαιρετικά τόσο στην οπτική όσο και στην υπέρυθρη περιοχή. Συχνά οι φακοί αυτοί αναφέρονται και ως φακοί day-night (ημέρας-νύκτας).

Όπως γίνεται αντιληπτό από τα παραπάνω, υπάρχουν παράγοντες και τεχνικές λεπτομέρειες που υπεισέρχονται στη διαδικασία κατασκευής των φακών, με αποτέλεσμα μόνο ελάχιστοι κατασκευαστές να μπορούν να παράγουν προϊόντα άριστης κατασκευής και αξιοπιστίας. .
Με την εξέλιξη των συστημάτων CCTV, την ψηφιοποίηση και τις απαιτήσεις για μεγαλύτερη ανάλυση εικόνας, γίνεται ακόμα πιο επιτακτική η ανάγκη να προσφέρεται υψηλή ποιότητα εικόνας από τους φακούς που χρησιμοποιούν οι κάμερες. Τα τελευταία χρόνια άρχισαν να κάνουν την εμφάνισή τους οι κάμερες υψηλής ανάλυσης (megapixels). Καθώς το κόστος των chips CMOS υψηλής ανάλυσης αρχίζει να μειώνεται, αρκετοί κατασκευαστές εργάζονται προς αυτήν την κατεύθυνση. Παρόλο που μία CCD κάμερα για μία εικόνα υψηλής ανάλυσης περιέχει περίπου 440.000 pixels σε κάθε πλαίσιο, οι τελικοί χρήστες απαιτούν υψηλότερες αναλύσεις. Βέβαια, υπάρχει ένα σημείο, πέρα από το οποίο το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να αντιληφθεί τη διαφορά στην υψηλή ανάλυση. Είναι όμως σημαντική και τα οφέλη γίνονται ορατά στο στάδιο της επεξεργασίας των εικόνων. Για να ανταποκριθούν στις αυξημένες απαιτήσεις των καμερών αυτών, κατασκευάζονται φακοί (megapixels) που παρουσιάζουν ελάχιστη παραμόρφωση και υψηλά επίπεδα αντίθεσης. Επιπλέον, διαθέτουν μια οπτική ακρίβεια που δεν συναντάται στους φακούς των παραδοσιακών καμερών.
Τίθεται τώρα αβίαστα το ερώτημα: ποια είναι τα κριτήρια για τη σωστή επιλογή ενός φακού και πώς μπορεί ένας χρήστης να εκτιμήσει ή να συγκρίνει διαφορετικούς φακούς που έχουν περίπου τα ίδια χαρακτηριστικά (εστιακή απόσταση, ίριδα κ.ά.);
Δυστυχώς, ο χρήστης δεν διαθέτει τα απαραίτητα τεχνικά μέσα για να εκτιμήσει τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες που κάνουν έναν πολύ καλό φακό να ξεχωρίζει. Η ποιότητα του φακού καθορίζεται από την επεξεργασία της οπτικής επιφάνειας των στοιχείων του. Η επεξεργασία της επιφάνειας είναι μια λεπτή και ακριβής διαδικασία, για να εξαλειφθούν και να διορθωθούν τα διάφορα σφάλματα που υπεισέρχονται είτε λόγω κατασκευαστικών αδυναμιών είτε λόγω της φύσης του φωτός, όπως αναφέρθηκε πριν (σφαιρική και χρωματική παραμόρφωση). Έτσι, δεν είναι καθόλου τυχαίο ότι συναντώνται στην αγορά φακοί που έχουν παραπλήσια τεχνικά χαρακτηριστικά (π.χ. εστιακή απόσταση 3-12mm, f/1.2, κ.ά.) αλλά διαφέρουν πάρα πολύ στις τιμές.
Το μοναδικό κριτήριο σε αυτήν την περίπτωση είναι η τιμή. Η τιμή αντικατοπτρίζει το ποσό που έχει επενδυθεί στην έρευνα και την ανάπτυξη ενός τέτοιου προϊόντος, με ιδιαίτερες δυσκολίες στην κατασκευή του, ειδικά σε μια ανταγωνιστική βιομηχανία όπως είναι αυτή των κλειστών κυκλωμάτων παρακολούθησης. Πολλοί δυστυχώς δεν εκτιμούν τη μεγάλη σημασία που έχει η επιλογή του φακού και δεν αντιλαμβάνονται το γεγονός ότι η πληροφορία που θα χαθεί από την κακή επιλογή φακού, δεν αναπληρώνεται ούτε με τη χρήση καλύτερων καμερών ούτε με τη χρησιμοποίηση ακόμα και ακριβών λογισμικών ή συσκευών επεξεργασίας της εικόνας. Είναι σημαντικό να γίνει κατανοητό, ότι μπορούμε να πάρουμε καλύτερες εικόνες από έναν πολύ καλό φακό και μια σχετικά φθηνή κάμερα, από ό,τι αν χρησιμοποιήσουμε ένα φθηνό φακό και μια πολύ καλή και ακριβή κάμερα.

Του ΓΙΩΡΓΟΥ ΒΕΛΝΤΕ
Φυσικός – Ραδιοηλεκτρολόγος