Camera elements

レンズ素子

レンズ、またはレンズ部の機能:

  • 画角を決定します(カメラの撮影可能範囲と必要となる画像の詳細レベルを決定します)。
  • 画像センサーに当たる光の量をコントロールして、適切な露出が行われるようにします。
  • ピント合わせを行います。また、レンズ部と画像センサーとの間隔を調整します。

 

画角

カメラを選定する際に考慮すべき点は、必要となる画角を明確にすることです。つまり、撮影可能な範囲と、画像の詳細レベルです。画角はレンズの焦点距離と画像センサーのサイズで決まります。レンズの焦点距離および画像センサーのサイズは、ネットワークカメラのカタログ等に記載されています。

レンズの焦点距離は入射レンズ(またはレンズ部内の特定点)と光線が集結する点(通常は画像センサー)との間の距離です。焦点距離が長いほど、画角は狭くなります。

AxisのWebサイトで公開されているレンズカルキュレイタを利用すると、レンズの焦点距離を指定してカメラから被写体までの距離や、撮影できる範囲を計算したりすることができます(レンズカルキュレイタの計算結果には、レンズ自体のひずみなどは反映されません)。

画角は3つのタイプに分類されます:

  • 標準画角:人の目とほぼ同じ画角です。
  • 望遠:人の目よりも画角は狭くなりますが、一般的に人の目よりもより多くの情報(詳細)を取得できます。望遠レンズは小さな被写体か、カメラから離れた被写体を監視するときに使用します。望遠レンズは標準的なレンズより光を集める能力が低くなります。
  • 広角:標準画角に比べて詳細部分は失われますが、画角はより広くなります。広角レンズは被写界深度が深く、弱い光でも優れたパフォーマンスを提供します。使用する広角レンズによっては、魚眼レンズのような歪みが出る場合があります。

異なる画角:広角(左)、標準画角(中央)、望遠(右)。

異なる焦点距離のネットワークカメラ用レンズ:広角(左)、標準(中央)、望遠(右)。

3種類のレンズ:

  • 固定レンズ:焦点距離が固定のレンズで、画角は1つだけです(標準、望遠、広角のいずれか)。固定ネットワークカメラで標準的に使用されているレンズの焦点距離は4mmです。
  • バリフォーカルレンズ:焦点距離を変えることが可能で、設定した焦点距離に合わせて画角が変化します。画角は手動で調整することができますが、画角を変えたときはピント合わせを行う必要があります。ネットワークカメラ用のバリフォーカルレンズの焦点距離は、通常3~8mmです。
  • ズームレンズ:ズームレンズの場合、バリフォーカルレンズと同様に異なる画角を使用することができます。ズームレンズは有効な焦点距離の範囲内(例えば6~48mm)で焦点を維持することが可能であり、画角を変えたときに再度ピント合わせを行う必要はありません。レンズの調整は手動、またはモーターを遠隔制御して行うことができます。3倍ズームという意味は、焦点距離の最長(望遠)と最短(広角)の比率を指しています。

レンズとセンサーの組み合わせ

カメラのレンズを交換する場合、カメラに搭載されている画像センサーに適合するレンズを選択する必要があります。1/2インチの画像センサー用のレンズは、1/2インチ、1/3インチ、1/4インチの画像センサーに適合しますが、2/3インチの画像センサーでは使用できません。

現在カメラに搭載されている画像センサーより小さいセンサー用に作られたレンズを取り付けた場合、画像の角が黒くなります(左のイラストを参照)。反対に、現在カメラに搭載されている画像センサーより大きいセンサー用に作られたレンズを取り付けた場合、レンズの性能に対して画角が小さくなるため、画像センサーの外側にある情報が失われます(右のイラストを参照)。このような場合、すべてが拡大して見える望遠効果が起きることになります。

1/3インチの画像センサーに異なるレンズをマウントした例。

メガピクセルセンサーはVGAセンサー(640x480ピクセル)より小さいピクセルで構成されるため、メガピクセルカメラのレンズを交換するときは高品質のレンズを選択するようにしてください。カメラの能力を最大限に引き出すためにも、レンズの解像能力とカメラの解像能力を合わせることが重要です。

標準レンズマウント

レンズを交換する際は、ネットワークカメラが使用しているレンズマウントの種類を確認する必要があります。ネットワークカメラは、CSマウントとCマウントの2種類のレンズマウントを標準的に使用しています。どちらも1インチのネジ山で外観はよく似ていますが、カメラに取り付けたときのレンズとセンサーまでの距離が異なります。

CSマウント. センサーとレンズとの距離は12.5mmです。

Cマウント. センサーとレンズとの距離は17.526mmです。

5mmのスペーサー(C/CSアダプターリング)を利用すると、CマウントレンズをCSマウントのカメラに取り付けることができます。ピントが合わない場合、適合しないレンズが取り付けられている可能性があります。

をご覧くださいーマルカメラ用レンズ

f値と露出

光量が弱い場合、特に屋内ではレンズが持つ集光能力が重要になります。これは、fストップとも呼ばれるf値で決まります。f値とはどのくらい光がレンズを通るかを定義しています。

f値はレンズの焦点距離と口径、または絞りの直径との比(f値=焦点距離/口径)になります。

f値が小さいほど(口径に比べて焦点距離が短い/焦点距離に比べて口径が大きい)レンズの集光能力は高くなります。つまり、より多くの光を画像センサーに集められるということなります。光の弱い環境では、f値が小さいレンズの方が良い画質が得られます(センサーによっては設計上の理由でf値が小さくても良い結果が得られない場合があります)。また、f値が大きいほど被写界深度は深くなります。詳しくは、「被写界深度」を参照してください。通常、f値の小さいレンズはf値の大きいレンズに比べて高価になります。

f値はF/xとも表示されます(スラッシュは割算という意味です)。F/4と表示された場合、絞りの口径の直径は焦点距離の1/4になります。つまり、焦点距離8mmのレンズでは直径2mmの絞りから光を通します。

自動絞り調整(またはDCアイリス)付きレンズでは、f値はある範囲(最小値から最大値)を持っていますが、最も多く光を集められる最小のf値のみが明記されていることが多くあります。

レンズの集光能力またはf値、そして露出時間(画像センサーが光にさらされる時間)は、どのくらいの光を画像センサーに取り込むようにするかを制御する2つの要素です。3つ目の要素として、画像を明るくすることができるゲインがあります。ただし、ゲインを高くするとノイズ(画像の粒状性)が増えるため、露出時間や絞りの調整が必要になることがあります。

Axisネットワークカメラでは、露出時間とゲインの限度を設定できます。露出時間が長くなるほど、画像センサーに入る光の量が多くなります。つまり、明るい環境下では露出時間は短くてすみますが、光の弱い環境下では露出時間は長くなります。注意するべき点は、露出時間を長くすると動きのブレが発生し、それを解消するために絞りを開けると被写界深度が浅くなることです。詳しくは、「被写界深度」で説明します。

被写体の動きが速かったり、高フレームレートで画像を配信する場合は、露出時間をできるだけ短く設定してください。光が弱い環境では露出時間が長い方が画質は向上しますが、動きのブレが発生したり、各フレームの露出に長い時間がかかるためフレームレート全体が下がる場合があります。ネットワークカメラには、露出の設定で自動を選択することで光の量に応じてフレームレートを増減できるタイプがあります。光量が落ちてきた場合は、人工光源を使用したり、カメラの設定でフレームレートまたは画質のどちらかを優先するオプションの使用を検討してください。

ネットワークカメラの設定ページ:光が弱いときの露出設定が用意されています。

Fixed or adjustable iris

The ability to control a camera’s iris opening plays an important role in image quality. An iris is used to maintain the optimum light level to the image sensor so that images can be sharp, clear and correctly exposed with good contrast and resolution. The iris can also be used to control the depth of field. Iris control can be fixed or adjustable. Adjustable iris lenses can be manual or automatic (auto iris and P-Iris).

被写界深度

被写界深度はビデオ監視アプリケーションにおける重要な要素です。被写界深度は、ある目標物にピントを合わせたときに、その前後でピントが合っているように見える範囲を指します。例えば、駐車場をモニタリングしている場合、20m、30m、50m先に駐車している車のナンバープレートを確認する際、それぞれの被写界深度を認識することは重要です。

被写界深度は、焦点距離、絞りの直径、カメラと目標物との距離の3つの要素によって変化します。レンズの焦点距離が長い、絞りの口径が大きい、カメラと目標物の距離が近いなど、これらの条件によって被写界深度が制限されます。

被写界深度:人が順番に並んでいて、前から2番目の人にピントが合っている状態。ピントの合っている位置から前後15メートル以内の人の顔が認識できる場合、被写界深度は良いと言えます。

絞りの開きと被写界深度:対象物までの距離が2メートル、異なるf値で比較した例。f値が大きくなるほど絞りの開きは小さくなり、広い範囲に渡って焦点が合います(ピクセルサイズによりますが、絞りの開きが非常に少ないときは回折により画像にぼけが生じます)。

アイリスコントロールの種類