ปัญหาความคมชัดของกล้องวงจรปิด รวมถึงการมองเห็น

การมองเห็นของกล้องวงจรปิด บางคนไม่ได้ตระหนักถึงความสำคัญของคุณภาพของภาพด้วยการพัฒนาความละเอียดของกล้องวงจรปิด และการทำให้ชิป CCD มีขนาดที่เล็กลง

พวกเรากำลังเข้าใกล้ขีดจำกัดของความละเอียดที่แท้จริงของสแกนเนอร์ที่ชิป CCD สามารถทำได้ (Optical Resolution) และเราจำเป็นที่จะต้องรู้บางอย่างมากกว่าช่างเทคนิคโดยทั่วไป

เราจะพูดถึงคำศัพท์ที่เกี่ยวกับการมองเห็น แนวคิด และผลิตภัณฑ์ที่ใช้อย่างง่าย

 

ปัญหาความคมชัดของกล้องวงจรปิด

การหักเหของแสง

แนวคิดพื้นฐานแรกที่เราจะต้องเข้าใจนั่นก็คือแนวคิดเกี่ยวกับการหักเหและการสะท้อนของแสง เมื่อลำแสงเดินทางผ่านอากาศหรือสุญญากาศเข้าไปยังตัวกลางที่หนาแน่นกว่า เช่น แก้วหรือน้ำ

มันจะลดความเร็วด้วยปัจจัย n (จะมีค่ามากกว่า 1 เสมอ) ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อดัชนีการหักเห (Index of refraction) ตัวกลางที่แตกต่างกัน (ซึ่งโปร่งใสต่อแสง)

มีดัชนีการหักเหที่ไม่เหมือนกัน ยกตัวอย่างเช่น ความเร็วของแสงในอากาศคือ 300,000 km/s (ซึ่งเกือบจะเท่ากับความเร็วของแสงในสุญญากาศ)

ถ้าลำแสงผ่านแก้วซึ่งมีค่าดัชนีการหักเห 1.5 ความเร็วของมันจะถูกลดลงมาเหลือเพียงแค่ 200,000 km/s

ตามทฤษฎีคลื่นของแสง การลดลงของความเร็วแสงจะสะท้อนออกมาในรูปแบบของความยาวคลื่นที่สั้นลง ปรากฏการณ์นี้แสดงถึงพื้นฐานของแนวคิดการหักเห

ถ้าลำแสงเข้าแก้วในมุมตั้งฉาก ความยาวคลื่น ของลำแสงจะน้อยลง แต่เมื่อลำแสงออกมาจากแก้ว มันจะกลับเข้าสู่ความเร็วตามปกติ คืนสภาพกลับไปมี

ความยาวคลื่นเท่าเดิมและเดินทางในทิศทางเดิมต่อไป แต่ถ้าลำแสงเข้าไปยังตัวแก้วในมุมอื่นที่ไม่ใช่มุมตั้งฉากสิ่งที่น่าสนใจจะเกิดขึ้น ลำแสง (ซึ่งถูกพิจารณาว่ามีธรรมชาติของคลื่นในกรณีนี้)

จะมีส่วนที่ไม่ได้เข้าไปยังแก้วในเวลาเดียวกันกับลำแสงส่วนอื่น (เนื่องจากเข้าไปด้วยมุมที่ต่างกัน) ส่วนของลำแสงที่เข้าไปยังแก้วก่อนลำแสงส่วนอื่นจะ “ลดความเร็วลง” ก่อน

ผลลัพธ์ที่ได้คือการหักเหของลำแสง ลำแสงที่ได้จะไม่เดินทางไปทิศทางเดิมแต่จะเปลี่ยนไปเล็กน้อยขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของตัวกลาง ยิ่งตัวกลางหนาแน่นมากเท่าไหร่

ดัชนีการหักเหก็จะสูงมากเท่านั้น ซึ่งยิ่งมีค่าดัชนีการหักเหมาก ลำแสงจะเอียงออกจากทิศทางเดิมมากขึ้นตามไปด้วย

การสะท้อนแสงและกฏของสแนล (Snell’s law)

มันมีความสัมพันธ์ที่เรียบง่ายไม่ซับซ้อนระหว่างมุมเอียงและการหักเหและดัชนีของการหักเหระหว่างตัวกลางที่ต่างกัน 2 ตัว ความสัมพันธ์นี้ถูกค้นพบ

โดยนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ที่ชื่อว่า Willebrord Snell ในช่วงต้นของ ศตวรรษที่ 17 โดยใช้การคำนวนที่เรียบง่ายเป็นอย่างมาก เราจะสามารถหามุมของการหักเหในประเภทของตัวกลางต่างๆได้

ซึ่งทางผู้เขียนจะนำเสนอในส่วนต่อไป แนวคิดแบบเดียวกันจะถูกนำไปใช้เมื่อทำการคำนวนหามุมของการสะท้อนแสงรวมและจำนวนของช่องในเส้นใยแก้วนำแสง (Fiber Optic)

พื้นฐานของการหักเหได้ถูกอธิบายในแผนภาพที่อยู่ด้านบนของด้านนี้ ซึ่งในแผนภาพจะสมมติว่าลำแสงที่เข้าไปยังแก้วเป็นแบบ monochromatic (มีความถี่เดียว)

ด้านล่างของรูปภาพจะแสดงถึงเปอร์เซ็นต์ของแสงที่สะท้อนกลับไปอากาศ (หรือสุญญากาศ) ซึ่งในกรณีของแก้วมีโอกาสน้อยมาก

ทฤษฏีของการหักเหและการสะท้อนของแสงจะถูกนำไปใช้ในหัวข้อต่อไปเมื่อผู้เขียนจะอธิบายถึงแนวคิดเกี่ยวกับเลนส์และเส้นใยแก้วนำแสง

เลนส์ในฐานะเป็นองค์ประกอบในการมองเห็น

องค์ประกอบในการมองเห็น (Optical Elements) คือส่วนประกอบของอุปกรณ์ที่ใช้ในการมองเห็น ตัวอย่างขององค์ประกอบในการมองเห็น เช่น เลนส์, ปริซึม หรือกระจก เป็นต้น

มีองค์ประกอบสำหรับการมองเห็นมากมาย แต่โดยพื้นฐานแล้วจะมีเลนส์อยู่ 2 แบบได้แก่ เลนส์นูน และเลนส์เว้า โดยที่เลนส์เว้าจะมีค่าทางยาวโฟกัสเป็นบวก

เพียงแค่เป็นการโฟกัสจริง (real focus : จุดที่แนวแสงลู่เข้าทั้งหมดไปตัดกัน) และเรามักจะเรียกมันว่าแว่นขยาย เนื่องจากมันสามารถขยายวัตถุให้ดูใหญ่ขึ้นได้ เลนส์แบบที่ 2

ซึ่งก็คือเลนส์เว้าซึ่งมีค่าทางยาวโฟกัสติดลบ เป็นการโฟกัสแบบเสมือน (virtual focus : จุดที่แนวแสงลู่ออกทั้งหมดต่อย้อนหลังไปตัดกัน)

เลนส์ทุกตัวมักจะมีตัวแปรที่สำคัญดังต่อไปนี้

• ระนาบของการมองเห็น (Optical plane) พื้นราบที่ผ่านจุดศูนย์กลางของเลนส์
  
  
• แกนของการมองเห็น (Optical axis) แกนที่ตั้งฉากกับจุดกึ่งกลางของ optical plane
  
  
• โฟกัส (Focus) จุดที่ลำแสงตกลงคู่ขนานกับขอบเขตของแกนการมองเห็น
  
  
• ทางยาวโฟกัส (Focal length) ระยะทางระหว่าง optical plane และจุดโฟกัสในหน่วยเมตร
  
  
• ไดออปเตอร์ (Diopter) ตัวเลขที่ตรงกันข้ามกับทางยาวโฟกัส เมื่อทางยาวโฟกัสอยู่ในหน่วยเมตร
  
  

วัตถุที่ใช้ในการมองเห็นต่างๆ

ขนาดและประเภทของพื้นผิวของเลนส์มีอยู่หลายประเภทมาก เช่น เลนส์นูนแกมระนาบ (plano-convex lens) และเลนส์เว้าแกมราบ (plano concave lens) เป็นต้น

ชื่อประเภทของเลนส์จะบ่งบอกถึงลักษณะทางกายภาพของเลนส์ ซึ่ง plano หมายความว่ามีด้านหนึ่งใน 2 ด้านของพื้นผิวของเลนส์เป็นแนวราบ

ประเภทของเลนส์ที่แตกต่างกันได้ถูกนำมารวมกันเพื่อแก้ไขการบิดเบือน (การเบี่ยงเบน) ที่เกิดจากปัจจัยต่างๆให้ถูกต้อง

เลนส์นูน (convex lens)และเลนส์เว้า (concanve lens)

ทางผู้เขียนขอยกตัวอย่างว่าทำไมจึงจำเป็นที่จะต้องทำการแก้ไขด้วยการตรวจสอบถึงแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบกับปริซึม เราทุกคนรู้ว่าสายรุ้งเป็นผลที่เกิดขึ้น

จากอีกด้านหนึ่งของปริซึม มันเกิดขึ้นเพราะว่าลำแสง “สีขาว” ที่มาจากพระอาทิตย์ประกอบไปด้วยความยาวคลื่น (สี) ทั้งหมดที่สายตาของมนุษย์สามารถมองเห็นได้

เนื่องจากมันผ่านเข้าไปในปริซึมแก้วที่มีดัชนีการหักเห n₁ > n₀ ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันจะถูกเปลี่ยนให้มี “อัตรา” ที่ต่างไปจากเดิมเล็กน้อย (เป็นอัตราส่วนกับความถี่ของคลื่น)

ซึ่งจะทำให้เกิดสายรุ้งในอีกด้านของปริซึม เราเรียกสิ่งนี้ว่าเป็นการสลายตัวของแสงสีขาว สีแดงเป็นสีที่มีความยาวคลื่นยาวที่สุด (มีความถี่ต่ำที่สุด) ดังนั้นมันจึงมีการหักเหน้อยที่สุด

ในขณะที่สีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด (มีความถี่สูงที่สุด) สีม่วงจึงมีการหักเหมากที่สุด ผลกระทบที่คล้ายกันคือรุ้งกินน้ำที่เกิดขึ้นหลังฝนตก

ซึ่งแท้จริงแล้วเป็นการหักเหและสะท้อนของแสงพระอาทิตย์ผ่านเม็ดฝน ไม่ว่าผลกระทบนี่จะน่าประทับหรือสวยงามแค่ไหน มันก็เป็นสิ่งที่ไม่ต้องการในการออกแบบเลนส์

เลนส์เว้นจะมีความคล้ายคลึงกับการนำปริซึมเล็กๆมากมายมาวางให้อยู่ติดกันเป็นโมเสก เป็นที่ชัดเจนว่าภาพที่ถูกสร้างขึ้นมาจากเลนส์ดังกล่าว

จะใช้แสงอาทิตย์ในช่วงกลางวัน (ซึ่งเป็นกรณีที่พบได้โดยทั่วไป) จะถูกแยกออกมาเป็นสีพื้นฐานเหมือนกับกรณีเดียวกับการแยกแสงออกมาของปริซึม

การใช้ปริซึมในการแยกแสงสีขาวออกมา

นี่หมายความว่าเมื่อลำแสงสีขาวตกลงบนเลนส์นูน จุดโฟกัสจะแตกต่างกันออกมาสำหรับสีที่ต่างกัน นี่เป็นผลกระทบที่ไม่ต้องการที่เรียกว่าการบิดเบือนสีของเลนส์ หรือที่มีชื่อว่าความคลาดเคลื่อนสี (Chromatic Aberration)

ดังนั้นจึงเป็นเรื่องที่ทุกคนควรจะเข้าใจอย่างชัดเจนตรงกันว่าความคลาดเคลื่อนสีไม่ได้เกิดขึ้นบ่อยนักเพราะว่าสาเหตุไม่ได้มาจากความไม่สมบูรณ์แบบของการผลิตเลนส์ (ถึงแม้ว่ากรณีนี้จะไม่ถูกยกเว้น)

แต่เป็นเพราะว่ากระบวนการทางกายภาพในการแยกแสงสีขาวเป็นความยาวคลื่นพื้นฐานเมื่อแสงผ่านเลนส์ตัวนึง

ความคลาดเคลื่อนสีสามารถทำให้ลดลงได้โดยการรวมเลนส์นูนและเลนส์เว้าเข้าด้วยกัน เมื่อแสงสีขาวจะถูกแบ่งโดยเลนส์นูนก่อนเป็น “สายรุ้งที่ถูกกระจาย”

แต่หลังจากนั้นจะถูก “นำมารวมด้วยกันอีกครั้ง” ด้วยเลนส์เว้าเพราะผลที่ตรงกันข้ามของเลนส์เว้า (สัมพันธ์กับมุมตกกระทบ)

ต้องทำการเลือกเลนส์ทั้ง 2 ประเภท (เลนส์นูนและเลนส์เว้า) อย่างระมัดระวัง (โดยพิจารณาจากความหนาและจุดโฟกัสของมัน) ผลลัพธ์ที่ได้คือสีทุกสีจะมารวมอยู่ด้วยกันและสร้างจุดโฟกัสขึ้นมาจุดนึง

สิ่งนี้จะบรรลุได้โดยการเลือกคู่เลนส์นูน-เลนส์เว้าที่เหมาะสม รักษาจุดโฟกัสที่ต้องการในเลนส์อันเดียว โดยจะมีกาวชนิดโปร่งใส่เป็นพิเศษที่ใช้ในการติดเลนส์ทั้งคู่เข้าไว้ด้วยกัน

ตัวอย่างที่เข้าใจง่ายนี้ในข้างต้นนี้เป็นเหตุผลว่าทำไมอุปกรณ์สำหรับการมองเห็นต้องการเลนส์ที่ประกอบด้วยทางยาวโฟกัสที่เฉพาะ

การแก้ไขความคลาดเคลื่อนสี

เลนส์จะทำให้เกิดการบิดเบือนหลายอย่าง ไม่ใช่แค่ความคลาดเคลื่อนสีอย่างเดียวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงรูปทรงเรขาคณิต (“หมอนสำหรับปักเข็ม (pincushion)”และ“ถัง (barrel)”) และทรงกลม

โดยที่ชื่อจะบ่งบอกถึงรูปแบบของการบิดเบือนที่อยู่ในรูปภาพ ซึ่งความผิดพลาดเหล่านี้จะถูกแก้ได้โดยการเติมองค์ประกอบในการมองเห็นเข้าไปในกลุ่ม

เมื่อทำการออกแบนเลนส์ วิศวกรด้านการมองเห็น (Optical engineers) จะต้องรักษาสมดุลระหว่างเลนส์ที่มีการปรับปรุงแก้ไขให้มากที่สุด (เพื่อที่จะได้รูปภาพที่มีคุณภาพดีที่สุด)

แต่ก็ต้องให้มีองค์ประกอบ น้อยที่สุด (ด้วยเหตุผลทางด้านเศรษฐกิจและเทคโนโลยีที่มีให้ใช้)

เราจะสามารถจินตนาการได้ว่ามีการรวมกันของเลนส์ที่เป็นไปได้กี่แบบเมื่อทำการออกแบบเลนส์ที่มีทางยาวโฟกัสที่เฉพาะพร้อมกับองค์ประกอบครึ่งโหล (หรือมากกว่านั้น)

ในช่วงก่อนปัจจุบัน วิศวกรจะทำงานด้วยกันกับนักคณิตศาสตร์เวลาทำการออกแบบเลนส์ที่มีทางยาวโฟกัสและขนาดที่เฉพาะ และพวกเขาจะได้การคำนวนเป็นร้อยเป็นพันครั้งด้วยมือ ขนาด,

ทางยาวโฟกัสและตำแหน่งของทุกชิ้นส่วนจะเป็นตัวแปรทั้งหมด หนทางเดียวที่จะหาการรวมกันองค์ประกอบที่ถูกต้องคือการคำนวนซ้ำไปซ้ำมาเป็นเวลาที่นานมาก

กลุ่มของเลนส์กับม่านรับแสง

แน่นอนว่าผลลัพธ์ที่ต้องการคือการได้เลนส์คุณภาพดีโดยที่ไม่ต้องใส่องค์ประกอบในการมองเห็น            มากเกินไป เนื่องจากนี่เป็นโจทย์ที่ยาก

ผู้ผลิตเลนส์จึงทำการจดถึงการออกแบบเลนส์โดยเฉพาะเป็น “สูตร” ว่ามีเลนส์กี่ตัว มีทางยาวโฟกัสเท่าไหร่ และต้องอยู่ในตำแหน่งไหน

นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมช่างภาพและคนทำภาพยนตร์จึงอาจจะใช้เลนส์จากผู้ผลิตรายใดรายหนึ่งโดยเฉพาะ เช่น Planar, Xenar เป็นต้น

เพราะแบรนด์เหล่านี้ได้ทำการจดทะเบียนสิทธิบัตรในแบบของเลนส์สำหรับขนาดหรือทางยาวโฟกัสหนึ่งโดยเฉพาะ

 

การทำสัญลักษณ์ของเลนส์

ในยุคคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน มีโปรแกรมมากมายสำหรับการสมมติการมองเห็น ภายในไม่กี่นาทีผลลัพธ์ที่เหมาะสมจะได้มา แนะนำถึงองค์ประกอบในการมองเห็นเท่าที่จำเป็น

แต่ยังสามารถแก้ไขการบิดเบือนที่มองเห็นได้ด้วยตาทั้งหมด นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมทางยาวโฟกัสหนึ่งถึงมีให้ซื้อในราคาและขนาดที่แตกต่างกัน

เลนส์ทั้งหมดจะให้มุมในการมองเห็นที่เหมือนกันแต่จะมีคุณภาพของรูปที่ต่างกัน คุณภาพของเลนส์ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัยและเราไม่ควรเอาปัจจัยหนึ่ง

นี่เป็นสิ่งที่สำคัญเป็นอย่างมากกับเลนส์ซูม เนื่องจากมีหลายตัวแปรเกี่ยวกับการออกแบบของมัน เลนส์ซูมได้ถูกใช้โดยทั่วไปในระบบ CCTV ส่วนใหญ่

ดังนั้นเราจึงต้องระวังเวลาที่ต้องทำการเลือกมัน มันไม่มีกฎพื้นฐาน ดังนั้นคำแนะนำที่ดีที่สุดคือการทำการทดสอบและเปรียบเทียบ

ปัจจัยที่ตัดสินถึงคุณภาพของเลนส์สามารถสรุปออกมาได้ดังต่อไปนี้

1. การออกแบบเลนส์

   • จำนวนขององค์ประกอบ
   • ตำแหน่งขององค์ประกอบ
   • การแก้ไขการเบี่ยงเบนในการออกแบบ
     
     

2. ผู้ผลิตขององค์ประกอบของเลนส์

   • ประเภทของแก้ว
   • เทคโนโลยีและประเภทของแก้วที่ทำการผลิต (การทำให้ร้อน, การทำให้เย็น, ความสะอาด)
   • ความแม่นยำของการขัดและตกแต่ง (สำคัญมาก)
   • การเคลือบสารกันการสะท้อนของแก้ว (ชั้นสำหรับการลดปริมาณแสงที่หายไป)
     
     

3. การจัดวางของเลนส์

   • การแก้ไขตำแหน่งและความคงที่ของเลนส์ (ไฟฟ้า, อุณหภูมิ)
   • ชิ้นส่วนของเลนส์ที่เคลื่อนไหว (โดยเฉพาะสำหรับการซูม, โฟกัส, ม่านรับแสง)
   • การสะท้อนแสงภายใน (การดูดซึมแสง)
   • เฟืองภายในมอเตอร์ของเลนส์ (พลาสติก, โลหะ, ความแม่นยำ)
     
     

4. ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (อ้างอิงถึงม่านรับแสงอัตโนมัติและมอเตอร์ของเลนส์)

   • คุณภาพของม่านรับแสงอัตโนมัติ (ความมีเสถียรภาพ, ความแม่นยำ)
   • การใช้ไฟฟ้า (โดยปกติแล้วม่านรับแสงอัตโนมัติจะใช้ไฟน้อย แต่อาจจะมีกล้องรุ่นเก่าที่ใช้ไฟมากกว่าที่กล้องให้ได้
   • วงจรควบคุมการซูมหรือโฟกัส (วัตต์ : 6, 9 หรือ 12 วัตต์, มีสายไฟ 3 หรือ 4 เส้น)

เลนส์ซูมที่ถูกแยกชิ้นส่วนออกมา

 

Related link :   ระบบงานติดตั้งรั้วไฟฟ้า     ระบบสัญญาณกันขโมย